CN106102071B - 一种异构网络中虚拟无线资源的分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种异构网络中虚拟无线资源的分配方法，属于无线通信领域；具体步骤为：首先，基于生物种群算法的模型，将n个虚拟子网共享的异构无线资源的场景进行映射，得到不同虚拟子网之间的资源竞争关系；利用虚拟子网i的聚合效用函数映射竞争系数α_i，建立不同虚拟子网间的虚拟资源竞争模型；根据不同虚拟子网间的虚拟资源竞争模型，为不同虚拟子网分配无线网络虚拟资源；每个虚拟子网分配了无线网络虚拟资源后，分别针对各自的虚拟资源请求进行异构无线网络虚拟资源的分配；通过每个虚拟资源请求求得虚拟子网的聚合效用函数，效用函数高的虚拟子网能够占用更多的资源，这样保证了整个系统的效用函数的提高，从而提高了系统的资源利用率。

Description

一种异构网络中虚拟无线资源的分配方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及异构无线网络、资源虚拟化和虚拟资源分配，具体涉及一种异构网络中虚拟无线资源的分配方法。

背景技术

随着用户需求以及无线网络的发展，为了提升网络容量、满足日益增长的数据流量需求，运营商密集部署了大量无线接入点和基站，形成多种异构网络同时存在。然而，由于用户流量存在突发性，在地理和时间上不均匀分布，且异构无线网络资源分配各自独立进行，从而导致密集部署的异构无线网络资源的整体利用率呈现下降的趋势。

虚拟化技术被认为是提高异构无线网络的资源利用率、提高无线资源管理效率的重要手段，很多异构无线网络虚拟化架构和资源虚拟化方法被提出。通过资源抽象的方法，异构无线资源被抽象为多个维度的虚拟资源块，屏蔽了异构无线网络中物理资源描述方法和资源格式的差异，通过特定接口以及统一的虚拟资源和物理资源映射机制供上层管理应用统一分配和调度异构资源，提高异构资源的利用率。

现有技术中，斯坦福大学提出SoftRAN蜂窝网络架构，通过在蜂窝网络中引入集中的控制器和资源的虚拟化，实现对蜂窝网络的统一调度和管理，该架构中将物理无线资源抽象为时间、频率、基站索引的三维虚拟资源粒子，集中的控制器能够实现资源的统一调度和分配；

中国移动研究院，王晓云，黄宇红，崔春风等,C-RAN:面向绿色的未来无线接入网演进一文中，提出了C-RAN架构，是一种基于集中处理、协作无线电和实时云计算架构的无线接入网架构，该架构实现了LTE基站的软件化和基带信号的集中处理，可以灵活地进行干扰协调和基站间协作。

目前，虚拟化的异构无线网络架构被提出，但是异构无线网络中高效的虚拟资源分配方法仍然面临巨大挑战，仍然没有能够很好地解决虚拟无线资源分配的方法。

发明内容

本发明为了提高异构网络整体的资源利用率，对基于生物种群算法中的种群竞争模型进行改进，提出了一种异构网络中虚拟无线资源的分配方法，通过将异构虚拟资源块的分配建模为基于生物种群算法中的种群竞争模型，并且将竞争系数与网络整体的效用函数进行关联，实现了网络级的效用函数的优化。

具体步骤如下：

步骤一、基于生物种群算法的模型，对虚拟化异构无线网络环境中，n个虚拟子网共享虚拟化的异构无线资源的场景进行映射，得到不同虚拟子网之间的资源竞争关系；

具体映射关系为：将不同的虚拟子网映射为不同的生物种群，将每个虚拟子网中的虚拟资源请求映射为每个生物种群中的生物个体，虚拟子网之间为竞争的关系；

根据生物种群算法中的模型，不同的虚拟子网间的虚拟资源竞争关系表示为：

其中，N_i表示虚拟子网i中的虚拟资源请求k的数量，虚拟子网的数量为n，i∈n,j∈n；r_i代表虚拟子网i中占用虚拟无线资源请求数的固有增长率，K_i表示虚拟子网i的系统容量，α_i表示其它虚拟子网对虚拟子网i的平均竞争系数，α_i越小，虚拟子网占用的虚拟无线资源越多；表示系统中已经被虚拟子网i占用的虚拟无线资源；表示系统中被虚拟子网i之外的其他虚拟子网占用的虚拟无线资源；

