苏ICP备112451047180号-6
无线网络虚拟化：调查，一些研究课题和挑战
摘要：因为无线网络虚拟化能对设备和无线频谱资源抽象和共享，所以可以大大降低无线网络配置和运营的总开销。而且，无线网络虚拟化通过隔离网络的一部分，能为新产品或技术提供简单的移植。尽管无线网络虚拟化具潜在的远景，在无线网络虚拟化广泛部署前，仍有几个显著的研究挑战有待解决，包括独立性、控制信令、资源发现和分配、移动性管理、网络管理和操作、安全性，还有非技术问题，比如管理规定等。本文，我们对那些已经完成了实现无线网络虚拟化的一些工作进行简单调查，讨论一些研究课题和挑战。我们确定无线网络虚拟化的几个重要方面：概述、动机、框架、性能尺度、授权技术、挑战。最后，我们探讨在实现无线网络虚拟化方面更深远的视角。
1. 绪论
在信息和通信技术(ICT, information and communications technology)领域，‘虚拟化’已经在不同方面成为一个广泛的概念，如;虚拟记忆[1]，虚拟机器[2]，虚拟存储接入网络[3]，虚拟数据中心[4]。虚拟化涉及到在不同各方之间的抽象和资源共享。有了虚拟化，由于硬件利用率增加，从基础设施的去耦功能，新的业务和产品更加容易迁移(移植)，灵活的管理；由于这些原因，可以大大降低设备和管理的总成本[1-4]。
在有线网络，虚拟化已经存在几十年，如广域网（WAN，wide area networks）上的虚拟私人网络（VPN，virtual private networks），企业网络内的虚拟局域网（VLAN）[5,6]。最近，网络虚拟化已被积极地使用在因特网研究测试平台上，如G-Lab[7]和4WARD[8]，并且应用在云计算环境中[9]。它的目的是克服目前互联网的基础架构变革的阻力。大家都认为网络虚拟化是建立未来互联网的最有前景的技术之一[10]。
伴随着无线业务和流量的巨大增长，很自然的将虚拟化扩展到无线网络。采用无线网络虚拟化，网络设备能从它提供的业务进行去耦，这样差异化的服务可以在相同的基础设施上并存，最终最大化其利用率[11]。从而，通过不同业务供应商操作的多个无线虚拟网络可以动态共享由MNO（移动网络运营商，mobile network operators）操作的物理底层无线网络。因为无线网络虚拟化使设备和无线频谱资源的共享成为可能，无线接入网络（RAN）和核心网（CN）的资金开销(CapEx)和运营开销 (OpEx)可以大大降低。而且，MVNO(mobile virtual network operators，移动虚拟网络运营商)可以提供一些特殊电信业务（如VoIP，视频呼叫，顶级服务），这可以帮助MNO吸引更多用户，同时，MNO通过给它们租借独立的虚拟化网络和评测一些新业务，它能产生更多收益[12]。其间，无线网络虚拟化通过孤立网络的一部分，在支持传统产品的同时，使得新产品或技术的移植更加容易[12,13]。另外，新兴的异构无线网络需要一个收敛的、强大的网络管理机制，这可以通过无线网络虚拟化来支撑[14]。
尽管无线网络虚拟化具潜在的远景，在无线网络虚拟化广泛部署前，仍有几个显著的研究挑战有待解决，包括独立性、控制信令、资源发现和分配、移动性管理、网络管理和操作、安全性，还有非技术问题，比如管理规定等。尤其是，不像有线网络，它们的带宽资源抽象和孤立可以基于硬件（如端口和链路）基础完成，而无线资源的抽象和隔离没有那么直接，这是由于无线通信的内在传输特性和无线信道质量的随机波动引起的。另外一个无线网络虚拟化的重大挑战是资源分配，它决定了怎么将一个虚拟无线网络嵌入到物理网络上。另外，大量智能设备/节点具有自适应/情景感知功能，所以对无线网络虚拟化引起不小的安全挑战。这些挑战需要全面的研究工作来解决。
本文，我们调查无线网络虚拟化一些已完成的工作，探讨一些研究课题和挑战。图1给出根据无线网络虚拟化的设计画出的我们的方法的分层图。如图所示，我们确定了无线网络虚拟化的7个主要方面，其中我们可能侧重：概述、动机、框架、性能尺度、授权技术、挑战、深远视角。
图1 无线网络虚拟化路线图
图中：
（1）概述：历史概要、计划、SDN和开放流（无阻流量？）
（1）动机：商业模式、需求
（2）框架：无线频谱资源、无线网络基础设施、无线虚拟资源、无线虚拟化控制器。
（2）性能指标：传统指标、虚拟化特定指标
（3）授权技术：基于IEEE 802.11、基于蜂窝、基于IEEE 802.16、其它
（3）挑战：独立性、控制信令、资源发现和分配、移动性管理、网络管理、安全
（3）深远视角：感知无线和网络、多层次无线网络、云计算
下面的小节，我们详细描述每方面，讨论相关课题。节2展现有线网络虚拟化历史。然后引入一些网络 虚拟化方案。也介绍软件定义网络和无阻流（OpenFlow）。节3，介绍商业模式和涉及的团体。也讨论无线网络虚拟化的动机和需求。节4中总结一个框架，它包含4个主要部分：无线频谱资源、无线网络基础设施、无线虚拟资源、无线虚拟化控制。节5介绍了一些评估虚拟化网络的性能和质量的性能指标。节6按照不同的无线接入技术，讨论一些无线网络虚拟化应用技术。节7介绍研究课题和挑战。也介绍了一些更深远的视角。最后节8是结束语。
1. 网络虚拟化概述
本节，我们先介绍有线网络虚拟化历史。然后介绍网络虚拟化一些方案。还介绍SDN（Software defined networking ）和无阻流。
A．有线网络虚拟化简要历史
有线网络虚拟化出现已经几十年。有线网络虚拟化一些例子：VLAN（virtual local area networks，虚拟局域网），VPN（virtual private networks，虚拟私人网络），主动和可编程网络，覆盖（重叠）网络，描述如下：
1）VLAN：指一个领域，其中允许一组具有共同的利益（兴趣？）的主机逻辑上汇聚到一起，汇聚到一个单个传输域，而不管它们的物理链接[15].。
2）VPN:在一个VPN中，一个私有网络（其主机分布在多个站点）在公共通信网络（如因特网或PSDN）上通过私有的、安全的通道（链路）链接[16-18]。基于不同层，VPN能分成4类：层1 VPN[19]，层2 VPN[20]，层3 VPN[21]，高层VPN[22]。要注意的是，层1 VPN不能保证数据面连接和控制面连接，这意味着每个业务网络有独立的地址空间和L1 资源视图，和政策分离并且与其它VPN独立。这是层1 VPN和层2/3 VPN的主要区别。
3）主动和可编程网络：响应用户需求，开发、配置、管理新网络的需求极大驱动了主动和可编程网络的研究。关于可编程网络的基本探讨是：将通信硬件从控制软件独立出来，允许多个团体在同样网络元素上、无冲突的运行所有的不同的协议。开放的信令方式和主动网络方式，是主动和可编程网络的2种实现方法[23]。
4）重叠网络：虚拟网络基于另外网络的物理拓扑创造了一个虚拟拓扑，可以将它看成是一个重叠网络，其中节点通过虚拟链路相连，对应于基础（下层？）网络的路径。重叠一般在应用层实现[6]。
在上面4个有线网络虚拟化的例子中，虚拟化范围限制在一个或2个层。但是，为了利用虚拟化的全部优点，网络需要全部虚拟化，业务要明显的从下层基础设施分开。
B． 网络虚拟化计划
最近，有关网络虚拟化领域，已经开启了一些研究计划，包括：侧重网络技术的XBone[24]、Tempes [25]；侧重层的虚拟化的UCLP [26], VNET [27], AGAVE [28] and VIOLIN [29]；侧重架构域和管理的Genesis [32] and FEDERICA [33]；侧重虚拟化的粒度的PlanetLab [34], GENI[35], VINI [36], CABO [37], 4WARD [8] and NouVeau [38]；侧重无线感知网络的虚拟化VITRO [39]。由于篇幅有限，我们仅仅简单介绍CABO, GENI, 4WARD and PlanetLab，这些是网络循环化中的重要项目。
1）CABO：在CABO中，InP（infrastructure providers，设备供应商）和SP（服务供应商）之间的孤立概念由一个综合项目来促进和改善，以支持全虚拟化，这样能允许SP在多个InP的设备上提供端到端服务。CABO也是第一个全虚拟项目，其中虚拟路由器能从一个物理节点移到（映射到）另外一个节点。它也能为SP给终端用户支持端到端业务提供担保和用户化（定制化）。
2）4WARD：在4WARD中，除了InP和SP，还介绍了更详细的商业模式，包括VNP（virtual network providers，虚拟网络供应商商）和VNO（virtual network operators，虚拟网络运营商）。这种商业模式会给市场更多的机会。该项目还包括对网络虚拟化的资源分配和资源发现方面的大量工作。而且，4WARD也支持异构网络技术的虚拟化。另外一个重大贡献是：4WARD不仅仅在实验的网络和测试平台上实现网络虚拟化，它也在实际网络中实现网络虚拟化。
3）PlanetLab: PlanetLab提出一个‘网片能力(sliceability)的概念，其中每个应用程序在重叠（网络）的一个网片内获取并运行。网片能力是网络虚拟化的关键能力和设计原则，在有线和无线网络虚拟化实现中占主导地位。
4）GENI：它向无线领域引入网络虚拟化。在GENI中，通过TDMA,FDMA，SDMA提出了虚拟化技术和网片技术。而且，GENI给研究人员提供了能创造个性化虚拟网络的机会，而不受现存互联网的需求和假设的约束。
5）VITRO：它为在无线感知网络中使虚拟化成为可能并提供高级业务，提出了一个集成（综合）架构。VITRO方案实现了在物理节点上运行的应用软件从物理感知配置上解耦。虚拟感知物理的概念使得感知节点之间可以动态协作，除了原始配置的范围，还可以助长新业务和应用软件的增值。
《耦合是指两个或两个以上的体系或两种运动形式间通过相互作用而彼此影响以至联合起来的现象。 解耦就是用数学方法将两种运动分离开来处理问题，常用解耦方法就是忽略或简化对所研究问题影响较小的一种运动，只分析主要的运动。》
C．软件定义网络和开放流（OpenFlow）
SDN是一个新兴网络架构，其中网络控制从传输分离，直接可编程[40]。被认为是实现虚拟网络，尤其是网络控制方面，最具前景的技术。SDN主要有4个特征[41]：
（1）控制面从数据面分离。
（2）一个中央控制器，全局看网络。
（3）控制面（控制器）设备和数据面设备之间开放的接口。
（4）通过外部应用软件实现网络的可编程性。
通过从下层物理路由器和转发业务的交换机来分离网络的控制逻辑，网络运营商能编写高级控制程序来说明整个网络的行为。这和传统网络不同，传统网络运营商必须依据低级别设备结构来编写功能。SDN允许网络管理者通过一个控制器拥有网络业务的可编程集中控制，它不需要物理接入到网络的交换机。SDN的配置能创造一个逻辑网络控制面，其中硬件从数据传输面硬件上物理分离了，即，一个网络交换机能传输包，一个独立的服务器能运行网络控制面。解耦（功能）使得控制面比数据面能使用不同的分布模式来实现。于是能在一个不同的平台（和建立在硬件交换机和路由器上的低功率管理CPU不同）上运行控制面开发和运行时环境任务。
‘OpenFlow’是一个标准通信接口，在SDN架构的控制和传输层之间定义[42]。此标准由‘开放网络基金会（Open Networking Foundation，ONF）管理。OpenFlow允许直接接入和操作网络设备的传输面，如交换机和路由器。有了OpenFlow，网络包通过网络交换机的路径可以通过运行在多个路由器上的软件确定下来。许多网络交换机和路由器卖主已经宣布有意支持OpenFlow标准。
2. 无线网络虚拟化的动机、商业模式、需求
本节，我们将讨论无线网络虚拟化的动机。无线网络市场中不同角色的商业模式，并且介绍这些角色的功能。而且，将讨论需要符合实现无线网络虚拟化的需求。
A．什么是无线网络虚拟化？
无线网络虚拟化可以指的范围很广：频谱共享、设备虚拟化、空中接口虚拟化。类似于有线网络虚拟化，其中物理设备由一个或多个供应商支配，在多个服务提供商之间共享，无线网络虚拟化需要将物理无线设备和无线资源抽象、分离成许多虚拟资源，提供给不同的服务供应商。换句话说，虚拟化，不管有线或无线网络，可以被看作是一个分割整个网络系统的过程[13]。然而，无线环境的特性，如时变信道、衰减、移动性、无线传播方面，使得问题更加复杂。而且，无线网络虚拟化依赖于特定接入技术，相比有线网络，无线网络包含更多接入技术，且每个接入技术有其特定特性，这些很难去获得收敛性、共享、抽象。因此，认为无线网络虚拟化是网络虚拟化的子集是不准确的[11]。
本文，我们将无线网络虚拟化看成这样的技术，其中物理无线资源可以抽象、切片（slice）成虚拟无线网络资源，它具有一定的相应功能，将它们彼此隔离，多方共享。或者说，虚拟无线网络是实现这样的过程：抽象、切片、隔离、共享无线网络。既然，无线网络资源切片成多个（网/资源）片，‘虚拟切片’和‘虚拟网络’的术语含义类似‘虚拟无线网络资源’的含义。本文可以二选一的使用它们。
B．无线网络虚拟化的商业模式是什么？
在无线网络虚拟化中，物理资源被多方拥有，虚拟资源被其它多方利用。问题是，这几方是谁。商业模式可以描述，无线网络市场中角色的构造，这些角色的主要功能。如图2（a）所示，一般，在无线网络虚拟化后，有2个逻辑角色，MNO（移动网络运营商，mobile network operators）和SP（服务供应商）[12，37，]。物理底层无线网络的所有设备和无线资源，包括许可频谱、无线接入网络（RAN）、回程网、传输网（TN）、核心网（CN），都由MNO拥有、操作。MNO完成‘物理底层网络’虚拟化（映射）到某些虚拟无线网络资源。为简单计，我们用‘虚拟资源’来指示‘虚拟无线网络资源’。SP（服务供应商）租借这些虚拟资源，对它们操作、编程，以便能个终端用户提供端到端业务。在一些文章中（如[5]），MNO成为InP（infrastructure providers，设备供应商），仅仅负责为SP提供和租借无线网络资源。SP将基于租借和分配的资源，自行创建和配置虚拟资源，以满足端到端业务的需求。
上述商业模式中的角色可以进一步分离成更专业的角色，包括InP、移动虚拟网络供应商（MVNP）,移动虚拟网络运营商（MVNO）、SP[44-46]，如图2（b）所示。其功能描述如下：
a) InP: 拥有设备和无线网络资源。在某些情况下，频谱资源可能或不可能被InP拥有。
b）MVNP：出租网络资源、创建虚拟资源。某些MVNP可以拥有一些许可频谱，这样它们就不需要从InP申请频谱资源。某些文献（如[47]），称MVNP为MVNE(mobile virtual network enabler)。
C）MVNO：向SP维护和分配虚拟资源。同时，在一些方案中，MVNO担负MVNO和MVNP两者的角色。实际上，这种模式适合云计算中称为XaaS（X as a service，一切皆服务）[48]的新兴概念[48]。InP中提供的是IaaS（基础设施即服务，infrastructure-as a-service），而MVNO提供的是NaaS（network as-a-service，网络即服务）。
d) SP：侧重给其用户提供服务，基于由MVNO提供的虚拟资源。
即，虚拟资源由MVNO提供，由MVNO管理，由MVNP来创建，在InP处物理运行。很明显，这种四层次模式能在市场创造更多机会，直观的简化每个角色的功能。否则，使用更多的协作机制和接口，可能大大增加复杂度和等待时间。
这里，简单讨论MVNO的角色。关于MVNO的定义，在不同国家和团体是不同的[47]。[13]中的作者认为，MVNO不为其接入用户拥有任何频谱和无线接入网络。但是，[47]中，MVNO可能拥有、也可能不拥有设备，或者它可能仅仅拥有除了RAN和许可频谱外的无线网络的其它部分（如CN）。文[47]作者认为，MVNO是关键的参与者，能打破未来移动网络市场中有线和无线通信的价值链。这种说法是基于纯InP的存在，意味着MVNO是负责给SP提供虚拟资源的实体[10][46]。在XaaS概念中，IaaS可以提供给MVNO,MVNO可以提供NaaS给SP。但是，直到现在，大多数设备和无线资源由MNO拥有，它不想给具有潜力的MVNP和MVNO分享太多收益。和此判断不同的是，一些方案（如[49]）将MVNO看成是一个特殊SP，为关注的客户提供增强的业务。在此情形下，MVNO和MNO都能双赢，因为MVNO帮助MNO吸引/保留更多量的客户，MVNO可以提供业务包括VoIP、视频电话、现场直播等[12].
