CN117082626B - 列车无线通信网络的业务复用切片资源分配方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种列车无线通信网络的业务复用切片资源分配方法及系统，属于列车通信网技术领域，建立资源切片框架；分别对不同类型的列车业务、网络切片进行特征分析，分析不同类型切片的服务质量需求，并进行约束条件建模；建立以最小化系统带宽资源为目标并同时满足异构业务服务质量需求约束和系统可用最大带宽资源的优化问题；利用凸优化理论将优化问题化简为凸问题，化简引理合并多个约束条件；基于分布式对偶分解法求解目标优化问题，得到最优的资源分配策略。本发明可在单一网络中承载具有差异化服务质量需求的TCS和PIS两类列车业务；满足所有业务的QoS传输需求，得到最优的带宽分配表达式，并使带宽资源占用最小化。

Description

列车无线通信网络的业务复用切片资源分配方法及系统
技术领域
本发明涉及列车通信网技术领域，具体涉及一种面向列车无线通信网络的业务复用切片资源分配方法及系统。
背景技术
列车通信网络(TCN)在整个列车网络系统中起着交换数据信息的中心枢纽作用。传统的TCN依靠有线技术搭建，例如总线技术或以太网技术，严重阻碍了下一代智能列车的灵活升级，无法承载未来的智能化列车业务。考虑到传统的TCN存在上述局限性，列车无线通信网络由于其可在单一网络中实现多业务综合承载、具有高灵活性和高性价比而成为当前的研究关注点之一。
TCN承载着具有异构服务质量(QoS)需求的列车业务，可分为列车控制服务(TCS)和旅客信息服务(PIS)两类。由于TCS与列车的运行和控制高度相关，因此该类业务对时延、抖动和可靠性都有很高的要求。PIS主要包括多媒体视频播放，该类业务流量较大，需要较高的传输速率。为了同时满足TCS和PIS的异构QoS要求，传统TCN分别为上述两类业务部署了两个单独的网络，严重制约了网络后期升级的灵活性，并增加了建设成本。因此，将异构服务集成到单个列车无线通信网络中的解决方案可有效提高网络灵活性并降低TCN部署的成本。现有的无线列车网络技术主要用于实现耦合列车的信息交互，无法使能列车无线通信网络承载异构业务并满足QoS要求。综上所述，在保证列车业务QoS传输需求的前提下，亟需一种可将上述两种异构业务集中承载到单个列车无线通信网络中的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种列车无线通信网络的业务复用切片资源分配方法及系统，可实现在单一网络中承载具有异构服务质量(QoS)要求的两类列车业务，即PIS和TCS，最大程度降低无线网部署成本，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一方面，本发明提供一种列车无线通信网络的业务复用切片资源分配方法，包括：
搭建无线列车通信网络架构，建立资源切片框架；
基于资源切片框架，建立业务模型和切片模型，分别对不同类型的列车业务、网络切片进行特征分析，提取业务特征和切片特征；
建立通信模型，分析不同类型切片的服务质量需求，并进行约束条件建模；
建立以最小化系统带宽资源为目标并同时满足异构业务服务质量需求约束和系统可用最大带宽资源的优化问题；
利用凸优化理论将系统可用最大带宽资源的优化问题化简为凸问题，根据提出的活动不等式化简引理合并多个约束条件；
求解目标优化问题，基于分布式对偶分解法计算带宽资源分配，得到最优的资源分配策略。
第二方面，本发明提供一种列车无线通信网络的业务复用切片资源分配系统，包括：
第一建立模块，用于搭建无线列车通信网络架构，建立资源切片框架；
第二建立模块，用于基于资源切片框架，建立业务模型和切片模型，分别对不同类型的列车业务、网络切片进行特征分析，提取业务特征和切片特征；
第三建立模块，用于建立通信模型，分析不同类型切片的服务质量需求，并进行约束条件建模；
第四建立模块，用于建立以最小化系统带宽资源为目标并同时满足异构业务服务质量需求约束和系统可用最大带宽资源的优化问题；
简化模块，用于利用凸优化理论将系统可用最大带宽资源的优化问题化简为凸问题，根据提出的活动不等式化简引理合并多个约束条件；
求解模块，用于求解目标优化问题，基于分布式对偶分解法计算带宽资源分配，得到最优的资源分配策略。
第三方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如上所述的列车无线通信网络的业务复用切片资源分配方法。
第四方面，本发明提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序当在一个或多个处理器上运行时，用于实现如上所述的列车无线通信网络的业务复用切片资源分配方法。
第五方面，本发明提供一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如上所述的列车无线通信网络的业务复用切片资源分配方法的指令。
本发明有益效果：可在单一网络中承载具有差异化QoS需求的TCS和PIS两类列车业务；利用提出的DBA算法满足所有业务的QoS传输需求，得到最优的带宽分配表达式，并使带宽资源占用最小化。
本发明附加方面的优点，将在下述的描述部分中更加明显的给出，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述的基于无线列车通信网络架构的接入网资源切片架构图。
图2为本发明实施例所述的实现业务复用切片资源分配方法的方法流程图。
图3为本发明实施例所述的在信噪比影响下的带宽分配方法曲线图。
图4为本发明实施例所述的在切片组合影响下的带宽分配方法曲线图。
图5为本发明实施例所述的在终端信道特性差异值影响下的带宽占用变化曲线图。
