大數(shù)據(jù)驅(qū)動的無線網(wǎng)絡(luò)資源管理及控制

劉媛妮 趙國鋒

摘要：認(rèn)為將大數(shù)據(jù)技術(shù)融入到無線網(wǎng)絡(luò)資源管理中，有利于統(tǒng)籌分析大范圍、多應(yīng)用之間以及應(yīng)用內(nèi)部的無線資源需求，使無線網(wǎng)絡(luò)資源管理變得更加靈活、便捷、高效。提出大數(shù)據(jù)驅(qū)動的無線網(wǎng)絡(luò)資源管理及控制框架：首先利用移動群智感知（MCS）技術(shù)方法進行無線網(wǎng)絡(luò)全域范圍內(nèi)資源信息的收集；其次利用數(shù)據(jù)虛擬化方法技術(shù)，構(gòu)建全網(wǎng)的無線資源統(tǒng)一視圖并提供不同粒度及角度的數(shù)據(jù)服務(wù)；最后利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）思想方式，研究面向應(yīng)用全生命周期的無線資源管理控制機制，實現(xiàn)對應(yīng)用的個性化資源管理與控制。

關(guān)鍵詞： 無線網(wǎng)絡(luò)；大數(shù)據(jù)；移動群智感知；數(shù)據(jù)虛擬化；網(wǎng)絡(luò)資源管理

Abstract： It is believed that the integration of big data technology into wireless network resource management will facilitate the co-ordination analysis of wireless resource requirements in a wide range of multiple applications and the internal of applications， making wireless network resource management more flexible， convenient and efficient. In this paper， a big data-driven wireless network resource management and control framework is proposed. First， mobile crowd sensing （MCS） technology is used to collect the whole-scale wireless network resource information. Second， data virtualization （DV） is used to build a unified wireless resource view， and to provide data services with different granularities and angles. Finally， in order to realize the personalized resource management and control of applications， the software defined network （SDN） method is used in the radio resource management control mechanism oriented to the whole application life cycle.

Key words： wireless network； big data； mobile crowd sensing； data virtualization； network resource management

1 無線網(wǎng)絡(luò)資源管理面臨 的問題

為了保證構(gòu)建于無線網(wǎng)絡(luò)之上的各種應(yīng)用能夠給用戶帶來較好的用戶感知體驗，研究者利用動態(tài)頻譜接入、無線覆蓋測量、信道估計等技術(shù)來對頻譜資源進行管理和規(guī)劃，提高無線資源的利用率。然而，隨著無線移動通信技術(shù)的快速發(fā)展，人們對無線頻譜資源日益增加的需求，造成了無線頻譜擁塞。為此，需要構(gòu)建面向全域的無線網(wǎng)絡(luò)資源管理池，通過對無線網(wǎng)絡(luò)資源信息的數(shù)據(jù)收集、分析，實現(xiàn)對資源的統(tǒng)一管理和控制。然而，現(xiàn)有的技術(shù)在應(yīng)對上述任務(wù)時主要面臨以下3方面的問題：

首先，泛在化的數(shù)據(jù)急劇增長，增加了數(shù)據(jù)收集的范圍及復(fù)雜度。傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集[1-2]涉及到的方法有人工路測、專門的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建等。這些方法在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)一定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)收集，但也有自身的局限性：如人工路測方法通常會導(dǎo)致數(shù)據(jù)收集成本較高，并且通過該方式收集的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境數(shù)據(jù)存在盲區(qū)[3]，且靈活性較差；而構(gòu)建專門的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要在無線網(wǎng)絡(luò)全域范圍內(nèi)部署大量的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，增加了數(shù)據(jù)收集及網(wǎng)絡(luò)維護的成本。

