CN114268548A - 一种基于5g的网络切片资源编排与映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于5G的网络切片资源编排与映射方法，智能电网场景中的5G网络切片资源编排无法兼顾电力终端对时延、速率和可靠性等QoS需求的问题。本发明通过面向电力业务的端到端网络切片编排和映射模型，并将模型划分为底层物理基础设施层，切片实例层及应用服务层，然后在保证切片最小传输速率和可靠性前提下，提出端到端全局时延最小化函数，最后根据电力切片服务功能链、虚拟网络功能单元和物理节点资源三个方面划分优先级，对每一个候选节点匹配对进行筛选和剪枝，并迭代求解可保障电力业务的时延、速率和可靠性需求，大大降低端到端全局时延，提升了底层物理基础设施层的用户的满意度。

Description

一种基于5G的网络切片资源编排与映射方法

技术领域

本发明涉及电力无线通信领域，特别是一种基于5G的网络切片资源编排与映射方法。

背景技术

近年来随着智能电网不断发展，智能电网内的电力终端需求爆炸式增长，且控制类业务对时延、可靠性等提出了更高的要求。基于虚拟化的5G网络切片被认为是一项很有前景和未来的技术，实现底层物理资源的抽象和上层功能的虚拟化，可以达到未来网络可编程和资源共享的目的，以便更加灵活地满足碎片化、定制化、差异化的垂直行业需求。目前，国内外针对网络切片资源编排的研究大多数只考虑核心网侧或接入网侧，缺少面向电力业务的端到端全局优化方法。此外，针对不同的优化目标和应用场景，研究者提出或改进了多种虚拟网络映射方案，大多数将映射过程划分为节点映射和链路映射两个阶段，且不支持多对一映射，即多个虚拟网络功能映射到一个物理节点上。而且已有的部署方法忽视了各个网元功能对不同类型的资源差异化需求，可能会导致物理资源不能充分利用。

因此，如何设计一种能够从网络切片和底层物理资源两个角度综合考虑，满足电力终端对时延、速率和可靠性等QoS需求，构建一个端到端的全局优化模型，是智能电网场景中的5G网络切片资源编排需要面临的重要问题。

因此本发明提供一种的新的方案来解决此问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于5G的网络切片资源编排与映射方法，有效的解决了智能电网场景中的5G网络切片资源编排无法兼顾电力终端对时延、速率和可靠性等QoS需求的问题。

其解决的技术方案是，一种基于5G的网络切片资源编排与映射方法，所述方案包括以下步骤：

S1、构建面向电力业务的端到端全局网络切片编排和映射模型，所述模型包括底层物理基础设施层、切片实例层及应用服务层，其中所述模型将端到端网络切片分为核心网切片和接入网切片两部分；

S2、利用步骤S1得到的模型得到端到端全局时延最小化函数；

S3、根据步骤S2得到的全局时延最小函数对电力业务切片的服务功能链动态划分优先级；

S4、根据步骤S2得到的全局时延最小函数对虚拟网络功能节点映射顺序划分优先级；

S5、根据步骤S2得到的全局时延最小函数对物理节点资源划分优先级；

S6、根据步骤S3、S4、S5得到的电力切片服务功能链、虚拟网络功能单元和物理节点资源三个方面的优先级，对每一个候选匹配节点对进行筛选和剪枝，并迭代求解。

进一步地，所述步骤S1得到的接入网切片中，总带宽B Hz被划分为K组物理资源块PRB，其中K＝{1,2,...,k}，每组物理资源块PRB的带宽为b Hz，R_U表示射频拉远单元RRU的总数据处理速率，

表示射频拉远单元RRU对切片m内用户的数据包处理能力，射频拉远RRU中的不同物理资源块PRB分配给同一个用户U^m，切片m上的用户u^m在物理资源块k上的数据传输速率表示为：