具体实施方式
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
实施例1
本实施例1中，首先提供了一种列车无线通信网络的业务复用切片资源分配系统，包括：第一建立模块，用于搭建无线列车通信网络架构，建立资源切片框架；第二建立模块，用于基于资源切片框架，建立业务模型和切片模型，分别对不同类型的列车业务、网络切片进行特征分析，提取业务特征和切片特征；第三建立模块，用于建立通信模型，分析不同类型切片的服务质量需求，并进行约束条件建模；第四建立模块，用于建立以最小化系统带宽资源为目标并同时满足异构业务服务质量需求约束和系统可用最大带宽资源的优化问题；简化模块，用于利用凸优化理论将系统可用最大带宽资源的优化问题化简为凸问题，根据提出的活动不等式化简引理合并多个约束条件；求解模块，用于求解目标优化问题，基于分布式对偶分解法计算带宽资源分配，得到最优的资源分配策略。
本实施例1中，利用上述的系统，实现了列车无线通信网络的业务复用切片资源分配方法，包括：搭建无线列车通信网络架构，建立资源切片框架；基于资源切片框架，建立业务模型和切片模型，分别对不同类型的列车业务、网络切片进行特征分析，提取业务特征和切片特征；建立通信模型，分析不同类型切片的服务质量需求，并进行约束条件建模；建立以最小化系统带宽资源为目标并同时满足异构业务服务质量需求约束和系统可用最大带宽资源的优化问题；利用凸优化理论将系统可用最大带宽资源的优化问题化简为凸问题，根据提出的活动不等式化简引理合并多个约束条件；求解目标优化问题，基于分布式对偶分解法计算带宽资源分配，得到最优的资源分配策略。
建立业务模型和切片模型，包括：列车无线通信网络承载的列车业务分为两类：列车控制业务和旅客信息业务，列车控制业务用于车载子系统之间的信息交换，每个车载子系统，旅客信息业务用于采用单播、多播共存的异构数据传输方式实现信息交互；将网络划分为物理意义上逻辑分离的三类切片，分别承载三类业务，即多播TCS切片TCSm、单播TCS切片TCSu和PIS切片；TCSm业务承载着下行TCS信息流，切片集合为Sm＝{1,…,Sm}；TCSu业务承载着上行TCS信息流，切片集合为Su＝{1,…,Su}；PIS切片承载着下行PIS信息流，切片集合为Sp＝{1,…,Sp}。
基于TCS和PIS的业务模型，利用二元元组代表任意一个切片，每个元组内包括切片承载终端数量和切片服务质量传输要求两个属性值：
对于切片承载终端数量：具有相同服务质量传输要求的终端被划分到同一个切片上；对于TCS切片而言，TCSm切片s∈Sm承载的所有终端集合为其中/>表示终端总数；TCSu切片s∈Su承载的所有终端集合为/>其中/>表示终端总数；对于PIS切片而言，用/>表示该切片上的终端集合，/>表示该切片上的终端总数。
对于切片服务质量传输要求：对于TCS业务，由于其与列车运行高度相关，考虑将严格的低时延指标作为TCS切片上的终端QoS传输要求，即TCSm切片和TCSu切片的实际数据传输时延受到其各自的QoS传输要求限制，两类切片的QoS传输要求可分别用和/>分别表示；考虑到PIS业务视频流量传输需求，将数据传输速率指标作为其服务质量传输要求，即PIS切片的实际吞吐量应该满足其数据传输速率要求。
建立通信模型，包括：采用正交的终端接入方式实现用户干扰隔离，同时保证TCS和PIS的QoS需求；对于TCSm业务，考虑多组多播的传输模式，单个TCSm切片s∈Sm下的终端被划分为多个多播组，多播组集合表示为多播组/>下承载的终端集合为且/>所有TCSm切片下的多播组数量共有/>且与所有TCSu切片下的终端总数/>保持一致，即/>
带宽为切片提前预留；TCSm切片s下的多播组g占用的带宽为且该TCS多播切片占用的总带宽为/>TCS单播切片s∈Su下的终端i占用的带宽为/>且该TCS单播切片占用的总带宽为/>PIS切片s∈Sp占用的总带宽为/>假设基站和终端之间可完美估计信道状态信息；/>表示从基站到终端i的下行信道矩阵，/>表示从终端i到基站的上行信道矩阵；所有信道系数均为独立同分布复系数高斯随机变量，即CN/>
对于多播切片s∈Sp∪Sm而言，即TCSm切片和PIS切片，在终端i的第l根天线接收到的信号为
其中，ni,l,s是加性高斯白噪声(additive white Gaussian noise，AWGN)，均值为0，方差为基站发送的信号为/>且/> 表示基站对终端i的第l根天线的发送功率，即/>因此，在不考虑干扰的情况下，终端i的第l根天线的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)为/>
对于TCS数据流，考虑采用有限码长容量公式代替香农公式计算终端的数据传输速率；单个TCSm切片s被分为多个多播组，承载多个终端，单个终端的频谱效率表示为
其中表示信道特征。Q-1(·)表示高斯Q函数的反函数，θ表示传输错误概率，ni,s表示有限码长；
因此，TCSm切片s下承载的多播组g的传输速率需要满足QoS约束条件：
为满足该切片的传输时延需求可得约束条件如下
其中，是数据传输包长；
对于TCSu切片s∈Su而言，数据传输模式为上行单播传输，令表示终端i的第l根天线的发送信号，且/>因此，发送信号/>为
其中，表示发射功率，且/>
单根天线发送端的SNR为单个终端频谱效率为
其中
由于在单播传输情况下，多个终端单独向基站发送各自的数据，无法共享整个切片带宽资源，因此，TCSu切片s在承载业务传输的过程中需要满足如下约束条件：
其中，是数据传输包长。
对于PIS切片，切片s在承载业务传输的过程中需要满足如下约束条件：
其中是终端i的数据传输速率，且/>
为满足切片QoS传输需求，可知PIS切片的吞吐量约束条件为
