CN108337697B - 无线网络虚拟化中节点与链路的延迟映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及移动通信技术领域，特别涉及一种无线网络虚拟化中节点与链路的延迟映射方法，包括：将在节点的映射范围中节点映射能力最强的节点，并选择该节点的链路干扰最小的链路；计算节点承载能力和链路承载能力，若链路承载能力大于等于链路承载阈值，则将虚拟网络中的节点和链路映射到物理网络网络中的节点和链路；若链路承载能力小于承载阈值，则计算节点、链路的直接映射成本和延迟映射成本，若节点的直接映射成本小于等于延迟映射成本，则将节点和链路直接从虚拟网络映射到物理网络，否则根据时延将节点和链路直接从虚拟网络映射到物理网络；本发明实现物理网络高效运行，大幅度的减少了链路干扰，增大映射成功的概率。

Description

无线网络虚拟化中节点与链路的延迟映射方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，特别涉及一种无线网络虚拟化中节点与链路的延迟映射方法。

背景技术

随着无线网络技术的日益成熟，多元化业务的大量涌现，无线网络技术也面临着很多的挑战，如无线网络技术的兼容，不同制式的网络共存和利用等。网络虚拟化技术的提出，解决了当前网络僵化问题，是一种有效的资源管理方式，通过对底层物理资源的切片，满足不同业务的需求，充分发挥资源共享，实现资源的灵活调度，有效的抽象、隔离机制，实现不同制式网络的共存，达到资源的高效利用。在虚拟网络环境中，传统的网络服务提供商解耦成基础设施提供商(InP，infrastructure provider)和服务提供商(SP，serviceprovider)。SP根据用户的虚拟请求，从InP租赁资源按需构建虚拟网络为用户提供服务。这种将传统网络解耦成两种提供商的虚拟化技术，让服务提供商和基础设施提供商相互分离，多种异构网络就能共享底层物理资源，降低了物理网络设施的维护成本。

在网络虚拟化中，映射过程分为节点映射和链路映射两个过程。在映射过程中，同时考虑资源约束、拓扑结构、链路可靠性等多方面问题时，映射问题是一个NP-Hard问题。目前，在网络虚拟化的映射算法研究中依然面临很多难题，尤其在无线网络虚拟化中更加复杂，无线环境还需要考虑链路干扰、可靠性、资源传输速率以及自身的结构问题，其优化算法还需要更深入的研究。Mano T在(参见文献：Mano T,Inoue T,Mizutani K,etal.Reducing dense virtual networks for fast embedding[C]//IEEE INFOCOM 2016-the,IEEE International Conference on Computer Communications.IEEE,2016:1-9.)中考虑到虚拟网络映射时间复杂度较高，通过对虚拟网络进行预处理。作者考虑将虚拟网络拓扑用完全图来表示，在映射之前先将虚拟网络请求简化为简单图，从而减少虚拟网络的映射时间，提高虚拟网络的映射成功率和物理资源利用率；Zhu Q在(参见文献：Zhu Q,Zhang X.Game-theory based power and spectrum virtualization for maximizingspectrum efficiency over mobile cloud-computing wireless networks[C]//Information Sciences and Systems.IEEE,2015:1-6.)中为了有效的将物理网络的无线资源分配给各个虚拟网络，作者提出了一种基于博弈论的分配方案，解决了频谱资源和功率资源的分配问题。在文献中，作者将为无线资源分配的过程看作一个博弈的过程，移动用户从底层物理网络中获取无线资源进行竞价，通过寻找纳什均衡解，从而最大化网络收益和资源利用率。

在无线网络虚拟化的环境下，映射算法的研究也比较少，将有线的映射算法直接运用到无线也是不合适的；在现有的无线网络虚拟化的映射算法中，资源分配不仅要考虑节点、链路的分配，还要考虑虚拟请求的拓扑结构，无疑增大了映射的复杂性，如何合理分配资源才能避免不必要的资源浪费是在映射过程中必须考虑的问题；同时，虚拟请求动态变化的不可预知性，请求的改变可能会导致原方案无法满足新的需求，这种高度动态环境下，映射问题也变得更加复杂。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种无线网络虚拟化中节点与链路的延迟映射方法包括：

