CN112333717A - 计及电力多业务需求的5g接入网切片资源分配方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种计及电力多业务需求的5G接入网切片资源分配方法及装置,包括:基于电力多业务通信需求,搭建5G接入网切片实现框架;基于所述5G接入网切片实现框架,以电力多业务传输带宽、时延及计算资源需求为约束条件,建立电力5G网络经济性最优模型;以所述电力5G网络经济性最优模型为约束条件,建立网络切片通信与计算资源的联合分配算法,以频率资源块和电力业务的索引变量作为输入,获得最优功率、频率资源块与计算资源分配的结果,使得电力用户网络切片资源租赁资费最小。本发明具有在确保电网调度控制类业务通信需求前提下,最大化采集类及移动带宽类业务的网络服务效益,实现网络资源利用效率最优,最小化电力用户网络切片资源租赁资费。
Description
技术领域
本发明涉及电力5G应用技术领域,具体地涉及一种计及电力多业务需求的5G接入网切片资源分配方法及一种计及电力多业务需求的5G接入网切片资源分配装置。
背景技术
随着特高压、新能源发电以及储能技术的发展,传统实现电力能量单向生产、分配与消费电力系统网络正在逐步向分布式可再生能源、负荷侧响应等“多源互补”、“源、网、荷、储”各环节高度协调、生产和消费双向互动、集中与分布相结合的电力能源互联网络发展演变。将能源基础设施与先进信息通信技术融合,可构建具有高度信息化、自动化、互动化等特征的电力信息物理系统。电力通信网络作为电力信息传输的基础设施,贯穿于电网各个环节,是电力系统不可或缺的第二张物理网络。随着“源网荷”互动、需求侧响应、电力设备物联网、输变电智能巡检等能源互联网新型业务的发展,各类电力传感设备、智能电气装置以及数字化巡检装备不断投入使用,需根据各类新型业务需求将电力通信网络延伸至用户侧,不断建设完善终端通信接入网络,实现“最后一公里覆盖”。
终端通信接入网络技术主要包括光纤专网、无线专网、无线公网以及电力线载波等方式。其中无线公网、无线专网具有广覆盖、易部署的特点,是可以在满足控制业务需求的同时实现多业务共享的终端通信接入网技术,但专网的频谱资源日益匮乏,不能适应未来业务爆发式增长的通信需求。目前基于2G/3G/4G的无线公网采用“一刀切”业务承载架构,很难精准适配多业务差异化需求,网络资源调配能力不足,针对电力租户网络的性能感知与控制手段欠缺;难以满足电力行业对“专用网络”的服务要求。
5G通信网络融合了软件定义网络(Software-Defined Network,SDN)和网络功能虚拟化(Network Functions Virtualization,NFV)技术,实现了在同一张物理网络上为电力行业用户按需提供可编程的、灵活的、模块化的多个逻辑子网络,每个子网络可被剪裁适应特定业务的通信传输需求,该子网络被称作网络切片(Network Slice,NS)。此外,基于SDN/NFV技术的5G网络架构还为电力租户提供了应用开发接口(Application OpenInterface,API),供其自定义编排、控制网络服务,完全实现了基于服务化的网络架构(Service Based Architecture,SBA)。基于5G通信技术可以为电力行业用户打造定制化的“行业专网”,更好地满足电网业务的安全性、可靠性和灵活性需求,实现差异化服务保障,提升电网企业对自身业务的自主可控能力。
5G端到端网络切片主要包含核心网切片、承载网切片以及无线接入网(RadioAccess Network,RAN)切片。核心网切片方面,由3GPP组织发布的5G技术标准已经定义了核心网切片架构,其将现有4G EPC核心网控制面与用户面完全分离,并分割为功能更加精细的虚拟化网络功能模块。承载网切片主要基于灵活以太网技术实现的时隙化通道分割方案,为不同用户提供服务有保障的专用传输时间片。
实现5G网络切片需重点针对无线接入网网元功能虚拟化及虚拟化资源(频谱、计算、存储等)调度和分配开展相关设计。本发明从电力5G应用需求出发,以垂直行业租户视角分析了电力三大类业务通信需求(控制类、采集类、移动宽带类等),并基于SDN/NFV技术架构构建电力5G网络切片架构,提出了一种适用于电力5G应用差异化需求的RAN切片虚拟化资源分配方案,该方案能够在确保电网调度控制类业务通信需求刚性兑付的前提条件下,最大化采集类及移动带宽类业务的网络服务效益,从而实现电力租户网络资源利用效率最优。
