一种无线虚拟化中基于吞吐量最大化的资源分配方法

技术领域

本发明属于移动与无线网络技术领域，具体涉及无线虚拟化中基于吞吐量最大化的资源 分配方法。

背景技术

《国际电子与电气工程师协会无线通信》("Wirelessvirtualizationfornextgeneration mobilecellularnetworks."WirelessCommunications,IEEE,Vol.22,pp.61-69,2015)指出，无线 虚拟化可以解耦物理无线网络和网络服务提供，实现多个服务提供商定制的虚拟无线网络共 存于同一物理无线网络之上，并共享底层物理网络资源，从而提高无线网络的灵活性和可扩 展性，是构建未来无线网络的关键技术之一。在无线虚拟化中，物理网络提供商可以将其所 拥有的物理无线网络资源进行抽象和切割，并分配给多个虚拟无线网络使用；虚拟无线网络 使用获得的网络资源为其服务的用户提供网络服务。由于无线信道的时变和广播特性，《国 际电子与电气工程师协会通信调研和综述》("Wirelessnetworkvirtualization:Asurvey,some researchissuesandchallenges."CommunicationsSurveys&Tutorials,IEEE,Vol.17,pp.358-380, 2015)指出，如何高效地为多个虚拟无线网络分配网络资源是无线虚拟化所面临的重要挑战 之一。

《移动网络与管理》("AnovelLTEwirelessvirtualizationframework."MobileNetworks andManagement.vol.68,pp.245-257,2011)中提出了一种长期演进移动网络系统中的无线虚 拟化框架，该框架中的管理程序(Hypervisor)实体负责无线信道信息的获取和相应的资源分配 决策。《移动网络及应用》("LTEmobilenetworkvirtualization."MobileNetworksand Applications,vol.16,pp.424-432,2011)中提出的一种静态资源配置方法，在无线虚拟网络建 立时按其资源需求静态地配置相应的网络资源，并保证虚拟无线网络的资源配置不随时间变 化。《国际电子与电气工程师协会车载技术会议》("LTEWirelessNetworkVirtualization: DynamicSlicingviaFlexibleScheduling."VehicularTechnologyConference(VTCFall),IEEE, 2014)中提出的一种动态资源分配方法，能够在保证每个虚拟无线网络获得的最小的时频资 源块数目前提下，根据无线信道信息为每个虚拟无线网络动态地分配时频块资源。但已有的 方法主要是基于无线信道状态信息，而忽略了虚拟无线网络中用户业务流量的波动性，这可 能导致已有方法在资源分配过程中存在资源供需不匹配问题，从而造成网络资源的浪费，降 低网络资源的利用率。

发明内容

本发明的目的是提出一种无线虚拟化中基于吞吐量最大化的资源分配，以减小资源分配 过程中供需不匹配所造成的资源浪费，提高虚拟无线网络的总平均吞吐量性能和虚拟无线网 络用户的平均队列时延性能。

本发明无线虚拟化中基于吞吐量最大化的资源分配方法，包括，在时间轴上的连续等长 时隙集合中的每个时隙t,物理网络提供商将其所拥有的网络资源以正交频分多址接 入子载波和发射功率的形式分配给虚拟无线网络使用；每个虚拟无线网络使用获得的子载波 资源和发射功率资源为其所服务的用户提供服务；

其特征在于：

物理网络提供商为虚拟无线网络提供最小平均资源量保证；根据虚拟无线网络用户的流 量信息、无线信道状态信息以及历史资源分配信息，动态的调整虚拟无线网络在每个时隙中 所获得的网络资源量；每个时隙t,中的具体操作步骤如下：

