CN113543228A

CN113543228A - 一种星地融合网络切片资源调度方法、系统及存储介质

Info

Publication number: CN113543228A
Application number: CN202110648141.4A
Authority: CN
Inventors: 王静贤; 高璎园; 吴云飞; 陆洲
Original assignee: China Academy of Electronic and Information Technology of CETC
Current assignee: China Academy of Electronic and Information Technology of CETC
Priority date: 2021-06-10
Filing date: 2021-06-10
Publication date: 2021-10-22

Abstract

本发明公开了一种星地融合网络切片资源调度方法、系统及存储介质，包括：基础设施的设备提供商InP获取当前网络中的各个UE的终端信息；所述InP根据所述终端信息和与其连接的逻辑虚拟网络运营商VNO的规模制定第一带宽定价策略；所述VNO根据所述第一带宽定价策略和所述终端信息确定第二带宽定价策略，以供所述UE根据所述第二带宽定价策略以及对应的效用函数确定所述UE的实际占用带宽。根据本公开的星地融合网络切片资源调度方法，可以实现InP，VNO以及UE三层的博弈，从而最大化InP，VNO以及UE的效用。

Description

一种星地融合网络切片资源调度方法、系统及存储介质

技术领域

本发明涉及无线体域网技术领域，尤其涉及一种星地融合网络切片资源调度方法、系统及存储介质。

背景技术

卫星通信网络具有覆盖范围广，支持广播/多播业务的优势。随着天地一体化卫星互联网的提出，卫星通信网络正在从过去作为地面移动通信网络的补充，逐渐演进到与地面网络融合的角色。星地融合网络将在现有地面5G网络的基础上支持更加丰富的业务。将网络切片技术应用于星地融合网络可以在现有物理网络设施的基础上构建出逻辑相互隔离的虚拟专网，为不同的应用场景提供定制化网络服务。例如为视频回传业务定制具有较大带宽的切片，而为语音通话或者物联信息采集业务配置窄带切片。由于星载资源有限，因此为了在满足不同业务需求的同时提高资源利用率，需要根据应用场景和用户规模对网络切片资源进行合理的编排。

发明内容

本发明实施例提供一种星地融合网络切片资源调度方法、系统及存储介质，用于实现基础设施的设备提供商InP，逻辑虚拟网络运营商VNO以及UE三层之间的资源调度与分配，以最大化InP，VNO以及UE的效用。

根据本实施例公开的一种星地融合网络切片资源调度方法，包括：

基础设施的设备提供商InP获取当前网络中的各个UE的终端信息；

所述InP根据所述终端信息和与其连接的逻辑虚拟网络运营商VNO的规模制定第一带宽定价策略；

所述VNO根据所述第一带宽定价策略和所述终端信息确定第二带宽定价策略，以供所述UE根据所述第二带宽定价策略以及对应的效用函数确定所述UE的实际占用带宽。

在一实施例中，所述终端信息至少包括：各个UE的优先级数据和所述UE占用的网络切片的频谱参数；

其中，所述优先级数据基于相应的UE对数据传输速率需求，和/或，对时延敏感性确定。

在一实施例中，所述InP的第一带宽定价策略的制定过程包括如下步骤：

通过所述InP与各个通信连接的逻辑虚拟网络运营商VNO进行斯坦克尔伯格博弈；

根据各个所述VNO的购买带宽和购买单价构建第一收益函数；

以所述InP获得的收益最大为目标，根据所述第一收益函数确定第一带宽单价策略。

在一实施例中，所述根据物理基础设施的设备提供商InP的第一带宽定价策略和所述终端信息确定第二带宽定价策略包括：

根据当前VNO向与当前通信连接的各个所述UE售出的带宽单价与售出带宽量和当前VNO在InP购买的带宽价格之间的差值建立第二收益函数；

以当前VNO获得的收益最大为目标，根据所述第二收益函数确定第二带宽单价策略。

在一实施例中，任一所述UE建立所述效用函数的过程包括如下步骤：

根据在与当前UE通信连接的VNO的带宽购买收益与购买成本之间的差值关系建立终端效用函数；

在任一所述UE仅占用一个网络切片资源的前提下，通过预设约束变量确定终端的响应函数。

在一实施例中，各个所述UE确定实际占用带宽的过程包括：

根据所述第一带宽定价策略，所述第二带宽定价策略以及所述终端购买响应函数确定当前网络中各个InP的第一带宽单价，各个VNO的第二带宽售价以及各个UE的实际购买带宽。