S1、在虚拟节点的映射范围中找到节点映射能力最强的虚拟节点，称为最强虚拟节点，为最强虚拟节点选择最优的虚拟链路；

S2、计算最强虚拟节点的最优的虚拟链路的链路承载能力Q_L，若Q_L大于链路承载阈值Q，则进行节点映射和链路映射，否则进行步骤S3；

S3、计算最强虚拟节点在直接映射路径上的成本和延迟映射路径上的成本，若直接映射路径上的成本小于延迟映射路径上的成本，则进行节点映射和链路映射，否则等待时延结束后再进行节点映射和链路映射，其中直接映射路径上的成本包括映射成本，延迟映射路径上的成本包括映射成本和等待成本。

优选的，为最强虚拟节点选择最优的虚拟链路包括根据链路剩余资源和链路干扰得到物理链路的链路权值ζ，用迪杰斯特拉算法最短路径算法选取两个节点之间链路权值最小的链路，链路权值表示为：

其中，d_I(l^S)表示对链路l^S的干扰，C_L(l^S)表示链路l^S的可用资源。

优选的，对链路l^S的干扰d_I(l^S)表示为：

其中，d_I(l^S)表示与链路l^S直接相连的链路以及与链路l^S本生的干扰，σ为常数，d_l表示与链路l^S直接相连的链路条数，C_L(l^S)表示物理链路l^S的可用资源。

优选的，所述节点映射能力包括：

其中，M(n^S)表示物理节点n^S的映射能力，C_L(l^S)表示物理链路l^S的可用资源，C_N(n^S)表示物理节点n^S的可用资源，L^S表示物理链路的集合，m表示与节点n^S直接相连的链路条数，

表示在物理链路的集合L ^S中与物理节点n^S直接相连的链路。

优选的，链路可用资源C_L(l^S)表示为：

其中，bandwidth(l^S)表示物理链路l^S的带宽，bandwidth(l^V)表示虚拟链路l^V的带宽。

优选的，计算链路承载能力包括：

链路承载能力表示为：

优选的，映射成本表示为：

其中，λ表示节点映射的权值；γ表示链路映射的权值；

为节点单位成本，

为链路单位成本。

优选的，等待成本表示为：

其中，D(G^V)表示延迟的请求，μ表示时延的权值。

优选的，计算链路承载能力包括：

链路承载能力表示为：

优选的，节点映射包括：

将虚拟节点n^V映射到物理节点n^S中，节点映射过程需要满足以下条件：

dis(location(n^V),location(n^S))≤D；

其中，location(n^V)表示虚拟节点n^V的地体位置，location(n^S)表示物理节点n^S的地体位置，D表示虚拟请求节点的映射范围，

表示将虚拟节点n^V映射到物理节点n^S上，dis(A,B)表示处于位置A的虚拟节点映射到处于位置B的物理节点的映射范围。

优选的，述链路映射包括：

将虚拟链路l^V映射到物理链路l^S中，链路映射需要满足以下条件：

其中，p^S表示物理路径。

本发明根据物理网络负载的变化改变映射方法，当物理资源剩余量较少时，通过减缓虚拟请求进入物理网络的数量，缓解负载压力，实现物理网络高效运行；同时在映射过程中也充分考虑到链路干扰带来的影响，以链路干扰作为部分权值，并根据迪杰斯特拉算法(Dijkstra's Algorithm)找到路径，整个过程大幅度的减少了链路干扰，增大映射成功的概率。

附图说明

图1为本发明无线网络虚拟化映射的模型；

图2为本发明无线网络虚拟化中节点与链路的延迟映射方法的流程图；

图3为本发明的方法与基本虚拟网络嵌入算法(Basic Virtual NetworkEmbedding Algorithm，BVNEA)在接受率上的对比；

图4为本发明的方法与BVNEA在收益成本比上的对比。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提出一种无线网络虚拟化中节点与链路的延迟映射方法包括：

