CN104660394A - 一种基于效用函数和价格机制的频谱资源分配方法 - Google Patents

Abstract

一种基于效用函数和价格机制的频谱资源分配方法，适用于无线通信中在虚拟蜂窝网络中使用。首先用户终端从基站处得到获得信号增益，网络虚拟化控制器计算分配给蜂窝网络运营商服务的各用户终端的最优子载波数目，以及第n个虚拟服务提供商服务的每个用户终端的最优子载波数目，网络虚拟化控制器计算蜂窝网络运营商对频谱资源的供给量和所有虚拟服务提供商对频谱资源的需求量，网络虚拟化控制器判断数据是否符合要求，当符合，则得到每个用户终端的最优频谱资源分配结果，如果不符合则继续迭代运算。其方法简单，分配效果好，达到最大化蜂窝网络运营商和虚拟服务提供商网络收益的目的。

Description

一种基于效用函数和价格机制的频谱资源分配方法

技术领域

本发明涉及一种频谱资源分配方法，尤其适用于无线通信技术领域在虚拟蜂窝网络中实现对蜂窝网络运营商和虚拟服务提供商效用函数和价格机制的一对多的基于效用函数和价格机制的频谱资源分配方法。

背景技术

随着智能用户终端UE(User Equipment)数量以及宽带移动多媒体业务量的不断增长，Internet服务提供商ISP(Internet Service Provider)需要采用新的信息和通信技术ICT(Information and Communication Technology)提高对用户终端无线接入的灵活度以及对有限频谱资源的利用效率。无线网络虚拟化技术WNV(Wireless Network Virtualization)为实现这一目标提供了有效的解决途径。在WNV中，ISP的功能被逻辑的分为三个部分：

1)蜂窝网络运营商：也被称为基础设施提供商InP(Infrastructure Provider)，它是全部网络基础设施(包括蜂窝基站、接入网和核心网等)和频谱资源的实际拥有者，它可以直接向用户终端提供无线接入服务并获取网络收益，也可以将其资源按一定价格出租给虚拟服务提供商并获取网络收益；

2)虚拟服务提供商：一般不占有任何网络基础设施和频谱资源，只能租用蜂窝网络运营商的资源向其用户终端提供无线接入服务，并获取相关的网络收益；

3)网络虚拟化控制器NVC(Network Virtualization Controller)：VCN的集中式控制设备，用于完成网络资源的虚拟化以及网络资源的分配。

无线网络虚拟化技术能使蜂窝网络运营商更充分、有效的利用其网络基础设施和频谱资源，减小针对特定用户终端群组的运营成本；同时，无线网络虚拟化技术也使虚拟服务提供商避免了重复、巨额的网络基础设施投资，可以专注于向特定用户终端群组提供无线接入服务。不过，与应用相对成熟的有线网络虚拟化技术(Wired Network Virtualization)相比，无线蜂窝网络的虚拟化及其网络资源分配技术还面临着以下难点：

1)无线蜂窝网络物理层技术的多样性：当前有众多实现蜂窝网络的协议标准，如Wi-Fi、3GPP-LTE以及WiMAX，每种协议都采用了不同的物理层技术，如码分多址CDMA(Code Duplex MultipleAccess)，正交频分复用OFDMA(Orthogonal FrequencyDivision MultipleAccess)等。针对不同的蜂窝网络物理层技术，需要设计不同的频谱资源分配方案；

2)无线网络性能的时变性：与有线网络相比，无线网络的主要特性包括无线信道质量的时变性以及多用户信道衰落的随机性和独立性。因此，针对VCN的频谱资源分配必须能够根据信道质量变化作出实时调整，从而最大化VCN有限频谱资源的利用效率、提高系统的用户容量。

此外，VCN是一种典型的商用网络，它需要合理的价格机制来协调网络基础设施以及频谱资源的分配并优化蜂窝网络运营商和虚拟服务提供商的网络收益。

在上述应用和研究背景下，针对VCN的频谱资源分配方案已经被国内外学者广泛关注，并提出了以下解决方案：

文献1：Y.Zhou,Y.Li,G.Sun,D.Jin,L.Su and L.Zeng,“Game theory based bandwidthallocation scheme for network virtualization,”in Proc.Global Telecommunications Conference(Globecom),IEEE,pp.1-5.Miami,FL,Dec.2010.针对VCN拥塞控制的需要，根据各虚拟服务提供商数据负载所导致的不同程度的网络拥塞，对虚拟服务提供商采取有差异的价格策略，提出了一种基于非协作博弈论的VCN频谱资源分配方案。

文献2：B.Liu and H.Tian,“Abankruptcy game-based resource allocation approach amongvirtual mobile operators,”IEEE Communications Letters,vol.17,no.7,pp.1420–1423,Jul.2013.考虑到VCN中虚拟服务提供商对频谱资源的需求量远远大于蜂窝网络运营商的供给量，提出了一种基于联盟博弈的无线频谱资源分配方案，并根据每个虚拟服务提供商的用户业务负载量，按照Shapley值进行公平的频谱资源分配。

然而，VCN的频谱资源在文献1和文献2中均以数据带宽的形式表示，这表明文献1和文献2并没有考虑无线网络信道质量以及性能的时变特性，因此所提出的频谱资源分配方案无法根据网络性能的改变做出动态、实时的调整，这大大限制了文献1和文献2在实际VCN中的应用。

