CN112492687A - 一种基于无线网络切片的自适应资源分配方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于无线网络切片的自适应资源分配方法及系统，通过构造不同特征的虚拟资源池，以各用户的多样化业务需求为导向，将用户接入构造的满足多样化业务需求的网络切片，并以各网络切片的差异化需求为目标进行资源调度，实现了对无线网络中各切片资源的统一自适应管理；同时，当无线网络发生状况或用户业务需求发生变化时，可以根据计算的第一门限值和第二门限值，及时调整接入网络切片的选择和相应资源的分配，以避免网络过载或资源供应过剩情况的发生，提高资源利用率，满足用户业务需求。

Description

一种基于无线网络切片的自适应资源分配方法及系统

技术领域

本发明涉及网络资源分配技术领域，更具体的，涉及一种基于无线网络切片的自适应资源分配方法及系统。

背景技术

随着5G的提出以及陆续部署的5G商业化应用，万物互联的时代正逐步到来，机器类通信等垂直业务呈现出多样化发展趋势。为了应对不同的业务需求，各种无线支撑网络也随之出现，无线网络进而呈现出异构化、多制式化发展趋势。为了满足多样化的业务需求和不同类型用户的接入服务，网络切片作为5G时代一种新兴的网络架构被提出，使得网络运营商可以在统一的底层物理基础设施上灵活部署多个虚拟的逻辑网络。

公开号CN107071782A的中国发明专利于2017年8月18日公开了一种基于网络切片的无线资源分配方法，通过引入切片对无线资源的自主管理，降低了集中无线资源管理器的负载压力。但是，现有技术无法根据用户业务的差异化特性进行具有区分度的资源分配；当无线网络发生状态或当用户业务需求发生变化时，现有技术无法快速及时调整资源的分配，以避免网络过载或资源供应过剩情况的发生；此外，现有技术缺乏对网络切片服务质量有影响的缓存资源分配的考虑。

发明内容

本发明为克服现有的网络切片资源分配方法存在无法根据用户业务的差异化特性进行具有区分度的资源分配、快速及时调整资源的分配以避免网络过载或资源供应过剩情况的发生的技术缺陷，提供一种基于无线网络切片的自适应资源分配方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于无线网络切片的自适应资源分配方法，包括以下步骤：

S1：由中央枢纽节点周期性向所有网络节点收集无线网络信息，并将获得的资源映射为虚拟资源池；

S2：根据终端业务请求，中央枢纽节点将终端接入到满足其业务需求的网络切片上；

S3：由中央枢纽节点确定各网络切片中的缓存资源和缓存工作方式，完成对网络切片中终端的无线资源分配；

S4：由中央枢纽节点将满足终端业务需求的网络切片的构造配置信息和资源分配策略映射为网络节点的配置指令，完成相应的网络配置；

S5：由中央枢纽节点采集终端信息并对终端信息进行数据处理和性能评估，判断终端性能是否符合第一门限值；若是，则维持当前的网络切片资源分配策略；否则，执行步骤S6；

S6：由中央枢纽节点判断发起网络资源重分配请求的切片数目比例是否大于第二门限值，若是，则发起重分配请求，执行步骤S2；否则，发起增强重分配步骤，执行步骤S3。

上述方案中，所述缓存资源包括缓存空间、缓存内容、网络功能等。进一步的，缓存空间由各个网络节点自身的储存空间决定；缓存内容是指终端所要请求的内容，例如视频文件、网页等；网络功能是指核心网下沉到网络边缘的具有本地处理能力的业务功能。所述缓存工作方式包括缓存内容替换方式、缓存更新周期、业务缓存优先级等。进一步的，缓存内容替换方式是指由于缓存空间有限，需要使用一定的方式将缓存中的文件进行替换，以提高终端请求在缓存中的命中率；缓存更新周期是指对缓存内容进行替换的时间，针对业务要求的时延决定不同的缓存更新周期，以降低频繁更新缓存的成本以及提高缓存命中率；业务缓存优先级是指针对不同业务的网络切片的特性，赋予不同网络切片不同的缓存优先级，以应对不同的业务属性，满足业务需求。

上述方案中，通过构造不同特征的虚拟资源池，以各用户的多样化业务需求为导向，将用户接入构造的满足多样化业务需求的网络切片，并以各网络切片的差异化需求为目标进行资源调度，实现了对无线网络中各切片资源的统一自适应管理；同时，当无线网络发生状况或用户业务需求发生变化时，可以根据计算的第一门限值和第二门限值，及时调整接入网络切片的选择和相应资源的分配，以避免网络过载或资源供应过剩情况的发生，提高资源利用率，满足用户业务需求。

上述方案中，通过动态地调整缓存、无线资源的分配和接入网络切片的选择，满足无线网络切片对缓存、无线、拓扑资源的多维度需求，提升网络切片的服务质量。

其中，所述步骤S1包括以下步骤：

S11：由中央枢纽节点的信息收集模块周期性向所有网络节点发送无线网络测量信息；所述周期可由信息收集模块中的计时器决定，可以是一天、一周等，对此不做限制。所述无线网络测量信息是指要求网络节点反馈相应无线网络信息的控制指令。

S12：所有网络节点反馈的无线网络信息由信息收集模块接收并存储于中央枢纽节点的数据存储模块中；

S13：由中央枢纽节点的资源虚化模块根据数据存储模块的可用无线资源和缓存资源，使用不同的虚拟化策略对收集到的各种信息资源进行分割、重组，形成逻辑上具有不同特征的虚拟资源池。

上述方案中，所述中央枢纽节点处于核心网和接入网之间，搭载各种功能模块，实现对底层网络的自适应资源管理。所述的无线网络信息包括接入网络类型、网络节点、可用的无线资源和缓存资源、网络负载状况、信道质量、网络切片的资源使用情况等信息。

