CN107666448A - 一种时延感知下的5g虚拟接入网映射方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种时延感知下的5G虚拟接入网映射方法，属于移动通信技术领域。该方法结合虚拟网络请求到达的差异性、有限物理资源的动态占用和释放、网络功能虚拟化服务器服务能力的差异性，在网络功能虚拟化编排器以及各个网络功能虚拟化服务器处建立队列状态转移方程，提出两级队列动态调度方法；进一步地，感知系统中所有队列的队列状态，从而进行队列动态调度以满足时延要求，并以最小化映射成本为目标完成映射。本发明提出的5G虚拟接入网映射方法能够在最小化映射成本同时，满足系统时延要求。
Description
技术领域
本发明属于移动通信技术领域，涉及一种时延感知下的5G虚拟接入网映射方法。
背景技术
移动通信技术自二十世纪八十年代至今，发展十分迅速。如今随着第四代移动通信技术的加速部署，人们对于数据业务的需求也越来越高，容量、速率、频谱等方面也渐渐满足不了人们对网络的需求，因此第五代移动通信系统应运而生。为了第五代移动通信系统的部署，必然需要全新的相关技术为通信网络以提供更大的吞吐量，更低的时延，更高的可靠性，而通过无线网络虚拟化(Wireless Network Virtualization，WNV)技术实现的网络切片(Network Slicing，NS)技术是提高网络灵活性，实现业务多样性，保证用户服务质量的有效途径，因此WNV技术和NS技术可以有效地满足第五代移动通信系统的需求。网络功能虚拟以及软件定义网络(Software Defined Networking，SDN)是目前第五代移动通信系统的几大关键技术之一，同时也是实现WNV和NS的关键技术，可以实现无线网络资源的统一调度及管理，降低网络运营开销，提高管理效率。
虚拟网络映射(Virtual Network Eembedding，VNE)问题是5G虚拟接入网中的关键问题之一，VNE问题是指在不改变底层物理网络的前提下，如何从物理资源中选择满足虚拟网络请求的物理节点和链路，使得整个系统的映射成本最低，从而最大化网络运营商的收益。
发明人在研究现有技术的过程中发现其存在如下缺点：
现有的映射方法仍然有很多因素并没有考虑，首先，现有的映射方法均仅考虑针对一次虚拟网络请求进行相关映射方法的研究，仅保证了每一次映射中资源的按需分配以及映射成本的最小化，其次，并未从整体角度考虑持续一段时间内虚拟网络请求到达的差异性、网络功能虚拟化服务器(服务能力的差异性、系统映射请求的队列状态，以及物理资源的动态占用和释放，并且没有考虑当虚拟网络请求在短时间内大量达到，如何满足系统的时延要求，因此如何在映射过程中如何在保证映射成本最小的同时，满足系统时延要求，是非常值得研究的内容。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种时延感知下的5G虚拟接入网映射方法，该方法能够在最小化映射成本同时，满足系统时延要求。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种时延感知下的5G虚拟接入网映射方法，包括以下步骤：
结合虚拟网络请求到达的差异性、有限物理资源的动态占用和释放、网络功能虚拟化服务器服务能力的差异性，在网络功能虚拟化编排器以及各个网络功能虚拟化服务器处建立队列状态转移方程，提出两级队列动态调度方法；感知系统中所有队列的队列状态，从而进行队列动态调度以满足时延要求，并以最小化映射成本为目标完成映射。
进一步，所述虚拟网络请求到达的差异性为不同虚拟网络请求需要不同的虚拟网络功能模块；
所述有限物理资源的动态占用和释放为当5G虚拟接入网对虚拟网络请求进行服务时，需要占用一定的有限的计算资源与带宽资源，而当5G虚拟接入网对虚拟网络请求服务结束后，则释放所占资源；
