CN113923791B - 一种无线接入网切片上行链路中虚拟无线资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线接入网切片上行链路中虚拟无线资源分配方法，考虑速率约束型和时延约束型两种类型的切片，不同类型的切片的用户的需求各不相同；本发明方法根据用户的分布，进行无线资源的初始化，并将资源块分配给对应的切片用户，在保证各种切片的性能需求的前提下，尽可能多的接入用户。本发明方法综合考虑接入侧需要分配虚拟无线资源，核心侧需要分配服务链路，得到端到端网络切片无线虚拟资源进行适当的资源分配，使网络的性能得到优化。

Description

一种无线接入网切片上行链路中虚拟无线资源分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种无线接入网切片上行链路中虚拟无线资源分配方法。

背景技术

5G网络将支持大量来自垂直行业的多样化业务场景，不同的业务场景通常具有不同的通信需求，比如在移动性、计费、安全、策略控制、时延和可靠性等方面要求各不相同。传统移动通信网络主要用来服务单一的移动宽带业务，无法适应未来5G多样化的业务场景。如果为每种业务场景都建设一个专有的物理网络必然会导致网络运维复杂、成本昂贵以及可扩展性差等问题。通过网络切片技术，运营商可以根据不同用户的需求，将同一个物理网络基础设施上切分为多个虚拟网络，满足5G多元化的业务需求。而网络切片技术的出现必然给无线资源的分配带来了一大难题，对于端到端的网络切片，接入侧需要为其分配虚拟无线资源，核心侧需要为其分配服务链路。只有综合考虑以上两个方面才能对端到端网络切片无线虚拟资源进行适当的资源分配，网络的性能才能得到优化。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种无线接入网切片上行链路中虚拟无线资源分配方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种无线接入网切片上行链路中虚拟无线资源分配方法，具体包括如下步骤：

步骤1，构建网络切片接入侧系统模型，所述系统包括N个基站、U个用户和M个网络切片；

所述网络切片通过系统动态划分得到，包括速率约束型和时延约束型两种；所述网络切片将自身资源分配给基站，所述用户根据自身性能需求选择对应类型的网络切片的基站接入；所述性能需求包括时延需求和速率需求；

步骤2，为步骤1得到的网络切片接入侧系统模型构建优化问题，所述优化问题包括优化目标和约束条件；所述优化目标是在保证不同切片类型用户的性能需求下，最大化系统容量；

步骤3，基于动态规划算法以及背包算法对步骤2中的模型优化问题进行求解，得到无线接入网切片上行链路中虚拟无线资源分配结果。

进一步地，所述步骤1中，网络切片用m表示，m∈[1,M]，基站用n表示，n∈[1,N]，用户用u表示，u∈[1,U]；网络切片m所拥有的资源用A_m表示，网络切片m分配给基站n的资源用A_m,n表示，网络切片m下的用户用u_m表示，u_m∈[1,U_m]，U_m表示网络切片m下的全部用户；所有基站的传输功率相同，均用P表示。

进一步地，所述步骤1中，用二进制变量x_u,n表示无线接入网切片上行链路中虚拟无线资源分配策略，x_u,n＝1表示用户u与基站n连接，x_u,n＝0表示用户u与基站n不连接。

