CN107257583B - 一种基于自回传小蜂窝网络的虚拟资源分配方法 - Google Patents

一种基于自回传小蜂窝网络的虚拟资源分配方法 Download PDF

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CN107257583B CN201710290527.6A CN201710290527A CN107257583B CN 107257583 B CN107257583 B CN 107257583B CN 201710290527 A CN201710290527 A CN 201710290527A CN 107257583 B CN107257583 B CN 107257583B
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Abstract

本发明涉及一种基于自回传小蜂窝网络的虚拟资源分配方法，属于移动通信技术领域。一种基于自回传小蜂窝网络的虚拟资源分配方法，通过虚拟网络管理器获取各基站的可用虚拟资源信息、用户状态信息和切片需求信息，所述用户状态信息包括用户信道质量信息和缓存队列信息，进而为每个服务提供商所服务的用户分配虚拟资源，并动态调整自回传小基站用于无线回传的频带比例；同时在分配过程中，保证每个服务供应商的最低平均速率需求、系统稳定性以及小蜂窝回传容量限制。本发明提供的虚拟资源分配方法达到了充分利用频带资源的目的，同时又减少了用户在小基站处的处理时延，能够在提升服务提供商平均总收益的同时保持系统队列稳定性。

Description

一种基于自回传小蜂窝网络的虚拟资源分配方法
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，特别涉及一种基于自回传小蜂窝网络的虚拟资源分配方法。
背景技术
随着移动用户数量的迅猛增长、智能终端的广泛普及，下一代网络技术需要提供更高的系统容量、频谱利用率以及更低的时延等，由此，无线网络虚拟化技术应运而生。在无线网络虚拟化场景中，传统运营商被解耦成两个独立的角色：基础设备供应商(Infrastructure Provider，InP)和服务提供商(ServiceProvider，SP)。InP将网络中的物理资源(包括频谱、功率、天线、回传等)抽象、切片，以提供给SP构建不同需求的虚拟网络；SP可以从不同InP处租赁物理资源，为用户提供端到端的服务。由于物理资源的稀缺性、无线信道的时变性、SP的多样化QoS需求，如何高效地为SP(也可称为切片、虚拟网络)分配物理资源以提升系统性能至关重要。
另外，由于数据业务的爆炸式增长，小蜂窝组网是提升系统能效和谱效的主要手段之一，但却面临回传网络部署成本的挑战。不同于传统有线或无线回传技术，带内自回传技术允许回传链路与接入链路使用相同频带，通过时分或频分的方式复用无线资源，从而降低网络部署成本，提高网络部署的灵活性。
现有的研究主要侧重于独立的无线虚拟化资源分配或独立的自回传网络中的资源分配，而较少将两种技术进行综合考虑，但在实际应用中，将无线网络虚拟化与未来不同的技术领域相融合已成为应用热点，因此有必要在自回传小蜂窝网络下研究虚拟资源分配策略。另外，由于用户业务随机到达，且用户缓存空间有限，若无限制的增加用户缓存队列势必将影响用户的体验质量，因此在资源分配决策过程中考虑用户的缓存的队列大小至关重要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于自回传小蜂窝网络的虚拟资源分配方法，在每个离散调度时隙上根据每个小基站下的接入容量情况动态调整用于无线回传的频带比例，本发明提供的方法能够充分利用频带资源，又可以减少用户的在小基站处的处理时延。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于自回传小蜂窝网络的虚拟资源分配方法，包括以下步骤：
步骤1，虚拟网络管理器获取各基站的可用虚拟资源信息、用户状态信息和切片需求信息，所述用户状态信息包括用户信道质量信息和缓存队列信息；
步骤2，虚拟网络管理器为每个服务提供商所服务的用户分配虚拟资源，并动态调整自回传小基站用于无线回传的频带比例；
所述虚拟资源分配过程中，保证每个服务供应商的低平均速率不小于预设值，保证系统稳定性以及小蜂窝回传容量限制。
进一步，所述保证系统稳定性通过以下方式实现：
系统中所有的队列都满足
Figure BDA0001280204690000021