所述网络功能虚拟化服务器服务能力的差异性为不同网络功能虚拟化服务器对同一虚拟网络功能模块具有不同的服务能力；
所述两级队列动态调度方法为：第一级动态调度发生在网络功能虚拟化编排器处，该处队列状态转移方程为：
其中网络功能虚拟化服务器的集合为N＝{1,2,...,n}，不同虚拟网络功能模块的种类的集合为M＝{1,2,...,m}，来自虚拟运营商的不同虚拟网络请求的类型的集合为I＝{1,2,...,i}，表示某一时槽内，网络功能虚拟化编排器队列中来自虚拟运营商的不同的虚拟网络请求i中需要的虚拟网络功能模块m的个数；其中表示第i种虚拟网络请求是否需要第m种虚拟网络功能模块，若需要则否则φi(t)表示某一时槽内到达网络功能虚拟化编排器中类型为i的虚拟网络请求的个数，服从泊松分布，均值为λi，并假设存在达到峰值使得公式成立；表示第i种虚拟网路请求中所需要的第m种虚拟网络功能模块的映射请求所需路由的总个数，γimn(t)表示系统中网络功能虚拟化编排器处的虚拟网络请求路由行为，即第i种虚拟网络请求中所需要的第m种虚拟网络功能模块的映射请求路由至网络功能虚拟化服务器n；在每一个时槽开始时，网络功能虚拟化编排器汇总来自所有虚拟运营商的不同类型的全部虚拟网络请求，根据上一时槽计算得出的虚拟网络请求所需的第m种虚拟网络功能模块的映射请求所需路由的总个数以及上一时槽到达的新的虚拟网络请求，决定这一时槽开始时刻队列中排队的虚拟网络请求个数；
第二级队列动态调度发生在每一台网络功能虚拟化服务器处，该处队列状态转移方程为：
其中表示某一时槽内，网络功能虚拟化服务器n的队列中待运行的来自虚拟运营商的不同的虚拟网络请求i中的虚拟网络功能模块m的个数；βimn(t)∈[0,1]，当且仅当虚拟网络请求i中需要虚拟网络功能模块m，且该虚拟网络功能模块m映射至网络功能虚拟化服务器n时βimn(t)＝1，否则βimn(t)＝0；Simn(t)表示系统中虚拟网络功能模块m在网络功能虚拟化服务器n中的服务速率，与虚拟网络功能模块在网络功能虚拟化服务器中的运行时间成反比，服从泊松分布，均值为κs；在每一个时槽开始，网络功能虚拟化服务器接受由其服务的自网络功能虚拟化编排器路由而来的虚拟网络请求所需的虚拟网络功能模块，并根据上一时槽计算得出的映射结果，决定这一时槽开始时刻队列中排队的虚拟网络功能模块；
队列的稳定性为系统平均队列需要满足
进一步，所述感知系统中所有队列的队列状态，从而进行队列动态调度以满足时延要求，并以最小化映射成本为目标完成映射具体采用如下目标函数：
C7：βigj(t)，βidf(t) {0，1}，i I，g，d M，j，f N
其中为系统平均队列；γimn(t)表示系统中网络功能虚拟化编排器处的虚拟网络请求路由行为；网络功能虚拟化服务器的集合为N＝{1,2,...,n}，不同虚拟网络功能模块的种类的集合为M＝{1,2,...,m}，来自虚拟运营商的不同虚拟网络请求的类型的集合为I＝{1,2,...,i}，d,g∈M，f,j∈N；Z表示支持运行同一种虚拟网络功能模块的最大数量；bdg(t)为两个虚拟网络功能模块之间的虚拟链路所需要的带宽资源；K为任意两台网络功能虚拟化服务器所提供的最大可用带宽上限；表示第i种虚拟网络请求是否需要第m种虚拟网络功能模块，若需要则否则
为反应网络负载情况，定义与计算机中的剩余计算资源成反比，记σ为非零常数；cfj(t)表示某一时槽内基板链路单位带宽的租用价格，reb表示物理链路中的剩余带宽资源，同样定义cfj(t)与链路中剩余的带宽资源成反比，记 为非零常数；每完成一次虚拟网络请求的映射，均需要更新与由于成对考虑物理节点，为消除物理节点重复计算；
