CN116055021B - 一种多用户灵活以太网小颗粒时隙分配方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多用户灵活以太网小颗粒时隙分配方法及装置，该方法具体为，根据用户需求提出两种时隙资源分配、部署方案，方案一仅基于分配给所有用户的时隙抖动的全局最小化的目标进行时隙分配，该方案可以提高资源分配公平性，并提高网络整体的性能。方案二在满足最多的当前时隙分配周期中用户输入数据在当前时隙分配周期中传输的前提下，按照用户所需时隙数量从大到小的顺序，对每个用户分别进行时延和抖动的有权重分配。本发明提供的多用户灵活以太网小颗粒时隙分配方法及装置，复杂度低，能够满足不同用户的多样性传输需求，能够实现时隙资源的灵活、快速、动态调整分配，并且能够显著提高网络传输性能。

Description

一种多用户灵活以太网小颗粒时隙分配方法及装置

技术领域

本发明涉及传输网络技术领域，尤其涉及一种多用户灵活以太网小颗粒时隙分配方法及装置。

背景技术

灵活以太网（Flexible Ethernet，FlexE）技术是在标准以太网技术基础上，为满足高速传送、带宽灵活配置等需求而发展的技术。灵活以太网技术引入垫层（Shim layer）作为插入传统以太网架构介质访问控制层与物理层中间的一个额外逻辑层，并通过基于时分复用的时隙分发机制实现灵活以太网技术的核心架构。

在灵活以太网中，许多应用服务都有较为严苛的实时通信需求。可预测和一致性的网络服务，如传输速率、时延、抖动是这些应用中通信服务质量的基本组成部分，也是网络协议的主要关注点。在基于时分复用的时隙分发机制中，传输速率指的是分配给用户的时隙数量。时延指的是数据从信息源传输到接收端所需的时间。抖动是数据包到达时间的变化，即实时数据流的每个数据包必须在相对于前一个数据包的传输完成时间的一定时间约束内完成传输。抖动越大，说明通信网络越不稳定。对于图像、音频和视频等多媒体业务，抖动的影响更为突出。例如，过大的抖动会产生不够连续平缓的语音，并可能导致语音无法辨识。

现有的基于时分复用的时隙分发机制较多针对单一的时延或抖动最小化为目标进行时隙分配，难以保障不同业务的多样性传输需求。同时，现有的基于时分复用的时隙分发机制较少见到针对多用户场景的时延和抖动需求进行时隙分配。

经过对现有技术的检索发现，刘星等人在《系统工程，2012年6月，第30卷第6期，第90-94页》上发表了文章“TDMA 战术数据链中最小时延抖动的固定时隙分配算法”，该文提出一种基于最小时延抖动的固定时隙分配算法，将基于时分多址的战术数据链时隙均匀分配问题转化为图论中包含确定边数的不含回路的最短路径有向环问题，然后采用动态规划法进行求解。电子科技大学在发明专利“基于最小时延抖动的TDMA通信网络时隙均匀分配方法”（申请号CN201510770651.3）中提出一种基于最小时延抖动的TDMA通信网络时隙均匀分配方法，即以TDMA通信网络协议为依据，基于随机状态转移理论，在已知可用且分布不均匀的时隙中，求解一种时隙分配方案使之达到最小的时延抖动。但是，上述两项技术仅针对单用户时隙均匀分配（即最小化抖动）进行了研究，没有考虑多用户时隙分配的场景，同时没有考虑具体的用户数据输入时隙，也没有考虑针对输入时隙进行的时隙分配导致的时延问题，并且上述两项技术提出的方法无法给出多用户场景下的最小化抖动时隙分配全局最优解。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，面向灵活以太网中多用户业务传输的多样性需求，提供一种多用户灵活以太网小颗粒时隙分配方法，结合多用户的业务传输速率、时延、抖动需求，基于有向图和优化目标权重的值设计动态的边权重，并根据时隙分配策略优化目标权重进行多用户时隙分配。另外，在多用户时隙分配目标为最小化抖动的时候，设计多用户全局最优的时隙分配方法，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多用户灵活以太网小颗粒时隙分配方法，包括如下步骤：

S1：获取当前灵活以太网的网络状态，包括当前时隙分配周期的总时隙数量、当前时隙分配周期中的空闲时隙数量、当前时隙分配周期中的空闲时隙位置；

S2：获取用户需求，包括需要分配时隙的用户数量，每个用户所需的时隙数量；

S3：根据当前网络状态和用户需求，为用户进行时隙分配；用户对时隙分配方案的选择包括2种：方案a）最小化时隙抖动分配，该方案对分配的时隙的时延不做要求，仅基于分配给所有用户的时隙抖动的全局最小化的目标进行时隙分配；方案b）在满足最多的当前时隙分配周期中用户输入数据在当前时隙分配周期中传输的前提下，按照用户所需时隙数量从大到小的顺序，对每个用户分别进行时延和抖动的有权重分配；

S4：灵活以太网根据用户时隙分配结果进行时隙配置。

进一步地，所述步骤S3中方案a）最小化时隙抖动分配，其具体子步骤如下：

S31a：根据当前时隙分配周期中的总时隙数量和每个用户所需的时隙数量分别计算每个用户的最优时隙间隔，具体计算方法为总时隙数量除以该用户所需的时隙数量，其中第u个用户的结果用opt_u进行表示；

