本發(fā)明涉及移動通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于自回傳小蜂窩網(wǎng)絡(luò)的虛擬資源分配方法。

背景技術(shù)：

隨著移動用戶數(shù)量的迅猛增長、智能終端的廣泛普及，下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需要提供更高的系統(tǒng)容量、頻譜利用率以及更低的時延等，由此，無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。在無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化場景中，傳統(tǒng)運(yùn)營商被解耦成兩個獨(dú)立的角色：基礎(chǔ)設(shè)備供應(yīng)商(infrastructureprovider，inp)和服務(wù)提供商(serviceprovider，sp)。inp將網(wǎng)絡(luò)中的物理資源(包括頻譜、功率、天線、回傳等)抽象、切片，以提供給sp構(gòu)建不同需求的虛擬網(wǎng)絡(luò)；sp可以從不同inp處租賃物理資源，為用戶提供端到端的服務(wù)。由于物理資源的稀缺性、無線信道的時變性、sp的多樣化qos需求，如何高效地為sp(也可稱為切片、虛擬網(wǎng)絡(luò))分配物理資源以提升系統(tǒng)性能至關(guān)重要。

另外，由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆炸式增長，小蜂窩組網(wǎng)是提升系統(tǒng)能效和譜效的主要手段之一，但卻面臨回傳網(wǎng)絡(luò)部署成本的挑戰(zhàn)。不同于傳統(tǒng)有線或無線回傳技術(shù)，帶內(nèi)自回傳技術(shù)允許回傳鏈路與接入鏈路使用相同頻帶，通過時分或頻分的方式復(fù)用無線資源，從而降低網(wǎng)絡(luò)部署成本，提高網(wǎng)絡(luò)部署的靈活性。

現(xiàn)有的研究主要側(cè)重于獨(dú)立的無線虛擬化資源分配或獨(dú)立的自回傳網(wǎng)絡(luò)中的資源分配，而較少將兩種技術(shù)進(jìn)行綜合考慮，但在實(shí)際應(yīng)用中，將無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化與未來不同的技術(shù)領(lǐng)域相融合已成為應(yīng)用熱點(diǎn)，因此有必要在自回傳小蜂窩網(wǎng)絡(luò)下研究虛擬資源分配策略。另外，由于用戶業(yè)務(wù)隨機(jī)到達(dá)，且用戶緩存空間有限，若無限制的增加用戶緩存隊(duì)列勢必將影響用戶的體驗(yàn)質(zhì)量，因此在資源分配決策過程中考慮用戶的緩存的隊(duì)列大小至關(guān)重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于自回傳小蜂窩網(wǎng)絡(luò)的虛擬資源分配方法，在每個離散調(diào)度時隙上根據(jù)每個小基站下的接入容量情況動態(tài)調(diào)整用于無線回傳的頻帶比例，本發(fā)明提供的方法能夠充分利用頻帶資源，又可以減少用戶的在小基站處的處理時延。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種基于自回傳小蜂窩網(wǎng)絡(luò)的虛擬資源分配方法，包括以下步驟：

步驟1，虛擬網(wǎng)絡(luò)管理器獲取各基站的可用虛擬資源信息、用戶狀態(tài)信息和切片需求信息，所述用戶狀態(tài)信息包括用戶信道質(zhì)量信息和緩存隊(duì)列信息；

步驟2，虛擬網(wǎng)絡(luò)管理器為每個服務(wù)提供商所服務(wù)的用戶分配虛擬資源，并動態(tài)調(diào)整自回傳小基站用于無線回傳的頻帶比例；

所述虛擬資源分配過程中，保證每個服務(wù)供應(yīng)商的低平均速率不小于預(yù)設(shè)值，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性以及小蜂窩回傳容量限制。