其次，多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)特性為數(shù)據(jù)的分析管理帶來新的挑戰(zhàn)。現(xiàn)有大部分的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)往往面向單一的上層應(yīng)用，多應(yīng)用之間無法實現(xiàn)某些相同底層數(shù)據(jù)的復(fù)用，造成數(shù)據(jù)的重復(fù)收集、分析及浪費。即便是面向多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)倉庫在構(gòu)建全域的無線網(wǎng)絡(luò)資源池的需求下也變得捉襟見肘，不具有可持續(xù)性：數(shù)據(jù)源的數(shù)量太過多樣化，使得數(shù)據(jù)在可用性、質(zhì)量和格式方面的差異太大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)倉庫需要不斷地進行完整的數(shù)據(jù)提取、轉(zhuǎn)換、加載等操作；另一方面，網(wǎng)絡(luò)管理及控制的需求逐漸加快，日趨專業(yè)化，難以為每個需求開發(fā)定制專門的提取、轉(zhuǎn)換、加載流程。

最后，無線網(wǎng)絡(luò)資源的管理及控制主要表現(xiàn)為單向的管理及優(yōu)化，更多的是從網(wǎng)絡(luò)側(cè)的角度考慮資源的分配及控制，無法針對具體應(yīng)用從用戶的感知體驗考慮用戶的需求變化對資源變化的需求。即大部分的網(wǎng)絡(luò)管理及控制策略考慮網(wǎng)絡(luò)側(cè)資源的使用情況，較少考慮用戶側(cè)應(yīng)用需求變化導(dǎo)致的資源變化，缺乏相應(yīng)的反饋機制

面對這些挑戰(zhàn)，解決的關(guān)鍵是如何實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境全局信息數(shù)據(jù)的收集，構(gòu)建統(tǒng)一的無線網(wǎng)絡(luò)資源管理框架，實現(xiàn)面向無線網(wǎng)絡(luò)全域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)搜集、分析以及面向應(yīng)用的資源管理及控制。在對泛在的、多源、異構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)的互通共享、融合分析，并針對無線網(wǎng)絡(luò)上層應(yīng)用中面臨的需求，為上層應(yīng)用提供動態(tài)、按需、自動化的數(shù)據(jù)存儲、處理、分析、可視化等服務(wù)，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)驅(qū)動的無線網(wǎng)絡(luò)資源管理及控制。

2 大數(shù)據(jù)驅(qū)動的無線網(wǎng)絡(luò) 資源管理及控制的內(nèi)涵 及挑戰(zhàn)

大數(shù)據(jù)驅(qū)動的無線網(wǎng)絡(luò)資源管理及控制，就是在實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)全域內(nèi)數(shù)據(jù)收集的基礎(chǔ)上，將無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行融合分析、互通共享，構(gòu)建統(tǒng)一的無線網(wǎng)絡(luò)資源池，這些資源包括頻率、時間、功率、編碼、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、資源等，并以數(shù)據(jù)服務(wù)的形式向上層應(yīng)用提供查詢、分配等功能。其次，對構(gòu)建在無線網(wǎng)絡(luò)之上各種應(yīng)用的資源使用情況（如反映用戶感知體驗指標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)）進行收集及反饋，從而使不同類型、不同需求的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)在兼顧整體資源分配的前提下能夠獲得按需服務(wù)，最大化無線資源使用效率。

如圖1所示，這種大數(shù)據(jù)驅(qū)動的無線網(wǎng)絡(luò)資源管理及控制主要涉及以下3方面的關(guān)鍵技術(shù)：

（1）泛在、靈活的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集方法，即構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一資源管理池需要收集的信息包括網(wǎng)絡(luò)側(cè)及用戶側(cè)兩方面的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)側(cè)的數(shù)據(jù)包括能夠反映無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、資源、性能、狀態(tài)、拓?fù)錁I(yè)務(wù)/內(nèi)容等多個方面。用戶側(cè)數(shù)據(jù)則是直接能夠反映用戶業(yè)務(wù)感知體驗的數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)視頻業(yè)務(wù)瀏覽過程中能夠反映用戶感知體驗的首包時延、卡頓次數(shù)、平均下載時間等。