S32a：根据当前时隙分配周期中的空闲时隙数量和时隙位置，以及每个用户的最优时隙间隔，为每个用户分别建立有向权重图；其中有向权重图中的每个节点代表一个空闲时隙，用x表示某个节点，用loc(x)表示该节点所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置；连接两个节点的有向边上的权重的计算方法为：

当该有向边连接的流入节点j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(j)大于等于该有向边连接的流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(i)时，即当loc(j)>=loc(i)时，该有向边上的权重为流入节点j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(j)减去该有向边连接的流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(i)，再减去该用户的最优时隙间隔opt_u，再用所得结果的平方除以该用户的最优时隙间隔opt_u，数学上表示为(loc(j)- loc(i)-opt_u)²/opt_u；

当该有向边连接的流入节点j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(j)小于该有向边连接的流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(i)时，即当loc(j)<loc(i)时，该有向边上的权重为流入节点j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(j)加上当前时隙分配周期的总时隙数量N，减去该有向边连接的流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(i)，再减去该用户的最优时隙间隔opt_u，再用所得结果的平方除以该用户的最优时隙间隔opt_u，数学上可以表示为(loc(j)+N- loc(i)-opt_u)²/opt_u；

S33a：以最小化全局时隙抖动为目标，即最小化所有用户的有向图中确定边数的路径环所对应的权重之和，结合如下三个约束条件建立整数线性规划数学优化模型：

（1）流入每个有向权重图上的节点的有向边的数量等于流出该节点的有向边的数量；

（2）每个有向权重图中的节点最多分配给一个用户，且最多只能有一条边流出该节点，同时最多只能有一条边流入该节点；

（3）分配给用户的节点数量满足用户的时隙数量需求；

S34a：用分支定界法对所建立的整数线性规划数学优化模型进行求解，得到全局最优的时隙分配结果。

进一步地，方案b）在满足最多的当前时隙分配周期中用户输入数据在当前时隙分配周期中传输的前提下，按照用户所需时隙数量从大到小的顺序，对每个用户分别进行时延和抖动的有权重分配，其具体子步骤如下：

S31b：获取每个用户的输入时隙在当前时隙分配周期中的位置，输入时延最小目标的权重因子a，时延抖动最小目标的权重因子1-a；

S32b：按照用户所需时隙数量从大到小进行排序，并按照该顺序依次对每个用户进行时隙分配，即依次对每个用户迭代执行以下步骤S33b至步骤S39b；

S33b：根据当前时隙分配周期中的总时隙数量和当前用户u所需的时隙数量计算当前用户u的最优时隙间隔，具体计算方法为总时隙数量除以当前用户u所需的时隙数量，其中第u个用户的结果用opt_u进行表示；

S34b：计算当前时隙分配周期中无法传输的当前用户u的输入时隙数量，用ntx进行表示，并用ntx_ini表示ntx的初始值；

S35b：用m表示当前时隙分配周期中的空闲时隙数量，建立m×m的邻接矩阵Q⁽ⁿ⁾，邻接矩阵Q⁽ⁿ⁾中每个元素

表示从节点i到j的包含n条边的最短路径权重；

S36b：计算邻接矩阵

的值：

当i等于j时，令其对应的邻接矩阵的值为空值；

当i不等于j，且ntx的值为0，且当前用户u的第一个输入时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(P₁)小于等于节点i在当前时隙分配周期中的位置时，按照当前时隙分配周期可传输的情况下的权重计算方法进行计算路径权重，即邻接矩阵

的元素值；否则当前用户u的第一个输入时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(P₁)大于节点i在当前时隙分配周期中的位置时，即输入输出时隙无法匹配，令其对应的邻接矩阵的元素值为空值；

当i不等于j，且ntx的值大于0时，利用当前用户u的输入时隙的倒数第ntx个时隙的位置

，按照当前时隙分配周期无法传输的情况下的权重计算方法进行计算路径权重，即邻接矩阵/>

的元素值，并且令ntx=ntx-1；

S37b：选取中间节点q，中间节点q在当前时隙分配周期中的位置需要大于节点i在当前时隙分配周期中的位置，并且小于节点j在当前时隙分配周期中的位置；计算当n取值为2到当前用户u所需的时隙数量k_u减1的情况下的邻接矩阵

；所述邻接矩阵/>

的元素的含义为节点i到中间节点q的包含n-1条边的最短路径的权重/>

与中间节点q到节点j的权重之和的最小值；

S38b：当n的取值为当前用户u所需的时隙数量k_u时，通过将

与/>

相加计算邻接矩阵/>

；/>

的最小对角线元素就是从节点i经过k_u条边回到节点i的不含回路的最短路径有向环所对应的最小总权重；

S39b：通过S38b得到的最小总权重所对应的邻接矩阵P⁽ⁿ⁾的值，找到最短路径有向环所经过的节点，并将这些节点对应的时隙分配给用户u；

S40b：更新当前时隙分配周期中的空闲时隙数量、当前时隙分配周期中的空闲时隙位置。

进一步地，所述步骤S34b，计算当前时隙分配周期中无法传输的当前用户u的输入时隙数量，具体子步骤如下：

第一步：初始化当前时隙分配周期中无法传输的当前用户u的输入时隙数量的值ntx=0，当前时隙分配周期中可以传输的当前用户u的输入时隙数量的值ctx=0，当前用户u的输入时隙指示变量i=1；

第二步：如果当前用户u的倒数第i个输入时隙在当前时隙分配周期中的位置大于倒数第ctx+1个空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置，则令ntx=ntx+1；

如果当前用户u的倒数第i个输入时隙在当前时隙分配周期中的位置小于等于倒数第ctx+1个空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置，则令ctx=ctx+1；