上述方案中，所述接入网络类型可以包括但不限于GSM(Global System forMobile Communications，全球移动通信系统)、LTE(Long Term Evolution，长期演进)、WLAN(Wireless Local Area Network，无线局域网)、短波等类型，所述短波是一种应急的窄带通信，它是根据天波和地波实现无线通信一跳可达，与地面宽带移动通信形成互补；通过增加短波通信为网络切片的支撑网络，将短波作为备选手段，利用短波的天波和地波实现一跳可达，弥补地面通信不可达的场景，提升组网的灵活性。

上述方案中，所述网络节点包括但不限于集中式BBU(Baseband Unit，基带处理单元)、分布式RRU(Remote Radio Unit，射频拉远单元)、HPN(High Power Node，高功率节点)、CU(Centralized Unit，集中单元)、DU(Distributed Unit，分布单元)等；所述网络负载状况可包括但不限于接入网络接入的用户数、数据传输量等；所述信道质量包括但不限于SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio，信干噪比)、RSRP(ReferenceSignal Receiving Power，参考信号接收功率)等。

其中，所述步骤S13具体为：虚拟资源池中的同种虚拟资源或不同种虚拟资源均可以进行重新组合形成虚拟资源切块，以这些虚拟资源切块作为基本单位为网络切片分配资源。

上述方案中，无线资源和缓存资源等以最小单位的逻辑进行拆分，将拆分出来的所有资源一一映射成虚拟资源，进而形成虚拟资源池。虚拟资源池中的同种虚拟资源或不同中虚拟资源均可以进行重新组合形成虚拟资源切块以进行分配。为网络切片分配资源时，是以这些虚拟资源切块作为基本单位的。进一步的，虚拟资源与物理资源是一一对应的，分配时是以虚拟资源切块的形式进行分配，屏蔽了物理上的差异。

上述方案中，当周期性无线网络信息测量发现有新的资源可用于虚拟资源池时，资源虚拟化模块基于最新所述无线网络信息更新所述虚拟资源池。所述新的资源是指，有新的无线资源或缓存资源加入当前网络中，或者有无线资源或者缓存被网络切片释放，可以回收使用。

上述方案中，对于无线资源的虚拟化，可根据搜集的各网元节点的无线资源信息，进行节点资源分类标识，并以最小不可分割单元的形式，即资源块的形式，重组为具有统一形式的虚拟无线资源池；对于缓存资源的虚拟化，可根据搜集的各网元节点的缓存资源信息，进行节点资源分类标识，形成统一形式的虚拟缓存资源池。对于在中央枢纽节点中，虚拟资源池以编码形式的矩阵进行表示。所述编码方式，可采用二进制0/1编码，亦可采用浮点数编码，对此不做限制。但需要注意的是，不同的资源可以采用不同的编码方式进行存储，但同一类资源需要采用统一的编码方式，以屏蔽同类资源在物理上的差异性。

其中，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21：数据存储模块根据终端业务请求，分析并向中央枢纽节点的切片管理模块传送相应业务所需的性能；

所述业务服务请求包括终端请求的业务特征描述(比如业务类型、容量请求类型等)，以及QoS(Quality of Service，服务质量)参数要求的描述(比如最小速率、峰值速率、最大时延、最大时延抖动等)。所述业务特征描述可以根据终端业务请求中携带的S-NSSAI(Single Network Slice Selection Assistance Information，单个网络切片选择辅助信息)中的SST(Slice/Service type，切片/服务类型)进行识别。根据3GPP标准定义，SST可以标识出切片类型或者切片支持的服务类型，0-127为3GPP标准定义值，取值为，1：eMBB(Enhanced Mobile Broadband，增强移动宽带)，2：uRLLC(ultra-reliable and LowLatency Communications，超高可靠与低时延通信)，3：mMTC(massive Machine Type ofCommunication，海量机器类通信)，而128-255可由运营商自定义。

业务请求的发起，终端可以先向所在的归属基站发起业务请求，归属基站确定终端的业务请求后，向中央枢纽节点中的数据存储模块转送业务请求。所述归属基站为对终端的位置和移动性进行管理的网络基站或节点。若业务请求信息中有相应服务质量参数要求，则数据存储模块根据相应服务质量参数确定传送相应业务数据所需的性能；对于业务请求信息中没有相应服务质量参数要求的请求，可以通过数据存储模块中存储的业务类型与性能需求的映射表进行计算。

S22：切片管理模块判断网络中是否存在与终端业务请求符合的网络切片，若是，则将终端接入到相应的网络切片上；否则，切片管理模块构造符合终端业务请求的新的网络切片，并将终端接入到该网络切片上。

上述方案中，切片管理模块可以根据预存储的业务服务类型与网络切片映射关系，选择匹配的网络切片进行终端接入或进行构造，并选择合适的拓扑资源。其中，业务服务类型与网络切片可以是一对一、多对一的关系。

其中，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31：由中央枢纽节点的缓存资源管理模块确定各网络切片中的缓存资源和缓存工作方式；

S32：由中央枢纽节点的无线资源管理模块，根据网络切片优先级及与网络切片相连各终端的优先级和性能需求为终端分配所需资源；若能满足各网络切片内的全部终端需求，则执行步骤S4；否则，执行步骤S33；

S33：无线资源管理模块采用部分资源复用方式为未满足业务需求的网络切片内的终端分配复用资源。

其中，所述步骤S33具体包括以下步骤：

S331：根据网络切片之间的历史干扰情况，得到可容忍的切片间最大的干扰为第一阈值，对应的网络切片间的距离为第二阈值，并测量网络切片可容忍的切片内最大干扰为第三阈值；中央枢纽节点根据满足需求的各终端上报的干扰信息进行求平均得到满足需求的终端受到的平均干扰；

S332：由无线资源管理模块生成网络切片列表A与网络切片列表B；其中，所述网络切片列表A为按照网络切片优先级排列的终端需求未全部得到满足的网络切片列表；所述网络切片列表B为网络切片内终端需求全部满足，且切片内各终端受到的平均干扰小于第三阈值的网络切片列表；

