CN105007210A - 长期演进系统中的网络虚拟化框架和资源块分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长期演进系统中的网络虚拟化框架和该框架下的资源块分配方法。包括：引入网络资源管理器将一个物理基站虚拟成数个虚拟基站，每个虚拟基站有独立的虚拟网络控制器，把网络资源管理划分为资源块管理和用户信息管理，资源块管理器不能访问用户信息。引入一种含可调参数的效用函数，根据该效用函数定义运营商的报价及收益。对资源块逐个分配，分配每个资源块时运营商进行报价，报价最高的运营商获得资源块并分配资源块给用户，分配时考虑用户速率需求和运营商最低资源块保障。采用本发明的网络虚拟化框架和资源块分配方法，能使运营商选择如实报价，使虚拟网络内部的调度由所属运营商定制，能使虚拟网络之间隔离。

Description

长期演进系统中的网络虚拟化框架和资源块分配方法

技术领域

本发明涉及长期演进系统(Long Term Evolution，LTE)中的网络虚拟化框架和该框架中的资源块分配问题，属于无线通信中的网络虚拟化技术领域。

背景技术

由于智能终端和多样化业务不断发展，未来无线网络呈现出以业务为主导、多种无线技术共存的发展态势。而传统网络由于网络功能和底层硬件紧密结合，无法适应无线网络复杂多样的发展趋势。无线网络虚拟化技术(Wireless NetworkVirtualization，WNV)的出现，为实现多种网络共存开辟了全新的途径。

WNV将网络功能抽象成软件接口从而将其和底层硬件分离，同时将传统的移动网络运营商(Mobile Network Operators，MNOs)分离为设备提供商(Infrastructure Providers，InPs)和业务提供商(Service Providers，SPs)，SPs向InPs租赁资源以提供服务。SPs可以通过配置这些软件接口来共享同一物理设备。WNV具有资源利用率高、虚拟网络特性可灵活定制以及虚拟网络相互隔离互不影响等优点，为实现多种网络共存提供了有效的解决方案。

因为上述优势，WNV正成为无线通信研究的一个热点。而随着LTE成为下一代移动通信的主流，LTE网络虚拟化正受到广泛关注，其中空口资源管理作为网络虚拟化的关键技术，是研究的重点。LTE采用正交频分复用接入(OrthogonalFrequency Division Multiple Access，OFDMA)技术，其主要空口资源包括功率、资源块(Resource Blocks，RBs)等。而WNV旨在使多个运营商能够共享同一物理设施，运营商因素的引入使得资源管理问题变得更加复杂。

资源块分配是LTE网络虚拟化资源管理的一个主要问题，在LTE网络虚拟化中，资源块分配不仅要实现资源块高效利用、分配公平，更要考虑不同运营商业务需求的差异性、不同虚拟网络之间的隔离性等。因此传统资源块分配方法不适用于LTE网络虚拟化的场景，需要设计一种新的资源块分配机制。

发明内容

本发明的目的是提出一种LTE网络虚拟化框架并给出该框架中的资源块分配方法。在该框架中，通过网络资源管理器将物理网络虚拟化为多个虚拟网络，网络资源管理器负责将资源块在虚拟网络之间进行分配，而每个虚拟网络内部的资源块调度由其所属SP决定。SPs根据自己的调度策略对每个资源块进行报价，InPs根据报价对资源块进行分配，在满足用户速率需求和业务提供商资源块需求的情况下最大化所有业务提供商的报价总和。采用本发明中的资源块分配方法，能防止SPs为了争夺更多资源而虚报，能让各个虚拟网络的调度策略由其所属SP定制，并且能保证不同虚拟网络之间的隔离性。