上述商业模式也可以用在基于IEEE 802.11的无线网络。在商业蜂窝网络中，基于802.11接入技术可以作为蜂窝网络的有效补充，在热点提供数据流量。这时，作为整个无线网络的一部分，基于802.11的网络可以遵循上述讨论的商业模式。在另外一个含基于802.11网络的模式中，称为TaaS(Testbed as a Service,团队既服务)[50,51]，MNO和SP可能分别是设备供应商（管理者）、研究机构（组），而不是商业实体。
图2.无线网络虚拟化商业模式。（a）一个两等级模式；（b）一个四级别模式。
C．为什么需要无线网络虚拟化？
无线网络虚拟化的动机范围很广，从学术、工业研究到商业市场。在无线网络中，将理论研究和实际实现联系的重要纽带是：基于设备的测试，用它来鉴定和评估新技术和提出的创新思想。无线网络虚拟化能支持强大和有效的测试系统，它能缩短革新技术的研发过程。首先，由于虚拟网络的灵活性、可编程性、私有性，提出的新网络技术和业务可以在设备内实现，更简单更迅捷的评估，而不需要考虑复杂的接口和物理设备的特性。其次，由于虚拟网络的独立性，可以运行多个实验且同时操作，这意味着，即使在实际设备中，可以测试和配置实验函数，不会打扰到正常业务[14]。
在商业市场，由于无线网络虚拟化的共享许可，可以大大降低CapEx（资本支出）和 OpEx（运营支出）。文[49]作者猜测，用作CapEx和OpEx的600亿美元在5年内全世界运营商可以节约（高达）40%。[52]中给出了共享无线网络中CapEx和OpEx的详细分析。据估计，共享站点和天线可以减少CapEx的20－30%，如果整个无线网络共享，可以节约CapEx的25－45%，所有资产的共享将会再降低CapEx的10%。虽然OpEx在不同国家大不相同，通常，通过配置网络共享，有很大空间来降低CapEx和OpEx。
在过去几年，MVNO和OTT SP在移动网络市场已经成为很有实力的成员，以它们特有业务影响着传统的由MNO主导的市场环境。幸运的是，无线网络虚拟化为MVNO和MNO带来双赢的状态[12]。MVNO或其它类型的SP可以租借MNO的虚拟网络，而MNO可以从MVNO和SP吸引更多的客户。对MNO自身来说，因为网络能分离成几个‘网片’，一个网片内的升级和维护不会影响其它运行的业务。对SP，租借的虚拟网络帮助它们‘摆脱’了MNO的控制，所以可以更加简单的提供私人化和更灵活的业务，且QoS也能得到加强。这也为MNO带来可观收益，因为SP需要给MNO支付更多，且减少了MNO和SP之间的无休止的争论。
D． 无线网络虚拟化的需求是什么？
无线网络虚拟化可以基于一个特定商业模式开发。需要符合一些需求来实现无线网络虚拟化。根据虚拟化范围，这些需求可以分为基本需求，额外需求。
1）基本需求：
a)共存：在无线网络虚拟化中，物理设备应该允许多个独立虚拟资源共存在底层物理网络上[46]。实际上，很显然，虚拟网络的目的是使得多个系统运行在同一个物理资源上。
而且，因为虚拟网片是按照SP的需求创建的，所以在虚拟网片之间，它们是不同的。虚拟系统不得不负担多个虚拟网片，这些网片具有不同的QoS需求、拓扑、业务类型、安全等级、用户行为等。
B）灵活性，易管理性，可编程性：通过从底层物理网络和其它共存虚拟网络中分离私有化控制协议，来提供网络不同方面的自由度[5]。然而，因为不同的虚拟化可能具有不同等级（级别），范围从流等级、子信道或时隙等级，到天线等级[12]，所以其灵活性依赖于虚拟化的等级。更高等级的虚拟化可能降低虚拟化的灵活性，但是能获得网片间更好的资源复用（因此关于波动流量的利用增加）和简易的实现，但是它会降低‘独立性’的功效和资源私有化的灵活性，反之低等级虚拟化导致相反的效果。
易管理性和可编程性是另外2个基本需求。既然虚拟网片或虚拟网络分配给SP，且这些虚拟无线资源的管理从底层网络分离，那么无线网络虚拟化需要给SP提供虚拟资源的完全的端到端控制[5]。SP能管理虚拟网络的配置、分配，如路由表、虚拟资源调度，接入，甚至是修改协议，等等。
为了实现易管理性，需要将可编程性集成在无线网络虚拟化中，以帮助SP实现私人化的各种业务、协议、网络。可编程性需要MNO提供适当的接口、编程语言、启用具有相当的灵活性等级的安全编程范式。
c) 独立性：独立性确保：任何配置、定制、拓扑变化，任何特定虚拟网络的错误配置和离开，不会影响和干涉到其它共存的部分。即，独立性意味着，某个虚拟网片的任何改变，如终端用户数、终端用户的移动、信道状态的波动等等，不会引起其它网片的资源分配的改变[12]。实际上，虚拟网片或虚拟网络相互之间是透明的，或者可以这样说，它们不知道其它虚拟网片的存在。这类似于现代移动网络中用户之间的复用，但也不是完全一样。因为许多虚拟网络将共存，所以虚拟化中独立性是一个基本课题，能保证容错性、安全性和隐私[5]。另外，在无线网络中，尤其是蜂窝网络，一个小区内的任何改变可能引起邻近小区的高干扰，终端用户的移动性可能造成特定区域的不稳定[53]。因此，与有线网络比较，无线网络中独立性变得更加困难和复杂。
2) 额外需求：
a)异构性：因为有许多共存无线接入技术，所以无线网络虚拟化应该允许异构性。底层物理网络的构成应该不仅包括异构无线网络，也包含有线网络。而且，[46]的作者也指出，在它们之上的虚拟网络可以是异构的（如，通过使用不同的协议）。
b)重访问和可测量性：无线网络虚拟化中的设备应该提供这样的能力：支持共存虚拟网络或一些被切片的虚拟资源的数量的增加。
C)稳定性、收敛性：对虚拟无线网络来说，稳定性降低了底层物理网络中差错和配置错误的影响。而且，在任何不稳定情况发生时，收敛性允许虚拟无线网络仍是稳定的。
d)移动性：虚拟无线网络不仅仅应该支持传统的移动性，还应该支持MVNO或SP之间的移动性。移动性管理应该同时允许虚拟移动性，即WVN或SP之间的移动性和地理的移动性。
E）资源利用：无线网络虚拟化应该确保物理无线资源、计算资源、其它资源的有效使用。此架构需要处理动态资源调度中复杂度和效率之间的权衡。
IV. 无线网络虚拟化的框架
本节，为无线网络虚拟化归纳一个框架。此框架是基于现有研究提出的架构，反映无线网络虚拟化中的基本思想、部件、关系；但是，因为每个架构有其特定目的、原始内涵和理念，所以此框架不能反映所有的架构。一般，无线网络虚拟化的框架由4个部分组成：无线频谱资源，无线网络结构，无线虚拟资源，无线虚拟化控制器，如图3所示。
图3 无线网络虚拟化的一个框架
A． 无线频谱资源
无线频谱资源是无线通信中最重要的资源。通常，无线频谱资源指：许可频谱或一些专用自由频谱（如IEEE 802.11）。当认知无线电[54]出现，无线频谱范围扩展了，范围从专用频谱到白频谱，指所有者未用的空闲频谱被其它方使用。
由于感知网络的促进[55]、异构网络的配置（如毫微微蜂窝和小蜂窝）[56]、网络共享的实现[47]，我们将无线频谱分离成无线网络虚拟化的单一成分。与当前相对固定的频谱接入相比，感知无线电技术使得频谱的利用更加灵活，但是异构网络改变了蜂窝网络中传统频率复用计划。这2种技术将在节VII中讨论。网络共享在电信运营商之间的关系中引入了协作关系。粗略的说，网络共享包括：频谱共享、设备共享、全网络共享。将在下一节讨论后两者和网络共享的定义。
频谱共享指所有或部分的运营商拥有的许可频谱可以基于协议被多个合同运营商（通常是有助于共享频谱的运营商）利用。例如，运营商A和运营商B签订了共享彼此频谱的合同，于是它们具有更灵活的频率调度和分集增益，能改善网络的效率和容量。实际上，运营商间频谱共享已经提出很多年，如[57,58]。但是，由于政策和市场（而不是技术）的原因，在当前蜂窝网络中频谱共享并不流行。幸运的是，无线网络虚拟化正在恢复频谱共享以推动全虚拟化，这意味着将整个可用无线频谱看成一个整体资源，虚拟化它们成为抽象的接入媒质。
B．无线网络设备
无线网络设备指整个无线物理底层网络，包括站点（塔和天线）、基站（蜂窝网络中的宏小区、微小区、中继、RF、基带处理器、无线资源控制器，等）、接入点（无线局域网中）、核心网元素（网关、交换机、路由器等）、传输网络（RAN和CN之间的回程、链路）。
物理实现的设备部件是无线网络的基础，占据了MNO的投资的大部分。在现代无线网络中，单个整个的无线网络（包括RAN，CN和TN）可能被一个MNO支配，或者一些团体可能拥有整个无线网络的一部分，如一些团体拥有CN而一些团体仅仅拥有TN（传输网）。不过，在一定的地理区域，运营网络同样部分的MNO或InP之间是竞争关系，意味着没有共享或受限共享（如路由）存在。因此，这种范例中的虚拟化称为‘受限设备内虚拟化’，指一个单个MNO或InP内的虚拟化[13]。
很显然，如上所述，因为MNO需要吸引更多用户、满足来自SP的各种需求，所以当规划和操作无线网络设备时，在MNO之间协作和共享资源成为一个新的范例，它会改善网络效率和利用率。网络共享指多个MNO相互共享一个物理网络的容量和设备。从商业观点看，网络共享可以看作是一个协议，即两个或更多MNO汇聚它们的物理网络设备和无线资源然后相互共享的协议。从技术观点看，网络共享是来自塔和其它设备的共享，以共享整个移动网络[52]。从云概念的角度看，为了实现无线网络中的虚拟化，可以认为网络共享是授权IaaS的重要步骤。同时，网络共享能大大降低运营商的CapEx 和 OpEx[59]。在商业网络中，几个标准化组织（如3GPP[60]）、供应商（如NEC[61]和Nokia Siemens网络[62]）、运营商（如中国移动[63]）已经完成了网络共享的一些初步方案和推广。在UK，通过汇聚网络设备，Vodafone and O2已经开始它们的网络共享。这种网络共享合作关系，可以为移动用户获得更好的覆盖、建造更少的天线杆[64]。在前面小节中已经介绍了一个网络共享方案：频谱共享。这样，下面讨论另外2个共享方法：‘设备共享’和‘全网络共享’。
1）设备共享：不像频谱共享，此处仅仅指设备共享。分为两类：（a）‘被动共享’和（b）主动共享。被动共享指运营商共享被动设备，如建筑楼宇、站点、桅杆。当前，被动共享由一些第三方，称‘（铁）塔公司’操作，与运营商协议，提供被动RAN设备[65]。主动共享指共享整个移动网络的网络元素，如（a）RAN中的RF天线和eNodeB，（b）包含在传输网络中的回程和骨干传输，（c）核心网中的路由器、交换机、寄存器(如VLR（visitor location register）)。
在[62]中，提出了一个网络共享架构，称为MORAN（multioperator RAN），允许多个MNO（移动网络运营商）共享RAN。同时，3GPP提出了2种使用设备共享的方案[66]。在方案1，MNO通过使用它们自己专有的许可频谱，直接链接到共享RAN，服务各自的终端用户。方案2基于地理划分，指MNO（通常多余2个）将使用它们各自的RAN来覆盖国家的不同部分，但是一起提供对整个国家的覆盖。此方案可以分成2种情况：已经配置的运营商（使用其它MNO拥有的RAN和CN）之间的全国漫游，分别使用它们拥有的频谱（使用专有或公共CN）共享无线网络。
基于虚拟化的设备共享称为‘跨设备虚拟化’，即无线网络虚拟化即可能是跨MNO（InP），又可能是MNO（InP）[13]。
2)全网络共享：全网络共享是频谱共享和设备共享的结合，即无线资源和网络设备能基于协议在多个MNO之间共享。
在3GPP规范中[60]，全网络共享支持两个确定架构：多运营核心网络（MOCN，multi-operator core network）配置和网关核心网络（GWCN）配置。在MOCN中，共享的部分仅仅指包含自身无线资源的RAN。GWCN不仅仅允许共享RAN，也允许共享MSC和SGSN（这些可以认为是核心网的实体）。[66]中给出3个全网络共享的方案。在方案1，一些运营商允许接入一个RAN，这个RAN覆盖一个特定地理区域，此区域由第三方（可以是除了先前运营商的另外的运营商）托管。方案2称为公共频谱网络共享，其中一个运营商共享其许可频谱给其它运营商，或一组运营商汇集它们的许可频谱到一起，然后共享整个频谱。在此方案，组内所有运营商可能首先链接到一个控制器，称为无线网络控制器，然后共享RAN；或者可能相互结合以形成一个公共核心网络，然后链接到共享的RAN。在方案3，多个RAN可以共享一个公共核心网络，其中的元素或节点具有不同功能，但是术语不同RAN运营商。应当依据用户、网络、需求、安全性、收费，满足一些需求以配置上述方案[66]。在[61]中，针对基于LTE的移动网络，NEC提供一个解决方法，在3GPP架构内支持MOCN和GWCN。
[67]中根据容量、频谱和基站，研究运营商之间共享的性能比较。文中评估和比较以下方案性能：(a)无共享（NS，no-sharing），(b)容量共享（CS，capacity sharing），它可以看作是‘基于漫游’共享的扩展[66]；(c)频谱共享（SS，spectrum sharing），指指运营商1可以给高负荷的运营商2在传统的设备上，共享其部分频谱。基于研究结果，可以看出，CS比其余两者的性能更好。
所以，全网络共享使虚拟化获得更有效和灵活的物理底层网络，获得了所谓的‘通用虚拟化’，其中虚拟化是无孔不入的[13]。
C．无线虚拟资源
通过对无线网络设备和频谱切割成多个虚拟切片，来构建无线虚拟资源。理想情况下，一个单切片应该包括无线网络设备中每个元素划分的所有虚拟实体。换句话说，一个完整切片是一个通用无线虚拟网络。例如，一个SP向一个MNO请求一个切片，意味着此SP想拥有一个从CN到空中接口的虚拟网络，并且能在此切片内自定义所有虚拟元素。但是，实际上，这种理想的切片可能不总是必要的。尤其是，一些MVNO可能拥有自己的CN或者是全覆盖的，它们只需要RAN切片，而且有的SP仅仅在特定地区或时间需要切片。假设一个更加抽象的方案，一些新兴的OTT SP给MNO付更多，仅仅是为了确保给它们的终端用户提供保障的Qos业务。如果有合同，MNO必须给这些OTT SP分配一定数目的资源切片，这些资源片可以按照它们自己的需求由OTT SP来自定义。这样，基于不同的需求，无线虚拟资源也指不同程度的虚拟化等级。下面列出无线虚拟资源的主要的四个等级：
1)频谱级切片：可以看作是动态频谱接入和频谱共享的扩展。此例中，频谱通过时间复用、空间复用、重叠访问，来划分频谱，和动态频谱接入、分配给MVNO或SP一样。另外，在无线网络虚拟化中，频谱虚拟化是链路虚拟化，其重点是此链路中的数据承载，而不是物理层技术。简而言之，频谱级切片是虚拟化环境中频谱共享和动态接入的一种应用。
2)设备级切片：此例中，物理物理元素，如天线、BS、处理器硬件、路由器，被虚拟化以支持多运营商的共享。当仅仅拥有自己频谱的多个MVNO，或覆盖受限的多个MNO，想在某特定区域从一个InP租借设备和硬件时，InP需要虚拟化其物理资源成虚拟设备和虚拟机器的切片。例如，如图4，InP的物理网络的覆盖面积是0；MNO1有许可频谱和网络设备，它覆盖区域1，MNO2有许可频谱和网络设备，它覆盖区域2，而MVNO有许可频谱但没有任何设备以覆盖。MNO1,MNO2,MVNO想覆盖整个区域，包括区域0，区域1，区域2.。所以，对于区域2，MNO2虚拟化其设备，且分割成2个网片，每个切片分配给MNO1和MVNO。区域1是同样的情形，其中MNO2和MVNO想覆盖它。在区域0，InP将物理设备和硬件虚拟化成3个虚拟部分，称为虚拟设备1（VI 1）,VI 2,VI 3，分别租给MNO1,MNO2,MVNO。MNO1,MNO2,MVNO通过控制器控制VI 1,VI 2,VI 3，控制器负责资源管理(如分配、调度、接纳)。采用这些机制的架构已经接近网络共享（前面小节已经讨论过）[52,60,61]。在一些MNO之间存在协议的网络状况中，一个MNO可以共享其部分资源给其它MNO。然而，从纯网络虚拟化方面看，网络共享和设备级虚拟化的根本不同是，MNO和MVNO可以通过控制器管理虚拟化设备和虚拟机器。
图4 设备分割的例子
3)网络级切片：网络级切片是上述的理想情况。这里给出一个例子，一个BS（如UMTS系统中的nodeB或LTE中的eNodeB）虚拟化成多个虚拟BS，然后无线资源（如时隙、频谱、信号处理器）也被分割、分配给虚拟BS。为了能虚拟CN，CN域内的实体（如路由器和交换机）必须虚拟化成虚拟机器。尤其是，在3G网络，SGSN和GGSN需要虚拟化；在4G网络，MME,SGW,PGW需要虚拟化成多个虚拟副本[68]。在[69]中，作者介绍了一个综合网络级虚拟化架构，包括针对LTE网络的所有3个域。[70]和[71]注重RAN域而[72]注重CN域。图5给出了一个4G LTE网络虚拟化的例子，基于[69]中提出的架构。
图5 网络级分割的例子[69]
4)流级分割：流级分割虚拟化的主要思想首先在FlowVisor [73]中提出。在流级虚拟化中，切片的定义可以不同的，但是通常它应该是一组属于一个实体的流，（实体）从MNO申请虚拟化资源[12]。按照此架构已经开展了一些工作，如[12][49][74]。在此架构中，属于一个或多个MNO的物理资源被虚拟化，被分割成虚拟‘资源片’。这些资源片可以是基于带宽的，如数据速率，或基于资源的，如时隙[12]。一个典型的例子是，一个MVNO没有物理设备和频谱资源（但有自己的客户）为其客户提供视频呼叫。此MVNO可以向MNO基于一定的数据速率（带宽）申请一个特定的切片，此MNO实际操作物理网络。此示例若不是频谱资源和其它资源，和设备级切片的例子是一样的。图6给出了流级网络虚拟化的例子，基于[61]提出的架构。
图6 网络级切片的例子[61]
D．无线虚拟化控制器
用无线虚拟化控制器可以为SP提供可用的虚拟切片，实现定制性、管理性、可编程性。通过无线虚拟化控制器，控制面从数据面分离，SP能在其自身的虚拟切片中自定义虚拟资源。如图7所示，无线虚拟化控制器有2部分：‘底层控制器’和‘虚拟控制器’。MNO或InP用底层控制器来虚拟化和管理底层物理网络。MVNO和SP用虚拟控制器来管理虚拟切片或网络。尤其是，MNO使用无线虚拟控制器来创建虚拟网片，将虚拟网片嵌入到无线物理底层网络，通过它SP来自定义其自身端到端业务，如调度和传输。[75]简单描述虚拟网络中的网络管理。因为在网络管理域中，SDN和OpenFlow被认为是最具前景和有效的技术，所以在无线网络中应用SDN很受瞩目[68][76]。图7总结了无线虚拟化控制器的功能和元素。