考虑严格限制TCS的数据传输抖动值，令TCSm切片s下多播组g的数据传输时延为TCSu切片下终端i的数据传输时延为/>抖动约束表示为
建立以最小化系统带宽资源为目标并同时满足异构业务服务质量需求约束和系统可用最大带宽资源的优化问题，包括：
将切片划分问题表述为满足TCS和PIS的异构服务质量需求和通信资源约束前提下的系统带宽资源消耗最小化问题，优化网络切片资源分配，节约网络部署开支；
分配给所有切片的总带宽之和为：
定义优化变量矩阵为和/>
此优化问题建模如下：
对于TCSm切片和TCSu切片，约束(3)、(4)、(7)表示传输时延约束，约束(10)、(11)表示传输抖动约束；约束(8)、(9)表示PIS切片的吞吐量约束；约束(12b)表示系统总带宽。
将表达式化简为：
其中步骤(a)可通过变换实现，γ表示多播组信噪比；
化简期望值加入辅助变量/>和/>将原优化问题中的约束条件(4)和(7)分别带入到(10)和(11)，化简可得
在求解过程中，约束(9)、(14)和(15)可根据活动不等式理论进行化简；
原优化问题的最优带宽分配方法总是满足下式
由于TCSu切片采用了单播的数据传输模式，该模式下终端带宽不可共享的特点可以将优化变量从原问题中分解，即
则获得原问题化简后的等价表达为
实现资源分配的DBA算法，可通过对偶分解以及拉格朗日函数变换等理论方法，对原始优化变量和对偶变量的梯度进行计算，首先得到问题(20)的拉格朗日函数为：
其中对偶变量为λ＝{λs}、v＝{vs}，w＝{w}，原问题的最优解为
则，求解上述对偶问题得到目标优化变量的闭合解表达式为：
其中
通过迭代更新优化变量和对偶变量，得到最优的资源分配策略。
实施例2
本实施例2中提出了一种列车无线通信网络切片资源分配方法，可实现在单一网络中承载具有异构服务质量(QoS)要求的两类列车业务，即PIS和TCS，最大程度降低无线网部署成本。
面向列车无线通信网络的业务复用切片资源分配方法的具体操作步骤为：
步骤一、搭建无线列车通信网络架构，并在此基础上研究接入网(radio accessnetwork，RAN)资源切片框架；在单组车厢内部署了单个基站和若干承载着不同业务的车载终端，基站侧和终端侧均装备多根天线；根据是否具有相同的业务需求和特征，利用5G切片技术，网络中所有的终端可以被划分在多个切片上进行数据传输；当某个时隙下不同服务类型的切片向基站请求带宽资源时，基站将根据最佳的带宽分配方法，将带宽资源按需分配给不同的切片；
步骤二、建立业务模型和切片模型，分别对不同类型的列车业务、网络切片进行特征分析并建模；将列车无线通信网络中的业务分为TCS和PIS，分别分析其业务特征和传输需求：TCS业务采用上下行传输模式、具有严格的时延和抖动QoS需求，PIS业务主要考虑下行传输模式、具有高吞吐量QoS需求；基于该业务模型，建立网络切片模型，根据业务类型和QoS需求划分切片。首先，根据业务类型将切片划分为三大类别：上行TCS切片、下行TCS切片和PIS切片。其次，对于同一类别的切片，根据终端承载的业务特征和QoS需求细分小切片个数，使得每个切片上承载的业务具有相同的QoS需求；
步骤三、建立通信模型，对不同类型切片的QoS需求进行约束条件建模；建立终端与基站之间的通信模型，针对下行TCS切片、上行TCS切片，分别设计了多组多播、单播的传输模式，针对PIS切片，由于其仅有下行传输需求的特点，设计了单组多播的传输模式；为满足不同切片的异构QoS需求，设计了TCS切片的时延和抖动模型、PIS切片的吞吐量模型，将业务的异构QoS需求建模为问题约束条件；
步骤四、建立以最小化系统带宽资源为目标并同时满足异构业务QoS需求约束和系统可用最大带宽资源的优化问题；建立系统带宽资源消耗最小化问题，同时满足异构业务的QoS需求和通信资源要求，优化网络切片资源分配，节约网络部署开支；
步骤五、利用凸优化理论将原问题化简为凸问题，根据提出的活动不等式化简引理合并多个约束条件；为了进一步求解目标优化问题，将非凸的约束条件转化为可求解形式，利用活动不等式化简引理合并了同一类型切片的多个约束条件，得到简化后的目标优化问题；
步骤六、求解目标优化问题，提出了一种基于分布式对偶分解法的资源分配DBA算法，得到最优的资源分配方法；本发明提出了一种可用于资源分配的DBA算法，利用对偶分解理论，通过拉格朗日函数变换对原始优化变量和对偶变量的梯度进行计算，并多次同时迭代更新原始变量和对偶变量，最终获得了原目标优化变量的最优闭合表达式，多次迭代优化直到原始变量收敛，此时即得到了每个切片的最优带宽分配值。
搭建无线列车通信网络架构，并在此基础上研究接入网资源切片框架，包括：如图1所示为部署了若干个车载终端和单个基站的无线列车通信网络架构，资源管理服务器与基站通过无线链路连接，为终端提供服务。基站侧装备了K根天线，车载终端均装备L根天线。根据业务需求和特征，车载终端主要承载了两类列车业务，即列车控制业务(TCS)和旅客信息业务(PIS)。所有的终端可被划分为三类切片进行传输，即多播TCS切片、单播TCS切片和PIS切片，每类切片下又可根据不同的QoS需求分为多个小切片。当某个时隙下不同服务类型的切片向基站请求带宽资源时，基站可以根据最佳的带宽分配方法，将带宽资源按需分配给不同的切片。
建立业务模型和切片模型，分别对不同类型的列车业务、网络切片进行特征分析并建模。包括：列车无线通信网络承载的列车业务可分为两类：列车控制业务(TCS)和旅客信息业务(PIS)。TCS用于车载子系统之间的信息交换，每个车载子系统，如中央控制单元(CCU)、制动控制单元(BCU)、牵引控制单元(TCU)，均由通信终端和机械外壳两部分组成。TCS采用单播、多播共存的异构数据传输方式实现信息交互，这是因为列车运行过程中需要多个子系统相互关联并共享设备状态。例如，当TCU向BCU和CCU发送自身状态信息的数据流时，TCU在上行链路上通过单播的数据传输方式将信息发送到核心网侧，然后在下行链路上以多播的数据传输方式将信息分别传递给BCU和CCU。TCS的业务特征是数据实时性较高，对传输时延和抖动有严格的要求。PIS涉及到旅客信息类数据，如安全宣传视频流的播放。PIS仅有多播的数据传输模式，即采用多播方式将安全宣传视频发送到不同的视频终端设备，该类业务的特征是具有较高的数据传输速率需求。
