基于机会共享的无线虚拟化资源分配方法
【专利摘要】本发明涉及移动与无线网络【技术领域】，提供了一种基于机会共享的无线虚拟化资源分配方法，该方法包括：确定物理网络的资源总量；确定虚拟网络的数量和每个虚拟网络的资源需求，包括基线需求、弹性需求、以及所述弹性需求发生的概率；确定每个虚拟网络需要支付的价格，所述价格为关于其资源需求的凹函数；设定约束条件，包括虚拟网络分配的资源总量不超过所述网络的资源总量，一份资源至多被一份基线需求占用，不同虚拟网络的弹性需求共占同一份资源时的冲突概率不超过预定的冲突门限；在所述约束条件下，通过算法计算使物理网络总收益最大的资源分配方式。本发明可以提升资源的利用率和使用收益，有利于实现网络服务的定制化、提高服务质量。
【专利说明】基于机会共享的无线虚拟化资源分配方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及移动与无线网络【技术领域】，具体涉及一种基于机会共享的无线虚拟化资源分配方法。
【背景技术】
[0002]移动与无线网络在过去几十年间取得了举世瞩目的成就，已经成为影响人们生活最深远的技术之一。然而，随着近年来人们对移动数据量的需求爆炸式地与日俱增，现有的移动和无线网络遇到了若干棘手的问题和瓶颈。首先，多个著名的运营商表示频谱资源已变得极为匮乏，难以满足日益增长的移动数据需求。然而在实际中，用户身边存在着大量的空闲移动资源，却没有得到高效的利用，这使得大量频谱资源出现了浪费。其次，移动互联网的日益兴盛使得新服务不断涌现。不同的服务对网络特性的需求是不同的，如VoIP要求低延时但对带宽的需求并不高，而视频等流业务则要求高的带宽而对延时有一定容忍。然而，现有网络采用单一的网络特性去支持多种服务，难以针对服务特点提供定制的网络保障，从而影响服务质量（QoS)和体验质量（QoE)。
[0003]无线网络虚拟化技术旨在同一张共享的底层物理无线网络之上并行运行多张虚拟无线网络。物理无线网络占有、管理并协调物理无线资源。虚拟无线网络本身不占有资源，向物理网络申请(租用）资源来向终端用户提供服务。无线网络虚拟化能够高效解决移动和无线网络所面临的上述棘手问题。首先，无线网络虚拟化将资源提供与服务提供解耦，所有虚拟网络均共享同样的物理网络，使得物理网络能够更加有效地优化和分配无线资源，从而大幅度节约了无线资源，提高无线资源的利用率。另一方面，不同类型的服务可以由不同的虚拟网络来承载，因此物理网络可以根据不同服务的类型来为相应的虚拟网络提供最优的资源和调度保障，从而实现了网络服务的可定制，显著提升服务质量（QoS)和体验质量（QoE)。
[0004]无线网络虚拟化中的一个最基本和重要的问题便是虚拟无线资源分配问题。大量虚拟网络对资源有着不同的需求，资源需要根据这些需求有效地进行无线资源的分配。在无线资源之中，最为重要和稀缺的便是频谱资源。因此，虚拟无线网络频谱资源分配问题便成为了首要的关键问题。传统资源分配方法均假设资源需求方的需求是固定的，然而在无线网络虚拟化环境中，虚拟网络所申请的资源往往按照峰值需求来申请，即大多数时间所申请的资源并没有得到使用，从而产生了资源浪费，制约了资源的利用率和使用收益的提闻。
【发明内容】
[0005](一）解决的技术问题
[0006]针对现有技术的不足，本发明提供一种基于机会共享的无线虚拟化资源分配方法，可以提升资源的利用率和使用收益，有利于实现网络服务的定制化、提高服务质量。
[0007](二）技术方案[0008]为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现:
[0009]一种基于机会共享的无线虚拟化资源分配方法，其特征在于，该方法包括:
[0010]确定物理网络的资源总量；
[0011]确定虚拟网络的数量和每个虚拟网络的资源需求，包括基线需求、弹性需求、以及所述弹性需求发生的概率；
[0012]确定每个虚拟网络需要支付的价格，所述价格为关于其资源需求的凹函数；
[0013]设定约束条件，包括虚拟网络分配的资源总量不超过所述网络的资源总量，一份资源至多被一份基线需求占用，不同虚拟网络的弹性需求共占同一份资源时的冲突概率不超过预定的冲突门限；