其中

是从基站到用户u^m之间由于路径损耗与阴影效应下的平均信道增益，

基站发射功率，n₀是指单边噪声功率谱密度，则切片m的总传输速率表示为：

其中

是一个二元变量，

代表物理资源块k被分配给用户u^m，

k＝0代表物理资源块k没有被分配给用户u^m。

进一步地，所述步骤S1得到的核心网切片中，利用二元变量

来定义虚拟网络功能和底层物理节点之间的映射关系，当

表示

被部署到底层物理节点n上，否则

表示

未被部署到底层物理节点n上，节点n的数据处理能力为

节点n与节点n′间的链路传输速率为

令切片m上的

的数据包

满足指数分布，均值为

进一步地，所述步骤S3的得到的优先级公式为：

其中，τ^m是电力业务切片m的最大时延容忍上限，

是所有切片的平均时延容忍极限，r^m是切片m最小速率下限即切片m最小带宽下限，

是所有切片的平均速率，Rel^m是切片m最小可靠性下限，

是所有切片的平均可靠性，p和q是优先级调节因子。

进一步地，所述步骤S4得到的优先级公式为：

其中，d_Match为已匹配节点连接数，P_v为节点匹配概率，d_v为虚拟节点度。

进一步地，所述步骤S5得到的优先级公式为：

其中，γ是一个在(0,1)范围内的阻尼常数，R_n表示节点n的剩余数据处理能力，B_n,n′表示节点n与n′的剩余链路传输速度，W(n)是物理节点资源度。

进一步地，所述步骤S6的具体步骤为：

Z1、综合电力切片服务功能链、虚拟网络功能单元和物理节点资源三个方面的优先级，生成一组候选节点匹配对；

Z2、利用

函数对候选节点匹配对进行筛选和剪枝，其中

函数包括CheckNode、Pruning和CheakFurther三个子函数，其中

是当前虚拟网络G^V到底层物理网络G^P的部分映射状态。

本发明实现了如下有益效果：

通过面向电力业务的端到端网络切片编排和映射模型，并将模型划分为底层物理基础设施层，切片实例层及应用服务层，然后在保证切片最小传输速率和可靠性前提下，提出端到端全局时延最小化函数，最后根据电力切片服务功能链、虚拟网络功能单元和物理节点资源三个方面划分优先级，对每一个候选节点匹配对进行筛选和剪枝，比较虚拟网络节点和物理节点度的大小，检查新加入节点对是否满足资源约束条件和最小化时延目标，并迭代求解可保障电力业务的时延、速率和可靠性需求，大大降低端到端全局时延，有效的解决了智能电网场景中的5G网络切片资源编排无法兼顾电力终端对时延、速率和可靠性等QoS需求的问题，提升了底层物理基础设施层的用户的满意度。

附图说明

图1为本发明提供的模型示意图。

具体实施方式

为有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。

下面将参照附图描述本发明的各示例性的实施例。

一种基于5G的网络切片资源编排与映射方法，所述方法包括以下步骤：

S1、构建面向电力业务的端到端全局网络切片编排和映射模型，所述模型包括底层物理基础设施层、切片实例层及应用服务层，所述模型将端到端网络切片分为核心网切片和接入网切片两部分，其中底层物理基础设施层包括基站、基于虚拟化技术网络功能的服务器NFVS，切片实例层包括由虚拟网络功能VNF，切片实例层包括虚拟网络功能VNF单元组成的多个切片，应用服务层通过软件定义网络SDN控制器进行全局资源编排管理；

S2、利用步骤S1得到的模型得到端到端全局时延最小化函数，其中，端到端时延分为核心网时延和接入网时延，核心网时延由节点处理时延和链路传输时延组成，接入网时延由无线传输时延和用户在切片内的排队时延构成；

S3、根据时延、速率及可靠性指标对电力业务切片的服务功能链动态划分优先级，并且根据切片的类型动态调整优先级划分时延、速率及可靠性指标所占的权重；

S4、根据节点匹配概率、已匹配节点连接数、虚拟节点度对虚拟网络功能节点映射顺序划分优先级；

S5、根据步骤S2得到的全局时延最小函数对物理节点资源划分优先级；

S6、根据步骤S3、S4、S5得到的电力切片服务功能链、虚拟网络功能单元和物理节点资源三个方面的优先级，对每一个候选匹配对进行筛选和剪枝，检查新加入节点对进行判断，并迭代求解。

