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技術探索

第五代行動網路之無線網路虛擬化技術

中文摘要

  由於近年來行動網路資料的快速增長,Cisco預測到了2019年,行動網路資料數據量將是2014的10倍[1]。行動數據的增長是如此劇烈,因此行動網路相關的各種資源需要更有效管理與共享機制。無線網路虛擬化技術(Wireless Network Virtualization)是第五代行動網路相關規格中所引入、修訂的一種有效的資源分配與共享的方法。本論文首先簡介了無線網路虛擬化的主要概念與技術。其次,我們進一步介紹多種基於無線網路虛擬化技術的創意與研發成果,並以一實際的無線資源的虛擬與資源分配問題為例,進一步說明研究者如何針對該問題進行分析,並轉換為傳統的裝箱問題後用Bottom-Left (BL)處理。最後本論文介紹了我們基於資源需求分割與頻寬聚合(Carrier Aggregation;CA)技術, 所提出一BL方案的優化思路。其研究數據顯示在考量資源碎片的分配與載波聚合技術後,我們所提出的方法確實有較好的表現。透過這樣漸進的方式,本論文由廣漸深地完整地簡介了無線網路虛擬化技術及其相關問題與挑戰。

Abstract

  According to Cisco’s report, global mobile data traffic is expected to rapidly increase and reach about 10-fold amount in 2019 over 2014 [1]. With such an increasin g demand of mobile data usage, more efficient resource management and sharing mechanism is needed for the mobile networks. Wireless Network Virtualization (WMV) is a promising way considered by 5G specifications [2,8]. In this paper, we introduce the characteristics and some popular technologies for the wireless network virtualization. We also survey some WNV problems and prior researches. A virtual network embedding problem with bottom-left (BL) algorithm is taken as an example to depict the WNV resource sharing issue. Taking into account the possibility of request blocks splitting and carrier aggregation (CA) features, we propose a BL-like mechanism. Our numerical results indicate that our proposed scheme outperforms the BL algorithm. Throughout the paper, readers will get a deeper understanding of the technologies and challenges in WNV.

關鍵詞(Key Words)

無線網路虛擬化技術(Wireless Network Virtualization;WNV)
無線資源分配(Radio Resource Allocation)
無線網路嵌入(Wireless Network Embedding)

圖1 無線網路虛擬化技術

圖1 無線網路虛擬化技術

1.前言

  基於近年來行動網路資料的快速增長趨勢,Cisco在全球行動網路資料傳輸的增長預測白皮書[1]中指出,到了2019年時每月所傳輸的行動網路資料量預計將會超24.3 exabyte(EB; 每1 EB= 106 TB),其數據量約是2014的10倍。由於行動數據的增長是如此劇烈, 能對網路資源進行有效管理與分享,進而大幅降低廠商資本支出(Capital Expense;CAPEX)與營運成本(Operation Expense;OPEX)的相關議題吸引了大量業者與研究者的目光。虛擬化技術(Virtualization) 即是一種常用且有效的資源分配與共享的方法。透過將實體資源(包括CPU運算能力、記憶體、儲存空間、網路頻寬等)虛擬化, 進而達成小至單一電腦資源分割,大至跨網路跨資料中心的資源共享與分配的功能。基於上述的網路虛擬化概念,第五代(5thGeneration;5G)行動網路相關的標準組織(如 METIS、IETF與 ETSI[2,8]等)也提出了包括無線接取網路(Radio Access Network;RAN)、核心網路(Evolve Core Network;EPC)、IP多媒體子系統(IP Multimedia Subsystem;IMS)、家用與企業網路(Home and Enterprise Networks)等項目在內的各式網路的虛擬化需求, 以期能為即將到來的5G行動網路建立更具彈性與效率的網路架構, 進而為更多的行動用戶提供更高頻寬、更佳傳輸效能與支援更快移動速率的網路服務。

  圖1 顯示了無線網路的虛擬化技術(Wireless/Radio Network Virtualization)中的兩項主要功能: 網路資源的抽象化(abstracting,在某些研究中也被稱單一無線接取技術(Single RAN Technology);如圖1 (a)) 與隔離(isolation,在某些研究中也被稱為資源分割(slicing);如圖1(b))。

