CN107172709B - 一种基于中继网络的无线虚拟化资源管理分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于中继网络的无线虚拟化资源管理分配方法，中继网络首先根据全双工中继网络中自干扰消除状况和信道状态信息来判别是否使用全双工中继电站，动态地调整中继模式。在中继模式可自由切换的前提下，对虚拟资源分配问题进行建模，首先，给出用户、和业务提供商效用函数的定义。其次，在考虑多个不同约束条件的前提下，将联合虚拟资源分配问题建模为一个以最大化所有业务提供商总效用为目标的集中式优化问题。从而设计出一种资源管理算法。本发明方法在考虑了无线网络虚拟化基本要求的前提下，充分利用网络虚拟化和全双工中继技术的优势，联合优化中继模式选择、基站选择、中继选择、载波和功率分配问题。

Description

一种基于中继网络的无线虚拟化资源管理分配方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是一种基于中继网络的无线虚拟化资源管理分配方法。

背景技术

近年来无线网络虚拟化已经成为人们关注的焦点。网络虚拟化的基本思想是把传统的互联网服务提供商ISP的作用成两个逻辑角色：基础设施提供商InP和服务提供商SP。基础设施提供商创建和管理物理基础设施，业务提供商从多个基础设施提供商InPs租借虚拟资源，对它们操作、编程，从而为终端用户提供各种服务。换句话讲，虚拟化无线网络即是实现对无线资源的抽象，分片，隔离和共享的过程。伴随着无线业务和流量的巨大增长，将虚拟化从有线网络扩展到无线网络成为必然趋势。

虽然一些出色的研究课题已经完成了无线网络虚拟化，但是大多数现有的课题中并没有考虑到中继电站。然而，中继电站已被视为未来的无线网络的不可或缺的技术之一。此外，自干扰消除技术的最新进展对全双工中继FDR系统的实现提供了帮助。虽然有些研究课题将无线资源虚拟化引入到全双工中继网络中，但是，当干扰消除不彻底或者信道状态变化明显时，全双工中继网络的性能可能会不如半双工中继网络的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于中继网络的无线虚拟化资源管理分配方法，能够联合优化虚拟化资源分配过程中的中继网络模式选择、基站选择、中继电站选择、载波和功率分配问题。本发明方法通过分配可用功率和子载波可以最大化业务提供商总效用。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于中继网络的无线虚拟化资源管理分配方法，中继网络包括多个基础设施提供商InP和多个业务提供商SP，每个InP管理一个蜂窝式网络，该蜂窝式网络由一个基站BS和多个中继电站RS组成；每个SP是由多个InP的蜂窝式网络所构成，所有基础设施提供商的无线频谱、基站、中继电站以及传输功率均被动态地分配给来自不同业务提供商的用户；

步骤一、将每个蜂窝式网络中RS和用户通过线性的最小均方误差接收机连接，BS和RS采用最优的发送预编码矩阵，使得各个子载波上基站到中继电站再到用户的信道对角化；

步骤二、设和为在第k个子载波上从第m个基站到第l个中继电站的信道矩阵，为在第k个子载波上从第l个中继电站到第u个用户的信道矩阵，C^N×N为N×N阶满秩矩阵；中继电站的信道经过预编码处理后，在第k个子载波上从第m个基站到第l个中继电站的等效信噪比矩阵其中，表示在第k个子载波的第n个空间子信道上从第m个基站到第l个中继电站的信道噪声功率，n∈(1…N)，N为空间子信道的个数，[]^T表示转置矩阵；在第k个子载波上从第l个中继电站到第u个用户的等效信噪比矩阵其中，表示在第k个子载波的第n个空间子信道上从第l个中继电站到第u个用户的信道噪声功率；

得出第u个用户在全双工中继网络下的总传输速率为：

第u个用户在半双工中继网络下的总传输速率为：

其中，W表示每个子载波的带宽，M表示BS个数，L表示RS个数，K表示子载波个数，表示子载波分配指标，如果第k个子载波经由第m个基站通过第l个中继电站为第u个用户提供服务，则否则表示第m个基站在第k个子载波的第n个空间子信道上分配的传输功率，表示第l个中继电站在第k个子载波的第n个空间子信道上分配的传输功率，是在全双工中继网络下第l个中继电站在第k个子载波的第n个空间子信道的残余自干扰增益；