文献3：R.Kokku,R.Mahindra,H.Zhang,and S.Rangarajan,“NVS:a substrate forvirtualizing wireless resources in cellular networks,”IEEE/ACM Trans.Netw.,vol.20,no.5,pp.1333–1346,Oct.2012.针对物理层采用OFDMA技术的WiMAX蜂窝网络提出了基于数据速率预留以及基于频谱资源(即OFDMA子载波)预留的分配方案，此外，为了实现对用户终端数据流的优化调度，文献3还提出了用于量化表示蜂窝网络运营商和虚拟服务提供商网络收益的效用函数，最终实现了基于网络收益最大化的频谱资源分配。

不过文献3并没有提出具有明确物理意义的效用函数以及资源价格策略，而且文献3也没有考虑无线信道质量的时变特性，以及由此所导致的动态频谱资源分配。

文献4：X.Lu,K.Yang,Y.Liu,D.Zhou,and S.Liu,“An elastic resource allocation algorithmenabling wireless network virtualization,”Wireless Commun.&Mobile Computing,pp.1-14,Dec.2012.

文献5：X.Lu,K.Yang,and H.Zhang,“An elastic sub-carrier and power allocation algorithmenablingwireless networkvirtualization,”SpringerWireless Personal Communications,vol.75,no.4,pp.1827-1849,2014.针对采用OFDMA的VCN分别提出了频谱和能量资源分配方案，资源分配的目标均是在满足用户终端最小数据速率的前提下，最小化资源(OFDMA子载波或者发射功率)的使用。尽管文献4和文献5考虑了无线信道质量的时变特性以及OFDMA子载波和功率的动态分配，然而蜂窝网络运营商和虚拟服务提供商的网络收益以及相关的用户终端网络效用均没有被考虑。

针对VCN的频谱资源分配不仅要考虑技术层面的因素，如时变的无线信道质量以及VCN所采用的物理层协议，还需要考虑用户终端的网络效用以及蜂窝网络运营商和虚拟服务提供商的网络收益等经济层面的因素。网络效用函数理论和价格机制能够将以上这两个因素纳入统一的模型框架予以考虑。在微观经济学中，效用函数用来衡量消费者在消费中获得的满足程度(即效用)与其所消费的商品组合之间数量关系；而价格机制用于在市场竞争过程中反映商品价格变化与商品供求变化之间的相互制约关系，即：商品价格的变动，会引起商品供求关系变化；而供求关系的变化，又反过来引起价格的变动。如何应用网络效用理论和价格机制分析并解决VCN中的频谱资源分配是需要进一步研究解决的问题。

发明内容

针对上述技术所指出的不足之处，提供一种针对虚拟蜂窝网络VCN的频谱资源分配，在满足用户终端对无线频谱资源高效率使用的同时，最大化蜂窝网络运营商和虚拟服务提供商的网络收益的基于效用函数和价格机制的频谱资源分配方法。

为实现上述目标，本发明的基于效用函数和价格机制的频谱资源分配方法，它采用蜂窝网络运营商CNO，网络虚拟化控制器NVC，虚拟服务提供商VSP和多个用户终端UE构成虚拟蜂窝网络小区，其中有N个虚拟服务提供商向蜂窝网络运营商MNO租用网络资源，蜂窝网络运营商MNO拥有所有的频谱和网络基础设施同时服务了M个用户终端UE，蜂窝网络运营商MNO中的基站向蜂窝网络运营商MNO自身内部的M个用户终端UE以及虚拟服务提供商VSP所服务的用户终端UE提供Internet无线接入服务；

对蜂窝网络运营商和N个虚拟服务提供商的频谱资源分配步骤如下：

a.当虚拟蜂窝网络小区通信中，所有户终端UE在通过网络虚拟化控制器分配的频谱资源上加载相同的功率向基站传输数据，其中任意第m个用户终端UE_m通过预设的专用控制信道从发射基站处获取反馈的信道功率增益g_m，此时网络虚拟化控制器分配给用户终端UE_m的频谱资源为c_m；第n个虚拟服务提供商服务的任意第k个用户终端UE_n,k从发射基站处反馈得到信道功率增益g_n,k，网络虚拟化控制器分配给UE_n,k的频谱资源为c_n,k；

b.设置任意基站覆盖区域的虚拟蜂窝网络频谱资源的初始价格为α(t)＝αⁱⁿⁱ，定义迭代次数t，网络虚拟化控制器初始化迭代次数为t＝0，定义当前价格下网络运营商的网络收益为 ${\mathrm{\π}}_0=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{U}_m+\mathrm{\α}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_n,$ 定义第n个虚拟服务提供商的网络收益为 ${\mathrm{\π}}_n=\underset{k=1}{\overset{K_n}{\mathrm{\Σ}}}{U}_{n,k}-\mathrm{\α}\·C_n,$ n＝1，…，N，其中表示网络虚拟化控制器分配给第n个虚拟服务提供商的子载波数目，α表示单位子载波(即频谱资源)的价格；