本发明先给出一个LTE网络虚拟化框架，然后给出了虚拟化框架下的资源块分配方法。令SPs是虚拟移动运营商(Mobile Virtual Network Operators，MVNOs)。引入资源块管理器进行资源块分配，并使其无法访问用户信息，而用户信息被提供给各个虚拟网络的控制器，从而资源块管理器只负责将资源块分配给各MVNOs，而MVNO内部用户之间的资源块分配则由虚拟网络控制器决定。引入一种可设置参数的效用函数，MVNOs可设置效用函数来确定调度策略，从而满足虚拟网络调度策略由其所属运营商定制的特性。根据效用函数定义运营商对于一个资源块的报价，同时定义运营商的收益，运营商为了最大化收益需要选择如实报价。根据报价，设备提供商将资源块分配给报价最高的运营商，运营商再将资源块分配给自己的用户。在分配过程中，保证用户速率需求得到满足，同时设置运营商最低资源块保障以满足虚拟网络之间的隔离性。

1LTE网络虚拟化框架

考虑一个基站的情况。引入网络资源管理器，它将一个物理基站虚拟化成数个虚拟基站，每个虚拟基站属于一个MVNO。每个虚拟网络都有一个独立的控制器，用于控制虚拟网络内部的资源块分配以及对资源块进行报价。网络资源管理器按其功能可进一步划分为资源块管理器和用户信息管理器。资源块管理器不能访问用户信息(如信道增益等)，因此它只负责将资源块分配给MVNOs。用户信息管理器将用户信息提供给虚拟网络控制器，由虚拟网络控制器负责将资源块在用户之间分配，从而各虚拟网络内部的调度是由其所属MVNO决定的。

2虚拟化框架下的资源块分配方法

资源块采用逐个分配的方式，分配每个资源块时，每个运营商都进行报价，报价最高的运营商获得资源块，然后获得资源块的运营商把该资源块分配给用户。

2.1运营商报价的定义

由于每个运营商的目的都是最大化自己用户的效用函数之和，因此首先引入效用函数，根据效用函数定义运营商的报价。

考虑两种业务，即有质量需求(Quality-of-Service，QoS)的业务以及尽力而为(Best-Effort，BE)业务，分别称这两种业务对应的用户为QoS用户和BE用户。为用户定义一种带有可调整参数的效用函数如下：

$u\left(r\right)=\frac{1}{1+{\mathrm{Be}}^{-C(r-d)}}+D---\[1\]$

其中r表示用户速率，d是用户的业务质量需求，对于BE用户，d＝0。C用来控制效用函数斜率，C越大，函数在d附近的斜率越大。B和D用来控制函数值的范围，它们的取值满足u(0)＝0以及0≤u(r)≤1。对于QoS用户，满足当r＜d时，u(r)趋近于0，而r在d附近会经历大幅增长且当r＞d时，u(r)趋近于1。同时满足当r＞d时，QoS用户的效用函数值约为BE用户效用函数值的2倍。

令运营商i分配到的资源块集合为R_i，运营商i的用户的集合为κ_i，B为每个资源块的带宽，p为每个资源块上分配到的功率，假设每个资源块上分配到的功率相等且为定值。h_jk表示用户k在资源块j上的信道增益，N₀为加性高斯白噪声的功率谱密度，则用户k的速率r_k由如下公式计算：

$r_k\left(X_i\right)=\underset{j\≤\left|R_i\right|}{\Σ}{\mathrm{Blog}}_2(1+\frac{{\mathrm{ph}}_{jk}}{N_{0}B})x_{jk}---\[2\]$

其中X_i是一个矩阵|R_i|表示运营商i分得的资源块数目，|κ_i|表示运营商i的用户数目，矩阵元素x_jk用于表示R_i中的资源块j是否分配给了用户k，x_jk满足

$\underset{k\∈{\mathrm{\κ}}_i}{\Σ}{x}_{jk}=1(x_{jk}=0or1)---\[3\]$

若x_jk＝1则表示资源块j分配给了用户k，x_jk＝0表示没有分配，[3]表示每个资源块只能分配给一个用户。

在分配资源块j时，定义运营商i对于资源块j的效用函数增量如下：

${\mathrm{\Δu}}_i^j=\underset{k\∈{\mathrm{\κ}}_i}{\max }(u_k^j-{\stackrel{\‾}{u}}_k^{j-1})---\[4\]$