第一步：收集该时隙中每个虚拟无线网络的用户流量队列信息、无线信道状态信息以及 虚拟无线网络的历史资源分配信息；

所述虚拟无线网络的用户流量队列信息表示运行在物理 无线网络之上的虚拟无线网络集合，表示虚拟无线网络n,所服务的用户集合，表示虚拟无线网络n所服务用户m,的流量队列长度；所述虚拟无线网络的用户的信 道状态信息表示物理无线网络可用子载波资源集合， 表示虚拟无线网络n所服务的用户m在子载波k,上的信道功率增益；所述虚拟无 线网络的历史资源分配信息包括历史子载波分配信息和历史发射功率分配 信息其中和分别表示虚拟无线网络n,在时隙t时的历史子载 波分配信息和历史发射功率分配信息；

第二步：根据虚拟无线网络用户的流量队列信息使用准入控制公式

对每个虚拟无线网络所服务的用户在时隙t内到达的流量进行准入控制；其中，和分 别表示虚拟无线网络n,中用户m,在时隙t内到达的流量大小和准入控制后的 流量大小，虚拟无线网络权重ω_n＞0,设计参数V＞0；

第三步：根据虚拟无线网络用户的流量队列信息无线信道状态信息以及虚拟无 线网络的历史资源分配信息和计算每个虚拟无线网络在该时隙内获得的子载波集合 和发射功率大小如下：

先初始化辅助变量μ＝0；

然后使用功率分配公式

$p_{m,k}^{n,t}={[\frac{{\mathrm{\tau Q}}_m^{n,t}}{(\mu +J_n^t)ln\left(2\right)}-\frac{\sigma }{g_{m,k}^{n,t}}]}_0^{P_T}---\left(2\right)$

计算虚拟无线网络用户在每个子载波上的获得的发射功率其中，表示虚拟无线网 络n,的用户m,在子载波k,上所获得的发射功率大小，τ表示每个时隙 的时间长度，σ表示每个子载波上的噪声功率值；P_T表示物理无线网络的最大可用发射功率， 符号${[·]}_a^b=max(a,min(·,b\left)\right);$

使用子载波分配指示度量计算公式

计算子载波分配指示度量其中，表示虚拟无线网络n,所服务的用户 m,在子载波k,上的子载波分配指示度量，表示物理无线网络可用子载波资 源集合中的元素数目；

使用子载波分配公式

计算每个子载波k,的分配结果其中，表示子载波k,被分配给虚拟 无线网络n,所服务的用户m,否则，

保存当前的辅助变量值为并根据迭代更新公式

$\mu =max\{\mu +s(\underset{n}{\Sigma }\underset{m}{\Sigma }\underset{k}{\Sigma }{p}_{m,k}^{n,t}{x}_{m,k}^{n,t}-P_T),0\}---\left(5\right)$

更新辅助变量，其中辅助变量更新步长s＞0；

重复上面的使用功率分配公式计算、子载波分配指示度量计算、子载波分配公式计算、 以及根据迭代更新公式更新辅助变量的操作过程，直至满足迭代终止条件公式

$\left|\hat{\mu }-\mu \right|<ϵ---\left(6\right)$

其中终止门限ε＞0；并利用功率分配公式、子载波分配指示度量计算公式以及子载波分配 公式计算得到最终的功率分配结果和子载波分配结果

第四步：使用历史资源分配信息更新公式

更新并保存保存虚拟网络的历史资源分配信息；其中，虚拟无线网络平均资源比例保证因子 α_n,0＜α_n＜1,满足

第五步：虚拟无线网络使用获得的子载波和发射功率资源为其服务的用户发送数据，使 用速率计算公式

计算每个用户发送数据的速率

第六步：结合第二步中的流量准入控制结果，根据用户流量队列更新公式

更新用户的流量队列长度。

本发明无线虚拟化中基于吞吐量最大化的资源分配方法由于在每个时隙的资源分配过 程中联合使用了虚拟无线网络的用户流量信息、信道状态信息以及虚拟无线网络的历史资源 分配信息，与现有无线虚拟化中只考虑瞬时无线信道状态信息而忽略虚拟无线网络中用户业 务流量波动性的资源分配方法相比，在满足每个虚拟无线网络的最小平均资源量的需求前提 下，能够根据虚拟无线网络中用户的流量信息、无线信道状态信息以及虚拟无线网络的历史 资源分配信息，动态的调整无线虚拟网络在每个时隙获得的资源量，从而可以减小资源分配 过程中供需不匹配所造成的资源浪费，提高虚拟无线网络的总平均吞吐量性能和虚拟无线网 络用户的平均队列时延性能。

