CN107018528A - 一种单小区lte‑a系统中基于等效容量的无线网络虚拟化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线网络虚拟化技术领域，公开了一种单小区LTE‑A系统中基于等效容量的无线网络虚拟化方法，引入LTE‑A上行链路系统作为系统模型，无线信道为瑞利信道；通过有限状态马尔可夫模型表示瑞利信道，划分信道状态门限，获得状态转移概率矩阵；计算一个调度时隙内服务速率的概率分布；计算一个调度时隙内各个业务流选择各个资源分配模式时的等效容量信息；以系统等效容量最大建立资源分配模型的目标函数；利用分支定界法求出资源分配模型的信道分配变量。本发明解决了由于无线信道的时变特性和衰落特性造成得到的数据不够精确的问题。本发明向不同种类的业务类型提供定制服务，降低移动蜂窝网络部署和操作的整体花费。

Description

一种单小区LTE-A系统中基于等效容量的无线网络虚拟化 方法

技术领域

本发明属于无线网络虚拟化技术领域，特别涉及一种基于等效容量的无线网络虚拟化方法，可用于在单小区LTE-A系统中。

背景技术

伴随互联网的快速发展，过去的网络架构明显已经陷入了僵化的状态，虚拟化技术是能够解决该问题的有效方法，成为了下一代互联网技术研究的热点。无线网络虚拟化通过将物理无线基础设施和无线电频谱资源抽象和隔离成虚拟资源，构成无线虚拟网，供不同虚拟网络运营商应用，可以灵活地向用户提供定制的服务并且大大减少网络的部署和运行费用。同时，无线虚拟网络可以独立运行，使得新成果和技术更易接入网络，提高资源利用率和频谱效率。

由于无线信道的衰落特性和时变特性使得无线网络虚拟化在研究资源分配和业务的时延特性时十分困难。Gang Liu，F.Richard Yu，Victor C.M.Leung研究了全双工系统中无线蜂窝网络虚拟化的虚拟资源管理机制，将虚拟资源管理问题构建成为了三层Stackelberg游戏，并求出了Stackelberg均衡，但是在进行上述研究的时候，忽略了信道状态信息的变化，没有动态的根据信道的变化进行资源分配。

综上所述，现有技术存在的问题是：与有限信道不同，无线信道是一种复杂的时变信道，其衰落特性受传播环境的影响较大，会产生路径传播损耗、阴影衰落损耗和多径衰落损耗等路径损耗，在大部分的无线网络虚拟化研究中为了研究方便，都忽略了信道的变化，默认在一定时间内信道不发生变化，但是这种假设显然不合理，无法根据信道的变化实时更新资源的分配情况，动态地调整分配策略，造成分配结果与实际信道不符合的情况，同时，由于信道的随机变化也使得在资源分配的过程中分析信道状态信息时产生了计算复杂度较高的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种单小区LTE-A系统中基于等效容量的无线网络虚拟化方法，通过有限状态马尔可夫模型获得信道状态信息，进而研究无线网络虚拟化中的资源分配技术。

本发明的技术方案是：一种单小区LTE-A系统中基于等效容量的无线网络虚拟化方法，通过有限状态马尔可夫模型表示瑞利信道，对接收端信噪比进行信道状态划分，并获得信道状态转移矩阵，然后得到一个调度时隙内的服务速率的概率分布，进而获取等效容量信息，根据等效容量构建资源分配模型的目标函数和约束条件，通过分支定界法求出资源分配模型的最优信道分配矩阵。其实现方案包括如下：

1)引入LTE-A上行链路系统作为系统模型，无线信道为瑞利信道。

2)通过有限状态马尔可夫模型表示瑞利信道，获得状态转移概率矩阵：

2a)结合瑞利信道的概率密度函数，将接收端信噪比划分为M个信道状态，p_i,_j是信道状态转移概率矩阵P的元素，表示从第i个状态转移到第j个状态的概率，i是1到M之间的正整数，j是1到M之间的正整数，同时假定无线信道的状态转移只发生在自身状态的相邻状态之间，在一个单位子帧时间T_p内，物理信道不发生变化，进入下一子帧时发生状态转移。

2b)对接收端信噪比进行信道状态划分，求得信道状态的门限向量Γ＝[Γ₁,Γ₂,…,Γ_M+1]。

2c)根据信道状态的门限向量Γ求出信道状态转移概率矩阵P。

3)假定一个调度时隙T内，信道状态发生了L次转移，对不同载波和不同用户具有不同的初始状态，为描述方便，忽略资源块和用户索引，令R＝(r₁+…+r_l…+r_L)/L表示一个调度时间内的服务速率，其中r_l表示第l个子帧内的信道容量，l是1到L之间的正整数，通过状态转移概率矩阵P可得到R的概率分布。