其中表示用户k在资源块j-1分配完成后已经达到的效用函数的值，表示如果将资源块j分配给用户k，用户k将达到的效用函数值。

定义运营商i对于资源块j的报价为其满足若运营商i如实报价则然而运营商i可能进行虚报，即报价大于实际效用函数增量，以获得更多的资源块。

2.2运营商收益的定义

运营商i获得的实际效用函数之和为

$V_i=\underset{k\∈{\mathrm{\κ}}_i}{\Σ}{\stackrel{\‾}{u}}_k^J---\[5\]$

其中J表示总资源块数目。定义运营商i需要付出的代价为：

${\mathrm{\π}}_i={\mathrm{\α}}_i-\underset{s\≠i}{\Σ}{\hat{V}}_s---\[6\]$

其中表示运营商s对其所获资源块的报价总和，α_i表示假设去除运营商i，只对其余运营商进行资源分配，所求得的的值，显然对于运营商i，不管其是否进行虚报，α_i都是个常数。则运营商i的收益计算如下：

$\begin{array}{c}{b}_i=V_i-{\mathrm{\π}}_i\\ =V_i+\underset{s\≠i}{\Σ}{\hat{V}}_s-\mathrm{\α}\end{array}---\[7\]$

对于资源块j的分配，记运营商i已经获得的收益为并假设若运营商i如实报价将不会获得资源块j，且资源块j将被分配给运营商m，则必有且资源块j分配完成后运营商i的收益为若运营商i进行虚报且仍未获得资源块j，则收益仍为若运营商i进行虚报并获得了资源块j，则必有此时运营商i收益为由于所以有因此对于每个资源块的分配，运营商虚报的收益将可能小于或者等于如实报价的收益，因此，对于每个资源块的分配，运营商都会选择如实上报。

2.3资源块分配方法

记运营商总数目为I，为保证虚拟网络之间的隔离性，对每个运营商i都有一个资源块保障数目N_i且满足其中R表示总资源块集合，|R|表示总资源块个数。运营商i分配到的资源块数目|R_i|要满足|R_i|≥N_i且令A为尚未达到资源块数目要求的运营商的集合，Q_i为运营商i的未达到QoS需求的用户的集合。先对QoS用户进行资源块分配，再将剩余资源块在所有用户(QoS用户和BE用户)中分配。对QoS用户的资源块分配步骤如下：

1)将A初始化为所有运营商的集合，R_i(i＝1,2,...,I)初始化为空集所有用户速率初始化为0，资源块编号j初始化1。

2)A中的所有运营商对资源块j报价(i∈A)，InP收集这些报价并把资源块分配给报价最高的运营商i^*，即i^*满足

$i^{*}=\underset{i\∈A,k\∈Q_i}{\arg \max }\left(\mathrm{\Δ}{\hat{u}}_i^j\right)---\[8\]$

注意此时运营商在确定时只考虑A中运营商未达到QoS需求的用户。

3)运营商i^*将资源块分配给用户k^*，其中k^*满足

$k^{*}=\underset{k,k\∈{\mathrm{\κ}}_{i^{*}}}{\arg \max }(u_k^j-{\stackrel{\‾}{u}}_k^{j-1})---\[9\]$

即k^*就是运营商i^*报价对应的用户。更新用户k^*的速率

4)如果运营商i^*资源块数达到了保障数目N_i，则从A中将其去除。如果用户k^*的速率达到了QoS需求则从中将其去除。返回第2步进行下一个资源块的分配。

若所有运营商分配到的资源块数都达到了保障数目或者所有QoS用户都满足了需求，则对QoS用户的资源块分配结束。

接下来对所有用户进行资源块分配。先对资源块数目未达到保障数目的运营商进行分配，所有运营商资源块数都达到保障数目后，如果还有资源块剩余，则在所有运营商之间对剩余资源块进行分配。具体步骤如下：

1)如果存在未达到保障资源块数的运营商，将A初始化为这些运营商的集合，资源块编号j初始化为对QoS用户分配结束后的下一个资源块。

2)A中的所有运营商对资源块j报价(i∈A)，InP收集这些报价并把资源块分配给报价最高的运营商i^*，i^*满足

$i^{*}=\underset{i\∈A}{\arg \max }\left(\mathrm{\Δ}{\hat{u}}_i^j\right)---\[10\]$