S1、在虚拟节点的映射范围中找到节点映射能力最强的虚拟节点，称为最强虚拟节点，为最强虚拟节点选择最优的虚拟链路；

S2、计算最强虚拟节点的最优的虚拟链路的链路承载能力Q_L，若Q_L大于链路承载阈值Q，则进行节点映射和链路映射，否则进行步骤S3；

S3、计算最强虚拟节点在直接映射路径上的成本和延迟映射路径上的成本，若直接映射路径上的成本小于延迟映射路径上的成本，则进行节点映射和链路映射，否则等待时延结束后再进行节点映射和链路映射，其中直接映射路径上的成本包括映射成本，延迟映射路径上的成本包括映射成本和等待成本。

如图1，服务提供商SP1和SP2分别管理VN1和VN2，SP1可以利用InP1和InP2的资源根据VN1的请求构建合适的虚拟网络；另一方面,SP2也可以结合InP1和SP1提供的子虚拟网络资源为VN2分配资源；所以，网络虚拟化的映射问题就是如何高效的利用InP1和InP2的资源为VN1和VN2分配资源。

底层物理网络用带权值的无向图G^S＝(N^S,L^S)表示，N^S表示底层物理节点的集合，L^S表示底层物理链路的集合，对于每个物理节点n^S∈N^S，包括节点计算能力cpu(n^S)和地理位置location(n^S)两个属性，对于每条链路

表示物理节点i到物理节点j之间的链路的可用带宽的最大值。

用带权值的无向图来定义虚拟网络请求G^V＝(N^V,L^V,P)，其中N^V表示虚拟请求节点的集合，L^V表示虚拟链路的集合,对于每个虚拟节点n^V∈N^V，包含节点位置location(n^V)和节点所需的计算能力cpu(n^V),对于每条虚拟链路l^V∈L^V，包含了虚拟链路所需的带宽大小bandwidth(l^V)，P表示虚拟请求的优先级，反映虚拟请求对时延的敏感度；本发明将优先级分为三种，第一种为实时性业务，请求到达就马上要得到服务，比如像VOIP类业务；第二种为高速率业务，对时延的要求相对低一点，比如视频或者语音等等；第三种为文件下载类业务，不用考虑时延，在本发明中配置三种优先级，所能容忍的时间分别为0、1、2。

在节点选择时可能会出现节点资源多而链路资源少的情况，所以为了避免一种资源多，而另一种资源少的情况发生，本发明定义一个节点映射能力：

其中，C_L(l^S)表示物理链路l^S的可用资源，C_N(n^S)表示物理节点n^S的可用资源，m表示与节点n^S直接相连的链路条数，

表示在物理链路的集合L ^S中与物理节点n^S直接相连的链路。

在虚拟节点的映射范围中找到节点映射能力最强的虚拟节点，称为最强虚拟节点，根据链路剩余资源和链路干扰得到物理链路的链路权值ζ，用迪杰斯特拉算法最短路径算法选取两个节点之间链路权值最小的链路，链路权值表示为：

其中，d_I(l^S)表示对链路l^S的干扰，C_L(l^S)表示链路l^S的可用资源。

根据节点的映射范围找到可映射的节点，对于每个节点n^S∈N^S，可用资源为：

表示与节点n^S直接相连的所有链路可用带宽的平均值，定义节点映射能力可以有效的避免一种资源较少而引起成本开销增大。

物理链路l^S的可用资源C_L(l^S)，其表达式为：

其中，

表示将虚拟链路l^V映射到物理链路l^S上。

本发明在无线网络的大环境下，考虑了物理网路链路之间的干扰，对于每条链路，仅考虑与之直接相连的链路以及本身产生的干扰，所以，本发明定义链路干扰系数为：

其中，σ为常数，同时将链路干扰作为链路权值的一部分；d_l表示与l^S直接相连的链路条数，在路径选择时，通过D最短路径算法保证了选择的路径干扰小。

虚拟请求的映射包括节点和链路映射，Map(N^V,L^V)→(N^S,p^S)，将虚拟节点n^V映射到物理节点n^S中，节点映射满足以下两个约束条件：

dis(location(n^V),location(n^S))≤D；

其中，

表示将虚拟节点n^V映射到物理节点n^S上，dis(A,B)表示处于位置A的虚拟节点映射到处于位置B的物理节点的映射范围，即映射的物理节点资源要大于虚拟请求的节点资源，且节点映射范围要小于虚拟节点的映射范围D。