[0014]在所述约束条件下，通过算法计算使物理网络总收益最大的资源分配方式。
[0015]优选地，所述算法为基于动态规划的迭代算法，该算法包括:
[0016]初始化在U=O或V=O时的值为0，其中表示前u个虚拟网络被承载在资源总量为V的物理网络中的最大收益，u不超过所述虚拟网络的数量ην，ν不超过所述物理网络的资源总量C ；
[0017]按迭代公式依次计算在U=I至u=nv时的所有值；
[0018]所求分配方式为对应的分配结果；
[0019]所述迭代公式为:
[0020]其中bu与fu分别为第U个虚拟网络的基线需求和弹性需求，为第u个虚拟网络所需占用的新的空闲资源总量，为加入第u个虚拟网络所增加的物理网络的总收益。
[0021]优选地，所述第U个虚拟网络所需占用的新的空闲资源总量的计算步骤包括:
[0022]步骤S201:计算该虚拟网络的弹性需求与物理网络中已经被其它虚拟网络弹性需求占用的每一份资源的冲突概率；
[0023]步骤S202:将所述冲突概率不大于所述冲突门限的资源加入候选集合中，并记候选集合的资源量为η ；
[0024]步骤S203:若η > fu,则从所述候选集合中选取fu份资源分配给该虚拟网络的弹性需求，所述=bu,并转至步骤S206 ；
[0025]步骤S204:若n〈fu且剩余空闲资源量大于bu+fu_n,则将所述候选集合中的所有资源，和剩余空闲资源中选取的fu-n份资源分配给该虚拟网络的弹性需求，所述=bu+fu_n,转至步骤 S206 ；
[0026]步骤S205:拒绝该虚拟网络，保持原分配结果不变；
[0027]步骤S206:接受该虚拟网络，记录此时对应的分配结果。
[0028]优选地，所述步骤201中，所述冲突概率，其中PU为该虚拟网络的所述弹性需求发生的概率，为该份资源的所有虚拟网络弹性需求均不发生的概率，为该份资源的所有虚拟网络弹性需求中只发生一个的概率。
[0029]优选地，所述从所述候选集合中选取fu份资源分配给该虚拟网络的弹性需求包括:
[0030]对于每份资源，计算所述冲突门限与所述冲突概率的差值，和该差值与所述的比值；
[0031]按所述比值从小到大顺序排列，并取前fu份资源分配给该虚拟网络的弹性需求。[0032]优选地，所述步骤S203和步骤204还包括：在转至步骤S206之前，更新的值为、的值为。
[0033]优选地，其特征在于，所述资源为频谱资源，所述一份资源为一个信道。
[0034](三）有益效果
[0035]本发明至少具有如下的有益效果：
[0036]本发明的要点在于区分了虚拟网络中的基线需求与弹性需求，其中基线需求即为每个虚拟网络须独占的固定资源需求，而弹性需求为按一定概率发生的不固定的资源需求。通过给每个虚拟网络的基线需求分配固定的资源、而使各虚拟网络的弹性需求机会共享相同的资源，相比较不区分的资源分配方式，就可以使等量的资源满足更多虚拟网络的需求，达到提高利用率的目的，并且还提出了一种分析资源需求的新视角，有利于实现网络服务的定制化、提高服务质量。
[0037]而且，本发明还采取了定价的方式来表示虚拟网络为得到所需求资源而需要付出的价格，价格以一个关于其资源需求的凹函数来表示，基于这种“资源数-对应价格”这一“需求商品-商品价格”关系，不仅可以使用现有的经济学模型和算法解决资源分配问题，有利于进一步地提升总体的收益和资源的利用率，同时还有利于从物理网络与虚拟网络间的经济关系这一视角上分析资源分配问题，给该类的问题提供一种新的思路。
[0038]当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
[0040]图I是本发明一个实施例中一种基于机会共享的无线虚拟化资源分配方法流程图；
[0041]图2是本发明一个实施例中所述无线虚拟化网络结构图；
[0042]图3是本发明一个实施例中第u个虚拟网络所需占用的新的空闲资源总量>9的计算步骤流程图。
【具体实施方式】
[0043]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]本发明实施例提出了 一种基于机会共享的无线虚拟化资源分配方法，参见图I，该方法包括：