注意此时运营商在确定时考虑A中运营商的所有用户。

3)运营商i^*将资源块分配给用户k^*，其中k^*满足[9]

4)如果运营商i^*资源块数达到了保障数目则从A中将其去除。重复第2步、第3步、第4步，进行下一个资源块的分配，直到所有运营商都达到资源块保障数目。

5)如果还有资源块剩余，则将剩下的资源块对所有运营商重复第2步和第3步直到所有资源块分配完。

如果对QoS用户分配完成后，所有运营商都已经达到了资源块保障数目，则在对所有用户分配资源块的过程中直接进入第5步。

有益效果：本发明给出了一种LTE网络虚拟化框架及该框架下的资源块分配方法。该框架将网络资源管理划分为资源块管理和用户信息管理，资源块管理器无法访问用户信息，用户信息由用户信息管理器提供给虚拟网络控制器，由虚拟网络控制器控制资源块在用户之间的分配。对资源块进行逐块分配，在每个资源块分配过程中，将资源块分配给报价最高的运营商，获得资源块的运营商将资源块分配给用户。

基于本发明的LTE网络虚拟化资源块分配方法具有如下优点：

1.给出了一种运营商收益计算机制，使得运营商在报价时会选择如实报价。

2.虚拟网络内部的调度由虚拟网络控制器决定，同时引入带有可配置参数的效用函数，运营商可以根据自己的调度策略设置效用函数，从而使得虚拟网络的调度策略可定制。

3.通过为每个运营商设定资源块保障数目，确保某个虚拟网络的业务变化不会影响其他虚拟网络，从而实现虚拟网络之间的隔离。

附图说明

图1是LTE网络虚拟化框架示意图。

具体实施方式

本发明的实施方式如下：

(1)基站对每个用户终端设备(User Equipment，UE)发送导频信息，每个UE接收后通过运算，估计出在每个资源块上的信道增益，并将信道增益反馈给基站，用户信息管理器将UE的信道增益发送给UE所属运营商的虚拟网络控制器。

(2)对资源块j，每个虚拟网络控制器根据[4]计算出效用函数增量并确定报价将报价发送给资源块管理器，对于不属于集合A的运营商，资源块管理器将其报价置为0。

(3)资源块管理器根据[8]或[10]确定要被分配资源块j的运营商i^*，并发送确认信号给运营商i^*的控制器。

(4)运营商i^*的控制器通过[9]确定要被分配资源块j的用户k^*并更新其速率，并将用户编号k^*及其速率发送给资源块管理器。

(5)资源块管理器将资源块j分配给运营商i^*的用户k^*，并计算运营商i^*已获得的资源块数且将其和保障资源块数进行比较，确定是否从A中将运营商i^*去除。在对QoS用户的分配中，资源块管理器将用户k^*的速率与其业务需求比较，确定是否将用户k^*从中去除。由此一个资源块的分配完毕，对每个资源块重复上述操作，直至所有资源块分配完成。

Claims (5)

1.一种长期演进系统中的网络虚拟化框架，引入网络资源管理器，它将一个物理基站虚拟化成数个虚拟基站，每个虚拟基站属于一个虚拟移动运营商MVNO；每个虚拟网络都有一个独立的控制器，用于控制虚拟网络内部的资源块分配以及对资源块进行报价；网络资源管理器按其功能可进一步划分为资源块管理器和用户信息管理器，其中，所述资源块管理器不能访问用户信息，只用于将资源块分配给MVNOs，所述用户信息管理器将用户信息提供给虚拟网络控制器，由虚拟网络控制器负责将资源块在用户之间分配，从而各虚拟网络内部的调度是由其所属MVNO决定的。