進(jìn)一步，所述保證系統(tǒng)穩(wěn)定性通過以下方式實(shí)現(xiàn)：

系統(tǒng)中所有的隊(duì)列都滿足

其中，為服務(wù)提供商k服務(wù)的用戶u的時間平均隊(duì)列長度；t為預(yù)先定義的最大調(diào)度時刻。

進(jìn)一步，所述保證小蜂窩回傳容量限制，具體為保證小基站的回傳容量不小于接入端容量。

進(jìn)一步，所述步驟2具體包括以下步驟：

201，設(shè)定所有小基站用于無線回傳的頻帶比例，計(jì)算當(dāng)前時隙下為每個服務(wù)提供商服務(wù)的用戶分配的接入頻帶資源量；

202，設(shè)定每個服務(wù)提供商服務(wù)的用戶分配的接入頻帶資源量，計(jì)算所有小基站用于無線回傳的頻帶比例；

203，經(jīng)過數(shù)次迭代后，判斷是否滿足收斂條件；

如果當(dāng)前的虛擬資源分配方案滿足收斂條件，則將虛擬資源分配決策通知給每個服務(wù)提供商服務(wù)的用戶以及所述自回傳的小基站，并等待下一個調(diào)度時隙；

如果當(dāng)前的虛擬資源分配方案不滿足收斂條件，則返回到步驟201。

進(jìn)一步，所述服務(wù)提供商服務(wù)的用戶通過隊(duì)列更新方式更新緩存隊(duì)列大小，具體通過以下函數(shù)式實(shí)現(xiàn)，

q(k,u)(t+1)＝max{q(k,u)(t)+a(k,u)(t)-z(k,u)(t)，0}

其中，q(k,u)(t+1)為服務(wù)提供商k服務(wù)的用戶u在下一個調(diào)度時隙開始時的隊(duì)列長度；q(k,u)(t)為服務(wù)提供商k服務(wù)的用戶u在當(dāng)前調(diào)度時隙開始時的隊(duì)列長度；a(k,u)(t)為服務(wù)提供商k服務(wù)的用戶u在當(dāng)前調(diào)度時隙上新到達(dá)的數(shù)據(jù)包個數(shù)；z(k,u)(t)為服務(wù)提供商k服務(wù)的用戶u在當(dāng)前調(diào)度時隙上離開的數(shù)據(jù)包個數(shù)。

進(jìn)一步，所述服務(wù)提供商k服務(wù)的用戶u在當(dāng)前調(diào)度時隙上新到達(dá)的數(shù)據(jù)包個數(shù)a(k,u)(t)根據(jù)服從λ(k,u)參數(shù)的泊松過程隨機(jī)生成。

進(jìn)一步，所述步驟201，具體包括以下步驟：

根據(jù)以下無線接入頻帶資源分配公式，計(jì)算各服務(wù)提供商服務(wù)的用戶在設(shè)定的所有小基站用于無線回傳的頻帶比例下的無線接入頻帶的資源量；

其中，為服務(wù)提供商k服務(wù)的用戶u獲得的無線接入頻帶的資源量；v為懲罰因子，用于平衡服務(wù)提供商平均總收益和系統(tǒng)隊(duì)列穩(wěn)定；ωk為服務(wù)提供商k向用戶u提供服務(wù)收取的回報(bào)；γk為服務(wù)提供商k向基礎(chǔ)設(shè)備供應(yīng)商租賃無線接入資源所支付的成本；α為設(shè)定的所有小基站用于無線回傳的頻帶比例；ρk為服務(wù)提供商k向基礎(chǔ)設(shè)備供應(yīng)商租賃無線回傳資源所支付的成本；dk(t)為服務(wù)提供商k在當(dāng)前調(diào)度時隙上的虛擬速率隊(duì)列；為服務(wù)提供商k服務(wù)的用戶u在當(dāng)前調(diào)度時隙上的瞬時速率；λn和βn為拉格朗日乘子；

根據(jù)梯度法更新拉格朗日乘子λn、βn，經(jīng)過數(shù)次迭代后，判斷是否滿足收斂條件。

進(jìn)一步，所述步驟202，具體包括以下步驟：

向系統(tǒng)中隨機(jī)部署一定數(shù)量的粒子，并初始化所述粒子的速度和位置；其中，粒子的位置滿足小基站的回傳容量限制；

在每次迭代過程中，更新所述粒子的位置；

判斷更新的粒子位置是否滿足約束條件，若不滿足，則用粒子個體最優(yōu)位置替代當(dāng)前粒子的新位置；所述約束條件為所有小基站的回傳容量不小于無線接入端容量和回傳帶寬比例因子取值不大于1和不小于0；