步骤三、根据用户使用全双工中继网络模式和半双工中继网络模式下总传输速率的大小，动态地调整中继网络模式，从而实现中继网络模式的自由切换，中继网络模式为混合半双工或全双工中继网络模式，使得用户总传输速率达到最大值；据此，第u个用户所选中继网络模式应满足：

步骤四、将业务提供商的效用函数定义为业务提供商所服务的所有用户效用函数的加权和，由此得到每个业务提供商的总效用F_SP(U)；

步骤五、采用对偶分解法和次梯度迭代法，将业务提供商的总效用最大化优化问题转换为求解业务提供商总效用的对偶函数的最优解，求得各个用户所分配传输功率最优值和子载波分配指标值，从而得到各个用户总传输速率最优值，使得业务提供商的总效用最大化；

步骤六、各个SP的虚拟网络控制器根据用户的子载波分配指标值进行用户调度，确定用户的服务质量需求，计算该SP对应的总效用值并将其汇报给虚拟资源管理器；

步骤七、在每个资源调度周期中，虚拟资源管理器根据不同的服务质量需求、各个用户所分配传输功率最优值、各个用户总传输速率最优值和信道状态反馈信息，将所有基础设施提供商的虚拟资源动态地分配给不同SP，其总体目标是在满足预设限制条件的前提下，最大化业务提供商的总效用。

作为本发明所述的一种基于中继网络的无线虚拟化资源管理分配方法进一步优化方案，业务提供商的总效用表示具体如下：

将业务提供商的效用函数定义为业务提供商所服务的所有用户效用函数的加权和，设第i个业务提供商所服务的用户集合表示为U，则在全双工中继网络模式下第i个业务提供商总效用为：在半双工中继网络模式下第i个业务提供商总效用为：

其中，β是虚拟资源管理器收取的第i个业务提供商的价格，ω是每个业务提供商根据不同的调度准则为第u个用户设置的正权重。

作为本发明所述的一种基于中继网络的无线虚拟化资源管理分配方法进一步优化方案，最大化业务提供商的总效用被建模如下：

其中，I为SP个数，P_T为各个载波上允许的最大传输功率，R(u)为第u个用户的总传输速率，为第u个用户的最低速率阈值，每个子载波仅由一个用户使用，在一个子载波上每个用户只能从一个基站和一个中继电站来获得服务。

作为本发明所述的一种基于中继网络的无线虚拟化资源管理分配方法进一步优化方案，K≥2。

作为本发明所述的一种基于中继网络的无线虚拟化资源管理分配方法进一步优化方案，M≥2。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明方法根据全双工中继网络中自干扰消除状况和信道状态信息来判别是否使用全双工中继网络，动态地调整中继网络模式；在中继网络模式可自由切换的前提下，给出用户、和业务提供商效用函数的定义，在考虑多个不同约束条件的前提下对虚拟资源分配问题进行建模，将联合虚拟资源分配问题建模为一个以最大化所有业务提供商总效用为目标的集中式优化问题；

(2)相比现有技术，本发明方法通过分配可用功率和子载波可以最大化业务提供商总效用。

附图说明

图1是本发明方法所适用的中继网络中虚拟化资源管理架构模型图。

图2为本发明中资源分配算法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明所述的中继网络中虚拟化资源管理架构模型，如附图1所示，假设有K个带宽为W的子载波，M个基站和L个中继电站。每个基站，中继电站和用户都配备了N个天线。第i个SP的用户设为U_i，使表示所有用户，|U|表示用户总数。

在该框架中，所有基础设施提供商的无线频谱、基站、中继电站以及传输功率均被看作虚拟资源，都可以被动态地分配给来自不同业务提供商的用户；每个SP看作是拥有一个虚拟网络，并且该虚拟网络是由多个InP的蜂窝式网络所构成的，所以SP的每个用户都可以接入任何InP的物理资源。同时，虚拟资源管理器可以提取所有InP的虚拟资源，并对其进行管理和动态分配；该中继网络中所考虑的用户传输模式为用户通过中继电站与基站连接获取服务，中继电站采用了解码并转发的中继模式；每个蜂窝网络中RS和用户通过线性的最小均方误差接收机连接，BS和RS采用最优的发送预编码矩阵，使得各个子载波上基站到中继电站再到用户的信道对角化。