步骤二、利用虚拟子网i的聚合效用函数映射竞争系数α_i，带入不同虚拟子网之间的资源竞争关系，从而建立不同虚拟子网间的虚拟资源竞争模型；

具体步骤如下：

步骤201、分别计算虚拟子网i中每个虚拟资源请求k的效用函数u_k；

R_k表示虚拟资源请求k能够达到的数据速率，R_k＝b_k·log₂(1+SINR_k)；b_k表示虚拟资源请求k占有的带宽，SINR_k表示虚拟资源请求k的信噪比；β_k表示虚拟资源请求k的类型；虚拟资源请求的效用函数为正实数，当0＜β_k＜1时，效用函数u_k(R_k)为：

步骤202、将虚拟子网i中每个虚拟资源请求k的效用函数u_k(R_k)相加，获取虚拟子网i的聚合效用函数U_i；

计算公式为：

B为系统总的带宽；

步骤203、将虚拟子网i的聚合效用函数U_i与竞争系数α_i之间建立映射；

其中，a_i为虚拟子网i的变量，通过设置a_i的取值范围保障公平性和优先级；b为常数；

步骤204、将映射后的竞争系数α_i带入不同的虚拟子网间的虚拟资源竞争关系式中，得到不同虚拟子网间的虚拟资源竞争模型；

表示为：

步骤三、根据不同虚拟子网间的虚拟资源竞争模型，为不同虚拟子网分配无线网络虚拟资源；

首先，每个虚拟子网每隔单位时间T，分别对各自的竞争系数α_i进行检查，当α_i值发生改变后，对竞争系数α_i进行更新；

T表示虚拟无线资源的分配时间间隔；

然后，不同虚拟子网间的虚拟资源竞争模型，为不同的虚拟子网分别分配虚拟无线资源；

具体分配公式如下：

其中，N₁表示虚拟子网1中虚拟资源请求的数量；N₂表示虚拟子网2中虚拟资源请求的数量；r₁表示虚拟子网1占用虚拟无线资源请求数固有的种群增长率；r₂表示虚拟子网2占用虚拟无线资源请求数固有的种群增长率，α₁表示虚拟子网2对虚拟子网1的竞争系数，α₂代表虚拟子网1对虚拟子网2的竞争系数；

步骤四、每个虚拟子网分配了无线网络虚拟资源后，分别针对各自的虚拟资源请求进行异构无线网络虚拟资源的分配；

具体步骤如下：

步骤401、针对某个虚拟子网i，该子网中的每个虚拟资源请求按效用函数u_k的大小，降序排序，选出效用函数最大的虚拟资源请求；

步骤402、虚拟子网i每隔单位时间T，更新自身的空闲资源；

步骤403、判断虚拟子网i中的空闲资源是否能够满足效用函数最大的请求所需的资源，如果能，则为效用函数最大的请求分配虚拟无线资源，否则，进入步骤404；

步骤404、将效用函数最大的请求放入等待队列；

步骤405、判断虚拟子网i中的等待队列中是否仍有未分配资源的请求，如有，则转到步骤401，否则，所有请求已分配完毕，结束。

本发明的优点在于：

1)、本发明一种异构无线网络中虚拟无线资源分配方法，基于生物种群中的种群竞争模型，异构网络系统中的各个虚拟子网通过资源竞争的方式动态获取虚拟无线资源，并且最终达到动态的平衡。