计算当前价格下网络运营商的频谱资源供给量和虚拟服务提供商的频谱资源需求量之间的差额，并利用本次差额数值对下一次迭代后的频谱资源价格进行更新，直至运营商的频谱资源供给量和虚拟服务提供商的频谱资源需求量之差为零，即表示资源分配达到最优点，或者迭代次数达到最大预设次数t^max；

c.当拟蜂窝网络频谱资源价格迭代运算进行到第t次迭代时，此时虚拟蜂窝网络的频谱资源价格为α(t)，

网络虚拟化控制器利用公式： $c_m^{*}\left(t\right)=\underset{c_m}{\arg }((1-\mathrm{\α}\left(t\right)G_t{c}_m)\ln (1+\frac{G_m}{c_m})=1),$ 计算分配给蜂窝网络运营商服务的任意第m个用户终端UE_m的最优频谱资源数目式中G_m为自定义常数，p表示用户终端的发射功率，w₀(w₀＝W/S)表示每个OFDMA子载波的频宽，n₀表示上行链路接收端(即基站)的噪声功率谱密度；

网络虚拟化控制器利用公式：

$c_{n,k}^{*}\left(t\right)=\underset{c_{n,k}}{\arg }((1-\mathrm{\α}\left(t\right)G_{n,k}{c}_{n,k})\ln (1+\frac{G_{n,k}}{c_{n,k}})=1),m=1,...,N,k=1,...,K_n,$ 计算分配给第n个虚拟服务提供商服务的任意第k个用户终端UE_n,k的最优子载波(即频谱资源)数目式中：g_n,k表示任意第n个虚拟服务提供商服务的任意第k(1≤k≤K_n)个用户终端UE_n,k到其上行链路接收端(即基站)的信道功率增益，c_n,k表示网络虚拟化控制器分配给用户终端UE_n,k的子载波数目(即频谱资源)；

d.重复步骤c进行迭代计算，进行第t次迭代后：

网络虚拟化控制器利用公式：计算蜂窝网络运营商对频谱资源的供给量Φ^S(t)，S表示可用频谱带宽被划分的OFDMA子载波数目；

网络虚拟化控制器利用公式：计算所有虚拟服务提供商对频谱资源的需求量Φ^D(t)；

网络虚拟化控制器利用公式：Δ(t)＝Φ^D(t)-Φ^S(t)计算多余的频谱资源需求量；

网络虚拟化控制器利用公式：α(t+1)＝α(t)+λΔ(t)更新在下一次迭代(即t+1次迭代)中的频谱资源价格α(t+1)，式中参数λ为价格调整步长因子，且有λ>0。

e.网络虚拟化控制器计算公式：|α(t+1)-α(t)|＜ε或t≤t^max，判断公式是否成立，式中ε和t^max均为网络虚拟化控制器定义的参数，且ε＞0是任意小的正实数，t^max＞1表示最大迭代次数；

当网络虚拟化控制器判断公式不成立则更新迭代次数为t＝t+1，并返回步骤c继续下一轮迭代；

当网络虚拟化控制器判断公式成立，则迭代算法终止，得到每个用户终端的最优频谱资源分配结果，即分配给蜂窝网络运营商服务的每个用户终端UE的最优子载波数目为分配给任意第n个虚拟服务提供商服务的每个用户终端UE的最优子载波数目为通过求和得到对蜂窝网络运营商的最优频谱资源分配结果为其中对第n个虚拟服务提供商的最优频谱资源分配结果为 $A_{\mathrm{VSP}}^n=\underset{k=1}{\overset{K_n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n,k}^{*}\left(t\right),n=1,...,N;$

f.网络虚拟化控制器根据最优频谱资源分配结果即：

网络虚拟化控制器按照向蜂窝网络运营商MNO的M个用户终端UE分配其传输子载波数，按照向第n个虚拟服务提供商VSP的每个用户终端UE分配其传输子载波数，每个用户分配子载波数的加和通过 $A_{\mathrm{CNO}}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_m^{*}\left(t\right)$ 和 $A_{\mathrm{VSP}}^n=\underset{k=1}{\overset{K_n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n,k}^{*}\left(t\right),n=1,...,N$ 表示，其中 $A_{\mathrm{CNO}}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_m^{*}\left(t\right)$ 表示的分配给MNO全部M个用户终端UE的子载波数目总和，表示分配给第n个虚拟服务提供商VSP的K_n个用户终端UE的子载波数目的总和；

结束频谱资源分配的流程。

所述方法的应用场景是：蜂窝网络基础设施和无线频谱资源的拥有者蜂窝网络运营商使用无线网络虚拟化技术，将其拥有的网络资源通过租用的方式与N(N≥1)个虚拟服务提供商共享；蜂窝网络运营商从其所服务的M(M≥1)个用户终端以及N个虚拟服务提供商获取一定的网络收益，而任意第n(1≤n≤N)个虚拟服务提供商则要向蜂窝网络运营商付出一定的资源使用费用并可以从其所服务的K_n(K_n≥1)个用户终端获取网络收益；VCN的物理层和MAC层采用OFDMA技术；

所述步骤a中UE_m的数据传输速为 $R_m=c_m{w}_0{\log }_2(1+\frac{p\·g_m}{c_m{w}_0{n}_0}),m=1,...,M,$ 此时UE_m的效用为 $U_m\left(R_m\right)=\ln R_m=\ln \left(c_m{w}_0{\log }_2(1+\frac{p\·g_m}{c_m{w}_0{n}_0})\right),m=1,...,M,$