2.一种长期演进系统中的网络虚拟化框架下的资源分配方法，令SPs是虚拟移动运营商MVNOs，引入资源块管理器进行资源块分配，并使其无法访问用户信息，而用户信息被提供给各个虚拟网络的控制器，从而资源块管理器只负责将资源块分配给各MVNOs，而MVNO内部用户之间的资源块分配则由虚拟网络控制器决定；引入一种可设置参数的效用函数，MVNOs可设置效用函数来确定调度策略，从而满足虚拟网络调度策略由其所属运营商定制的特性，根据效用函数定义运营商对于一个资源块的报价，同时定义运营商的收益，运营商为了最大化收益需要选择如实报价，根据报价，设备提供商将资源块分配给报价最高的运营商，运营商再将资源块分配给自己的用户，在分配过程中，保证用户速率需求得到满足，同时设置运营商最低资源块保障以满足虚拟网络之间的隔离性。

3.根据权利要求2所述的长期演进系统中的网络虚拟化框架下的资源分配方法，其中运营商报价的定义如下：

首先引入效用函数，根据效用函数定义运营商的报价；

考虑两种业务，即有质量需求QoS的业务以及尽力而为BE业务，分别称这两种业务对应的用户为QoS用户和BE用户，为用户定义一种带有可调整参数的效用函数如下：

$u\left(r\right)=\frac{1}{1+{\mathrm{Be}}^{-C(r-d)}}+D---\[1\]$

其中r表示用户速率，d是用户的业务质量需求，对于BE用户，d＝0，C用来控制效用函数斜率，C越大，函数在d附近的斜率越大，B和D用来控制函数值的范围，它们的取值满足u(0)＝0以及0≤u(r)≤1；对于QoS用户，满足当r＜d时，u(r)趋近于0，而r在d附近会经历大幅增长且当r＞d时，u(r)趋近于1；同时满足当r＞d时，QoS用户的效用函数值约为BE用户效用函数值的2倍；

令运营商i分配到的资源块集合为R_i，运营商i的用户的集合为κ_i，B为每个资源块的带宽，p为每个资源块上分配到的功率，假设每个资源块上分配到的功率相等且为定值，h_jk表示用户k在资源块j上的信道增益，N₀为加性高斯白噪声的功率谱密度，则用户k的速率r_k由如下公式计算：

$r_k\left(X_i\right)=\underset{j\≤\left|R_i\right|}{\Σ}{\mathrm{Blog}}_2(1+\frac{{\mathrm{ph}}_{jk}}{N_{0}B})x_{jk}---\[2\]$

其中X_i是一个矩阵|R_i|表示运营商i分得的资源块数目，|κ_i|表示运营商i的用户数目，矩阵元素x_jk用于表示R_i中的资源块j是否分配给了用户k，x_jk满足

$\underset{k\∈{\mathrm{\κ}}_i}{\Σ}{x}_{jk}=1(x_{jk}=0or1)---\[3\]$

若x_jk＝1则表示资源块j分配给了用户k，x_jk＝0表示没有分配，[3]表示每个资源块只能分配给一个用户；

在分配资源块j时，定义运营商i对于资源块j的效用函数增量如下：

${\mathrm{\Δu}}_i^j=\underset{k\∈{\mathrm{\κ}}_i}{\max }(u_k^j-{\stackrel{\‾}{u}}_k^{j-1})---\[4\]$

其中表示用户k在资源块j-1分配完成后已经达到的效用函数的值，表示如果将资源块j分配给用户k，用户k将达到的效用函数值；

定义运营商i对于资源块j的报价为其满足若运营商i如实报价则然而运营商i可能进行虚报，即报价大于实际效用函数增量，以获得更多的资源块。

4.根据权利要求3所述的长期演进系统中的网络虚拟化框架下的资源分配方法，其中运营商收益的定义如下：

运营商i获得的实际效用函数之和为

$V_i=\underset{k\∈{\mathrm{\κ}}_i}{\Σ}{\stackrel{\‾}{u}}_k^J---\[5\]$

其中J表示总资源块数目。定义运营商i需要付出的代价为：

${\mathrm{\π}}_i={\mathrm{\α}}_i-\underset{s\≠i}{\Σ}{\hat{V}}_s---\[6\]$

其中表示运营商s对其所获资源块的报价总和，α_i表示假设去除运营商i，只对其余运营商进行资源分配，所求得的的值，显然对于运营商i，不管其是否进行虚报，α_i都是个常数。则运营商i的收益计算如下：