图7 无线虚拟化控制器的架构。
V. 无线网络虚拟化性能指标
在讨论无线网络虚拟化支撑技术之前，本节，我们介绍一些性能指标，这些对评估虚拟化无线网络的性能和质量是必须的。可以用这些性能指标比较不同的架构，虚拟化机制，资源分配算法，管理系统，自定义灵活性，能量节约，接口等。按照无线网络虚拟化需求，我们将指标分为2类：传统无线网络的性能指标，无线虚拟化特定指标。表1总结了这些指标。
表1 无线网络虚拟化性能指标
表中（1）传统无线网络；
（2）无线虚拟化特定指标
A．传统无线网络的性能指标
在传统无线网络，用几个指标来评估一个网络的性能。很显然，这些指标也可以用来估量无线网络虚拟化。
1）成本：是无线网络运营商为设备搭建和网络维护的总投资，包括CapEx and OpEx。对于无线网络，尤其是蜂窝网络，CapEx包括下列成本：搭建基站设备、回程传输设备、无线网络控制器设备、核心网设备、站点（设备）安装。和CapEx不同，OpEx包括：能量费用、站点和回程租借、运营和维护成本[77]。而且，当MNO或InP是新入市场时，配置成本包括使用由当局发布的许可频谱的成本。
在无线网络虚拟化中，因为需要额外的设备和维护，这部分成本也可以看作CapEx and OpEx。因为MVNO和SP通常不负责网络配置，MNO或InP需要承担大部分配置成本。不过，因为在无线网络虚拟化中，MVNO和SP被赋予了更多的灵活性，可编程性，可管理性，所以MNO（InP）和MVNO(SP)能承担此OpEx。
2）收益：除了降低成本，增加收益也是另外一个无线网络虚拟化（和传统网络相比）的目的。利润，是成本和收益之间的差异，可以用来评估无线网络虚拟化。而且，收益与成本的比率（RCR）可以用作另外一个尺度。利益（RCR）越高，越能刺激MNO和SP配置无线网络虚拟化机制。
3）覆盖和容量（吞吐量）：‘覆盖’指无线网络业务能覆盖的整个地理区域。‘容量’指由一个BS服务的一定区域的最大汇聚峰值速率（最大理论吞吐量）。‘吞吐量’指在一定时间段和区域内，传递给终端用户的数据速率。覆盖和容量（吞吐量）在无线网络设计和最优化中发挥根本的作用。对一个确定的接入网络技术（如WCDMA，LTE，或802.11家族）覆盖和吞吐量主要和下面所述的带宽、发送功率、网络规划有关。
a）带宽：它是特定区域内，为服务终端用户，总可用无线频谱。要注意的是，随着感知无线和网络共享的配置，可用无线频谱可能包含一些免费频谱和其它MNO的许可频谱。
b）发送功率：指从BS到终端用户，或从终端用户到BS，的发送功率。
C）网络规划：指网络拓扑设计，网络综合、网络实现，其目标是确保一个新的网络或业务能符合终端用户和运营商的需求。小的小区和中继的配置将导致更高的吞吐量和更大的覆盖。MNO之间的网络共享和小的小区也能带来新的网络规划策略，这些和传统网络规划不同。
4)配置效率（DE，Deployment efficiency）：它测量系统吞吐量（或覆盖）和配置成本（包括CapEx and OpEx）的比率[77]。DE是为无线运营商提供的一个重要网络性能指示器。通常，无线工程师需要在网络规划期间估计配置效率。
5）频谱效率（SE, Spectrum efficiency）：指系统吞吐量（或覆盖）和带宽的比率。它已经是为无线网络优化广泛接受的重要指标[77]，尤其是为蜂窝网络。为了在一定区域研究SE，可以增加由所有小区获得的SE，包括宏小区和微小区，（这些小区）在此区域使用同样的频谱。另外，可以用更多详细的SE指标来评估性能，如小区边缘SE，最差5%用户SE。
6）能量效率（EE，Energy efficiency）：指系统吞吐量（或覆盖）与能量消费的比率。要注意的是EE不仅仅指传输能量消费，也包括当操作网络（包括网络设备能量和附件（如空气状况，防雷设施等等））时，整个网络能量消费[78].。
7）QoS：上述指标和系统性能和资源效率有关。跟上述指标不同，Qos通常和终端用户相关。一般，一个特定的Qos需求由一些变量描绘，表征终端用户体验到的性能[79]。例如，在3GPP LTE[80]中，Qos分成9类，称为QoS类识别器（QCI），与资源类型（保证比特率或非保证比特率）、优先级（9级）、分组延迟预算、分组损失率有关。
8）信令反应时间（时延）：指拥有网络管理功能的实体之间控制信令的时延。因为无线网络虚拟化允许SP和MVNO的可编程性，网络中信令交换的数量将增加，会引起信令的更高的延时。
B．无线虚拟化－专用指标
除了传统无线网络的性能指标，还有一些虚拟化专用指标，用来评测虚拟化无线网络的质量和性能。
1）虚拟实体间吞吐量：与传统吞吐量不同，虚拟化专用吞吐量指虚拟实体之间平均数据速率。此吞吐量指标可以用来测量虚拟节点、SP到终端用户，MNO到终端用户的链接性能。使用此测量，可以评估虚拟化无线网络中的资源分配算法和管理效率。
2）底层网络的利用率和压力：因为底层物理资源用来映射虚拟切片、虚拟节点和虚拟链路，所以利用率定义为：使用的底层资源和总资源数的比率[10]。例如，为了评估一个底层物理eNodeB，利用率可以用下面的推导：使用的带宽、功率、时隙、信号处理资源，分别除以可用带宽、功率、时隙、信号处理资源。另外，‘压力（应力？）’评估底层物理资源可以忍受最大虚拟实体的能力。例如，‘压力’测量一个物理eNodeB可以映射多少个虚拟eNodeB。可以用‘利用率’和‘压力’来评估资源分配算法和虚拟化机制。
3）虚拟实体之间的延迟和抖动：延迟指一个分组从网络中一个节点到另外一个节点的时间长度[10]。这里，节点可以是一个虚拟节点、SP、终端用户，这根据不同的架构（来定）。分组间到达时间可以通过抖动来测量，这时底层网络固有的[10]。抖动不是虚拟网络专有的，但是比起传统网络，它对虚拟无线网络的性能有更大的影响。尤其是在无线环境下，由于链路质量的不可靠和多样性，延迟和抖动变得更加重要。因为不同的映射策略和控制器方式可能极大影响网络，延迟和抖动可以用来评估虚拟化机制和管理效率。
4）虚拟实体间的路径长度：因为一些相连的虚拟节点是通过虚拟链路相连，这意味着直接的物理链路可能不存在，路径长度指标测量两个底层节点之间的链路数量，底层节点最终映射到一个连接虚拟节点的直接虚拟链路。由于长些的路径长度需要更多的物理节点来传输分组，所以路径长度将影响延迟和抖动。因此，可以用路径长度来评估虚拟化机制和资源分配算法。
5）独立等级（程度）：既然无线网络虚拟化可以以不同等级完成，例如网络级、流级、子信道或时隙级，或者甚至硬件级（如天线和信号处理器）[12]，可以用‘独立等级’来测量最低的虚拟化物理资源级。例如，在无线虚拟化中，如果一个MNO将它们的资源分割成‘基于时隙’的切片，那么独立等级就是‘时隙’。
VI.无线网络虚拟化支撑技术
在本节，总结一些无线网络虚拟化的支撑技术。首先提出分类方法，然后按照不同的无线接入技术介绍这些支撑技术。
在介绍前，首先讨论资源分割和切片的不同，还有资源虚拟化和多址接入的不同。资源分割是从一些具体方面划分物理资源，然后分配给不同团体的过程。要注意的是分割的对象和结果都是物理的。切片也做划分和分配，但是可能是基于虚拟资源或物理资源[13]。也存在没有虚拟化或资源切片和分割共享的情况，但是切片和分割的最终目的是提供资源虚拟化或共享。按照文[13]，虚拟化和多址接入目标都是在多个实体间共享物理资源，但是是在不同级。多址接入尝试在不同用户间共享资源，但是虚拟化提供不同网络切片或用户组之间的资源共享。很显然，多址接入技术一般为基础，因为任何无线网络依赖于特定的多址接入技术。所有用户必须在同一网络内配置同样的接入技术。与之相反，在虚拟化中，运行在多个切片上的协议，多址技术、甚至网络拓扑，可以是不同的。为了降低可能出现的混乱，下面描述一个空中接口虚拟化例子。
假设有2个MVNO向一个InP请求虚拟网络。此InP有2个空中接口对应两种多址接入技术：CDMA和LTE。基于来自MVNO的请求，InP将这2个空中接口虚拟化成4个虚拟化空中接口，这4个虚拟化空中接口由2个基于CDMA的接口和2个基于LTE的空中接口。考虑到LTE的情况，InP可以将整个可用的PRB(physical radio resource blocks,物理无线资源块)分成两部分，分别给每个MVNO。对于CDMA，为了独立计，空中接口可以在时间域或频率域切片，意味着每个MVNO分配到一部分的可用频谱或时隙。
A．分类
因为无线网络包括各种不同技术，所以很难通过一个特别的特性来为无线网络虚拟化描述支撑技术。因此，我们将描述下面的分类方法，使用它们作为分类法，为无线网络虚拟化对支撑技术进行分类。
1）无线接入技术：与有线网络不同，无线网络中无线接入技术是不同的，相互之间通常是不兼容的。大多数当前的支撑技术集中在基于802.11网络，蜂窝网络（包括LTE系统和wiMax系统），异构网络，其它。这里的‘其它’指的是那些在它们的方法中不指定接入技术的技术。
2）独立等级：无线网络虚拟化支撑技术也能按照独立等级分类。‘独立等级’指最小资源单元，将SP彼此分离。如上节所述，无线网络虚拟化可以在不同等级完成，如网络级、流级、子信道或时隙级，或甚至硬件级（如天线和信号处理器）。
3）控制方法：也可以用控制方式来分类支撑技术。集中化控制、分布式控制、或混合控制是支撑无线网络虚拟化的最可能的控制方式。如果MNO中一个单个实体接受SP的需求，然后创造、操作无线网络虚拟化，这种方式是集中式方法。与之相反，如果无线物理网络中每个元素以分布式方式独立执行虚拟化，这种方式是分布式方式。
4）目标：一开始，提出网络虚拟化是为了实验目的，其中多个协议需要在同一设备上同时运行。商业市场上网络虚拟化可以看成是成功实验的扩展。于是，从目的的角度看，支撑技术可以分为实验的和商业的。
下面，我们按照不同无线接入技术来描述支撑技术。表2总结了这些支撑技术。
表2 无线网络虚拟化支撑技术
B．基于IEEE 802.11的无线网络虚拟化
在[81]中，提出一个WLAN虚拟方法，成为虚拟WiFi，扩展虚拟网络，从有线网络嵌入到无线网络。在虚拟Wifi中用KVM（基于内核虚拟机器, Kernel-based virtual machine），将WiFi设备虚拟化成多个虚拟机器（VM，virtual machines），这样能像一个虚拟无线LAN设备一样操作VM。因为每个VM必须确保其自己的无线链接，所以从多个虚拟MAC中通过时域复用分离MAC层。但是，一些VM可能想移植到其它物理设备，或者一些物理设备为了某些原因想聚合多个VAP，（原因）如节约能量和频谱资源。[82]中提出一个框架，在嵌入虚拟节点和链路后，时隙VM的移植。在此方法中，可以通过移植VM和在其它物理接入点（PhyAP）上授权它们，来维持VM和终端用户的链接。与[81]类似，[82]中，通过配置通道来在路由器中传递L2帧，基于MAC层嵌入虚拟WLAN网络。要注意的是，虽然[82]试图聚合WLAN AP而不是划分它们，但是它利用了虚拟化技术来公里聚合的AP。
[50，83，84]中使用FDM（频分复用）来许可无线链路虚拟化嵌入，它能在频域分离虚拟传输媒介。[83][84]都选择ORBIT测试平台作为平台。在[83]中，为了虚拟化硬件，硬件上运行的OS必须带有UML（用户模式Linux，user mode Linux）操作系统，而[84]在物理设备上选择OpenVZ来运行多个操作系统（VM）。不管在物理设备中用哪一种OS，此OS必须能为VM调度资源，如CPU、内存等等。延伸这些研究，[50]的作者提出一个新的测试平台VNEWS，它能为无线云移动新兴的TaaS。[50]中用频谱划分来授权多个虚拟拓扑的共存，相应的启发式（方案）决定请求的资源和底层资源之间的映射。而且，此方法为无线实验采纳了、扩展了一个资源规范语言（Proto-GENI V2 format RSpec）。
[85,86]中为无线链路虚拟化研究了TDM（时分复用）。利用TDM，物理网络在不同虚拟网络，在时域内分割，这样在时域上分离每次实验[85]或虚拟运营商[86]。[85]在一个大规模IEEE 802.11无线测试平台工具上实现它们的虚拟机制，而[86]从延迟、抖动、网络利用率方面评估基于TDM的链路虚拟化。[87]中提出类似的研究，但是侧重于WLAN上行链路的公平性问题。在[87]中，允许物理AP（接入点）基于两个提出的算法，为单独虚拟AP分配不同的UL空时配额，这2算法称为LPFC(linear proportional feedback control，线性比例反馈控制)，和LPFC+，它（们）使用流量整形（带宽控制）来控制空时（配额）。采用这2种算法，设备能在划分（指给属于一个单SP中一组用户分配资源）时增强公平性，这样允许单个SP公平分享底层WLAN硬件和对应的信道。但是，在[88]中，作者讨论了带宽调度不能获得这么高的利用率，当给每个网片的静态资源分配比率预先设定时。于是，[88]中提出一个MAC层空时控制机制。不像[85][86]，[51]在一个基于802.11的实验网络中，提出一个空分复用（SDM）来嵌入虚拟链路，称为ORBIT。本文中的比较说明，‘独立’对TDM和SDM都是可比的，但是SDM能比TDM获得更好的效率。
虽然上面的研究极大推进了无线网络虚拟化，但是由于缺乏完全虚拟化的AP（节点）、MAC层和上层的可编程性、流调度上的自定义机制、资源分配等，所以它们可能不会为无线网络虚拟化提供完全的解决方法。虽然是围绕IEEE 802.11家族做了这些研究，但是蜂窝网络也能从中受益。而且，这些实验网络的目标是测试、评估这些革新的协议和机制，它可以直接应用到蜂窝网络。
在[89][90]中，无线网络虚拟化嵌入问题已经延伸到基于IEEE 802.11的无线多跳网络。文中，提出了使用收益（收入），它与请求的资源成正比，资源包括CPU资源和带宽资源。底层物理网络执行基于最大化收益目标的嵌入。
在[91-93]中，为无线网状网络（WMN，wireless mesh networks）研究无线网络虚拟化。一个实验测试平台，称为WISEMESH，在[91]中使用了它，其中有在一个节点上几个切片之间的异步时间共享。[92]侧重于多播‘业务定向’虚拟网络，在无线链路不可靠条件下，在WMS中嵌入虚拟网络。[93]中基于一个增强的基因算法，提出一个启发算法，来获得一个近似的但是有效的解，它为虚拟网络分配信道。
C． 基于3GPP LTE的无线网络虚拟化
蜂窝网络中虚拟化概念可以追溯到文[111]，其中提出了虚拟节点和虚拟无线的基本框架。在[111]中，清晰的定义了数据面和控制面的‘解耦’，这样不同的协议和管理策略能在不同虚拟节点和链路上运行。通过一个中心（中央）方法，用‘虚拟化管理’来管理虚拟化节点和链路。但是，在[111]中没有提到实际实现，尤其是资源分配和分离。不过，这种萌芽给蜂窝领域引入虚拟化给出了初步的想法。
当前，在蜂窝网络中讨论的大多数无线网络虚拟化方法是基于3GPP LTE系统。[69][94][112]的作者研究了3GPP LTE中的虚拟化eNodeB，指出虚拟化eNodeB类似于节点虚拟化，后者有很多解。在此节，我们以[112]为例，来描述在基于LTE蜂窝网络中空中接口虚拟化的实现。如图8所示，一个‘管理程序（hypervisor）’[113]物理的增加到LTE eNodeB，在物理资源和虚拟eNodeB之间逻辑分配。LTE管理程序负责虚拟化eNodeB成若干虚拟eNodeB，例如虚拟机器（如CPU,内存，I/O设备等等），和频谱，它们能被不同的SP或MVNO使用。而且，LTE管理程序也负责调度空中接口（eNodeB和用户设备之间）的资源（如OFDMA子载波）。管理程序中装备了2个实体，充当关键作用。第一个是‘频谱配置和带宽估计（SCBE，Spectrum Configuration and Bandwidth Estimation）’，逻辑上位于每个虚拟eNodeB；另外一个是‘频谱分配单元（Spectrum Allocation Unit，SAU）’，逻辑上位于管理程序上。SCBE处执行的主要功能是：估计虚拟eNodeB处频谱的需求。依据频繁时间间隔处每个虚拟运营商，基于指数移动平均线由SCBE来计算此频谱带宽估计，发回到用作PRB调度的管理程序的SAU中。SCBE的另外一个主要功能是在每个虚拟eNodeB操作的地方配置频谱。
图8 LTE虚拟化例子
因为PRB是LTE MAC调度器能分配给一个用户的最小单元，在虚拟eNodeB之间调度PRB意味着在不同虚拟eNodeB之间分割频谱。为了给多个虚拟eNodeB分割频谱，管理程序必须基于一些准则（如带宽、数据速率、功率、干扰、预定义合同、信道条件、业务负荷、或它们的组合）、虚拟运营商的需求和独立需求，来调度若干PRB。通过‘基于合同’管理程序算法，用SAU来调度空中接口，以便基于预定义合同在虚拟eNodeB之间分割频谱。可以考虑下面4种预定义合同。1）固定保障，将分配固定的频谱带宽；2）动态保障，按照虚拟eNodeB的需求和最大值上限来分配PRB；3)尽最大努力以最小保障，将分配最小保障的带宽，额外的带宽将以尽力而为方式增加；4）尽力而为且无保障，通过纯粹的尽力而为的方式分配带宽。[112]中的方法是一个实际的、综合的机制，来实现基于LTE的RAN中的虚拟化。不过，仍然有一些方面需要改进，包括控制信令、虚拟eNodeB之间的独立、上层（如路由）虚拟化。
在[95-97]中使用类似[69]中的机制，用一个扩展解决多个具体问题。[95]中从理论分析和仿真观点，调查了eNodeB虚拟化引起的复用增益，提出了一个广义多团体模型来实现集中的频谱共享，为实时服务，带有频谱预算估计机制。[96]中，提出了负荷平衡技术，嵌入到[69]中提出的框架。使用动态负荷平衡机制，高负荷虚拟eNB可以卸下过剩的流量给一个低负荷的虚拟eNB，这给用户性能带来很大的增益。而且，本文致力于分析不同的应用，如VoIP，实时视频，HTTP和FTP，在LTE虚拟化中。与其它方法不同，[97]中在LTE虚拟化的资源分配中引入了破产游戏（/博弈？）（bankruptcy game）。假定既有‘大’（高流量负荷和速率需求），又有‘小’（低流量负荷和速率）MVNO存在，InP拥有的PRB是受限的、缺乏的，这样需求的PRB少于可用PRB。于是，作者对拥有PRB的InP和MVNO建模，在博弈中分别是破产公司和玩家。通过解破产博弈，当分配PRB时，InP在VMO之间确保了相对的公平。