限制条件C1表示系统平均队列要始终处于稳定状态；限制条件C2与C3表示每台网络功能虚拟化服务器仅支持运行有限的同一种虚拟网络功能模块；限制条件C4表示针对任意一种虚拟网络请求，其所需要的物理链路带宽不能超过任意两台网络功能虚拟化服务器所提供的最大可用带宽上限；限制条件C5与C6表示对于每一种虚拟网络请求，应保证其所需要的虚拟网络功能模块均能够映射到网络功能虚拟化服务器上。
进一步，所述目标函数通过运用Lyapunov优化理论，分解为两类队列动态调度方法：
其中第一类队列动态调度方法为网络功能虚拟化编排器处虚拟网络请求路由策略：
第二类队列动态调度方法为虚拟网络功能模块映射策略：
进一步，所述虚拟网络请求路由策略为网络功能虚拟化编排器将中积压的虚拟网络请求调度至最短的网络功能虚拟化服务器上进行服务。
进一步，所述虚拟网络功能模块映射策略为整个系统更倾向于将虚拟网络功能模块映射至服务速率较快的网络功能虚拟化服务器，或优先让当前队列积压较大的虚拟网络请求i所需要的虚拟网络功能模块m的映射请求映射至网络功能虚拟化服务器n，同时保证系统映射成本最小。
本发明的有益效果在于：本发明提出的5G虚拟接入网映射方法能够在最小化映射成本同时，满足系统时延要求，在移动通信系统中有很高的应用价值。
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为本发明基于的5G虚拟接入网系统架构示意图；
图2为队列状态转移示意图；
图3为虚拟接入网映射拓扑图。
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。
图1为本发明的所基于的5G虚拟接入网架构示意图。参见图1，整个架构共分成两层，即虚拟运营商层和基础设施提供商层，其中虚拟运营商下发虚拟网络请求，每一个虚拟网络请求完成映射后即形成一个完整的虚拟室内基带单元VBBU(Virtual BuildingBasebandUnit，VBBU)，而不同的虚拟网络请求需要不同的虚拟网络功能模块，如图1中虚拟网络请求1需要无线资源控制层(Radio Resource Control，RRC)、分组数据汇聚协议层(Packet Data Convergence Protocol，PDCP)、无限链路控制层(Radio Link Control，RLC)、媒体接入层(Media Access Layer，MAC)、物理层(Physical Layer，PHY)，而虚拟网络请求2只需要RLC、MAC、PHY，所有的虚拟网络功能模块均需映射至基础设施提供商提供的网络功能虚拟化服务器上运行，全部网络功能虚拟化服务器构成一个室内基带单元资源池(Building Baseband Unit Pool)，因此虚拟运营商需要租用基础设施提供商提供的网络功能虚拟化服务器，而租用成本直接决定了虚拟运营商的收益，所以5G虚拟接入网中的映射算法至关重要。当虚拟网络功能模块根据映射算法完成映射后，通过网络功能虚拟化编排器进行控制，接入合适的虚拟化远端射频模块(Virtual Remote Radio Unit，VRRU)即可构建完成一个完整的无线虚拟切片网络。网络功能虚拟化服务器的集合为N＝{1,2,...,n}，不同虚拟网络功能模块的种类的集合为M＝{1,2,...,m}，来自虚拟运营商的不同虚拟网络请求的类型的集合为I＝{1,2,...,i}，每台网络功能虚拟化服务器仅可支持运行有限的同一种虚拟网络功能模块，即：
其中βimn(t)∈[0,1]，当且仅当虚拟网络请求i中需要虚拟网络功能模块m，且该虚拟网络功能模块m映射至网络功能虚拟化服务器n时βimn(t)＝1，否则βimn(t)＝0；Z表示可支持运行同一种虚拟网络功能模块的最大数量。针对任意一种虚拟网络请求，其所需要的物理链路带宽不能超过任意两台网络功能虚拟化服务器所提供的最大可用带宽上限，即：