$\begin{array}{c}{b}_i=V_i-{\mathrm{\π}}_i\\ =V_i+\underset{s\≠i}{\Σ}{\hat{V}}_s-\mathrm{\α}\end{array}---\[7\]$

对于资源块j的分配，记运营商i已经获得的收益为并假设若运营商i如实报价将不会获得资源块j，且资源块j将被分配给运营商m，则必有且资源块j分配完成后运营商i的收益为若运营商i进行虚报且仍未获得资源块j，则收益仍为若运营商i进行虚报并获得了资源块j，则必有此时运营商i收益为由于所以有 ${\stackrel{\&OverBar;}{b}}_i^{j-1}+\mathrm{\&Delta;}{u}_i^j<{\stackrel{\&OverBar;}{b}}_i^{j-1}+\mathrm{\&Delta;}{\hat{u}}_m^j.$

5.根据权利要求4所述的长期演进系统中的网络虚拟化框架下的资源分配方法，所述资源分配方法具体包括以下步骤：

记运营商总数目为I，为保证虚拟网络之间的隔离性，对每个运营商i都有一个资源块保障数目N_i且满足其中R表示总资源块集合，|R|表示总资源块个数。运营商i分配到的资源块数目|R_i|要满足|R_i|≥N_i且令A为尚未达到资源块数目要求的运营商的集合，Q_i为运营商i的未达到QoS需求的用户的集合；先对QoS用户进行资源块分配，再将剩余资源块在所有QoS用户和BE用户中分配，对QoS用户的资源块分配步骤如下：

11)将A初始化为所有运营商的集合，R_i(i＝1,2,...,I)初始化为空集所有用户速率初始化为0，资源块编号j初始化1；

12)A中的所有运营商对资源块j报价InP收集这些报价并把资源块分配给报价最高的运营商i^*，即i^*满足

$i^{*}=\underset{i\&Element;A,k\&Element;Q_i}{\arg \max }\left(\mathrm{\&Delta;}{\hat{u}}_i^j\right)---\&lsqb;8\&rsqb;$

注意此时运营商在确定时只考虑A中运营商未达到QoS需求的用户；

13)运营商i^*将资源块分配给用户k^*，其中k^*满足

$k^{*}=\underset{k,k\&Element;{\mathrm{\&kappa;}}_{i^{*}}}{\arg \max }(u_k^j-{\stackrel{\&OverBar;}{u}}_k^{j-1})---\&lsqb;9\&rsqb;$

即k^*就是运营商i^*报价对应的用户。更新用户k^*的速率

14)如果运营商i^*资源块数达到了保障数目N_i，则从A中将其去除。如果用户k^*的速率达到了QoS需求则从中将其去除。返回第12步进行下一个资源块的分配；

若所有运营商分配到的资源块数都达到了保障数目或者所有QoS用户都满足了需求，则对QoS用户的资源块分配结束；

接下来对所有用户进行资源块分配，先对资源块数目未达到保障数目的运营商进行分配，所有运营商资源块数都达到保障数目后，如果还有资源块剩余，则在所有运营商之间对剩余资源块进行分配；具体步骤如下：

21)如果存在未达到保障资源块数的运营商，将A初始化为这些运营商的集合，资源块编号j初始化为对QoS用户分配结束后的下一个资源块；

22)A中的所有运营商对资源块j报价InP收集这些报价并把资源块分配给报价最高的运营商i^*，i^*满足

$i^{*}=\underset{i\&Element;A}{\arg \max }\left(\mathrm{\&Delta;}{\hat{u}}_i^j\right)---\&lsqb;10\&rsqb;$

注意此时运营商在确定时考虑A中运营商的所有用户；

23)运营商i^*将资源块分配给用户k^*，其中k^*满足[9]；

24)如果运营商i^*资源块数达到了保障数目则从A中将其去除，重复第22步、第23步、第24步，进行下一个资源块的分配，直到所有运营商都达到资源块保障数目；

25)如果还有资源块剩余，则将剩下的资源块对所有运营商重复第22步和第23步直到所有资源块分配完。

如果对QoS用户分配完成后，所有运营商都已经达到了资源块保障数目，则在对所有用户分配资源块的过程中直接进入第25步。