4)获取等效容量信息：

4a)一个调度时隙内信道可以服务的数据量S_k,n(t)＝T·R_k,n，其中k是1到K之间的正整数，K为用户个数，n是1到N之间的正整数，N为载波个数

4b)根据R的概率分布、数据量S(t)和第s个虚拟网的QoS指数θ_s可以得到s是1到S之间的正整数，S是虚拟网个数。

4c)由于在LTE-A上行系统，资源块必须连续的分配给同一用户，得到第w种模式下的等效容量w是1到W之间的正整数，

5)根据等效容量建立资源分配模型的目标函数：

表示信道分配变量，是一个0-1二值变量。

该目标函数共有三条约束：

第一条约束，是每条子信道只能分配给一条物理链路使用；

第二条约束，每条链路都会选择一种资源分配模式用来传输信息；

第三条约束，信道分配变量为0-1的二值变量；

(6)利用分支定界法最大化(5)的目标函数，得到信道分配矩阵。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明采用了建立有限马尔可夫信道模型表示瑞利信道的方法，估计了一个调度时隙内信道的统计信息，得到了等效容量信息，解决了以往研究QoS特性，由于无线信道的时变特性和衰落特性造成得到的数据不够精确的问题。

第二，由于本发明构建了三个虚拟网络，每个虚拟网络提出了不同的QoS指数需求，在同一个物理网络中能够向不同种类的业务类型提供定制服务，降低移动蜂窝网络部署和操作的整体花费。

附图说明

图1是本发明提供的一种单小区LTE-A系统中基于等效容量的无线网络虚拟化方法实现流程图。

图2是本发明三个虚拟网络的等效容量随信噪比变化的对比图。

图3是本发明与其他两种算法的容量对比图。

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。

本发明通过有限状态马尔可夫模型表示瑞利信道，对接收端信噪比进行信道状态划分，并获得信道状态转移矩阵，然后得到一个调度时隙内的服务速率的概率分布，进而获取等效容量信息，根据等效容量构建资源分配模型的目标函数和约束条件，通过分支定界法求出资源分配模型的最优信道分配矩阵。

下面结合附图对本发明做进一步的描述:

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，引入LTE-A上行链路系统作为系统模型，无线信道为瑞利信道。

步骤2，通过有限状态马尔可夫模型表示瑞利信道，获得状态转移概率矩阵：

2a)结合瑞利信道的概率密度函数，将接收端信噪比划分为M个信道状态，p_i,j是信道状态转移概率矩阵P的元素，表示从第i个状态转移到第j个状态的概率，i是1到M之间的正整数，j是1到M之间的正整数，同时假定无线信道的状态转移只发生在自身状态的相邻状态之间，在一个单位子帧时间T_p内，物理信道不发生变化，进入下一子帧时发生状态转移。

2b)对接收端信噪比进行信道状态划分，求得信道状态的门限向量Γ＝[Γ₁,Γ₂,…,Γ_M+1]。

2c)根据信道状态的门限向量Γ求出信道状态转移概率矩阵P，其计算公式如下：

其中，为电平交叉率，表示信道状态的稳态概率，γ₀为接收端平均信噪比，γ₀为接收端瞬时信噪比。

步骤3，假定一个调度时隙T内，信道状态发生了L次转移，对不同载波和不同用户具有不同的初始状态，为描述方便，忽略资源块和用户索引，令R＝(r₁+…+r_l…+r_L)/L表示一个调度时间内的服务速率，其中r_l表示第l个子帧内的信道容量，l是1到L之间的正整数，通过状态转移概率矩阵P可得到R的概率分布，其计算公式为：

其中，ξ表示组合数的个数，R_j为R的可能取值，的取值范围为所有状态对应的容量的组合。

步骤4：获取等效容量信息：

4a)一个调度时隙内信道可以服务的数据量S_k,n(t)＝T·R_k,n，其中k是1到K之间的正整数，K为用户个数，n是1到N之间的正整数，N为载波个数

4b)根据R的概率分布、数据量S(t)和第s个虚拟网的QoS指数θ_s可以得到s是1到S之间的正整数，S是虚拟网个数，其计算公式如下：

4c)由于在LTE-A上行系统，资源块必须连续的分配给同一用户，得到第w种模式下的等效容量w是1到W之间的正整数，

步骤5，根据等效容量建立资源分配模型的目标函数：

表示信道分配变量，是一个0-1二值变量。

该目标函数共有三条约束：

第一条约束，是每条子信道只能分配给一条物理链路使用；

第二条约束，每条链路都会选择一种资源分配模式用来传输信息；

第三条约束，信道分配变量为0-1的二值变量；

步骤6，利用分支定界法最大化(5)的目标函数，得到信道分配矩阵。

本发明的效果可通过仿真进一步的说明

1.仿真条件：

本发明的仿真在单个小区的无线通信场景中进行，设共有15个资源块，每个资源块包含了12条子载波，子载波带宽间隔为15kHz，每个资源库的带宽为180kHz，用户个数为3，虚拟网个数为3，第1个虚拟网的QoS指数为0.01，第2个虚拟网的QoS指数为0.1，第三个虚拟网的QoS指数为1。