自从SDN概念提出，在LTE虚拟化中解耦控制面和数据面的想法已经应用[70-72,98,114]。而且，OpenFlow，作为实现SDN的一个技术，也在LTE虚拟化中引入[68,76]。要注意的是，SDN或OpenFlow不等同于网络虚拟化。按照SDN的定义（节2提到），SDN是一个机制，可以用作网络虚拟化中。换句话说，可能使用SDN来实现网络虚拟化，但是不是必须的。
[98][76]通过使用FlowVisor[73]，在LTE虚拟化上，提出架构级的解，而[76]侧重于eNB的虚拟化，[98]研究整个网络的分组处理。在[76]中，通过FlowVisor策略，将eNB分片成若干虚拟eNB，为相应的SP或MVNO创建同样数目的控制器供分配。当一个SP给它们的虚拟eNB发送信息，FlowVisor停止流量（传输），基于eNB处的策略将它映射到允许的资源。类似的，FlowVisor仅仅传输来自eNB的流量给各自的控制器，控制器由SP操作，其流空间与其流量匹配。这样，SP就不会意识到：eNB已经被分片为几个虚拟eNB。同样的，[98]也利用FlowVisor，但是延伸到CellVisor，它能为基站支持灵活的资源分片，和高层次的语义空间定义。而且，[98]中的机制除了eNB，还有更广泛范围的资源来分片（分割），包括带宽、拓扑、流量、设备CPU、转发表。
SDN的概念应用在云－RAN中（C-RAN，cloud-RAN）[71]。提出的C-RAN是软件定义RAN架构，包括3个主要部分：无线频谱资源池（WSRP，wireless spectrum resource pool）、云计算资源池（CCRP，cloud computing resource pool ），SDN控制器。在此结构中，WSRP，由多个物理远端无线单元（pRRUs，physical remote radio units）组成，它在不同位置分布，将一个pRRU虚拟化成几个虚拟RRU（vRRU，virtual RRUs），其中不同无线协议（GSM、umts,LTE）在一个共享pRRU上共存。CCRP由大量物理处理器组成，由一个高速云计算网络构成，虚拟化成虚拟BBU和虚拟BSC。很显然，WSRP和CCRP搭建几个完全的虚拟RAN。SDN控制器负责此异构RAN的控制面。[70]中提出了一个更加通用的软件定义无线接入网络，在一个地理区域，考虑所有物理基站（不仅仅是RRU）为无线元素，从中抽象处一个虚拟基站。
D．基于IEEE 802.16的无线网络虚拟化
几个侧重于IEEE 802,16e&m的虚拟化方法。[99]中介绍了一个虚拟网络流量成型器以确保空时公平性，[87]中也为WiMaX（802.16e）系统考虑了这点。[100]提出一个虚拟基站架构，[101]为WiMAX网络研究了虚拟化底层。[100]基于空时公平指标，提出一个加权公平共享算法，以增强多切片（分配给虚拟基站）的公平性。
这里我们将网络虚拟化底层（NVS）[12][101]作为展示WiMax虚拟化的例子。NVS可以看作不仅仅是wiMax的虚拟化解，也是其它蜂窝网络的。NVS，由两个主要调度器组成：‘切片调度器’和‘流调度器’），在网络的MAC层运行，工作在MAC帧粒度上。为了使独立性成立，‘已经证实的最优’切片调度器允许两类切片同时预约，这两类切片分别是基于带宽（意味着一定的数据速率）和基于资源的（意味着一定数目的频谱或时隙）。对每一帧，切片调度器基于最大化MNO利用率的准则来选择切片。通过MNO和SP之间已经协议的利用率函数来计算利用率，这样它能最大化基站收益，同时满足个体切片需求。
切片选择后，‘流调度器’将在选择的切片中选择一个流，以确保每个切片能使用自定义流调度策略。换句话说，通过建造一个通用流调度框架，NVS允许每个切片决定序号，按照序号，在下行方向上发送分组，在上行方向上分配资源时隙。在此框架有3个模式：调度器选择、模式规范、虚拟时间标记。‘调度器选择’或‘模型规范’都能提供自定义流调度。在‘虚拟时间标记’中，流级反馈通过NVS传送到一个切片，NVS允许每个切片配置其自身流调度器。每个到达每流队列的分组将通过单调增加的虚拟时间来标记。NVS能从切片的流队列的头部，基于此虚拟时间来选择分组。
虽然NVS能为WiMax虚拟化提供一个有效的机制，但是WiMax虚拟化还需要更深入的研究。首先，NVS需要基于当前WiMax系统的MA层进行很大调整。其次，在NVS中不考虑网络层虚拟化。第三，在NVS中全虚拟化（如全灵活性、自定义、可编程性）仍然不可用。
[43]继续NVS的研究，基于NVS提出一个新的系统，称为CellSlice。首先，CellSlice克服了配置障碍，通过将切片调度器移到网关，在NVS内基站内修改MAC调度器。而且，因为CellSlice动态适应流成形（流量整形）的参数，它的好处如下：1)能同时满足独立性和分片需求；2）一个分片内的流（动态到达和离开）能体验到资源的公平分配；3）可以获得资源的最大化。
和每OFDM帧的基础上调度分片不同[12][101]，[102]提出在每子载波基础上调度分片，这比在OFDM帧上更进一步。而且，此方案的一个有趣特性是，MNO不用分割所有无线网络并分配给MVNO，而仅仅分割一部分任何租借给MVNO。这样，作者提出一个分片分配方案，用以‘给/从’本地MNO的用户和外地虚拟网络（MVNO）用户将帧分离。本文描述一个典型的二进制整数可编程问题，其中最优化目标是：分配子载波以满足切片中所有流的需求，且尽可能占用少的子载波。除了[102]中子载波分配问题，[103]中研究了功率分配。为了解决此更复杂的问题，提出了多步骤动态最优化方法，使用二进制整数编程来获得子载波分配，使用非线性编程获得功率分配。
E．异构无线网络中无线网络虚拟化
有几篇关于异构无线网络的虚拟化研究，如[68][104][105]。[104]中提出一个感知虚拟化平台，称为AMPHIBIA。AMPHIBIA支持在有线和异构无线网络上的协作资源管理，其中实现了有线和无线网络上的端到端切片。而且，AMPHIBIA可以虚拟化一个感知基站，基站含全感知无线功能。[105]提出一个自适应虚拟网络无线资源分配（VRRA, virtual network radio resource allocation）机制。VRRA算法在一个初始化分配后，管理自适应无线资源分配，且为了满足异构虚拟基站的最小容量请求，复杂动态重分配资源。VRRA算法依据数据速率、延迟、差错速率，基于虚拟网络需求。使用OpenFlow的概念，[68]在异构综合蜂窝网络，包括异构接入技术，中实现了虚拟化。
F．其它
在此节，介绍一些不指定特定无线接入技术的方法。[74][106][115]为虚拟网络或分片使用博弈论来分配资源。在[115]中，建立了基于非协作博弈模型的带宽（容量）分配方案，提出了迭代算法来解决带宽分配问题，以发现纳什均衡。而且，因为[115]中直接用带宽描述无线资源，所以在[115]中没有考虑容量和无线资源的关系。在[74][106]中，作者虚拟化无线网络，抽象无线网络资源成‘速率区域（rate region）’，以速率组来计算，可以由任何频谱分配获得。然后，提出一个机制，其中由SP对网络资源顺序出价。因为在此机制中，考虑了动态环境和需求，连续拍卖建模成一个随机博弈。通过解决此随机博弈模型的纳什均衡解，可以获得有效速率（rate）分配。
为了处理无线虚拟化的在线请求，且动态嵌入虚拟网络，[107]中使用一个有趣方法，称为类似卡诺图（Karnaugh-map）的在线嵌入算法。[108]中，提出一个空时结合资源分配算法，为无线实验网络确保独立性和资源利用率的改善。在此算法中，通过最喜欢调度时隙来获得最大化资源利用率。[109][110]提出一个新的架构，其中一个网络为用户，基于用户上下文（上下文可以指安全性、移动性，或业务需求）需求，被分割成几个私有接入自适应虚拟网络。类似的用户按照它们的上下文被分组、关联到虚拟网络。
VII. 挑战和广阔前景
尽管无线网络虚拟化具潜在的远景，在广泛配置无线网络虚拟化之前，仍然有许多重大研究的挑战需要解决。在此节，我们描述一些这样的挑战。同样也描述更广阔的前景。
A．无线网络虚拟化挑战
1）独立性：它是虚拟化中的基本课题，能在不同实体之间实现资源的抽象和共享。任一虚拟网络中任何配置、自定义、拓扑的改变，都不会影响、干扰其它共存的实体。虽然在有线网络中独立性是相对简单的，但是在无线网络中，独立性是具有挑战的。与有线网络不同，那里可以在一个硬件（如端口和链路）基础上，进行带宽资源抽象和分离；由于无线通信的内在传播特性和无线信道质量的随机波动性，无线资源的抽象和分离不是那么直接的。例如，在无线网络，尤其是蜂窝网络，一个小区内的任何变化可能引起对邻近小区的高干扰[53]。而且，在具有不同小区尺寸的无线网络中，有2种小区间干扰源。当一个宏基站覆盖面积与小型基站覆盖面积重叠引起跨层干扰时，会造成第一种干扰源[116]。当小型基站覆盖区域彼此引起共层干扰，部分重叠，出现了第二种干扰源。而且，独立性应该在不同等级（如流级、子信道或时隙级，或硬件级（天线和信号处理器））实现[12]。另外，终端用户的移动性可能造成特定区域的不稳定性。所以，与有线相比，无线网络中的独立性变得更加困难和复杂。
2）控制信令：在SP和InP之间，在创立一个虚拟网络前，需要确立连接性（连通性）。有了此连通性，SP能表达它们关于资源的需求，来服务终端用户。另外，因为InP之间能发生虚拟化，所以能表达InP之间清晰的共享信息的标准语言，就变得很必要。而且，还需要SP和终端用户之间的通信。这就引入了一个环，其中网络连通性是其自身的前提[37]。于是，考虑延迟和可靠性的合适的控制信令和接口需要小心设计，来实现涉及无线网络虚拟化的不同实体之间的通信。由于无线网络的特定特性，SP或终端用户困难需要不同的QoS属性。与功能服务特性相比，考虑QoS属性的规范的协议更少。所以，控制信令和接口应该和不同类的需求兼容。而且，因为可能使用各种无线接入技术（如IEEE 802.11,蜂窝，IEEE 802.16），控制信令和接口应该能在不同无线接入技术之间自适应。而且，需要一个引导能力，因为分配给SP的虚拟化资源的自定义性。应该通过标准方法，发展适合SP的网络元素的可编程性[117]。标准化控制信令和接口是成功无线网络虚拟化的关键。
为了提供能解决这些问题的控制信令，需要一个带外机制或另外一个网络。在无线网络中，如果不存在带外机制，最起码资源（如频谱）的一部分要用来实现控制信令。但是，与有线信令网络不同，由于无线信道的不稳定性和频谱的稀缺性，必须仔细考虑信令的符合和延迟。而且，在设计控制信令时，灵活性和复杂度的折衷也是另一个重要课题。
3）资源发现和分配：为了实现无线网络虚拟化，InP或MVNO应该在底层物理无线网络，发现可用的主动和被动资源。InP需要决定用作虚拟化的物理资源，这意味着InP可能保留一些资源为自己使用。因为资源可以在多个InP之间共享，所以应该适当设计有效协作的机制。并且在协作机制中必须包含一些通信协议。而且，为了发现MVNO中的可用资源，在InP和MVNO之间必须使用另一个精心设计的通信协议。在资源发现中命名和寻址也是重要的课题，因为VMNO识别物理节点和链路的过程需要它们初始化。一个MVNO可以从多个InP来组合资源，终端用户也可以同时链接到多个虚拟网络[6]。所以，为了物理元素和虚拟元素的一致性，必须有一个全局的命名和寻址机制。
资源分配是另一个无线网络虚拟化的重要挑战。资源分配方案需要决定如何将一个虚拟无线网络在物理网络上嵌入（如，应该选哪一个节点、链路、资源，最优化什么[13]）。如[5]中定义，网络虚拟化环境中的资源分配指的是在物理节点和路径上分别静态或动态的分配虚拟节点和链路。[118]中指出，嵌入虚拟网络，在资源或需求的限制下，可以简化为一个NP－hard 最优化问题。在[10]中，概述了虚拟网络嵌入。而且，和有线网络不同，无线网络虚拟化中的资源分配变得更加复杂，这是因为无线信道的变化性、用户移动性、频率复用、功率控制、干扰、覆盖、漫游等。而且，因为无线环境中上行链路和下行链路的特性可能是不一样的，而且两个方向上的流量不是对称的，资源分配应该为上行和下行情况都考虑到。
资源分配的另一个课题是接入控制。接入控制的目标是，通过控制来话用户的接入，最大化利用率(收益)，同时确保现存用户的QoS。随着无线网络虚拟化，有2种接入控制：为终端用户的传统无线接入控制，为SP的接入。在为SP的接入控制中，VMNO必须传送准确的估计，确保给SP分配的虚拟资源不超过底层物理网络的容量。这在无线环境中很复杂，因为在一个特定地理区域内，终端用户数目和它们的流量动态改变，在此区域造成不可预计的聚合吞吐量。
在资源发现和分配中，需要仔细设计时间粒度（即，应该多久执行资源发现和分配？）[13]。如果时间间隔太小，负荷和信令的成本可能会大大提高。不过，长的时间间隔可能会导致降级到传统网络的静态架构。
4）移动性管理：移动性管理是无线网络中的一个重要课题，它确保将新的通信传送给用户、当用户自由独立移动时，以最小的中断维持在进行的通信[119]。移动性管理中有2个成分：定位管理和切换管理。定位管理使网络通过跟踪用户的位置，实现与用户的通信传输。切换管理：当用户链接到网络的点从一个接入点（或基站）移动到另外一个，切换管理通过保持用户链接来维持服务。随着无线网络虚拟化，跟踪一个用户的位置是具有挑战的，因为它可能和不同的VMNO或InP执行位置更新。一个集中式的位置管理可以解决此问题。但是，在集中管理中将引入延迟，于是进一步研究了一些分布式机制。另外，因为一个正在通信的用户可能在多个VMNO或InP之间切换，切换管理问题会比传统无线网络更加复杂。当一个用户在多个VMNO或InP之间切换时，为了维持业务连续性，不同网络之间适当的同步机制是必须的。
5）网络管理：网络管理经常是对运营商的大挑战。为了确保对物理设备、虚拟物理支持的主虚拟无线网络和无线业务的正确操作，无线网络虚拟化的管理是很关键的。因为一个（虚拟）网络可以跨越在多个底层物理网络上，所以网络管理和运营面临新的挑战。另外，一个SP可以动态改变资源请求以适应用户变化。从而，为了适应SP请求的变化，网络管理系统需要提供一定弹性。而且，来自多个设备的信息，来自参与实体的不同管理机制需要被汇聚，以避免冲突。因为底层物理网络可以由异构网络（如WLAN，宏小区，微小区，中继，甚至M2M网络）形成，其中每个网络具有唯一的和特殊的特性，所以虚拟化无线网络的规定、操作、维持需要一些特定的解决方法和机制。
6）安全性：无线网络虚拟化的广泛使用的假定是，各方总是值得信赖的。然而，这种假定可能不正确，因为有大量智能设备/节点，它们在无线网络虚拟化中具有自我适应/上下文感知功能。尤其是，一个危及安全的一方可以利用虚拟化机制，恶意的胡作非为。因此，除了传统无线网络的缺点和威胁，无线网络的智能性也提出了新的安全挑战。对许多安全课题，鉴定是一个重要的需求，它对完整性、机密性、抗抵赖性都很关键[120]。另外，传统有线和无线网络的安全性上的经验，指出多级保护的重要性，因为系统中总是有一些弱点，不管用什么基于预防的方法（如鉴权）。对无线网络虚拟化尤其是这样，考虑到移动设备的物理安全自治功能低。为了解决此问题，基于检测（探测）的方法（如侵扰检测系统（IDS，intrusion detection systems），用作第二道防护墙，可以有效帮助鉴别恶意行为。基于预防的方法和基于检测的方法都需要为无线网络虚拟化仔细研究。
B．广阔前景
因为无线网络虚拟化还处在起步阶段，所以许多其它的技术可以影响无线网络虚拟化的发展。同时，无线网络虚拟化也同样可以影响这些技术。这里，我们简单讨论这些技术。
感知无线电[54]是一种使能技术，允许感知用户（即未许可用户或次要用户）在分配给许可用户（即主要用户）的频谱的空闲部分进行操作。感知无线电作为一个有前景的技术而广泛关注，用来处理由当前不灵活的频谱分配策略引起的频谱短缺问题。它能感知其无线环境，按照感知成果自适应选择发送参数，可以改善感知无线电系统性能，避免和主要用户的干扰[121]。最近在感知无线电上的广泛研究也开发了很多技术，以在不同情形下，不同无线系统之间，允许频谱共享[122-129]。在蜂窝网络中已经考虑了感知无线电系统，包括扩展LTE频谱[130]，资源管理[131]，分层异构网络[132-134]，下一代蜂窝网络[135-136]。因为具有动态频谱共享的感知无线电的使用，可以看作是一类无线频谱虚拟化，所以在无线网络虚拟化中使用感知无线电技术是很自然的。但是，如上所述，无线网络虚拟化是一个比感知无线电更广泛的概念。
另外一个依据容量和能量效率改进网络性能的有前景的技术是，使用一个含微小区的多层或分层结构[121][137][138]。此结构描述一个新的无线网络范例，思想是配置短射程、低功率、低成本基站，基站与宏小区相结合操作。在此范例中，有异构小区类型，如宏、微、皮、毫微微小区；还有无线中继，和分布式天线。在一个异构无线蜂窝网络中，大小区提供无处不在的覆盖和移动性支撑，而小点的网络元素使链接更靠近用户，这样增加了数据速率，减少了能量消耗。异构网络的成功配置的一个主要挑战是，在小区之间的资源管理。尤其是，因为所有小区在同样频带上操作（即频率复用因子是1），当微小区数目增加时，小区之间干扰成为一个关键问题。因此，开发高效和有效的网络资源管理方案是基本的问题。这种方案应该需要小区之间低协作性，因为协作性会引入信令负荷、复杂度、可扩展性问题。另外，因为回程网络在容量上受限，所以用作集中式方案的系统动态信息可能会丢失或过时。因此，需要分布式网络资源管理方案。一方面，在此多层环境中，无线网络虚拟化变得复杂。另一方面，无线网络虚拟化中一些机制（如频谱和设备共享）可以促进异构无线蜂窝网络的配置。另外，异构无线网络需要一个收敛的、有力的网络管理机制，它可以通过无线网络虚拟化来提供。