第三步：令i=i+1，重复第二步，直到i的值大于当前用户u所需的时隙数量。

进一步地，所述步骤S37b，中间节点q到节点j的权重的值的计算的具体子步骤如下：

第一步：当ntx_ini的值等于0，且中间节点q的时隙位置大于等于当前用户u的第n个输入的时隙位置loc(P_n)的时候，按照当前时隙分配周期可传输的计算方法进行计算中间节点q到节点j的权重的值；

当ntx_ini的值大于0，且ntx的值大于0的时候，利用当前用户u的输入时隙的倒数第ntx个时隙的位置

，按照当前时隙分配周期无法传输的计算方法进行计算中间节点q到节点j的权重的值，并且令ntx=ntx-1；

当ntx_ini的值大于0，且ntx的值等于0，且中间节点q的时隙位置大于等于当前用户u的第n-ntx_ini个输入的时隙位置的时候，利用当前用户u的第n-ntx_ini个输入的时隙位置

，按照当前时隙分配周期可传输的计算方法进行计算中间节点q到节点j的权重的值；

第二步：建立m×m的邻接矩阵P⁽ⁿ⁾记录经过的中间节点q，即

，表示从节点i到节点j的第n跳经过节点q，同时/>

中的值都为空值。

进一步地，S36b中，所述的当前时隙分配周期无法传输的情况下的权重计算方法的具体计算子步骤如下：

第一步：计算抖动权重；

用x表示某个节点，用loc(x)表示该节点所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置，连接两个节点的有向边上的抖动权重的计算方法为：

当该有向边连接的流入节点j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(j)大于等于该有向边连接的流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(i)时，即当loc(j)>=loc(i)时，该有向边上的权重为流入节点j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(j)减去该有向边连接的流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(i)，再减去该用户的最优时隙间隔opt_u，再用所得结果的平方除以该用户的最优时隙间隔opt_u，最后再乘以时延抖动最小目标的权重因子1-a，数学上表示为(1-a)×(loc(j)- loc(i)-opt_u)²/opt_u；

当该有向边连接的流入节点j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(j)小于该有向边连接的流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(i)时，即当loc(j)<loc(i)时，该有向边上的权重为流入节点j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(j)加上当前时隙分配周期的总时隙数量N，减去该有向边连接的流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(i)，再减去该用户的最优时隙间隔opt_u，再用所得结果的平方除以该用户的最优时隙间隔opt_u，最后再乘以时延抖动最小目标的权重因子1-a，数学上表示为(1-a)×(loc(j)+N- loc(i)-opt_u)²/opt_u；

第二步：计算时延权重；

用当前流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置加上当前时隙分配周期的总时隙数量N，减去当前用户u的当前输入时隙在当前时隙分配周期中的位置，所得到的结果再乘以输入时延最小目标的权重因子a；

第三步：计算总的权重，即将第一步和第二步分别计算得到的抖动权重与时延权重相加。

进一步地，S36b和S37b中所述的当前时隙分配周期可传输的情况下的权重计算方法的具体计算子步骤如下：

第一步：计算抖动权重；

用x表示某个节点，用loc(x)表示该节点所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置，连接两个节点的有向边上的抖动权重的计算方法为：

当该有向边连接的流入节点j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(j)大于等于该有向边连接的流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(i)时，即当loc(j)>= loc(i)时，该有向边上的权重为流入节点j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(j)减去该有向边连接的流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(i)，再减去该用户的最优时隙间隔opt_u，再用所得结果的平方除以该用户的最优时隙间隔opt_u，最后再乘以时延抖动最小目标的权重因子1-a，数学上表示为(1-a)×(loc(j)- loc(i)-opt_u)²/opt_u；

当该有向边连接的流入节点j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(j)小于该有向边连接的流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(i)时，即当loc(j)<loc(i)时，该有向边上的权重为流入节点j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(j)加上当前时隙分配周期的总时隙数量N，减去该有向边连接的流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(i)，再减去该用户的最优时隙间隔opt_u，再用所得结果的平方除以该用户的最优时隙间隔opt_u，最后再乘以时延抖动最小目标的权重因子1-a，数学上表示为(1-a)×(loc(j)+N- loc(i)-opt_u)²/opt_u；

第二步：计算时延权重；

用当前流出节点所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置减去当前用户u的当前输入时隙在当前时隙分配周期中的位置，所得到的结果再乘以输入时延最小目标的权重因子a；

第三步：计算总的权重，即将第一步和第二步分别计算得到的抖动权重与时延权重相加。

一种多用户灵活以太网小颗粒时隙分配装置，该装置用于实现多用户灵活以太网小颗粒时隙分配方法。

一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述电子设备执行时，使得所述电子设备实现多用户灵活以太网小颗粒时隙分配方法。

一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现多用户灵活以太网小颗粒时隙分配方法。

本发明的有益效果：

（1）本发明提供一种多用户灵活以太网小颗粒时隙分配方法及装置，可以满足多用户场景下，根据当前网络状态和用户需求灵活、快速、动态调整分配、部署网络时隙资源的目的。具体的，根据用户需求提出2种时隙资源分配、部署方案。第一种方案仅基于分配给所有用户的时隙抖动的全局最小化的目标进行时隙分配，该方案可以提高资源分配公平性，并提高网络整体的性能。第二种方案在满足最多的当前时隙分配周期中用户输入数据在当前时隙分配周期中传输的前提下，按照用户所需时隙数量从大到小的顺序，对每个用户分别进行时延和抖动的有权重分配。