S333：对于网络切片列表A首位的网络切片，记为网络切片a，依次计算至网络切片列表B中各网络切片的距离，并升序排序生成临时网络切片列表C，依次轮询网络切片列表C，并选取首个满足距离大于第二阈值的网络切片的无线资源进行复用；若无满足距离大于第二阈值的网络切片，则选择距离最远的网络切片的无线资源进行复用；被选择复用无线资源的网络切片被记为网络切片b；

S334：对网络切片a内终端列表，排在首位的终端选择最小的实际距离大于第二阈值的网络切片b内终端的无线资源进行复用；若无满足距离需求的终端，则选择距离最远的终端的无线资源进行复用，直至网络切片b中的无线资源全部被网络切片a内的终端复用；将满足业务需求的终端从网络切片a内终端列表中删除；

S335：对于无线资源复用的网络切片，由无线资源管理模块采用开环功率控制的方法控制网络切片最大允许发射功率，限制网络切片内网络节点和终端的发射功率，保证网络切片间干扰小于第一阈值，保障网络切片内终端业务的正常运行；

S336：重复执行步骤S332-S335，直至网络切片列表A为空为止。

其中，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41：由中央枢纽节点的配置执行模块，将网络切片的构造配置信息和资源分配策略映射为网络节点的配置指令，并通过报文信息下发到相应的网络节点；

S42：网络节点根据接收到的报文进行解析，根据得到的配置指令进行自身配置操作，完成相应的网络配置。

其中，所述步骤S5具体包括以下步骤：

S51：由中央枢纽节点的信息收集模块采集当前服务的终端信息，进行解析并存储于数据存储模块中；

S52：由中央枢纽节点的性能评估模块对数据存储模块中的数据进行数据处理，并进行性能评估；若性能评估数值不符合第一门限值，则出发网络资源重分配请求，执行步骤S6；否则，维持当前的网络切片资源分配策略；

其中，所述第一门限值指终端期望的性能值。

其中，所述步骤S6具体为：

由中央枢纽节点的性能评估模块统计网络切片资源重分配请求数目比例，若网络切片资源重分配请求数目比例大于第二门限值，则发起重分配请求，执行步骤S2；否则，发起增强重分配步骤，执行步骤S3；其中：所述第二门限值是指网络管理者制定的无线网络中网络切片性能未达标比例阈值。

一种基于无线网络切片的自适应资源分配系统，包括若干个终端、若干个网络节点和中央枢纽节点；其中，中央枢纽节点包括信息收集模块、数据存储模块、资源虚拟化模块、切片管理模块、缓存资源管理模块、无线资源管理模块、配置执行模块以及性能评估模块；其中：

所述信息收集模块用于向终端和网络节点收集信息，并将信息存储于所述数据存储模块中；

所述数据存储模块用于存储终端信息和网络节点信息，确定传送终端业务数据所需的性能；

所述资源虚拟化模块根据数据存储模块中的数据，负责使用资源虚拟化策略对获取的资源进行虚拟化处理，形成虚拟资源池，维护资源池的状态；

所述切片管理模块根据虚拟资源池，负责根据终端业务服务类型，构造网络切片，完成终端的接入；

所述缓存资源管理模块负责完成各网络切片所需缓存资源的调度；

所述无线资源管理模块负责完成各网络切片所需无线资源的调度；

所述配置执行模块负责将无线网络切片构造信息及资源分配策略信息映射为网络节点的配置指令，并下发到相应的网络节点；

所述性能评估模块负责根据数据存储模块中存储的终端信息，进行数据处理和性能评估，若终端性能评估不符合第一门限值，则触发该终端所在网络切片资源重分配的请求，并根据网络资源重分配请求的切片数目比例与第二门限值的关系，发起资源增强重分配或完全重分配。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提供的一种基于无线网络切片的自适应资源分配方法及系统，通过构造不同特征的虚拟资源池，以各用户的多样化业务需求为导向，将用户接入构造的满足多样化业务需求的网络切片，并以各网络切片的差异化需求为目标进行资源调度，实现了对无线网络中各切片资源的统一自适应管理；同时，当无线网络发生状况或用户业务需求发生变化时，可以根据计算的第一门限值和第二门限值，及时调整接入网络切片的选择和相应资源的分配，以避免网络过载或资源供应过剩情况的发生，提高资源利用率，满足用户业务需求。

附图说明

图1为基于无线网络切片的自适应资源分配方法流程示意图；

图2为无线网络切片结构示意图；

图3为无线网络切片的资源分配的架构示意图；

图4为基于无线网络切片的自适应资源分配系统结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种基于无线网络切片的自适应资源分配方法，包括以下步骤：

S1：由中央枢纽节点周期性向所有网络节点收集无线网络信息，并将获得的资源映射为虚拟资源池；

S2：根据终端业务请求，中央枢纽节点将终端接入到满足其业务需求的网络切片上；

S3：由中央枢纽节点确定各网络切片中的缓存资源和缓存工作方式，并完成对网络切片中终端的无线资源分配；

S4：由中央枢纽节点将满足终端业务需求的网络切片的构造配置信息和资源分配策略映射为网络节点的配置指令，完成相应的网络配置；

S5：由中央枢纽节点采集终端信息并对终端信息进行数据处理和性能评估，判断终端性能是否符合第一门限值；若是，则维持当前的网络切片资源分配策略；否则，执行步骤S6；

S6：由中央枢纽节点判断发起网络资源重分配请求的切片数目比例是否大于第二门限值，若是，则发起重分配请求，执行步骤S2；否则，发起增强重分配步骤，执行步骤S3。

在具体实施过程中，通过构造不同特征的虚拟资源池，以各用户的多样化业务需求为导向，将用户接入构造的满足多样化业务需求的网络切片，并以各网络切片的差异化需求为目标进行资源调度，实现了对无线网络中各切片资源的统一自适应管理；同时，当无线网络发生状况或用户业务需求发生变化时，可以根据计算的第一门限值和第二门限值，及时调整接入网络切片的选择和相应资源的分配，以避免网络过载或资源供应过剩情况的发生，提高资源利用率，满足用户业务需求。