（2）面向多源、異構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的管理機制，即構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)全局資源的統(tǒng)一視圖，需要屏蔽各個數(shù)據(jù)源的差別，使用戶能夠通過統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)請求訪問這些資源數(shù)據(jù)而無需關(guān)注各個數(shù)據(jù)源的具體結(jié)構(gòu)。另一方面，底層數(shù)據(jù)提供者對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)格式等方面的改變，都不會對數(shù)據(jù)使用者產(chǎn)生影響。這就使上層的數(shù)據(jù)使用者不需要親自執(zhí)行查詢、訪問并聚合多個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)即可得到自己想要的信息。為實現(xiàn)大數(shù)據(jù)驅(qū)動的無線資源管理，需要至少具備兩個功能：能夠根據(jù)本地數(shù)據(jù)源的“特性和能力”主動對外發(fā)布相關(guān)的數(shù)據(jù)服務(wù)；當(dāng)外界的數(shù)據(jù)消費者請求相關(guān)的數(shù)據(jù)服務(wù)時，數(shù)據(jù)管理層能夠根據(jù)請求提取相關(guān)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)外界數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進行一定的規(guī)范變換，然后提交給外界的請求對象。

（3）面向應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)資源管理及控制，即面向應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)資源管理及控制不僅針對無線網(wǎng)絡(luò)上的各種應(yīng)用進行資源的統(tǒng)一管理及分配，而且需要根據(jù)業(yè)務(wù)對資源的動態(tài)需求情況，實現(xiàn)面向應(yīng)用的個性化、動態(tài)資源管理。也就是說，該層面一方面應(yīng)該能夠掌控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境全局的資源，兼顧各種應(yīng)用對資源的需求并實現(xiàn)資源的統(tǒng)籌分配；另一方面需要針對每一個特定的應(yīng)用，構(gòu)建對應(yīng)的資源管理及控制模塊，對單個應(yīng)用的資源使用情況進行實施監(jiān)測控制，并根據(jù)應(yīng)用對資源的實際需求情況實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整。

3 大數(shù)據(jù)驅(qū)動的無線網(wǎng)絡(luò) 資源管理及控制系統(tǒng)的 參考框架

為了滿足上述的要求，本文提出了基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動的無線網(wǎng)絡(luò)資源管理及控制框架（如圖2所示），自底向上分別是基于移動群智感知[4]的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集層，基于數(shù)據(jù)虛擬化的無線網(wǎng)絡(luò)管理及分析層[5]，面向應(yīng)用全生命周期的無線網(wǎng)絡(luò)資源管理、控制層，最上層為構(gòu)建于無線網(wǎng)絡(luò)之上的各種應(yīng)用。基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動的無線網(wǎng)絡(luò)管理及控制首先在數(shù)據(jù)收集層利用移動群智感知的方法實現(xiàn)大規(guī)模、多樣化的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集，其次利用數(shù)據(jù)虛擬化的方法構(gòu)建多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一視圖，并將資源以數(shù)據(jù)服務(wù)的形式向外發(fā)布，網(wǎng)絡(luò)資源管理及控制層面利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的思想方式實現(xiàn)對上層應(yīng)用的資源使用情況的個性化管控及反饋。下面我們將對各個層面進行詳細(xì)闡述。

3.1 基于移動群智感知的無線網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)收集

移動群智感知是指利用普通用戶的移動設(shè)備作為基本的感知單元，通過移動互聯(lián)網(wǎng)進行有意識或無意識的協(xié)作，實現(xiàn)感知任務(wù)分發(fā)以及感知數(shù)據(jù)收集，完成大規(guī)模的、復(fù)雜的社會感知活動。移動群智感知作為一種新型的、“以人為中心”的感知模式對未來的普適計算有重要的意義。利用移動群智感知技術(shù)進行無線數(shù)據(jù)收集的優(yōu)勢在于：節(jié)點的移動性、泛在性以及能夠通過多種方式（GSM、3G、4G、Wi-Fi等）連接到云端對數(shù)據(jù)進行存儲、計算、集中化的特性。利用移動群智感知的方法進行無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境數(shù)據(jù)的收集，一方面有效利用了移動端碎片化的計算、存儲資源，另一方面大大降低了構(gòu)建數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的費用。