因此，考虑到TCS采用单播、多播两种数据传输方式，PIS仅具有单播的数据传输方式等特点，将网络划分为物理意义上逻辑分离的三类切片，分别承载三类业务，即多播TCS(TCSm)切片、单播TCS(TCSu)切片和PIS切片。TCSm业务承载着下行TCS信息流，切片集合为Sm＝{1,…,Sm}；TCSu业务承载着上行TCS信息流，切片集合为Su＝{1,…,Su}；PIS切片承载着下行PIS信息流，切片集合为Sp＝{1,…,Sp}。基于TCS和PIS的业务模型，我们利用二元元组代表任意一个切片，每个元组内包括两个属性值：
(1)切片承载终端数量。具有相同QoS传输要求的终端被划分到同一个切片上。对于TCS切片而言，TCSm切片s∈Sm承载的所有终端集合为其中/>表示终端总数；TCSu切片s∈Su承载的所有终端集合为/>其中/>表示终端总数；对于PIS切片而言，用/>表示该切片上的终端集合，/>表示该切片上的终端总数。
(2)切片QoS传输要求。对于TCS业务，由于其与列车运行高度相关，考虑将严格的低时延指标作为TCS切片上的终端QoS传输要求，即TCSm切片和TCSu切片的实际数据传输时延受到其各自的QoS传输要求限制，两类切片的QoS传输要求可分别用和/>分别表示。考虑到PIS业务具有较大的视频流量传输需求，因此考虑将数据传输速率指标作为其QoS传输要求，即PIS切片的实际吞吐量应该满足其数据传输速率要求Rs。
综上，使用三组参数分别代表TCSm切片、TCSu切片，以及PIS切片。
建立通信模型，对不同类型切片的QoS需求进行约束条件建模。包括：
采用正交(orthogonal multiple access，OMA)的终端接入方式实现用户干扰隔离，同时保证TCS和PIS的QoS需求。对于TCSm业务，考虑多组多播(multi-group multicast)的传输模式，单个TCSm切片s∈Sm下的终端被划分为多个多播组，多播组集合表示为多播组/>下承载的终端集合为/>且/>所有TCSm切片下的多播组数量共有/>且与所有TCSu切片下的终端总数/>保持一致，即
带宽为切片提前预留。TCSm切片s下的多播组g占用的带宽为且该TCS多播切片占用的总带宽为/>TCS单播切片s∈Su下的终端i占用的带宽为/>且该TCS单播切片占用的总带宽为/>PIS切片s∈Sp占用的总带宽为/>我们假设基站和终端之间可完美估计信道状态信息。/>表示从基站到终端i的下行信道矩阵，/>表示从终端i到基站的上行信道矩阵。所有信道系数均为独立同分布复系数高斯随机变量，即CN/>
对于多播切片s∈Sp∪Sm而言，即TCSm切片和PIS切片，在终端i的第l根天线接收到的信号为
其中，ni,l,s是加性高斯白噪声(additive white Gaussian noise，AWGN)，均值为0，方差为基站发送的信号为/>且/> 表示基站对终端i的第l根天线的发送功率，即/>因此，在不考虑干扰的情况下，终端i的第l根天线的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)为/>
对于TCS数据流，考虑采用有限码长容量公式代替香农公式计算终端的数据传输速率。单个TCSm切片s被分为多个多播组，承载多个终端，单个终端的频谱效率可以表示为
其中表示信道特征。Q-1(·)表示高斯Q函数的反函数，θ表示传输错误概率，ni,s表示有限码长。因此，TCSm切片s下承载的多播组g的频谱效率需要满足QoS约束条件：
上式表示多播组g必须满足该组内承载所有终端的数据传输需求，因此该组可实现的传输速率是由其承载的具有最差信道特性的某个终端决定的。同时，为满足该切片的传输时延需求/>可得约束条件如下
其中，是数据传输包长。/>
对于TCSu切片s∈Su而言，数据传输模式为上行单播传输，令表示终端i的第l根天线的发送信号，且/>因此，发送信号/>为
其中，表示发射功率，且/>单根天线发送端的SNR为单个终端频谱效率为
其中由于在单播传输情况下，多个终端单独向基站发送各自的数据，无法共享整个切片带宽资源，因此，TCSu切片s在承载业务传输的过程中需要满足如下约束条件：
其中，是数据传输包长。
对于PIS切片而言，切片s在承载业务传输的过程中需要满足如下约束条件：
其中是终端i的数据传输速率，且/>为满足切片QoS传输需求，可知PIS切片的吞吐量约束条件为
同时，考虑严格限制TCS的数据传输抖动值，因此，令TCSm切片s下多播组g的数据传输时延为TCSu切片下终端i的数据传输时延为/>抖动约束可以表示为
建立以最小化系统带宽资源为目标并同时满足异构业务QoS需求约束和系统可用最大带宽资源的优化问题。包括：
由于列车无线通信网络搭建所需的频段属于5G专网频段，需要向电信运营商租用，因此建设该网络的目标是节省网络带宽资源消耗，降低频谱租用成本，减少列车运营成本的支出，随着智能业务的扩展和完善，节约的带宽资源仍可承载更多智能服务。因此，将切片划分问题表述为满足TCS和PIS的异构QoS需求和通信资源约束前提下的系统带宽资源消耗最小化问题，优化网络切片资源分配，节约网络部署开支。分配给所有切片的总带宽之和为为方便表示，定义优化变量矩阵为/> 和/>此优化问题建模如下：