步骤S1得到的模型将底层物理网络用无向加权图

表示，其中，N^P和L^P分别表示底层物理节点集和底层物理节点之间的物理链路集，其中底层物理节点为每一个底层物理基础设施，

表示底层物理节点的资源集，

表示底层物理链路带宽，虚拟化切片网络将底层物理网络虚拟为虚拟网络，表示为

N^V和L^V分别是虚拟节点集和虚拟链路集，

表示虚拟节点的资源集，

表示虚拟链路带宽，其中利用{N^V→N^P，L^V→L^P}表示将虚拟节点映射到物理节点，虚拟链路映射到物理链路，底层物理节点集N^P＝{1，2，...，n^p}，形成多张切片M＝{1,2,...m}，切片m包含n个用户U^m，即U^m＝{1,2,...,u^m}，切片m包含的VNF为：

在步骤S1中所划分的接入网切片中，总带宽B Hz被划分为K组物理资源块PRB，其中K＝{1,2,...,k}，每组物理资源块PRB的带宽为b Hz，底层物理节点n中的射频拉远单元RRU为多个网络切片提供服务，R_U表示射频拉远单元RRU的总数据处理速率，

表示射频拉远单元RRU对切片m内用户的数据包处理能力，RRU中的不同物理资源块PRB分配给同一个用户u^m，切片m上的用户u^m在物理资源块k上的数据传输速率表示为：

其中

是从基站到用户u^m之间由于路径损耗与阴影效应下的平均信道增益，

基站发射功率，n₀是指单边噪声功率谱密度，则切片m的总传输速率表示为：

其中

是一个二元变量，

代表物理资源块k被分配给用户u^m，

k＝0代表物理资源块k没有被分配给用户u^m。

在步骤S1中所划分的核心网切片中，利用二元变量

来定义虚拟网络功能和底层物理节点之间的映射关系，当

表示

被部署到底层物理节点n上，否则

表示

未被部署到底层物理节点n上，节点n的数据处理能力为

节点n与节点n′间的链路传输速率为

令切片m上的

的数据包

满足指数分布，均值为

所述步骤S2中的核心网切片中的节点处理时延是指底层物理网络节点n收到虚拟网络功能

的数据包后需要一定的处理时间，节点处理时延表示为：

核心网的传输时延是指

的数据包

在底层物理网络节点之间的网络链路上传输所需要的时间，表示为

则核心网切片总时延为

而接入网切片的传输时延是指基站与切片m内的用户之间链路上传输数据包所需的时间，表示为

另外，设切片内用户u^m的数据包的到达过程服从泊松分布，即到达时间间隔服从指数分布，到达率为

用户在切片内的排队模型服从M/M/1队列，相应的排队时延

则接入网切片总时延为

则切片m的端到端全局时延表示为

则得到端到端全局时延最小化函数为：

s.t.C1：

C2：

C3：

C4：

C5：

C6：

C7：

C8：

C9：

C10：

其中，约束C1表示每个物理资源块PRB只能分配给一个用户

约束C2表示接入网中每个切片所占用的带宽b之和小于总带宽B，这里的r^m为香农公式中的带宽；

约束C3表示每个切片有一个最小的数据速率；

约束C4表示RRU上每个切片所需的数据处理速率之和小于该RRU的总数据处理速率；

约束C5表示每个物理节点只能部署最多有限个相同类型的虚拟网络功能；

约束C6表示每个

只能映射到一个底层物理节点n上；

约束C7表示任意物理节点上的VNFs所占用的计算资源之和小于该节点所拥有的计算资源之和；

约束C8表示当

映射到节点

映射到节点时n′，任何类型的VNF需要的物理链路带宽不能超过任意两个物理节点之间提供的最大可用带宽的上限，其中b_v,v+1为虚拟链路需要的带宽资源；

约束C9表示每个切片端到端时延需满足电力业务的最大时延容忍上限；

约束C10表征满足切片最小的可靠性指标，切片可靠性与核心网的链路传输时延有关，其中u_n,n′是数据包传输的失败率。

所述步骤S3的得到的优先级公式为：

其中，τ^m是电力业务切片m的最大时延容忍上限，

是所有切片的平均时延容忍极限，r^m是切片m最小速率下限即切片m最小带宽下限，

是所有切片的平均速率，Rel^m是切片m最小可靠性下限，

是所有切片的平均可靠性，p和q是优先级调节因子，考虑不同种类的电力业务对各种QoS指标有不同的要求，利用综合时延、速率及可靠性指标根据上述公式完成对电力业务切片优先级的划分，并且根据切片的类型动态调整优先级划分时时延、速率、可靠性所占的权重，当电力业务均为uRLLC类型，将p增大，调高时延在优先级划分中的重要性。