移動群智感知的生命周期[6]可劃分感知任務(wù)的發(fā)布、感知用戶招募、用戶感知活動的進行以及感知數(shù)據(jù)上報4個階段。因此，在該層面主要涉及以下相關(guān)問題：（1）如何對感知任務(wù)進行合理的粒度劃分，使得功能單一的感知設(shè)備之間能夠通過協(xié)作方式完成感知任務(wù)，最大化利用移動感知設(shè)備的碎片化資源；（2）如何在感知成本有限的情況下選擇能夠?qū)崿F(xiàn)最大化覆蓋的感知節(jié)點；（3）如何設(shè)置、如何構(gòu)建合理的激勵機制，提高用戶參與感知活動的積極性；（4）如何均衡感知數(shù)據(jù)的精度與感知數(shù)據(jù)數(shù)量之間的關(guān)系，在保證感知數(shù)據(jù)質(zhì)量的同時能夠控制感知數(shù)據(jù)收集的規(guī)模以減輕后續(xù)的存儲、計算、分析成本。

3.2 基于數(shù)據(jù)虛擬化的無線網(wǎng)絡(luò) 大數(shù)據(jù)管理及分析

數(shù)據(jù)虛擬化是一種虛擬化技術(shù)，對于來自多個異構(gòu)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)可以隱藏真實數(shù)據(jù)的復(fù)雜性。數(shù)據(jù)虛擬化通過為上層應(yīng)用程序提供一種透明的數(shù)據(jù)訪問機制，可以顯著地將應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)的復(fù)雜性分離。具體的方式是將每個“異構(gòu)數(shù)據(jù)獲取于處理描述包”封裝為一個數(shù)據(jù)服務(wù)單元，這樣就可以將局域網(wǎng)范圍內(nèi)的一個或者多個數(shù)據(jù)源，抽象為一組數(shù)據(jù)服務(wù)單元。其中每個數(shù)據(jù)服務(wù)單元相當(dāng)于正對數(shù)據(jù)源的一個預(yù)處理查詢，不僅可以被執(zhí)行，而且可以被發(fā)布。使用數(shù)據(jù)虛擬化對數(shù)據(jù)進行管理，可以使數(shù)據(jù)模型的邏輯從數(shù)據(jù)的物理位置和源格式的細(xì)節(jié)中抽象出來。這意味著：使用數(shù)據(jù)的上層應(yīng)用和用戶不需要知道數(shù)據(jù)的物理存儲方式和位置，使用底層的數(shù)據(jù)處理就可以在任何時候選擇合并、移動、轉(zhuǎn)換或存儲數(shù)據(jù)，而不會對上游數(shù)據(jù)的工具和用戶產(chǎn)生任何影響。這樣避免數(shù)據(jù)的重復(fù)收集，有效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)復(fù)用。