UE_n,k的数据传输速为 $R_{n,k}=c_{n,k}{w}_0{\log }_2(1+\frac{p\·g_{n,k}}{c_{n,k}{w}_0{n}_0}),n=1,...,N,k=1,...,K_n,$ 此时UE_n,k的效用为 $U_{n,k}\left(R_{n,k}\right)=\ln R_{n,k}=\ln \left(c_{n,k}{w}_0{\log }_2(1+\frac{p\·g_{n,k}}{c_{n,k}{w}_0{n}_0})\right),n=1,...,N,k=1,...,K_n;$

所述步骤c在给定第t次迭代时的频谱资源价格α(t)时，通过求解下述数学模型计算分配给UE_m的最优子载波(即频谱资源)数目：

maxπ₀(α), ${\mathrm{\π}}_0\left(\mathrm{\α}\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{U}_m+\mathrm{\α}\left(t\right)(S-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_m)$

约束条件：0＜c_m＜S,m＝1,…,M

$\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_m<S$

得到 $c_m^{*}\left(t\right)=\underset{c_m}{\arg }((1-\mathrm{\&alpha;}\left(t\right)G_t{c}_m)\ln (1+\frac{G_m}{c_m})=1),m=1,...,M;$

所述步骤d在给定第t次迭代时的频谱资源价格α(t)，通过求解下述数学模型计算分配给UE_n,k的最优子载波(即频谱资源)数目：

maxΩ(α), $\mathrm{\&Omega;}\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&pi;}}_n\left(\mathrm{\&alpha;}\right)$

约束条件：0＜c_n,k＜S,n＝1,…,N,k＝1,…,K_n

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_n<S$

得到 $c_{n,k}^{*}\left(t\right)=\underset{c_{n,k}}{\arg }((1-\mathrm{\&alpha;}\left(t\right)G_{n,k}{c}_{n,k})\ln (1+\frac{G_{n,k}}{c_{n,k}})=1),m=1,...,N,k=1,...,K_n.$

有益效果：本发明应用效用函数理论和价格调节机制实现对蜂窝网络运营商和虚拟服务提供商的频谱资源分配，提高VCN的基础设施以及频谱资源的利用效率；综合考虑VCN频谱资源分配的技术层面因素，即用户终端从基站处反馈得到信道功率增益，得到无线信道质量信息，计算分配给蜂窝网络运营商服务的每个用户终端的最优子载波数目，处理VCN的物理层协议以及经济层面因素，即用户终端的网络效用以及蜂窝网络运营商和虚拟服务提供商的网络收益，并将以上这两个因素纳入统一的效用函数和网络价格机制下予以考虑，通过迭代搜索资源分配的均衡价格，实现对VCN频谱资源的最优化分配，达到最大化蜂窝网络运营商和虚拟服务提供商网络收益的目的。

附图说明

图1是虚拟蜂窝网络的系统示意图；

图2是本发明基于OFDMA技术的VCN频谱资源分配示意图；

图3是本发明基于效用函数和价格机制的VCN频谱资源分配方案流程图；

图4是基于效用理论和价格机制的VCN频谱资源分配均衡点示意图；

图5是基于价格机制的迭代算法收敛示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施实例对本发明做进一步详细描述。

本发明虚拟蜂窝网络中一种基于效用函数和价格机制的频谱资源分配方案的应用场景是：所述方法的应用场景是：蜂窝网络基础设施和无线频谱资源的拥有者蜂窝网络运营商使用无线网络虚拟化技术，将其拥有的网络资源通过租用的方式与N(N≥1)个虚拟服务提供商共享；蜂窝网络运营商从其所服务的M(M≥1)个用户终端以及N个虚拟服务提供商获取一定的网络收益，而任意第n(1≤n≤N)个虚拟服务提供商则要向蜂窝网络运营商付出一定的资源使用费用并可以从其所服务的K_n(K_n≥1)个用户终端获取网络收益；虚拟蜂窝网络VCN的物理层和MAC层采用正交频分复用OFDMA技术。

如图1所示，基于效用函数和价格机制的频谱资源分配方法，其采用蜂窝网络运营商CNO，网络虚拟化控制器NVC，虚拟服务提供商VSP和多个用户终端UE构成虚拟蜂窝网络小区，其中有N个虚拟服务提供商向蜂窝网络运营商MNO租用网络资源，蜂窝网络运营商MNO拥有所有的频谱和网络基础设施同时服务了M个用户终端UE，蜂窝网络运营商MNO中的基站向蜂窝网络运营商MNO自身内部的M个用户终端UE以及虚拟服务提供商VSP所服务的用户终端UE提供Internet无线接入服务；