2)、本发明一种异构无线网络中虚拟无线资源分配方法，通过每个虚拟资源请求求得虚拟子网的聚合效用函数，并将其与竞争参数建立映射，动态调整虚拟子网对资源的占用能力。效用函数高的虚拟子网能够占用更多的资源，这样保证了整个系统的效用函数的提高，从而提高了系统的资源利用率。

附图说明

图1为本发明中虚拟子网间资源竞争关系示意图；

图2为本发明中虚拟资源分配方法的步骤流程图；

图3为本发明建立不同虚拟子网间的虚拟资源竞争模型的流程图；

图4为本发明每个虚拟子网分配异构无线网络虚拟资源的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明一种异构网络中虚拟无线资源的分配方法，是基于网络聚合效用函数的新型异构虚拟无线资源分配方案，通过将异构虚拟资源的分配建模为基于生物种群算法的竞争模型，并且将竞争系数与网络整体的效用函数进行关联，实现了网络级的效用函数的优化，对于提高异构网络整体的资源利用率具有重要意义。

如图2所示，具体步骤如下：

步骤一、基于生物种群算法中的捕食者-食饵模型，将虚拟化异构无线网络环境中，n个虚拟子网共享虚拟化的异构无线资源的场景进行映射，将不同虚拟子网之间的资源竞争关系用公式表示；

虚拟子网包括虚拟运营商；

虚拟子网间资源竞争关系具体映射关系为如图1所示，各个异构无线网络的无线资源被统一抽象为统一格式的虚拟无线资源形成虚拟无线资源池，对应生物种群系统中有限的自然资源，各个虚拟子网对应映射不同的生物种群，每个虚拟子网中用的虚拟资源请求对虚拟无线资源的占用以及数目的增长分别对应每个生物种群中的个体对自然资源的占用和种群数目的增长，虚拟资源请求的减少以及资源的释放对应生物种群中个体的消亡和对自然资源的释放，虚拟子网之间为竞争的关系；

两种生物种群间的捕食者-食饵模型可以表示为：

其中，x₁和x₂分别表示两个种群数量；r₁表示种群x₁固有的种群增长率；r₂表示种群x₂固有的种群增长率，K₁表示种群x₁的环境容量；K₂表示种群x₂的环境容量，α₁表示其它种群中的个体对种群x₁的个体数量增长的抑制竞争系数；α₂代表其它种群中的个体对种群x₂的个体数量增长的抑制竞争系数；

根据生物种群算法中的模型，不同的虚拟子网间的虚拟资源竞争关系可以表示为：

其中，N_i表示虚拟子网i中的虚拟资源请求k的数量，虚拟子网的数量为n，i∈n,j∈n；r_i代表虚拟子网i中占用虚拟无线资源块的用户请求数的固有增长率，K_i表示虚拟子网i的系统容量，α_i表示其它虚拟子网对虚拟子网i的平均竞争系数。平均竞争系数α_i越小，虚拟子网占用的虚拟无线资源越多；因此可以通过调节该参数来进行虚拟子网间的无线资源分配；表示系统中已经被虚拟子网i占用的虚拟无线资源；表示系统中被虚拟子网i之外的其他虚拟子网占用的虚拟无线资源；

步骤二、利用虚拟子网i的聚合效用函数映射竞争系数α_i，带入不同虚拟子网之间的资源竞争关系，从而建立不同虚拟子网间的虚拟资源竞争模型；

如图3所示，具体步骤如下：

步骤201、分别计算虚拟子网i中每个虚拟资源请求k的效用函数u_k；

R_k表示虚拟资源请求k能够达到的数据速率，由于虚拟无线资源的分配时间间隔是单位时间T，因此在t时刻虚拟资源请求k能达到的最大数据速率表示为：R_k＝b_klog₂(1+SINR_k)；b_k表示虚拟资源请求k占有的带宽，SINR_k表示虚拟资源请求k的信噪比；β_k表示虚拟资源请求k的类型；