其中，
Figure BDA0001280204690000022
为服务提供商k服务的用户u的时间平均队列长度；T为预先定义的最大调度时刻。
进一步，所述保证小蜂窝回传容量限制，具体为保证小基站的回传容量不小于接入端容量。
进一步，所述步骤2具体包括以下步骤：
201，设定所有小基站用于无线回传的频带比例，计算当前时隙下为每个服务提供商服务的用户分配的接入频带资源量；
202，设定每个服务提供商服务的用户分配的接入频带资源量，计算所有小基站用于无线回传的频带比例；
203，经过数次迭代后，判断是否满足收敛条件；
如果当前的虚拟资源分配方案满足收敛条件，则将虚拟资源分配决策通知给每个服务提供商服务的用户以及所述自回传的小基站，并等待下一个调度时隙；
如果当前的虚拟资源分配方案不满足收敛条件，则返回到步骤201。
进一步，所述服务提供商服务的用户通过队列更新方式更新缓存队列大小，具体通过以下函数式实现，
Q(k,u)(t+1)＝max{Q(k,u)(t)+A(k,u)(t)-Z(k,u)(t)，0}
其中，Q(k,u)(t+1)为服务提供商k服务的用户u在下一个调度时隙开始时的队列长度；Q(k,u)(t)为服务提供商k服务的用户u在当前调度时隙开始时的队列长度；A(k,u)(t)为服务提供商k服务的用户u在当前调度时隙上新到达的数据包个数；Z(k,u)(t)为服务提供商k服务的用户u在当前调度时隙上离开的数据包个数。
进一步，所述服务提供商k服务的用户u在当前调度时隙上新到达的数据包个数A(k,u)(t)根据服从λ(k,u)参数的泊松过程随机生成。
进一步，所述步骤201，具体包括以下步骤：
根据以下无线接入频带资源分配公式，计算各服务提供商服务的用户在设定的所有小基站用于无线回传的频带比例下的无线接入频带的资源量；
Figure BDA0001280204690000031
其中，
Figure BDA0001280204690000032
为服务提供商k服务的用户u获得的无线接入频带的资源量；V为惩罚因子，用于平衡服务提供商平均总收益和系统队列稳定；ωk为服务提供商k向用户u提供服务收取的回报；γk为服务提供商k向基础设备供应商租赁无线接入资源所支付的成本；α为设定的所有小基站用于无线回传的频带比例；ρk为服务提供商k向基础设备供应商租赁无线回传资源所支付的成本；Dk(t)为服务提供商k在当前调度时隙上的虚拟速率队列；
Figure BDA0001280204690000033
为服务提供商k服务的用户u在当前调度时隙上的瞬时速率；λn和βn为拉格朗日乘子；
根据梯度法更新拉格朗日乘子λn、βn，经过数次迭代后，判断是否满足收敛条件。
进一步，所述步骤202，具体包括以下步骤：
向系统中随机部署一定数量的粒子，并初始化所述粒子的速度和位置；其中，粒子的位置满足小基站的回传容量限制；
在每次迭代过程中，更新所述粒子的位置；
判断更新的粒子位置是否满足约束条件，若不满足，则用粒子个体最优位置替代当前粒子的新位置；所述约束条件为所有小基站的回传容量不小于无线接入端容量和回传带宽比例因子取值不大于1和不小于0；
利用相似度变异准则执行所述粒子的随机变异；
最后更新粒子的速度、个体最优位置、全局最优位置；
判断是否达到最大迭代次数，
若不满足，则重复上述步骤；否则，所有小基站用于无线回传的频带比例分配算法结束；
进一步，所述粒子的位置更新为前一次迭代的所述粒子位置与速度之和。
进一步，所述利用相似度变异准则对粒子执行随机变异，具体包括以下步骤：
计算粒子与当前迭代中最优粒子的欧氏距离，判断所述距离的区间范围，
若距离小于预定的最小距离，则粒子与最优粒子的相似度为1，
若距离大于预定的最大距离，则粒子与最优粒子的相似度为0，
否则所述粒子与最优粒子的相似度介于0到1之间，且随所述距离与预先设定的最大距离的比值的幂函数变化；
计算系统中所有粒子的相似度总和，即为聚集度；
如果所述粒子的位置小于聚集度与所述粒子和最优粒子的相似度的乘积，则重新随机定义所述粒子的位置，令其满足所述约束条件。
本发明的有益效果在于：本发明提供的一种基于自回传小蜂窝网络的虚拟资源分配方法，通过在每个离散调度时隙上根据每个小基站下的接入容量情况动态调整用于无线回传的频带比例，达到了充分利用频带资源的目的，同时又减少了用户的在小基站处的处理时延。虚拟层联合服务提供商服务的用户的无线信道质量信息和队列缓存信息，以最大化的服务提供商平均总收益为目标为每个服务提供商分配无线资源，在提升系统中所有服务提供商平均总收益的同时有效地保持系统稳定性。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本实施例的场景示意图；
