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虚拟无线资源在异构无线网络中的自适应分配
虚拟网络和云服务，连同信息中心的方法，被认为是当今的热门话题，是将来网络的关键因素。这篇文章里呈现和评估的是虚拟资源共享一个共同的异构无线基础设施的自适应无线资源的分配机制。虚拟网络被提议的无线资源分配策略无线资源需要利用共享资源的群集内可用 的来自不同RATS的无线接入技术，以保持约定的容量使有效利用达到最大化。仿真结果表明，VRRA的引用允许在一个无线集群中支持最小带宽的需求，该无线群集由几个来自不同RATS的物理基站组成。本文中对于虚拟网络提供作为呈现高数据速率和有保障的服务，虚拟网络运营商的满意度水平由于VRRA机制的引入提高了40%。
关键词：未来互联网，无线资源管理，虚拟网络，异构网络，资源分配。
如今，针对完全不同的要求网络已经支持很多服务，比如，语音，网页浏览，文件传送和视频流。主要缺点是，把它们整合进一个单一的协议不总是可行的。
网络的虚拟化使得能够提供多重优化的运输服务，让清洁的石板和遗赠协议部署在独立的虚拟网络上。网络虚拟化的概念提供的基础的架构，使部署在共同的网络之上的多个网络的解决方案基础设施建设成为可能，而且这种概念正在被考虑为未来的网络所采用。近几年有几个建议的虚拟化网络已经出现，一些涉及到试验台，例如planetlab的[2]或轨道[3]，以及其他被涉及的互联网，例如[4]和[5]。云计算和虚拟化网络是相互关联的，因为云计算是虚拟化广泛采用的自然发展，通常涉及动态升级的供应和虚拟化资源。这导致了相关准备的有效管理，以保持云资源提供给最终用户。它实现按需网络访问的共享池可配置的计算资源，被迅速释放与最少的管理工作或服务提供商交互[6]。
在这种新的模式下，一个根本的假设是无处不在的接入到云中。这导致了有效连通提供管理，以维持云资源提供给最终用户。
必须有不同的连接的云计算水平来提供最好的资源，提供最好质量的经验给最终用户。该重点应该是最佳的可用带宽，以实现无处不在的接入和充足的永久性宽带连接目标;网络虚拟化可以彻底实现两者，确保多个客户端、系统、模式、服务的供应者和技术之间的服务的一致性[7]。
寻址需要始终可用连接云，并专注于无线接入，无线资源管理（RRM），特别是协同的RRM[8]，关注应该集中在这些虚拟/云环境。这使人们保持总是最好连接的概念，可以确保服务质量（QoS）要求，并优化无线电资源利用，同时利用优势集群异构网络间的收益。
在移动虚拟网络运营商范围的3G系统中，几个RRM战略已经被提出建议。
无线电资源的分配与共享的基础上RRM运营商非抢占[9]在录取控制[10]抢占优先级队列中，自适应分区借款[11]和合作基于在共享网络资源分配的游戏的偏爱功能概念[12]。在VNET环境中，一个有效的无线资源分享在没有干扰在不同的虚拟无线网络的虚拟无线架构在[13]里呈现。然而，在虚拟网络运营商（MVNOS）机制，运营商被迫使用类似的网络功能，通过3G规范定义，而在虚拟无线电，该框架的范围提供共享物理资源的无线电资源给最终用户，例如，基站（BS）。
本文的新颖之处是为虚拟链接指出了容量的规定，通过对无线资源适当的协作分配，这些无线资源来自一系列物理资源来自不同的无线技术接口，从现在开始被指定为一个群集设计。为了保证容量要求为虚拟量连接到不同的云服务，并假设它们由多个VNets提供一个互联星空无线资源分配（VRRA）机制的提出和评估;这使得该种载体，可以是调查定在给定的提供保证的虚拟连接地理区域中，通过异构无线集群送达网络。由于固有的能力有限，在无线网络中的一个主要问题，是变化无线资源影响互联星空容量/可用性的要求，这是需要考虑的一个有关的方面。
本文的结构如下。在第二节中，提出VRRA算法。场景和结果分别列在第三节和第四节。结论是呈现在第五节。
ⅡVNET无线资源分配
A.网络架构
网络环境设想被一个虚拟网络使能器创建的的多重VNets的存在。服务提供商将使用这些VNets，形成要求以满足他们的业务需求，提供他们的客户服务。
以这种方式，在物理基础设施是在几个VNets共享，提供具有不同要求的服务，并提供给多个服务供应商。图1描述了网络的物理视图架构。为了简单起见，服务提供商的请求仅仅作为一个容量的需求作为例子，尽管它们的要求不能被限制到这一点。基于对容量和基础设施可用性的请求，虚拟网络使能器定义了足够的VNet以提供服务及进行虚拟资源分配。虚拟资源构成VNet然后在网络基础设施上创建，通过共享可用的物理网络容量（数据率）。