  網路資源的抽象化, 目的在將底層不同的無線接取網路,轉為單一使用介面提供給上層的應用服務。上層應用不須因為底層無線網路接取技術(Radio Access Technology (RAT), 如LTE或WiFi)的改變而調整使用方式;故只要仍有無線網路存在,用戶將感受不到網路切換所帶來的改變與不便(如應用服務中斷及重連等)。而網路資源隔離-則提供將網路資源依照不同需求(如不同應用服務、不同服務等級(Quality of Service;QoS)或不同網路業者等)切分網路資源的能力, 進而達到網路資源可依使用需求進行分配、調整與共享的目的。由於電腦與實體網路資源的虛擬化技術已著手研究數十年,早已有許多成熟技術與成果面市,如虛擬機器(Virtual Machine;VM)、虛擬私有網路(Virtual Private Network;VPN)、虛擬區域網路(Virtual Local Network;VLAN)或軟體定義網路(Software Defined Networks ;SDN)等。當行動網路的虛擬化需求與規格提出後,各大設備商(如NEC、Alcatel Lucent、Cisco 與Ericsson) 、營運商( 如Sprint 、Huawei 與 Telefonica)與新興軟體開發商(如Connectem與 Cyan),也紛紛在短短幾年間推出了各自的核心網路虛擬化方案或驗證雛型。

然而,相較於已積累多年研究能量的實體網路資源的虛擬化技術,無線網路資源 (wireless/radio resources) 的虛擬化技術則處於剛起步的研究階段,仍有許多重大挑戰需要去克服,包括相對於虛擬機器的CPU與記憶體資源來說,更加珍貴且稀缺的無線頻譜資源,需要更有效率的管理與分配方式。其次,相對於傳統的有線網路與硬體資源來說,具有廣播性質的無線傳輸方式易造成彼此干擾。因此無線網路資源之抽象、隔離或干擾消除等都是更加棘手、彼此關聯且待解的問題。就無線資源的隔離來說,隔離本身與資源利用效率存在權衡關係,而實際應用時所遇到的各種干擾源所造成的資源耗損該如何估算,又對待分配或已分配資源造成何種影響等。在後面章節中,本論文將更廣泛地介紹各種較新的無線資源分配技術,包括研究者主要概念、創新與研發過程可能遭遇的難題。爾後,本論文將以一無線資源的虛擬與分配問題為範例,進一步說明相關研究者如何針對該問題進行分析歸納,將其轉化為傳統的裝箱問題後用Bottom-Left (BL)演算法來解決,而我們又如何基於BL方案提出了我們的優化構想,以及過程中又遭遇何種問題。透過這樣逐步漸進之方式,本論文希望能由廣漸深地介紹無線網路虛擬化技術與概念。

  本論文包括前言、無線資源分配技術、成果展示與結論幾章。其中,前言一章簡介了無線虛擬網路技術的概念、發展現況與面臨之挑戰。無線資源分配技術一節則較廣泛地介紹了既有的無線資源分配技術與切入概念。無線虛擬網路嵌入一節,更深入地說明了先期研究者解決無線資源虛擬化問題的思路,以及我們所設計的優化方法與成果。結論一節則為本論文重點回顧與成果摘要。

圖2 以分時多工存取達到連結虛擬化示意

圖2 以分時多工存取達到連結虛擬化示意

2.無線網路虛擬化

  如前文所述,相較於有線網路與電腦領域的虛擬化已有數十年的發展,無線網路虛擬化則起步不久。除因無線網路頻譜資源相對很稀少,不像硬體設備如CPU或記憶體等資源,可以不斷的增加, 故早年的需求不顯之外,另一個原因是, 網路虛擬化的一個要求就是資源隔離,使各個虛擬網路之間不會互相干擾。在有線網路中, 要做到虛擬網路的隔離可以利用實體的硬體,比如端口(port)來實行。然而,因為無線廣播的特性(broadcast), 達到隔離比較困難)。在目前較少量的無線網路虛擬化相關研究中, 較成熟且可利用來進行的無線網路資源隔離概念包括分時多工存取(Time Division Multiple Access ; TDMA),分頻多工存取(Frequency Division Multiple Access;FDMA)與分碼多工存取(Code Division Multiple Access ;CDMA)三項技術。目前已有許多基於上述概念所提出的無線網路虛擬技術被研發出,應用範圍包括各種無線網路系統,如WiFi、WiMAX與LTE等。以美國紐澤西州立羅格斯大學所提出的 SplitAP[3]為例:把WiFi AP利用分時多工存取虛擬成兩個網路,如示意圖2。