在具体实施过程中，通过动态地调整缓存、无线资源的分配和接入网络切片的选择，满足无线网络切片对缓存、无线、拓扑资源的多维度需求，提升网络切片的服务质量。

实施例2

更具体的，在实施例1的基础上，所述步骤S1包括以下步骤：

S11：由中央枢纽节点的信息收集模块周期性向所有网络节点发送无线网络测量信息；

S12：所有网络节点反馈的无线网络信息由信息收集模块接收并存储于中央枢纽节点的数据存储模块中；

S13：由中央枢纽节点的资源虚化模块根据数据存储模块的可用无线资源和缓存资源，使用不同的虚拟化策略对收集到的各种信息资源进行分割、重组，形成逻辑上具有不同特征的虚拟资源池。

在具体实施过程中，所述中央枢纽节点处于核心网和接入网之间，搭载各种功能模块，实现对底层网络的自适应资源管理。所述的无线网络信息包括接入网络类型、网络节点、可用的无线资源和缓存资源、拓扑资源、网络负载状况、信道质量、网络切片的资源使用情况等信息。

在具体实施过程中，所述接入网络类型可以包括但不限于GSM(Global Systemfor Mobile Communications，全球移动通信系统)、LTE(Long Term Evolution，长期演进)、WLAN(Wireless Local Area Network，无线局域网)、短波等类型，所述短波是一种应急的窄带通信，它是根据天波和地波实现无线通信一跳可达，与地面宽带移动通信形成互补；通过增加短波通信为网络切片的支撑网络，将短波作为备选手段，利用短波的天波和地波实现一跳可达，弥补地面通信不可达的场景，提升组网的灵活性。

在具体实施过程中，所述网络节点包括但不限于集中式BBU(Baseband Unit，基带处理单元)、分布式RRU(Remote Radio Unit，射频拉远单元)、HPN(High Power Node，高功率节点)、CU(Centralized Unit，集中单元)、DU(Distributed Unit，分布单元)等；所述网络负载状况可包括但不限于接入网络接入的用户数、数据传输量等；所述信道质量包括但不限于SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio，信干噪比)、RSRP(ReferenceSignal Receiving Power，参考信号接收功率)等。

更具体的，所述步骤S13具体为：虚拟资源池中的同种虚拟资源或不同种虚拟资源均可以进行重新组合形成虚拟资源切块，以这些虚拟资源切块作为基本单位为网络切片分配资源。

在具体实施过程中，无线资源和缓存资源等以最小单位的逻辑进行拆分，将拆分出来的所有资源一一映射成虚拟资源，进而形成虚拟资源池。虚拟资源池中的同种虚拟资源或不同中虚拟资源均可以进行重新组合形成虚拟资源切块以进行分配。为网络切片分配资源时，是以这些虚拟资源切块作为基本单位的。进一步的，虚拟资源与物理资源是一一对应的，分配时是以虚拟资源切块的形式进行分配，屏蔽了物理上的差异。

在具体实施过程中，当周期性无线网络信息测量发现有新的资源可用于虚拟资源池时，资源虚拟化模块基于最新所述无线网络信息更新所述虚拟资源池。所述新的资源是指，有新的无线资源或缓存资源加入当前网络中，或者有无线资源或者缓存被网络切片释放，可以回收使用。

在具体实施过程中，对于无线资源的虚拟化，可根据搜集的各网元节点的无线资源信息，进行节点资源分类标识，并以最小不可分割单元的形式，即资源块的形式，重组为具有统一形式的虚拟无线资源池；对于缓存资源的虚拟化，可根据搜集的各网元节点的缓存资源信息，进行节点资源分类标识，形成统一形式的虚拟缓存资源池。对于在中央枢纽节点中，虚拟资源池以编码形式的矩阵进行表示。所述编码方式，可采用二进制0/1编码，亦可采用浮点数编码，对此不做限制。但需要注意的是，不同的资源可以采用不同的编码方式进行存储，但同一类资源需要采用统一的编码方式，以屏蔽同类资源在物理上的差异性。

在具体实施过程中，无线资源表示为U×N的矩阵R，其中U为终端的数目，N为网络节点可分配资源块的数量。每行为各个终端设备，每列为可分配的资源块，矩阵中的每个元素使用0/1编码，表示资源块的分配情况，0表示该网络资源块未被分配给相应的终端设备，1则表示该资源块已经被分配给相应的终端设备。缓存资源可表示为L行的可变矩阵C，其中L为具有缓存资源的网络节点数量。矩阵每行的每个缓存内容以“[缓存内容ID,缓存内容大小]”的形式表示。每行缓存内容大小的和应不大于该网络节点拥有的缓存资源最大值。

更具体的，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21：数据存储模块根据终端业务请求，分析并向中央枢纽节点的切片管理模块传送相应业务所需的性能；

所述业务服务请求包括终端请求的业务特征描述(比如业务类型、容量请求类型等)，以及QoS(Quality of Service，服务质量)参数要求的描述(比如最小速率、峰值速率、最大时延、最大时延抖动等)。所述业务特征描述可以根据终端业务请求中携带的S-NSSAI(Single Network Slice Selection Assistance Information，单个网络切片选择辅助信息)中的SST(Slice/Service type，切片/服务类型)进行识别。根据3GPP标准定义，SST可以标识出切片类型或者切片支持的服务类型，0-127为3GPP标准定义值，取值为，1：eMBB(Enhanced Mobile Broadband，增强移动宽带)，2：uRLLC(ultra-reliable and LowLatency Communications，超高可靠与低时延通信)，3：mMTC(massive Machine Type ofCommunication，海量机器类通信)，而128-255可由运营商自定义。

业务请求的发起，终端可以先向所在的归属基站发起业务请求，归属基站确定终端的业务请求后，向中央枢纽节点中的数据存储模块转送业务请求。所述归属基站为对终端的位置和移动性进行管理的网络基站或节点。若业务请求信息中有相应服务质量参数要求，则数据存储模块根据相应服务质量参数确定传送相应业务数据所需的性能；对于业务请求信息中没有相应服务质量参数要求的请求，可以通过数据存储模块中存储的业务类型与性能需求的映射表进行计算。具体的：