使用本发明方法时，资源分配算法的流程图如附图2所示。

设和为在第k个子载波上从第m个基站到第l个中继电站的信道矩阵，为在第k个子载波上从第l个中继电站到第u个用户的信道矩阵，C^N×N为N×N阶满秩矩阵；中继电站的信道经过预编码处理后，在第k个子载波上从第m个基站到第l个中继电站的等效信噪比矩阵其中表示在第k个子载波的第n个空间子信道上从第m个基站到第l个中继电站的信道噪声功率，n∈(1…N)，[]^T表示转置矩阵；在第k个子载波上从第l个中继电站到第u个用户的等效信噪比矩阵其中表示在第k个子载波的第n个空间子信道上从第l个中继电站到第u个用户的信道噪声功率。

所以全双工中继网络模式下，第k个子载波上通过第l个中继电站从第m个基站到第u个用户的信道容量为半双工中继网络模式下，在第k个子载波上通过第l个中继电站从第m个基站到第u个用户的信道容量为

其中，N表示每个子载波上空间子信道个数。

因此可以得出第u个用户在全双工中继网络下的总传输速率为：

第u个用户在半双工中继网络下的总传输速率为：

其中，W表示每个子载波的带宽，M表示BS个数，L表示RS个数，K表示子载波个数。表示子载波分配指标，如果第k个子载波经由第m个基站通过第l个中继电站为第u个用户提供服务，则否则表示第m个基站在第k个子载波的第n个空间子信道上分配的传输功率，表示第l个中继电站在第k个子载波的第n个空间子信道上分配的传输功率，是在全双工中继网络下第l个中继电站在子载波k的空间信道n的残余自干扰增益。

根据用户使用全双工中继网络模式和半双工中继网络模式下总传输速率的大小，动态地调整中继网络模式，从而实现中继网络模式的自由切换，中继网络模式为混合半双工或全双工中继网络模式，使得用户总传输速率达到最大值。因此，第u个用户所选中继网络模式应满足：

将业务提供商的效用函数定义为它所服务的所有用户效用函数的加权和，由此可以得到每个业务提供商的总效用F_SP(U)，若业务提供商的总效用值越大，说明业务提供商的收益越大，并且越愿意支付更多。

设第i个业务提供商所服务的用户集合表示为U，则在全双工中继网络模式下第i个业务提供商总效用为：在半双工中继网络模式下第i个业务提供商总效用为：

其中，β是虚拟资源管理器收取的第i个业务提供商的价格，ω是每个业务提供商根据不同的调度准则为第u个用户设置的正权重。

因此最大化业务提供商的总效用可被建模如下：

其中，I为SP个数，P_T为各个载波上允许的最大传输功率，R(u)为第u个用户的总传输速率，为第u个用户的最低速率阈值，每个子载波仅由一个用户使用，在一个子载波上每个用户只能从一个基站和一个中继电站来获得服务。

最大化业务提供商的效用函数明显是一个非凸的函数，因此，想要直接求解该优化问题只能通过全局搜索的方法，然而搜索变量的全部组合在计算上几乎不可能实现。考虑到当子载波数目足够大时，多用户通信系统下原始问题和对偶问题之间的对偶间隙接近0。因此可以通过求解对偶问题来得到业务提供商的总效用的最优解。

为解决业务提供商的总效用最大化问题，采用了对偶分解法和次梯度迭代法，将优化问题转换为求解业务提供商总效用的对偶函数的最优解，求得各个用户所分配传输功率最优值和子载波分配指标值，从而得到各个用户总传输速率最优值，使得业务提供商的总效用最大化。具体优化如下：

为了去除从基站到中继电站和从中继电站到用户存在残留的自干扰耦合，引进一个新的变量使得表示在第k个子载波的第n个空间子信道上，第u个用户通过第m个基站和第l个中继电站的总传输功率。