进一步地，所述步骤2中，优化目标和约束条件表示如下：

式中，Nnum表示用户u_m在满足自身性能需求时连接不同基站所需的最小资源数，

表示用户u_m的平均时延，/>

表示用户u_m所允许的最大时延，/>

表示用户u_m能够获得的实际速率，/>

表示用户u_m所允许的最低速率。

进一步地，所述步骤3的具体方法如下：

输入：用户和基站的位置信息，网络切片m分配给基站n的资源A_m,n以及用户u在满足自身性能需求时连接不同基站所需的最小资源数Nnum；

输出：无线接入网切片上行链路中虚拟无线资源分配策略x_u,n；

步骤3.1，初始化公共候选集合

步骤3.2，初始化基站n的用户集合

步骤3.3，对于每个基站n，n∈[1,N]，利用0-1背包算法从公共候选集合

中为基站n选择接入用户u_m，并更新该基站n的用户集合/>

步骤3.4，判断是否存在一个用户被多个基站选中的情况，若存在，则进入步骤3.5，否则，输出无线接入网切片上行链路中虚拟无线资源分配策略；

步骤3.5，对于被多个基站选中的用户，依次为每个用户选择需要资源数Nnum最小的基站接入，同时将该用户从未被选择的基站的用户集

中删除；

步骤3.6，将已接入基站的用户从公共候选集合

中删除，并更新每个基站的剩余资源；

步骤3.7，重复步骤3.3-步骤3.6，直到全部用户均对应接入基站或基站的剩余资源为0，输出无线接入网切片上行链路中虚拟无线资源分配策略。

进一步地，网络切片m分配给基站n的资源A_m,n表示如下：

式中，A_m表示网络切片m所拥有的资源。

进一步地，对于速率约束型的网络切片的用户，该用户在满足自身速率需求时连接不同基站所需要的最小资源数Nnum表示如下：

式中，

表示用户u_m所允许的最低速率；/>

表示用户u_m占用基站n的一个资源块时获得的速率，/>

表示向下取整。

进一步地，对于时延约束型的网络切片的用户，该用户在满足自身时延需求时连接不同基站所需要的最小资源数Nnum表示如下：

式中，L_u表示用户u_m的数据包长度，

表示用户u_m所允许的最大时延，/>

表示用户u_m占用基站n的一个资源块时获得的速率，λ_u表示用户u_m的数据包的到达速率，/>

表示向下取整。

进一步地，所述用户u_m占用基站n的一个资源块时获得的速率

的计算方法如下：

式中，σ表示噪声的频谱密度，

表示信道增益，P表示基站n的传输功率；B_l表示系统总带宽在时域上的第l个带宽；/>

表示最小的一个时频资源块，具体的描述如下：

设定系统总带宽B在时域上被分为L份，则每一份带宽表示为B_l，l＝1,…,L；每一份带宽在时域上分为调度帧，调度帧由T个子帧组成，子帧的长度为Δ_t，则调度帧长度表示为Δ_t×T，则最小的时频资源块可表示为

进一步地，所述利用0-1背包算法从公共候选集合

中为基站n选择接入用户u_m，具体方法如下：

式中，C[U_m][A_m,n]表示对于一个拥有A_m,n资源的基站有U_m个用户可选时的最大接入用户量，Num_N表示U_m个用户需要的资源的总和，C[U_m-1][A_m,n]表示对于一个拥有A_m,n资源的基站有U_m-1个用户可选时的最大接入用户量，C[U_m-1][A_m,n-Num_N]表示对于一个拥有A_m,n-Num_N资源的基站有U_m-1个用户可选时的最大接入用户量。

有益效果：与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益技术效果：

本发明所述方法考虑速率约束型和时延约束型两种类型的切片，不同类型的切片的用户的需求各不相同，本发明需要根据用户的分布，进行无线资源的初始化，并将资源块分配给对应的切片用户，在保证各种切片的性能需求的前提下，接入尽可能多的用户。本发明方法提供了一种无线接入网切片上行链路中虚拟无线资源分配方法，综合考虑接入侧需要分配虚拟无线资源，核心侧需要分配服务链路，得到端到端网络切片无线虚拟资源进行适当的资源分配，使网络的性能得到优化。

附图说明

图1是一种实施例下本发明提供的网络切片接入侧系统模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的一种无线接入网切片上行链路中虚拟无线资源分配方法，包括以下步骤：