对于TCSm切片和TCSu切片，约束(3)、(4)、(7)表示传输时延约束，约束(10)、(11)表示传输抖动约束。约束(8)、(9)表示PIS切片的吞吐量约束。约束(12b)表示系统总带宽。
利用凸优化理论将原问题化简为凸问题，根据提出的活动不等式化简引理合并多个约束条件。包括：
由于约束(10)、(11)具有非凸的期望项，此优化问题不能直接求解。我们首先化简上述两个约束条件中的期望表达式。假设在持续的数据传输过程中，分配给单个终端的带宽基本不变，此时期望项内的目标变量可视为常数。因此，可将表达式化简为：
其中步骤(a)可通过变换实现，γ表示多播组信噪比。同样，可以化简期望值/>加入辅助变量/>和/>将原优化问题中的约束条件(4)和(7)分别带入到(10)和(11)，化简可得
在求解过程中，约束(9)、(14)和(15)可根据活动不等式理论进行化简。基于此，可以推导出原优化问题的最优带宽分配方法总是满足下式
可以得出，由于TCSu切片采用了单播的数据传输模式，该模式下终端带宽不可共享的特点可以将优化变量从原问题中分解，即
因此，可以获得原问题化简后的等价表达为
求解目标优化问题，提出了一种基于分布式对偶分解法的资源分配DBA算法，得到最优的资源分配方法。
本实施例中提出了一种可实现资源分配的DBA算法，可通过对偶分解以及拉格朗日函数变换等理论方法，对原始优化变量和对偶变量的梯度进行计算，首先得到问题(20)的拉格朗日函数为
其中对偶变量为λ＝{λs}、v＝{vs}，w＝{w}，原问题的最优解为
因此，可以求解上述对偶问题得到目标优化变量的闭合解表达式为：
其中通过迭代更新优化变量和对偶变量，可以得到最优的资源分配方法。
本实施例2中，为证明本发明所提方法可以有效满足异构列车业务承载需求，以表1参数配置为例，验证本发明的实例效果。
图1为本发明建立的适用于无线列车通信网络架构的接入网资源切片架构图，考虑在单个列车编组车厢内部署列车无线通信网络，网络中存在单个基站与若干个车载终端。基站侧装备了K根天线，车载终端均装备L根天线。终端的部署位置是随机且相互独立的，信道模型采用瑞利信道，单终端与BS的距离为d，终端接收到的功率为PL(dB)＝32.4+20log10(fc)+31.9log10(d)。设置TCSm切片下的多播组个数与TCSu切片下的单播终端个数为
表1仿真参数配置
图2为本发明实现业务复用资源切片方法的方法流程图。该方法首先求解TCSm切片和TCSu切片的辅助变量和/>确定每个TCS终端的码长值，计算TCSu切片的最优带宽分配，然后通过求解对偶问题获得TCSm切片下所有多播组和PIS切片占用的带宽资源，同时满足两类业务的异构QoS需求，并达到最小化带宽占用资源的目标。
在图3中，为每个类型的网络切片分别部署两个切片，参数如下：PIS切片1和切片2的参数为{4，4Mb/s}、{6，6Mb/s}；TCSm切片1和切片2的参数为{6，6ms}、{6，12ms}。TCSu切片1和切片2的参数为{2，6ms}、{2，12ms}。每个切片可用具有两个属性值的二元元组表示，第一个属性值代表终端数量，第二个属性值代表该切片的QoS约束值。从图3可以看出，随着单天线信噪比逐渐增大，三类切片的带宽占用均降低并趋于稳定。具有更大的传输速率需求的PIS切片、较严格的时延约束的TCSm和TCSu切片将占用更多带宽，以保证业务正常传输，例如PIS切片2和TCSm切片1。
图4比较了不同切片组合对带宽分配方法曲线的影响。组合C1～C5下的PIS切片参数如表2所示。为便于理解，TCSm和TCSu切片类型下均部署两个切片，具有相同的QoS约束值。TCSm切片1和切片2的参数分别为{6，3ms}、{6，6ms}。TCSu切片1和切片2的参数分别为{2，3ms}、{2，6ms}。系统最大可分配带宽为Bmax＝5MHz。单天线信噪比平均值为9dB。首先，在TCS切片参数不变的前提下，通过表2改变组合C1～C5下的PIS切片参数，观察带宽分配方法曲线，由图可知，较高的PIS切片吞吐量需求将导致该切片占用更多带宽。然而，可以观察到当PIS切片中终端数量逐渐增加时(例如，从组合C2到组合C3)，系统带宽分配方法曲线几乎无改变。在PIS切片参数不变的前提下，改变TCSm和TCSu切片的低时延要求，可以观察到更严格的延迟要求使得切片消耗更多带宽。
表2PIS切片参数配置
C1 C2 C3 C4 C5
切片1 {4，4Mb/s} {4，4Mb/s} {12，4Mb/s} {4，5Mb/s} {4，5Mb/s}
切片2 —— {4，5Mb/s} {12，5Mb/s} {4，5Mb/s} {4，6Mb/s}
考虑到图4中终端数量对多播PIS切片的带宽消耗影响较小，为进一步探究，图5显示了终端信道质量差异对最终带宽分配方法的影响。终端信道质量的好坏可由终端数据传输速率的方差表征。PIS切片的切片参数采用了表2组合C3参数。TCSm和TCSu切片参数相同，切片1和切片2分别为{12，3ms}、{12，6ms}。从图5可以看出，随着方差的增加，PIS切片和TCSm切片的带宽占用量都在上升。方差越大意味着终端的信道质量差异较大，出现信道较差用户的概率越大，而多播切片的数据传输速率由多播组中信道状态最差的终端传输速率决定，因此当多播组中终端信道质量差异较大时，为满足传输需求，需要为该多播组预留更多的带宽。
综上，本实施例所述的一种基于无线列车通信网络架构的业务复用资源切片方法可以满足所有业务的传输QoS需求并获得最优带宽分配，降低了列车无线通信网络的部署成本。
实施例3
本实施例3提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如上所述的列车无线通信网络的业务复用切片资源分配方法，该方法包括：
搭建无线列车通信网络架构，建立资源切片框架；