云计算，作为一个新的信息技术范例，已经成为理论上和产业上都最热门的课题之一。云计算是一个实现对配置资源（如服务器、存储器、应用、服务等）的共享池的按需接入的模型。云计算的基本特性包括按需自我服务，广泛网络接入，资源池、快速弹性和测量服务[139]。云计算对无线网络虚拟化的设计和操作有深远影响。一方面，随着最近无线移动通信技术和设备的进步，越来越多的终端用户通过移动设备（如智能手机和写字板）接入云计算系统。将云计算集成到移动环境，可以实现移动云计算（MCC，mobile cloud computing），它作为一个有前景的移动技术范例，受到广泛关注，有巨大市场[140-143]。另一方面，云中强大的计算平台也能使（除了移动终端用户，还有）无线接入网络（RAN）受益，这导致一个新的概念，C-RAN[144-146]。和现存蜂窝网络不同，那里用作基带处理的计算资源位于每个小区站点，在C-RAN中，计算资源位于具有强大计算平台的中心无线网络云中。这种用作基带处理的从分布式向集中式设备转移，有很大好处：由于集中维护节约了运营支出；由于先进协作信令处理技术改善网络性能；通过利用负载变化降低能量支出[144][145]。云计算环境中的无线网络虚拟化可能是一个具有前景的研究方向。
VIII.结束语
本文描述无线网络虚拟化，它正成为一个重要概念，能实现设备和无线频谱资源的抽象和共享，降低无线网络配置和操作的开销，简化新业务和产品的移植和灵活性管理。以一个网络虚拟化的概述展开讨论。这里，我们描述网络虚拟化的简单历史和当前项目，侧重SDN和OpenFlow。然后我们讨论无线虚拟化的动机。尤其是，我们以不同角色描述商业模型，以及这些角色在无线网络市场中的功能。接下来，我们讨论无线网络虚拟化的框架，其中四个主要成分是，无线频谱资源，无线网络设备，无线虚拟资源，无线虚拟化控制器。然后讨论一些性能指标，能用来比较不同结构、虚拟化机制、资源分配算法、管理系统、自定义灵活性、能量节约、接口等。接着，按照不同无线接入技术，讨论一些无线网络虚拟化的实现（使能）技术。我们也讨论在无线网络虚拟化中的一些重大研究挑战，包括独立性、控制信令、资源发现和分配、移动性管理、网络管理、安全性。最后，我们探索一些更广泛的视角，如感知无线电 和网络，分层蜂窝网络，云计算。
总之，无线网络虚拟化的研究很广，多项研究课题和挑战摆在面前。然而，为了采用这些技术，无线团体支持迅速解决这些挑战。此外致力于简要开发与无线网络虚拟化相关的当前技术，讨论未来的研究，追求此愿景可能是有益的。
摘要：因为无线网络虚拟化能对设备和无线频谱资源抽象和共享，所以可以大大降低无线网络配置和运营的总开销。而且，无线网络虚拟化通过隔离网络的一部分，能为新产品或技术提供简单的移植。尽管无线网络虚拟化具潜在的远景，在无线网络虚拟化广泛部署前，仍有几个显著的研究挑战有待解决，包括独立性、控制信令、资源发现和分配、移动性管理、网络管理和操作、安全性，还有非技术问题，比如管理规定等。本文，我们对那些已经完成了实现无线网络虚拟化的一些工作进行简单调查，讨论一些研究课题和挑战。我们确定无线网络虚拟化的几个重要方面：概述、动机、框架、性能尺度、授权技术、挑战。最后，我们探讨在实现无线网络虚拟化方面更深远的视角。
1. 绪论
在信息和通信技术(ICT, information and communications technology)领域，‘虚拟化’已经在不同方面成为一个广泛的概念，如;虚拟记忆[1]，虚拟机器[2]，虚拟存储接入网络[3]，虚拟数据中心[4]。虚拟化涉及到在不同各方之间的抽象和资源共享。有了虚拟化，由于硬件利用率增加，从基础设施的去耦功能，新的业务和产品更加容易迁移(移植)，灵活的管理；由于这些原因，可以大大降低设备和管理的总成本[1-4]。
在有线网络，虚拟化已经存在几十年，如广域网（WAN，wide area networks）上的虚拟私人网络（VPN，virtual private networks），企业网络内的虚拟局域网（VLAN）[5,6]。最近，网络虚拟化已被积极地使用在因特网研究测试平台上，如G-Lab[7]和4WARD[8]，并且应用在云计算环境中[9]。它的目的是克服目前互联网的基础架构变革的阻力。大家都认为网络虚拟化是建立未来互联网的最有前景的技术之一[10]。
伴随着无线业务和流量的巨大增长，很自然的将虚拟化扩展到无线网络。采用无线网络虚拟化，网络设备能从它提供的业务进行去耦，这样差异化的服务可以在相同的基础设施上并存，最终最大化其利用率[11]。从而，通过不同业务供应商操作的多个无线虚拟网络可以动态共享由MNO（移动网络运营商，mobile network operators）操作的物理底层无线网络。因为无线网络虚拟化使设备和无线频谱资源的共享成为可能，无线接入网络（RAN）和核心网（CN）的资金开销(CapEx)和运营开销 (OpEx)可以大大降低。而且，MVNO(mobile virtual network operators，移动虚拟网络运营商)可以提供一些特殊电信业务（如VoIP，视频呼叫，顶级服务），这可以帮助MNO吸引更多用户，同时，MNO通过给它们租借独立的虚拟化网络和评测一些新业务，它能产生更多收益[12]。其间，无线网络虚拟化通过孤立网络的一部分，在支持传统产品的同时，使得新产品或技术的移植更加容易[12,13]。另外，新兴的异构无线网络需要一个收敛的、强大的网络管理机制，这可以通过无线网络虚拟化来支撑[14]。
尽管无线网络虚拟化具潜在的远景，在无线网络虚拟化广泛部署前，仍有几个显著的研究挑战有待解决，包括独立性、控制信令、资源发现和分配、移动性管理、网络管理和操作、安全性，还有非技术问题，比如管理规定等。尤其是，不像有线网络，它们的带宽资源抽象和孤立可以基于硬件（如端口和链路）基础完成，而无线资源的抽象和隔离没有那么直接，这是由于无线通信的内在传输特性和无线信道质量的随机波动引起的。另外一个无线网络虚拟化的重大挑战是资源分配，它决定了怎么将一个虚拟无线网络嵌入到物理网络上。另外，大量智能设备/节点具有自适应/情景感知功能，所以对无线网络虚拟化引起不小的安全挑战。这些挑战需要全面的研究工作来解决。
本文，我们调查无线网络虚拟化一些已完成的工作，探讨一些研究课题和挑战。图1给出根据无线网络虚拟化的设计画出的我们的方法的分层图。如图所示，我们确定了无线网络虚拟化的7个主要方面，其中我们可能侧重：概述、动机、框架、性能尺度、授权技术、挑战、深远视角。
图1 无线网络虚拟化路线图
图中：
（1）概述：历史概要、计划、SDN和开放流（无阻流量？）
（1）动机：商业模式、需求
（2）框架：无线频谱资源、无线网络基础设施、无线虚拟资源、无线虚拟化控制器。
（2）性能指标：传统指标、虚拟化特定指标
（3）授权技术：基于IEEE 802.11、基于蜂窝、基于IEEE 802.16、其它
（3）挑战：独立性、控制信令、资源发现和分配、移动性管理、网络管理、安全
（3）深远视角：感知无线和网络、多层次无线网络、云计算
下面的小节，我们详细描述每方面，讨论相关课题。节2展现有线网络虚拟化历史。然后引入一些网络 虚拟化方案。也介绍软件定义网络和无阻流（OpenFlow）。节3，介绍商业模式和涉及的团体。也讨论无线网络虚拟化的动机和需求。节4中总结一个框架，它包含4个主要部分：无线频谱资源、无线网络基础设施、无线虚拟资源、无线虚拟化控制。节5介绍了一些评估虚拟化网络的性能和质量的性能指标。节6按照不同的无线接入技术，讨论一些无线网络虚拟化应用技术。节7介绍研究课题和挑战。也介绍了一些更深远的视角。最后节8是结束语。
1. 网络虚拟化概述
本节，我们先介绍有线网络虚拟化历史。然后介绍网络虚拟化一些方案。还介绍SDN（Software defined networking ）和无阻流。
A．有线网络虚拟化简要历史
有线网络虚拟化出现已经几十年。有线网络虚拟化一些例子：VLAN（virtual local area networks，虚拟局域网），VPN（virtual private networks，虚拟私人网络），主动和可编程网络，覆盖（重叠）网络，描述如下：
1）VLAN：指一个领域，其中允许一组具有共同的利益（兴趣？）的主机逻辑上汇聚到一起，汇聚到一个单个传输域，而不管它们的物理链接[15].。
2）VPN:在一个VPN中，一个私有网络（其主机分布在多个站点）在公共通信网络（如因特网或PSDN）上通过私有的、安全的通道（链路）链接[16-18]。基于不同层，VPN能分成4类：层1 VPN[19]，层2 VPN[20]，层3 VPN[21]，高层VPN[22]。要注意的是，层1 VPN不能保证数据面连接和控制面连接，这意味着每个业务网络有独立的地址空间和L1 资源视图，和政策分离并且与其它VPN独立。这是层1 VPN和层2/3 VPN的主要区别。
3）主动和可编程网络：响应用户需求，开发、配置、管理新网络的需求极大驱动了主动和可编程网络的研究。关于可编程网络的基本探讨是：将通信硬件从控制软件独立出来，允许多个团体在同样网络元素上、无冲突的运行所有的不同的协议。开放的信令方式和主动网络方式，是主动和可编程网络的2种实现方法[23]。
4）重叠网络：虚拟网络基于另外网络的物理拓扑创造了一个虚拟拓扑，可以将它看成是一个重叠网络，其中节点通过虚拟链路相连，对应于基础（下层？）网络的路径。重叠一般在应用层实现[6]。
在上面4个有线网络虚拟化的例子中，虚拟化范围限制在一个或2个层。但是，为了利用虚拟化的全部优点，网络需要全部虚拟化，业务要明显的从下层基础设施分开。
B． 网络虚拟化计划
最近，有关网络虚拟化领域，已经开启了一些研究计划，包括：侧重网络技术的XBone[24]、Tempes [25]；侧重层的虚拟化的UCLP [26], VNET [27], AGAVE [28] and VIOLIN [29]；侧重架构域和管理的Genesis [32] and FEDERICA [33]；侧重虚拟化的粒度的PlanetLab [34], GENI[35], VINI [36], CABO [37], 4WARD [8] and NouVeau [38]；侧重无线感知网络的虚拟化VITRO [39]。由于篇幅有限，我们仅仅简单介绍CABO, GENI, 4WARD and PlanetLab，这些是网络循环化中的重要项目。
1）CABO：在CABO中，InP（infrastructure providers，设备供应商）和SP（服务供应商）之间的孤立概念由一个综合项目来促进和改善，以支持全虚拟化，这样能允许SP在多个InP的设备上提供端到端服务。CABO也是第一个全虚拟项目，其中虚拟路由器能从一个物理节点移到（映射到）另外一个节点。它也能为SP给终端用户支持端到端业务提供担保和用户化（定制化）。
2）4WARD：在4WARD中，除了InP和SP，还介绍了更详细的商业模式，包括VNP（virtual network providers，虚拟网络供应商商）和VNO（virtual network operators，虚拟网络运营商）。这种商业模式会给市场更多的机会。该项目还包括对网络虚拟化的资源分配和资源发现方面的大量工作。而且，4WARD也支持异构网络技术的虚拟化。另外一个重大贡献是：4WARD不仅仅在实验的网络和测试平台上实现网络虚拟化，它也在实际网络中实现网络虚拟化。
3）PlanetLab: PlanetLab提出一个‘网片能力(sliceability)的概念，其中每个应用程序在重叠（网络）的一个网片内获取并运行。网片能力是网络虚拟化的关键能力和设计原则，在有线和无线网络虚拟化实现中占主导地位。
4）GENI：它向无线领域引入网络虚拟化。在GENI中，通过TDMA,FDMA，SDMA提出了虚拟化技术和网片技术。而且，GENI给研究人员提供了能创造个性化虚拟网络的机会，而不受现存互联网的需求和假设的约束。
5）VITRO：它为在无线感知网络中使虚拟化成为可能并提供高级业务，提出了一个集成（综合）架构。VITRO方案实现了在物理节点上运行的应用软件从物理感知配置上解耦。虚拟感知物理的概念使得感知节点之间可以动态协作，除了原始配置的范围，还可以助长新业务和应用软件的增值。
《耦合是指两个或两个以上的体系或两种运动形式间通过相互作用而彼此影响以至联合起来的现象。 解耦就是用数学方法将两种运动分离开来处理问题，常用解耦方法就是忽略或简化对所研究问题影响较小的一种运动，只分析主要的运动。》
C．软件定义网络和开放流（OpenFlow）
SDN是一个新兴网络架构，其中网络控制从传输分离，直接可编程[40]。被认为是实现虚拟网络，尤其是网络控制方面，最具前景的技术。SDN主要有4个特征[41]：
（1）控制面从数据面分离。
（2）一个中央控制器，全局看网络。
（3）控制面（控制器）设备和数据面设备之间开放的接口。
（4）通过外部应用软件实现网络的可编程性。
通过从下层物理路由器和转发业务的交换机来分离网络的控制逻辑，网络运营商能编写高级控制程序来说明整个网络的行为。这和传统网络不同，传统网络运营商必须依据低级别设备结构来编写功能。SDN允许网络管理者通过一个控制器拥有网络业务的可编程集中控制，它不需要物理接入到网络的交换机。SDN的配置能创造一个逻辑网络控制面，其中硬件从数据传输面硬件上物理分离了，即，一个网络交换机能传输包，一个独立的服务器能运行网络控制面。解耦（功能）使得控制面比数据面能使用不同的分布模式来实现。于是能在一个不同的平台（和建立在硬件交换机和路由器上的低功率管理CPU不同）上运行控制面开发和运行时环境任务。
‘OpenFlow’是一个标准通信接口，在SDN架构的控制和传输层之间定义[42]。此标准由‘开放网络基金会（Open Networking Foundation，ONF）管理。OpenFlow允许直接接入和操作网络设备的传输面，如交换机和路由器。有了OpenFlow，网络包通过网络交换机的路径可以通过运行在多个路由器上的软件确定下来。许多网络交换机和路由器卖主已经宣布有意支持OpenFlow标准。
2. 无线网络虚拟化的动机、商业模式、需求
本节，我们将讨论无线网络虚拟化的动机。无线网络市场中不同角色的商业模式，并且介绍这些角色的功能。而且，将讨论需要符合实现无线网络虚拟化的需求。
A．什么是无线网络虚拟化？
无线网络虚拟化可以指的范围很广：频谱共享、设备虚拟化、空中接口虚拟化。类似于有线网络虚拟化，其中物理设备由一个或多个供应商支配，在多个服务提供商之间共享，无线网络虚拟化需要将物理无线设备和无线资源抽象、分离成许多虚拟资源，提供给不同的服务供应商。换句话说，虚拟化，不管有线或无线网络，可以被看作是一个分割整个网络系统的过程[13]。然而，无线环境的特性，如时变信道、衰减、移动性、无线传播方面，使得问题更加复杂。而且，无线网络虚拟化依赖于特定接入技术，相比有线网络，无线网络包含更多接入技术，且每个接入技术有其特定特性，这些很难去获得收敛性、共享、抽象。因此，认为无线网络虚拟化是网络虚拟化的子集是不准确的[11]。
本文，我们将无线网络虚拟化看成这样的技术，其中物理无线资源可以抽象、切片（slice）成虚拟无线网络资源，它具有一定的相应功能，将它们彼此隔离，多方共享。或者说，虚拟无线网络是实现这样的过程：抽象、切片、隔离、共享无线网络。既然，无线网络资源切片成多个（网/资源）片，‘虚拟切片’和‘虚拟网络’的术语含义类似‘虚拟无线网络资源’的含义。本文可以二选一的使用它们。
B．无线网络虚拟化的商业模式是什么？
在无线网络虚拟化中，物理资源被多方拥有，虚拟资源被其它多方利用。问题是，这几方是谁。商业模式可以描述，无线网络市场中角色的构造，这些角色的主要功能。如图2（a）所示，一般，在无线网络虚拟化后，有2个逻辑角色，MNO（移动网络运营商，mobile network operators）和SP（服务供应商）[12，37，]。物理底层无线网络的所有设备和无线资源，包括许可频谱、无线接入网络（RAN）、回程网、传输网（TN）、核心网（CN），都由MNO拥有、操作。MNO完成‘物理底层网络’虚拟化（映射）到某些虚拟无线网络资源。为简单计，我们用‘虚拟资源’来指示‘虚拟无线网络资源’。SP（服务供应商）租借这些虚拟资源，对它们操作、编程，以便能个终端用户提供端到端业务。在一些文章中（如[5]），MNO成为InP（infrastructure providers，设备供应商），仅仅负责为SP提供和租借无线网络资源。SP将基于租借和分配的资源，自行创建和配置虚拟资源，以满足端到端业务的需求。
上述商业模式中的角色可以进一步分离成更专业的角色，包括InP、移动虚拟网络供应商（MVNP）,移动虚拟网络运营商（MVNO）、SP[44-46]，如图2（b）所示。其功能描述如下：
a) InP: 拥有设备和无线网络资源。在某些情况下，频谱资源可能或不可能被InP拥有。
b）MVNP：出租网络资源、创建虚拟资源。某些MVNP可以拥有一些许可频谱，这样它们就不需要从InP申请频谱资源。某些文献（如[47]），称MVNP为MVNE(mobile virtual network enabler)。
C）MVNO：向SP维护和分配虚拟资源。同时，在一些方案中，MVNO担负MVNO和MVNP两者的角色。实际上，这种模式适合云计算中称为XaaS（X as a service，一切皆服务）[48]的新兴概念[48]。InP中提供的是IaaS（基础设施即服务，infrastructure-as a-service），而MVNO提供的是NaaS（network as-a-service，网络即服务）。
d) SP：侧重给其用户提供服务，基于由MVNO提供的虚拟资源。
即，虚拟资源由MVNO提供，由MVNO管理，由MVNP来创建，在InP处物理运行。很明显，这种四层次模式能在市场创造更多机会，直观的简化每个角色的功能。否则，使用更多的协作机制和接口，可能大大增加复杂度和等待时间。
这里，简单讨论MVNO的角色。关于MVNO的定义，在不同国家和团体是不同的[47]。[13]中的作者认为，MVNO不为其接入用户拥有任何频谱和无线接入网络。但是，[47]中，MVNO可能拥有、也可能不拥有设备，或者它可能仅仅拥有除了RAN和许可频谱外的无线网络的其它部分（如CN）。文[47]作者认为，MVNO是关键的参与者，能打破未来移动网络市场中有线和无线通信的价值链。这种说法是基于纯InP的存在，意味着MVNO是负责给SP提供虚拟资源的实体[10][46]。在XaaS概念中，IaaS可以提供给MVNO,MVNO可以提供NaaS给SP。但是，直到现在，大多数设备和无线资源由MNO拥有，它不想给具有潜力的MVNP和MVNO分享太多收益。和此判断不同的是，一些方案（如[49]）将MVNO看成是一个特殊SP，为关注的客户提供增强的业务。在此情形下，MVNO和MNO都能双赢，因为MVNO帮助MNO吸引/保留更多量的客户，MVNO可以提供业务包括VoIP、视频电话、现场直播等[12].