如图2所示，采用蜂窝网络运营商CNO(CellularNetwork Operator)和网络虚拟化控制器NVC(NetworkVirtualization Controller)以及N(N≥1)个虚拟服务提供商VSP(Virtual ServiceProvider)，蜂窝网络运营商服务M(M≥1)个用户终端UE(UserEquipment)，第n(1≤n≤N)个虚拟服务提供商服务K_n(K_n≥1)个用户终端，上述蜂窝网络运营商、网络虚拟化控制器、虚拟网络提供商以及用户终端构成一个虚拟蜂窝网络Virtual CellularNetwork(VCN)小区的全部网络设备；在所述方案中，虚拟蜂窝网络的物理层和媒体接入控制MAC(MediaAccessControl)层采用正交频分复用OFDMA(Orthogonal Frequency DivisionMultipleAccess)技术；用p表示用户终端的发射功率；用n₀表示蜂窝小区基站的噪声功率谱密度，用W表示蜂窝小区可用的频谱带宽，用S表示可用频谱带宽被划分的OFDMA子载波数目，用w₀(w₀＝W/S)表示每个OFDMA子载波的频宽；用g_m表示蜂窝网络运营商服务的任意第m(1≤m≤M)个用户终端(即UE_m)到基站的信道功率增益，用g_n,k表示第n个虚拟服务提供商服务的任意第k(1≤k≤K_n)个用户终端(即UE_n,k)到基站的信道功率增益；用c_m表示网络虚拟化控制器分配给UE_m的子载波数目(即频谱资源)，用c_n,k表示网络虚拟化控制器分配给UE_n,k的子载波数目(即频谱资源)；假设系统中所有信道都是平稳、块衰落信道，所有的网络设备都受到网络虚拟化控制器的控制，信道状态信息CSI(Channel State Information)由专用的控制信道在基站以及各用户终端之间传输；

如图3所示，基于效用函数和价格机制的频谱资源分配方法步骤为：

a.当虚拟蜂窝网络小区通信中，所有户终端UE在通过网络虚拟化控制器分配的频谱资源上加载相同的功率向基站传输数据，其中任意第m个用户终端UE_m通过预设的专用控制信道从发射基站处获取反馈的信道功率增益g_m，此时网络虚拟化控制器分配给用户终端UE_m的频谱资源为c_m；第n个虚拟服务提供商服务的任意第k个用户终端UE_n,k从发射基站处反馈得到信道功率增益g_n,k，网络虚拟化控制器分配给UE_n,k的频谱资源为c_n,k；每个用户终端UE在所分配的子载波(即频谱资源)上加载相同的功率进行数据传输，则UE_m获得的数据传输速率 $R_m=c_m{w}_0{\log }_2(1+\frac{p\&CenterDot;g_m}{c_m{w}_0{n}_0}),m=1,...,M,$ UE_n,k获得的数据传输速率 $R_{n,k}=c_{n,k}{w}_0{\log }_2(1+\frac{p\&CenterDot;g_{n,k}}{c_{n,k}{w}_0{n}_0}),n=1,...,N,k=1,...,K_n;$

定义UE_m的效用函数为 $U_m\left(R_m\right)=\ln R_m=\ln \left(c_m{w}_0{\log }_2(1+\frac{p\&CenterDot;g_m}{c_m{w}_0{n}_0})\right),m=1,...,M,$ 定义UE_n，k的效用函数为 $U_{n,k}\left(R_{n,k}\right)=\ln R_{n,k}=\ln \left(c_{n,k}{w}_0{\log }_2(1+\frac{p\&CenterDot;g_{n,k}}{c_{n,k}{w}_0{n}_0})\right),n=1,...,N,$ k＝1,…,K_n；

b.设置任意基站覆盖区域的虚拟蜂窝网络频谱资源的初始价格为α(t)＝αⁱⁿⁱ，定义迭代次数t，网络虚拟化控制器初始化迭代次数为t＝0，定义当前价格下网络运营商的网络收益为 ${\mathrm{\&pi;}}_0=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_m+\mathrm{\&alpha;}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_n,$ 定义第n个虚拟服务提供商的网络收益为 ${\mathrm{\&pi;}}_n=\underset{k=1}{\overset{K_n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_{n,k}-\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;C_n,$ n＝1，…，N，其中表示网络虚拟化控制器分配给第n个虚拟服务提供商的子载波数目，α表示单位子载波(即频谱资源)的价格；

计算当前价格下网络运营商的频谱资源供给量和虚拟服务提供商的频谱资源需求量之间的差额，并利用本次差额数值对下一次迭代后的频谱资源价格进行更新，直至运营商的频谱资源供给量和虚拟服务提供商的频谱资源需求量之差为零，即表示资源分配达到最优点，或者迭代次数达到最大预设次数t^max；

c.当拟蜂窝网络频谱资源价格迭代运算进行到第t次迭代时，此时虚拟蜂窝网络的频谱资源价格为α(t)，

在给定第t次迭代时的频谱资源价格α(t)时，通过求解下述数学模型计算分配给UE_m的最优子载波(即频谱资源)数目：

maxπ₀(α), $\max {\mathrm{\&pi;}}_0\left(\mathrm{\&alpha;}\right),{\mathrm{\&pi;}}_0\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_m+\mathrm{\&alpha;}\left(t\right)(S-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_m)$

约束条件：0＜c_m＜S,m＝1,…,M

$\underset{m=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_m<S$

得到 $c_m^{*}\left(t\right)=\underset{c_m}{\arg }((1-\mathrm{\&alpha;}\left(t\right)G_t{c}_m)\ln (1+\frac{G_m}{c_m})=1),m=1,...,M,$

网络虚拟化控制器利用公式： $c_m^{*}\left(t\right)=\underset{c_m}{\arg }((1-\mathrm{\&alpha;}\left(t\right)G_t{c}_m)\ln (1+\frac{G_m}{c_m})=1),$ 计算分配给蜂窝网络运营商服务的任意第m个用户终端UE_m的最优频谱资源数目式中G_m为自定义常数，p表示用户终端的发射功率，w₀(w₀＝W/S)表示每个OFDMA子载波的频宽，n₀表示上行链路接收端(即基站)的噪声功率谱密度；