利用相似度變異準(zhǔn)則執(zhí)行所述粒子的隨機(jī)變異；

最后更新粒子的速度、個體最優(yōu)位置、全局最優(yōu)位置；

判斷是否達(dá)到最大迭代次數(shù)，

若不滿足，則重復(fù)上述步驟；否則，所有小基站用于無線回傳的頻帶比例分配算法結(jié)束；

進(jìn)一步，所述粒子的位置更新為前一次迭代的所述粒子位置與速度之和。

進(jìn)一步，所述利用相似度變異準(zhǔn)則對粒子執(zhí)行隨機(jī)變異，具體包括以下步驟：

計(jì)算粒子與當(dāng)前迭代中最優(yōu)粒子的歐氏距離，判斷所述距離的區(qū)間范圍，

若距離小于預(yù)定的最小距離，則粒子與最優(yōu)粒子的相似度為1，

若距離大于預(yù)定的最大距離，則粒子與最優(yōu)粒子的相似度為0，

否則所述粒子與最優(yōu)粒子的相似度介于0到1之間，且隨所述距離與預(yù)先設(shè)定的最大距離的比值的冪函數(shù)變化；

計(jì)算系統(tǒng)中所有粒子的相似度總和，即為聚集度；

如果所述粒子的位置小于聚集度與所述粒子和最優(yōu)粒子的相似度的乘積，則重新隨機(jī)定義所述粒子的位置，令其滿足所述約束條件。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供的一種基于自回傳小蜂窩網(wǎng)絡(luò)的虛擬資源分配方法，通過在每個離散調(diào)度時隙上根據(jù)每個小基站下的接入容量情況動態(tài)調(diào)整用于無線回傳的頻帶比例，達(dá)到了充分利用頻帶資源的目的，同時又減少了用戶的在小基站處的處理時延。虛擬層聯(lián)合服務(wù)提供商服務(wù)的用戶的無線信道質(zhì)量信息和隊(duì)列緩存信息，以最大化的服務(wù)提供商平均總收益為目標(biāo)為每個服務(wù)提供商分配無線資源，在提升系統(tǒng)中所有服務(wù)提供商平均總收益的同時有效地保持系統(tǒng)穩(wěn)定性。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說明：

圖1為本實(shí)施例的場景示意圖；

圖2為單時隙上的資源分配工作流程圖；

圖3為計(jì)算所有小基站用于無線回傳的頻帶比例的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。

本發(fā)明提供的提供一種基于自回傳小蜂窩網(wǎng)絡(luò)的虛擬資源分配方法，在每個離散調(diào)度時隙上根據(jù)每個小基站下的接入容量情況動態(tài)調(diào)整用于無線回傳的頻帶比例，本發(fā)明提供的方法能夠充分利用頻帶資源，又可以減少用戶的在小基站處的處理時延。

參見圖1，圖1為本發(fā)明的研究場景示意圖。在本發(fā)明實(shí)施例中，考慮在某一地理區(qū)域中，工作在離散時隙集合的上行無線虛擬網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的底層物理資源池由1個宏基站和n個具有自回傳功能的小基站組成，用表示系統(tǒng)中的基站集合。資源池中的資源被k個服務(wù)提供商所共享，每個服務(wù)提供商k服務(wù)uk個用戶，用(k,u)表示第k個服務(wù)提供商服務(wù)的第u個用戶，系統(tǒng)中的用戶集合表示為虛擬層的功能是負(fù)責(zé)將來自各基站的物理資源虛擬化，提供給不同的sp。虛擬層中的資源管理功能由虛擬網(wǎng)絡(luò)控制器和虛擬網(wǎng)絡(luò)管理器實(shí)現(xiàn)，虛擬網(wǎng)絡(luò)控制器搜集各基站的可用資源信息、用戶狀態(tài)信息(用戶緩存隊(duì)列信息和信道條件)和切片需求信息。為了在滿足用戶的平均隊(duì)列穩(wěn)定性約束和服務(wù)提供商平均速率需求的前提下實(shí)現(xiàn)所有服務(wù)提供商最大的平均總收益，虛擬網(wǎng)絡(luò)管理器需要動態(tài)地為服務(wù)提供商服務(wù)的用戶分配虛擬資源。