步骤S1、网络切片接入侧模型的建立；具体地，

参考图1，网络切片接入侧系统模型示意图，考虑上行链路蜂窝网络资源分配，假设网络具有完善的同步系统和信道估计。

步骤S1.1：基站统一用n∈{1,2,...,N}表示，基站的传输功率表示为P，切片用m∈{1,2,...,M}表示，用户用u∈{1,2,...,U}表示，切片m下的用户用u_m∈{1,2,...,U_m}表示，分配给切片m的资源表示为A_m。

设定系统总带宽B在时域上被分为L份，则每一份带宽表示为B_l，l＝1,…,L；每一份带宽在时域上分为调度帧，调度帧由T个子帧组成，子帧的长度为Δ_t，则调度帧长度表示为Δ_t×T，则最小的时频资源块可表示为

考虑每个用户选择性的接入一个基站，对于无线带宽资源的管理，每个用户属于一种类型的切片，切片包括速率约束型和时延约束型两种类型。

对于速率约束型的切片用户u_m的最低速率表示为

对于延迟约束型的切片用户u_m的最大延迟表示为/>

假设用户u_m占用基站n的一个资源块，

表示信道增益，σ表示噪声的频谱密度，则用户占用一个资源块可以获得的速率表示如下：

用户对于基站的选择具有优先级顺序，优先选择能够获得

值大的基站；对于速率约束型用户，在基站n上传输的用户u_m，需要的RB数量为Nv.

表示用户u_m能够获得的实际速率。

对于时延约束型的用户，将用户数据包的到达看做一个排队论的模型，假设用户的数据包到达速率为λ_u，数据包的长度为L_u比特，则在利用Nt个RB传输时，此时的平均时延为：

为了满足时延

需求，需要的RB数量最少为Nt，则有：

用户u_m连接基站n的

值越大，则用户选择这一基站的优先级越高。

初始化资源分配时假设用户选择优先级最高的基站，此时用户所需要的资源块的数量为Nnum，对于速率约束型切片Nnum＝Nv，对于延迟约束切片Nnum＝Nt。初始化切片m分得资源A_m为：

初始化时系统将所有资源分配给基站，则切片m分配给基站n的资源计算如下：

使用二进制变量x_u,n表示用户u是否接入基站n，接入则x_u,n值为1，否则为0，表示如下：

步骤S1.2：建立优化问题模型：资源初始化分配完成以后，需要将基站资源分配给基站下面的用户；针对不同类型的切片，需要满足不同的性能需求，对于速率约束型切片，用户需要保证速率大于等于最小速率约束，而对于延迟约束型切片，需要满足延迟小于等于最大延迟。优化目标就是要在保证不同切片类型用户的性能需求的前提下，最大化系统容量。接入侧问题模型的优化目标和约束条件表示如下：

优化目标(1)表示接入侧容量需要最大。

约束(1a)表示一个用户只能接入一个基站，

约束(1b)表示变量x_u,n是一个二进制变量，只能取0或1中的一个值。

约束(1c)表示同一切片的用户占有基站的资源不能超过切片分配给基站的资源。

约束(1d)是针对时延约束型切片用户的时延约束，

约束(1e)则是针对速率约束型用户的速率约束。

对于接入侧问题而言，切片无线资源确定时，切片之间便具有隔离性，因此对于接入侧的目标函数和约束可以解耦为两个切片单独的目标函数和约束，对于每种切片都是在保证时延或者速率的情况下使得接入用户最多。

步骤S1.3：优化问题的NP性：接入侧资源分配问题属于NP-Hard问题，将基站看做容量为A_m,n的背包，用户看做物品，物品的重量固定为Nnum，收益为系统容量，则问题就转化为多个0-1背包问题。背包问题是典型的NP-Hard问题，因此模型所解决的问题也是NP-Hard问题。

步骤S2：算法描述；对于NP-Hard问题很难求解，因为它无法在不知最优解的情况下在多项式时间内验证某个解是否最优。本发明所需要求解的问题虽然可以假设为多个背包问题，但是由于用户连接不同基站的时候所需要的RB数量Nnum是变化的，因此无法使用常规背包算法求解。因此本发明采取基于0-1背包算法改进的动态规划算法进行求解。具体地，

