本方案的目标有两个:一是利用无人机作为提供基础架构的计算实体,构建一个网络功能虚拟化环境,以执行虚拟化网络功能;二是利用该环境支持在空中飞行器上自动部署功能完整的互联网协议电话服务。
方法文章
* These authors contributed equally
本方案的目标有两个:一是利用无人机作为提供基础架构的计算实体,构建一个网络功能虚拟化环境,以执行虚拟化网络功能;二是利用该环境支持在空中飞行器上自动部署功能完整的互联网协议电话服务。
网络功能虚拟化(NFV)范式是推动第五代(5G)及未来通信网络发展的关键技术之一th 移动网络的演进。该技术旨在通过虚拟化技术,在抽象层上实现网络功能与服务的软件化,从而降低对硬件的依赖。在此背景下,人们日益关注探索无人机(UAV)的潜力,以提供一种灵活的平台,能够在特定地理区域内实现具有成本效益的网络功能虚拟化(NFV)操作。
为了验证在无人机(UAV)平台上应用网络功能虚拟化(NFV)技术的实际可行性,本文提出了一种基于开源技术构建功能性NFV环境的实验方案,该方案利用一组小型无人机提供计算资源,以支持中等复杂度网络服务的部署。随后,该方案详细描述了在相互连接的无人机网络上,利用已配置的NFV环境实现互联网协议(IP)语音电话服务自动化部署所需的各个步骤。实验结果表明,该服务在部署后能够正常运行。尽管本方案聚焦于特定类型的网络服务(即IP语音电话),但所述步骤可作为部署其他类型网络服务的通用指南。另一方面,本方案的描述基于具体的硬件设备和软件来构建NFV环境(例如特定的单板计算机和开源软件)。虽然使用其他硬件和软件平台也是可行的,但NFV环境的具体配置细节以及服务部署过程可能与本方案所述存在差异。
移动通信新时代(通常称为5th 移动通信技术或5G的目标是在主要通信基础设施可能无法使用的情况下(例如由于紧急情况)仍能提供可靠的信息化服务。在此背景下,无人机(UAVs)因其固有的多功能性而受到科研界日益增长的关注。已有大量研究将这些设备作为提供多种服务的核心支撑。例如,已有文献分析了这些设备构建空中通信基础设施以支持多媒体服务的能力1,2,3此外,先前的研究表明,多架无人机之间的协作能够扩展多种通信服务的功能,例如监控。4协作式搜救5,6,7,8,或农业综合企业9.
另一方面,网络功能虚拟化(NFV)技术作为5G的关键使能技术之一,在电信运营商中已获得重大意义。NFV通过将网络功能软件化,减轻了当前网络设备对专用硬件的依赖,从而实现了电信基础设施的范式变革,使得新型通信服务能够灵活、敏捷地部署。为此,欧洲电信标准协会(ETSI)成立了专门的规范组,以定义NFV的架构框架10。此外,ETSI目前还托管开源MANO(OSM)小组11,该小组负责开发符合ETSI NFV架构框架定义的NFV管理和编排(MANO)软件栈。
鉴于上述所有因素,目前研究人员正在探索无人机(UAV)与网络功能虚拟化(NFV)技术的协同融合,以开发新型网络应用与服务。文献中已有大量研究工作阐明了此类系统的优势14,15,16,指出了这种融合所面临的技术挑战及其尚不完善之处,强调了该领域未来的研究方向17,并提出了基于开源技术的开创性解决方案。
特别是,将网络功能虚拟化(NFV)技术集成到无人机(UAV)领域,能够实现网络服务和应用在特定地理区域(例如IP语音服务)内的快速且灵活部署。采用这一方法,可在特定位置部署多架无人机,以计算平台作为有效载荷(例如小型单板计算机)。这些计算平台将在部署区域内提供可编程的网络基础设施(即NFV基础设施),并在MANO平台的控制下支持网络服务和应用的实例化。
尽管存在上述优势,实现这一构想仍面临一系列需要妥善解决的根本性挑战,例如:如何将这些计算平台作为网络功能虚拟化(NFV)基础设施的一部分进行合理整合,并利用现有的NFV软件栈,使得NFV编排服务能够在无人机(UAV)上部署虚拟网络功能;计算平台所提供的计算资源受限的问题,因为运载这些平台的无人机在有效载荷设备的尺寸、重量和计算能力方面通常存在限制;虚拟网络功能在无人机上的合理部署(即选择最适合部署特定虚拟网络功能的无人机候选者);维持与无人机的控制通信,以便在与无人机的网络通信可能间歇性中断(例如由于移动性或电池限制)的情况下仍能管理虚拟网络功能(VNF)的生命周期;由于电池消耗导致无人机运行时间有限;以及当某架无人机因电量耗尽需要更换时,虚拟网络功能的迁移问题。这些优势与挑战在先前的研究18,19中已有详细阐述,相关研究包括设计一种能够支持在无人机平台上自动部署网络功能与服务的NFV系统,并验证该设计方案实际可行性的实验工作。
在此背景下,本文重点描述一种基于网络功能虚拟化(NFV)标准和开源技术,在无人机(UAV)网络上实现中等复杂度网络服务自动化部署的协议。为说明该协议的各个步骤,本文重新阐述了Nogales等人19所提出实验中的一个案例,即IP语音电话服务的部署。为便于本研究的可重复性,所呈现的流程中将实际飞行视为可选步骤,性能测试结果均通过地面状态的无人机设备获得。感兴趣的读者即使在受控的实验室环境中,也应能够复现并验证该协议的执行过程。
图1 展示了为本实验设计的网络服务。该网络服务由特定的软件化单元(在NFV范式中被归类为虚拟网络功能,即VNFs)组合构建而成,可为无人机(UAV)附近用户提供IP语音电话服务。构成该服务的VNF定义如下:
此外,图1 展示了实验所用的物理设备、设备之间的互连方式,以及虚拟网络功能(VNF)在设备上的具体分配情况。