假设虚拟资源请求的效用函数为正实数，当0＜β_k＜1时，效用函数u_k(R_k)为：

步骤202、将虚拟子网i中每个虚拟资源请求k的效用函数u_k(R_k)相加，获取虚拟子网i的聚合效用函数U_i；

计算公式为：

B为系统总的带宽；

步骤203、将虚拟子网i的聚合效用函数U_i与竞争系数α_i之间建立映射；

其中，a_i为虚拟子网i的变量，通过设置a_i的取值范围保障公平性和优先级；b为常数；通过调整这两个参数，可以保证系统能够达到动态平衡状态；

因为各个虚拟子网的优先级不同，通过设置a_i来实现不同虚拟子网获得资源的优先顺序；a_i和b的取值为经验值，通过试验获得。

步骤204、将映射后的竞争系数α_i带入不同的虚拟子网间的虚拟资源竞争关系式中，得到不同虚拟子网间的虚拟资源竞争模型；

关于虚拟子网虚拟请求数量N_i的微分方程表示为：

步骤三、根据不同虚拟子网间的虚拟资源竞争模型，为不同虚拟子网分配无线网络虚拟资源；

首先，每个虚拟子网每隔单位时间T，分别对各自的竞争系数α_i进行检查，当α_i值发生改变后，对竞争系数α_i进行更新；

T表示虚拟无线资源的分配时间间隔；

然后，不同虚拟子网间的虚拟资源竞争模型，为不同的虚拟子网分别分配虚拟无线资源；

具体分配公式如下：

其中，N₁表示虚拟子网1中虚拟资源请求的数量；N₂表示虚拟子网2中虚拟资源请求的数量；r₁表示虚拟子网1占用虚拟无线资源请求数固有的种群增长率；r₂表示虚拟子网2占用虚拟无线资源请求数固有的种群增长率，α₁表示虚拟子网2对虚拟子网1的竞争系数，α₂代表虚拟子网1对虚拟子网2的竞争系数；

步骤四、每个虚拟子网分配了无线网络虚拟资源后，分别针对各自的虚拟资源请求进行异构无线网络虚拟资源的分配；

如图4所示，具体步骤如下：

步骤401、针对某个虚拟子网i，该子网中的每个虚拟资源请求按效用函数u_k的大小，降序排序，选出效用函数最大的虚拟资源请求；

步骤402、虚拟子网i每隔单位时间T，更新自身的空闲资源；

步骤403、判断虚拟子网i中的空闲资源是否能够满足效用函数最大的请求所需的资源，如果能，则为效用函数最大的请求分配虚拟无线资源，否则，进入步骤404；

步骤404、将效用函数最大的请求放入等待队列；

步骤405、判断虚拟子网i中的等待队列中是否仍有未分配资源的请求，如有，则转到步骤401，否则，所有请求已分配完毕，结束。

本发明中虚拟资源分配方法为：首先，对于每个虚拟子网，每隔T时间检查其竞争系数α_i，若α_i值发生改变，则进行更新；然后，为每个虚拟子网分配虚拟无线资源；接下来，对于虚拟子网内部的虚拟资源请求，根据每个虚拟资源请求的效用函数u_k大小，对虚拟子网中的资源请求进行排序；按照由大到小的顺序对虚拟资源请求进行处理，若虚拟子网中的空闲资源能够满足该请求所需的资源，则为其分配虚拟无线资源，若不能满足，则将其放入等待队列，直至为所有的虚拟资源请求分配了资源为止，保证了整个系统的效用函数的提高，从而提高了系统的资源利用率。

Claims (2)

1.一种异构网络中虚拟无线资源的分配方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、基于生物种群算法的模型，对虚拟化异构无线网络环境中，n个虚拟子网共享虚拟化的异构无线资源的场景进行映射，得到不同虚拟子网之间的资源竞争关系；