在此工作的范围，只有VNet资源部署的无线基础设施是被考虑的，从现在起被指定为虚拟基站（VBSS）。该虚拟资源被假定为执行在一系列异构无线网络的顶端，服务于容量需求已经列出的地理区域。所请求的虚拟容量可能被分割在一个或几个VBSS的虚拟化进程。为了预防几个VBSS并存，会为每一个建立一个特殊的容量要求。所述VBSS'容量由分配提供无线资源单位（RUS）在多个基站构成群集。RU是最小的无线单元，，它可以以一种物理BS的形式分配给一个最终用户，BS依赖于RAT，例如TDMA中的一个时隙或CDMA的一个码字。
图2描述了虚拟网络运营商（VNO）针对网络的看法----逻辑视图。虚拟网络运营商是管理和操作VNets的人，包括他们满足服务供应商需求的虚拟资源。
VNOS是球员用于管理和操作VNets，包括他们的虚拟资源，以满足服务提供商的请求。他们知道只有虚拟资源是有相关容量的VNet的一部分，物理资源才有可能隐藏。
为了利用服务，终端用户物理地连接到基站，图1中，但连接到VNet提供该服务在逻辑上通过VBS做，通过一个虚拟链路，如图2。物理链路是RUS分配给终端用户的组，然而虚拟链路是从VBS分配，以比特/秒作为容量单位的。
物理和虚拟链路之间的路径是需要去计算VBS合计的容量的，约束的满意度测量也是被要求的，所以能能够保持VNO和基础设施供应商之间的信任。
在无线网络中，由于容量限制，共享可用的RUS和维持VBSS的要求是一个主要的难题。因此在基础设施的水平上，自适应无线网络分配机制的机制是特别相关的。二基础设施的水平允许提供给VBSS相关的表现。
VRRA被发展的去执行介于虚拟和物理链路之间的路径，动态调整无线资源的分配根据无线网络的条件及VNet的利用。这些功能分布在虚拟资源分配和无线资源管理之间。由于一个是处理异构网络，它会在协作RRM水平来实现，管理所有的异构无线网络中的区域，在RRM的水平，在基站本地实现。在合作RRM水平，管理能力汇总提供给所述虚拟资源，通过共享可用的所有来自RAT集合的无线资源。在RRM层面，它映射要求能力特定RAT上的RU分配给最终用户。
指出这种机制跟不同的无线资源分配与已经存在于媒体访问控制的适应机制之间的区别是值得的，而媒体访问控制处理的终端用户性能代替一个VBS全局性能。
B.策略和算法
虚拟无线网络分配最初由RUS进行预分配，超过异构无线系统的设定值，以安祖要求的容量。
这个初始分配后，自适应无线资源分配负责动态重新分配的RU向反映网络操作条件，满足VBS最小容量。使用BS的选择策略其中重新分配该附加的RU是基于两个主要标准：最充足的RAT为提供的服务并且BS具有最大可用容量。
VNets，因此他们的VBSS，都是随着一个固定保障遂平的要求而创建的，根据正在建议的合约。在这项工作中，要考虑两个不同的可能：保证，最好的努力。前者可确保所需的约束将不会在任何时间违反，而后者则提供一个最好的努力服务，即，一点不能保证给出是否或何时将数据交付。
VRRA算法是基于影响VNet需求的无线资源的容量/可用性的变化，例如，数据传输速率，延迟和错误率。这些变化，主要是由于自适应调制和编码在无线系统中使用的技术，以增加数据速率可靠的传输。在VBS的汇总数据速率强烈地依赖于移动终端的移动性，RAT选择访问网络，到基站的距离和信道损伤，以及其他参数。VBS数据速率容量的计算是所有个体在RUS中分配给终端用户所能达到数据的总和，根据需求增加了到VBS的未用的RUS预分配。未使用RUS被独立地考虑环境，最大RU数据速率也是这样计算，根据RAT的计算公式，具体计算如下：（第三页的公式）
该VRRA算法使用的监测信息，SINR（信号 - 干扰加噪声比），或数据速率，以与合同1比较当前的容量，那么，决定RUS的（再）分配一个给定的VBS。
BSS的知识、给VBSS特定的分配、BS共同位置以及基本的VBS的特征应该提供给VRRA。通过对同一位置的基站的授予访问权限，运营商/供应商协议是同样应该间接知道的重要信息。
对于恒定提供的流量，占据RUS的数目同他们的数据速率成反比。分配给每一个终端用户的RUS的设置数据速率依赖于它的SINR，随着SINR的减小而更小。因此，RUS占据数目随着所有终端用户变化，跟随提供给VBS的数据速率，被RUS预分配给VBS的数据所限制。因为它是由终端用户数据速率的总和加上未用的RUS预分配给VBS的计算所得，所以总的VBS数据速率也是在变化的。