对于语音业务，为了保障语音的清晰度和准确度，以及通信用户的体验，性能需求为足够低的时延和丢包率；

对于指控类业务，为了保障指令到达的及时性以及准确度，需要保证端到端的时延以及数据的准确性；

对于高容量业务，为了处理大流量、大带宽的业务需求，需要提供足够快的传输速率。

S22：切片管理模块判断网络中是否存在与终端业务请求符合的网络切片，若是，则将终端接入到相应的网络切片上；否则，切片管理模块构造符合终端业务请求的新的网络切片，并将终端接入到该网络切片上。

在具体实施过程中，切片管理模块可以根据预存储的业务服务类型与网络切片映射关系，选择匹配的网络切片进行终端接入或进行构造，并选择合适的拓扑资源。其中，业务服务类型与网络切片可以是一对一、多对一的关系，如图2所示。

针对语音业务的网络切片，即语音切片，可采用部署HPN进行全局覆盖，HPN的发射功率和切换参数由最优覆盖距离决定，保障无缝覆盖和避免频繁切换。邻近HPN通过X2/S1接口相连，构成网状拓扑结构。同时，考虑短波作为备选手段，当地面通信通过HPN不可达时，利用短波的天波和地波实现一跳可达。

针对指控类业务的网络切片，即指控类切片，可采用CU+DU+RRU的网络分层结构进行功能部署，多个RRU通过前传链路接入DU，多个分布式的DU通过中传链路接入集中式的CU，构成树状拓扑结构，提高用户传输速率和网络容量。CU汇聚了协议栈L3和L2中低实时性的功能，DU集中了协议栈L2中高实时性的功能和部分L1层功能，以进行本地化处理，RRU部署于靠近终端位置，以减少用户传输时延，增强可靠性。此外，短波可作为指控类业务备选的通信方式，利用短波的天波和地波实现超远距离的指控类服务。

对于高容量业务的网络切片，即高容量切片，可采用集中式BBU+分布式RRU的组网模式，构成树状拓扑结构，在靠近终端的位置部署多个RRU，RRU利用其自身配置的前端无线射频信号处理模块，对收发到的业务数据进行简单处理，并通过前传链路(fronthaul)接入云端的BBU Pool，借助云端的处理能力在其中完成集中式的超大规模数据处理。

对于无法找到相匹配的网络切片映射关系，则切片管理模块可以基于功能相近的网络切片，通过切片修改来输出能够提供要求服务的切片实例，或者创建新的网络切片映射关系，新创建的网络切片映射关系将存储在切片管理模块中，并更新可用网络切片映射关系。

更具体的，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31：由中央枢纽节点的缓存资源管理模块确定各网络切片中的缓存资源和缓存工作方式；

S32：由中央枢纽节点的无线资源管理模块，根据网络切片优先级及与网络切片相连各终端的优先级和性能需求为终端分配所需资源；若能满足各网络切片内的全部终端需求，则执行步骤S4；否则，执行步骤S33；

S33：无线资源管理模块采用部分资源复用方式为未满足业务需求的网络切片内的终端分配复用资源。

在具体实施过程中，中央枢纽节点联合确定各网络切片中的缓存资源和缓存工作方式修改，将一些缓存内容推送到具备缓存资源的网络节点中。所述缓存资源包括缓存空间、缓存内容、网络功能等。进一步的，缓存空间由各个网络节点自身的储存空间决定；缓存内容是指终端所要请求的内容，例如视频文件、网页等；网络功能是指核心网下沉到网络边缘的具有本地处理能力的业务功能。所述缓存工作方式包括缓存内容替换方式、缓存更新周期、业务缓存优先级等。进一步的，缓存内容替换方式是指由于缓存空间有限，需要使用一定的方式将缓存中的文件进行替换，以提高终端请求在缓存中的命中率；缓存更新周期是指对缓存内容进行替换的时间，针对业务要求的时延决定不同的缓存更新周期，以降低频繁更新缓存的成本以及提高缓存命中率；业务缓存优先级是指针对不同业务的网络切片的特性，赋予不同网络切片不同的缓存优先级，以应对不同的业务属性，满足业务需求。具体操作步骤如下：

中央枢纽节点中的缓存资源管理模块确定网络切片的业务缓存优先级：由于不同的网络切片的业务对缓存资源的需求是不同的，因此需要对缓存资源需求程度高的网络切片赋予更高的优先级，以满足其业务的需求。中央枢纽节点将按照优先级，将缓存资源依次分配给各网络切片。

具体地，优先级由高到低依次为：指控类切片、高容量切片、语音切片。进一步，其优先级的确定依据描述为：

对于指控类切片，需要在本地完成业务的处理，以实现超低时延传输，通常需要接入具有缓存处理能力的网络节点，以满足时延需求。因此指控类切片对于缓存资源的需求是最高的，优先级也定为最高；

对于高容量切片，需要满足大容量的数据传输，为了降低前传链路的负担，可以将部分流行内容存储在具有缓存资源的网络节点中，并将部分业务进行本地处理，以降低网络传输的负担。因此高容量切片对于缓存资源具有一定的需求，优先级定位第二；

对于语音类切片，主要满足终端的移动性，保证网络无缝覆盖，通常不需要进行缓存内容以及业务的本地化处理，因此优先级定位最低。

中央枢纽节点中的缓存资源管理模块确定网络切片的缓存替换方式：根据缓存资源服务的切片范围，可将缓存资源划分为切片专用缓存资源和切片共用缓存资源。切片专用缓存资源是指该缓存资源仅仅服务于一个网络切片，切片共用缓存资源是指有多个网络切片使用该缓存资源。

具体的，对于切片专用缓存资源，应该映射到距离请求终端更近的网络节点，以降低其网络时延，可按照内容的流行度进行缓存替换。对于切片共用缓存资源，应映射到距离各切片内请求终端距离相当的网络节点，该网络节点中应该优先缓存共用切片所共同需要的内容，以提高缓存资源的利用率；对于该网络节点被网络切片共用后剩余的缓存资源，可按照内容流行度原则分别为网络切片提供专用缓存资源。