根据本实施例公开的一种星地融合网络切片资源调度装置，包括：

采集模块，用于获取当前网络中的各个UE的终端信息；

处理器，用于根据物理基础设施的设备提供商InP的第一带宽定价策略和所述终端信息确定第二带宽定价策略，以供所述UE根据所述第二带宽定价策略以及对应的效用函数确定所述UE的实际占用带宽。

根据本实施例公开的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述的星地融合网络切片资源调度方法的步骤。

本发明实施例根据基础设施的设备提供商InP的第一带宽定价策略和所述终端信息确定第二带宽定价策略，以供所述UE根据所述第二带宽定价策略以及对应的效用函数确定所述UE的实际占用带宽，由此实现InP，VNO以及UE三层的博弈，从而最大化InP，VNO以及UE的效用。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本公开实施例星地融合网络切片资源调度方法的网络框架图。

图2为本公开实施例星地融合网络切片资源调度方法基本流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明第一实施例根据本实施例公开的一种星地融合网络切片资源调度方法，本发明在星地融合场景下基于三层Stackelberg博弈模型的网络切片资源分配方法，博弈分为三层，如图1所示包括物理基础设施的设备提供商(Infrastructure Provider,InP)，逻辑虚拟网络运营商(Virtual Network Operator,VNO)，以及用户终端(User Equipment,UE)。

具体的说本示例的方法可以应用于VNO一侧，如图2所示，本示例公开的星地融合网络切片资源调度方法可以始于步骤S201、基础设施的设备提供商InP获取当前网络中的各个UE的终端信息。具体VNO可以和InP一起获取当前网络中的各个UE的终端信息。在一实施例中所述终端信息至少包括：各个UE的优先级数据和所述UE占用的网络切片的频谱参数；其中，所述优先级数据基于相应的UE对数据传输速率需求，和/或，对时延敏感性确定。具体的说，收集的UE信息可以包括第i个用户的优先级ζ_i，以及该用户占用的第j个切片的频谱效率S_ij，

j∈{1,2,…,M}，其中θ_j为第j个切片中的用户集合。本示例中UE的优先级，综合考虑UE期望的数据传输和时延容忍度为UE划分优先级，对数据传输速率期望值较高并且时延容忍度低的UE具有较高的优先级。例如可以将第i,i∈{1,2,...,N}个UE的优先级定义为ζ_i＝R_i/D_i，其中，R_i为第i个UE的期望数据速率，D_i为第i个UE的时延容忍度，当用户业务对数据传输速率的需求较大，且对时延比较敏感时，此UE的优先级提升，从而可以得到较大的带宽来满足业务需求；反之，则占用较小的带宽以减小消耗的成本。值得注意的是，以上对用户优先级定义的表达式是一种示例，其他可以反映此规律的表达的方式可以根据实际需要设定，在此不做限定。然后步骤S202、所述InP根据所述终端信息和与其连接的逻辑虚拟网络运营商VNO的规模制定第一带宽定价策略。接着步骤S203、VNO根据基础设施的设备提供商InP的第一带宽定价策略和所述终端信息确定第二带宽定价策略。在确定UE的信息之后，InP会确定自身定价策略，并将InP所指定的定价策略发送给VNO，然后VNO根据接收到的InP的第一带宽定价策略和所述终端信息确定第二带宽定价策略。在VNO确定带宽定价策略之后，将定价策略发送给终端。最后步骤S204、所述UE根据所述第二带宽定价策略以及对应的效用函数确定所述UE的实际占用带宽。具体的说，本示例中终端在收到VNO的带宽定价策略之后，根据相应的带宽定价策略和自身效用函数确定UE的实际占用带宽，也即UE向VNO的购买带宽。作为一种可选的支付方式，UE向VNO，以及VNO向InP均可以支付预先分配的虚拟货币或者类似虚拟货币数据，由此完成带宽交易，并且InP和VNO可以通过带宽定价来最大化自身效用。

在一实施例中，所述InP的第一带宽定价策略的制定过程可以包括如下步骤：首先，可以通过所述InP与各个通信连接的逻辑虚拟网络运营商VNO进行斯坦克尔伯格博弈；然后，根据各个所述VNO的购买带宽和购买单价构建第一收益函数；最后，以所述InP获得的收益最大为目标，根据所述第一收益函数确定第一带宽单价策略。

