CN105101214A - 一种超密集无线网络的资源虚拟化映射方法 - Google Patents

Abstract

一种超密集无线网络的资源虚拟化映射方法，属于移动通信领域。1)物理区域G栅格化；2)建立优化目标模型；3)根据优化目标模型，实现活跃状态的基站映射，保证对相关区域全面覆盖；4)把每个栅格与每个活跃基站覆盖区域重合部分称为虚拟小区；5)针对虚拟小区，获取虚拟资源请求；6)根据优化目标模型，在保证满足区域G内请求资源量的前提下，进行资源映射和基站活跃状态的再映射，确定最终虚拟资源映射方案；7)执行步骤6)形成的最终映射方案，经过时间T后，进入步骤5)，获取新的资源请求统计量，开始新一轮映射。以节能为目标，在保证小区覆盖及资源需求的前提下尽量降低网络能耗。

Description

一种超密集无线网络的资源虚拟化映射方法

技术领域

本发明属于移动通信领域，尤其是涉及一种超密集无线网络的资源虚拟化映射方法。

背景技术

随着无线通信网络覆盖范围和密度的不断增大，网络能耗问题已成为各方关注的焦点。未来第五代移动通信技术(5G)的发展方向就是以节能为目标。

据高通公司的研究表明，人们对于数据容量爆炸式增长的需求才刚刚开始，预计在未来10年中，数据总量将上升至目前的1000倍。为了应对未来无线网络容量增长的压力，主要的解决方案是靠增加单位面积的基站数量来实现容量的增长。超密集组网成为5G移动通信的核心技术。显然，这样大大增加了无线接入网络的能量消耗。由于超密集组网场景下基站间距离很近，多重覆盖严重，如图1所示。需要更高的智能化管理以减小相互干扰，提高频谱资源利用率，并减少能耗。

现有无线移动网络主要是面向用户容量需求峰值而设计，而网络的平均负载一般来说大大低于忙时的峰值，要维持数量巨大的支持峰值负载的基站，意味着高额的电力消耗。现有的无线网络节能办法主要有以下几种：

1)对各基站的通信流量进行预测，当预测值低于阀值时，让基站进入休眠，否则进入工作状态，可以看出，当基站进入休眠，且其流量低于阀值时，这种方法不能保证通信服务质量(QoS)；

2)让用户通信量小的基站进入休眠，在其休眠期间，用户发送的数据包先存储在缓存中，当到达规定的最大延迟时间再唤醒基站，该方法通过延长基站休眠时间，达到节能的目的，但这样明显增大了数据包的传输延时；

3)当移动用户进入无线信号多重覆盖区域时，选择最节能的基站进行通信，由于未被选择接入的基站仍处于工作状态，因此，此方案对能耗的降低并不显著。此外，也有论文将虚拟化技术应用到有线网络的节能中，但并不适用单个基站覆盖范围有限的无线移动网络环境。节能减排、共建低碳型社会已成为未来通信产业乃至社会发展的一个方向，因此，研究和实现基于节能为目标的新型移动通信网络资源管控技术成为5G系统进一步演进的当务之急。

发明内容

本发明的目的旨在针对基站超密集分布的场景，提供以节能为目标，在保证小区覆盖及资源需求的前提下尽量降低网络能耗的一种超密集无线网络的资源虚拟化映射方法。

本发明包括以下步骤：

1)物理区域G栅格化，具体方法为：用基站的覆盖半径r为正方形网格的对角线长度对区域G进行栅格化，栅格化后栅格正方形集合为V＝{v_0,0,v_0,1,…,v_n,n}，其中v_i,j表示第i行第j列的栅格；

2)建立优化目标模型，具体方法为：在保证小区的QoS基础上，让基站的总体能量消耗最少，同时收益成本比最大化，如式(1)所示，其中，收益成本为节约的能量与多消耗资源的比值；

min(E_total)