中央枢纽节点中的缓存资源管理模块确定网络切片的缓存更新周期：根据不同网络切片的业务时延需求，确定缓存内容更新的位置以及周期。对于时延要求较高的业务，缓存内容应放置于距离终端更近的位置，并以较短的周期更新，以提高命中率，降低业务时延；对于时延要求较低的业务，缓存内容可放置于距离终端稍远的位置，并以较长的周期更新，以降低中央枢纽节点的负担。

具体的：对于指控类切片，当业务需要极低的时延时，应将业务缓存到靠近请求终端的附近网络节点缓存中，并以短周期更新内容；当业务需要较低的时延时，业务可被缓存到请求终端附近的网络节点中，以便可通过较短的跳数获取内容，并以较短周期更新；当业务对时延有一定宽容度的时候，业务可以被缓存到云端，以节省网络节点的缓存资源，并可以较长的周期更新内容；对于高容量切片，可以根据请求终端对内容请求的流行度排序，实时按照流行度进行更新相应的网络节点的缓存内容。

在具体实施过程中，步骤S32、步骤S33实际上实现了中央枢纽节点对网络切片的无线资源分配。所述无线资源包括时频资源、功率资源等。具体操作步骤如下：

中央枢纽节点将网络中的切片进行优先级从高到低进行排序，生成网络切片列表，并将各网络切片中的各终端按照优先级从高到低排序，生成终端列表。中央枢纽节点按照网络切片列表和相应切片内终端列表，以资源块的形式将资源从虚拟资源池中，依次分配给网络切片列表中，排在首位的网络切片中的终端列表中，排在首位的终端，同时更新虚拟资源池中资源的分配情况，并将满足性能需求的终端和网络切片，从相应终端列表和网络切片列表中删除，直至所有网络切片中的所有终端的业务需求均得到满足或虚拟资源池中的相应资源被分配完毕，则结束资源的分配。若各网络切片中的终端业务需求均得到满足，则进入步骤S4，否则执行步骤S33。

网络切片列表和终端列表的生成可不包括已经满足业务需求的网络切片和终端。网络切片的优先级可根据网络切片所属类型确定。

具体地，优先级由高到低依次为：高容量切片、指控类切片、语音切片。进一步，其优先级的确定依据描述为：

对于高容量切片，为了实现热点区域高流量密度，所传输的数据量巨大，无线资源直接决定着该切片的关键性能否被满足，因此对于无线资源的需求程度是最高的，优先级也定为最高；

对于指控类切片，考虑到指令具有一定数据量，为了实现指令准确快速的传达，需要一定的传输速率以提高信干噪比，降低时延和中断概率，因此对于无线资源的要求也相对较高，优先级定为第二；

对于语音切片，接入终端数量与业务请求量都相对较少，主要保证网络无缝覆盖语音业务，因此对于无线资源需求不强，优先级定为第三。

终端设备的优先级可以根据网络切片的关键性能指标确定。

具体地，对于高容量切片，可以给予具有较高信干噪比的终端设备以较高的优先级；对于指控类切片，可以给予具有较低中断概率的终端以较高的优先级；对于语音切片，可以给予具有较低丢包率的终端以较高的优先级。

更具体的，所述步骤S33具体包括以下步骤：

S331：根据网络切片之间的历史干扰情况，得到可容忍的切片间最大的干扰为第一阈值，对应的网络切片间的距离为第二阈值，并测量网络切片可容忍的切片内最大干扰为第三阈值；中央枢纽节点根据各满足需求的终端上报的干扰信息进行求平均得到满足需求的终端受到的平均干扰；

S332：由无线资源管理模块生成网络切片列表A与网络切片列表B；其中，所述网络切片列表A为按照网络切片优先级排列的终端需求未全部得到满足的网络切片列表；所述网络切片列表B为网络切片内终端需求全部满足，且切片内各终端受到的平均干扰小于第三阈值的网络切片列表；

S333：对于网络切片列表A首位的网络切片，记为网络切片a，依次计算至网络切片列表B中各网络切片的距离，并升序排序生成临时网络切片列表C，依次轮询网络切片列表C，并选取首个满足距离大于第二阈值的网络切片的无线资源进行复用；若无满足距离大于第二阈值的网络切片，则选择距离最远的网络切片的无线资源进行复用；被选择复用无线资源的网络切片被记为网络切片b；

S334：对网络切片a内终端列表，排在首位的终端选择最小的实际距离大于第二阈值的网络切片b内终端的无线资源进行复用；若无满足距离需求的终端，则选择距离最远的终端的无线资源进行复用，直至网络切片b中的无线资源全部被网络切片a内的终端复用；将满足业务需求的终端从网络切片a内终端列表中删除；

S335：对于无线资源复用的网络切片，由无线资源管理模块采用开环功率控制的方法控制网络切片最大允许发射功率，限制网络切片内网络节点和终端的发射功率，保证网络切片间干扰小于第一阈值，保障网络切片内终端业务的正常运行；

S336：重复执行步骤S332-S335，直至网络切片列表A为空为止。

在具体实施过程中，为了最大程度降低网络切片之间的干扰，保障网络切片内终端的性能，复用无线资源的网络切片在空间上需要相隔较远的距离，相距较近的切片仍分配正交的资源块。对于复用无线资源的网络切片之间的空间距离要大于第一阈值，满足第一阈值的网络切片之间的干扰比较小，进而切片间的各终端之间的干扰也比较小，可以进行正常的业务传输。

在具体实施过程中，所述网络切片之间的距离的计算可按照下面步骤进行：

A.中央枢纽节点获取各网络切片内的各终端设备的空间坐标信息；

B.对网络切片内的各终端设备空间坐标信息的每一坐标信息求平均值，作为该网络切片的坐标信息；

C.依据网络切片的坐标信息计算网络切片之间的距离。

更具体的，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41：由中央枢纽节点的配置执行模块，将网络切片的构造配置信息和资源分配策略映射为网络节点的配置指令，并通过报文信息下发到相应的网络节点；