首先给出业务提供商效用函数的拉格朗日函数，如下所示：

其中λ，μ表示对偶变量。因此可以将上述业务提供商效用函数的拉格朗日对偶函数表示为：

由于λP_T，均为常数，因此当(λ,μ)都固定时，如果给定值，那么每个用户的总传输功率的最优解可以通过下述子问题求出：

因此业务提供商效用函数的拉格朗日对偶函数被分解成MN个子问题，可以通过全局搜索的方法进行求解。将求出的每个用户的总传输功率最优解带入业务提供商效用函数的拉格朗日对偶函数表达式中，从而求出业务提供商效用函数的拉格朗日对偶函数。通过最小化的值，从而得到业务提供商效用函数的对偶问题：

s.t.λ≥0,μ≥0

根据前面的分析，我们得到了一个凸的对偶函数，因此通过次梯度迭代法进行求解。这一算法可以描述为如下步骤：

1)令迭代指数t＝0，初始化对偶变量的值(λ⁽⁰⁾,μ⁽⁰⁾)，并且通过上述对偶分解算法求出最优的资源分配

2)更新变量，第t+1次迭代时，对偶变量更新为

其中，θ^(t)是一个足够小的步长，需要调整该值以使得最优值收敛。重复上述(1)(2)步骤，直到求得的每个用户的总传输功率的最优解收敛，从而得到每个业务提供商的总效用最优值。

各个SP的虚拟网络控制器不需要知道该虚拟网络用户的信道状态信息，只需要根据用户的服务状态进行用户调度，确定用户的服务质量需求，计算该SP对应的总效用值并将其信息汇报给虚拟资源管理器。

在每个资源调度周期中，虚拟资源管理器根据不同的服务质量需求，各个用户所分配传输功率最优值、各个用户总传输速率最优值和信道状态反馈信息，将所有基础设施提供商的虚拟资源动态地分配给不同SP，其总体目标是在满足预设限制条件的前提下，最大化业务提供商的总效用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于中继网络的无线虚拟化资源管理分配方法，其特征在于，中继网络包括多个基础设施提供商InP和多个业务提供商SP，每个InP管理一个蜂窝式网络，该蜂窝式网络由一个基站BS和多个中继电站RS组成；每个SP是由多个InP的蜂窝式网络所构成，所有基础设施提供商的无线频谱、基站、中继电站以及传输功率均被动态地分配给来自不同业务提供商的用户；

步骤一、将每个蜂窝式网络中RS和用户通过线性的最小均方误差接收机连接，BS和RS采用最优的发送预编码矩阵，使得各个子载波上基站到中继电站再到用户的信道对角化；

步骤二、设和 为在第k个子载波上从第m个基站到第l个中继电站的信道矩阵，为在第k个子载波上从第l个中继电站到第u个用户的信道矩阵，C^N×N为N×N阶满秩矩阵；中继电站的信道经过预编码处理后，在第k个子载波上从第m个基站到第l个中继电站的等效信噪比矩阵其中，表示在第k个子载波的第n个空间子信道上从第m个基站到第l个中继电站的信道噪声功率，n∈(1…N)，N为空间子信道的个数，[]^T表示转置矩阵；在第k个子载波上从第l个中继电站到第u个用户的等效信噪比矩阵其中，表示在第k个子载波的第n个空间子信道上从第l个中继电站到第u个用户的信道噪声功率；

得出第u个用户在全双工中继网络下的总传输速率为：

第u个用户在半双工中继网络下的总传输速率为：

其中，W表示每个子载波的带宽，M表示BS个数，L表示RS个数，K表示子载波个数，表示子载波分配指标，如果第k个子载波经由第m个基站通过第l个中继电站为第u个用户提供服务，则否则 表示第m个基站在第k个子载波的第n个空间子信道上分配的传输功率，表示第l个中继电站在第k个子载波的第n个空间子信道上分配的传输功率，是在全双工中继网络下第l个中继电站在第k个子载波的第n个空间子信道的残余自干扰增益；

步骤三、根据用户使用全双工中继网络模式和半双工中继网络模式下总传输速率的大小，动态地调整中继网络模式，从而实现中继网络模式的自由切换，中继网络模式为混合半双工或全双工中继网络模式，使得用户总传输速率达到最大值；据此，第u个用户所选中继网络模式应满足：