$max\left(\frac{E_{original}-E_{total}}{\underset{i=0}{\overset{w}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{bs}}_i^{ca}-\underset{i=0,j=0}{\overset{m,n}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{i,j}^r}\right)---\left(1\right)$

其中E_total指采用所述方法后在区域G内全部基站消耗的总能量，E_original指采用所述方法前在区域G内全部基站消耗的总能量，表示区域G内资源请求的总量，表示所述方法映射给区域G内活跃基站的资源总量；

3)根据优化目标模型，实现活跃状态的基站映射，保证对相关区域全面覆盖；

在步骤3)中，具体方法可为：

(1)在区域G中，若每个栅格顶点上存在基站，则将所述基站的状态设为活跃，所述顶点为至少两个栅格毗连的点；

(2)假定基站bs_i存在于栅格顶点v_i,j上，并且它的状态是活跃的，若存在基站bs_m和bs_n是活跃的且与bs_i是x轴相邻的基站，且则把基站bs_i的状态设为休眠状态；

(3)假定基站bs_i存在于栅格顶点g_i,j上，并且它的状态是活跃的，若存在基站bs_m和bs_n是活跃的且与bs_i是y轴相邻的基站，还有|且bs_i不是步骤(2)所得的活跃节点，则将基站bs_i的状态设为休眠状态；

(4)若栅格v_i,j顶点或者边上都不存在基站，则把栅格v_i,j中编号最小的基站状态设为活跃状态，其他基站的状态设为休眠状态；

(5)若栅格v_i,j顶点、边上或者内部都不存在基站，则把与栅格v_i,j距离为r的点都设为活跃状态；若基站bs_i与基站bs_j是x轴或者y轴相邻，并且bs_i到达栅格v_i,j的距离大于或者等于bs_j到达栅格v_i,j的距离，则将基站bs_i的状态由活跃状态转化为休眠状态；若基站bs_i与基站bs_j存在于栅格v_i±1,j±1中，且基站bs_i到达栅格v_i,j的距离大于或者等于bs_j到达栅格v_i,j的距离，则将基站bs_i的状态由活跃状态转化为休眠状态；若基站bs_i与基站bs_j是存在于同一个栅格v_i±1,j、v_i,j±1或者v_i±1,j±1中，则将bs_i的状态设为休眠状态；

至此，整个无线网络目标覆盖区域G被最小活跃基站集中的基站所全覆盖。

4)把每个栅格与每个活跃基站覆盖区域重合部分称为虚拟小区，表示为[v_mbs_n]；

5)针对虚拟小区，获取虚拟资源请求，每个虚拟小区资源请求的大小如式(2)所示，其中[v_mbs_n]^r表示虚拟小区[v_mbs_n]的资源请求量，[v_mbs_n]^s表示虚拟小区[v_mbs_n]的面积，表示栅格m的面积，表示栅格m的资源请求量；

${\[v_m{\mathrm{bs}}_n\]}^r=\frac{{\[v_m{\mathrm{bs}}_n\]}^s}{v_m^s}\×v_m^r---\left(2\right)$

当虚拟小区区域存在重叠时，即虚拟小区A1和虚拟小区B1交叠部分，为避免虚拟资源请求的重复统计，若虚拟小区[v_ibs_j]包含虚拟小区[v_ibs_k]，则将虚拟小区[v_ibs_k]的资源需求量[v_ibs_k]^r设为零；

在步骤5)中，所述虚拟小区的资源请求量采用下一时段内的统计平均先验值。

6)根据优化目标模型，在保证满足区域G内请求资源量的前提下，进行资源映射和基站活跃状态的再映射，确定最终虚拟资源映射方案；

在步骤6中，所述根据优化目标模型，在保证满足区域G内请求资源量的前提下，进行资源映射和基站活跃状态的再映射，确定最终虚拟资源映射方案的具体方法可为：

(1)初次分配

1.1)针对每一活跃基站的各个虚拟小区内的资源请求，由大到小依次映射分配相应资源；

1.2)若资源请求量没有超过所述活跃基站可映射的资源量，则分配相应资源，直至满足所述活跃基站各个虚拟小区内的资源请求总量；否则，对剩余未满足的资源请求，等待二次分配；