其中bdj(t)为两个虚拟网络功能模块之间的虚拟链路所需要的带宽资源；K为任意两台网络功能虚拟化服务器所提供的最大可用带宽上限。另外对于每一种虚拟网络请求，应保证其所需要的虚拟网络功能模块均能够映射到网络功能虚拟化服务器上，即：
其中表示第i种虚拟网络请求是否需要第m种虚拟网络功能模块，若需要则否则
参见图2，图2为队列状态转移示意图。由于虚拟运营商会持续的下发不同的虚拟网络请求请求i，当虚拟网络请求短时间内大量达到时，若虚拟网络请求在系统中滞留过长时间未完成映射，极大情况下会导致系统崩溃，影响用户体验，因此为了满足系统时延要求，保证用户的体验，使得短时间内大量到达的虚拟网络请求积压始终保持在一个稳定范围内，在基础设施提供商这一层提出两级队列动态调度方法，如图2所示：
第一级队列动态调度发生在网络功能虚拟化编排器处，该处队列状态转移方程为：
其中表示某一时槽内，网络功能虚拟化编排器队列中来自虚拟运营商的不同的虚拟网络请求i中需要的虚拟网络功能模块m的个数；φi(t)表示某一时槽内到达网络功能虚拟化编排器中类型为i的虚拟网络请求的个数，服从泊松分布，均值为λi,并假设存在达到峰值使得下式成立： 表示第i种虚拟网络请求中所需要的第m种虚拟网络功能模块的映射请求所需路由的总个数，γimn(t)则表示系统中网络功能虚拟化编排器处的虚拟网络请求路由行为，即第i种虚拟网络请求中所需要的第m种虚拟网络功能模块的映射请求路由至网络功能虚拟化服务器n，为了防止路由过程中的的突发性，本文认为在每一个时槽开始时，网络功能虚拟化编排器汇总来自所有虚拟运营商的不同类型的全部虚拟网络请求，根据上一时槽计算得出的虚拟网络请求所需的第m种虚拟网络功能模块的映射请求所需路由的总个数以及上一时槽到达的新的虚拟网络请求，决定这一时槽开始时刻队列中排队的虚拟网络请求个数。
第二级队列动态调度发生在每一台网络功能虚拟化服务器处，该处队列状态转移方程为：
其中表示某一时槽内，网络功能虚拟化服务器n的队列中待运行的来自虚拟运营商的不同的虚拟网络请求i中的虚拟网络功能模块m的个数；Simn(t)表示系统中虚拟网络功能模块m在网络功能虚拟化服务器n中的服务速率，与虚拟网络功能模块在网络功能虚拟化服务器中的运行时间成反比，服从泊松分布，均值为κs。在每一个时槽开始，网络功能虚拟化服务器接受由其服务的自网络功能虚拟化编排器路由而来的虚拟网络请求所需的虚拟网络功能模块，并根据上一时槽计算得出的映射结果，决定这一时槽开始时刻队列中排队的虚拟网络功能模块。
进一步，可得在时槽t起始时刻队列为:
对上式两端取期望可得时间平均队列积压为:
其中，时间平均队列积压是与用户QoS密切相关的时间平均性能指标。
参见图3，图3为虚拟接入网映射拓扑图，图中d、g表示虚拟网络功能模块，f、j表示网络功能虚拟化服务器，dg为虚拟链路，fj为物理链路。时延感知下的5G虚拟接入网映射方法可感知系统中所有队列的队列状态，从而进行队列动态调度以满足时延要求，并以最小化映射成本为目标完成映射指采用如下目标函数：
C7：βigj(t)，βidf(t) {0，1}，i I，g，d M，j，f N
其中βimn(t)∈[0,1]，当且仅当虚拟网络请求i中需要虚拟网络功能模块m，且该虚拟网络功能模块m映射至网络功能虚拟化服务器n时βimn(t)＝1，否则βimn(t)＝0；Z表示可支持运行同一种虚拟网络功能模块的最大数量；bdg(t)为两个虚拟网络功能模块之间的虚拟链路所需要的带宽资源；K为任意两台网络功能虚拟化服务器所提供的最大可用带宽上限；表示第i种虚拟网络请求是否需要第m种虚拟网络功能模块，若需要则否则
所述
所述
所述目标函数通过运用Lyapunov优化理论，进一步分解为如下两类队列动态调度方法：
其中第一类队列动态调度方法为网络功能虚拟化编排器处虚拟网络请求路由策略：
第二类队列动态调度方法为虚拟网络功能模块映射方法：
上述子问题可以通过分支定界法进行求解。