基于资源切片框架，建立业务模型和切片模型，分别对不同类型的列车业务、网络切片进行特征分析，提取业务特征和切片特征；
建立通信模型，分析不同类型切片的服务质量需求，并进行约束条件建模；
建立以最小化系统带宽资源为目标并同时满足异构业务服务质量需求约束和系统可用最大带宽资源的优化问题；
利用凸优化理论将系统可用最大带宽资源的优化问题化简为凸问题，根据提出的活动不等式化简引理合并多个约束条件；
求解目标优化问题，基于分布式对偶分解法计算带宽资源分配，得到最优的资源分配策略。
实施例4
本实施例4提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序当在一个或多个处理器上运行时，用于实现如上所述的列车无线通信网络的业务复用切片资源分配方法，该方法包括：
搭建无线列车通信网络架构，建立资源切片框架；
基于资源切片框架，建立业务模型和切片模型，分别对不同类型的列车业务、网络切片进行特征分析，提取业务特征和切片特征；
建立通信模型，分析不同类型切片的服务质量需求，并进行约束条件建模；
建立以最小化系统带宽资源为目标并同时满足异构业务服务质量需求约束和系统可用最大带宽资源的优化问题；
利用凸优化理论将系统可用最大带宽资源的优化问题化简为凸问题，根据提出的活动不等式化简引理合并多个约束条件；
求解目标优化问题，基于分布式对偶分解法计算带宽资源分配，得到最优的资源分配策略。
实施例5
本实施例5提供一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如上所述的列车无线通信网络的业务复用切片资源分配方法的指令，该方法包括：
搭建无线列车通信网络架构，建立资源切片框架；
基于资源切片框架，建立业务模型和切片模型，分别对不同类型的列车业务、网络切片进行特征分析，提取业务特征和切片特征；
建立通信模型，分析不同类型切片的服务质量需求，并进行约束条件建模；
建立以最小化系统带宽资源为目标并同时满足异构业务服务质量需求约束和系统可用最大带宽资源的优化问题；
利用凸优化理论将系统可用最大带宽资源的优化问题化简为凸问题，根据提出的活动不等式化简引理合并多个约束条件；
求解目标优化问题，基于分布式对偶分解法计算带宽资源分配，得到最优的资源分配策略。
综上所述，本发明实施例公开了一种面向列车无线通信网络的业务复用切片资源分配方法，解决了在列车无线通信网络部署下的列车异构业务承载及带宽分配问题。其中，提出了一种列车无线通信网络资源切片框架，可在单一网络中实现具有不同服务质量(QoS)要求的单播和多播业务承载。将承载的列车服务分为两类：列车控制服务(TCS)和旅客信息服务(PIS)。由于上述列车业务与传统电信业务的特征及QoS需求存在较大差异，本发明分别对不同的列车业务建立了切片和通信模型：针对TCS具有终端到终端、上下行传输的特点，设计了下行多组多播、上行单播的TCS传输方式，建立了可满足TCS切片严格的时延和抖动需求的资源分配约束条件；针对PIS主要考虑下行传输的特点，设计了下行单组多播的PIS传输方式，建立了可满足PIS切片高吞吐量需求的资源分配约束条件；根据建立的切片模型和通信模型，提出了基于资源预留的切片分配方法，将原切片分配问题建模为系统带宽最小化问题；提出了一种基于分布式对偶分解的资源分配DBA算法，确定了具有不同QoS的切片的最优带宽资源分配方法。本发明有效实现列车业务复用的切片资源分配方法，可在列车无线通信网络部署下最小化带宽资源消耗，并满足TCS和PIS的异构业务传输需求。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种列车无线通信网络的业务复用切片资源分配方法，其特征在于，包括：
搭建无线列车通信网络架构，建立资源切片框架；
基于资源切片框架，建立业务模型和切片模型，分别对不同类型的列车业务、网络切片进行特征分析，提取业务特征和切片特征；
建立通信模型，分析不同类型切片的服务质量需求，并进行约束条件建模；
建立以最小化系统带宽资源为目标并同时满足异构业务服务质量需求约束和系统可用最大带宽资源的优化问题；
利用凸优化理论将系统可用最大带宽资源的优化问题化简为凸问题，根据提出的活动不等式化简引理合并多个约束条件；
求解目标优化问题，基于分布式对偶分解法计算带宽资源分配，得到最优的资源分配策略；
其中，建立业务模型和切片模型，包括：列车无线通信网络承载的列车业务分为两类：列车控制业务和旅客信息业务，列车控制业务用于车载子系统之间的信息交换，每个车载子系统，旅客信息业务用于采用单播、多播共存的异构数据传输方式实现信息交互；将网络划分为物理意义上逻辑分离的三类切片，分别承载三类业务，即多播TCS切片TCSm、单播TCS切片TCSu和PIS切片；TCSm业务承载着下行TCS信息流，切片集合为Sm＝{1,…,Sm}；TCSu业务承载着上行TCS信息流，切片集合为Su＝{1,…,Su}；PIS切片承载着下行PIS信息流，切片集合为Sp＝{1,…,Sp}；
基于TCS和PIS的业务模型，利用二元元组代表任意一个切片，每个元组内包括切片承载终端数量和切片服务质量传输要求两个属性值：
对于切片承载终端数量：具有相同服务质量传输要求的终端被划分到同一个切片上；对于TCS切片而言，TCSm切片s∈Sm承载的所有终端集合为其中/>表示终端总数；TCSu切片s∈Su承载的所有终端集合为/>其中/>表示终端总数；对于PIS切片而言，用/>表示该切片上的终端集合，/>表示该切片上的终端总数；
对于切片服务质量传输要求：对于TCS业务，由于其与列车运行高度相关，考虑将严格的低时延指标作为TCS切片上的终端QoS传输要求，即TCSm切片和TCSu切片的实际数据传输时延受到其各自的QoS传输要求限制，两类切片的QoS传输要求可分别用和/>分别表示；考虑到PIS业务视频流量传输需求，将数据传输速率指标作为其服务质量传输要求，即PIS切片的实际吞吐量应该满足其数据传输速率要求；