附图说明：

图1为在不同的设计参数V设置下，本发明方法与已有的资源分配方法的虚拟无线网络 总平均吞吐量的对比图；

图2为在不同的设计参数V设置下，本发明方法与已有的资源分配方法的虚拟无线网络 用户平均队列时延的对比图；

图3为在不同的虚拟无线网络用户平均流量到达速率设置下，本发明方法与已有的资源 分配方法的虚拟无线网络总平均吞吐量的对比图；

图4为在不同的虚拟无线网络用户平均流量到达速率设置下，本发明方法与已有的资源 分配方法的虚拟无线网络用户平均队列时延的对比图。

具体的实施方式

下面结合附图通过实施例对本发明无线虚拟化中基于吞吐量最大化的资源分配方法进 行进一步的详细描述和具体说明。

实施例1：

本发明无线虚拟化中基于吞吐量最大化的资源分配方法，包括，在时间轴上连续等长时 隙集合中的每个时隙t,物理网络提供商将其所拥有的物理网络资源以正交频分多址 接入子载波和发射功率的形式分配给虚拟无线网络使用；每个虚拟无线网络使用获得子载波 资源和发射功率资源为其所服务的用户提供服务。

本实施例中无线虚拟化中基于吞吐量最大化的资源分配方法，在时隙中t,的资源 分配流程具体包括如下步骤：

第一步：收集该时隙中每个虚拟无线网络的用户流量队列信息、无线信道状态信息以及 虚拟无线网络的历史资源分配信息；

所述虚拟无线网络的用户流量队列信息表示运行在物理 无线网络之上的虚拟无线网络集合，表示虚拟无线网络n,所服务的用户集合，表示虚拟无线网络n所服务用户m,的流量队列长度；所述虚拟无线网络的用户的信 道状态信息表示物理无线网络可用子载波资源集合， 表示虚拟无线网络n所服务的用户m在子载波k,上的信道功率增益；所述虚拟无 线网络的历史资源分配信息包括历史子载波分配信息和历史发射功率分配 信息其中，和分别表示虚拟无线网络n,在时隙t时的历史子 载波分配信息和历史发射功率分配信息；

第二步：根据虚拟无线网络用户的流量队列信息使用准入控制公式(1)，即，

对每个虚拟无线网络所服务的用户在时隙t内到达的流量进行准入控制；其中和分别 表示虚拟无线网络n,中用户m,在时隙t,内到达的流量大小和被准入控 制后的流量大小，并且准入控制后的用户流量在该时隙的结尾被加入到对应的用户流量队列 中；虚拟无线网络权重ω_n＞0,表征虚拟无线网络间的差异性；设计参数V,V＞0,用于 平衡吞吐量性能和队列时延性能；

第三步：根据虚拟无线网络用户的流量队列信息无线信道状态信息以及虚拟无 线网络的历史资源分配信息和计算每个虚拟无线网络在该时隙内获得的子载波集合 和发射功率大小，具体过程如下：

第3A分步骤：初始化参数辅助变量μ＝0；

第3B分步骤：根据功率分配公式(2)，即

$p_{m,k}^{n,t}={[\frac{{\mathrm{\tau Q}}_m^{n,t}}{(\mu +J_n^t)ln\left(2\right)}-\frac{\sigma }{g_{m,k}^{n,t}}]}_0^{P_T}---\left(2\right)$

计算虚拟无线网络用户在每个子载波上的获得的发射功率其中，表示虚拟无线网 络n,的用户m,在子载波k,上所获得的发射功率大小，τ表示每个时隙 的时间长度，σ表示每个子载波上的噪声功率值；P_T表示物理无线网络的最大可用发射功率， 符号${[·]}_a^b=max(a,min(·,b\left)\right);$