1. Prior requisites for the experiment
2. Validating the functionality of the softwarization units via emulation
NOTE: To prove the appropriate operation of the network service of the experiment (see Figure 1) under realistic deployment conditions, a purpose-specific emulation platform based on Linux containers26 and ns-327 was used. This platform allows emulating multi-hop aerial links and defining the characteristics of those links (e.g., length of the wireless communication links, pattern of data packet losses, the radio technology used in the wireless communications, etc.). Thus, this section of the protocol describes the steps to be followed to verify the appropriate operation of the IP telephony service under realistic wireless communication link conditions through the emulation platform.
3. UAVs cloud platform construction
4. Configuring the experiment
5. Executing the experiment
6. Procedure to gather experimental results
根据实验执行过程中获取的数据,在实际 VoIP 通话中按照协议指示的步骤收集这些信息后,图2展示了在两个终端用户设备(即一台普通笔记本电脑和一部IP电话)之间测得的端到端延迟的累积分布函数。这些用户设备通过已部署网络服务中的AP虚拟网络功能(VNF)相互连接。超过80%的端到端延迟测量值低于60 ms,且没有任何测量值超过150 ms,这保证了语音通话执行时具备合适的延迟指标。
图3展示了DNS和SIP信令消息的交换过程。这些消息对应于IP电话服务器中一个用户的注册(即其IP电话连接到运行“tcpdump”工具的AP VNF上的用户)以及语音呼叫的建立过程。
最后,图4 和 图5 展示了通话期间捕获的数据流量。具体而言,前者表示通话期间由其中一部无线电话发送和接收的语音数据包的稳定流,而后者则显示前向方向的抖动,其平均值低于 1 ms。
实验中获得的延迟数据(端到端延迟和抖动)满足国际电信联盟电信标准化部门(ITU-T)35 所规定的建议值。因此,语音通话过程无异常,音质良好。本实验验证了利用网络功能虚拟化(NFV)技术和无人机(UAV)部署功能性IP语音服务的实际可行性。

图1:网络服务概览,展示了虚拟化网络功能(VNF)、其执行所依赖的实体,以及提供IP语音服务所需的虚拟网络。 请点击此处查看此图的放大版本。

图 2:端到端延迟。 表示连接至 AP VNF 的终端用户设备所经历的端到端延迟。为此,基于使用“ping”命令行工具测得的 RTT 样本数据,计算了端到端延迟的累积分布函数。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 3:用户注册与呼叫信令消息。 图示在 IP 电话服务器中注册用户以及建立和终止支持语音呼叫执行的多媒体会话过程中交换的信令流量(DNS 和 SIP)。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4:语音数据包流。 通话期间在其中一个 AP VNF 上测得的语音流量示意图。(缩写:RX = 接收,TX = 发送,RTP = 实时传输协议)。请点击此处查看此图的放大版本。

图 5:通话期间网络抖动的变化情况。 显示语音数据包从一部电话向另一部电话单向传输过程中所经历的抖动情况。请点击此处查看该图的放大版本。
本实验最重要的方面之一是将虚拟化技术和网络功能虚拟化(NFV)标准与无人机(UAV)平台结合使用。NFV 提出了一种新范式,旨在解除网络功能对硬件的依赖性,从而通过软件化方式提供这些功能。因此,本实验不依赖于协议中指定的硬件设备。只要单板计算机的尺寸和承载能力与无人机相匹配,并支持 Linux 容器,即可选用不同型号的单板计算机。
尽管在硬件选择上具有灵活性,但为确保实验可重复性所提供的所有内容均以使用开源技术为导向。在此背景下,配置方面和软件工具均以采用 Linux 作为操作系统为前提条件。
另一方面,该实验考虑了两种不同计算平台(即无人机云平台与核心云平台)之间的协同操作,以提供一种中等复杂度的网络服务。然而,这种双平台协作并非严格必需,本协议也可用于仅涉及无人机云平台的场景。