上述商业模式也可以用在基于IEEE 802.11的无线网络。在商业蜂窝网络中，基于802.11接入技术可以作为蜂窝网络的有效补充，在热点提供数据流量。这时，作为整个无线网络的一部分，基于802.11的网络可以遵循上述讨论的商业模式。在另外一个含基于802.11网络的模式中，称为TaaS(Testbed as a Service,团队既服务)[50,51]，MNO和SP可能分别是设备供应商（管理者）、研究机构（组），而不是商业实体。
图2.无线网络虚拟化商业模式。（a）一个两等级模式；（b）一个四级别模式。
C．为什么需要无线网络虚拟化？
无线网络虚拟化的动机范围很广，从学术、工业研究到商业市场。在无线网络中，将理论研究和实际实现联系的重要纽带是：基于设备的测试，用它来鉴定和评估新技术和提出的创新思想。无线网络虚拟化能支持强大和有效的测试系统，它能缩短革新技术的研发过程。首先，由于虚拟网络的灵活性、可编程性、私有性，提出的新网络技术和业务可以在设备内实现，更简单更迅捷的评估，而不需要考虑复杂的接口和物理设备的特性。其次，由于虚拟网络的独立性，可以运行多个实验且同时操作，这意味着，即使在实际设备中，可以测试和配置实验函数，不会打扰到正常业务[14]。
在商业市场，由于无线网络虚拟化的共享许可，可以大大降低CapEx（资本支出）和 OpEx（运营支出）。文[49]作者猜测，用作CapEx和OpEx的600亿美元在5年内全世界运营商可以节约（高达）40%。[52]中给出了共享无线网络中CapEx和OpEx的详细分析。据估计，共享站点和天线可以减少CapEx的20－30%，如果整个无线网络共享，可以节约CapEx的25－45%，所有资产的共享将会再降低CapEx的10%。虽然OpEx在不同国家大不相同，通常，通过配置网络共享，有很大空间来降低CapEx和OpEx。
在过去几年，MVNO和OTT SP在移动网络市场已经成为很有实力的成员，以它们特有业务影响着传统的由MNO主导的市场环境。幸运的是，无线网络虚拟化为MVNO和MNO带来双赢的状态[12]。MVNO或其它类型的SP可以租借MNO的虚拟网络，而MNO可以从MVNO和SP吸引更多的客户。对MNO自身来说，因为网络能分离成几个‘网片’，一个网片内的升级和维护不会影响其它运行的业务。对SP，租借的虚拟网络帮助它们‘摆脱’了MNO的控制，所以可以更加简单的提供私人化和更灵活的业务，且QoS也能得到加强。这也为MNO带来可观收益，因为SP需要给MNO支付更多，且减少了MNO和SP之间的无休止的争论。
D． 无线网络虚拟化的需求是什么？
无线网络虚拟化可以基于一个特定商业模式开发。需要符合一些需求来实现无线网络虚拟化。根据虚拟化范围，这些需求可以分为基本需求，额外需求。
1）基本需求：
a)共存：在无线网络虚拟化中，物理设备应该允许多个独立虚拟资源共存在底层物理网络上[46]。实际上，很显然，虚拟网络的目的是使得多个系统运行在同一个物理资源上。
而且，因为虚拟网片是按照SP的需求创建的，所以在虚拟网片之间，它们是不同的。虚拟系统不得不负担多个虚拟网片，这些网片具有不同的QoS需求、拓扑、业务类型、安全等级、用户行为等。
B）灵活性，易管理性，可编程性：通过从底层物理网络和其它共存虚拟网络中分离私有化控制协议，来提供网络不同方面的自由度[5]。然而，因为不同的虚拟化可能具有不同等级（级别），范围从流等级、子信道或时隙等级，到天线等级[12]，所以其灵活性依赖于虚拟化的等级。更高等级的虚拟化可能降低虚拟化的灵活性，但是能获得网片间更好的资源复用（因此关于波动流量的利用增加）和简易的实现，但是它会降低‘独立性’的功效和资源私有化的灵活性，反之低等级虚拟化导致相反的效果。
易管理性和可编程性是另外2个基本需求。既然虚拟网片或虚拟网络分配给SP，且这些虚拟无线资源的管理从底层网络分离，那么无线网络虚拟化需要给SP提供虚拟资源的完全的端到端控制[5]。SP能管理虚拟网络的配置、分配，如路由表、虚拟资源调度，接入，甚至是修改协议，等等。
为了实现易管理性，需要将可编程性集成在无线网络虚拟化中，以帮助SP实现私人化的各种业务、协议、网络。可编程性需要MNO提供适当的接口、编程语言、启用具有相当的灵活性等级的安全编程范式。
c) 独立性：独立性确保：任何配置、定制、拓扑变化，任何特定虚拟网络的错误配置和离开，不会影响和干涉到其它共存的部分。即，独立性意味着，某个虚拟网片的任何改变，如终端用户数、终端用户的移动、信道状态的波动等等，不会引起其它网片的资源分配的改变[12]。实际上，虚拟网片或虚拟网络相互之间是透明的，或者可以这样说，它们不知道其它虚拟网片的存在。这类似于现代移动网络中用户之间的复用，但也不是完全一样。因为许多虚拟网络将共存，所以虚拟化中独立性是一个基本课题，能保证容错性、安全性和隐私[5]。另外，在无线网络中，尤其是蜂窝网络，一个小区内的任何改变可能引起邻近小区的高干扰，终端用户的移动性可能造成特定区域的不稳定[53]。因此，与有线网络比较，无线网络中独立性变得更加困难和复杂。
2) 额外需求：
a)异构性：因为有许多共存无线接入技术，所以无线网络虚拟化应该允许异构性。底层物理网络的构成应该不仅包括异构无线网络，也包含有线网络。而且，[46]的作者也指出，在它们之上的虚拟网络可以是异构的（如，通过使用不同的协议）。
b)重访问和可测量性：无线网络虚拟化中的设备应该提供这样的能力：支持共存虚拟网络或一些被切片的虚拟资源的数量的增加。
C)稳定性、收敛性：对虚拟无线网络来说，稳定性降低了底层物理网络中差错和配置错误的影响。而且，在任何不稳定情况发生时，收敛性允许虚拟无线网络仍是稳定的。
d)移动性：虚拟无线网络不仅仅应该支持传统的移动性，还应该支持MVNO或SP之间的移动性。移动性管理应该同时允许虚拟移动性，即WVN或SP之间的移动性和地理的移动性。
E）资源利用：无线网络虚拟化应该确保物理无线资源、计算资源、其它资源的有效使用。此架构需要处理动态资源调度中复杂度和效率之间的权衡。
IV. 无线网络虚拟化的框架
本节，为无线网络虚拟化归纳一个框架。此框架是基于现有研究提出的架构，反映无线网络虚拟化中的基本思想、部件、关系；但是，因为每个架构有其特定目的、原始内涵和理念，所以此框架不能反映所有的架构。一般，无线网络虚拟化的框架由4个部分组成：无线频谱资源，无线网络结构，无线虚拟资源，无线虚拟化控制器，如图3所示。
图3 无线网络虚拟化的一个框架
A． 无线频谱资源
无线频谱资源是无线通信中最重要的资源。通常，无线频谱资源指：许可频谱或一些专用自由频谱（如IEEE 802.11）。当认知无线电[54]出现，无线频谱范围扩展了，范围从专用频谱到白频谱，指所有者未用的空闲频谱被其它方使用。
由于感知网络的促进[55]、异构网络的配置（如毫微微蜂窝和小蜂窝）[56]、网络共享的实现[47]，我们将无线频谱分离成无线网络虚拟化的单一成分。与当前相对固定的频谱接入相比，感知无线电技术使得频谱的利用更加灵活，但是异构网络改变了蜂窝网络中传统频率复用计划。这2种技术将在节VII中讨论。网络共享在电信运营商之间的关系中引入了协作关系。粗略的说，网络共享包括：频谱共享、设备共享、全网络共享。将在下一节讨论后两者和网络共享的定义。
频谱共享指所有或部分的运营商拥有的许可频谱可以基于协议被多个合同运营商（通常是有助于共享频谱的运营商）利用。例如，运营商A和运营商B签订了共享彼此频谱的合同，于是它们具有更灵活的频率调度和分集增益，能改善网络的效率和容量。实际上，运营商间频谱共享已经提出很多年，如[57,58]。但是，由于政策和市场（而不是技术）的原因，在当前蜂窝网络中频谱共享并不流行。幸运的是，无线网络虚拟化正在恢复频谱共享以推动全虚拟化，这意味着将整个可用无线频谱看成一个整体资源，虚拟化它们成为抽象的接入媒质。
B．无线网络设备
无线网络设备指整个无线物理底层网络，包括站点（塔和天线）、基站（蜂窝网络中的宏小区、微小区、中继、RF、基带处理器、无线资源控制器，等）、接入点（无线局域网中）、核心网元素（网关、交换机、路由器等）、传输网络（RAN和CN之间的回程、链路）。
物理实现的设备部件是无线网络的基础，占据了MNO的投资的大部分。在现代无线网络中，单个整个的无线网络（包括RAN，CN和TN）可能被一个MNO支配，或者一些团体可能拥有整个无线网络的一部分，如一些团体拥有CN而一些团体仅仅拥有TN（传输网）。不过，在一定的地理区域，运营网络同样部分的MNO或InP之间是竞争关系，意味着没有共享或受限共享（如路由）存在。因此，这种范例中的虚拟化称为‘受限设备内虚拟化’，指一个单个MNO或InP内的虚拟化[13]。
很显然，如上所述，因为MNO需要吸引更多用户、满足来自SP的各种需求，所以当规划和操作无线网络设备时，在MNO之间协作和共享资源成为一个新的范例，它会改善网络效率和利用率。网络共享指多个MNO相互共享一个物理网络的容量和设备。从商业观点看，网络共享可以看作是一个协议，即两个或更多MNO汇聚它们的物理网络设备和无线资源然后相互共享的协议。从技术观点看，网络共享是来自塔和其它设备的共享，以共享整个移动网络[52]。从云概念的角度看，为了实现无线网络中的虚拟化，可以认为网络共享是授权IaaS的重要步骤。同时，网络共享能大大降低运营商的CapEx 和 OpEx[59]。在商业网络中，几个标准化组织（如3GPP[60]）、供应商（如NEC[61]和Nokia Siemens网络[62]）、运营商（如中国移动[63]）已经完成了网络共享的一些初步方案和推广。在UK，通过汇聚网络设备，Vodafone and O2已经开始它们的网络共享。这种网络共享合作关系，可以为移动用户获得更好的覆盖、建造更少的天线杆[64]。在前面小节中已经介绍了一个网络共享方案：频谱共享。这样，下面讨论另外2个共享方法：‘设备共享’和‘全网络共享’。
1）设备共享：不像频谱共享，此处仅仅指设备共享。分为两类：（a）‘被动共享’和（b）主动共享。被动共享指运营商共享被动设备，如建筑楼宇、站点、桅杆。当前，被动共享由一些第三方，称‘（铁）塔公司’操作，与运营商协议，提供被动RAN设备[65]。主动共享指共享整个移动网络的网络元素，如（a）RAN中的RF天线和eNodeB，（b）包含在传输网络中的回程和骨干传输，（c）核心网中的路由器、交换机、寄存器(如VLR（visitor location register）)。
在[62]中，提出了一个网络共享架构，称为MORAN（multioperator RAN），允许多个MNO（移动网络运营商）共享RAN。同时，3GPP提出了2种使用设备共享的方案[66]。在方案1，MNO通过使用它们自己专有的许可频谱，直接链接到共享RAN，服务各自的终端用户。方案2基于地理划分，指MNO（通常多余2个）将使用它们各自的RAN来覆盖国家的不同部分，但是一起提供对整个国家的覆盖。此方案可以分成2种情况：已经配置的运营商（使用其它MNO拥有的RAN和CN）之间的全国漫游，分别使用它们拥有的频谱（使用专有或公共CN）共享无线网络。
基于虚拟化的设备共享称为‘跨设备虚拟化’，即无线网络虚拟化即可能是跨MNO（InP），又可能是MNO（InP）[13]。
2)全网络共享：全网络共享是频谱共享和设备共享的结合，即无线资源和网络设备能基于协议在多个MNO之间共享。
在3GPP规范中[60]，全网络共享支持两个确定架构：多运营核心网络（MOCN，multi-operator core network）配置和网关核心网络（GWCN）配置。在MOCN中，共享的部分仅仅指包含自身无线资源的RAN。GWCN不仅仅允许共享RAN，也允许共享MSC和SGSN（这些可以认为是核心网的实体）。[66]中给出3个全网络共享的方案。在方案1，一些运营商允许接入一个RAN，这个RAN覆盖一个特定地理区域，此区域由第三方（可以是除了先前运营商的另外的运营商）托管。方案2称为公共频谱网络共享，其中一个运营商共享其许可频谱给其它运营商，或一组运营商汇集它们的许可频谱到一起，然后共享整个频谱。在此方案，组内所有运营商可能首先链接到一个控制器，称为无线网络控制器，然后共享RAN；或者可能相互结合以形成一个公共核心网络，然后链接到共享的RAN。在方案3，多个RAN可以共享一个公共核心网络，其中的元素或节点具有不同功能，但是术语不同RAN运营商。应当依据用户、网络、需求、安全性、收费，满足一些需求以配置上述方案[66]。在[61]中，针对基于LTE的移动网络，NEC提供一个解决方法，在3GPP架构内支持MOCN和GWCN。
[67]中根据容量、频谱和基站，研究运营商之间共享的性能比较。文中评估和比较以下方案性能：(a)无共享（NS，no-sharing），(b)容量共享（CS，capacity sharing），它可以看作是‘基于漫游’共享的扩展[66]；(c)频谱共享（SS，spectrum sharing），指指运营商1可以给高负荷的运营商2在传统的设备上，共享其部分频谱。基于研究结果，可以看出，CS比其余两者的性能更好。
所以，全网络共享使虚拟化获得更有效和灵活的物理底层网络，获得了所谓的‘通用虚拟化’，其中虚拟化是无孔不入的[13]。
C．无线虚拟资源
通过对无线网络设备和频谱切割成多个虚拟切片，来构建无线虚拟资源。理想情况下，一个单切片应该包括无线网络设备中每个元素划分的所有虚拟实体。换句话说，一个完整切片是一个通用无线虚拟网络。例如，一个SP向一个MNO请求一个切片，意味着此SP想拥有一个从CN到空中接口的虚拟网络，并且能在此切片内自定义所有虚拟元素。但是，实际上，这种理想的切片可能不总是必要的。尤其是，一些MVNO可能拥有自己的CN或者是全覆盖的，它们只需要RAN切片，而且有的SP仅仅在特定地区或时间需要切片。假设一个更加抽象的方案，一些新兴的OTT SP给MNO付更多，仅仅是为了确保给它们的终端用户提供保障的Qos业务。如果有合同，MNO必须给这些OTT SP分配一定数目的资源切片，这些资源片可以按照它们自己的需求由OTT SP来自定义。这样，基于不同的需求，无线虚拟资源也指不同程度的虚拟化等级。下面列出无线虚拟资源的主要的四个等级：
1)频谱级切片：可以看作是动态频谱接入和频谱共享的扩展。此例中，频谱通过时间复用、空间复用、重叠访问，来划分频谱，和动态频谱接入、分配给MVNO或SP一样。另外，在无线网络虚拟化中，频谱虚拟化是链路虚拟化，其重点是此链路中的数据承载，而不是物理层技术。简而言之，频谱级切片是虚拟化环境中频谱共享和动态接入的一种应用。
2)设备级切片：此例中，物理物理元素，如天线、BS、处理器硬件、路由器，被虚拟化以支持多运营商的共享。当仅仅拥有自己频谱的多个MVNO，或覆盖受限的多个MNO，想在某特定区域从一个InP租借设备和硬件时，InP需要虚拟化其物理资源成虚拟设备和虚拟机器的切片。例如，如图4，InP的物理网络的覆盖面积是0；MNO1有许可频谱和网络设备，它覆盖区域1，MNO2有许可频谱和网络设备，它覆盖区域2，而MVNO有许可频谱但没有任何设备以覆盖。MNO1,MNO2,MVNO想覆盖整个区域，包括区域0，区域1，区域2.。所以，对于区域2，MNO2虚拟化其设备，且分割成2个网片，每个切片分配给MNO1和MVNO。区域1是同样的情形，其中MNO2和MVNO想覆盖它。在区域0，InP将物理设备和硬件虚拟化成3个虚拟部分，称为虚拟设备1（VI 1）,VI 2,VI 3，分别租给MNO1,MNO2,MVNO。MNO1,MNO2,MVNO通过控制器控制VI 1,VI 2,VI 3，控制器负责资源管理(如分配、调度、接纳)。采用这些机制的架构已经接近网络共享（前面小节已经讨论过）[52,60,61]。在一些MNO之间存在协议的网络状况中，一个MNO可以共享其部分资源给其它MNO。然而，从纯网络虚拟化方面看，网络共享和设备级虚拟化的根本不同是，MNO和MVNO可以通过控制器管理虚拟化设备和虚拟机器。
图4 设备分割的例子
3)网络级切片：网络级切片是上述的理想情况。这里给出一个例子，一个BS（如UMTS系统中的nodeB或LTE中的eNodeB）虚拟化成多个虚拟BS，然后无线资源（如时隙、频谱、信号处理器）也被分割、分配给虚拟BS。为了能虚拟CN，CN域内的实体（如路由器和交换机）必须虚拟化成虚拟机器。尤其是，在3G网络，SGSN和GGSN需要虚拟化；在4G网络，MME,SGW,PGW需要虚拟化成多个虚拟副本[68]。在[69]中，作者介绍了一个综合网络级虚拟化架构，包括针对LTE网络的所有3个域。[70]和[71]注重RAN域而[72]注重CN域。图5给出了一个4G LTE网络虚拟化的例子，基于[69]中提出的架构。
图5 网络级分割的例子[69]
4)流级分割：流级分割虚拟化的主要思想首先在FlowVisor [73]中提出。在流级虚拟化中，切片的定义可以不同的，但是通常它应该是一组属于一个实体的流，（实体）从MNO申请虚拟化资源[12]。按照此架构已经开展了一些工作，如[12][49][74]。在此架构中，属于一个或多个MNO的物理资源被虚拟化，被分割成虚拟‘资源片’。这些资源片可以是基于带宽的，如数据速率，或基于资源的，如时隙[12]。一个典型的例子是，一个MVNO没有物理设备和频谱资源（但有自己的客户）为其客户提供视频呼叫。此MVNO可以向MNO基于一定的数据速率（带宽）申请一个特定的切片，此MNO实际操作物理网络。此示例若不是频谱资源和其它资源，和设备级切片的例子是一样的。图6给出了流级网络虚拟化的例子，基于[61]提出的架构。
图6 网络级切片的例子[61]
D．无线虚拟化控制器
用无线虚拟化控制器可以为SP提供可用的虚拟切片，实现定制性、管理性、可编程性。通过无线虚拟化控制器，控制面从数据面分离，SP能在其自身的虚拟切片中自定义虚拟资源。如图7所示，无线虚拟化控制器有2部分：‘底层控制器’和‘虚拟控制器’。MNO或InP用底层控制器来虚拟化和管理底层物理网络。MVNO和SP用虚拟控制器来管理虚拟切片或网络。尤其是，MNO使用无线虚拟控制器来创建虚拟网片，将虚拟网片嵌入到无线物理底层网络，通过它SP来自定义其自身端到端业务，如调度和传输。[75]简单描述虚拟网络中的网络管理。因为在网络管理域中，SDN和OpenFlow被认为是最具前景和有效的技术，所以在无线网络中应用SDN很受瞩目[68][76]。图7总结了无线虚拟化控制器的功能和元素。
图7 无线虚拟化控制器的架构。
V. 无线网络虚拟化性能指标
在讨论无线网络虚拟化支撑技术之前，本节，我们介绍一些性能指标，这些对评估虚拟化无线网络的性能和质量是必须的。可以用这些性能指标比较不同的架构，虚拟化机制，资源分配算法，管理系统，自定义灵活性，能量节约，接口等。按照无线网络虚拟化需求，我们将指标分为2类：传统无线网络的性能指标，无线虚拟化特定指标。表1总结了这些指标。
表1 无线网络虚拟化性能指标
表中（1）传统无线网络；
| 单位 | 描述 | |
| 成本 | 货币单位（如US$） | 包括CapEx and OpEx |
| 收益 | 货币单位 | 挣得收益 |
| 覆盖 | m^3 | 由无线服务覆盖的一定的3D区域 |
| 容量（吞吐量） | Bps | 一定区域峰值数据速率 |
| 配置效率 |
 |
吞吐量（容量）/配置成本 |
| 频谱效率 |
 |
吞吐量（容量）/带宽，在一定的覆盖区域内 |
| 能量效率 |
 |
吞吐量（容量）/能量消耗 |
| QoS | 多样的 | 终端用户体验的QoS |
| 服务反应时间&信令延迟 | 秒 | 分组延迟和信令延迟 |
（2）无线虚拟化特定指标
| 虚拟实体间吞吐量 | bps | 虚拟实体之间获得的平均数据速率 |
| 虚拟实体间延迟 | 秒 | 一个分组从网络中一个虚拟节点到另外一个虚拟节点需要的时间 |
| 虚拟实体间路径长度 | 节点数目 | 在物理链路为建一个虚拟直接链路的跳的次数 |
| 独立等级 | 最低虚拟化物理资源等级 | |
| 利用率和压力 |
使用的资源/可用资源 可用资源/总资源 |
A．传统无线网络的性能指标
在传统无线网络，用几个指标来评估一个网络的性能。很显然，这些指标也可以用来估量无线网络虚拟化。