所述步骤S4的得到的优先级公式为：

首先考虑已匹配节点连接数d_Match，d_Match越大的节点连接的匹配节点更多，优先级更高；然后考虑P_v，如果节点d_Match值相同，节点匹配概率P_v越小，即在底层物理网络中找到对应底层物理节点n的可能性较小，优先级更高；最后考虑虚拟节点度d_v，如果P_v值也相同，d_v大的节点拥有更高的优先级；

是当前虚拟网络G^V到底层物理网络G^P的部分映射状态，当在底层物理网络中找到一个节点n跟虚拟节点

匹配，节点匹配概率公式为：

即在底层物理节点n跟虚拟节点

匹配时需满足以下条件：

第一，底层物理节点n跟虚拟节点

对应类型相同；

第二，虚拟节点

的入度小于等于底层物理节点n的入度；

第三，虚拟节点

的出度小于等于底层物理节点n的出度；

当三个条件相互独立，则将各自满足的概率直接相乘来估算出同时满足的概率。其中，第一项是底层物理节点n和虚拟节点

类型相同的概率；第二项，假设

节点的入度为2，那么考虑底层物理节点n的入度为2，3，4，5等的概率和，第三项同理，考虑的是出度概率和。

所述步骤S5得到的优先级公式为：

其中，γ是一个在(0,1)范围内的阻尼常数，R_n表示节点n的剩余数据处理能力，B_n,n′表示节点n与n′的剩余链路传输速度，N(n)即Neighbor(n)是底层物理节点n的所有邻居节点集合，W(n)是物理节点资源度，来表征底层物理节点n的剩余资源负载能力，W(n)值越大，代表底层物理节点n的资源度更大，优先映射，提高智能电网中的电力终端内的保护类URLLC业务的可靠性优先选择负载较轻及剩余资源量丰富的子节点区域进行映射，减少局部资源耗尽导致网络拥塞。

所述步骤S6的具体步骤为：

Z1、综合电力切片服务功能链、虚拟网络功能单元和物理节点资源三个方面的优先级，生成一组候选节点匹配对。根据服务功能链优先级划分公式得到切片的优先级，选择优先级高的链优先映射；划分VNF单元优先级，分别计算已匹配连接数d_Match，匹配概率P_v，虚拟节点度d_v，得到虚拟节点映射顺序；每次映射一个新节点时，Match函数根据W(n)算出所有底层物理节点的剩余计算资源度，然后对其排序，选择其中最小的节点进行映射。

Z2、利用

函数对候选节点匹配对进行筛选和剪枝，并迭代求解，其中

函数包括CheckNode、Pruning和CheakFurther三个子函数，其中

是当前虚拟网络G^V到底层物理网络G^P的部分映射状态。CheckNode判断候选节点匹配对加入后，其与已经映射成功的虚拟网络节点之间的连接在底层物理网络中能否找到一致的连接，函数Pruning通过比较虚拟节点

和物理节点n的度大小，节点的资源限制条件，时延优化目标进行筛选，将不可能的节点和链路提前排除。CheakFurther函数用来判断两步邻居，即当前时刻新的匹配节点相邻节点的邻居是否符合节点度约束和资源限制。

本发明在实际使用的过程中，首先从接入网切片和核心网切片出发，构建面向电力业务的端到端网络切片编排和映射模型，主要包括底层物理基础设施层，切片实例层及应用服务层；然后考虑计算和传输资源有限，在保证切片最小传输速率和可靠性前提下，提出端到端全局时延最小化问题；最后根据电力切片服务功能链、虚拟网络功能单元和物理节点资源三个方面划分优先级，对每一个候选节点匹配对进行筛选和剪枝，比较虚拟网络节点和物理节点度的大小，检查新加入节点对是否满足资源约束条件和最小化时延目标，并迭代求解。

本发明实现了如下有益效果：

通过面向电力业务的端到端网络切片编排和映射模型，并将模型划分为底层物理基础设施层，切片实例层及应用服务层，然后在保证切片最小传输速率和可靠性前提下，提出端到端全局时延最小化函数，最后根据电力切片服务功能链、虚拟网络功能单元和物理节点资源三个方面划分优先级，对每一个候选节点匹配对进行筛选和剪枝，比较虚拟网络节点和物理节点度的大小，检查新加入节点对是否满足资源约束条件和最小化时延目标，并迭代求解可保障电力业务的时延、速率和可靠性需求，大大降低端到端全局时延，有效的解决了智能电网场景中的5G网络切片资源编排无法兼顾电力终端对时延、速率和可靠性等QoS需求的问题，提升了底层物理基础设施层的用户的满意度。