（2）本发明提供的多用户灵活以太网小颗粒时隙分配方法及装置复杂度低，能够满足不同用户的多样性传输需求，能够实现时隙资源的灵活、快速、动态调整分配，并且能够显著提高网络传输性能。

附图说明

图1是方案a中的多用户有向图示意图。

图2是整个方案a的时隙分配算法步骤框图。

图3是整个方案b的时隙分配算法步骤框图。

图4是时隙编号和空闲时隙位置示意图。

图5是有向图示意图。

图6是最短路径有向环示意图。

图7是时隙分配结果示意图。

图8是方案a针对总数为480个时隙时，随机生成的100个空闲时隙的时隙位置分布图。

图9是方案b针对总数为480个时隙时，随机生成的300个空闲时隙的时隙位置分布图。

图10是方案b用户总体平均抖动、时延与时延权重的关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本实施例包括以下步骤：

步骤一：获取当前灵活以太网的网络状态，包括当前时隙分配周期的总时隙数量N、当前时隙分配周期中的空闲时隙数量m、当前时隙分配周期中的空闲时隙位置S={S₁,…,S_m}；

步骤二：获取用户需求，包括需要分配时隙的用户数量

，每个用户所需的时隙数量（其中第u个用户所需的时隙数量表示为k_u）；

步骤三：根据当前网络状态和用户需求，为用户进行时隙分配。其中具体的用户对时隙分配方案的选择包括2种方案：

方案a）最小化时隙抖动分配，该方案对分配的时隙的时延不做要求，仅基于分配给所有用户的时隙抖动的全局最小化的目标进行时隙分配；

方案b）在满足最多的当前时隙分配周期中用户输入数据在当前时隙分配周期中传输的前提下，按照用户所需时隙数量从大到小的顺序，对每个用户分别进行时延和抖动的有权重分配。

步骤四：灵活以太网根据用户时隙分配结果进行时隙配置。

方案a:

下面给出方案a，最小化时隙抖动分配，仅基于分配给所有用户的时隙抖动的全局最小化的目标进行时隙分配情况下的算法执行过程如下：

第一步：根据当前时隙分配周期中的总时隙数量N和每个用户所需的时隙数量k_u（表示第u个用户所需的时隙数量）分别计算每个用户的最优时隙间隔opt_u（表示第u个用户的最优时隙间隔），具体计算方法表示如下：

opt_u=N/k_u

为了保证最小化时隙抖动分配，需找到一个最优的时隙分配方案，使分配给用户的相邻时隙之间的时隙间隔序列D_i尽可能接近opt_u，即优化目标可以表示为：

第二步：根据当前时隙分配周期中的空闲时隙数量m和时隙位置S={S₁,…,S_m}，以及每个用户的最优时隙间隔opt_u，为每个用户分别建立有向权重图。其中有向权重图中的每个节点代表一个空闲时隙，用x表示某个节点，用loc(x)表示该节点所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置。

用i表示有向边的流出节点，用j表示有向边的流入节点，用loc(i)和loc(j)分别表示节点i和j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置，则连接第u个用户的有向边上的两个节点i和j的权重

的计算公式如下所示：

图1是方案a中的多用户有向图示意图，下图为用户1有向图，上图为用户2有向图。图1表明，方案a中每个用户共用相同的初始有向图节点，然而由于每个用户的最优时隙间隔opt_u不同，导致了不同用户的有向图中连接两个节点的有向边上的权重的值不同（如图1中

和/>

、/>

和/>

的值不同）。

第三步：用二元变量

表示用户u的有向权重图中的边的选择，即/>

表示用户u使用从节点i到节点j的边，否则/>

。建立整数线性规划数学优化模型P1如下：

上述优化模型P1中的优化目标为最小化全局时隙抖动（即最小化所有用户的有向图中确定边数的路径环所对应的权重之和），限制条件1）表示对于每个有向权重图上的节点而言，流入该节点的有向边的数量需等于流出该节点的有向边的数量；限制条件2）表示每个有向权重图中的节点最多分配给一个用户，且最多只能有一条边流出该节点，同时最多只能有一条边流入该节点。限制条件1）和2）一起限制了必须给每个用户分配节点不重合的有向路径环。限制条件3）为分配给用户的节点数量满足用户的时隙数量需求，在有向图上表现为分配给用户的节点或者是有向路径环中的边的数量。

第四步：利用Mosek、Gurobi等求解器用分支定界法对所建立的整数线性规划数学优化模型进行求解，得到全局最优的时隙分配结果。

整个方案a的时隙分配算法步骤框图如图2所示。

方案b:

下面给出方案b，在满足最多的当前时隙分配周期中用户输入数据在当前时隙分配周期中传输的前提下，按照用户所需时隙数量从大到小的顺序，对每个用户分别进行时延和抖动的有权重分配的情况下的算法执行过程如下：

第一步：获取每个用户的输入时隙

在当前时隙分配周期中的位置（表示为/>

），输入时延最小目标的权重因子α，时延抖动最小目标的权重因子1-α；

第二步：按照每个用户所需时隙数量（其中第u个用户所需的时隙数量表示为k_u）从大到小进行排序，并按照该顺序依次对每个用户进行时隙分配，即依次对每个用户迭代的执行以下步骤第三步至步骤第九步；