将虚拟链路l^V映射到物理链路l^S中，链路映射也需要满足以下条件：

即给虚拟请求分配的链路带宽要小于物理链路的可用带宽。

为了根据物理网络剩余的资源量去调整映射策略，本发明定义了节点和链路承载能力：

节点承载能力表示为：

链路承载能力表示为：

本发明利用节点链路剩余资源去反映资源的承载能力，当Q_N和Q_L的值越大时，物理网络可用资源越多，承载虚拟请求的能力越强，负载压力越小；由于在映射过程中，节点映射后，链路的映射可能会因为节点的位置而出现多跳的情况，造成了链路资源的使用过多，所以被拒绝的虚拟请求大都是因为链路资源的匮乏引起的，所以在本发明中只考虑链路的承载能力；同时为了减少计算量，在节点、链路预映射后，为链路承载能力设置一个链路承载阈值Q，当Q_L大于链路承载阈值时，就直接映射，并记录映射的时刻t_s。

在映射过程中，为了保证资源的高效利用，剩余资源越多，被选择的概率就越大，所以本发明定义资源单价与可用资源成反比，即可用资源越少，价格越高，在定义成本时，本发明只考虑节点映射成本以及请求等待产生的等待成本，映射成本为：

其中，λ表示节点映射的权值，γ表示链路映射的权值，这两个权值用来平衡节点和链路的影响，在实际运用中，可以是价格系数；

为节点单位计算能力价格，

为单位链路带宽资源的价格。

本发明定义每服务一个虚拟请求，InP得到的收益为：

其中，α表示平衡节点资源的权值，β表示平衡节点带宽的权值，在实际中可以表示为资源的单位价格；对于InP来说，希望服务更多的请求来得到收益。

当链路承载能力小于阈值时，分别计算直接映射路径上的映射成本和延迟路径上的映射成本，然后计算物理网络中正在服务的每个虚拟请求的剩余服务时间为：

T_S,R＝T_S-(t_m-t_s)；

其中，T_S表示虚拟请求的服务时间，t_m表示虚拟请求被延迟时的时刻；定义虚拟请求等待时间为正在服务的虚拟请求剩余服务时间的最小者，这样能减少等待的成本开销，也能及时让虚拟请求得到服务，虚拟请求等待时间为：

其中，

表示第n个虚拟请求的剩余服务时间。

在延迟映射路径上，虚拟请求在等待队列排队时，产生的成本是和等待时间相关的，本发明定义等待成本为：

其中，D(G^V)表示延迟的请求，μ表示延迟的权值。

当这些剩余服务时间最少的虚拟请求离开物理网络后，它们也释放了占用的资源，此时更新物理网络的可用资源，按照节点链路映射方法找到节点链路，比较直接映射路径的成本与延迟映射路径上的成本，若直接映射路径上的成本小于延迟映射路径上的成本，则直接将虚拟网络的节点和链路映射到物理网络中的节点和网络中，否则延迟T_D个时间再映射。

为了验证本发明的性能，通过仿真链路承载阈值Q对请求接受率以及收益成本比的影响，得出在Q＝1.5时，虚拟请求接受率和收益成本比的效果更好，所以图3、图4均是在阈值Q＝1.5的条件下得出的仿真图像；通过图3可以看出虚拟请求的接受率比BVNEA算法提升15％左右，大大增加了虚拟请求的接受率；图4可以看出收益成本比增加了5％左右；所以该发明有效的提升了接受率，以及网络收益，使物理网络更加高效的运行。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.无线网络虚拟化中节点与链路的延迟映射方法，其特征在于，包括：

S1、在虚拟节点的映射范围中找到节点映射能力最强的虚拟节点，称为最强虚拟节点，为最强虚拟节点选择最优的虚拟链路，即根据链路剩余资源和链路干扰得到物理链路的链路权值ζ，用迪杰斯特拉算法最短路径算法选取两个节点之间链路权值最小的链路，链路权值表示为：