（第三页的公式）
 
 
每当VBS容量低于最低限度，补偿机制就会被诱发，额外的RU选择分为两个步骤，
图3：
在同一个BS中根据个RUS的可用性，图4（a）中。
如果在相同的BS中没有足够的RUS来弥补VBS容量的缺失，根据最大可用标准将会在BS同一位置间做出选择，图4（b）。
关于可用性的计算，除了未分配的RU，一个VNet借用，与在[9]中定义的类似，被认为是限定，由VNet类型确定，这是根据该VNet用法调整。作为一个例子，在VNet中要求尽力而为，如果没有其他RUS可用，RUS可能通过VNet的严格要求去转换（借）执行总的数据速率。与此相反的是唯一可能的，如果互联星空严格要求的低使用率运行。这里重要的值得注意的是，此评价是通过执行基础设施供应商，从根本上支持这个决定去选择最佳的BS，其中的RU将被分配到VBSS。
C.指标
为了评估策略和算法性能，提出了两个指标：VNO契合度，协议无线的溢出度。在VNO满意度，SVNO，表示VNO请求（即，总的成功率最终用户请求来访问互联星空）使用剩余能力，按照协议规定：（第四页公式）
其中，VBSRgrt是bit / s的协议保证的数据速率。
SVNO在VNO所能达到的协议容量里占总量的有效减少的量。从公式（3）可以看出，VNO具有最大令人满意的水平，SVNO= 1，如果当前的VBS容量高于保证，即最小限制，或高于提供给VBS的数据速率。另一方面，一个VNO是完全不满足，SVNO= 0，如果当前的VBS数据速率低于最小限制则所提供的数据率要比当前的容量高得多。
间接的，这个指标可以评估网络能力反应电台/信道损伤的减少可用性的虚拟能力。值得注意的是SVNO可以被认为是一个用户满意的测量标准，由于VNOS是间接从VRRA观点的“用户”，因此，它可以用来解释协议违规。
协议无线的溢出值被定义为低于限制的VBS容量的百分比，VNet限制的容量使不可用的。（第四页的公式四）
它是一个全球性的度量，独立于VNO的满意度水平经验，因为在低VNet使用，容量减少可能不被察觉，因为足够的剩余容量来满足VNO请求。因此，只有当当前的VBS容量高于保证的数据速率时限制速率溢出值为零。另一方面，只要当前数据速率低于所提供的，并且也低于保证的，无线协议溢出值达到最大，意味着VBS一直运行在溢出状态。这个指标的目的是评估网络反应电台/信道损伤的减少虚拟容量的可用性，比如，RU的重新分配。适应无线介质变化快或慢的扫描时间是另一个需要达到的目标。
III。情景模拟
为达到模拟目的建立了一组场景。基本单位为1公里半径覆盖区域的群集，它由不同RAT组成，1个TDMA，7个CDMA，10个OFDMA和20个OFDM基站，如图5所示。在这个物理基础设施内，3 个VNets被实例化，其中2个服务于整个区域，1个提供的服务只是在中心区（约600米半径）。该VNets组成根据该方案不同而不同，它们的覆盖区域是总是相同的。
网络条件可能会引起已经发送的虚拟资源的容量的减少，为了反映无线介质的变化，可以设置活动用户的百分比并动态的改变他们的SINR。
从QoS角度考虑互联星空的类型，认为是这VNets A和C都是有保证（GRT）的，提供有严格的要求的服务，而互联星空B是尽力而为（BE）提供其他服务。终端用户根据一个全球性的服务使用的配置文件进行分布，如表I。
物理资源的虚拟化的百分比已被设置为90％，为了模拟一种环境，其中在网络操作数减少的时候RU可以被虚拟化。每VBS要求的容量通过群集的总容量确定，并且该服务的典型的数据传输速率由VNets提供。与总要求的数据速率相关的保证数据速率的百分比分别是VNet A 的65%和VNet C的70%。模拟方案示于图6，其中VBSS构成该虚拟资源是根据示它们被物理集群内服务的区域。
群集内VBSS组成VNet的数量的改变引起的效应且该方法常常用来映射VBSS到VBS物理基站的要求，它们也是分析的目标。两种不同的VBS实例化策略被认为是VRRA算法的评估。minPhysBS映射最低BS的VBSS覆盖区域内数目，来分配所需的RU进行虚拟要求的容量。MaxPhyBS预分配在VBS覆盖区域所有的BS的RU来达到虚拟要求的容量。
IV.结果分析
在本节中，模拟结果显示了在第三部分中定义的方案，以及参考分析值已经在[15]作出了讨论。模拟时间为60分钟的网络操作，在丢弃模拟器最初的10分钟后;该网络监控的采样周期是1秒。由于假定这些种类不补偿被应用，所以BE VNets的结果未呈现。相反，BE资源可用容量能够被GRTVNets使用，根据预定的借贷余量，在这种情况下的30％。