通過數(shù)據(jù)虛擬化技術(shù)提供統(tǒng)一的無線網(wǎng)絡(luò)資源視圖，將底層數(shù)據(jù)能夠提供的功能以服務(wù)的形式進行定義、注冊、權(quán)限管理等，從而實現(xiàn)對底層數(shù)據(jù)功能的模塊化，以及針對上層控制層面觸發(fā)的復(fù)雜事件進行數(shù)據(jù)服務(wù)組合的功能。根據(jù)數(shù)據(jù)虛擬化對數(shù)據(jù)的處理流程，可將數(shù)據(jù)虛擬化層面自底向上分解為數(shù)據(jù)映射層、元數(shù)據(jù)組織層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、查詢響應(yīng)層。在該層面需要考慮的問題主要包括：（1）數(shù)據(jù)虛擬化層面的實施方案，即以何種架構(gòu)形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)虛擬化架構(gòu)；（2）如何建立原始數(shù)據(jù)、映射表、封裝表之間的關(guān)系，保證數(shù)據(jù)源向虛擬表格之間的正確映射；（3）如何實現(xiàn)元數(shù)據(jù)的抽取，并建立結(jié)構(gòu)合理的元數(shù)據(jù)組織模型，實現(xiàn)元數(shù)據(jù)的高效存儲，提高數(shù)據(jù)索引的效率；（4）如何創(chuàng)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù)模塊，實現(xiàn)對元數(shù)據(jù)的調(diào)用；（5）如何制定最佳的查詢處理策略，提高查詢的效率等。

3.3 面向應(yīng)用全生命周期的無線 網(wǎng)絡(luò)資源管理及控制

傳統(tǒng)面向應(yīng)用的無線資源分析直接對數(shù)據(jù)進行“調(diào)用、分析、計算”的模式，難以區(qū)分不同用戶（數(shù)據(jù)使用者、數(shù)據(jù)提供者）的權(quán)限，無法在保證數(shù)據(jù)隱私的同時擴大數(shù)據(jù)的使用范圍。研究面向應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)資源管理及控制機制，根據(jù)底層的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，構(gòu)建相應(yīng)的資源管理策略，并以SDN控制的方式實現(xiàn)對無線應(yīng)用資源分析，并根據(jù)用戶側(cè)收集到的數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，實現(xiàn)對無線資源的動態(tài)反饋及調(diào)整。

面向應(yīng)用全生命周期的無線網(wǎng)絡(luò)資源管理及控制層面需要重點研究的內(nèi)容包括：（1）如何定義無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中各種應(yīng)用的事件流，并建立復(fù)雜事件與底層數(shù)據(jù)服務(wù)的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)面向應(yīng)用的無線資源數(shù)據(jù)分析的功能；（2）如何構(gòu)建基于軟件定義的、面向應(yīng)用的無線資源控制機制，通過調(diào)用基于數(shù)據(jù)虛擬化的無線資源分析模塊的結(jié)果制定對無線資源的宏觀統(tǒng)籌方案以及面向應(yīng)用的資源調(diào)整機制，并以軟件定義的方式實現(xiàn)對應(yīng)用的資源控制。

4 結(jié)束語

面對無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用不斷增多而導(dǎo)致的用戶對無線網(wǎng)絡(luò)感知體驗要求不斷增加的新形勢，需要實現(xiàn)面向應(yīng)用全生命周期的無向網(wǎng)絡(luò)資源管控，以提高無線網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，滿足用戶對體驗質(zhì)量（QoE）的需求。大數(shù)據(jù)驅(qū)動的無線網(wǎng)絡(luò)資源管理及控制從數(shù)據(jù)在應(yīng)用中流動的過程出發(fā)，通過對無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相關(guān)信息的收集、分析，制定資源管理分配策略，對無線應(yīng)用所需要的資源進行分配，并通過對當(dāng)前資源分配策略下用戶的感知體驗信息的收集、分析，進而反饋到資源管控層面，最終以SDN的方式實現(xiàn)面向應(yīng)用的個性化、動態(tài)化的資源管理及分配。另外，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，對網(wǎng)絡(luò)資源及用戶感知體驗的分析將會更具洞察力，應(yīng)用內(nèi)部業(yè)務(wù)流的定義及監(jiān)測控制也將會變得更加智能。可以預(yù)見：在不久的將來，這些技術(shù)將會更深入地被融入到無線網(wǎng)絡(luò)資源管控中，未來的無線網(wǎng)絡(luò)資源管理將會變得更加靈活、便捷、智能、高效。

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