其中，d_I(l^S)表示对链路l^S的干扰，C_L(l^S)表示链路l^S的可用资源；

S2、计算最强虚拟节点的最优的虚拟链路的链路承载能力Q_L，若Q_L大于链路承载阈值Q，则进行节点映射和链路映射，否则进行步骤S3；

S3、计算最强虚拟节点在直接映射路径上的成本和延迟映射路径上的成本，若直接映射路径上的成本小于延迟映射路径上的成本，则进行节点映射和链路映射，否则等待时延结束后再进行节点映射和链路映射，其中直接映射路径上的成本包括映射成本，延迟映射路径上的成本包括映射成本和等待成本。

2.根据权利要求1所述的无线网络虚拟化中节点与链路的延迟映射方法，其特征在于，所述对链路l^S的干扰d_I(l^S)表示为：

其中，d_I(l^S)表示与链路l^S直接相连的链路以及与链路l^S本生的干扰，σ为常数，d_l表示与链路l^S直接相连的链路条数，C_L(l^S)表示物理链路l^S的可用资源。

3.根据权利要求1所述的无线网络虚拟化中节点与链路的延迟映射方法，其特征在于，所述节点映射能力包括：

其中，M(n^S)表示物理节点n^S的映射能力，C_L(l^S)表示物理链路l^S的可用资源，C_N(n^S)表示物理节点n^S的可用资源，L^S表示物理链路l^S的集合，m表示与节点n^S直接相连的链路条数，

表示在物理链路的集合L^S中与物理节点n^S直接相连的链路。

4.根据权利要求2所述的无线网络虚拟化中节点与链路的延迟映射方法，其特征在于，物理链路的可用资源C_L(l^S)表示为：

其中，bandwidth(l^S)表示物理链路l^S的带宽，bandwidth(l^V)表示虚拟链路l^V的带宽。

5.根据权利要求1所述的无线网络虚拟化中节点与链路的延迟映射方法，其特征在于，所述映射成本表示为：

其中，λ表示平衡节点成本的系数，γ表示链路成本的系数；

为节点单位计算能力的价格，

为单位链路带宽的价格，bandwidth(l^V)表示虚拟链路l^V的带宽，cpu(n^V)表示虚拟节点n^V的计算能力，p^S表示物理路径。

6.根据权利要求1所述的无线网络虚拟化中节点与链路的延迟映射方法，其特征在于，所述等待成本表示为：

其中，D(G^V)表示延迟的请求，μ表示时延价格的权值，T_D表示延迟等待的时间，bandwidth(l^V)表示虚拟链路l^V的带宽，cpu(n^V)表示虚拟节点n^V的计算能力，N^V表示虚拟节点n^V的集合，L^V表示虚拟链路l^V的集合。

7.根据权利要求1所述的无线网络虚拟化中节点与链路的延迟映射方法，其特征在于，链路承载能力表示为：

其中，bandwidth(l^V)表示虚拟链路l^V的带宽，C_L(l^S)表示物理链路l^S的可用资源。

8.根据权利要求1所述的无线网络虚拟化中节点与链路的延迟映射方法，其特征在于，所述节点映射包括将虚拟节点n^V映射到物理节点n^S中，节点映射过程需要满足以下条件：

dis(location(n^V),location(n^S))≤D；

其中，cpu(n^V)表示虚拟节点n^V的计算能力，C_N(n^S)表示物理节点n^S的可用资源，location(n^V)表示虚拟节点n^V的地体位置，location(n^S)表示物理节点n^S的地理位置，D表示虚拟节点的映射范围，

表示将虚拟节点n^V映射到物理节点n^S上，dis(A,B)表示处于位置A的虚拟节点映射到处于位置B的物理节点的映射范围。

9.根据权利要求1所述的无线网络虚拟化中节点与链路的延迟映射方法，其特征在于，所述链路映射包括将虚拟链路l^V映射到物理链路l^S中，链路映射需要满足以下条件：

其中，bandwidth(l^V)表示虚拟链路l^V的带宽，C_L(l^S)表示物理链路l^S的可用资源，p^S表示物理路径，

表示将虚拟链路l^V映射到物理链路l^S上。

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