圖3 頻譜虛擬化

圖3 頻譜虛擬化

  此方法是利用將不同ISP的用戶,分成不同群組, 再將不同的接取時段分配給不同的群組織概念,來達到虛擬網路隔離之目的。虛擬網路之間的隔離, 可以達到共用同一實體裝置,但每一個虛擬網路卻都覺得只有自己在使用。這樣的好處是可以做到個別虛擬網路內的不同設定。然而,此方法除在實作上需要修改既有WiFiAP的驅動程式外,在實際之資源隔離上也遇到諸如頻段切換造成時延(delay), 資源分配過多或不敷使用等預測失準、整體效率效能不如預期等問題。對此研究者亦已開始研究即時分派與用戶反饋等配合機制,以期改善其效能。利用虛擬化技術除了資源共享的優點,也因為虛擬網路彼此之間互相隔離, 可同時測試新技術用來加快評估與推行。羅格斯大學為研究下一代網路開發出的ORBIT測試平台[4],就是採用虛擬化技術來讓許多計畫可同時不干擾的執行。

  虛擬化研究當然可以自不同的觀點切入,這邊舉簡單的例子。在LTE-Advanced系統中,藉由載波聚合(Carrier Aggregation;CA)[5]來達到頻譜虛擬化(spectrum virtualization),如圖3。假設一使用者獲得15MHz的頻寬, 除了可能直接被分配連續頻段的完整頻寬外,實際上這個頻寬的取得更可能是利用載波聚合虛擬化達到的。

圖4 虛擬網路運營商與基礎設施供應商的互動

圖4 虛擬網路運營商與基礎設施供應商的互動

3. 無線虛擬網路嵌入

  未來的網路上商業經營模式將可能更加分工,基礎設施供應商(InP)主要負責分配資源以符合虛擬網路運營商(VNO)的要求,營運商專心提供服務給其消費者,如圖4所示。黑色區塊為此InP無法使用的資源(比如說是屬於另一個InP所有),此InP根據傳輸需求來分配其資源, 其中對VNO1的資源需求VN11有利用到載波聚合。基礎設施供應商InP要儘可能的利用其資源避免造成過多的浪費,處理這樣的問題被稱為虛擬網路嵌入。

  無線網路嵌入的架構模型於[6]被研究探討,作者把無線網路嵌入的資源分配問題轉換成經典的裝箱問題(bin packing),同屬於NP-hard。針對常見的時頻資源分配,裝箱問題變成2維的條狀矩形排版問題,如圖5。舉例來說,圖5中VN2傳輸需求包括需要4個時段(時間單位),每個時段須傳輸2個頻寬單位的資料。Bottom-Left (BL) 演算法[7] 可用來處理此問題,此方法有較低的實作複雜度而且也有不錯的效能表現。然而,由於用BL演算法處理無線網路嵌入問題時,只考慮了整塊資源的直接分配,而沒有考慮將資源需求(request blocks)分割,並利用載波聚合技術進行傳遞,因此我們提出一個演算法基於BL的原則,使其適用於碎片的資源分配與使用載波聚合技術。我們的分割原則是在使用載波聚合時,若同一資源需求欲分割成2塊分塊,則此2分塊必須嵌入在相同的傳輸時段(e.g., 圖5上相同時間軸座標)上。本方法概念與步驟概述如下。

  首先如BL,將所有資源需求依所需時間單位之大小(i.e., 時間軸格數),降序排列以定出嵌入次序。接著再依序嵌入需求(以a代稱)。嵌入時,先確認此時可用的碎片區塊(i.e., 尚未被分配的部分),是否可利用載波聚合技術加以整合出足以容納需求a的空間。若有,則分割資源需求a並嵌入兩頻段。反之,如果碎片區塊不足以容納需求a,則將需求a預排入下一個可嵌入需求a的時段來傳輸,並重複上述兩步驟來確定嵌入位置(仍然基於BL)。

圖5 虛擬網路嵌入

圖5 虛擬網路嵌入

我們利用Matlab建立模擬模型, 以進行兩種方法之效能比較。其相關參數設定如下:

  • 每10個單位時間進行一次累計資源需求的嵌入排程。
  • InP提供20個單位的頻率以供分配。
  • 資源需求之產生為卜瓦松過程(PoissonProcess), 其平均到達率(arrival rate)為每單位時間1個。
  • 資源需求大小為均勻分佈(UniformDistribution), 時間與頻率各為2~6個單位不等(i.e.,Uniform(2,6)。
  • 無法使用的資源(如圖4中黑色方塊), 其出現位置與占用資源個數並非固定不變, 而是以卜瓦松分佈隨機產生, 其平均個數為6個,所在位置則為隨機產生。

  圖6圖示了在資源的利用率上,我們所提出的方法與BL的比較結果。數據顯示,相較於原本BL我們所提出的方法確實有較佳的結果,提升約18%的資源使用效率。然而, 實際應用上不可避免的仍會遇到一些需考量的因素。如圖4與5所示,嵌入問題可應用於跨網路與業者進行資源整合與共用,符合METIS或其他組織對下世代網路的期許(e.g.,Cloud RAN)。但資源需求量之估算、資源總量與干擾之影響、資源分配時各家權重與優先度之考量、排程週期(scheduling period)之調整與應用、公平性與整體效率之權衡、以及對鄰近網路之干擾等。無線網路虛擬化技術要進入到實際應用前,仍有許多重挑戰需要去克服。

圖6 資源利用率之效能比較

圖6 資源利用率之效能比較

4. 結論

  本論文介紹了第五代行動網路所引入並推動的無線網路虛擬化技術,其概念包括網路資源的抽象化與隔離兩大主要議題。其次,本文論文說明了無線網路虛擬化研究的三種主要技術,包含分時多工存取,分頻多工存取與分碼多工存取,並介紹了一種基於上述概念所提出的WiFi資源共享機制。本論文接著以一無線資源的虛擬與分配問題為例,說明先期研究者如何針對該問題進行分析歸納後,轉化為傳統的裝箱問題後用Bottom-Left演算法來解決。本論文也介紹了我們所提出的一優化方法。本研究成果顯示,在考慮了需求與資源的切割分配與載波聚合技術後,本論文所提出之方法確實可進一步優化BL機制之效能。目前初步的數據顯示此優化方案在資源使用效率方面約有18%的效率提升;未來,將在各方向效能指標上進行更全面之評估, 並進一步探討機制優化的可能性。最後,如本論文所述,無線網路虛擬化技術處於剛起步的階段,仍有許多重大挑戰需要去克服,也需要更多研究者共同投入相關領域之研究。

參考文獻

  1. Cisco Systems, “Cisco visual networking index: global mobile data traffic forecast update, 2014–2019,” white paper, 2015 Feb.
  2. ETSI Group Specification, “Network Function Virtualization (NFV); Use Cases,” V1.1.1, 2013 Oct.
  3. G. Bhanage, D. Vete, I. Seskar, and D. Raychaudhuri, “SplitAP: lever-aging wireless network virtualization for flexible sharing of WLANs,” in Proc. IEEE Global Communications Conference, 2010.
  4. D. Raychaudhuri, I. Seskar, M. Ott, S. Ganu, K. Ramachandran, H. Kremo, R.Siracusa, H.Liu, and M. Singh, “Overview of the ORBIT radio grid testbed for evaluation of next–generation wireless network protocols,” in Proc. IEEE Wireless Communications and Networking Conference, 2005
  5. G. Yuan, X. Zhang, W. Wang, and Y. Yang “Carrier Aggregation for LTE-Advanced Mobile Communication Systems” IEEE Communications Magazine, vol. 48, no. 2, pp. 88--93, Feb. 2010 
  6. K.-M. Park and C.-K. Kim,“A framework for virtual network embedding in wirelessnetworks,”in Proc. International Conference on Future Internet Technologies, 2009.
  7. B. S. Baker, E. G. Coffman, Jr., and R. L. Rivest,“Orthogonal packings in two dimensions,”SIAM Journal on Computing, vol. 9, no. 4, pp. 846--855, Nov. 1980.
  8. METIS, “Deliverable D6.4; Final report on architecture,” Document Number: ICT-317669-METIS/D6.4, Jan. 2015.

作者簡介

徐福得

現任工研院資通所行動網路系統技術部工程師。國立台灣大學電信工程學博士。專長於賽局理論的網路應用,無線通訊技術,網路分析與最佳化。

林湧鈞

現任工研院資通所行動網路系統技術部工程師。國立交通大學資訊科學與工程研究所博士。專長於行動網路架構、行動通訊協定、無線網路與行動計算。