第三步：根据当前时隙分配周期中的总时隙数量N和每个用户所需的时隙数量k_u（表示第u个用户所需的时隙数量）分别计算每个用户的最优时隙间隔opt_u（表示第u个用户的最优时隙间隔），具体计算方法表示如下：

opt_u=N/k_u

用t_i表示用户的第i个输入时隙与第i个输出时隙（即分配给用户的第i个时隙）之间的时延差，则为了保证分配的时隙抖动尽可能最小，并且分配的时隙与对应的输入时隙的时延尽可能最小，需找到一个最优的时隙分配方案，使D_i尽可能接近opt_u，且输入时隙与分配时隙之间的时延之和

尽可能小。因此，优化目标可以表示为：

第四步：计算当前时隙分配周期中无法传输的当前用户u的输入时隙数量（用ntx进行表示），并用ntx_ini表示ntx的初始值，具体子步骤如下：

步骤4.1、初始化当前时隙分配周期中无法传输的当前用户u的输入时隙数量的值ntx=0，当前时隙分配周期中可以传输的当前用户u的输入时隙数量的值ctx=0，当前用户u的输入时隙指示变量i=1；

步骤4.2、如果当前用户u的倒数第i个输入时隙在当前时隙分配周期中的位置大于倒数第ctx+1个空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置，则令ntx=ntx+1；

如果当前用户u的倒数第i个输入时隙在当前时隙分配周期中的位置小于等于倒数第ctx+1个空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置，则令ctx=ctx+1；

步骤4.3、令i=i+1，并重复步骤4.2，直到i的值大于当前用户u所需的时隙数量；

步骤4.5、用ntx_ini表示当前时隙分配周期中无法传输的当前用户u的输入时隙数量的结果，并令ntx_ini=ntx；

第五步：用m表示当前时隙分配周期中的空闲时隙数量，建立m×m的邻接矩阵Q⁽ⁿ⁾，其中每个元素

表示从节点i到j的包含n条边的最短路径权重；

第六步：计算邻接矩阵中元素

的值：当i等于j时，令其对应的邻接矩阵的值为空值；当i不等于j，且ntx的值为0，且当前用户u的第一个输入时隙在当前时隙分配周期中的位置小于等于节点i在当前时隙分配周期中的位置时（即loc(P₁)≤loc(i)时），连接第u个用户的有向边上的两个节点i和j的权重/>

（即邻接矩阵/>

的元素值）可以按照以下公式进行计算：

否则当前用户u的第一个输入时隙在当前时隙分配周期中的位置大于节点i在当前时隙分配周期中的位置时（即loc(P₁)>loc(i)时），即输入输出时隙无法匹配时，令其对应的邻接矩阵的值为空值；当i不等于j，且ntx的值大于0时，利用当前用户u的输入时隙的倒数第ntx个时隙的位置（即

），按照以下公式进行计算路径权重（即邻接矩阵元素/>

的值）：

令ntx=ntx-1；

第七步：选取中间节点q，为了保证不含回路和重复节点，中间节点q在当前时隙分配周期中的位置需要大于节点i在当前时隙分配周期中的位置（即loc(q)>loc(i)），并且小于节点j在当前时隙分配周期中的位置（即loc(q)<loc(i)）。分别计算n∈[2,k-1]时的邻接矩阵元素

的值。其中，邻接矩阵元素/>

的值可以表示为节点i到中间节点q的包含n-1条边的最短路径权重/>

与中间节点q到节点j的权重之和的最小值。

利用

的值（其中由第六步可得/>

的值）以及中间节点q到节点j的权重的值，可以通过动态规划的方法计算得到/>

的值。其中，中间节点q到节点j的权重的值的计算具体子步骤如下：

步骤7.1、当ntx_ini的值为0时，q需要满足loc(P_n)≤loc(q)，即分配的时隙位置需大于等于输入的时隙位置，按照以下公式进行计算中间节点q到节点j的权重的值：

当ntx_ini的值大于0，且ntx的值大于0的时候，利用当前用户u的输入时隙的倒数第ntx个时隙的位置（即

），按照以下公式进行计算中间节点q到节点j的权重的值：

令ntx=ntx-1；

步骤7.3、当ntx_ini的值大于0，且ntx的值等于0，且中间节点q的时隙位置大于等于当前用户u的第n-ntx_ini个输入的时隙位置的时候（即P_{n-ntx_ini}），利用当前用户u的第n-ntx_ini个输入的时隙位置，按照以下公式进行计算中间节点q到节点j的权重的值：

/>

步骤7.4、建立m×m的邻接矩阵P⁽ⁿ⁾记录经过的中间节点q，即

表示从节点i到节点j的第n跳经过节点q，同时/>

中的值都为空值；

第八步：当

时，通过将/>

与/>

相加计算邻接矩阵/>

。/>

的值即为从节点i经过k_u条边回到节点i的最短路径的权重。因此/>

的最小对角线元素就是从节点i经过k_u条边回到节点i的不含回路的最短路径有向环所对应的最小总权重。通过该最小总权重所对应的邻接矩阵P⁽ⁿ⁾的值找到最短路径有向环所经过的节点，并将这些节点对应的时隙分配给用户u。