S42：网络节点根据接收到的报文进行解析，根据得到的配置指令进行自身配置操作，完成相应的网络配置。此步骤还可以包括，用户接入节点的变更，网络节点根据控制指令完成用户接入节点的切换。

在具体实施过程中，配置信息映射为配置指令，可根据选择的网络切片构造完成对应网络节点的映射，并根据资源调度策略，基于虚拟化资源的方法，完成对无线资源的映射。进一步的，将映射的网络节点和相应资源调度策略打包成相应的控制指令，返回给底层的网络节点。

更具体的，所述步骤S5具体包括以下步骤：

S51：由中央枢纽节点的信息收集模块采集当前服务的终端信息，进行解析并存储于数据存储模块中；所述终端信息包括但不限于数据传输速率、网络时延等设备性能指标，无线接收信号强度、信干噪比等终端所处的无线环境以及终端的电量等信息。

S52：由中央枢纽节点的性能评估模块对数据存储模块中的数据进行数据处理，并进行性能评估；若性能评估数值不符合第一门限值，则出发网络资源重分配请求，执行步骤S6；否则，维持当前的网络切片资源分配策略；

更具体的，所述第一门限值指终端期望的性能值。

在具体实施过程中，所述数据处理包括，数据异常值去除、数据特征提取、数学统计分析等。具体的，所述数据异常值去除可采用包括但不限于简单的统计分析、

原则、箱型图分析、基于模型检测等方法进行。所述数据特征提取可采用包括但不限于主成分分析、随机森林等方法。所述数学统计分析包括但不限于求平均值、求方差等操作。

更具体的，所述步骤S6具体为：

由中央枢纽节点的性能评估模块统计网络切片资源重分配请求数目比例，若网络切片资源重分配请求数目比例大于第二门限值，则发起重分配请求，执行步骤S2；否则，发起增强重分配步骤，执行步骤S3；其中：所述第二门限值是指网络管理者制定的无线网络中网络切片性能未达标比例阈值。

在具体实施过程中，所述网络资源重分配请求的切片数目比例可通过下式进行计算：

实施例3

更具体的，如图3、图4所示，本发明还提供一种基于无线网络切片的自适应资源分配系统，包括若干个终端、若干个网络节点和中央枢纽节点；其中，中央枢纽节点包括信息收集模块、数据存储模块、资源虚拟化模块、切片管理模块、缓存资源管理模块、无线资源管理模块、配置执行模块以及性能评估模块；其中：

所述信息收集模块用于向终端和网络节点收集信息，并将信息存储于所述数据存储模块中；

所述数据存储模块用于存储终端信息和网络节点信息，确定传送终端业务数据所需的性能；

所述资源虚拟化模块根据数据存储模块中的数据，负责使用资源虚拟化策略对获取的资源进行虚拟化处理，形成虚拟资源池，维护资源池的状态；

所述切片管理模块根据虚拟资源池，负责根据终端业务服务类型，构造网络切片，完成终端的接入；

所述缓存资源管理模块负责完成各网络切片所需缓存资源的调度；

所述无线资源管理模块负责完成各网络切片所需无线资源的调度；

所述配置执行模块负责将无线网络切片构造信息及资源分配策略信息映射为网络节点的配置指令，并下发到相应的网络节点；

所述性能评估模块负责根据数据存储模块中存储的终端信息，进行数据处理和性能评估，若终端性能评估不符合第一门限值，则触发该终端所在网络切片资源重分配的请求，并根据网络资源重分配请求的切片数目比例与第二门限值的关系，发起资源增强重分配或完全重分配。

在具体实施过程中，本发明提供的一种基于无线网络切片的自适应资源分配系统，可以根据终端业务请求的信息，终端接入到可满足其差异化性能需求的网络切片中，以进行相应的资源调度；同时将无线资源和缓存资源虚拟化为资源池，以终端的性能目标为导向，依据网络切片和终端的优先级将虚拟资源通过正交或/和复用的方式分配给终端用户，满足其性能需求。

在具体实施过程中，当无线网络发生状况或用户业务需求发生变化，导致用户业务需求无法满足时，系统可以通过重新为终端选择接入的网络切片或者重新为终端分配无线资源、缓存资源，以使终端的性能需求重新得到满足。

在本申请所公开的发明中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的步骤仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块可以结合或者可以集成到另一个系统或模块中，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的模块相互之间的耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性、机械或其它的形式。

另外，上述模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能模块的形式实现。所述以软件功能模块的形式实现的模块，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。所述存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的无线网络切片的资源分配方法的步骤。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无线网络切片的自适应资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：由中央枢纽节点周期性向所有网络节点收集无线网络信息，并将获得的资源映射为虚拟资源池；

S2：根据终端业务请求，中央枢纽节点将终端接入到满足其业务需求的网络切片上；

S3：由中央枢纽节点确定各网络切片中的缓存资源和缓存工作方式，并完成对网络切片中终端的无线资源分配；

S4：由中央枢纽节点将满足终端业务需求的网络切片的构造配置信息和资源分配策略映射为网络节点的配置指令，完成相应的网络配置；

S5：由中央枢纽节点采集终端信息并对终端信息进行数据处理和性能评估，判断终端性能是否符合第一门限值；若是，则维持当前的网络切片资源分配策略；否则，执行步骤S6；

S6：由中央枢纽节点判断发起网络资源重分配请求的切片数目比例是否大于第二门限值，若是，则发起重分配请求，执行步骤S2；否则，发起增强重分配步骤，执行步骤S3。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线网络切片的自适应资源分配方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

S11：由中央枢纽节点的信息收集模块周期性向所有网络节点发送无线网络测量信息；

S12：所有网络节点反馈的无线网络信息由信息收集模块接收并存储于中央枢纽节点的数据存储模块中；

S13：由中央枢纽节点的资源虚化模块根据数据存储模块的可用无线资源和缓存资源，使用不同的虚拟化策略对收集到的各种信息资源进行分割、重组，形成逻辑上具有不同特征的虚拟资源池。