第3C分步骤：根据子载波分配指示度量计算公式(3)，即

计算子载波分配指示度量其中，表示虚拟无线网络n,所服务的用户 m,在子载波k,上的子载波分配指示度量，表示物理无线网络可用子载波资 源集合中的元素数目；

第3D分步骤：根据子载波分配公式(4)，即

计算每个子载波k,的分配结果其中，表示子载波k,被分配给虚拟 无线网络n,所服务的用户m,否则，

第3E分步骤：将当前的辅助变量值保存为并根据迭代更新公式(5)，即

$\mu =max\{\mu +s(\underset{n}{\Sigma }\underset{m}{\Sigma }\underset{k}{\Sigma }{p}_{m,k}^{n,t}{x}_{m,k}^{n,t}-P_T),0\}---\left(5\right)$

更新辅助变量，其中辅助变量更新步长s＞0；

第3F分步骤：重复上述自分步骤3B-3E的操作，直至满足迭代终止条件公式(6)，即

$\left|\hat{\mu }-\mu \right|<ϵ---\left(6\right)$

其中终止门限ε＞0；并利用功率分配公式、子载波分配指示度量计算公式以及子载波分配 公式计算得到最终的功率分配结果和子载波分配结果

第四步：根据历史资源分配信息更新公式(7)，即

更新并保存每个虚拟网络的历史资源分配信息，以用于下一时隙的资源分配；其中虚拟无线 网络平均资源比例保证因子α_n,0＜α_n＜1,用于保证虚拟无线网络获得的平均资源量与物理 无线网络的可用资源量之比不低于虚拟无线网络平均资源比例保证因子α_n，并且所有虚拟 无线网络平均资源比例保证因子满足

第五步：虚拟无线网络使用获得的子载波和发射功率资源为其服务的用户发送数据，使 用速率计算公式(8)，即

计算用户发送数据的速率

第六步：结合前面第二步中的流量准入控制的结果，根据用户流量队列更新公式(9)，即

更新用户的流量队列长度。

下面利用仿真对本发明无线虚拟化中基于吞吐量最大化的资源分配方法和现有的静态 资源配置方法和动态资源分配方法的性能指标进行对比。所对比的性能指标包括：虚拟无线 网络的总平均吞吐量和虚拟无线网络用户的平均队列时延；

定义虚拟无线网络的总平均吞吐量为每个时隙所有虚拟无线网络用户的准入流量的之 和的平均值，即其中T表示时隙集合中的时隙个数；定义虚拟无线 网络用户的平均队列时延为所有虚拟无线网络用户队列时延的平均值，即 其中表示集合中元素的个数。

本实施例无线虚拟化中基于吞吐量最大化的资源分配方法的仿真具体设置如下：

考虑一个拥有32个正交频分多址接入子载波资源和5dBW的发射功率资源的物理网络 提供商，并设为两个虚拟无线网络提供网络资源；该两个虚拟无线网络中的用户数目均为5； 每个用户在子载波上的信道功率增益均服从均值为3的指数分布，子载波上的噪声功率 σ为1；虚拟无线网络平均资源比例保证因子分别为α₁＝3/8，α₂＝5/8；虚拟无线网络中 的用户的流量到达过程为一个泊松过程，且同一虚拟无线网络中的用户的平均流量到达速率 相同；本次仿真时间长度为5000个时隙，每个时隙的长度为一个单位时间τ＝1。

对本实施例中所使用的本发明无线虚拟化中基于吞吐量最大化的资源分配方法中的相 关公式参数的具体设置如下：虚拟无线网络用户初始的队列长度均设置为0；每个虚拟 无线网络的初始历史资源分配信息和均设置为0；所述准入控制公式(1)中的虚拟无线 网络权重ω_n均设置为1；所述迭代更新公式(5)中的辅助变量更新步长s设置为0.1；迭代终 止条件公式(6)中的终止门限ε＝10^-4；最终对比的结果使用每次仿真的5000个时隙仿真结果 的平均值，具体的仿真对比结果可参见所附图1、图2、图3和图4中所示。