第九步：更新当前时隙分配周期中的空闲时隙数量、当前时隙分配周期中的空闲时隙位置。

整个方案b的时隙分配算法步骤框图如图3所示。

图4是时隙编号和空闲时隙位置示意图。该例子中有20个总时隙，分别标记为1，2，3，…，20。空闲时隙的位置为4、6、9、10、13、18，其余时隙为已占用时隙。

图5是有向图示意图。为了构建有向图，将图4中的空闲时隙分别标记为A1，A2，…，A6。连接有向图中的节点的有向边上的数字表示相应的边权重值。

图6是最短路径有向环示意图。该例子中用户需要4个时隙，则有向图中包含4条边的最短路径有向环如图6中加粗的路径所示，该路径所对应的边权重值之和为0.4。

图7是时隙分配结果示意图。将图6中的最短路径有向环所经过的节点对应到时隙位置图上，即得到最终的分配给用户的时隙结果。

方案a的时隙分配结果：

实施例1：设定一共有50个时隙表示为{1,…,50}，其中有12个空闲时隙，空闲时隙的位置为6、9、10、11、17、24、29、30、34、37、38、46。需要给2个用户进行时隙分配，其中用户1需要6个时隙，用户2需要4个时隙。

分别给用户1和用户2进行时隙分配的结果如下：给用户1分配的时隙为6、17、24、30、38、46，给用户2分配的时隙为9、11、29、37。计算得到用户1的目标方程的值（即时隙抖动，或者是用户1的有向图的最短路径有向环所对应的边上的权重之和）为2.08，用户2的目标方程的值为20.08。因此，总的目标方程的值为22.16。

利用方案a进行全局时隙抖动最小化，得到结果为：给用户1分配的时隙为6、11、24、30、37、46，给用户2分配的时隙为9、17、29、38。计算得到用户1的目标方程的值为5.2，用户2的目标方程的值为8.4。因此，总的目标方程的值为13.6。

实施例2：针对总数为480个时隙的分配方案，随机生成100个空闲时隙，空闲时隙位置分布如图8所示。其中需要给4个用户分配时隙，每个用户所需的时隙分别为10、15、20、25。通过全局最优方案（即方案a）分配的结果得到的总的目标方程的值为43.4167。通过对每个用户依次分配的方案得到的总的目标方程的值为62.3958。

通过上述实施例1、2表明，方案a可以有效降低网络全局整体的时隙抖动，从而提高资源分配公平性，并提高网络整体的性能。

方案b的时隙分配结果：

针对方案b的时隙分配情况，首先将用户按照所需时隙从大到小设定时隙分配优先级，即先为所需时隙更多的用户分配空闲时隙。设定总时隙数量为480，其中随机生成300个空闲时隙，如图9所示。其中有10个用户，每个用户所需的时隙数量进行从大到小排列分别为：40、35、30、25、20、15、10、10、10、5个时隙。另外，每个用户随机产生1到480的相应时隙数量的输入时隙，具体如下：

用户1的输入时隙为：23 37 39 41 49 60 67 71 84 93 100 108 118 125 184190 195 196 215 291 298 311 330 332 338 344 383 393 407 419 420 425 428 433448 461 462 464 468 478；

用户2的输入时隙为：3 15 75 91 93 98 109 132 175 194 195 196 199 201208 210 245 249 260 265 283 314 335 347 352 362 374 385 395 423 424 426 428468 474；

用户3的输入时隙为：9 18 27 31 35 37 40 45 98 101 134 155 185 219 224245 255 282 303 307 324 328 357 402 421 459 461 464 466 480；

用户4的输入时隙为：30 36 53 63 71 92 118 152 153 200 215 244 277 298318 353 359 367 372 382 385 392 456 469 478；

用户5的输入时隙为：5 47 75 153 156 170 192 214 228 317 331 372 389 415416 420 430 438 439 460；

用户6的输入时隙为：55 57 79 127 159 261 264 286 295 313 361 371 372382 411；

用户7的输入时隙为：87 91 123 128 249 260 337 377 415 440；

用户8的输入时隙为：43 44 72 108 162 204 230 266 299 326；

用户9的输入时隙为：29 121 130 235 242 259 265 332 343 477；

用户10的输入时隙为：123 182 266 268 307。

图10是方案b用户总体平均抖动、时延与时延权重的关系图。图10结果表明，方案b的时隙分配方案能够在时隙抖动和时延之间根据设定的时延权重达到有效的平衡，能够满足不同用户的多样性传输需求，并且可以达到根据当前网络状态和用户需求灵活、快速、动态调整分配、部署网络时隙资源的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多用户灵活以太网小颗粒时隙分配方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：获取当前灵活以太网的网络状态，包括当前时隙分配周期的总时隙数量、当前时隙分配周期中的空闲时隙数量、当前时隙分配周期中的空闲时隙位置；

S2：获取用户需求，包括需要分配时隙的用户数量，每个用户所需的时隙数量；

S3：根据当前网络状态和用户需求，为用户进行时隙分配；用户对时隙分配方案的选择包括2种：方案a)最小化时隙抖动分配，该方案对分配的时隙的时延不做要求，仅基于分配给所有用户的时隙抖动的全局最小化的目标进行时隙分配；方案b)在满足最多的当前时隙分配周期中用户输入数据在当前时隙分配周期中传输的前提下，按照用户所需时隙数量从大到小的顺序，对每个用户分别进行时延和抖动的有权重分配；

S4：灵活以太网根据用户时隙分配结果进行时隙配置；

所述步骤S3中方案a)最小化时隙抖动分配，其具体子步骤如下：

S31a：根据当前时隙分配周期中的总时隙数量和每个用户所需的时隙数量分别计算每个用户的最优时隙间隔，具体计算方法为总时隙数量除以该用户所需的时隙数量，其中第u个用户的结果用opt_u进行表示；