1.3)当所有活跃基站资源都完成初次分配后，仍有未满足的资源请求，进入步骤(2)；

(2)二次分配

2.1)对未满足资源请求的虚拟小区，选择被其覆盖的活跃基站，按可映射资源量大小，依次从大到小为其分配资源，直至满足所述虚拟小区的资源请求；否则，进入步骤2.2)；

2.2)在所述虚拟小区附近由近及远依次将基站变为活跃状态，为其分配资源，直到满足所述虚拟小区的资源请求，或者直到区域G内全部基站变为活跃状态为止，形成本次映射的活跃基站集及其相应资源分配方案。

7)执行步骤6)形成的最终映射方案，经过时间T后，进入步骤5)，获取新的资源请求统计量，开始新一轮映射。

在步骤7)中，所述时间T一般可根据无线网络用户通信量的潮汐效应，确定每天忙时和非忙时两个固定时段，调整资源映射。也可视具体情况动态设置资源映射时间T。如，在无线网络覆盖区域内有大型集会等或群体活动时。

本发明首先根据网络拓扑和虚拟化资源映射特点，划分虚拟小区和建立资源映射多目标优化模型。其后通过活跃基站映射和资源分配映射的不断交迭更新，在保证用户QoS要求的前提下，让最少的活跃基站为用户提供服务，休眠网络中其余基站。从而达到节能的目的，促进通信行业能源效率的提高。

附图说明

图1为超密集无线网络基站拓扑图。

图2为虚拟小区及其包含关系示意图。

图3为实施例中无线网络基站及移动终端分布示意图。

图4为平面栅格化及虚拟小区示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图、表及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，在基站超密集组网的情况下，存在由不同基站多重无线覆盖的二维平面区域G。所述基站具有两种状态：活跃状态，是指基站正常工作的状态；休眠状态，是关闭基站中一切不必要的硬件模块以节能的状态。

本发明的基本思想是在保证无线网络的QoS要求的前提下，统一调度网络资源，让网络中更多的基站休眠，从而达到节能和提高资源利用率的目的。

本实施例中，在[500，500]的平面区域G内均匀分布25个基站，每个基站的覆盖半径为每个基站可映射的资源最大量为10。共有随机分布的73台移动终端在该区域G内发起资源请求，每台移动终端需要1个资源，每个移动用户发送的数据包的大小与时间都相等。如图3所示，标记■表示基站，●表示移动用户。基站在工作状态时的能量消耗为a瓦，休眠时的能量消耗为a*10^-2瓦，全网共有250个互不干扰的资源在基站间映射。本实施例基于虚拟化资源映射流程，最终形成活跃基站集及其相应资源映射表。包括以下步骤：

步骤S101，以基站覆盖半径为正方形网格的对角线长度对[500，500]平面区域进行栅格化，形成150×150的平面栅格。

步骤S102，在保证小区的QoS基础上，让基站的总体能量消耗最少，同时收益成本比最大化，建立如式(3)所示的优化目标模型。

obj:min(E_total)

$max\left(\frac{25\&times;a-E_{total}}{\underset{i=1}{\overset{i\&le;25}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{bs}}_i^r-\underset{i=0,j=0}{\overset{i<4,j<4}{\mathrm{\&Sigma;}}}{v}_{i,j}^r}\right)---\left(3\right)$

$\begin{array}{cc}s.t.:& v_{i,j}^{150\&times;150}<{\mathrm{bs}}_i^{\mathrm{\&pi;}\&times;150\sqrt{2}\&times;150\sqrt{2}}\end{array}$