在给定第t次迭代时的频谱资源价格α(t)，通过求解下述数学模型计算分配给UE_n,k的最优子载波(即频谱资源)数目：

maxΩ(α)， $\mathrm{\&Omega;}\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&pi;}}_n\left(\mathrm{\&alpha;}\right)$

约束条件：0＜c_n,k＜S,n＝1,…,N,k＝1,…,K_n

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_n<S$

得到 $c_{n,k}^{*}\left(t\right)=\underset{c_{n,k}}{\arg }((1-\mathrm{\&alpha;}\left(t\right)G_{n,k}{c}_{n,k})\ln (1+\frac{G_{n,k}}{c_{n,k}})=1),m=1,...,N,k=1,...,K_n,$

网络虚拟化控制器利用公式：

$c_{n,k}^{*}\left(t\right)=\underset{c_{n,k}}{\arg }((1-\mathrm{\&alpha;}\left(t\right)G_{n,k}{c}_{n,k})\ln (1+\frac{G_{n,k}}{c_{n,k}})=1),m=1,...,N,k=1,...,K_n,$ 计算分配给第n个虚拟服务提供商服务的任意第k个用户终端UE_n,k的最优子载波(即频谱资源)数目式中：g_n,k表示任意第n个虚拟服务提供商服务的任意第k(1≤k≤K_n)个用户终端UE_n,k到其上行链路接收端(即基站)的信道功率增益，c_n,k表示网络虚拟化控制器分配给用户终端UE_n,k的子载波数目(即频谱资源)；

d.重复步骤c进行迭代计算，进行第t次迭代后：

网络虚拟化控制器利用公式：计算蜂窝网络运营商对频谱资源的供给量Φ^S(t)，S表示可用频谱带宽被划分的OFDMA子载波数目；

网络虚拟化控制器利用公式：计算所有虚拟服务提供商对频谱资源的需求量Φ^D(t)；

网络虚拟化控制器利用公式：Δ(t)＝Φ^D(t)-Φ^S(t)计算多余的频谱资源需求量；

网络虚拟化控制器利用公式：α(t+1)＝α(t)+λΔ(t)更新在下一次迭代(即t+1次迭代)中的频谱资源价格α(t+1)，式中参数λ为价格调整步长因子，且有λ>0。

e.网络虚拟化控制器计算公式：|α(t+1)-α(t)|＜ε或t≤t^max，判断公式是否成立，式中ε和t^max均为网络虚拟化控制器定义的参数，且ε＞0是任意小的正实数，t^max＞1表示最大迭代次数；

当网络虚拟化控制器判断公式不成立则更新迭代次数为t＝t+1，并返回步骤c继续下一轮迭代；

当网络虚拟化控制器判断公式成立，则迭代算法终止，得到每个用户终端的最优频谱资源分配结果，即分配给蜂窝网络运营商服务的每个用户终端UE的最优子载波数目为分配给任意第n个虚拟服务提供商服务的每个用户终端UE的最优子载波数目为通过求和得到对蜂窝网络运营商的最优频谱资源分配结果为其中对第n个虚拟服务提供商的最优频谱资源分配结果为 $A_{\mathrm{VSP}}^n=\underset{k=1}{\overset{K_n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_{n,k}^{*}\left(t\right),n=1,...,N;$

f.网络虚拟化控制器根据最优频谱资源分配结果即：

网络虚拟化控制器按照向蜂窝网络运营商MNO的M个用户终端UE分配其传输子载波数，按照向第n个虚拟服务提供商VSP的每个用户终端UE分配其传输子载波数，每个用户分配子载波数的加和通过 $A_{\mathrm{CNO}}=\underset{m=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_m^{*}\left(t\right)$ 和 $A_{\mathrm{VSP}}^n=\underset{k=1}{\overset{K_n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_{n,k}^{*}\left(t\right),n=1,...,N$ 表示，其中 $A_{\mathrm{CNO}}=\underset{m=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_m^{*}\left(t\right)$ 表示的分配给MNO全部M个用户终端UE的子载波数目总和，表示分配给第n个虚拟服务提供商VSP的K_n个用户终端UE的子载波数目的总和；

结束频谱资源分配的流程。

本发明已经进行了多次仿真实施试验，下面具体介绍实施例及其性能分析。仿真实施例模拟VCN中的任意蜂窝小区，有2个虚拟服务提供商向MNO租用网络资源，小区中唯一的基站向MNO和虚拟服务提供商所服务的用户终端提供Internet无线接入服务；MNO和每个虚拟服务提供商均服务3个用户终端；蜂窝小区的上行链路频谱带宽为2.5MHz，OFDMA子载波的频宽为50KHz，上行链路共有50个OFDMA子载波，无线信道质量的衰落模型为

$\frac{P_t}{P_r}\mathrm{dB}=10\log \left(L_0\right)+10\mathrm{\&kappa;}\log \left(\frac{d}{d_0}\right)-\mathrm{\&psi;}$

其中，P_t表示发射功率，P_r表示接收功率，10log₁₀(L₀)＝-31.54dB，d表示信号发射机和接收机的距离，κ＝3.71表示信号的路径传播衰落系数，随机变量ψ服从均值为1dB的高斯分布。蜂窝小区中每个用户终端的发射功率为p＝0.2W,上行链路接收端即基站的噪声功率谱密度为n₀/2＝5×10^-15。