具体的说，本示例中InP作为顶层的控制者可以制定最优定价策略。例如InP与M个VNO进行斯坦克尔伯格博弈，InP作为博弈中的领导者，基于物理基础设施构建虚拟资源池，并通过制定单位带宽价格来最大化自己的收益。InP的第一收益函数定义如下：

其中，ε为InP制定的带宽价格，κ_j为第j个VNO从InP购买的带宽量。从公式(1)可以看出，InP的收益来源于以价格ε向所有的VNO售卖带宽资源，基于此可以以所述InP获得的收益最大为目标，根据所述第一收益函数确定第一带宽定价策略，满足：

在一实施例中，所述根据物理基础设施的设备提供商InP的第一带宽定价策略和所述终端信息确定第二带宽定价策略可以包括：根据当前VNO向与当前通信连接的各个所述UE售出的带宽单价与售出带宽量和当前VNO在InP购买的带宽价格之间的差值建立第二收益函数。然后以当前VNO获得的收益最大为目标，根据所述第二收益函数确定第二带宽定价策略。

具体的说，在本示例中在InP制定第一带宽单价策略之后，VNO制定最优定价策略；VNO基于掌握的用户信息以及InP的带宽价格来制定最优的决策。VNO的效用来源于向UE出售带宽的盈利和从InP购买带宽的成本之差，可以将第j个VNO的第二收益函数Ψ_j定义如下：

Ψ_j＝ρ_jχ_j-εκ_j (3)

其中，ρ_j为第j个VNO制定的带宽单价，χ_j为第j个VNO出售的带宽量。为了最大化自身的收益，VNO总是根据市场销售情况，使得从InP购买的带宽可以全部卖给用户，即χ_j＝κ_j。则可以以当前VNO获得的收益最大为目标，根据所述第二收益函数确定第二带宽定价策略，满足：

在一实施例中，任一所述UE建立所述效用函数的过程可以包括如下步骤：根据在与当前UE通信连接的VNO的带宽购买收益与购买成本之间的差值关系建立终端效用函数。在任一所述UE仅占用一个网络切片资源的前提下，通过预设约束变量确定终端的响应函数。

具体的说，本示例中UE可以制定最佳响应函数，UE作为博弈中的最底层跟随者，UE可以通过最大化自身的效用函数得到对带宽价格的最佳响应函数，从而求得各自占用的最佳带宽，其中，第i个UE的效用函数可以是：

其中，W_ij为第i个UE从第j个VNO购买的带宽。

在一实施例中，各个所述UE确定实际占用带宽的过程包括：

本示例中，不失一般性，可以假设每个用户仅能占用一个切片资源。并假设由变量γ_ij来约束，即

并且

θ_j为第j个切片承载的用户集合。从而求得该UE的实际购买带宽对应的最佳响应函数可以是：

综合分析，以上公式(2)、(4)和(6)呈现了该模型的斯坦克尔伯格博弈均衡解(W^*,ρ^*,ε^*)，其中W^*为各个UE从VNO购买的带宽组成的向量，ρ^*为所有VNO对UE制定的最优带宽出售价格组成的向量，ε^*为InP对VNO制定的最优带宽出售价格。

根据本公开实施例的方法，随着UE优先级的提高，该UE获得的带宽增大，从而保证多样性业务数据传输速率和实时性需求。并且当信道条件较差，即频谱效率较低时，用户会占用较多的带宽资源来保障业务正常运行。另一方面，当用户规模较大时，由于竞争更加激烈，此时各个用户得到的带宽量都会减小，但是所有用户对带宽的总需求量增加，因此InP和VNO制定的价格均会提升，以最大化各自的效用，维持斯坦克尔伯格博弈均衡。

下面进一步介绍本公开实施例的星地融合网络切片资源调度方法的具体案例。

案例一：

根据UE的期望数据速率对博弈参与者最优策略的影响，可以设定切片数量为3，每个切片下有4个用户，并且各用户的时延容忍度为0.1s。基于以上设置，根据本公开的星地融合网络切片资源调度方法：