Claims (7)

1.一种基于5G的网络切片资源编排与映射方法，其特征在于，所述方案包括以下步骤：

S1、构建面向电力业务的端到端全局网络切片编排和映射模型，所述模型包括底层物理基础设施层、切片实例层及应用服务层，其中所述模型将端到端网络切片分为核心网切片和接入网切片两部分；

S2、利用步骤S1得到的模型得到端到端全局时延最小化函数；

S3、根据步骤S2得到的全局时延最小函数对电力业务切片的服务功能链动态划分优先级；

S4、根据步骤S2得到的全局时延最小函数对虚拟网络功能节点映射顺序划分优先级；

S5、根据步骤S2得到的全局时延最小函数对物理节点资源划分优先级；

S6、根据步骤S3、S4、S5得到的电力切片服务功能链、虚拟网络功能单元和物理节点资源三个方面的优先级，对每一个候选匹配节点对进行筛选和剪枝，并迭代求解。

2.根据权利要求1所述的基于电力业务特性的5G网络切片资源编排与映射方法，其特征在于，所述步骤S1得到的接入网切片中，总带宽B Hz被划分为K组物理资源块PRB，其中K＝{1,2,...,k}，每组物理资源块PRB的带宽为b Hz，R_U表示射频拉远单元RRU的总数据处理速率，

表示射频拉远单元RRU对切片m内用户的数据包处理能力，射频拉远单元RRU中的不同物理资源块PRB分配给同一个用户U^m，切片m上的用户u^m在物理资源块k上的数据传输速率表示为：

其中

是从基站到用户u^m之间由于路径损耗与阴影效应下的平均信道增益，

是指基站发射功率，n₀是指单边噪声功率谱密度，则切片m的总传输速率表示为：

其中

是一个二元变量，

代表物理资源块k被分配给用户u^m，

代表物理资源块k没有被分配给用户u^m。

3.根据权利要求1所述的5G网络切片资源编排与映射方法，，其特征在于，所述步骤S1得到的核心网切片中，利用二元变量

来定义虚拟网络功能和底层物理节点之间的映射关系，当

表示VNFf_v ^m被部署到底层物理节点n上，否则

表示

未被部署到底层物理节点n上，节点n的数据处理能力为

节点n与节点n′间的链路传输速率为

令切片m上的

的数据包

满足指数分布，均值为

4.根据权利要求1所述的5G网络切片资源编排与映射方法，其特征在于，所述步骤S3的得到的优先级公式为：

其中，τ^m是电力业务切片m的最大时延容忍上限，

是所有切片的平均时延容忍极限，r^m是切片m最小速率下限即切片m最小带宽下限，

是所有切片的平均速率，μ是数据包传输的失败率，t是数据在核心网的传输时延，Rel^m是切片m最小可靠性下限，

是所有切片的平均可靠性，p和q是优先级调节因子。

5.根据权利要求1所述的5G网络切片资源编排与映射方法，其特征在于，所述步骤S4得到的优先级公式为：

其中，d_Match为已匹配节点连接数，P_v为节点匹配概率，d_v为虚拟节点度。

6.根据权利要求1所述的5G网络切片资源编排与映射方法，其特征在于，所述步骤S5得到的优先级公式为：

其中，γ是一个在(0,1)范围内的阻尼常数，R_n表示节点n的剩余数据处理能力，B_n,n′表示节点n与n′的剩余链路传输速度，W(n)是物理节点资源度。

7.根据权利要求1所述的5G网络切片资源编排与映射方法，其特征在于，所述步骤S6的具体步骤为：

Z1、综合电力切片服务功能链、虚拟网络功能单元和物理节点资源三个方面的优先级，生成一组候选节点匹配对；

Z2、利用

函数对候选节点匹配对进行筛选和剪枝，其中

函数包括CheckNode、Pruning和CheakFurther三个子函数，其中

是当前虚拟网络G^V到底层物理网络G^P的部分映射状态。

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