发明内容
本发明实施方式的目的是提供一种计及电力多业务需求的5G接入网切片资源分配方法及装置,以至少解决上述的网络资源调配能力不足,针对电力租户网络的性能感知与控制手段欠缺;难以满足电力行业对“专用网络”的服务要求的问题。
为了实现上述目的,本发明第一方面提供一种计及电力多业务需求的5G接入网切片资源分配方法,所述方法包括:
基于电力多业务通信需求,搭建5G接入网切片实现框架;
基于所述5G接入网切片实现框架,以电力多业务传输带宽、时延及计算资源需求为约束条件,建立了电力5G网络经济性最优模型;
以所述电力5G网络经济性最优模型为约束条件,建立网络切片通信与计算资源的联合分配算法,以频率资源块和电力业务的索引变量作为输入,获得电力业务接入网切片的最优功率、频率资源块与计算资源的分配结果。
可选的,所述5G接入网切片实现框架,包括:
多个切片集、5G基站和多个5G终端用户。
可选的,多个所述切片集内均设置有网络服务编排器、运营支撑系统、租户控制器和资源编排器,所述网络服务编排器通过所述资源编排器获取每个切片所需的虚拟基础设施资源,所述运营支撑系统用于租户提供和运营网络服务。
可选的,所述切片集包括:控制类切片集、移动宽带类切片集和采集类切片集。
可选的,所述基于所述5G接入网切片实现框架,以电力多业务传输带宽、时延以及计算资源需求为约束条件,建立电力5G网络经济性最优模型,包括:
其中,n为电力业务的索引变量,设待分配切片资源的电力业务类型为N,n=1,2,…,N;k为频率资源块,设频率资源块总数为K,k=1,2,…,K;gn,k和pn,k分别为业务n在资源块k上的信道增益和发送功率;Cn为5G基站处理来自业务n的数据所需的虚拟化计算资源;设分别为运营商频率资源块及单位计算资源租赁费。
可选的,所述电力5G网络经济性最优模型的约束条件的表达式为:
其中,gn,k和pn,k分别为业务n在资源块k上的信道增益和发送功率,Rn,为业务n的传输速率,Δtn为时延指标值,Cn为5G基站处理来自业务n的数据所需的虚拟化计算资源,C为基站服务器可供电力用户租赁使用的虚拟化计算资源总和,Pn为业务终端上行发送总功率,xn,k为频率资源块k分配给业务n的指示变量,xn,k∈{0,1}。
可选的,所述以所述电力5G网络经济性最优模型为约束条件,建立网络切片通信与计算资源的联合分配算法,并以频率资源块和电力业务的索引变量作为输入,获得电力业务接入网切片的最优功率、频率资源块与计算资源分配结果,包括:
其中,
其中,θφ,θλ,θμ为迭代步长,令i=i+1;
可选的,该方法还包括:将通过网络切片通信与计算资源的联合分配算法得到的所述分配结果输入所述电力5G网络经济性最优模型,获得与所述分配结果对应的电力用户网络切片资源租赁资费。
本发明第二方面提供一种计及电力多业务需求的5G接入网切片资源分配装置,该装置包括:
建立模块,用于基于电力多业务通信需求,搭建5G接入网切片实现框架;
建模模块,用于基于所述5G接入网切片实现框架,以电力多业务传输带宽、时延以及计算资源需求为约束条件,建立了电力5G网络经济性最优模型;
输出模块,用于以所述电力5G网络经济性最优模型为约束条件,建立网络切片通信与计算资源的联合分配算法,以频率资源块和电力业务的索引变量作为输入,获得电力业务接入网切片的最优功率、频率资源块与计算资源的分配结果。
另一方面,本发明提供一种机器可读存储介质,该机器可读存储介质上存储有指令,该指令用于使得机器执行上述的计及电力多业务需求的5G接入网切片资源分配方法。
本发明的计及电力多业务需求的5G接入网切片资源分配方法及装置,通过根据不同类型电力业务对网络传输速率、时延的差异化通信需求,考虑电力5G网络切片运营费用经济性,动态分配5G接入网频率资源块、发送功率以及虚拟机算力等通信与计算资源,从而满足了电力多业务对5G网络切片的定制化需求,为电力5G应用提供有益参考;同时,基于SDN/NFV技术架构构建电力5G网络切片架构,提出了一种适用于电力5G应用差异化需求的RAN切片虚拟化资源分配方案,能够在确保电网调度控制类业务通信需求刚性兑付的前提条件下,最大化采集类及移动带宽类业务的网络服务效益,从而实现电力租户网络资源利用效率最优,在确保业务通信关键指标的同时,最小化电力用户网络切片资源租赁资费。
