CN113055915B - 一种基于电力杆塔资源的5g优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电力杆塔资源的5G优化方法及系统，通过构建链路状态矩阵和节点状态矩阵实时获得网络状态的转移情况，并通过网络资源分配模型获得最优的5G网络的分配方式，解决5G网络的切片划分存在5G网络链路和节点资源不匹配，提升了网络资源利用率。

Description

一种基于电力杆塔资源的5G优化方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于电力杆塔资源的5G优化方法及系统。

背景技术

随着国内5G网络建设的不断推进，移动通信网络对容量和覆盖的要求不断提高，通信基站数量越来越多，通信网络结构也逐步向分层立体组网转变，5G网络将呈现宏站与微站协同、高站与低站搭配的异构网形态。

5G网络的切片划分的优劣直接决定了网络的负载情况和资源利用率；在网络负载非常大的时候，存在5G网络链路和节点资源不匹配的问题，从而导致网络资源浪费，且会造成数据传输出现延迟现象。

发明内容

本发明提供了一种基于电力杆塔资源的5G优化方法及系统，用于解决5G网络的切片划分存在5G网络链路和节点资源不匹配的技术问题。

有鉴于此，本发明第一方面提供了一种基于电力杆塔资源的5G优化方法，包括以下步骤：

当电力杆塔预备接入5G网络时，获取5G网络的可用网络资源及其参数信息，通过接入网切片编排器将所述可用网络资源划分为链路资源切片和节点资源切片；

根据所述链路资源切片和所述节点资源切片分别构建链路状态矩阵和节点状态矩阵，从而通过所述链路状态矩阵和所述节点状态矩阵用来分别描述任意时刻下的链路状态和节点状态的转移情况；

根据链路利用率和节点利用率分别构造网络链路的效用函数和网络节点的效用函数；

根据所述链路状态矩阵、所述节点状态矩阵以及所述网络链路的效用函数和所述网络节点的效用函数来综合构建网络资源分配模型，从而对所述可用网络资源中的链路资源和节点资源进行资源分配。

优选地，所述链路状态矩阵定义为S_r，则S_r的表达式为：

S_r＝A_i×j

式中，A表示5G网络的链路资源划分矩阵，i为链路数量，j为各条链路的划分情况。

优选地，所述节点状态矩阵定义为S_d，则S_d的表达式为：

S_d＝B_n×m

式中，B表示5G网络的节点资源划分矩阵，n为链路数量，m为各条链路的划分情况。

优选地，所述网络链路的效用函数定义为V_r，其表达式为：

式中，h表示总时刻，V_tr表示在t时刻下的网络链路的效用函数，ω表示链路利用率。

优选地，所述网络节点的效用函数定义为V_d，其表达式为：

式中，h表示总时刻，V_td表示在t时刻下的网络节点的效用函数，α表示节点利用率。

优选地，所述网络资源分配模型为：

V＝V_rS_r+V_dS_d。

优选地，所述根据所述链路状态矩阵、所述节点状态矩阵以及所述网络链路的效用函数和所述网络节点的效用函数来综合构建网络资源分配模型，从而对所述可用网络资源中的链路资源和节点资源进行资源分配的步骤之后还包括：

获取不同的用户业务需求类型的历史网络资源分配数据，再根据所述历史网络资源分配数据计算相应的中位数，从而获得各个用户业务需求类型的资源需求份额；

根据各个用户业务需求类型的资源需求份额对剩余可用网络资源进行再分配。

优选地，所述根据所述链路状态矩阵、所述节点状态矩阵以及所述网络链路的效用函数和所述网络节点的效用函数来综合构建网络资源分配模型，从而对所述可用网络资源中的链路资源和节点资源进行资源分配的步骤之后还包括：

通过共轭梯度法优化对所述网络资源分配模型进行优化，从而收敛得到最优的网络资源分配模型。

第二方面，本发明还提供了一种基于电力杆塔资源的5G优化系统，包括：

网切片编排模块，用于当电力杆塔预备接入5G网络时，获取5G网络的可用网络资源及其参数信息，还用于将所述可用网络资源划分为链路资源切片和节点资源切片；

矩阵建立模块，用于根据所述链路资源切片和所述节点资源切片分别构建链路状态矩阵和节点状态矩阵，从而通过所述链路状态矩阵和所述节点状态矩阵用来分别描述任意时刻下的链路状态和节点状态的转移情况；