参照图4，介绍VCN中频谱资源分配达到最优时，MNO频谱资源供给曲线和虚拟服务提供商频谱资源需求曲线示意图。由图4可知，当频谱资源的价格α不断上升时，虚拟服务提供商对资源的需求量不断减小，而MNO的资源供给量却不断增加，这说明本发明提出的资源分配方案能够按照稀缺资源的市场配置原理对MNO和虚拟服务提供商进行合理的资源分配；当VCN中的频谱资源供给量和需求量达到均衡(即相等)时，按照微观经济学资源最优配置理论，就实现了对VCN频谱资源的帕累托(Pareto)最优分配。

参照图5，介绍所提出的迭代式频谱资源分配算法收敛性示意图。参照图4，VCN中频谱资源分配达到最优时，相应的资源价格α即为最优(均衡)价格。由图5可知，当价格调整步长因子即参数λ过大时，如λ＝0.1，所提出的频谱资源分配算法无法收敛到稳定的均衡价格；当选择合适的参数λ时，如λ＝0.01，所提出的频谱资源分配算法经过多次迭代后可以收敛到均衡价格，从而实现VCN中最优的频谱资源分配。

总之，本发明方法实施例的试验是成功的，实现了发明目的。

Claims (5)

1.一种基于效用函数和价格机制的频谱资源分配方法，其特征在于：采用蜂窝网络运营商CNO，网络虚拟化控制器NVC，虚拟服务提供商VSP和多个用户终端UE构成虚拟蜂窝网络小区，其中有N个虚拟服务提供商向蜂窝网络运营商MNO租用网络资源，蜂窝网络运营商MNO拥有所有的频谱和网络基础设施同时服务了M个用户终端UE，蜂窝网络运营商MNO中的基站向蜂窝网络运营商MNO自身内部的M个用户终端UE以及虚拟服务提供商VSP所服务的用户终端UE提供Internet无线接入服务；

对蜂窝网络运营商和N个虚拟服务提供商的频谱资源分配步骤如下：

a.当虚拟蜂窝网络小区通信中，所有户终端UE在通过网络虚拟化控制器分配的频谱资源上加载相同的功率向基站传输数据，其中任意第m个用户终端UE_m通过预设的专用控制信道从发射基站处获取反馈的信道功率增益g_m，此时网络虚拟化控制器分配给用户终端UE_m的频谱资源为c_m；第n个虚拟服务提供商服务的任意第k个用户终端UE_n,k从发射基站处反馈得到信道功率增益g_n,k，网络虚拟化控制器分配给UE_n,k的频谱资源为c_n,k；

b.设置任意基站覆盖区域的虚拟蜂窝网络频谱资源的初始价格为α(t)＝αⁱⁿⁱ，定义迭代次数t，网络虚拟化控制器初始化迭代次数为t＝0，定义当前价格下网络运营商的网络收益为定义第n个虚拟服务提供商的网络收益为n＝1，...，N，其中表示网络虚拟化控制器分配给第n个虚拟服务提供商的子载波数目，α表示单位子载波/即频谱资源的价格；

计算当前价格下网络运营商的频谱资源供给量和虚拟服务提供商的频谱资源需求量之间的差额，并利用本次差额数值对下一次迭代后的频谱资源价格进行更新，直至运营商的频谱资源供给量和虚拟服务提供商的频谱资源需求量之差为零，即表示资源分配达到最优点，或者迭代次数达到最大预设次数t^max；

c.当拟蜂窝网络频谱资源价格迭代运算进行到第t次迭代时，此时虚拟蜂窝网络的频谱资源价格为α(t)，

网络虚拟化控制器利用公式：计算分配给蜂窝网络运营商服务的任意第m个用户终端UE_m的最优频谱资源数目式中G_m为自定义常数，p表示用户终端的发射功率，w₀(w₀＝W/S)表示每个OFDMA子载波的频宽，n₀表示上行链路接收端(即基站)的噪声功率谱密度；

网络虚拟化控制器利用公式：

$c_{n,k}^{*}\left(t\right)=\underset{c_{n,k}}{\arg }((1-\mathrm{\&alpha;}\left(t\right)G_{n,k}{c}_{n,k})\ln (1+\frac{G_{n,k}}{c_{n,k}})=1),n=1,...,N,k=1,...,K_n,$ 计算分配给第n个虚拟服务提供商服务的任意第k个用户终端UE_n,k的最优子载波(即频谱资源)数目式中：g_n,k表示任意第n个虚拟服务提供商服务的任意第k(1≤k≤K_n)个用户终端UE_n,k到其上行链路接收端，即基站的信道功率增益，c_n,k表示网络虚拟化控制器分配给用户终端UE_n,k的子载波数目/频谱资源；

d.重复步骤c进行迭代计算，进行第t次迭代后：

网络虚拟化控制器利用公式：计算蜂窝网络运营商对频谱资源的供给量Φ^S(t)，S表示可用频谱带宽被划分的OFDMA子载波数目；

网络虚拟化控制器利用公式：计算所有虚拟服务提供商对频谱资源的需求量Φ^D(t)；

网络虚拟化控制器利用公式：Δ(t)＝Φ^D(t)-Φ^S(t)计算多余的频谱资源需求量；

网络虚拟化控制器利用公式：α(t+1)＝α(t)+λΔ(t)更新在下一次迭代，即t+1次迭代中的频谱资源价格α(t+1)，式中参数λ为价格调整步长因子，且有λ>0。

e.网络虚拟化控制器计算公式：|α(t+1)-α(t)|＜ε或t≤t^max，判断公式是否成立，式中ε和t^max均为网络虚拟化控制器定义的参数，且ε＞0是任意小的正实数，t^max＞1表示最大迭代次数；