本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式,但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中:
图1是本发明提供的一种计及电力多业务需求的5G接入网切片资源分配方法的流程图;
图2是本发明提供的电力5G接入网网络切片实现框架结构示意图;
图3是本发明提供的网络切片通信与计算资源的联合分配算法的收敛特性曲线;
图4是本发明提供的切片租赁总花费与控制类业务数量的变化曲线;
图5是本发明提供的计及电力多业务需求的5G接入网切片资源分配装置结构示意图。
附图标记说明
10-建立模块;20-建模模块;30-输出模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
图1是本发明提供的计及电力多业务需求的5G接入网切片资源分配方法的流程图。如图1所示,本发明实施方式提供一种计及电力多业务需求的5G接入网切片资源分配方法,所述方法包括:
步骤101、基于电力多业务通信需求,搭建5G接入网切片实现框架;
步骤102、基于所述5G接入网切片实现框架,以电力多业务传输带宽、时延及计算资源需求为约束条件,建立了电力5G网络经济性最优模型;
步骤103、以所述电力5G网络经济性最优模型为约束条件,建立网络切片通信与计算资源的联合分配算法,并以频率资源块和电力业务的索引变量作为输入,获得电力业务接入网切片的最优功率、频率资源块与计算资源的分配结果,使得电力用户网络切片资源租赁资费最小。
本发明的5G通信接入网采用正交频分复用技术,采用软件定义网络、网络功能虚拟化技术实现5G接入网切片,电力5G网络切片方案,NFV(Network FunctionsVirtualization,网络功能虚拟化技术)主要应用于接入网网络功能虚拟化,SDN(Software-Defined Network,软件定义网络)则主要负责为虚拟网络功能(Virtualnetwork function,VNF)提供高效的连接管理手段。
进一步地,图2是本发明提供的电力5G接入网网络切片实现框架示意图,如图2所示,所述5G接入网切片实现框架,包括:
多个切片集、5G基站和多个5G终端用户。
其中,所述5G基站作为基础设施层,定义了虚拟基础设施管理器,属于SDN应用层角色,负责将由虚拟化层抽象出的虚拟计算资源、虚拟存储资源和虚拟网络资源,按照资源编排器要求组合成符合用户需求的虚拟机。其次,基础设施层还定义了基础设施控制器,属于SDN控制器角色,负责配置和管理虚拟网络资源,为安装于虚拟机的VNF提供必要的连接手段。基础设施控制器同时也受控于虚拟基础设施管理器,用户需求通过虚拟基础设施管理器下达给基础设施控制器,从而实现按需更改虚拟资源的目的。
进一步地,多个所述切片集内均设置有网络服务编排器、运营支撑系统、租户控制器和资源编排器,所述网络服务编排器通过所述资源编排器获取每个切片所需的虚拟基础设施资源,所述运营支撑系统用于租户提供和运营网络服务。
其中,所述租户控制器作为SDN控制器,作为软件定义网络(SDN)中的应用程序,负责流量控制以确保智能网络。
进一步地,多个所述切片集包括:控制类切片集、移动宽带类切片集和采集类切片集。
具体地,在本实施方式中,所述控制类切片集可以包括电力系统的精准负荷控制切片和配网差动保护切片,所述电力系统的精准负荷控制切片和配网差动保护切片与管理员之间通信连接;所述移动宽带类切片集可以包括网联无人机切片和配电站房监控切片,所述网联无人机切片和配电站房监控切片与管理员通信连接;所述采集类切片集可以包括网联无人机切片和配电站房监控切片,所述网联无人机切片和配电站房监控切片与与管理员通信连接。
进一步地,所述基于所述5G接入网切片实现框架,以电力多业务传输带宽、时延以及计算资源需求为约束条件,建立了电力5G网络经济性最优模型,包括:
其中,n为电力业务的索引变量,设待分配切片资源的电力业务类型为N,n=1,2,…,N;k为频率资源块,设频率资源块总数为K,k=1,2,…,K;gn,k和pn,k分别为业务n在资源块k上的信道增益和发送功率;Cn为5G基站处理来自业务n的数据所需的虚拟化计算资源,其度量单位为MIPS(Million Instructions Per Second,每秒处理的百万级的机器语言指令数);设分别为运营商频率资源块及单位计算资源租赁费。
以电力多业务传输带宽、时延以及计算资源需求为约束条件,根据无线通信信道容量带宽计算定义,并保证最小化所有业务切片租赁花费,同时保障传输速率、时延指标,作为优化问题,可以建立所述电力5G网络经济性最优模型。
进一步地,所述电力5G网络经济性最优模型的约束条件的表达式为:
其中,gn,k和pn,k分别为业务n在资源块k上的信道增益和发送功率,Rn,为业务n的传输速率,Δtn为时延指标值,Cn为5G基站处理来自业务n的数据所需的虚拟化计算资源,C为基站服务器可供电力用户租赁使用的虚拟化计算资源总和,Pn为业务终端上行发送总功率,xn,k为频率资源块k分配给业务n的指示变量,xn,k∈{0,1}。
具体地,对于上述的约束条件的表达式,等式(2)保证了每个业务传输速率不小于预定值Rn;等式(3)给出了业务n的传输速率、虚拟计算资源以及传输时延关联关系,传输速率为单位时间无线传输的数据量,而基站处理这些数据的处理时延反比于虚拟计算资源大小,同时与传输速率成正比;等式(4)为基站租赁电力用户的虚拟计算可分配资源总量约束;等式(5)为业务终端上行发送总功率;等式(6)表示某个频率资源块仅可以分配给单个业务使用,即多业务采用正交频分复用方式接入无线信道,降低同频干扰。
进一步地,所述以所述电力5G网络经济性最优模型为约束条件,建立网络切片通信与计算资源的联合分配算法,以频率资源块和电力业务的索引变量作为输入,获得电力业务接入网切片的最优功率、频率资源块与计算资源分配结果,使得电力用户网络切片资源租赁资费最小包括:
其中,
其中,θφ,θλ,θμ为迭代步长,令i=i+1;
在本实施方式中,图3是本发明提供的网络切片通信与计算资源的联合分配算法的收敛特性曲线,如图3所示,对于一个确定的频率资源块数量值,会对应任一个电力业务的索引变量,形成一整组的变量,对一整组的变量进行迭代计算,并判断每一个变量对应的λ(i),是否已经收敛,在设定的约束条件范围内,始终存在对应的输入变量使得λ(i),收敛,使的输出的结果,在保证功率结果和计算资源分配结果最佳的同时,最小化电力用户网络切片资源租赁资费。
进一步地,该方法还包括:将通过网络切片通信与计算资源的联合分配算法得到的所述分配结果输入所述电力5G网络经济性最优模型,获得与所述分配结果对应的电力用户网络切片资源租赁资费。
在本实施方式中,图4是本发明提供的切片租赁总花费与控制类业务数量的变化曲线,如图4所示,在现有技术中,对于通信过程中切片租赁总花费具有较多的计算算法,其中,常用的计算算法为启发式算法和固定分配算法,在本实施方式中,保证同样的输入变量,通过对三种算法进行对比,可以得出在同样的输入变量下,固定分配算法的切片租赁总花费最高,本发明提供的网络切片通信与计算资源的联合分配算法切片租赁总花费最低,且能够在保证切片租赁总花费最低的情况下,保证最大效率的传输。
图5是本发明提供的计及电力多业务需求的5G接入网切片资源分配装置结构示意图。如图5所示,本发明实施方式提供一种计及电力多业务需求的5G接入网切片资源分配装置,该装置包括:
建立模块10,用于基于电力多业务通信需求,搭建5G接入网切片实现框架;
建模模块20,用于基于所述5G接入网切片实现框架,以电力多业务传输带宽、时延以及计算资源需求为约束条件,建立了电力5G网络经济性最优模型;
输出模块30,用于以所述电力5G网络经济性最优模型为约束条件,建立网络切片通信与计算资源的联合分配算法,并以频率资源块和电力业务的索引变量作为输入,获得电力业务接入网切片的最优功率、频率资源块与计算资源分配结果,使得电力用户网络切片资源租赁资费最小。
本发明实施方式还提供一种机器可读存储介质,其上存储有计算机程序指令,所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述的计及电力多业务需求的5G接入网切片资源分配方法。