[0045]步骤101 :确定物理网络的资源总量；
[0046]步骤102 :确定虚拟网络的数量和每个虚拟网络的资源需求，包括基线需求、弹性需求、以及所述弹性需求发生的概率；
[0047]步骤103:确定每个虚拟网络需要支付的价格，所述价格为关于其资源需求的凹函数；
[0048]步骤104:设定约束条件，包括虚拟网络分配的资源总量不超过所述网络的资源总量，一份资源至多被一份基线需求占用，不同虚拟网络的弹性需求共占同一份资源时的冲突概率不超过预定的冲突门限；
[0049]步骤105:在所述约束条件下，通过算法计算使物理网络总收益最大的资源分配方式。
[0050]参见图2，本发明实施例所处的背景是:在无线虚拟化网络结构中，有若干个虚拟网络和一个物理网络。虚拟网络本身不占有资源，其通过向物理网络申请资源而得以运行。物理网络占有资源，会根据虚拟无线网络的资源需求向其分配资源。若干虚拟网络并行运行于物理网络之上,共享物理网络的资源。
[0051]在本发明实施例中，所说的资源具体指频谱资源(实际上也可以是其他资源形式)，而用信道数来衡量资源的数量。从而可以具体构建此情景下资源分配问题的数学模型:
[0052]步骤101:确定物理网络的资源总量C，即表征为共含有C个无线信道的物理网络资源模型；
[0053]步骤102:确定虚拟网络的数量和每个虚拟网络的资源需求，包括基线需求、弹性需求、以及所述弹性需求 发生的概率。这里具体取所述虚拟网络资源模型表征为共含有nv
个虚拟网络，其资源需求集合为9? = G，/ = 1,2,其中g为第i个虚拟网络的资源需求
(向量)，表示为/; =d./,+，厂;)，其中匕表示所述基线需求，A表示所述弹性需求，Pi表示所述弹性需求发生的概率。
[0054]步骤103:确定每个虚拟网络需要支付的价格，所述价格为关于其资源需求的凹函数。也就是设定每个虚拟网络需要支付的价格关于其资源需求的凹函数，可以表示为
P1=/(η) ο
[0055]步骤104:设定约束条件，包括虚拟网络分配的资源总量不超过所述网络的资源总量，一份资源至多被一份基线需求；占用不同虚拟网络的弹性需求共占同一份资源时的冲突概率不超过预定的冲突门限。也就是说，当基线需求占用若干份资源时，这若干份资源就不能被其他需求占用了 ；而在满足冲突概率不超过预定的冲突门限的条件下，占用不同虚拟网络的弹性需求可以共同占用同一份资源。
[0056]步骤105:在所述约束条件下，通过算法计算使物理网络总收益最大的资源分配方式，也就是确定目标函数为要使物理网络总收益最大。
[0057]自此，该资源分配问题的数学模型就被固定下来了，其可以采用多种现有算法来解决。可见，该方法区分了虚拟网络中的基线需求与弹性需求，其中基线需求即为每个虚拟网络须独占的固定资源需求，而弹性需求为按一定概率发生的不固定的资源需求。也就是说，基线需求独占物理网络资源；而弹性需求按照概率出现，从属于不同虚拟网络的弹性需求可以机会共享相同的物理网络资源，但其也需要满足一定的约束条件。在这种情形下，资源分配问题中就考虑到了不同虚拟网络机会共享同一资源的情况，通过给每个虚拟网络的基线需求分配固定的资源、而使各虚拟网络的弹性需求在一定的约束条件下可以机会共享相同的资源。相比较不区分的资源分配方式，就可以使等量的资源满足更多虚拟网络的需求，达到提高利用率的目的，并且还提出了一种分析资源需求的新视角，有利于实现网络服务的定制化、提闻服务质量。
[0058]而且，本发明还采取了定价的方式来表示虚拟网络为得到所需求资源而需要付出的价格，价格以一个关于其资源需求的凹函数来表示，基于这种“资源数-对应价格”这一“需求商品-商品价格”关系，不仅可以使用现有的经济学模型和算法解决资源分配问题，有利于进一步地提升总体的收益和资源的利用率，同时还有利于从物理网络与虚拟网络间的经济关系这一视角上分析资源分配问题，给该类的问题提供一种新的思路。
[0059]下面就这一数学模型，提供一种优选算法一基于动态规划的迭代算法来展示本发明所提出的方法，该算法包括：