本發(fā)明提供的提供一種基于自回傳小蜂窩網(wǎng)絡(luò)的虛擬資源分配方法，具體包括以下步驟：

步驟1，虛擬網(wǎng)絡(luò)管理器獲取各基站的可用虛擬資源信息、用戶狀態(tài)信息和切片需求信息，所述用戶狀態(tài)信息包括用戶信道質(zhì)量信息和緩存隊(duì)列信息；

步驟2，虛擬網(wǎng)絡(luò)管理器為每個服務(wù)提供商所服務(wù)的用戶分配虛擬資源，并動態(tài)調(diào)整自回傳小基站用于無線回傳的頻帶比例；

在虛擬資源分配過程中，保證每個服務(wù)供應(yīng)商的最低平均速率需求，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性以及小蜂窩回傳容量限制。

保證每個服務(wù)供應(yīng)商的最低平均速率需求，具體為：

保證每個服務(wù)供應(yīng)商的平均速率需求不小于預(yù)設(shè)值。平均速率需求為服務(wù)提供商所服務(wù)的所有用戶在長時間上求平均后的速率。按照虛擬資源分配算法，至少需要為每個服務(wù)供應(yīng)商提供可滿足最低平均速率需求的無線資源。

保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，具體為：

系統(tǒng)中所有的隊(duì)列都需要滿足

其中，為服務(wù)提供商k服務(wù)的用戶u的時間平均隊(duì)列長度，t為預(yù)先定義的最大調(diào)度時刻。在每個離散時隙上分配虛擬資源，需要保證系統(tǒng)內(nèi)所有用戶的隊(duì)列不會隨著時間的推進(jìn)而持續(xù)增加。

保證小蜂窩回傳容量限制，具體為：

在每個離散時隙上，通過為系統(tǒng)內(nèi)所有小基站分配無線回傳帶寬資源以保證小基站的回傳容量不小于接入端容量，以此避免用戶數(shù)據(jù)在自回傳小基站處堆積而引起不必要的丟包或處理延遲等。

每個離散時隙上的資源分配工作流程圖，如圖2所示，步驟如下：

1)初始化設(shè)置系統(tǒng)各參數(shù)，包括懲罰因子v、收斂誤差系數(shù)、時間因子tmax等，特別地，令時間指示t＝0，且系統(tǒng)內(nèi)所有服務(wù)供應(yīng)商所服務(wù)的用戶的緩存的隊(duì)列為0。

2)在每個離散調(diào)度時隙的開始時刻，初始設(shè)置無線接入與無線回傳的比例因子，令回傳與接入頻帶各占全部帶寬的二分之一。

3)在給定初始的所述所有小基站用于無線回傳的頻帶比例下，分別按照無線接入頻帶資源分配公式：

計(jì)算各服務(wù)提供商服務(wù)的用戶在給定所有小基站用于無線回傳的頻帶比例下的無線接入頻帶的資源量，

其中，為所述服務(wù)提供商k服務(wù)的用戶u獲得的無線接入頻帶的資源量；

v為懲罰因子，用于平衡所述sp平均總收益和系統(tǒng)隊(duì)列穩(wěn)定；

ωk為服務(wù)提供商k向用戶u提供服務(wù)收取的回報(bào)；

γk為服務(wù)提供商k向基礎(chǔ)設(shè)備供應(yīng)商租賃無線接入資源所支付的成本；

α為給定的所述所有小基站用于無線回傳的頻帶比例；

ρk為服務(wù)提供商k向基礎(chǔ)設(shè)備供應(yīng)商租賃無線回傳資源所支付的成本；

dk(t)為服務(wù)提供商k在當(dāng)前調(diào)度時隙上的虛擬速率隊(duì)列；

為服務(wù)提供商k服務(wù)的用戶u在當(dāng)前調(diào)度時隙上的瞬時速率；

λn和βn為拉格朗日乘子。

4)利用梯度法更新所有基站的拉格朗日乘子的值。

5)判斷更新后拉格朗日乘子的值與前一次迭代的值的差值是否小于預(yù)定門限值，若不滿足，則繼續(xù)跳轉(zhuǎn)到步驟3)，否則執(zhí)行步驟6)。