2.仿真内容与结果分析

仿真1，按照上述仿真条件，对本发明建立三个虚拟网的等效容量随信噪比变化进行仿真，结果如图2。

从图2可以看出，随着信噪比的增大，系统的等效容量越来越大，能够向用户提供更多的服务，同时，第一个虚拟网的等效容量最大，这是由于QoS指数表示时延约束，当QoS指数越大时，系统的时延约束要求越宽松，等效容量的值就越大。

仿真2，按照上述的仿真条件，对本发明与平均分配算法和随机分配算法的容量对比图。

从图3可以看出，本发明所提出的算法与平均分配算法和随机分配算法相比，能够获得更多的系统容量，这证明了等效容量和容量的正向关系。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种单小区LTE-A系统中基于等效容量的无线网络虚拟化方法，其特征在于，所述基于等效容量的无线网络虚拟化方法通过有限状态马尔可夫模型表示瑞利信道，对接收端信噪比进行信道状态划分，并获得信道状态转移矩阵，然后得到一个调度时隙内的服务速率的概率分布，进而获取等效容量信息，根据等效容量构建资源分配模型的目标函数和约束条件，通过分支定界法求出资源分配模型的最优信道分配矩阵。

2.如权利要求1所述的一种单小区LTE-A系统中基于等效容量的无线网络虚拟化方法，其特征在于，所述基于等效容量的无线网络虚拟化方法包括：

1)引入LTE-A上行链路系统作为系统模型，无线信道为瑞利信道；

2)通过有限状态马尔可夫模型表示瑞利信道，获得状态转移概率矩阵：

2a)结合瑞利信道的概率密度函数，将接收端信噪比划分为M个信道状态，p_i,j是信道状态转移概率矩阵P的元素，表示从第i个状态转移到第j个状态的概率，i是1到M之间的正整数，j是1到M之间的正整数，同时假定无线信道的状态转移只发生在自身状态的相邻状态之间，在一个单位子帧时间T_p内，物理信道不发生变化，进入下一子帧时发生状态转移；

2b)对接收端信噪比进行信道状态划分，求得信道状态的门限向量Γ＝[Γ₁,Γ₂,…,Γ_M+1]；

2c)根据信道状态的门限向量Γ求出信道状态转移概率矩阵P；

3)假定一个调度时隙T内，信道状态发生了L次转移，对不同载波和不同用户具有不同的初始状态，为描述方便，忽略资源块和用户索引，令R＝(r₁+…+r_l…+r_L)/L表示一个调度时间内的服务速率，其中r_l表示第l个子帧内的信道容量，l是1到L之间的正整数，通过状态转移概率矩阵P可得到R的概率分布；

4)获取等效容量信息：

4a)一个调度时隙内信道可以服务的数据量S_k,n(t)＝T·R_k,n，其中k是1到K之间的正整数，K为用户个数，n是1到N之间的正整数，N为载波个数

4b)根据R的概率分布、数据量S(t)和第s个虚拟网的QoS指数θ_s可以得到s是1到S之间的正整数，S是虚拟网个数；

4c)由于在LTE-A上行系统，资源块必须连续的分配给同一用户，得到第w种模式下的等效容量w是1到W之间的正整数，

5)根据等效容量建立资源分配模型的目标函数：

表示信道分配变量，是一个0-1二值变量；

该目标函数共有三条约束：

第一条约束，是每条子信道只能分配给一条物理链路使用；

第二条约束，每条链路都会选择一种资源分配模式用来传输信息；

第三条约束，信道分配变量为0-1的二值变量；

(6)利用分支定界法最大化(5)的目标函数，得到信道分配矩阵。

3.根据权利要求1所述的一种单小区LTE-A系统中基于等效容量的无线网络虚拟化方法，其特征在于，所述步骤2c)中根据信道状态的门限向量Γ求出信道状态转移概率矩阵P，其计算公式如下：

其中，为电平交叉率，表示信道状态的稳态概率，γ₀为接收端平均信噪比，γ₀为接收端瞬时信噪比。

4.根据权利要求1所述的一种单小区LTE-A系统中基于等效容量的无线网络虚拟化方法，其特征在于，所述步骤3)中通过状态转移概率矩阵P可得到R的概率分布，其计算公式为：

其中，ξ表示组合数的个数，R_j为R的可能取值，的取值范围为所有状态对应的容量的组合。

5.根据权利要求1所述的一种单小区LTE-A系统中基于等效容量的无线网络虚拟化方法，其特征在于，所述步骤4b)中根据R的概率分布、数据量S(t)和第s个虚拟网的QoS指数θ_s可以得到其计算公式为：