3.根据权利要求2所述的一种基于无线网络切片的自适应资源分配方法，其特征在于，所述步骤S13具体为：虚拟资源池中的同种虚拟资源或不同种虚拟资源均可以进行重新组合形成虚拟资源切块，以这些虚拟资源切块作为基本单位为网络切片分配资源。

4.根据权利要求2所述的一种基于无线网络切片的自适应资源分配方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21：数据存储模块根据终端业务请求，分析并向中央枢纽节点的切片管理模块传送相应业务所需的性能；

S22：切片管理模块判断网络中是否存在与终端业务请求符合的网络切片，若是，则将终端接入到相应的网络切片上；否则，切片管理模块构造符合终端业务请求的新的网络切片，并将终端接入到该网络切片上。

5.根据权利要求4所述的一种基于无线网络切片的自适应资源分配方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31：由中央枢纽节点的缓存资源管理模块确定各网络切片中的缓存资源和缓存工作方式；

S32：由中央枢纽节点的无线资源管理模块，根据网络切片优先级及与网络切片相连各终端的优先级和性能需求为终端分配所需资源；若能满足各网络切片内的全部终端需求，则执行步骤S4；否则，执行步骤S33；

S33：无线资源管理模块采用部分资源复用方式为未满足业务需求的网络切片内的终端分配复用资源。

6.根据权利要求5所述的一种基于无线网络切片的自适应资源分配方法，其特征在于，所述步骤S33具体包括以下步骤：

S331：根据网络切片之间的历史干扰情况，得到可容忍的切片间最大的干扰为第一阈值，对应的网络切片间的距离为第二阈值，并测量网络切片可容忍的切片内最大干扰得到第三阈值；中央枢纽节点根据满足需求的各终端上报的干扰信息进行求平均得到满足需求的终端受到的平均干扰；

S332：由无线资源管理模块生成网络切片列表A与网络切片列表B；其中，所述网络切片列表A为按照网络切片优先级排列的终端需求未全部得到满足的网络切片列表；所述网络切片列表B为网络切片内终端需求全部满足，且切片内各终端受到的平均干扰小于第三阈值的网络切片列表；

S333：对于网络切片列表A首位的网络切片，记为网络切片a，依次计算至网络切片列表B中各网络切片的距离，并升序排序生成临时网络切片列表C，依次轮询网络切片列表C，并选取首个满足距离大于第二阈值的网络切片的无线资源进行复用；若无满足距离大于第二阈值的网络切片，则选择距离最远的网络切片的无线资源进行复用；被选择复用无线资源的网络切片被记为网络切片b；

S334：对网络切片a内终端列表，排在首位的终端选择最小的实际距离大于第二阈值的网络切片b内终端的无线资源进行复用；若无满足距离需求的终端，则选择距离最远的终端的无线资源进行复用，直至网络切片b中的无线资源全部被网络切片a内的终端复用；将满足业务需求的终端从网络切片a内终端列表中删除；

S335：对于无线资源复用的网络切片，由无线资源管理模块采用开环功率控制的方法控制网络切片最大允许发射功率，限制网络切片内网络节点和终端的发射功率，保证网络切片间干扰小于第一阈值，保障网络切片内终端业务的正常运行；

S336：重复执行步骤S332-S335，直至网络切片列表A为空为止。

7.根据权利要求6所述的一种基于无线网络切片的自适应资源分配方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41：由中央枢纽节点的配置执行模块，将网络切片的构造配置信息和资源分配策略映射为网络节点的配置指令，并通过报文信息下发到相应的网络节点；

S42：网络节点根据接收到的报文进行解析，根据得到的配置指令进行自身配置操作，完成相应的网络配置。

8.根据权利要求7所述的一种基于无线网络切片的自适应资源分配方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括以下步骤：

S51：由中央枢纽节点的信息收集模块采集当前服务的终端信息，进行解析并存储于数据存储模块中；

S52：由中央枢纽节点的性能评估模块对数据存储模块中的数据进行数据处理，并进行性能评估；若性能评估数值不符合第一门限值，则出发网络资源重分配请求，执行步骤S6；否则，维持当前的网络切片资源分配策略；

其中，所述第一门限值指终端期望的性能值。

9.根据权利要求8所述的一种基于无线网络切片的自适应资源分配方法，其特征在于，所述步骤S6具体为：

由中央枢纽节点的性能评估模块统计网络切片资源重分配请求数目比例，若网络切片资源重分配请求数目比例大于第二门限值，则发起重分配请求，执行步骤S2；否则，发起增强重分配步骤，执行步骤S3；其中：所述第二门限值是指网络管理者制定的无线网络中网络切片性能未达标比例阈值。

10.一种基于无线网络切片的自适应资源分配系统，其特征在于，包括若干个终端、若干个网络节点和中央枢纽节点；其中，中央枢纽节点包括信息收集模块、数据存储模块、资源虚拟化模块、切片管理模块、缓存资源管理模块、无线资源管理模块、配置执行模块以及性能评估模块；其中：

所述信息收集模块用于向终端和网络节点收集信息，并将信息存储于所述数据存储模块中；

所述数据存储模块用于存储终端信息和网络节点信息，确定传送终端业务数据所需的性能；

所述资源虚拟化模块根据数据存储模块中的数据，负责使用资源虚拟化策略对获取的资源进行虚拟化处理，形成虚拟资源池，维护资源池的状态；

所述切片管理模块根据虚拟资源池，负责根据终端业务服务类型，构造网络切片，完成终端的接入；

所述缓存资源管理模块负责完成各网络切片所需缓存资源的调度；

所述无线资源管理模块负责完成各网络切片所需无线资源的调度；

所述配置执行模块负责将无线网络切片构造信息及资源分配策略信息映射为网络节点的配置指令，并下发到相应的网络节点；

所述性能评估模块负责根据数据存储模块中存储的终端信息，进行数据处理和性能评估，若终端性能评估不符合第一门限值，则触发该终端所在网络切片资源重分配的请求，并根据网络资源重分配请求的切片数目比例与第二门限值的关系，发起资源增强重分配或完全重分配。

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