S32a：根据当前时隙分配周期中的空闲时隙数量和时隙位置，以及每个用户的最优时隙间隔，为每个用户分别建立有向权重图；其中有向权重图中的每个节点代表一个空闲时隙，用x表示某个节点，用loc(x)表示该节点所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置；连接两个节点的有向边上的权重的计算方法为：

当该有向边连接的流入节点j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(j)大于等于该有向边连接的流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(i)时，即当loc(j)>＝loc(i)时，该有向边上的权重为流入节点j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(j)减去该有向边连接的流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(i)，再减去该用户的最优时隙间隔opt_u，再用所得结果的平方除以该用户的最优时隙间隔opt_u，数学上表示为(loc(j)-loc(i)-opt_u)²/opt_u；

当该有向边连接的流入节点j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(j)小于该有向边连接的流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(i)时，即当loc(j)<loc(i)时，该有向边上的权重为流入节点j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(j)加上当前时隙分配周期的总时隙数量N，减去该有向边连接的流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(i)，再减去该用户的最优时隙间隔opt_u，再用所得结果的平方除以该用户的最优时隙间隔opt_u，数学上表示为(loc(j)+N-loc(i)-opt_u)²/opt_u；

S33a：以最小化全局时隙抖动为目标，即最小化所有用户的有向图中确定边数的路径环所对应的权重之和，结合如下三个约束条件建立整数线性规划数学优化模型：

(1)流入每个有向权重图上的节点的有向边的数量等于流出该节点的有向边的数量；

(2)每个有向权重图中的节点最多分配给一个用户，且最多只能有一条边流出该节点，同时最多只能有一条边流入该节点；

(3)分配给用户的节点数量满足用户的时隙数量需求；

S34a：用分支定界法对所建立的整数线性规划数学优化模型进行求解，得到全局最优的时隙分配结果；

方案b)在满足最多的当前时隙分配周期中用户输入数据在当前时隙分配周期中传输的前提下，按照用户所需时隙数量从大到小的顺序，对每个用户分别进行时延和抖动的有权重分配，其具体子步骤如下：

S31b：获取每个用户的输入时隙在当前时隙分配周期中的位置，输入时延最小目标的权重因子a，时延抖动最小目标的权重因子1-a；

S32b：按照用户所需时隙数量从大到小进行排序，并按照该顺序依次对每个用户进行时隙分配，即依次对每个用户迭代执行以下步骤S33b至步骤S39b；

S33b：根据当前时隙分配周期中的总时隙数量和当前用户u所需的时隙数量计算当前用户u的最优时隙间隔，具体计算方法为总时隙数量除以当前用户u所需的时隙数量，其中第u个用户的结果用opt_u进行表示；

S34b：计算当前时隙分配周期中无法传输的当前用户u的输入时隙数量，用ntx进行表示，并用ntx_ini表示ntx的初始值；

S35b：用m表示当前时隙分配周期中的空闲时隙数量，建立m×m的邻接矩阵Q⁽ⁿ⁾，邻接矩阵Q⁽ⁿ⁾中每个元素

表示从节点i到j的包含n条边的最短路径权重；

S36b：计算邻接矩阵

的值：

当i等于j时，令其对应的邻接矩阵的值为空值；

当i不等于j，且ntx的值为0，且当前用户u的第一个输入时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(P₁)小于等于节点i在当前时隙分配周期中的位置时，按照当前时隙分配周期可传输的情况下的权重计算方法进行计算路径权重，即邻接矩阵

的元素值；否则当前用户u的第一个输入时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(P₁)大于节点i在当前时隙分配周期中的位置时，即输入输出时隙无法匹配，令其对应的邻接矩阵的元素值为空值；

当i不等于j，且ntx的值大于0时，利用当前用户u的输入时隙的倒数第ntx个时隙的位置

按照当前时隙分配周期无法传输的情况下的权重计算方法进行计算路径权重，即邻接矩阵/>

的元素值，并且令ntx＝ntx-1；

S37b：选取中间节点q，中间节点q在当前时隙分配周期中的位置需要大于节点i在当前时隙分配周期中的位置，并且小于节点j在当前时隙分配周期中的位置；计算当n取值为2到当前用户u所需的时隙数量k_u减1的情况下的邻接矩阵

所述邻接矩阵/>

的元素的含义为节点i到中间节点q的包含n-1条边的最短路径的权重/>

与中间节点q到节点j的权重之和的最小值；

S38b：当n的取值为当前用户u所需的时隙数量k_u时，通过将

与/>

相加计算邻接矩阵/>

的最小对角线元素就是从节点i经过k_u条边回到节点i的不含回路的最短路径有向环所对应的最小总权重；

S39b：通过S38b得到的最小总权重所对应的邻接矩阵P⁽ⁿ⁾的值，找到最短路径有向环所经过的节点，并将这些节点对应的时隙分配给用户u；

S40b：更新当前时隙分配周期中的空闲时隙数量、当前时隙分配周期中的空闲时隙位置。

2.如权利要求1所述的一种多用户灵活以太网小颗粒时隙分配方法，其特征在于：所述步骤S34b，计算当前时隙分配周期中无法传输的当前用户u的输入时隙数量，具体子步骤如下：

第一步：初始化当前时隙分配周期中无法传输的当前用户u的输入时隙数量的值ntx＝0，当前时隙分配周期中可以传输的当前用户u的输入时隙数量的值ctx＝0，当前用户u的输入时隙指示变量i＝1；

第二步：如果当前用户u的倒数第i个输入时隙在当前时隙分配周期中的位置大于倒数第ctx+1个空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置，则令ntx＝ntx+1；