${\mathrm{bs}}_i^{ca}\&le;{\mathrm{bs}}_i^{10}$

步骤S103，根据优化目标模型，实现活跃状态的基站映射，保证[500，500]的平面区域被活跃基站全面覆盖。结合图4说明，步骤如下：

(1)将所述平面区域栅格顶点上的7、10、22、25号基站预设为活跃状态。

(2)将所述平面区域内剩余基站预设为休眠状态。

(3)形成所述平面区域被全覆盖的最小活跃基站集{7、10、22、25}。

步骤S104，栅格与活跃基站覆盖区域重合部分形成虚拟小区，如表1中所示，虚拟小区A7、B7、F7、…、P25。

表1

虚拟小区	资源量	虚拟小区	资源量	虚拟小区	资源量	虚拟小区	资源量
								A7	8	G10	7	I22	7	K25	8
B7	8	C10	6	J22J	5	L25	0
								F7	8	H10	2	M22	2	O25	1
E7	6	D10	2	N22	2	P25	1
								C7	0	B10	0	E22	0	G25	0
G7	0	F10	0	F22	0	H25	0
								I7	0	K10	0	K22	0	J25	0
J7	0	L10	0	O22	0	N25	0

步骤S105，针对虚拟小区，获取虚拟资源请求，其结果如表1所示。

步骤S106，根据优化目标模型，在保证满足表1所示资源量请求的前提下，确定活跃基站及其资源映射方案。具体步骤如下：

(1)针对A7虚拟小区的8个资源请求，为7号基站分配8个资源。

(2)针对B7、E7、F7虚拟小区的资源请求，7号基站可映射的剩余资源已不能满足其要求，等待二次分配。

(3)针对G10、H10虚拟小区的资源请求，向10号基站分别分配7个资源和2个资源，共计9个资源。

(4)针对C10、D10虚拟小区的资源请求，10号基站可映射的剩余资源已不能满足其要求，等待二次分配。

(5)针对I22、M22虚拟小区的资源请求，向22号基站分别分配7个资源和2个资源，共计9个资源。

(6)针对J22、N22虚拟小区的资源请求，22号基站资源可映射的剩余资源已不能满足其要求，等待二次分配。

(7)针对K25、O25、P25虚拟小区的资源请求，向25号基站分别分配8个资源、1个资源和1个资源，共计10个资源。

(8)对B7虚拟小区内的8个资源请求，除7号基站可分配2个资源外，其余6个资源请求需要二次分配。将距离B7、F7最近的8号基站映射为活跃状态，分别为B7、F7虚拟小区分配6个资源和4个资源。但仍然不能满足F7虚拟小区的8个资源请求，故将距离F7虚拟小区最近的12号基站映射为活跃状态，为F7虚拟小区再分配4个资源，以满足其8个资源的需求。

(9)对E7虚拟小区内的6个资源请求，由于12号基站距离E7虚拟小区最近且覆盖E7，将其剩余的6个资源分配给E7。

(10)对C10虚拟小区内的6个资源请求，除10号基站可分配1个资源外，其余5个资源请求需要二次分配。将距离C10、D10最近的5号基站映射为活跃状态，向其分别为C10、D10虚拟小区分配5个资源和2个资源。

(11)对J22虚拟小区内的5个资源请求，除22号基站可分配1个资源外，其余4个资源请求需要二次分配。将距离J22、N22最近的23号基站映射为活跃状态，向其分别为J22、N22虚拟小区分配4个资源和2个资源。

步骤S107，执行步骤S106形成的最终映射方案。经过时间T后，进入步骤S105，重新获得资源请求统计量，开始新一轮映射。

为了适应资源请求量发生的变化，以保证系统的QoS要求，重启资源映射的时间间隔T可以根据具体情况而确定。在本实施例中根据无线网络用户通信量的潮汐效应，将每天24h分为两个时段，从7:00到19:00为网络繁忙时段，其余时段为非忙时段。在这两时段内，网络资源需求量会有较大不同，在每天7:00和19:00重启系统资源映射。