再根据分别求得的最优解进行网络功能虚拟化编排器处虚拟网络请求的路由以及虚拟网络功能模块映射，即可以最小化映射成本为目标进行队列动态调度，同时保证系统队列稳定性，进而满足系统时延要求；
其中虚拟网络请求路由策略保证网络功能虚拟化编排器会将中积压的虚拟网络请求调度至最短的网络功能虚拟化服务器上进行服务；虚拟网络功能模块映射策略保证整个系统更倾向于将虚拟网络功能模块映射至服务速率较快的网络功能虚拟化服务器，或优先让当前队列积压较大的虚拟网络请求i所需要的虚拟网络功能模块m的映射请求映射至网络功能虚拟化服务器n，同时保证系统映射成本最小。
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作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (6)
1.一种时延感知下的5G虚拟接入网映射方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
结合虚拟网络请求到达的差异性、有限物理资源的动态占用和释放、网络功能虚拟化服务器服务能力的差异性，在网络功能虚拟化编排器以及各个网络功能虚拟化服务器处建立队列状态转移方程，提出两级队列动态调度方法；感知系统中所有队列的队列状态，从而进行队列动态调度以满足时延要求，并以最小化映射成本为目标完成映射。
2.根据权利要求1所述的一种时延感知下的5G虚拟接入网映射方法，其特征在于：
所述虚拟网络请求到达的差异性为不同虚拟网络请求需要不同的虚拟网络功能模块；
所述有限物理资源的动态占用和释放为当5G虚拟接入网对虚拟网络请求进行服务时，需要占用一定的有限的计算资源与带宽资源，而当5G虚拟接入网对虚拟网络请求服务结束后，则释放所占资源；
所述网络功能虚拟化服务器服务能力的差异性为不同网络功能虚拟化服务器对同一虚拟网络功能模块具有不同的服务能力；
所述两级队列动态调度方法为：第一级动态调度发生在网络功能虚拟化编排器处，该处队列状态转移方程为：
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其中网络功能虚拟化服务器的集合为N＝{1，2，...，n}，不同虚拟网络功能模块的种类的集合为M＝{1，2，...，m}，来自虚拟运营商的不同虚拟网络请求的类型的集合为I＝{1，2，...，i}，表示某一时槽内，网络功能虚拟化编排器队列中来自虚拟运营商的不同的虚拟网络请求i中需要的虚拟网络功能模块m的个数；其中表示第i种虚拟网络请求是否需要第m种虚拟网络功能模块，若需要则否则φi(t)表示某一时槽内到达网络功能虚拟化编排器中类型为i的虚拟网络请求的个数，服从泊松分布，均值为λi，并假设存在达到峰值使得公式0 φi(t)t T成立；表示第i种虚拟网路请求中所需要的第m种虚拟网络功能模块的映射请求所需路由的总个数，γimn(t)表示系统中网络功能虚拟化编排器处的虚拟网络请求路由行为，即第i种虚拟网络请求中所需要的第m种虚拟网络功能模块的映射请求路由至网络功能虚拟化服务器n；在每一个时槽开始时，网络功能虚拟化编排器汇总来自所有虚拟运营商的不同类型的全部虚拟网络请求，根据上一时槽计算得出的虚拟网络请求所需的第m种虚拟网络功能模块的映射请求所需路由的总个数以及上一时槽到达的新的虚拟网络请求，决定这一时槽开始时刻队列中排队的虚拟网络请求个数；
第二级队列动态调度发生在每一台网络功能虚拟化服务器处，该处队列状态转移方程为：