步骤S2.1：背包算法：首先对0-1背包算法进行一个简单的介绍。0-1背包问题是一个二进制决策问题，决策过程可以形象的看做为向一个容量固定的背包中装入物品。每个物品有固定的重量和价值，优化目标是如何使得背包在不超重的前提下装入的物品价值最大。假设现在有N个物品，每个物品对应的重量为W_i,对应的价值为V_i(0≤i≤N)。则对于承重K的背包要选择一些物品使得背包的总价值最大。用C[N][K]表示对于一个称重K的背包从前N个物品选择时可以得到的最大价值。则0-1背包问题的动态规划过程如下：

对于本发明而言，如果将每个基站看做一个背包，则对于每种切片m基站的资源为A_m,n，基站可以选择接入的用户数量为U_m，每个用户的重量为Num_i(0≤i≤U_m)，对应的价值为1，C[U_m][A_m,n]表示对于一个具有A_m,n资源的基站有U_m个用户可选时的最大接入用户量。则0-1背包问题的动态规划用为则每个基站在只考虑自身容量时，可利用0-1背包算法进行求解如下：

步骤S2.2、动态规划算法：步骤S2.1的求解只针对一个基站而言，如果要考虑基站之间的协调分配，必须对其进行相关的改进才能使得整个接入侧容量最大。所以提出一种基于背包算法的动态规划算法求解过程，具体步骤如下所示：

步骤1输入切片分配给基站的资源A_m,n，基站和用户位置信息，计算用户在满足自身性能需求时接入不同基站所需要的最少资源数量Nnum。

步骤2初始化基站的公共候选集为所有的用户，初始化基站的用户集为空。

步骤3对于所有的基站采取0-1背包算法从公共候选集中选择基站用户集。

步骤4如果没有用户同时被多个基站选中，则直接输出资源分配结果。

步骤5被多个基站选择的用户，选择需要Nnum最少的基站接入，并将此用户从其他基站用户集中删除。

步骤6将己经被基站选择的用户从公共候选池中删除。

步骤7更新基站剩余资源，若还有资源剩余，跳转到步骤3，否则直接输出分配结果。

整个算法的思路是：

将所有用户放在一个公共池，每个基站都会基于背包算法选择接入用户，使得基站容量最大，但是这样一定会出现一个用户被多个基站选中的情况，对于这种情况将这些用户放在性价比最高的基站中，将已经被选择的用户从公共候选池中删除。然后基站再从公共池中一直进行选择，直到基站选择的用户不出现冲突或者基站资源使用完毕，输出用户和基站的连接结果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种无线接入网切片上行链路中虚拟无线资源分配方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1，构建网络切片接入侧系统模型，所述系统包括N个基站、U个用户和M个网络切片；

所述网络切片通过系统动态划分得到，包括速率约束型和时延约束型两种；所述网络切片将自身资源分配给基站，所述用户根据自身性能需求选择对应类型的网络切片的基站接入；所述性能需求包括时延需求和速率需求；

步骤2，为步骤1得到的网络切片接入侧系统模型构建优化问题，所述优化问题包括优化目标和约束条件；所述优化目标是在保证不同切片类型用户的性能需求下，最大化系统容量；

步骤3，基于动态规划算法以及背包算法对步骤2中的模型优化问题进行求解，得到无线接入网切片上行链路中虚拟无线资源分配结果；

所述步骤1中，网络切片用m表示，m∈[1,M]，基站用n表示，n∈[1,N]，用户用u表示，u∈[1,U]；网络切片m所拥有的资源用A_m表示，网络切片m分配给基站n的资源用A_m,n表示，网络切片m下的用户用u_m表示，u_m∈[1,U_m]，U_m表示网络切片m下的全部用户；所有基站的传输功率相同，均用P表示；