图2为单时隙上的资源分配工作流程图；
图3为计算所有小基站用于无线回传的频带比例的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明提供的提供一种基于自回传小蜂窝网络的虚拟资源分配方法，在每个离散调度时隙上根据每个小基站下的接入容量情况动态调整用于无线回传的频带比例，本发明提供的方法能够充分利用频带资源，又可以减少用户的在小基站处的处理时延。
参见图1，图1为本发明的研究场景示意图。在本发明实施例中，考虑在某一地理区域中，工作在离散时隙集合
Figure BDA0001280204690000041
的上行无线虚拟网络系统，该系统的底层物理资源池由1个宏基站和N个具有自回传功能的小基站组成，用
Figure BDA0001280204690000042
表示系统中的基站集合。资源池中的资源被K个服务提供商所共享，
Figure BDA0001280204690000043
每个服务提供商k服务Uk个用户，用(k,u)表示第k个服务提供商服务的第u个用户，系统中的用户集合表示为
Figure BDA0001280204690000051
虚拟层的功能是负责将来自各基站的物理资源虚拟化，提供给不同的SP。虚拟层中的资源管理功能由虚拟网络控制器和虚拟网络管理器实现，虚拟网络控制器搜集各基站的可用资源信息、用户状态信息(用户缓存队列信息和信道条件)和切片需求信息。为了在满足用户的平均队列稳定性约束和服务提供商平均速率需求的前提下实现所有服务提供商最大的平均总收益，虚拟网络管理器需要动态地为服务提供商服务的用户分配虚拟资源。
本发明提供的提供一种基于自回传小蜂窝网络的虚拟资源分配方法，具体包括以下步骤：
步骤1，虚拟网络管理器获取各基站的可用虚拟资源信息、用户状态信息和切片需求信息，所述用户状态信息包括用户信道质量信息和缓存队列信息；
步骤2，虚拟网络管理器为每个服务提供商所服务的用户分配虚拟资源，并动态调整自回传小基站用于无线回传的频带比例；
在虚拟资源分配过程中，保证每个服务供应商的最低平均速率需求，保证系统稳定性以及小蜂窝回传容量限制。
保证每个服务供应商的最低平均速率需求，具体为：
保证每个服务供应商的平均速率需求不小于预设值。平均速率需求为服务提供商所服务的所有用户在长时间上求平均后的速率。按照虚拟资源分配算法，至少需要为每个服务供应商提供可满足最低平均速率需求的无线资源。
保证系统稳定性，具体为：
系统中所有的队列都需要满足
Figure BDA0001280204690000052
其中，
Figure BDA0001280204690000053
为服务提供商k服务的用户u的时间平均队列长度，T为预先定义的最大调度时刻。在每个离散时隙上分配虚拟资源，需要保证系统内所有用户的队列不会随着时间的推进而持续增加。
保证小蜂窝回传容量限制，具体为：
在每个离散时隙上，通过为系统内所有小基站分配无线回传带宽资源以保证小基站的回传容量不小于接入端容量，以此避免用户数据在自回传小基站处堆积而引起不必要的丢包或处理延迟等。
每个离散时隙上的资源分配工作流程图，如图2所示，步骤如下：
1)初始化设置系统各参数，包括惩罚因子V、收敛误差系数、时间因子Tmax等，特别地，令时间指示t＝0，且系统内所有服务供应商所服务的用户的缓存的队列为0。
2)在每个离散调度时隙的开始时刻，初始设置无线接入与无线回传的比例因子，令回传与接入频带各占全部带宽的二分之一。
3)在给定初始的所述所有小基站用于无线回传的频带比例下，分别按照无线接入频带资源分配公式：
Figure BDA0001280204690000061
计算各服务提供商服务的用户在给定所有小基站用于无线回传的频带比例下的无线接入频带的资源量，
其中，
Figure BDA0001280204690000062
为所述服务提供商k服务的用户u获得的无线接入频带的资源量；
V为惩罚因子，用于平衡所述SP平均总收益和系统队列稳定；
ωk为服务提供商k向用户u提供服务收取的回报；
γk为服务提供商k向基础设备供应商租赁无线接入资源所支付的成本；
α为给定的所述所有小基站用于无线回传的频带比例；
ρk为服务提供商k向基础设备供应商租赁无线回传资源所支付的成本；
Dk(t)为服务提供商k在当前调度时隙上的虚拟速率队列；