本实施例完成后所得到的活跃基站及其资源映射如表2所示。

表2

基站号	资源量	基站号	资源量	基站号	资源量	基站号	资源量
								5	7	7	10	8	10	10	10
12	10	22	10	23	6	25	10

由表2可见，在保证网络QoS的要求下，实施例中的25基站中有8个处于工作状态，17个基站休眠，可减少近67％的能耗。同时，网络中终端请求的资源数量为73个，运用本发明所述的虚拟化资源映射方法为基站分配的资源量也为73个，这与用常规方法管理8个活跃基站的资源相比，其资源利用率提高近9％。

由于当前无线网络规模按峰值负荷而设计，导致物理小区的资源利用率不高且能量浪费巨大，现有的节能方法和手段不能很好地适应5G无线网络的发展要求。本发明在满足物理小区覆盖及资源需求的情况下，提出以节能为目的的超密集无线网络资源虚拟化映射方法，能够有效地减少系统能耗和提高资源利用率。

Claims (9)

1.一种超密集无线网络的资源虚拟化映射方法，其特征在于包括以下步骤：

1)物理区域G栅格化；

2)建立优化目标模型；

3)根据优化目标模型，实现活跃状态的基站映射，保证对相关区域全面覆盖；

4)把每个栅格与每个活跃基站覆盖区域重合部分称为虚拟小区，表示为[v_mbs_n]；

5)针对虚拟小区，获取虚拟资源请求，每个虚拟小区资源请求的大小如式(2)所示，其中[v_mbs_n]^r表示虚拟小区[v_mbs_n]的资源请求量，[v_mbs_n]^s表示虚拟小区[v_mbs_n]的面积，表示栅格m的面积，表示栅格m的资源请求量；

${\&lsqb;v_m{\mathrm{bs}}_n\&rsqb;}^r=\frac{{\&lsqb;v_m{\mathrm{bs}}_n\&rsqb;}^s}{v_m^s}\&times;v_m^r---\left(2\right)$

当虚拟小区区域存在重叠时，即虚拟小区A1和虚拟小区B1交叠部分，为避免虚拟资源请求的重复统计，若虚拟小区[v_ibs_j]包含虚拟小区[v_ibs_k]，则将虚拟小区[v_ibs_k]的资源需求量[v_ibs_k]^r设为零；

6)根据优化目标模型，在保证满足区域G内请求资源量的前提下，进行资源映射和基站活跃状态的再映射，确定最终虚拟资源映射方案；

7)执行步骤6)形成的最终映射方案，经过时间T后，进入步骤5)，获取新的资源请求统计量，开始新一轮映射。

2.如权利要求1所述一种超密集无线网络的资源虚拟化映射方法，其特征在于在步骤1)中，所述物理区域栅格化的具体方法为：用基站的覆盖半径r为正方形网格的对角线长度对区域G进行栅格化，栅格化后栅格正方形集合为V＝{v_0,0,v_0,1,…,v_n,n}，其中v_i,j表示第i行第j列的栅格。

3.如权利要求1所述一种超密集无线网络的资源虚拟化映射方法，其特征在于在步骤2)中，所述建立优化目标模型的具体方法为：在保证小区的QoS基础上，让基站的总体能量消耗最少，同时收益成本最大化，如式(1)所示，其中，收益成本为节约的能量与多消耗资源的比值；

min(E_total)

$max\left(\frac{E_{original}-E_{total}}{\underset{i=0}{\overset{w}{\&Sigma;}}{\mathrm{bs}}_i^{ca}-\underset{i=0,j=0}{\overset{m,n}{\&Sigma;}}{v}_{i,j}^r}\right)---\left(1\right)$

其中E_total指采用所述方法后在区域G内全部基站消耗的总能量，E_original指采用所述方法前在区域G内全部基站消耗的总能量，表示区域G内资源请求的总量，表示所述方法映射给区域G内活跃基站的资源总量。