InP和VNO制定的价格均随着UE平均期望速率的增大而提高，该现象与经济市场中的供需法则相符合，即当需求方的需求量增大时，供应方会提高出售价格来增大自身的收益。

VNO向UE出售带宽的价格要高于从InP购买带宽的价格，从而保证自身一直处于盈利状态，这与博弈参与者自私理性的本质相符合。

UE依旧会购买较多带宽来满足业务需求。而且随着UE的期望速率逐渐增大，带宽购买量的增幅越来越小，此时UE购买单位带宽需要付出更高的成本。

案例二：

根据UE的时延容忍度对博弈参与者最优策略的影响，可以设定切片数量为3，每个切片下有4个用户，并且各用户的期望数据传输速率为2Mbps。基于以上设置，根据本公开的星地融合网络切片资源调度方法：

随着UE平均时延容忍度的增大，UE购买的带宽量逐渐降低，从而在满足业务需求的基础上，降低自身消耗的成本。

InP和VNO制定的价格逐渐降低。也即当需求方的需求量减小时，供应方会降低出售价格来促进销量，以最大化自身的收益。

VNO的价格要高于InP制定的价格，并且两者的价格变动都逐渐降低，以保证各自的效用最优。

案例三：

根据UE的用户规模对策略的影响，可以设定切片数量为3，各个用户的期望数据传输速率为2Mbps，时延容忍度为0.1s。基于以上设置，根据本公开的星地融合网络切片资源调度方法：

随着UE规模的增大，UE之间激烈的竞争导致每个用户得到的带宽逐渐减少；

所有UE对带宽的总需求量逐渐增大，InP和VNO制定的价格都会升高以提高各自的收益。

本公开实施例的星地融合网络切片资源调度方法，针对低轨卫星高速移动带来的频繁切换问题，采用基于星历信息的移动性管理方法。即服务卫星基于星历信息预判目标卫星的到来，并将用户信息提前发送至目标卫星。目标卫星通过将用户需要的资源预留来保障用户业务的连续性和服务质量的一致性。

根据本公开的星地融合网络切片资源调度方法具有如下优点：

本实施例方法提出基于三层Stackelberg博弈模型的网络切片方法，解决了现有方法中UE不参与资源竞争的不足。本实施例方法在设计效用函数的过程中，以数据传输速率和时延容忍度作为指标，为用户划分优先级，从而满足不同用户业务的多样性需求。本实施例方法中用户占用的资源可以根据业务的QoS需求和用户规模实时调整，以最大化各自的效用。

本实施例还公开了一种星地融合网络切片资源调度装置，包括：

采集模块，用于获取当前网络中的各个UE的终端信息；

本实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述的星地融合网络切片资源调度方法的步骤。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种星地融合网络切片资源调度方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的星地融合网络切片资源调度方法，其特征在于，所述终端信息至少包括：各个UE的优先级数据和所述UE占用的网络切片的频谱参数；

3.如权利要求2所述的星地融合网络切片资源调度方法，其特征在于，所述InP的第一带宽定价策略的制定过程包括如下步骤：

通过所述InP与各个通信连接的VNO进行斯坦克尔伯格博弈；

根据各个所述VNO的购买带宽和购买单价构建第一收益函数；

4.如权利要求3所述的星地融合网络切片资源调度方法，其特征在于，所述根据物理基础设施的设备提供商InP的第一带宽定价策略和所述终端信息确定第二带宽定价策略包括：

5.如权利要求4所述的星地融合网络切片资源调度方法，其特征在于，任一所述UE建立所述效用函数的过程包括如下步骤：

在任一所述UE仅占用一个网络切片资源的前提下，通过预设约束变量确定终端购买响应函数。

6.如权利要求5所述的星地融合网络切片资源调度方法，其特征在于，各个所述UE确定实际占用带宽的过程包括：

根据所述第一带宽定价策略，所述第二带宽定价策略以及所述终端的最佳响应函数确定当前网络中各个InP的第一带宽单价，各个VNO的第二带宽售价以及各个UE的实际购买带宽。

7.一种星地融合网络切片资源调度系统，其特征在于，包括：

基础设施的设备提供商InP，被配置为获取当前网络中的各个UE的终端信息；

逻辑虚拟网络运营商VNO，被配置为根据所述第一带宽定价策略和所述终端信息确定第二带宽定价策略，以供所述UE根据所述第二带宽定价策略以及对应的效用函数确定所述UE的实际占用带宽。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的星地融合网络切片资源调度方法的步骤。