此外,所提出的解决方案还可能适用于其他环境,例如在资源受限的硬件平台上具备执行虚拟化容器所需能力的场景(如物联网,即 IoT 环境)。无论何种情况,该解决方案在不同环境中的适用性及其潜在的适应性调整,均需针对具体案例进行逐一深入研究。
最后需要指出的是,本文所呈现的结果均在实验室环境中获得,且无人机设备处于接地状态或遵循有限且明确定义的飞行计划。其他涉及室外部署的场景可能会引入影响无人机飞行稳定性的条件,从而影响IP语音服务的性能。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作部分得到了欧洲H2020 5GRANGE项目(资助协议编号777137)以及西班牙经济与竞争力部资助的5GCIty项目(TEC2016-76795-C6-3-R)的支持。Luis F. Gonzalez的工作部分得到了欧洲H2020 5GinFIRE项目(资助协议编号732497)的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| AR. Drone 2.0 - 精英版 | 鹦鹉 | 用于实验的无人机,负责运输树莓派(RPis),从而为无人机云平台的计算单元提供移动性。 | |
| Bebop 2 | 鹦鹉 | 用于实验中的无人机,以运输树莓派(RPis),从而为无人机云平台的计算单元提供移动性。 | |
| 商用英特尔酷睿 Mini-ITX 计算机 | 逻辑电源 | 用于托管实验无人机云平台的 OpenStack 控制节点(以虚拟机形式运行)的计算机服务器。此外,该设备的另一台单元(与树莓派共同组成)构成了无人机云平台的计算资源。 | |
| Linux 容器(LXC) | Canonical Ltd. | (软件)虚拟化技术,可实现本实验中所述虚拟网络功能的供应。源代码可在线获取:https://linuxcontainers.org | |
| 锂电池组扩展板。型号 KY68C-UK | Kuman | 用于无人机云平台计算单元(即树莓派)的电池供电HAT(硬件附加模块),此外,该设备还包括用于将计算单元(即树莓派或RPis)安装固定到无人机上的外壳组件。 | |
| MacBook Pro | 苹果 | 实验过程中使用普通笔记本电脑获取并收集手稿中所述结果。 | |
| ns-3 网络模拟器 | nsnam | (软件)一种离散事件模拟器网络模拟器,为前述仿真站提供底层通信基质 "实验方案" 部分(更具体地说是在步骤中) "2. 通过仿真验证软硬件化单元的功能性")。源代码可在线获取:https://www.nsnam.org | |
| 开源MANO(OSM)- FOUR版本 | ETSI OSM - 开源社区 | (软件)实验中配置的网络功能虚拟化(NFV)系统的管理与编排(MANO)软件栈。源代码可在线获取:https://osm.etsi.org/wikipub/index.php/OSM_Release_FOUR | |
| OpenStack - Ocata 版本发布 | OpenStack - 开源社区 | (软件)用于搭建实验中的无人机云平台和核心云的开源软件。源代码可在线获取:https://docs.openstack.org/ocata/install-guide-ubuntu | |
| Ping | 开源工具 | (软件)一种开源测试工具,用于验证通过通信网络连接的两个设备之间的连通性。此外,该工具还可用于评估网络性能,因为它能够计算往返时间(即发送数据包并从网络接收响应所需的时间)。源代码可在线获取:https://packages.debian.org/es/sid/iputils-ping | |
| Power Edge R430 | 戴尔 | 提供实验中所述核心云平台计算能力的高性能计算机服务器。 | |
| Power Edge R630 | 戴尔 | 用于托管执行MANO栈的虚拟机(VM)的设备。此外,OpenStack控制器节点也作为虚拟机在此设备上运行。需要注意的是,该设备的使用并非严格必需,由于上述虚拟机的资源需求不高,这些操作也可由性能较低的设备完成。 | |
| Prestige 2000W | ZyXEL | 支持 IEEE 802.11b 无线通信标准的网络电话(VoIP Wi-Fi 电话)。该设备用于通过实验所用平台提供的网络服务进行网络电话(VoIP)呼叫。 | |
| 树莓派 3b 型号 | Raspberry Pi 基金会 | 用于为实验的无人机云平台提供计算能力的单板计算机(SBC)选型模型。 | |
| SIPp | 开源工具 | (软件)一种开源测试工具,可生成SIP协议流量。该工具可用于验证IP电话服务中所需信令流量的正确支持,例如本实验中部署的服务。源代码可在线获取:http://sipp.sourceforge.net | |
| Tcpdump | 开源工具 | (软件)一款开源工具,可实现网络流量的捕获与分析。源代码可在线获取:https://www.tcpdump.org | |
| 交通 | 开源工具 | (软件)一种开源的流调度器,用于验证部署的网络服务处理IP语音通话期间产生数据流量的能力。源代码可在线获取:https://github.com/5GinFIRE/trafic |
申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表
申请许可