从图7中可以观察到，当无线资源在没有任何补偿机制的情况下被分配时，VNets以超过限制价值0.8在运行，这意味着通过基础设施供应商提供的数据速率容量低于最小限制，至少80％的时间。这是由于无线介质的损伤。
当VRRA被引入，它通过分配更多的RU给VBSS部分地补偿容量的减少值及间接的互联星空的VBSS聚集。（第五页最后一个图表）
值得注意的是，VNet C永远达不到协议溢出的最小值，即使引入VRRA机制，主要是因为VNet C提供的服务需要更高的数据速率，因此，在较差性能条件下的终端用户导致了无线单元更多的事实。
如图8，VNO满意度水平的结果显示出当RU在没有任何补偿机制进行分配时，VNets总是低于其最大值SVNO（与价值观低于0.5），这意味着VNO正试图用限制的速率，但基础设施供应商不提供允许的最小值，由于无线介质的降解及终端用户的移动性。至于提到了限制溢出，即使引入了VRRA，VNet C也并没有达到最大。（第6页图1）
为了研究VBSS的数目在VNets组成上的影响，SVNO的情景用2个VBSS和6 个VBSS是对于相同的实例化策略进行分析。从图8（a）中以及图9（a）中可以看出，对于互联星空C时不补偿的最低SVNO为6个VBSS的是0.406和2个VBSS的是0.242。有VRRA，最大SVNO获得VNet C是6 VBS的为0.94，这比已获得的2 ，这低于之前2 VBS获得的0.58。因此当minPhyBS在实例化策略中被用时，当用更多的VBSS时一个更好的SVNO在场景中被发现。
对于MaxPhyBS策略，图8（b）和图9（b）中，在VNet C没有补偿机制时，最低SVNO为6 VBSS的是0.08和2 VBSS的是0.6。 有VRRA，VNet C的最大SVNO是6 VBSS的是0.59，比2 VBSS的0.94略低。因此，关于VBSS的数目对MaxPhyBS的实例化策略，更好的SVNO是在更少数目的VBSS下取得的（有或没有VRRA），代替需要更多VBSS的数目提高VNet C的性能的minPhyBS。
关于与分析的阈值的比较，可以说，SVNO和rtnav的结果是全球范围内理论极限，如衍生于[15]。
五，结论
虚拟无线资源分配（VRRA）机制的提出，力求最大程度减少服务质量的影响降解固有的无线接口，通过全球性的评估异构网络环境的对虚拟化方法的影响。
根据模拟结果，VRRA的引入可以支持在无线集群的最低带宽要求，由来自不同RAT的几个物理基站组成，在给定的覆盖区域提供服务。作为一个例子，在一个方案中具有6 VBSS和无线电单元分配中的BS的虚拟网络的最大数量操作者满意度等级可以通过40％的改善。VRRA利用在整个共同集群里可用的共同资源的设置的优势，优化其利用率以维持其限制能力。
事实上，因为一些无线电资源未被VNets实例集群使用，VRRA重新分配它们到保证VNets，在低于数据速率能力减少时操作。必须强调的是，虽然VRRA算法可能给予保证VNets一定的支持，如果所需的和最小的数据速率之间的区别增加时，该补偿可以是不足的。当VNets提供的服务有更多的数据速率要求时这种条件是更严苛的，因为更多的频道受到性能影响同时下降。
从模拟结果看出，虽然在引进VRRA机制（SVNO= 1）时，互联星空提供低数据速率和有保证的服务可能达到最大的满意度水平，如果互联星空提供高数据速率服务，满意程度永远不会达到其最大，并且一个得到SVNO≈0.6或SVNO≈0.94，这取决于该场景。
关于在VNet中虚拟BS的数目和在物理基础架构中用来分配无线单元的实例化策略，仿真结果表明，互联星空的性能不仅依赖于虚拟基站的数量，也依赖于物理基础设施中虚拟基站的实例化策略。在该方案中有6个虚拟基站，当有最大数目（SVNO=与VRRA0.59）的分配倒最小数目（SVNO=0.94与VRRA）的分配策略时，满意度提高了。另一方面，如果方案有2个虚拟BSS，满意度从BS的最大数目（SVNO=0.94与VRRA）减少到最小数目（SVNO=0.58与VRRA）。
总之，无线资源的虚拟化看起来有前景，能够有效地利用无线渠道和为最终用户提供良好的服务质量。
致谢
欧盟委员会通过FP7-ICT-2009-5-SAIL工程的部分资金支持，
通过部分地支持了欧盟委员会通过FP7-ICT-2009-5-SAIL计划，格兰特对这项工作的同意编号257448，是公认的。