本领域技术人员可以理解实现上述实施方式的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,该程序存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式,但是,本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明实施方式的技术构思范围内,可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复,本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外,本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违背本发明实施方式的思想,其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。
Claims (10)
1.一种计及电力多业务需求的5G接入网切片资源分配方法,其特征在于,所述方法包括:
基于电力多业务通信需求,搭建5G接入网切片实现框架;
基于所述5G接入网切片实现框架,以电力多业务传输带宽、时延及计算资源需求为约束条件,建立电力5G网络经济性最优模型;
以所述电力5G网络经济性最优模型为约束条件,建立网络切片通信与计算资源的联合分配算法,以频率资源块和电力业务的索引变量作为输入,获得电力业务接入网切片的最优功率、频率资源块与计算资源的分配结果。
2.根据权利要求1所述的计及电力多业务需求的5G接入网切片资源分配方法,其特征在于,所述5G接入网切片实现框架,包括:多个切片集、5G基站和多个5G终端用户。
3.根据权利要求2所述的计及电力多业务需求的5G接入网切片资源分配方法,其特征在于,多个所述切片集内均设置有网络服务编排器、运营支撑系统、租户控制器和资源编排器,所述网络服务编排器通过所述资源编排器获取每个切片所需的虚拟基础设施资源,所述运营支撑系统用于租户提供和运营网络服务。
4.根据权利要求3所述的计及电力多业务需求的5G接入网切片资源分配方法,其特征在于,所述切片集包括:控制类切片集、移动宽带类切片集和采集类切片集。
5.根据权利要求1所述的计及电力多业务需求的5G接入网切片资源分配方法,其特征在于,所述基于所述5G接入网切片实现框架,以电力多业务传输带宽、时延以及计算资源需求为约束条件,建立电力5G网络经济性最优模型,包括:
7.根据权利要求6所述的计及电力多业务需求的5G接入网切片资源分配方法,其特征在于,所述以所述电力5G网络经济性最优模型为约束条件,建立网络切片通信与计算资源的联合分配算法,以频率资源块和电力业务的索引变量作为输入,获得电力业务接入网切片的最优功率、频率资源块与计算资源分配结果,包括:
其中,
其中,θφ,θλ,θμ为迭代步长,令i=i+1;
8.根据权利要求1所述的计及电力多业务需求的5G接入网切片资源分配方法,其特征在于,该方法还包括:
将通过网络切片通信与计算资源的联合分配算法得到的所述分配结果输入所述电力5G网络经济性最优模型,获得与所述分配结果对应的电力用户网络切片资源租赁资费。
9.一种计及电力多业务需求的5G接入网切片资源分配装置,其特征在于,该装置包括:
建立模块,用于基于电力多业务通信需求,搭建5G接入网切片实现框架;
建模模块,用于基于所述5G接入网切片实现框架,以电力多业务传输带宽、时延以及计算资源需求为约束条件,建立了电力5G网络经济性最优模型;
输出模块,用于以所述电力5G网络经济性最优模型为约束条件,建立网络切片通信与计算资源的联合分配算法,并以频率资源块和电力业务的索引变量作为输入,获得电力业务接入网切片的最优功率、频率资源块与计算资源分配结果。
10.一种机器可读存储介质,该机器可读存储介质上存储有指令,该指令用于使得机器执行权利要求1-8中任一项权利要求所述的计及电力多业务需求的5G接入网切片资源分配方法。
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