4.如权利要求1所述一种超密集无线网络的资源虚拟化映射方法，其特征在于在步骤3)中，具体方法为：

(1)在区域G中，若每个栅格顶点上存在基站，则将所述基站的状态设为活跃，所述顶点为至少两个栅格毗连的点；

(2)假定基站bs_i存在于栅格顶点v_i,j上，并且它的状态是活跃的，若存在基站bs_m和bs_n是活跃的且与bs_i是x轴相邻的基站，且m＞i＞n,则把基站bs_i的状态设为休眠状态；

(3)假定基站bs_i存在于顶栅格点g_i,j上，并且它的状态是活跃的，若存在基站bs_m和bs_n是活跃的且与bs_i是y轴相邻的基站，还有m＞i＞n,且bs_i不是步骤(2)所得的活跃节点，则将基站bs_i的状态设为休眠状态；

(4)若栅格v_i,j顶点或者边上都不存在基站，则把栅格v_i,j中编号最小的基站状态设为活跃状态，其他基站的状态设为休眠状态；

(5)若栅格v_i,j顶点、边上或者内部都不存在基站，则把与栅格v_i,j距离为r的点都设为活跃状态；若基站bs_i与基站bs_j是x轴或者y轴相邻，并且bs_i到达栅格v_i,j的距离大于或者等于bs_j到达栅格v_i,j的距离，则将基站bs_i的状态由活跃状态转化为休眠状态；若基站bs_i与基站bs_j存在于栅格v_i±1,j±1中，且基站bs_i到达栅格v_i,j的距离大于或者等于bs_j到达栅格v_i,j的距离，则将基站bs_i的状态由活跃状态转化为休眠状态；若基站bs_i与基站bs_j是存在于同一个栅格v_i±1,j、v_i,j±1或者v_i±1,j±1中，则将bs_i的状态设为休眠状态；

至此，整个无线网络目标覆盖区域G被最小活跃基站集中的基站所全覆盖。

5.如权利要求1所述一种超密集无线网络的资源虚拟化映射方法，其特征在于在步骤5)中，所述虚拟小区的资源请求量采用下一时段内的统计平均先验值。

6.如权利要求1所述一种超密集无线网络的资源虚拟化映射方法，其特征在于在步骤6)中，所述根据优化目标模型，在保证满足区域G内请求资源量的前提下，进行资源映射和基站活跃状态的再映射，确定最终虚拟资源映射方案的具体方法为：

(1)初次分配

1.1)针对每一活跃基站的各个虚拟小区内的资源请求，由大到小依次映射分配相应资源；

1.2)若资源请求量没有超过所述活跃基站可映射的资源量，则分配相应资源，直至满足所述活跃基站各个虚拟小区内的资源请求总量；否则，对剩余未满足的资源请求，等待二次分配；

1.3)当所有活跃基站资源都完成初次分配后，仍有未满足的资源请求，进入步骤(2)；

(2)二次分配

2.1)对未满足资源请求的虚拟小区，选择被其覆盖的活跃基站，按可映射资源量大小，依次从大到小为其分配资源，直至满足所述虚拟小区的资源请求；否则，进入步骤2.2)；

2.2)在所述虚拟小区附近由近及远依次将基站变为活跃状态，为其分配资源，直到满足所述虚拟小区的资源请求，或者直到区域G内全部基站变为活跃状态为止，形成本次映射的活跃基站集及其相应资源分配方案。

7.如权利要求1所述一种超密集无线网络的资源虚拟化映射方法，其特征在于在步骤7)中，所述时间T一般可根据无线网络用户通信量的潮汐效应，确定每天忙时和非忙时两个固定时段，调整资源映射。

8.如权利要求1所述一种超密集无线网络的资源虚拟化映射方法，其特征在于在步骤7)中，所述时间T可视具体情况动态设置资源映射时间T。

9.如权利要求8所述一种超密集无线网络的资源虚拟化映射方法，其特征在于所述具体情况动态为在无线网络覆盖区域内有大型集会群体活动。