所述步骤1中，用二进制变量x_u,n表示无线接入网切片上行链路中虚拟无线资源分配策略，x_u,n＝1表示用户u与基站n连接，x_u,n＝0表示用户u与基站n不连接；

所述步骤2中，优化目标和约束条件表示如下：

式中，Nnum表示用户u_m在满足自身性能需求时连接不同基站所需的最小资源数，τ_um表示用户u_m的平均时延，

表示用户u_m所允许的最大时延，/>

表示用户u_m能够获得的实际速率，/>

表示用户u_m所允许的最低速率；

所述步骤3的具体方法如下：

输入：用户和基站的位置信息，网络切片m分配给基站n的资源A_m,n以及用户在满足自身性能需求时连接不同基站所需的最小资源数Nnum；

输出：无线接入网切片上行链路中虚拟无线资源分配策略x_u,n；

步骤3.1，初始化公共候选集合

步骤3.2，初始化基站n的用户集合

步骤3.3，对于每个基站n，n∈[1,N]，利用0-1背包算法从公共候选集合

中为基站n选择接入用户u_m，并更新该基站n的用户集合/>

步骤3.4，判断是否存在一个用户被多个基站选中的情况，若存在，则进入步骤3.5，否则，输出无线接入网切片上行链路中虚拟无线资源分配策略；

步骤3.5，对于被多个基站选中的用户，依次为每个用户选择需要资源数Nnum最小的基站接入，同时将该用户从未被选择的基站的用户集

中删除；

步骤3.6，将已接入基站的用户从公共候选集合

中删除，并更新每个基站的剩余资源；

步骤3.7，重复步骤3.3-步骤3.6，直到全部用户均对应接入基站或基站的剩余资源为0，输出无线接入网切片上行链路中虚拟无线资源分配策略。

2.根据权利要求1所述的一种无线接入网切片上行链路中虚拟无线资源分配方法，其特征在于，网络切片m分配给基站n的资源A_m,n表示如下：

式中，A_m表示网络切片m所拥有的资源。

3.根据权利要求1所述的一种无线接入网切片上行链路中虚拟无线资源分配方法，其特征在于，对于速率约束型的网络切片的用户，该用户在满足自身速率需求时连接不同基站所需要的最小资源数Nnum表示如下：

式中，

表示用户u_m所允许的最低速率；/>

表示用户u_m占用基站n的一个资源块时获得的速率，/>

表示向下取整。

4.根据权利要求1所述的一种无线接入网切片上行链路中虚拟无线资源分配方法，其特征在于，对于时延约束型的网络切片的用户，该用户在满足自身时延需求时连接不同基站所需要的最小资源数Nnum表示如下：

式中，L_u表示用户u_m的数据包长度，

表示用户u_m所允许的最大时延，/>

表示用户u_m占用基站n的一个资源块时获得的速率，λ_u表示用户u_m的数据包的到达速率，/>

表示向下取整。

5.根据权利要求3或4所述的一种无线接入网切片上行链路中虚拟无线资源分配方法，其特征在于，所述用户u_m占用基站n的一个资源块时获得的速率

的计算方法如下：

式中，σ表示噪声的频谱密度，

表示信道增益，P表示基站n的传输功率；B_l表示系统总带宽在时域上的第l个带宽；/>

表示最小的一个时频资源块。

6.根据权利要求1所述的一种无线接入网切片上行链路中虚拟无线资源分配方法，其特征在于，所述利用0-1背包算法从公共候选集合

中为基站n选择接入用户u_m，具体方法如下：

式中，C[U_m][A_m,n]表示对于一个拥有A_m,n资源的基站有U_m个用户可选时的最大接入用户量，Num_N表示U_m个用户需要的资源的总和，C[U_m-1][A_m,n]表示对于一个拥有A_m,n资源的基站有U_m-1个用户可选时的最大接入用户量，C[U_m-1][A_m,n-Num_N]表示对于一个拥有A_m,n-Num_N资源的基站有U_m-1个用户可选时的最大接入用户量。

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