Figure BDA0001280204690000063
为服务提供商k服务的用户u在当前调度时隙上的瞬时速率；
λn和βn为拉格朗日乘子。
4)利用梯度法更新所有基站的拉格朗日乘子的值。
5)判断更新后拉格朗日乘子的值与前一次迭代的值的差值是否小于预定门限值，若不满足，则继续跳转到步骤3)，否则执行步骤6)。
6)给定所述的每个服务提供商服务的用户分配的接入频带资源量，计算所述所有小基站用于无线回传的频带比例。
7)判断当前迭代更新的系统内所有服务供应商的瞬时收益总和与前一次更新的瞬时总收益的差值是否低于预定门限值，若不满足，则跳转到步骤3)，否则执行步骤8)。
8)将资源分配决策通知给所有小基站和服务供应商所服务的用户，所有小基站根据分配到的用于无线回传的频带比例将用户数据传递给宏基站，服务供应商所服务的用户根据分配到的无线接入频带资源发送数据，并根据函数式：
Q(k,u)(t+1)＝max{Q(k,u)(t)+A(k,u)(t)-Z(k,u)(t)，0}
更新缓存队列，
其中，Q(k,u)(t+1)为服务提供商k服务的用户u在下一个调度时隙开始时的队列长度；
Q(k,u)(t)为服务提供商k服务的用户u在当前调度时隙开始时的队列长度；
A(k,u)(t)为服务提供商k服务的用户u在当前调度时隙上新到达的数据包个数；
Z(k,u)(t)为服务提供商k服务的用户u在当前调度时隙上离开的数据包个数。
9)判断调度时隙是否达到最大的时隙值Tmax，若不满足，则跳转到步骤2)，否则算法结束。
图3为无线回传频带分配方法的流程图，具体步骤为：
(1)设置算法所需的各类参数值，如粒子群规模、最大速度门限值等，并令迭代次数j＝0；
(2)随机初始化各粒子的位置和速度；
(3)初始化各粒子的个体最优位置和全局最优位置，其中个体最优最值即为粒子初始化的位置，全局最优位置为当前粒子中具有最优适应值的粒子所对应的位置；
(4)利用前一次迭代的所述粒子位置与速度的和代表所述粒子的新位置；
(5)判断更新的粒子的位置是否满足约束条件，
所约束条件为所有小基站的回传容量不小于无线接入端容量和回传带宽比例因子取值不大于1和不小于0。
若不满足则执行步骤(6)，否则执行步骤(7)；
(6)用粒子个体最优位置替代当前所述粒子的新位置；
(7)基于相似度对粒子进行随机变异，具体为：
计算粒子与当前迭代中最优粒子的欧氏距离，判断所述距离的区间范围，
若距离小于预定的最小距离，则粒子与最优粒子的相似度为1，
若距离大于预定的最大距离，则粒子与最优粒子的相似度为0，
否则所述粒子与最优粒子的相似度介于0到1之间，且随所述距离与预先设定的最大距离的比值的幂函数变化；
计算系统中所有粒子的相似度总和，即为聚集度；
如果粒子的位置小于聚集度与粒子与最优粒子的相似度的乘积，则重新随机定义所述粒子的位置，令其满足所述约束条件；
(8)更新各粒子的速度、个体最优位置和全局最优位置；
(9)判断是否达到最大迭代次数，若不满足，则迭代次数加1，并跳转到步骤(4)，否则输出无线回传频带比例。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于自回传小蜂窝网络的虚拟资源分配方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，虚拟网络管理器获取各基站的可用虚拟资源信息、用户状态信息和切片需求信息，所述用户状态信息包括用户信道质量信息和缓存队列信息；
步骤2，虚拟网络管理器为每个服务提供商所服务的用户分配虚拟资源，并动态调整自回传小基站用于无线回传的频带比例；
为每个服务提供商所服务的用户分配虚拟资源包括：
1)初始化设置系统各参数，包括惩罚因子V、收敛误差系数、时间因子Tmax，令时间指示t＝0，且系统内所有服务供应商所服务的用户的缓存的队列为0；
2)在每个离散调度时隙的开始时刻，初始设置无线接入与无线回传的比例因子，令回传与接入频带各占全部带宽的二分之一；
3)在给定初始的所述所有小基站用于无线回传的频带比例下，分别按照无线接入频带资源分配公式：
Figure FDA0002564332050000011
计算各服务提供商服务的用户在给定所有小基站用于无线回传的频带比例下的无线接入频带的资源量，
其中，
Figure FDA0002564332050000012
为所述服务提供商k服务的用户u获得的无线接入频带的资源量；
V为惩罚因子，用于平衡所述SP平均总收益和系统队列稳定；
ωk为服务提供商k向用户u提供服务收取的回报；