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其中表示某一时槽内，网络功能虚拟化服务器n的队列中待运行的来自虚拟运营商的不同的虚拟网络请求i中的虚拟网络功能模块m的个数；βimn(t)∈[0，1]，当且仅当虚拟网络请求i中需要虚拟网络功能模块m，且该虚拟网络功能模块m映射至网络功能虚拟化服务器n时βimn(t)＝1，否则βimn(t)＝0；Simn(t)表示系统中虚拟网络功能模块m在网络功能虚拟化服务器n中的服务速率，与虚拟网络功能模块在网络功能虚拟化服务器中的运行时间成反比，服从泊松分布，均值为ks；在每一个时槽开始，网络功能虚拟化服务器接受由其服务的自网络功能虚拟化编排器路由而来的虚拟网络请求所需的虚拟网络功能模块，并根据上一时槽计算得出的映射结果，决定这一时槽开始时刻队列中排队的虚拟网络功能模块；
队列的稳定性为系统平均队列需要满足
3.根据权利要求1所述的一种时延感知下的5G虚拟接入网映射方法，其特征在于：所述感知系统中所有队列的队列状态，从而进行队列动态调度以满足时延要求，并以最小化映射成本为目标完成映射具体采用如下目标函数：
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C7：βigj(t)，βidf(t){0，1}，i I，g，dM，j，f N
其中为系统平均队列；γimn(t)表示系统中网络功能虚拟化编排器处的虚拟网络请求路由行为；网络功能虚拟化服务器的集合为N＝{1，2，...，n}，不同虚拟网络功能模块的种类的集合为M＝{1，2，...，m}，来自虚拟运营商的不同虚拟网络请求的类型的集合为I＝{1，2，...，i}，d，g∈M，f，j∈N；Z表示支持运行同一种虚拟网络功能模块的最大数量；bdg(t)为两个虚拟网络功能模块之间的虚拟链路所需要的带宽资源；K为任意两台网络功能虚拟化服务器所提供的最大可用带宽上限；表示第i种虚拟网络请求是否需要第m种虚拟网络功能模块，若需要则否则
为反应网络负载情况，定义与计算机中的剩余计算资源成反比，记σ为非零常数；cfi(t)表示某一时槽内基板链路单位带宽的租用价格，reh表示物理链路中的剩余带宽资源，同样定义cfi(t)与链路中剩余的带宽资源成反比，记 为非零常数；每完成一次虚拟网络请求的映射，均需要更新与cfg(t)；由于成对考虑物理节点，为消除物理节点重复计算；
限制条件C1表示系统平均队列要始终处于稳定状态；限制条件C2与C3表示每台网络功能虚拟化服务器仅支持运行有限的同一种虚拟网络功能模块；限制条件C4表示针对任意一种虚拟网络请求，其所需要的物理链路带宽不能超过任意两台网络功能虚拟化服务器所提供的最大可用带宽上限；限制条件C5与C6表示对于每一种虚拟网络请求，应保证其所需要的虚拟网络功能模块均能够映射到网络功能虚拟化服务器上。
4.根据权利要求3所述的一种时延感知下的5G虚拟接入网映射方法，其特征在于：
所述目标函数通过运用Lyapunov优化理论，分解为两类队列动态调度方法：
其中第一类队列动态调度方法为网络功能虚拟化编排器处虚拟网络请求路由策略：
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</mfenced>
第二类队列动态调度方法为虚拟网络功能模块映射策略：
5.根据权利要求4所述的一种时延感知下的5G虚拟接入网映射方法，其特征在于：所述虚拟网络请求路由策略为网络功能虚拟化编排器将中积压的虚拟网络请求调度至最短的网络功能虚拟化服务器上进行服务。
6.根据权利要求4所述的一种时延感知下的5G虚拟接入网映射方法，其特征在于：
所述虚拟网络功能模块映射策略为整个系统更倾向于将虚拟网络功能模块映射至服务速率较快的网络功能虚拟化服务器，或优先让当前队列积压较大的虚拟网络请求i所需要的虚拟网络功能模块m的映射请求映射至网络功能虚拟化服务器n，同时保证系统映射成本最小。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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