函数构造模块，用于根据链路利用率和节点利用率分别构造网络链路的效用函数和网络节点的效用函数；

模型构造模块，用于根据所述链路状态矩阵、所述节点状态矩阵以及所述网络链路的效用函数和所述网络节点的效用函数来综合构建网络资源分配模型，从而对所述可用网络资源中的链路资源和节点资源进行资源分配。

优选地，系统还包括：

优化模块，用于通过共轭梯度法优化对所述网络资源分配模型进行优化，从而收敛得到最优的网络资源分配模型。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明提供了一种基于电力杆塔资源的5G优化方法及系统，通过构建链路状态矩阵和节点状态矩阵实时获得网络状态的转移情况，并通过网络资源分配模型获得最优的5G网络的分配方式，解决5G网络的切片划分存在5G网络链路和节点资源不匹配，提升了网络资源利用率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于电力杆塔资源的5G优化方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种基于电力杆塔资源的5G优化方法的当前时刻的链路资源利用率对比示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于电力杆塔资源的5G优化方法的当前时刻的节点资源利用率对比示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于电力杆塔资源的5G优化方法的未来时刻的链路资源利用率对比示意图；

图5为本发明实施例提供的一种基于电力杆塔资源的5G优化方法的未来时刻的节点资源利用率对比示意图；

图6为本发明实施例提供的一种基于电力杆塔资源的5G优化系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了便于理解，请参阅图1，本发明提供的一种基于电力杆塔资源的5G优化方法，包括以下步骤：

S1、当电力杆塔预备接入5G网络时，获取5G网络的可用网络资源及其参数信息，通过接入网切片编排器将可用网络资源划分为链路资源切片和节点资源切片；

需要说明的是，接入网切片编排器根据场景特点和需求(海量机器通信、超可靠低时延通信和增强移动带宽)以及接入网络状态编排生成相关的接入网切片，包括所需的网元(LTE eNode B、MEC等)、网元接口、网元所需的网络资源、定制化的空口技术(包括控制面和数据面的协议栈)以及组网结构。

S2、根据链路资源切片和节点资源切片分别构建链路状态矩阵和节点状态矩阵，从而通过链路状态矩阵和节点状态矩阵用来分别描述任意时刻下的链路状态和节点状态的转移情况；

具体地，链路状态矩阵定义为S_r，则S_r的表达式为：

S_r＝A_i×j

式中，A表示5G网络的链路资源划分矩阵，i为链路数量，j为各条链路的划分情况。

节点状态矩阵定义为S_d，则S_d的表达式为：

S_d＝B_n×m

式中，B表示5G网络的节点资源划分矩阵，n为链路数量，m为各条链路的划分情况。

S3、根据链路利用率和节点利用率分别构造网络链路的效用函数和网络节点的效用函数；

具体地，网络链路的效用函数定义为V_r，其表达式为：

式中，h表示总时刻，V_tr表示在t时刻下的网络链路的效用函数，ω表示链路利用率。

网络节点的效用函数定义为V_d，其表达式为：

式中，h表示总时刻，V_td表示在t时刻下的网络节点的效用函数，α表示节点利用率。

需要说明的是，本实施例中的效用函数是通过根据业务需求类型设定相应的指标及其各个指标的权重而构建的，由于不同的业务需求类型，对链路和节点的需求也就不同，一般来说，由于链路或节点过高会带来拥塞、丢包，链路或节点利用率过低会带来资源的浪费，因此，在定义效用函数时，可以给定一个参考链路利用率，本实施例设定链路利用率为75％，当链路的实际利用率偏离设定的链路利用率的程度越小时，该网络切片的子效用函数越高；通过给定参考节点利用率，当节点的实际利用率偏离的给定的参考节点利用率程度越小时，该网络切片的子效用函数越高，本实施例设定节点利用率为70％。

由于核心网的链路资源往往比节点资源更为丰富，且不同的业务对网络节点的资源需求不同，例如：有的接入网切片需要较大的计算资源，有的切片则需要更大的存储资源，所以每次转移到新的一组链路状态矩阵和节点状态矩阵之后，需要将新的一组链路状态矩阵代入节点状态矩阵内进行检验考查新的链路资源划分是否满足此时的节点划分需求，若满足，则可求得新状态下的链路状态矩阵和节点状态矩阵的效用函数，然后继续进行下一次状态转移；若不满足，则将该状态对标记为无效状态，即从状态转移图中将该转移节点删除。