[0060]初始化OptMu,v在U=O或V=O时的值为0，其中OptMu,v表示前u个虚拟网络被承载在资源总量为V的物理网络中的最大收益，u不超过所述虚拟网络的数量nv，V不超过所述物理网络的资源总量C ;
[0061]按迭代公式依次计算0ptMu，v在U=I至u=nv时的所有值；
[0062]所求分配方式为OP削对应的分配结果；
[0063]所述迭代公式为：
[0064]
【权利要求】
1.一种基于机会共享的无线虚拟化资源分配方法，其特征在于，该方法包括： 确定物理网络的资源总量； 确定虚拟网络的数量和每个虚拟网络的资源需求，包括基线需求、弹性需求、以及所述弹性需求发生的概率； 确定每个虚拟网络需要支付的价格，所述价格为关于其资源需求的凹函数； 设定约束条件，包括虚拟网络分配的资源总量不超过所述网络的资源总量，一份资源至多被一份基线需求占用，不同虚拟网络的弹性需求共占同一份资源时的冲突概率不超过预定的冲突门限； 在所述约束条件下，通过算法计算使物理网络总收益最大的资源分配方式。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述算法为基于动态规划的迭代算法，该算法包括： 初始化OptMu，v在U=O或V=O时的值为0，其中OptMu，v表示前u个虚拟网络被承载在资源总量为ν的物理网络中的最大收益，u不超过所述虚拟网络的数量ην，ν不超过所述物理网络的资源总量C ; 按迭代公式依次计算OptMu，v在U=I至u=nv时的所有值； 所求分配方式为^V,c对应的分配结果； 所述迭代公式为：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第u个虚拟网络所需占用的新的空闲资源总量的计算步骤包括： 步骤S201 :计算该虚拟网络的弹性需求与物理网络中已经被其它虚拟网络弹性需求占用的每一份资源的冲突概率； 步骤S202 :将所述冲突概率不大于所述冲突门限的资源加入候选集合中，并记候选集合的资源量为η ； 步骤S203 :若η > fu，则从所述候选集合中选取fu份资源分配给该虚拟网络的弹性需求，所述匕，并转至步骤S206 ； 步骤S204 :若n〈fu且剩余空闲资源量大于bu+fu-n，则将所述候选集合中的所有资源，和剩余空闲资源中选取的fu_n份资源分配给该虚拟网络的弹性需求，所述式",=&+/,)-?，转至步骤S206 ； 步骤S205 :拒绝该虚拟网络，保持原分配结果不变； 步骤S206 :接受该虚拟网络，记录此时OptMu，v对应的分配结果。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤201中，所述冲突概率Prrallism= I-Prntme-(I-Pu)Pr·其中Pu为该虚拟网络的所述弹性需求发生的概率，Prn为该份资源的所有虚拟网络弹性需求均不发生的概率，Prone为该份资源的所有虚拟网络弹性需求中只发生一个的概率。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述从所述候选集合中选取fu份资源分配给该虚拟网络的弹性需求包括: 对于每份资源，计算所述冲突门限与所述冲突概率的差值，和该差值与所述Pr.的比值； 按所述比值从小到大顺序排列，并取前fu份资源分配给该虚拟网络的弹性需求。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S203和步骤204还包括:在转至步骤 S206 之前，更新 Prntme 的值为(1-Pu) Prn°ne、Pr°ne 的值为(l_pu) Pr°ne+puPrn°ne。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的方法，其特征在于，所述资源为频谱资源，所述一份资源为一个信道。
【文档编号】H04W72/04GK103781081SQ201410073830
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年2月28日 优先权日:2014年2月28日
【发明者】杨懋, 李勇, 苏厉, 金德鹏, 曾烈光 申请人:清华大学