1）成本：是无线网络运营商为设备搭建和网络维护的总投资，包括CapEx and OpEx。对于无线网络，尤其是蜂窝网络，CapEx包括下列成本：搭建基站设备、回程传输设备、无线网络控制器设备、核心网设备、站点（设备）安装。和CapEx不同，OpEx包括：能量费用、站点和回程租借、运营和维护成本[77]。而且，当MNO或InP是新入市场时，配置成本包括使用由当局发布的许可频谱的成本。
在无线网络虚拟化中，因为需要额外的设备和维护，这部分成本也可以看作CapEx and OpEx。因为MVNO和SP通常不负责网络配置，MNO或InP需要承担大部分配置成本。不过，因为在无线网络虚拟化中，MVNO和SP被赋予了更多的灵活性，可编程性，可管理性，所以MNO（InP）和MVNO(SP)能承担此OpEx。
2）收益：除了降低成本，增加收益也是另外一个无线网络虚拟化（和传统网络相比）的目的。利润，是成本和收益之间的差异，可以用来评估无线网络虚拟化。而且，收益与成本的比率（RCR）可以用作另外一个尺度。利益（RCR）越高，越能刺激MNO和SP配置无线网络虚拟化机制。
3）覆盖和容量（吞吐量）：‘覆盖’指无线网络业务能覆盖的整个地理区域。‘容量’指由一个BS服务的一定区域的最大汇聚峰值速率（最大理论吞吐量）。‘吞吐量’指在一定时间段和区域内，传递给终端用户的数据速率。覆盖和容量（吞吐量）在无线网络设计和最优化中发挥根本的作用。对一个确定的接入网络技术（如WCDMA，LTE，或802.11家族）覆盖和吞吐量主要和下面所述的带宽、发送功率、网络规划有关。
a）带宽：它是特定区域内，为服务终端用户，总可用无线频谱。要注意的是，随着感知无线和网络共享的配置，可用无线频谱可能包含一些免费频谱和其它MNO的许可频谱。
b）发送功率：指从BS到终端用户，或从终端用户到BS，的发送功率。
C）网络规划：指网络拓扑设计，网络综合、网络实现，其目标是确保一个新的网络或业务能符合终端用户和运营商的需求。小的小区和中继的配置将导致更高的吞吐量和更大的覆盖。MNO之间的网络共享和小的小区也能带来新的网络规划策略，这些和传统网络规划不同。
4)配置效率（DE，Deployment efficiency）：它测量系统吞吐量（或覆盖）和配置成本（包括CapEx and OpEx）的比率[77]。DE是为无线运营商提供的一个重要网络性能指示器。通常，无线工程师需要在网络规划期间估计配置效率。
5）频谱效率（SE, Spectrum efficiency）：指系统吞吐量（或覆盖）和带宽的比率。它已经是为无线网络优化广泛接受的重要指标[77]，尤其是为蜂窝网络。为了在一定区域研究SE，可以增加由所有小区获得的SE，包括宏小区和微小区，（这些小区）在此区域使用同样的频谱。另外，可以用更多详细的SE指标来评估性能，如小区边缘SE，最差5%用户SE。
6）能量效率（EE，Energy efficiency）：指系统吞吐量（或覆盖）与能量消费的比率。要注意的是EE不仅仅指传输能量消费，也包括当操作网络（包括网络设备能量和附件（如空气状况，防雷设施等等））时，整个网络能量消费[78].。
7）QoS：上述指标和系统性能和资源效率有关。跟上述指标不同，Qos通常和终端用户相关。一般，一个特定的Qos需求由一些变量描绘，表征终端用户体验到的性能[79]。例如，在3GPP LTE[80]中，Qos分成9类，称为QoS类识别器（QCI），与资源类型（保证比特率或非保证比特率）、优先级（9级）、分组延迟预算、分组损失率有关。
8）信令反应时间（时延）：指拥有网络管理功能的实体之间控制信令的时延。因为无线网络虚拟化允许SP和MVNO的可编程性，网络中信令交换的数量将增加，会引起信令的更高的延时。
B．无线虚拟化－专用指标
除了传统无线网络的性能指标，还有一些虚拟化专用指标，用来评测虚拟化无线网络的质量和性能。
1）虚拟实体间吞吐量：与传统吞吐量不同，虚拟化专用吞吐量指虚拟实体之间平均数据速率。此吞吐量指标可以用来测量虚拟节点、SP到终端用户，MNO到终端用户的链接性能。使用此测量，可以评估虚拟化无线网络中的资源分配算法和管理效率。
2）底层网络的利用率和压力：因为底层物理资源用来映射虚拟切片、虚拟节点和虚拟链路，所以利用率定义为：使用的底层资源和总资源数的比率[10]。例如，为了评估一个底层物理eNodeB，利用率可以用下面的推导：使用的带宽、功率、时隙、信号处理资源，分别除以可用带宽、功率、时隙、信号处理资源。另外，‘压力（应力？）’评估底层物理资源可以忍受最大虚拟实体的能力。例如，‘压力’测量一个物理eNodeB可以映射多少个虚拟eNodeB。可以用‘利用率’和‘压力’来评估资源分配算法和虚拟化机制。
3）虚拟实体之间的延迟和抖动：延迟指一个分组从网络中一个节点到另外一个节点的时间长度[10]。这里，节点可以是一个虚拟节点、SP、终端用户，这根据不同的架构（来定）。分组间到达时间可以通过抖动来测量，这时底层网络固有的[10]。抖动不是虚拟网络专有的，但是比起传统网络，它对虚拟无线网络的性能有更大的影响。尤其是在无线环境下，由于链路质量的不可靠和多样性，延迟和抖动变得更加重要。因为不同的映射策略和控制器方式可能极大影响网络，延迟和抖动可以用来评估虚拟化机制和管理效率。
4）虚拟实体间的路径长度：因为一些相连的虚拟节点是通过虚拟链路相连，这意味着直接的物理链路可能不存在，路径长度指标测量两个底层节点之间的链路数量，底层节点最终映射到一个连接虚拟节点的直接虚拟链路。由于长些的路径长度需要更多的物理节点来传输分组，所以路径长度将影响延迟和抖动。因此，可以用路径长度来评估虚拟化机制和资源分配算法。
5）独立等级（程度）：既然无线网络虚拟化可以以不同等级完成，例如网络级、流级、子信道或时隙级，或者甚至硬件级（如天线和信号处理器）[12]，可以用‘独立等级’来测量最低的虚拟化物理资源级。例如，在无线虚拟化中，如果一个MNO将它们的资源分割成‘基于时隙’的切片，那么独立等级就是‘时隙’。
VI.无线网络虚拟化支撑技术
在本节，总结一些无线网络虚拟化的支撑技术。首先提出分类方法，然后按照不同的无线接入技术介绍这些支撑技术。
在介绍前，首先讨论资源分割和切片的不同，还有资源虚拟化和多址接入的不同。资源分割是从一些具体方面划分物理资源，然后分配给不同团体的过程。要注意的是分割的对象和结果都是物理的。切片也做划分和分配，但是可能是基于虚拟资源或物理资源[13]。也存在没有虚拟化或资源切片和分割共享的情况，但是切片和分割的最终目的是提供资源虚拟化或共享。按照文[13]，虚拟化和多址接入目标都是在多个实体间共享物理资源，但是是在不同级。多址接入尝试在不同用户间共享资源，但是虚拟化提供不同网络切片或用户组之间的资源共享。很显然，多址接入技术一般为基础，因为任何无线网络依赖于特定的多址接入技术。所有用户必须在同一网络内配置同样的接入技术。与之相反，在虚拟化中，运行在多个切片上的协议，多址技术、甚至网络拓扑，可以是不同的。为了降低可能出现的混乱，下面描述一个空中接口虚拟化例子。
假设有2个MVNO向一个InP请求虚拟网络。此InP有2个空中接口对应两种多址接入技术：CDMA和LTE。基于来自MVNO的请求，InP将这2个空中接口虚拟化成4个虚拟化空中接口，这4个虚拟化空中接口由2个基于CDMA的接口和2个基于LTE的空中接口。考虑到LTE的情况，InP可以将整个可用的PRB(physical radio resource blocks,物理无线资源块)分成两部分，分别给每个MVNO。对于CDMA，为了独立计，空中接口可以在时间域或频率域切片，意味着每个MVNO分配到一部分的可用频谱或时隙。
A．分类
因为无线网络包括各种不同技术，所以很难通过一个特别的特性来为无线网络虚拟化描述支撑技术。因此，我们将描述下面的分类方法，使用它们作为分类法，为无线网络虚拟化对支撑技术进行分类。
1）无线接入技术：与有线网络不同，无线网络中无线接入技术是不同的，相互之间通常是不兼容的。大多数当前的支撑技术集中在基于802.11网络，蜂窝网络（包括LTE系统和wiMax系统），异构网络，其它。这里的‘其它’指的是那些在它们的方法中不指定接入技术的技术。
2）独立等级：无线网络虚拟化支撑技术也能按照独立等级分类。‘独立等级’指最小资源单元，将SP彼此分离。如上节所述，无线网络虚拟化可以在不同等级完成，如网络级、流级、子信道或时隙级，或甚至硬件级（如天线和信号处理器）。
3）控制方法：也可以用控制方式来分类支撑技术。集中化控制、分布式控制、或混合控制是支撑无线网络虚拟化的最可能的控制方式。如果MNO中一个单个实体接受SP的需求，然后创造、操作无线网络虚拟化，这种方式是集中式方法。与之相反，如果无线物理网络中每个元素以分布式方式独立执行虚拟化，这种方式是分布式方式。
4）目标：一开始，提出网络虚拟化是为了实验目的，其中多个协议需要在同一设备上同时运行。商业市场上网络虚拟化可以看成是成功实验的扩展。于是，从目的的角度看，支撑技术可以分为实验的和商业的。
下面，我们按照不同无线接入技术来描述支撑技术。表2总结了这些支撑技术。
表2 无线网络虚拟化支撑技术
| 无线接入技术 | 参考文献 | 网络和目标（用途） | 独立性 | 贡献 |
| IEEE 802.11 | [81,82] | WLAN/实验 | MAC层/TDM | 授权接入点虚拟化 |
| [50], [83], [84] | WLAN/测试平台 | 频谱/FDM | 移动‘测试平台即业务’到无线环境，授权网络运营系统的虚拟化 | |
| [85] | WLAN/测试平台 | 时隙/TDM | 在大规模802.11无线测试平台实现虚拟化机制 | |
| [86]–[88] | WLAN/测试平台 | 时隙/TDM | 授权基于TDM链路虚拟化 | |
| [51] | WLAN/测试平台 | 空间/SDM | 在给定的空分和时分之间比较 | |
| [89], [90] | 多跳网络/实验 | 给出实验结果 | ||
| [91] | WMN/测试平台 | 时隙/异步时间共享 | 在一个节点上几个切片之间提出异步时间共享 | |
| [92] | WMN/测试平台 | TDM | 在不可靠无线链路下嵌入虚拟网络 | |
| [93] | WMN/测试平台 | FDM | 提出基于启发算法的信道分配解决方法 | |
| 3GPP LTE | [69], [94]–[96] | 蜂窝/商业 | PRB | 授权eNodeB虚拟化 |
| [97] | 蜂窝/商业 | PRB | 在LTE虚拟化资源分配中引入破产游戏 | |
| [76] | 蜂窝/商业 | 分组 | 使用FlowVisor来划分eNodeB，分成一定数目的虚拟eNodeB | |
| [71], [98] | 蜂窝/商业 | 分组 | 在RAN中授权SDN | |
| [70] | 蜂窝/商业 | 分组 | 抽象基站作为一个虚拟大基站 | |
|
IEEE 802.16 (WiMAX) |
[99], [100] | 蜂窝/商业 | 业务类型 | 引入虚拟网络业务成型器 |
| [12], [43], [101] | 蜂窝/商业 | 流 | 不需修改MAC调度，允许两类网片同时预约 | |
| [102], [103] | 蜂窝/商业 | 子载波 | 允许部分划片和子载波与功率分配的组合 | |
| 异构 | [104] | 蜂窝/商业 | 子载波 | 提出感知虚拟平台 |
| [105] | 蜂窝/商业 | 子载波 | 允许动态资源分配 | |
| [68] | 蜂窝/商业 | 多等级 | 允许通过使用Openflow概念进行虚拟化 | |
| 其它 | [74], [106] | 子信道 | 提出一个速率（rate？）区域，作为一组速率来计算，通过任何频谱分配来获得。 | |
| [107] | 子信道 | 处理无线虚拟化的在线请求 | ||
| [108] | TDM/SDM | 允许最大资源利用 | ||
| [109], [110] | WMN | 上下文 | 基于环境需求，将网络分割成几个虚拟网络 |
B．基于IEEE 802.11的无线网络虚拟化
在[81]中，提出一个WLAN虚拟方法，成为虚拟WiFi，扩展虚拟网络，从有线网络嵌入到无线网络。在虚拟Wifi中用KVM（基于内核虚拟机器, Kernel-based virtual machine），将WiFi设备虚拟化成多个虚拟机器（VM，virtual machines），这样能像一个虚拟无线LAN设备一样操作VM。因为每个VM必须确保其自己的无线链接，所以从多个虚拟MAC中通过时域复用分离MAC层。但是，一些VM可能想移植到其它物理设备，或者一些物理设备为了某些原因想聚合多个VAP，（原因）如节约能量和频谱资源。[82]中提出一个框架，在嵌入虚拟节点和链路后，时隙VM的移植。在此方法中，可以通过移植VM和在其它物理接入点（PhyAP）上授权它们，来维持VM和终端用户的链接。与[81]类似，[82]中，通过配置通道来在路由器中传递L2帧，基于MAC层嵌入虚拟WLAN网络。要注意的是，虽然[82]试图聚合WLAN AP而不是划分它们，但是它利用了虚拟化技术来公里聚合的AP。
[50，83，84]中使用FDM（频分复用）来许可无线链路虚拟化嵌入，它能在频域分离虚拟传输媒介。[83][84]都选择ORBIT测试平台作为平台。在[83]中，为了虚拟化硬件，硬件上运行的OS必须带有UML（用户模式Linux，user mode Linux）操作系统，而[84]在物理设备上选择OpenVZ来运行多个操作系统（VM）。不管在物理设备中用哪一种OS，此OS必须能为VM调度资源，如CPU、内存等等。延伸这些研究，[50]的作者提出一个新的测试平台VNEWS，它能为无线云移动新兴的TaaS。[50]中用频谱划分来授权多个虚拟拓扑的共存，相应的启发式（方案）决定请求的资源和底层资源之间的映射。而且，此方法为无线实验采纳了、扩展了一个资源规范语言（Proto-GENI V2 format RSpec）。
[85,86]中为无线链路虚拟化研究了TDM（时分复用）。利用TDM，物理网络在不同虚拟网络，在时域内分割，这样在时域上分离每次实验[85]或虚拟运营商[86]。[85]在一个大规模IEEE 802.11无线测试平台工具上实现它们的虚拟机制，而[86]从延迟、抖动、网络利用率方面评估基于TDM的链路虚拟化。[87]中提出类似的研究，但是侧重于WLAN上行链路的公平性问题。在[87]中，允许物理AP（接入点）基于两个提出的算法，为单独虚拟AP分配不同的UL空时配额，这2算法称为LPFC(linear proportional feedback control，线性比例反馈控制)，和LPFC+，它（们）使用流量整形（带宽控制）来控制空时（配额）。采用这2种算法，设备能在划分（指给属于一个单SP中一组用户分配资源）时增强公平性，这样允许单个SP公平分享底层WLAN硬件和对应的信道。但是，在[88]中，作者讨论了带宽调度不能获得这么高的利用率，当给每个网片的静态资源分配比率预先设定时。于是，[88]中提出一个MAC层空时控制机制。不像[85][86]，[51]在一个基于802.11的实验网络中，提出一个空分复用（SDM）来嵌入虚拟链路，称为ORBIT。本文中的比较说明，‘独立’对TDM和SDM都是可比的，但是SDM能比TDM获得更好的效率。
虽然上面的研究极大推进了无线网络虚拟化，但是由于缺乏完全虚拟化的AP（节点）、MAC层和上层的可编程性、流调度上的自定义机制、资源分配等，所以它们可能不会为无线网络虚拟化提供完全的解决方法。虽然是围绕IEEE 802.11家族做了这些研究，但是蜂窝网络也能从中受益。而且，这些实验网络的目标是测试、评估这些革新的协议和机制，它可以直接应用到蜂窝网络。
在[89][90]中，无线网络虚拟化嵌入问题已经延伸到基于IEEE 802.11的无线多跳网络。文中，提出了使用收益（收入），它与请求的资源成正比，资源包括CPU资源和带宽资源。底层物理网络执行基于最大化收益目标的嵌入。
在[91-93]中，为无线网状网络（WMN，wireless mesh networks）研究无线网络虚拟化。一个实验测试平台，称为WISEMESH，在[91]中使用了它，其中有在一个节点上几个切片之间的异步时间共享。[92]侧重于多播‘业务定向’虚拟网络，在无线链路不可靠条件下，在WMS中嵌入虚拟网络。[93]中基于一个增强的基因算法，提出一个启发算法，来获得一个近似的但是有效的解，它为虚拟网络分配信道。
C． 基于3GPP LTE的无线网络虚拟化
蜂窝网络中虚拟化概念可以追溯到文[111]，其中提出了虚拟节点和虚拟无线的基本框架。在[111]中，清晰的定义了数据面和控制面的‘解耦’，这样不同的协议和管理策略能在不同虚拟节点和链路上运行。通过一个中心（中央）方法，用‘虚拟化管理’来管理虚拟化节点和链路。但是，在[111]中没有提到实际实现，尤其是资源分配和分离。不过，这种萌芽给蜂窝领域引入虚拟化给出了初步的想法。
当前，在蜂窝网络中讨论的大多数无线网络虚拟化方法是基于3GPP LTE系统。[69][94][112]的作者研究了3GPP LTE中的虚拟化eNodeB，指出虚拟化eNodeB类似于节点虚拟化，后者有很多解。在此节，我们以[112]为例，来描述在基于LTE蜂窝网络中空中接口虚拟化的实现。如图8所示，一个‘管理程序（hypervisor）’[113]物理的增加到LTE eNodeB，在物理资源和虚拟eNodeB之间逻辑分配。LTE管理程序负责虚拟化eNodeB成若干虚拟eNodeB，例如虚拟机器（如CPU,内存，I/O设备等等），和频谱，它们能被不同的SP或MVNO使用。而且，LTE管理程序也负责调度空中接口（eNodeB和用户设备之间）的资源（如OFDMA子载波）。管理程序中装备了2个实体，充当关键作用。第一个是‘频谱配置和带宽估计（SCBE，Spectrum Configuration and Bandwidth Estimation）’，逻辑上位于每个虚拟eNodeB；另外一个是‘频谱分配单元（Spectrum Allocation Unit，SAU）’，逻辑上位于管理程序上。SCBE处执行的主要功能是：估计虚拟eNodeB处频谱的需求。依据频繁时间间隔处每个虚拟运营商，基于指数移动平均线由SCBE来计算此频谱带宽估计，发回到用作PRB调度的管理程序的SAU中。SCBE的另外一个主要功能是在每个虚拟eNodeB操作的地方配置频谱。
图8 LTE虚拟化例子
因为PRB是LTE MAC调度器能分配给一个用户的最小单元，在虚拟eNodeB之间调度PRB意味着在不同虚拟eNodeB之间分割频谱。为了给多个虚拟eNodeB分割频谱，管理程序必须基于一些准则（如带宽、数据速率、功率、干扰、预定义合同、信道条件、业务负荷、或它们的组合）、虚拟运营商的需求和独立需求，来调度若干PRB。通过‘基于合同’管理程序算法，用SAU来调度空中接口，以便基于预定义合同在虚拟eNodeB之间分割频谱。可以考虑下面4种预定义合同。1）固定保障，将分配固定的频谱带宽；2）动态保障，按照虚拟eNodeB的需求和最大值上限来分配PRB；3)尽最大努力以最小保障，将分配最小保障的带宽，额外的带宽将以尽力而为方式增加；4）尽力而为且无保障，通过纯粹的尽力而为的方式分配带宽。[112]中的方法是一个实际的、综合的机制，来实现基于LTE的RAN中的虚拟化。不过，仍然有一些方面需要改进，包括控制信令、虚拟eNodeB之间的独立、上层（如路由）虚拟化。
在[95-97]中使用类似[69]中的机制，用一个扩展解决多个具体问题。[95]中从理论分析和仿真观点，调查了eNodeB虚拟化引起的复用增益，提出了一个广义多团体模型来实现集中的频谱共享，为实时服务，带有频谱预算估计机制。[96]中，提出了负荷平衡技术，嵌入到[69]中提出的框架。使用动态负荷平衡机制，高负荷虚拟eNB可以卸下过剩的流量给一个低负荷的虚拟eNB，这给用户性能带来很大的增益。而且，本文致力于分析不同的应用，如VoIP，实时视频，HTTP和FTP，在LTE虚拟化中。与其它方法不同，[97]中在LTE虚拟化的资源分配中引入了破产游戏（/博弈？）（bankruptcy game）。假定既有‘大’（高流量负荷和速率需求），又有‘小’（低流量负荷和速率）MVNO存在，InP拥有的PRB是受限的、缺乏的，这样需求的PRB少于可用PRB。于是，作者对拥有PRB的InP和MVNO建模，在博弈中分别是破产公司和玩家。通过解破产博弈，当分配PRB时，InP在VMO之间确保了相对的公平。