如果当前用户u的倒数第i个输入时隙在当前时隙分配周期中的位置小于等于倒数第ctx+1个空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置，则令ctx＝ctx+1；

第三步：令i＝i+1，重复第二步，直到i的值大于当前用户u所需的时隙数量。

3.如权利要求1所述的一种多用户灵活以太网小颗粒时隙分配方法，其特征在于：所述步骤S37b，中间节点q到节点j的权重的值的计算的具体子步骤如下：

第一步：当ntx_ini的值等于0，且中间节点q的时隙位置大于等于当前用户u的第n个输入的时隙位置loc(P_n)的时候，按照当前时隙分配周期可传输的计算方法进行计算中间节点q到节点j的权重的值；

当ntx_ini的值大于0，且ntx的值大于0的时候，利用当前用户u的输入时隙的倒数第ntx个时隙的位置

按照当前时隙分配周期无法传输的计算方法进行计算中间节点q到节点j的权重的值，并且令ntx＝ntx-1；

当ntx_ini的值大于0，且ntx的值等于0，且中间节点q的时隙位置大于等于当前用户u的第n-ntx_ini个输入的时隙位置的时候，利用当前用户u的第n-ntx_ini个输入的时隙位置loc(P_{n-ntx_ini})，按照当前时隙分配周期可传输的计算方法进行计算中间节点q到节点j的权重的值；

第二步：建立m×m的邻接矩阵P⁽ⁿ⁾记录经过的中间节点q，即

表示从节点i到节点j的第n跳经过节点q，同时/>

中的值都为空值。

4.如权利要求1所述的一种多用户灵活以太网小颗粒时隙分配方法，其特征在于：S36b中，所述的当前时隙分配周期无法传输的情况下的权重计算方法的具体计算子步骤如下：

第一步：计算抖动权重；

用x表示某个节点，用loc(x)表示该节点所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置，连接两个节点的有向边上的抖动权重的计算方法为：

当该有向边连接的流入节点j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(j)大于等于该有向边连接的流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(i)时，即当loc(j)>＝loc(i)时，该有向边上的权重为流入节点j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(j)减去该有向边连接的流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(i)，再减去该用户的最优时隙间隔opt_u，再用所得结果的平方除以该用户的最优时隙间隔opt_u，最后再乘以时延抖动最小目标的权重因子1-a，数学上表示为(1-a)×(loc(j)-loc(i)-opt_u)²/opt_u；

当该有向边连接的流入节点j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(j)小于该有向边连接的流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(i)时，即当loc(j)<loc(i)时，该有向边上的权重为流入节点j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(j)加上当前时隙分配周期的总时隙数量N，减去该有向边连接的流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(i)，再减去该用户的最优时隙间隔opt_u，再用所得结果的平方除以该用户的最优时隙间隔opt_u，最后再乘以时延抖动最小目标的权重因子1-a，数学上表示为(1-a)×(loc(j)+N-loc(i)-opt_u)²/opt_u；

第二步：计算时延权重；

用当前流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置加上当前时隙分配周期的总时隙数量N，减去当前用户u的当前输入时隙在当前时隙分配周期中的位置，所得到的结果再乘以输入时延最小目标的权重因子a；

第三步：计算总的权重，即将第一步和第二步分别计算得到的抖动权重与时延权重相加。

5.如权利要求3所述的一种多用户灵活以太网小颗粒时隙分配方法，其特征在于：S36b和S37b中所述的当前时隙分配周期可传输的情况下的权重计算方法的具体计算子步骤如下：

第一步：计算抖动权重；

用x表示某个节点，用loc(x)表示该节点所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置，连接两个节点的有向边上的抖动权重的计算方法为：

当该有向边连接的流入节点j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(j)大于等于该有向边连接的流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(i)时，即当loc(j)>＝loc(i)时，该有向边上的权重为流入节点j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(j)减去该有向边连接的流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(i)，再减去该用户的最优时隙间隔opt_u，再用所得结果的平方除以该用户的最优时隙间隔opt_u，最后再乘以时延抖动最小目标的权重因子1-a，数学上表示为(1-a)×(loc(j)-loc(i)-opt_u)²/opt_u；

当该有向边连接的流入节点j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(j)小于该有向边连接的流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(i)时，即当loc(j)<loc(i)时，该有向边上的权重为流入节点j所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(j)加上当前时隙分配周期的总时隙数量N，减去该有向边连接的流出节点i所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置loc(i)，再减去该用户的最优时隙间隔opt_u，再用所得结果的平方除以该用户的最优时隙间隔opt_u，最后再乘以时延抖动最小目标的权重因子1-a，数学上表示为(1-a)×(loc(j)+N-loc(i)-opt_u)²/opt_u；

第二步：计算时延权重；

用当前流出节点所对应的空闲时隙在当前时隙分配周期中的位置减去当前用户u的当前输入时隙在当前时隙分配周期中的位置，所得到的结果再乘以输入时延最小目标的权重因子a；

第三步：计算总的权重，即将第一步和第二步分别计算得到的抖动权重与时延权重相加。

6.一种多用户灵活以太网小颗粒时隙分配装置，其特征在于，该装置用于实现权利要求1～5中任意一项的多用户灵活以太网小颗粒时隙分配方法。

7.一种电子设备，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述电子设备执行时，使得所述电子设备实现如权利要求1～5中任意一项的多用户灵活以太网小颗粒时隙分配方法。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现如权利要求1～5中任意一项的多用户灵活以太网小颗粒时隙分配方法。

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