当网络虚拟化控制器判断公式不成立则更新迭代次数为t＝t+1，并返回步骤c继续下一轮迭代；

当网络虚拟化控制器判断公式成立，则迭代算法终止，得到每个用户终端的最优频谱资源分配结果，即分配给蜂窝网络运营商服务的每个用户终端UE的最优子载波数目为分配给任意第n个虚拟服务提供商服务的每个用户终端UE的最优子载波数目为n＝1,...,N，通过求和得到对蜂窝网络运营商的最优频谱资源分配结果为其中对第n个虚拟服务提供商的最优频谱资源分配结果为n＝1,...,N；

f.网络虚拟化控制器根据最优频谱资源分配结果即：

网络虚拟化控制器按照向蜂窝网络运营商MNO的M个用户终端UE分配其传输子载波数，按照n＝1,...,N向第n个虚拟服务提供商VSP的每个用户终端UE分配其传输子载波数，每个用户分配子载波数的加和通过 $A_{\mathrm{CNO}}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_m^{*}\left(t\right)$ 和 $A_{\mathrm{VSP}}^n=\underset{k=1}{\overset{K_n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_{n,k}^{*}\left(t\right),$ n＝1,...,N表示，其中 $A_{\mathrm{CNO}}=\underset{m=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_m^{*}\left(t\right)$ 表示的分配给MNO全部M个用户终端UE的子载波数目总和，n＝1,...,N表示分配给第n个虚拟服务提供商VSP的K_n个用户终端UE的子载波数目的总和；

结束频谱资源分配的流程。

2.根据权利要求1的基于效用函数和价格机制的频谱资源分配方法，其特征在于：所述方法的应用场景是：蜂窝网络基础设施和无线频谱资源的拥有者蜂窝网络运营商使用无线网络虚拟化技术，将其拥有的网络资源通过租用的方式与N(N≥1)个虚拟服务提供商共享；蜂窝网络运营商从其所服务的M(M≥1)个用户终端以及N个虚拟服务提供商获取一定的网络收益，而任意第n(1≤n≤N)个虚拟服务提供商则要向蜂窝网络运营商付出一定的资源使用费用并可以从其所服务的K_n(K_n≥1)个用户终端获取网络收益；VCN的物理层和MAC层采用OFDMA技术。

3.根据权利要求1的基于效用函数和价格机制的频谱资源分配方法，其特征在于：所述，步骤a中UE_m的数据传输速为m＝1,...，M，此时UE_m的效用为 $U_m\left(R_m\right)=\ln R_m=\ln \left(c_m{w}_0{\log }_2(1+\frac{p\&CenterDot;g_m}{c_m{w}_0{n}_0})\right),m=1,...,M,$

UE_n,k的数据传输速为 $R_{n,k}=c_{n,k}{w}_0{\log }_2(1+\frac{p\&CenterDot;g_{n,k}}{c_{n,k}{w}_0{n}_0}),n=1,...,N,k=1,...,K_n,$ 此时UE_n,k的效用为 $U_{n,k}\left(R_{n,k}\right)=\ln R_{n,k}=\ln \left(c_{n,k}{w}_0{\log }_2(1+\frac{p\&CenterDot;g_{n,k}}{c_{n,k}{w}_0{n}_0})\right),n=1,...,N,k=1,...,K_n.$

4.根据权利要求1的基于效用函数和价格机制的频谱资源分配方法，其特征在于：所述步骤c在给定第t次迭代时的频谱资源价格α(t)时，通过求解下述数学模型计算分配给UE_m的最优子载波(即频谱资源)数目：

$\max {\mathrm{\&pi;}}_0\left(\mathrm{\&alpha;}\right),{\mathrm{\&pi;}}_0\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_m+\mathrm{\&alpha;}\left(t\right)(S-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_m)$

约束条件：0＜c_m＜S,m＝1,...,M

$\underset{m=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_m<S$

得到 $c_m^{*}\left(t\right)=\underset{c_m}{\arg }((1-\mathrm{\&alpha;}\left(t\right)G_m{c}_m)\ln (1+\frac{G_m}{c_m})=1),m=1,...,M.$

5.根据权利要求1的基于效用函数和价格机制的频谱资源分配方法，其特征在于：所述步骤d在给定第t次迭代时的频谱资源价格α(t)，通过求解下述数学模型计算分配给UE_n,k的最优子载波/频谱资源数目：

$\max \mathrm{\&Omega;}\left(\mathrm{\&alpha;}\right),\mathrm{\&Omega;}\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&pi;}}_n\left(\mathrm{\&alpha;}\right)$

约束条件：0＜c_n,k＜S,n＝1,...,N,k＝1,...,K_n

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_n<S$

得到 $c_{n,k}^{*}\left(t\right)=\underset{c_{n,k}}{\arg }((1-\mathrm{\&alpha;}\left(t\right)G_{n,k}{c}_{n,k})\ln (1+\frac{G_{n,k}}{c_{n,k}})=1),n=1,...,N,k=1,...,K_n.$