S4、根据链路状态矩阵、节点状态矩阵以及网络链路的效用函数和网络节点的效用函数来综合构建网络资源分配模型，从而对可用网络资源中的链路资源和节点资源进行资源分配。

具体地，网络资源分配模型为：

V＝V_rS_r+V_dS_d。

进一步地，步骤S4之后还包括：

S5、获取不同的用户业务需求类型的历史网络资源分配数据，再根据历史网络资源分配数据计算相应的中位数，从而获得各个用户业务需求类型的资源需求份额；

S6、根据各个用户业务需求类型的资源需求份额对剩余可用网络资源进行再分配。

可以理解的是，网络资源是按需分配的，当通过网络资源分配模型进行资源分配完毕后，仍有剩余的网络资源可分配，则可通过各个用户业务需求类型的资源需求份额对剩余可用网络资源进行再分配，以提高网络资源利用率。

进一步地，，步骤S4之后还包括：

通过共轭梯度法优化对网络资源分配模型进行优化，从而收敛得到最优的网络资源分配模型。

需要说明的是，共轭梯度法(Conjugate Gradient)是介于最速下降法与牛顿法之间的一个方法，它仅需利用一阶导数信息，不仅克服了最速下降法收敛慢的缺点，且避免了牛顿法需要存储和计算Hesse矩阵并求逆的缺点。

本实施例通过构建链路状态矩阵和节点状态矩阵实时获得网络状态的转移情况，并通过网络资源分配模型获得最优的5G网络的分配方式，解决5G网络的切片划分存在5G网络链路和节点资源不匹配，提升了网络资源利用率。

为验证本方法相对基于网络切片的动态优化法和基于公平的静态网络切片分配法具有较优的资源利用率，本实施例中将采用基于网络切片的动态优化法、基于公平的静态网络切片分配法和本方法分别对5G核心网的资源利用率进行实时测量对比。

5G核心网节点假设采用分布式协作，首先保证核心网的网络资源不变，通过提升网络中请求数据量，分别比较基于网络切片的动态优化法、基于公平的静态网络切片分配法和本方法的资源利用率。

假设有5个核心网网关节点，每个节点可提供的资源数按照以50为中心的均匀分布生成，核心网节点的资源包括计算资源和存储资源，两个核心网节点间的链路以一定的概率P生成，每条链路的资源数按照以60为中心的均匀分布生成；假设运营商同时构建了3个核心网切片，各切片的请求数据包数量在一定的范围内随机生成，总共可以生成Q组数据，用以模拟未来Q时间内各切片的需求情况，结果分别如图2、图3、图4、图5所示。

参照图2、图3，可以看到3种方法获得的资源利用率都随着核心网的数量增加而变大，但本方法对资源的利用率要高于基于公平的静态网络切片分配法和基于网络切片的动态优化法，且本方法的最高资源利用率达到了82％。

由图4和图5可以看到本方法获得的平均资源利用率高于基于公平的静态网络切片分配法和基于网络切片的动态优化法，其中基于网络切片的动态优化法最不稳定。

以上为本发明提供的一种基于电力杆塔资源的5G优化方法的实施例的详细描述，以下为本发明提供的一种基于电力杆塔资源的5G优化系统的实施例的详细描述。

为了方便理解，请参见图6，本发明提供了一种基于电力杆塔资源的5G优化系统，包括：

网切片编排模块100，用于当电力杆塔预备接入5G网络时，获取5G网络的可用网络资源及其参数信息，还用于将可用网络资源划分为链路资源切片和节点资源切片；

矩阵建立模块200，用于根据链路资源切片和节点资源切片分别构建链路状态矩阵和节点状态矩阵，从而通过链路状态矩阵和节点状态矩阵用来分别描述任意时刻下的链路状态和节点状态的转移情况；

函数构造模块300，用于根据链路利用率和节点利用率分别构造网络链路的效用函数和网络节点的效用函数；

模型构造模块400，用于根据链路状态矩阵、节点状态矩阵以及网络链路的效用函数和网络节点的效用函数来综合构建网络资源分配模型，从而对可用网络资源中的链路资源和节点资源进行资源分配。

进一步地，系统还包括：

优化模块，用于通过共轭梯度法优化对网络资源分配模型进行优化，从而收敛得到最优的网络资源分配模型。

进一步地，系统还包括：

计算模块，用于获取不同的用户业务需求类型的历史网络资源分配数据，还用于根据历史网络资源分配数据计算相应的中位数，从而获得各个用户业务需求类型的资源需求份额；

分配模块，用于根据各个用户业务需求类型的资源需求份额对剩余可用网络资源进行再分配。

可以理解的是，网络资源是按需分配的，当通过网络资源分配模型进行资源分配完毕后，仍有剩余的网络资源可分配，则可通过各个用户业务需求类型的资源需求份额对剩余可用网络资源进行再分配，以提高网络资源利用率。