γk为服务提供商k向基础设备供应商租赁无线接入资源所支付的成本；
α为给定的所述所有小基站用于无线回传的频带比例；
ρk为服务提供商k向基础设备供应商租赁无线回传资源所支付的成本；
Dk(t)为服务提供商k在当前调度时隙上的虚拟速率队列；
Figure FDA0002564332050000013
为服务提供商k服务的用户u在当前调度时隙上的瞬时速率；
λn和βn为拉格朗日乘子；
4)利用梯度法更新所有基站的拉格朗日乘子的值；
5)判断更新后拉格朗日乘子的值与前一次迭代的值的差值是否小于预定门限值，若不满足，则继续跳转到步骤3)，否则执行步骤6)；
6)给定所述的每个服务提供商服务的用户分配的接入频带资源量，计算所述所有小基站用于无线回传的频带比例；
7)判断当前迭代更新的系统内所有服务供应商的瞬时收益总和与前一次更新的瞬时总收益的差值是否低于预定门限值，若不满足，则跳转到步骤3)，否则执行步骤8)；
8)将资源分配决策通知给所有小基站和服务供应商所服务的用户，所有小基站根据分配到的用于无线回传的频带比例将用户数据传递给宏基站，服务供应商所服务的用户根据分配到的无线接入频带资源发送数据，并根据函数式：
Q(k,u)(t+1)＝max{Q(k,u)(t)+A(k,u)(t)-Z(k,u)(t)，0}
更新缓存队列，
其中，Q(k,u)(t+1)为服务提供商k服务的用户u在下一个调度时隙开始时的队列长度；
Q(k,u)(t)为服务提供商k服务的用户u在当前调度时隙开始时的队列长度；
A(k,u)(t)为服务提供商k服务的用户u在当前调度时隙上新到达的数据包个数；
Z(k,u)(t)为服务提供商k服务的用户u在当前调度时隙上离开的数据包个数；
9)判断调度时隙是否达到最大的时隙值Tmax，若不满足，则跳转到步骤2)，否则结束；动态调整自回传小基站用于无线回传的频带比例包括：
(1)设置算法所需的各类参数值，粒子群规模、最大速度门限值，并令迭代次数j＝0；
(2)随机初始化各粒子的位置和速度；
(3)初始化各粒子的个体最优位置和全局最优位置，其中个体最优最值即为粒子初始化的位置，全局最优位置为当前粒子中具有最优适应值的粒子所对应的位置；
(4)利用前一次迭代的所述粒子位置与速度的和代表所述粒子的新位置；
(5)判断更新的粒子的位置是否满足约束条件，
所约束条件为所有小基站的回传容量不小于无线接入端容量和回传带宽比例因子取值不大于1和不小于0；
若不满足则执行步骤(6)，否则执行步骤(7)；
(6)用粒子个体最优位置替代当前所述粒子的新位置；
(7)基于相似度对粒子进行随机变异，具体为：
计算粒子与当前迭代中最优粒子的欧氏距离，判断所述距离的区间范围，
若距离小于预定的最小距离，则粒子与最优粒子的相似度为1，
若距离大于预定的最大距离，则粒子与最优粒子的相似度为0，
否则所述粒子与最优粒子的相似度介于0到1之间，且随所述距离与预先设定的最大距离的比值的幂函数变化；
计算系统中所有粒子的相似度总和，即为聚集度；
如果粒子的位置小于聚集度与粒子与最优粒子的相似度的乘积，则重新随机定义所述粒子的位置，令其满足所述约束条件；
(8)更新各粒子的速度、个体最优位置和全局最优位置；
(9)判断是否达到最大迭代次数，若不满足，则迭代次数加1，并跳转到步骤(4)，否则输出无线回传频带比例；
所述虚拟资源分配过程中，保证每个服务供应商的低平均速率不小于预设值，保证系统稳定性以及小蜂窝回传容量限制。
2.根据权利要求1所述的一种基于自回传小蜂窝网络的虚拟资源分配方法，其特征在于：所述保证系统稳定性通过以下方式实现：
系统中所有的队列都满足
Figure FDA0002564332050000031
其中，
Figure FDA0002564332050000032
为服务提供商k服务的用户u的时间平均队列长度；其中T为预先定义的最大调度时刻。
3.根据权利要求1所述的一种基于自回传小蜂窝网络的虚拟资源分配方法，其特征在于：所述保证小蜂窝回传容量限制，具体为保证小基站的回传容量不小于接入端容量。
4.根据权利要求1所述的一种基于自回传小蜂窝网络的虚拟资源分配方法，其特征在于：所述服务提供商k服务的用户u在当前调度时隙上新到达的数据包个数A(k,u)(t)根据服从λ(k,u)参数的泊松过程随机生成。
5.根据权利要求1所述的一种基于自回传小蜂窝网络的虚拟资源分配方法，其特征在于：所述粒子的位置更新为前一次迭代的粒子位置与速度之和。
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