步骤四、将业务提供商的效用函数定义为业务提供商所服务的所有用户效用函数的加权和，由此得到每个业务提供商的总效用F_SP(U)；

步骤五、采用对偶分解法和次梯度迭代法，将业务提供商的总效用最大化优化问题转换为求解业务提供商总效用的对偶函数的最优解，求得各个用户所分配传输功率最优值和子载波分配指标值，从而得到各个用户总传输速率最优值，使得业务提供商的总效用最大化；具体如下：

引进一个新的变量使得表示在第k个子载波的第n个空间子信道上，第u个用户通过第m个基站和第l个中继电站的总传输功率；

首先给出业务提供商效用函数的拉格朗日函数如下所示：

其中λ，μ表示对偶变量，P_T为各个载波上允许的最大传输功率，R(u)为第u个用户的总传输速率，为第u个用户的最低速率阈值，U为第i个业务提供商所服务的用户集合，i为第i个业务提供商，I为SP个数；因此将上述业务提供商效用函数的拉格朗日对偶函数L(λ,μ)表示为：

由于λP_T，均为常数，因此当(λ,μ)都固定时，如果给定值，那么每个用户的总传输功率的最优解通过下述子问题求出：

因此业务提供商效用函数的拉格朗日对偶函数被分解成MN个子问题，通过全局搜索的方法进行求解；将求出的每个用户的总传输功率最优解带入业务提供商效用函数的拉格朗日对偶函数表达式中，从而求出业务提供商效用函数的拉格朗日对偶函数；通过最小化的值，从而得到业务提供商效用函数的对偶问题：

s.t.λ≥0,μ≥0

根据前面的分析，得到了一个凸的对偶函数，因此通过次梯度迭代法进行求解；这一算法描述为如下步骤：

步骤(1)、令迭代指数t＝0，初始化对偶变量的值(λ⁽⁰⁾,μ⁽⁰⁾)，并且通过上述对偶分解算法求出最优的资源分配

步骤(2)、更新变量，第t+1次迭代时，对偶变量更新为

其中，λ^(t+1)为第t+1次迭代后，对偶变量λ的值；λ^(t)为第t次迭代后，对偶变量λ的值；μ^(t+1)为第t+1次迭代后，对偶变量μ的值；μ^(t)为第t次迭代后，对偶变量μ的值；θ^(t)是步长，需要调整该值以使得最优值收敛；重复上述步骤(1)、(2)，直到求得的每个用户的总传输功率的最优解收敛，从而得到每个业务提供商的总效用最优值；

步骤六、各个SP的虚拟网络控制器根据用户的子载波分配指标值进行用户调度，确定用户的服务质量需求，计算该SP对应的总效用值并将其汇报给虚拟资源管理器；

步骤七、在每个资源调度周期中，虚拟资源管理器根据不同的服务质量需求、各个用户所分配传输功率最优值、各个用户总传输速率最优值和信道状态反馈信息，将所有基础设施提供商的虚拟资源动态地分配给不同SP，其总体目标是在满足预设限制条件的前提下，最大化业务提供商的总效用；

业务提供商的总效用表示具体如下：

将业务提供商的效用函数定义为业务提供商所服务的所有用户效用函数的加权和，设第i个业务提供商所服务的用户集合表示为U，则在全双工中继网络模式下第i个业务提供商总效用为：在半双工中继网络模式下第i个业务提供商总效用为：

其中，β是虚拟资源管理器收取的第i个业务提供商的价格，ω是每个业务提供商根据不同的调度准则为第u个用户设置的正权重。

2.根据权利要求1的所述的一种基于中继网络的无线虚拟化资源管理分配方法，其特征在于，最大化业务提供商的总效用被建模如下：

其中，I为SP个数，P_T为各个载波上允许的最大传输功率，R(u)为第u个用户的总传输速率，为第u个用户的最低速率阈值，每个子载波仅由一个用户使用，在一个子载波上每个用户只能从一个基站和一个中继电站来获得服务。

3.根据权利要求1的所述的一种基于中继网络的无线虚拟化资源管理分配方法，其特征在于，K≥2。

4.根据权利要求1的所述的一种基于中继网络的无线虚拟化资源管理分配方法，其特征在于，M≥2。