自从SDN概念提出，在LTE虚拟化中解耦控制面和数据面的想法已经应用[70-72,98,114]。而且，OpenFlow，作为实现SDN的一个技术，也在LTE虚拟化中引入[68,76]。要注意的是，SDN或OpenFlow不等同于网络虚拟化。按照SDN的定义（节2提到），SDN是一个机制，可以用作网络虚拟化中。换句话说，可能使用SDN来实现网络虚拟化，但是不是必须的。
[98][76]通过使用FlowVisor[73]，在LTE虚拟化上，提出架构级的解，而[76]侧重于eNB的虚拟化，[98]研究整个网络的分组处理。在[76]中，通过FlowVisor策略，将eNB分片成若干虚拟eNB，为相应的SP或MVNO创建同样数目的控制器供分配。当一个SP给它们的虚拟eNB发送信息，FlowVisor停止流量（传输），基于eNB处的策略将它映射到允许的资源。类似的，FlowVisor仅仅传输来自eNB的流量给各自的控制器，控制器由SP操作，其流空间与其流量匹配。这样，SP就不会意识到：eNB已经被分片为几个虚拟eNB。同样的，[98]也利用FlowVisor，但是延伸到CellVisor，它能为基站支持灵活的资源分片，和高层次的语义空间定义。而且，[98]中的机制除了eNB，还有更广泛范围的资源来分片（分割），包括带宽、拓扑、流量、设备CPU、转发表。
SDN的概念应用在云－RAN中（C-RAN，cloud-RAN）[71]。提出的C-RAN是软件定义RAN架构，包括3个主要部分：无线频谱资源池（WSRP，wireless spectrum resource pool）、云计算资源池（CCRP，cloud computing resource pool ），SDN控制器。在此结构中，WSRP，由多个物理远端无线单元（pRRUs，physical remote radio units）组成，它在不同位置分布，将一个pRRU虚拟化成几个虚拟RRU（vRRU，virtual RRUs），其中不同无线协议（GSM、umts,LTE）在一个共享pRRU上共存。CCRP由大量物理处理器组成，由一个高速云计算网络构成，虚拟化成虚拟BBU和虚拟BSC。很显然，WSRP和CCRP搭建几个完全的虚拟RAN。SDN控制器负责此异构RAN的控制面。[70]中提出了一个更加通用的软件定义无线接入网络，在一个地理区域，考虑所有物理基站（不仅仅是RRU）为无线元素，从中抽象处一个虚拟基站。
D．基于IEEE 802.16的无线网络虚拟化
几个侧重于IEEE 802,16e&m的虚拟化方法。[99]中介绍了一个虚拟网络流量成型器以确保空时公平性，[87]中也为WiMaX（802.16e）系统考虑了这点。[100]提出一个虚拟基站架构，[101]为WiMAX网络研究了虚拟化底层。[100]基于空时公平指标，提出一个加权公平共享算法，以增强多切片（分配给虚拟基站）的公平性。
这里我们将网络虚拟化底层（NVS）[12][101]作为展示WiMax虚拟化的例子。NVS可以看作不仅仅是wiMax的虚拟化解，也是其它蜂窝网络的。NVS，由两个主要调度器组成：‘切片调度器’和‘流调度器’），在网络的MAC层运行，工作在MAC帧粒度上。为了使独立性成立，‘已经证实的最优’切片调度器允许两类切片同时预约，这两类切片分别是基于带宽（意味着一定的数据速率）和基于资源的（意味着一定数目的频谱或时隙）。对每一帧，切片调度器基于最大化MNO利用率的准则来选择切片。通过MNO和SP之间已经协议的利用率函数来计算利用率，这样它能最大化基站收益，同时满足个体切片需求。
切片选择后，‘流调度器’将在选择的切片中选择一个流，以确保每个切片能使用自定义流调度策略。换句话说，通过建造一个通用流调度框架，NVS允许每个切片决定序号，按照序号，在下行方向上发送分组，在上行方向上分配资源时隙。在此框架有3个模式：调度器选择、模式规范、虚拟时间标记。‘调度器选择’或‘模型规范’都能提供自定义流调度。在‘虚拟时间标记’中，流级反馈通过NVS传送到一个切片，NVS允许每个切片配置其自身流调度器。每个到达每流队列的分组将通过单调增加的虚拟时间来标记。NVS能从切片的流队列的头部，基于此虚拟时间来选择分组。
虽然NVS能为WiMax虚拟化提供一个有效的机制，但是WiMax虚拟化还需要更深入的研究。首先，NVS需要基于当前WiMax系统的MA层进行很大调整。其次，在NVS中不考虑网络层虚拟化。第三，在NVS中全虚拟化（如全灵活性、自定义、可编程性）仍然不可用。
[43]继续NVS的研究，基于NVS提出一个新的系统，称为CellSlice。首先，CellSlice克服了配置障碍，通过将切片调度器移到网关，在NVS内基站内修改MAC调度器。而且，因为CellSlice动态适应流成形（流量整形）的参数，它的好处如下：1)能同时满足独立性和分片需求；2）一个分片内的流（动态到达和离开）能体验到资源的公平分配；3）可以获得资源的最大化。
和每OFDM帧的基础上调度分片不同[12][101]，[102]提出在每子载波基础上调度分片，这比在OFDM帧上更进一步。而且，此方案的一个有趣特性是，MNO不用分割所有无线网络并分配给MVNO，而仅仅分割一部分任何租借给MVNO。这样，作者提出一个分片分配方案，用以‘给/从’本地MNO的用户和外地虚拟网络（MVNO）用户将帧分离。本文描述一个典型的二进制整数可编程问题，其中最优化目标是：分配子载波以满足切片中所有流的需求，且尽可能占用少的子载波。除了[102]中子载波分配问题，[103]中研究了功率分配。为了解决此更复杂的问题，提出了多步骤动态最优化方法，使用二进制整数编程来获得子载波分配，使用非线性编程获得功率分配。
E．异构无线网络中无线网络虚拟化
有几篇关于异构无线网络的虚拟化研究，如[68][104][105]。[104]中提出一个感知虚拟化平台，称为AMPHIBIA。AMPHIBIA支持在有线和异构无线网络上的协作资源管理，其中实现了有线和无线网络上的端到端切片。而且，AMPHIBIA可以虚拟化一个感知基站，基站含全感知无线功能。[105]提出一个自适应虚拟网络无线资源分配（VRRA, virtual network radio resource allocation）机制。VRRA算法在一个初始化分配后，管理自适应无线资源分配，且为了满足异构虚拟基站的最小容量请求，复杂动态重分配资源。VRRA算法依据数据速率、延迟、差错速率，基于虚拟网络需求。使用OpenFlow的概念，[68]在异构综合蜂窝网络，包括异构接入技术，中实现了虚拟化。
F．其它
在此节，介绍一些不指定特定无线接入技术的方法。[74][106][115]为虚拟网络或分片使用博弈论来分配资源。在[115]中，建立了基于非协作博弈模型的带宽（容量）分配方案，提出了迭代算法来解决带宽分配问题，以发现纳什均衡。而且，因为[115]中直接用带宽描述无线资源，所以在[115]中没有考虑容量和无线资源的关系。在[74][106]中，作者虚拟化无线网络，抽象无线网络资源成‘速率区域（rate region）’，以速率组来计算，可以由任何频谱分配获得。然后，提出一个机制，其中由SP对网络资源顺序出价。因为在此机制中，考虑了动态环境和需求，连续拍卖建模成一个随机博弈。通过解决此随机博弈模型的纳什均衡解，可以获得有效速率（rate）分配。
为了处理无线虚拟化的在线请求，且动态嵌入虚拟网络，[107]中使用一个有趣方法，称为类似卡诺图（Karnaugh-map）的在线嵌入算法。[108]中，提出一个空时结合资源分配算法，为无线实验网络确保独立性和资源利用率的改善。在此算法中，通过最喜欢调度时隙来获得最大化资源利用率。[109][110]提出一个新的架构，其中一个网络为用户，基于用户上下文（上下文可以指安全性、移动性，或业务需求）需求，被分割成几个私有接入自适应虚拟网络。类似的用户按照它们的上下文被分组、关联到虚拟网络。
VII. 挑战和广阔前景
尽管无线网络虚拟化具潜在的远景，在广泛配置无线网络虚拟化之前，仍然有许多重大研究的挑战需要解决。在此节，我们描述一些这样的挑战。同样也描述更广阔的前景。
A．无线网络虚拟化挑战
1）独立性：它是虚拟化中的基本课题，能在不同实体之间实现资源的抽象和共享。任一虚拟网络中任何配置、自定义、拓扑的改变，都不会影响、干扰其它共存的实体。虽然在有线网络中独立性是相对简单的，但是在无线网络中，独立性是具有挑战的。与有线网络不同，那里可以在一个硬件（如端口和链路）基础上，进行带宽资源抽象和分离；由于无线通信的内在传播特性和无线信道质量的随机波动性，无线资源的抽象和分离不是那么直接的。例如，在无线网络，尤其是蜂窝网络，一个小区内的任何变化可能引起对邻近小区的高干扰[53]。而且，在具有不同小区尺寸的无线网络中，有2种小区间干扰源。当一个宏基站覆盖面积与小型基站覆盖面积重叠引起跨层干扰时，会造成第一种干扰源[116]。当小型基站覆盖区域彼此引起共层干扰，部分重叠，出现了第二种干扰源。而且，独立性应该在不同等级（如流级、子信道或时隙级，或硬件级（天线和信号处理器））实现[12]。另外，终端用户的移动性可能造成特定区域的不稳定性。所以，与有线相比，无线网络中的独立性变得更加困难和复杂。
2）控制信令：在SP和InP之间，在创立一个虚拟网络前，需要确立连接性（连通性）。有了此连通性，SP能表达它们关于资源的需求，来服务终端用户。另外，因为InP之间能发生虚拟化，所以能表达InP之间清晰的共享信息的标准语言，就变得很必要。而且，还需要SP和终端用户之间的通信。这就引入了一个环，其中网络连通性是其自身的前提[37]。于是，考虑延迟和可靠性的合适的控制信令和接口需要小心设计，来实现涉及无线网络虚拟化的不同实体之间的通信。由于无线网络的特定特性，SP或终端用户困难需要不同的QoS属性。与功能服务特性相比，考虑QoS属性的规范的协议更少。所以，控制信令和接口应该和不同类的需求兼容。而且，因为可能使用各种无线接入技术（如IEEE 802.11,蜂窝，IEEE 802.16），控制信令和接口应该能在不同无线接入技术之间自适应。而且，需要一个引导能力，因为分配给SP的虚拟化资源的自定义性。应该通过标准方法，发展适合SP的网络元素的可编程性[117]。标准化控制信令和接口是成功无线网络虚拟化的关键。
为了提供能解决这些问题的控制信令，需要一个带外机制或另外一个网络。在无线网络中，如果不存在带外机制，最起码资源（如频谱）的一部分要用来实现控制信令。但是，与有线信令网络不同，由于无线信道的不稳定性和频谱的稀缺性，必须仔细考虑信令的符合和延迟。而且，在设计控制信令时，灵活性和复杂度的折衷也是另一个重要课题。
3）资源发现和分配：为了实现无线网络虚拟化，InP或MVNO应该在底层物理无线网络，发现可用的主动和被动资源。InP需要决定用作虚拟化的物理资源，这意味着InP可能保留一些资源为自己使用。因为资源可以在多个InP之间共享，所以应该适当设计有效协作的机制。并且在协作机制中必须包含一些通信协议。而且，为了发现MVNO中的可用资源，在InP和MVNO之间必须使用另一个精心设计的通信协议。在资源发现中命名和寻址也是重要的课题，因为VMNO识别物理节点和链路的过程需要它们初始化。一个MVNO可以从多个InP来组合资源，终端用户也可以同时链接到多个虚拟网络[6]。所以，为了物理元素和虚拟元素的一致性，必须有一个全局的命名和寻址机制。
资源分配是另一个无线网络虚拟化的重要挑战。资源分配方案需要决定如何将一个虚拟无线网络在物理网络上嵌入（如，应该选哪一个节点、链路、资源，最优化什么[13]）。如[5]中定义，网络虚拟化环境中的资源分配指的是在物理节点和路径上分别静态或动态的分配虚拟节点和链路。[118]中指出，嵌入虚拟网络，在资源或需求的限制下，可以简化为一个NP－hard 最优化问题。在[10]中，概述了虚拟网络嵌入。而且，和有线网络不同，无线网络虚拟化中的资源分配变得更加复杂，这是因为无线信道的变化性、用户移动性、频率复用、功率控制、干扰、覆盖、漫游等。而且，因为无线环境中上行链路和下行链路的特性可能是不一样的，而且两个方向上的流量不是对称的，资源分配应该为上行和下行情况都考虑到。
资源分配的另一个课题是接入控制。接入控制的目标是，通过控制来话用户的接入，最大化利用率(收益)，同时确保现存用户的QoS。随着无线网络虚拟化，有2种接入控制：为终端用户的传统无线接入控制，为SP的接入。在为SP的接入控制中，VMNO必须传送准确的估计，确保给SP分配的虚拟资源不超过底层物理网络的容量。这在无线环境中很复杂，因为在一个特定地理区域内，终端用户数目和它们的流量动态改变，在此区域造成不可预计的聚合吞吐量。
在资源发现和分配中，需要仔细设计时间粒度（即，应该多久执行资源发现和分配？）[13]。如果时间间隔太小，负荷和信令的成本可能会大大提高。不过，长的时间间隔可能会导致降级到传统网络的静态架构。
4）移动性管理：移动性管理是无线网络中的一个重要课题，它确保将新的通信传送给用户、当用户自由独立移动时，以最小的中断维持在进行的通信[119]。移动性管理中有2个成分：定位管理和切换管理。定位管理使网络通过跟踪用户的位置，实现与用户的通信传输。切换管理：当用户链接到网络的点从一个接入点（或基站）移动到另外一个，切换管理通过保持用户链接来维持服务。随着无线网络虚拟化，跟踪一个用户的位置是具有挑战的，因为它可能和不同的VMNO或InP执行位置更新。一个集中式的位置管理可以解决此问题。但是，在集中管理中将引入延迟，于是进一步研究了一些分布式机制。另外，因为一个正在通信的用户可能在多个VMNO或InP之间切换，切换管理问题会比传统无线网络更加复杂。当一个用户在多个VMNO或InP之间切换时，为了维持业务连续性，不同网络之间适当的同步机制是必须的。
5）网络管理：网络管理经常是对运营商的大挑战。为了确保对物理设备、虚拟物理支持的主虚拟无线网络和无线业务的正确操作，无线网络虚拟化的管理是很关键的。因为一个（虚拟）网络可以跨越在多个底层物理网络上，所以网络管理和运营面临新的挑战。另外，一个SP可以动态改变资源请求以适应用户变化。从而，为了适应SP请求的变化，网络管理系统需要提供一定弹性。而且，来自多个设备的信息，来自参与实体的不同管理机制需要被汇聚，以避免冲突。因为底层物理网络可以由异构网络（如WLAN，宏小区，微小区，中继，甚至M2M网络）形成，其中每个网络具有唯一的和特殊的特性，所以虚拟化无线网络的规定、操作、维持需要一些特定的解决方法和机制。
6）安全性：无线网络虚拟化的广泛使用的假定是，各方总是值得信赖的。然而，这种假定可能不正确，因为有大量智能设备/节点，它们在无线网络虚拟化中具有自我适应/上下文感知功能。尤其是，一个危及安全的一方可以利用虚拟化机制，恶意的胡作非为。因此，除了传统无线网络的缺点和威胁，无线网络的智能性也提出了新的安全挑战。对许多安全课题，鉴定是一个重要的需求，它对完整性、机密性、抗抵赖性都很关键[120]。另外，传统有线和无线网络的安全性上的经验，指出多级保护的重要性，因为系统中总是有一些弱点，不管用什么基于预防的方法（如鉴权）。对无线网络虚拟化尤其是这样，考虑到移动设备的物理安全自治功能低。为了解决此问题，基于检测（探测）的方法（如侵扰检测系统（IDS，intrusion detection systems），用作第二道防护墙，可以有效帮助鉴别恶意行为。基于预防的方法和基于检测的方法都需要为无线网络虚拟化仔细研究。
B．广阔前景
因为无线网络虚拟化还处在起步阶段，所以许多其它的技术可以影响无线网络虚拟化的发展。同时，无线网络虚拟化也同样可以影响这些技术。这里，我们简单讨论这些技术。
感知无线电[54]是一种使能技术，允许感知用户（即未许可用户或次要用户）在分配给许可用户（即主要用户）的频谱的空闲部分进行操作。感知无线电作为一个有前景的技术而广泛关注，用来处理由当前不灵活的频谱分配策略引起的频谱短缺问题。它能感知其无线环境，按照感知成果自适应选择发送参数，可以改善感知无线电系统性能，避免和主要用户的干扰[121]。最近在感知无线电上的广泛研究也开发了很多技术，以在不同情形下，不同无线系统之间，允许频谱共享[122-129]。在蜂窝网络中已经考虑了感知无线电系统，包括扩展LTE频谱[130]，资源管理[131]，分层异构网络[132-134]，下一代蜂窝网络[135-136]。因为具有动态频谱共享的感知无线电的使用，可以看作是一类无线频谱虚拟化，所以在无线网络虚拟化中使用感知无线电技术是很自然的。但是，如上所述，无线网络虚拟化是一个比感知无线电更广泛的概念。
另外一个依据容量和能量效率改进网络性能的有前景的技术是，使用一个含微小区的多层或分层结构[121][137][138]。此结构描述一个新的无线网络范例，思想是配置短射程、低功率、低成本基站，基站与宏小区相结合操作。在此范例中，有异构小区类型，如宏、微、皮、毫微微小区；还有无线中继，和分布式天线。在一个异构无线蜂窝网络中，大小区提供无处不在的覆盖和移动性支撑，而小点的网络元素使链接更靠近用户，这样增加了数据速率，减少了能量消耗。异构网络的成功配置的一个主要挑战是，在小区之间的资源管理。尤其是，因为所有小区在同样频带上操作（即频率复用因子是1），当微小区数目增加时，小区之间干扰成为一个关键问题。因此，开发高效和有效的网络资源管理方案是基本的问题。这种方案应该需要小区之间低协作性，因为协作性会引入信令负荷、复杂度、可扩展性问题。另外，因为回程网络在容量上受限，所以用作集中式方案的系统动态信息可能会丢失或过时。因此，需要分布式网络资源管理方案。一方面，在此多层环境中，无线网络虚拟化变得复杂。另一方面，无线网络虚拟化中一些机制（如频谱和设备共享）可以促进异构无线蜂窝网络的配置。另外，异构无线网络需要一个收敛的、有力的网络管理机制，它可以通过无线网络虚拟化来提供。
云计算，作为一个新的信息技术范例，已经成为理论上和产业上都最热门的课题之一。云计算是一个实现对配置资源（如服务器、存储器、应用、服务等）的共享池的按需接入的模型。云计算的基本特性包括按需自我服务，广泛网络接入，资源池、快速弹性和测量服务[139]。云计算对无线网络虚拟化的设计和操作有深远影响。一方面，随着最近无线移动通信技术和设备的进步，越来越多的终端用户通过移动设备（如智能手机和写字板）接入云计算系统。将云计算集成到移动环境，可以实现移动云计算（MCC，mobile cloud computing），它作为一个有前景的移动技术范例，受到广泛关注，有巨大市场[140-143]。另一方面，云中强大的计算平台也能使（除了移动终端用户，还有）无线接入网络（RAN）受益，这导致一个新的概念，C-RAN[144-146]。和现存蜂窝网络不同，那里用作基带处理的计算资源位于每个小区站点，在C-RAN中，计算资源位于具有强大计算平台的中心无线网络云中。这种用作基带处理的从分布式向集中式设备转移，有很大好处：由于集中维护节约了运营支出；由于先进协作信令处理技术改善网络性能；通过利用负载变化降低能量支出[144][145]。云计算环境中的无线网络虚拟化可能是一个具有前景的研究方向。
VIII.结束语
本文描述无线网络虚拟化，它正成为一个重要概念，能实现设备和无线频谱资源的抽象和共享，降低无线网络配置和操作的开销，简化新业务和产品的移植和灵活性管理。以一个网络虚拟化的概述展开讨论。这里，我们描述网络虚拟化的简单历史和当前项目，侧重SDN和OpenFlow。然后我们讨论无线虚拟化的动机。尤其是，我们以不同角色描述商业模型，以及这些角色在无线网络市场中的功能。接下来，我们讨论无线网络虚拟化的框架，其中四个主要成分是，无线频谱资源，无线网络设备，无线虚拟资源，无线虚拟化控制器。然后讨论一些性能指标，能用来比较不同结构、虚拟化机制、资源分配算法、管理系统、自定义灵活性、能量节约、接口等。接着，按照不同无线接入技术，讨论一些无线网络虚拟化的实现（使能）技术。我们也讨论在无线网络虚拟化中的一些重大研究挑战，包括独立性、控制信令、资源发现和分配、移动性管理、网络管理、安全性。最后，我们探索一些更广泛的视角，如感知无线电 和网络，分层蜂窝网络，云计算。
总之，无线网络虚拟化的研究很广，多项研究课题和挑战摆在面前。然而，为了采用这些技术，无线团体支持迅速解决这些挑战。此外致力于简要开发与无线网络虚拟化相关的当前技术，讨论未来的研究，追求此愿景可能是有益的。