其中，建立通信模型，包括：采用正交的终端接入方式实现用户干扰隔离，同时保证TCS和PIS的QoS需求；对于TCSm业务，考虑多组多播的传输模式，单个TCSm切片s∈Sm下的终端被划分为多个多播组，多播组集合表示为多播组/>下承载的终端集合为且/>所有TCSm切片下的多播组数量共有/>且与所有TCSu切片下的终端总数/>保持一致，即/>
带宽为切片提前预留；TCSm切片s下的多播组g占用的带宽为且该TCS多播切片占用的总带宽为/>TCS单播切片s∈Su下的终端i占用的带宽为/>且该TCS单播切片占用的总带宽为/>PIS切片s∈Sp占用的总带宽为/>假设基站和终端之间可完美估计信道状态信息；/>表示从基站到终端i的下行信道矩阵，表示从终端i到基站的上行信道矩阵；所有信道系数均为独立同分布复系数高斯随机变量，即/>
对于多播切片s∈Sp∪Sm而言，即TCSm切片和PIS切片，在终端i的第l根天线接收到的信号为
其中，ni,l,s是加性高斯白噪声(additive white Gaussian noise，AWGN)，均值为0，方差为基站发送的信号为/>且/>表示基站对终端i的第l根天线的发送功率，即/>因此，在不考虑干扰的情况下，终端i的第l根天线的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)为/>
对于TCS数据流，考虑采用有限码长容量公式代替香农公式计算终端的数据传输速率；单个TCSm切片s被分为多个多播组，承载多个终端，单个终端的频谱效率表示为
其中表示信道特征,Q-1(·)表示高斯Q函数的反函数，θ表示传输错误概率，ni,s表示有限码长；
因此，TCSm切片s下承载的多播组g的传输速率需要满足QoS约束条件：
为满足该切片的传输时延需求可得约束条件如下
其中，是数据传输包长；
对于TCSu切片s∈Su而言，数据传输模式为上行单播传输，令表示终端i的第l根天线的发送信号，且/>因此，发送信号/>为
其中，表示发射功率，且/>
单根天线发送端的SNR为单个终端频谱效率为
其中
由于在单播传输情况下，多个终端单独向基站发送各自的数据，无法共享整个切片带宽资源，因此，TCSu切片s在承载业务传输的过程中需要满足如下约束条件：
其中，是数据传输包长；
对于PIS切片，切片s在承载业务传输的过程中需要满足如下约束条件：
其中是终端i的数据传输速率，且/>
为满足切片QoS传输需求，可知PIS切片的吞吐量约束条件为
考虑严格限制TCS的数据传输抖动值，令TCSm切片s下多播组g的数据传输时延为TCSu切片下终端i的数据传输时延为/>抖动约束表示为
其中，建立以最小化系统带宽资源为目标并同时满足异构业务服务质量需求约束和系统可用最大带宽资源的优化问题，包括：
将切片划分问题表述为满足TCS和PIS的异构服务质量需求和通信资源约束前提下的系统带宽资源消耗最小化问题，优化网络切片资源分配，节约网络部署开支；
分配给所有切片的总带宽之和为：
定义优化变量矩阵为和/>
此优化问题建模如下：
对于TCSm切片和TCSu切片，约束(3)、(4)、(7)表示传输时延约束，约束(10)、(11)表示传输抖动约束；约束(8)、(9)表示PIS切片的吞吐量约束；约束(12b)表示系统总带宽；
将表达式化简为：
其中步骤(a)可通过变换实现，γ表示多播组信噪比；
化简期望值加入辅助变量/>和/>将原优化问题中的约束条件(4)和(7)分别带入到(10)和(11)，化简可得
在求解过程中，约束(9)、(14)和(15)可根据活动不等式理论进行化简；
原优化问题的最优带宽分配方法总是满足下式
由于TCSu切片采用了单播的数据传输模式，该模式下终端带宽不可共享的特点可以将优化变量从原问题中分解，即
则获得原问题化简后的等价表达为
F≤Bmax (20c) (20)
实现资源分配的DBA算法，可通过对偶分解以及拉格朗日函数变换等理论方法，对原始优化变量和对偶变量的梯度进行计算，首先得到问题(20)的拉格朗日函数为：
其中对偶变量为λ＝{λs}、v＝{vs}，w＝{w}，原问题的最优解为
则，求解上述对偶问题得到目标优化变量的闭合解表达式为：
其中
通过迭代更新优化变量和对偶变量，得到最优的资源分配策略。
2.一种列车无线通信网络的业务复用切片资源分配系统，其特征在于，包括：
第一建立模块，用于搭建无线列车通信网络架构，建立资源切片框架；
第二建立模块，用于基于资源切片框架，建立业务模型和切片模型，分别对不同类型的列车业务、网络切片进行特征分析，提取业务特征和切片特征；
第三建立模块，用于建立通信模型，分析不同类型切片的服务质量需求，并进行约束条件建模；
第四建立模块，用于建立以最小化系统带宽资源为目标并同时满足异构业务服务质量需求约束和系统可用最大带宽资源的优化问题；
简化模块，用于利用凸优化理论将系统可用最大带宽资源的优化问题化简为凸问题，根据提出的活动不等式化简引理合并多个约束条件；
求解模块，用于求解目标优化问题，基于分布式对偶分解法计算带宽资源分配，得到最优的资源分配策略；
其中，建立业务模型和切片模型，包括：列车无线通信网络承载的列车业务分为两类：列车控制业务和旅客信息业务，列车控制业务用于车载子系统之间的信息交换，每个车载子系统，旅客信息业务用于采用单播、多播共存的异构数据传输方式实现信息交互；将网络划分为物理意义上逻辑分离的三类切片，分别承载三类业务，即多播TCS切片TCSm、单播TCS切片TCSu和PIS切片；TCSm业务承载着下行TCS信息流，切片集合为Sm＝{1,…,Sm}；TCSu业务承载着上行TCS信息流，切片集合为Su＝{1,…,Su}；PIS切片承载着下行PIS信息流，切片集合为Sp＝{1,…,Sp}；