本实施例通过构建链路状态矩阵和节点状态矩阵实时获得网络状态的转移情况，并通过网络资源分配模型获得最优的5G网络的分配方式，解决5G网络的切片划分存在5G网络链路和节点资源不匹配，提升了网络资源利用率。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，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，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于电力杆塔资源的5G优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

当电力杆塔预备接入5G网络时，获取5G网络的可用网络资源及其参数信息，通过接入网切片编排器将所述可用网络资源划分为链路资源切片和节点资源切片；

根据所述链路资源切片和所述节点资源切片分别构建链路状态矩阵和节点状态矩阵，从而通过所述链路状态矩阵和所述节点状态矩阵用来分别描述任意时刻下的链路状态和节点状态的转移情况；

根据链路利用率和节点利用率分别构造网络链路的效用函数和网络节点的效用函数；

根据所述链路状态矩阵、所述节点状态矩阵以及所述网络链路的效用函数和所述网络节点的效用函数来综合构建网络资源分配模型，从而对所述可用网络资源中的链路资源和节点资源进行资源分配；

获取不同的用户业务需求类型的历史网络资源分配数据，再根据所述历史网络资源分配数据计算相应的中位数，从而获得各个用户业务需求类型的资源需求份额；

根据各个用户业务需求类型的资源需求份额对剩余可用网络资源进行再分配。

2.根据权利要求1所述的基于电力杆塔资源的5G优化方法，其特征在于，所述链路状态矩阵定义为S_r，则S_r的表达式为：

S_r＝A_i×j

式中，A表示5G网络的链路资源划分矩阵，i为链路数量，j为各条链路的划分情况。

3.根据权利要求2所述的基于电力杆塔资源的5G优化方法，其特征在于，所述节点状态矩阵定义为S_d，则S_d的表达式为：

S_d＝B_n×m

式中，B表示5G网络的节点资源划分矩阵，n为链路数量，m为各条链路的划分情况。

4.根据权利要求3所述的基于电力杆塔资源的5G优化方法，其特征在于，所述网络链路的效用函数定义为V_r，其表达式为：

式中，h表示总时刻，V_tr表示在t时刻下的网络链路的效用函数，ω表示链路利用率。

5.根据权利要求4所述的基于电力杆塔资源的5G优化方法，其特征在于，所述网络节点的效用函数定义为V_d，其表达式为：

式中，h表示总时刻，V_td表示在t时刻下的网络节点的效用函数，α表示节点利用率。

6.根据权利要求5所述的基于电力杆塔资源的5G优化方法，其特征在于，所述网络资源分配模型为：

V＝V_rS_r+V_dS_d。

7.根据权利要求1所述的基于电力杆塔资源的5G优化方法，其特征在于，所述根据所述链路状态矩阵、所述节点状态矩阵以及所述网络链路的效用函数和所述网络节点的效用函数来综合构建网络资源分配模型，从而对所述可用网络资源中的链路资源和节点资源进行资源分配的步骤之后还包括：

通过共轭梯度法优化对所述网络资源分配模型进行优化，从而收敛得到最优的网络资源分配模型。

8.一种基于电力杆塔资源的5G优化系统，其特征在于，包括：

网切片编排模块，用于当电力杆塔预备接入5G网络时，获取5G网络的可用网络资源及其参数信息，还用于将所述可用网络资源划分为链路资源切片和节点资源切片；

矩阵建立模块，用于根据所述链路资源切片和所述节点资源切片分别构建链路状态矩阵和节点状态矩阵，从而通过所述链路状态矩阵和所述节点状态矩阵用来分别描述任意时刻下的链路状态和节点状态的转移情况；

函数构造模块，用于根据链路利用率和节点利用率分别构造网络链路的效用函数和网络节点的效用函数；

模型构造模块，用于根据所述链路状态矩阵、所述节点状态矩阵以及所述网络链路的效用函数和所述网络节点的效用函数来综合构建网络资源分配模型，从而对所述可用网络资源中的链路资源和节点资源进行资源分配；

计算模块，用于获取不同的用户业务需求类型的历史网络资源分配数据，还用于根据历史网络资源分配数据计算相应的中位数，从而获得各个用户业务需求类型的资源需求份额；

分配模块，用于根据各个用户业务需求类型的资源需求份额对剩余可用网络资源进行再分配。

9.根据权利要求8所述的基于电力杆塔资源的5G优化系统，其特征在于，还包括：

优化模块，用于通过共轭梯度法优化对所述网络资源分配模型进行优化，从而收敛得到最优的网络资源分配模型。

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