6)給定所述的每個服務(wù)提供商服務(wù)的用戶分配的接入頻帶資源量，計(jì)算所述所有小基站用于無線回傳的頻帶比例。

7)判斷當(dāng)前迭代更新的系統(tǒng)內(nèi)所有服務(wù)供應(yīng)商的瞬時收益總和與前一次更新的瞬時總收益的差值是否低于預(yù)定門限值，若不滿足，則跳轉(zhuǎn)到步驟3)，否則執(zhí)行步驟8)。

8)將資源分配決策通知給所有小基站和服務(wù)供應(yīng)商所服務(wù)的用戶，所有小基站根據(jù)分配到的用于無線回傳的頻帶比例將用戶數(shù)據(jù)傳遞給宏基站，服務(wù)供應(yīng)商所服務(wù)的用戶根據(jù)分配到的無線接入頻帶資源發(fā)送數(shù)據(jù)，并根據(jù)函數(shù)式：

q(k,u)(t+1)＝max{q(k,u)(t)+a(k,u)(t)-z(k,u)(t)，0}

更新緩存隊(duì)列，

其中，q(k,u)(t+1)為服務(wù)提供商k服務(wù)的用戶u在下一個調(diào)度時隙開始時的隊(duì)列長度；

q(k,u)(t)為服務(wù)提供商k服務(wù)的用戶u在當(dāng)前調(diào)度時隙開始時的隊(duì)列長度；

a(k,u)(t)為服務(wù)提供商k服務(wù)的用戶u在當(dāng)前調(diào)度時隙上新到達(dá)的數(shù)據(jù)包個數(shù)；

z(k,u)(t)為服務(wù)提供商k服務(wù)的用戶u在當(dāng)前調(diào)度時隙上離開的數(shù)據(jù)包個數(shù)。

9)判斷調(diào)度時隙是否達(dá)到最大的時隙值tmax，若不滿足，則跳轉(zhuǎn)到步驟2)，否則算法結(jié)束。

圖3為無線回傳頻帶分配方法的流程圖，具體步驟為：

(1)設(shè)置算法所需的各類參數(shù)值，如粒子群規(guī)模、最大速度門限值等，并令迭代次數(shù)j＝0；

(2)隨機(jī)初始化各粒子的位置和速度；

(3)初始化各粒子的個體最優(yōu)位置和全局最優(yōu)位置，其中個體最優(yōu)最值即為粒子初始化的位置，全局最優(yōu)位置為當(dāng)前粒子中具有最優(yōu)適應(yīng)值的粒子所對應(yīng)的位置；

(4)利用前一次迭代的所述粒子位置與速度的和代表所述粒子的新位置；

(5)判斷更新的粒子的位置是否滿足約束條件，

所約束條件為所有小基站的回傳容量不小于無線接入端容量和回傳帶寬比例因子取值不大于1和不小于0。

若不滿足則執(zhí)行步驟(6)，否則執(zhí)行步驟(7)；

(6)用粒子個體最優(yōu)位置替代當(dāng)前所述粒子的新位置；

(7)基于相似度對粒子進(jìn)行隨機(jī)變異，具體為：

計(jì)算粒子與當(dāng)前迭代中最優(yōu)粒子的歐氏距離，判斷所述距離的區(qū)間范圍，

若距離小于預(yù)定的最小距離，則粒子與最優(yōu)粒子的相似度為1，

若距離大于預(yù)定的最大距離，則粒子與最優(yōu)粒子的相似度為0，

否則所述粒子與最優(yōu)粒子的相似度介于0到1之間，且隨所述距離與預(yù)先設(shè)定的最大距離的比值的冪函數(shù)變化；

計(jì)算系統(tǒng)中所有粒子的相似度總和，即為聚集度；

如果粒子的位置小于聚集度與粒子與最優(yōu)粒子的相似度的乘積，則重新隨機(jī)定義所述粒子的位置，令其滿足所述約束條件；

(8)更新各粒子的速度、個體最優(yōu)位置和全局最優(yōu)位置；

(9)判斷是否達(dá)到最大迭代次數(shù)，若不滿足，則迭代次數(shù)加1，并跳轉(zhuǎn)到步驟(4)，否則輸出無線回傳頻帶比例。

最后說明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其做出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。