图1为在不同的设计参数V设置下，采用本发明方法与已有的资源分配方法的虚拟无线 网络总平均吞吐量的对比结果。其中上面的实线A1、上面的虚线A2和下面的虚线A3分别 表示采用本发明方法、动态资源分配方法和静态资源配置方法的虚拟无线网络的总平均吞吐 量随设计参数V变化的曲线。在仿真中，两个虚拟无线网络中的每个用户的平均流量到达速 率均设置为5[bit/Hz/时隙]。从附图1可以看出，采用本发明方法的虚拟无线网络的总平均 吞吐量较已有的方法更大；且在V＞10的情况下，本发明方法较动态资源分配方法和静态资 源配置方法分别有4％和14％的性能增益；由此说明，使用本方法能够提高虚拟无线网络的 总平均吞吐量性能。

图2中的仿真设置与图1相同，图2对比了不同的设计参数V情况下，采用本发明方法 与已有方法的虚拟无线网络用户的平均队列时延性能。其中下面的实线B1、下面的虚线B2 和上面的虚线B3分别表示采用本发明方法、动态资源分配方法和静态资源配置方法的虚拟 无线网络用户的平均队列时延随着设计参数V变化的曲线。从附图2可以看出，采用本发明 方法较已有的方法，可以降低虚拟无线网络用户的平均队列时延，且在V＞10的情况下，本 发明较动态资源分配方法和静态资源配置方法分别有7％和18％的性能增益；由此说明，本 方法能够降低虚拟无线网络用户的平均队列时延。

图3对比了在不同的虚拟无线网络用户平均流量到达速率的情况下，三种资源分配方法 的虚拟无线网络的总平均吞吐量性能。其中上面的实线C1、上面的虚线C2和下面的虚线 C3分别表示使用本发明方法、动态资源分配方法和静态资源配置方法的虚拟无线网络的总 平均吞吐量随着虚拟无线网络用户平均流量到达速率的变化曲线。在仿真中，两个虚拟无线 网络中每个用户的平均流量到达速率均相同，设计参数V设置为15。从附图3可以看出， 在相同的虚拟无线网络用户平均流量到达速率的情况下，使用本发明方法较已有的动态资源 分配方法和静态资源配置方法最大分别有12％和17％的虚拟无线网络总平均吞吐量提升；由 此可以说明，使用本方法能够提高虚拟无线网络的总平均吞吐量性能；

图4中的仿真设置与图3一致，图4表示在不同的虚拟无线网络用户平均流量到达速率 的情况下，三种资源分配方法的虚拟无线网络用户的平均队列时延性能对比结果。其中，下 面的实线D1、下面的虚线D2以及上面的虚线D3分别表示采用本发明方法、动态资源分配 方法和静态资源配置方法的虚拟无线网络用户的平均队列时延性能随着虚拟无线网络用户 平均流量到达速率的变化曲线。从附图4可以看出，本发明方法能够降低虚拟无线网络用户 的平均队列时延，且较已有的方法均有10％以上的性能增益。由此可以说明，本方法能够降 低虚拟无线网络用户的平均队列时延。

通过上面的实施例，证明了本发明基于吞吐量最大化的资源分配方法，与现有无线虚拟 化中只考虑瞬时无线信道状态信息而忽略虚拟无线网络中用户业务流量波动性的资源分配 方法相比，在满足虚拟无线网络的最小平均资源量的需求前提下，通过对虚拟无线网络用户 的流量信息、无线信道状态信息以及历史资源分配信息的联合使用，动态的调整虚拟无线网 络在每个时隙中所获得的网络资源量，可以减小资源分配过程中供需不匹配所造成的资源浪 费，从而能够提高虚拟无线网络的总平均吞吐量性能和虚拟无线网络用户的平均队列时延性 能。