具体映射关系为：将不同的虚拟子网映射为不同的生物种群，将每个虚拟子网中的虚拟资源请求映射为每个生物种群中的生物个体，虚拟子网之间为竞争的关系；

根据生物种群算法中的模型，不同的虚拟子网间的虚拟资源竞争关系表示为：

其中，N_i表示虚拟子网i中的虚拟资源请求k的数量，虚拟子网的数量为n，i∈n,j∈n；r_i代表虚拟子网i中占用虚拟无线资源请求数的固有增长率，K_i表示虚拟子网i的系统容量，α_i表示其它虚拟子网对虚拟子网i的平均竞争系数，α_i越小，虚拟子网占用的虚拟无线资源越多；表示系统中已经被虚拟子网i占用的虚拟无线资源；表示系统中被虚拟子网i之外的其他虚拟子网占用的虚拟无线资源；

步骤二、利用虚拟子网i的聚合效用函数映射竞争系数α_i，带入不同虚拟子网之间的资源竞争关系，从而建立不同虚拟子网间的虚拟资源竞争模型；

具体为：

步骤201、分别计算虚拟子网i中每个虚拟资源请求k的效用函数u_k；

R_k表示虚拟资源请求k能够达到的数据速率，R_k＝b_k·log₂(1+SINR_k)；b_k表示虚拟资源请求k占有的带宽，SINR_k表示虚拟资源请求k的信噪比；β_k表示虚拟资源请求k的类型；虚拟资源请求的效用函数为正实数，当0＜β_k＜1时，效用函数u_k(R_k)为：

步骤202、将虚拟子网i中每个虚拟资源请求k的效用函数u_k(R_k)相加，获取虚拟子网i的聚合效用函数U_i；

计算公式为：

B为系统总的带宽；

步骤203、将虚拟子网i的聚合效用函数U_i与竞争系数α_i之间建立映射；

其中，a_i为虚拟子网i的变量，通过设置a_i的取值范围保障公平性和优先级；b为常数；

步骤204、将映射后的竞争系数α_i带入不同的虚拟子网间的虚拟资源竞争关系式中，得到不同虚拟子网间的虚拟资源竞争模型；

表示为：

步骤三、根据不同虚拟子网间的虚拟资源竞争模型，为不同虚拟子网分配无线网络虚拟资源；

首先，每个虚拟子网每隔单位时间T，分别对各自的竞争系数α_i进行检查，当α_i值发生改变后，对竞争系数α_i进行更新；

T表示虚拟无线资源的分配时间间隔；

然后，不同虚拟子网间的虚拟资源竞争模型，为不同的虚拟子网分别分配虚拟无线资源；

具体分配公式如下：

其中，N₁表示虚拟子网1中虚拟资源请求的数量；N₂表示虚拟子网2中虚拟资源请求的数量；r₁表示虚拟子网1占用虚拟无线资源请求数固有的种群增长率；r₂表示虚拟子网2占用虚拟无线资源请求数固有的种群增长率，α₁表示虚拟子网2对虚拟子网1的竞争系数，α₂代表虚拟子网1对虚拟子网2的竞争系数；

步骤四、每个虚拟子网分配了无线网络虚拟资源后，分别针对各自的虚拟资源请求进行异构无线网络虚拟资源的分配。

2.如权利要求1所述的一种异构网络中虚拟无线资源的分配方法，其特征在于，所述的步骤四具体为：

步骤401、针对某个虚拟子网i，该子网中的每个虚拟资源请求按效用函数u_k的大小，降序排序，选出效用函数最大的虚拟资源请求；

步骤402、虚拟子网i每隔单位时间T，更新自身的空闲资源；

步骤403、判断虚拟子网i中的空闲资源是否能够满足效用函数最大的请求所需的资源，如果能，则为效用函数最大的请求分配虚拟无线资源，否则，进入步骤404；

步骤404、将效用函数最大的请求放入等待队列；

步骤405、判断虚拟子网i中的等待队列中是否仍有未分配资源的请求，如有，则转到步骤401，否则，所有请求已分配完毕，结束。