基于TCS和PIS的业务模型，利用二元元组代表任意一个切片，每个元组内包括切片承载终端数量和切片服务质量传输要求两个属性值：
对于切片承载终端数量：具有相同服务质量传输要求的终端被划分到同一个切片上；对于TCS切片而言，TCSm切片s∈Sm承载的所有终端集合为其中/>表示终端总数；TCSu切片s∈Su承载的所有终端集合为/>其中/>表示终端总数；对于PIS切片而言，用/>表示该切片上的终端集合，/>表示该切片上的终端总数；
对于切片服务质量传输要求：对于TCS业务，由于其与列车运行高度相关，考虑将严格的低时延指标作为TCS切片上的终端QoS传输要求，即TCSm切片和TCSu切片的实际数据传输时延受到其各自的QoS传输要求限制，两类切片的QoS传输要求可分别用和/>分别表示；考虑到PIS业务视频流量传输需求，将数据传输速率指标作为其服务质量传输要求，即PIS切片的实际吞吐量应该满足其数据传输速率要求；
其中，建立通信模型，包括：采用正交的终端接入方式实现用户干扰隔离，同时保证TCS和PIS的QoS需求；对于TCSm业务，考虑多组多播的传输模式，单个TCSm切片s∈Sm下的终端被划分为多个多播组，多播组集合表示为多播组/>下承载的终端集合为且/>所有TCSm切片下的多播组数量共有/>且与所有TCSu切片下的终端总数/>保持一致，即/>
带宽为切片提前预留；TCSm切片s下的多播组g占用的带宽为且该TCS多播切片占用的总带宽为/>TCS单播切片s∈Su下的终端i占用的带宽为/>且该TCS单播切片占用的总带宽为/>PIS切片s∈Sp占用的总带宽为/>假设基站和终端之间可完美估计信道状态信息；/>表示从基站到终端i的下行信道矩阵，表示从终端i到基站的上行信道矩阵；所有信道系数均为独立同分布复系数高斯随机变量，即/>
对于多播切片s∈Sp∪Sm而言，即TCSm切片和PIS切片，在终端i的第l根天线接收到的信号为
其中，ni,l,s是加性高斯白噪声(additive white Gaussian noise，AWGN)，均值为0，方差为基站发送的信号为/>且/>表示基站对终端i的第l根天线的发送功率，即/>因此，在不考虑干扰的情况下，终端i的第l根天线的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)为/>
对于TCS数据流，考虑采用有限码长容量公式代替香农公式计算终端的数据传输速率；单个TCSm切片s被分为多个多播组，承载多个终端，单个终端的频谱效率表示为
其中表示信道特征,Q-1(·)表示高斯Q函数的反函数，θ表示传输错误概率，ni,s表示有限码长；
因此，TCSm切片s下承载的多播组g的传输速率需要满足QoS约束条件：
为满足该切片的传输时延需求可得约束条件如下
其中，是数据传输包长；
对于TCSu切片s∈Su而言，数据传输模式为上行单播传输，令表示终端i的第l根天线的发送信号，且/>因此，发送信号/>为
其中，表示发射功率，且/>
单根天线发送端的SNR为单个终端频谱效率为
其中
由于在单播传输情况下，多个终端单独向基站发送各自的数据，无法共享整个切片带宽资源，因此，TCSu切片s在承载业务传输的过程中需要满足如下约束条件：
其中，是数据传输包长；
对于PIS切片，切片s在承载业务传输的过程中需要满足如下约束条件：
其中是终端i的数据传输速率，且/>
为满足切片QoS传输需求，可知PIS切片的吞吐量约束条件为
考虑严格限制TCS的数据传输抖动值，令TCSm切片s下多播组g的数据传输时延为TCSu切片下终端i的数据传输时延为/>抖动约束表示为
其中，建立以最小化系统带宽资源为目标并同时满足异构业务服务质量需求约束和系统可用最大带宽资源的优化问题，包括：
将切片划分问题表述为满足TCS和PIS的异构服务质量需求和通信资源约束前提下的系统带宽资源消耗最小化问题，优化网络切片资源分配，节约网络部署开支；
分配给所有切片的总带宽之和为：
定义优化变量矩阵为和/>
此优化问题建模如下：
对于TCSm切片和TCSu切片，约束(3)、(4)、(7)表示传输时延约束，约束(10)、(11)表示传输抖动约束；约束(8)、(9)表示PIS切片的吞吐量约束；约束(12b)表示系统总带宽；
将表达式化简为：
其中步骤(a)可通过变换实现，γ表示多播组信噪比；
化简期望值加入辅助变量/>和/>将原优化问题中的约束条件(4)和(7)分别带入到(10)和(11)，化简可得
在求解过程中，约束(9)、(14)和(15)可根据活动不等式理论进行化简；
原优化问题的最优带宽分配方法总是满足下式
由于TCSu切片采用了单播的数据传输模式，该模式下终端带宽不可共享的特点可以将优化变量从原问题中分解，即
则获得原问题化简后的等价表达为
F≤Bmax (20c) (20)
实现资源分配的DBA算法，可通过对偶分解以及拉格朗日函数变换等理论方法，对原始优化变量和对偶变量的梯度进行计算，首先得到问题(20)的拉格朗日函数为：
其中对偶变量为λ＝{λs}、v＝{vs}，w＝{w}，原问题的最优解为/>
则，求解上述对偶问题得到目标优化变量的闭合解表达式为：
其中
通过迭代更新优化变量和对偶变量，得到最优的资源分配策略。
3.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如权利要求1所述的列车无线通信网络的业务复用切片资源分配方法。
4.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如权利要求1所述的列车无线通信网络的业务复用切片资源分配方法的指令。
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