一种基于虚拟子网的资源分配和业务接入控制方法与流程

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种基于虚拟子网的资源分配和业务接入控制算法，可用于在单小区lte-a系统中，对多用户多业务需求进行接入控制

背景技术：

随着移动通信网络设计的固有不变形和用户激增的业务需求多变性之间矛盾的急剧增加，简单的传统移动通信系统已经很难满足用户未来多样化的需求，通过无线网络的虚拟化技术，物理基础设施和无线电频谱资源被抽象、隔离和共享，移动蜂窝网络设施能够脱离其提供的服务，在同一物理设施上提供不同的服务，移动蜂窝网络部署和操作的整体花费可以显著降低，同时，虚拟网络不受其他网络的干扰独立运行，保证新型技术更容易虚拟网络上实现，正是无线网络虚拟化的潜在优势使得越来越多的人研究这项技术。

datsikae,antonopoulosa,zorban,etal主要研究了lte-a网络中虚拟资源分配问题，提出了关于虚拟资源分配的匹配理论和一个分布式算法求解资源分配模型获得每个移动虚拟网络运营商的请求的可用资源，对vmno来说，其在保证最小的下行数量速率请求的基础上向pmno请求最多的虚拟资源片个数，通过提出了一种分布式的资源分配算法求解上述模型，vmno创建了一个虚拟资源片的降序性能列表，vmno传入请求需要资源并从性能列表的顶部开始寻找匹配虚拟资源片，根据虚拟资源片的反应采取不同的措施进行处理，经过有限步的操作后，分配变量可用收敛到一个稳定值，该方法仅仅满足了数据传输速率需求，没有提出更有效的方式来满足用户业务的时延qos特性，不适应于与实际的无线通信环境。

综上所述，现有技术存在的问题是：在已有的关于无线网络虚拟化技术的研究中，传统的研究业务时延的方法是首先估计信道模型的参数，如服务速率和服务时间的均值与方差，然后从构建的排队模型中提取qos特性，由于无线信道的时变特性和衰落特性，信道在一个调度时隙内处于不断变化的状态，计算服务速率和服务时间的均值与方差时的计算复杂度较高，利用排队论来提取时延qos特性过程很明显不易实现，而且在估计过程中容易导致得到的数据不够精确，已有的研究没有给出一种高效便捷的方式来满足用户的时延qos性能，无法在虚拟网中向用户提供更多类型和更高质量的服务，另外已有的研究默认信道资源充足，能够全部接入用户的业务请求，这与实际的无线通信场景不相符合。

技术实现要素：

发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种联合等效带宽和等效容量的无线虚拟网资源分配方法，利用等效带宽和等效容量保证业务服务的时延qos特性，虚拟网络向用户提供不同最大时延约束下的定制服务，最终实现业务的接入控制。

本发明实现上述目的的具体思路是，mac层初始化用户业务流策略集合，获得等效容量信息，然后统计各用户带有qos特性的等效带宽请求，通过等效带宽请求构建物理层资源分配模型，利用分支定界法求解子信道的分配矩阵，然后计算等效容量信息，通过等效容量构建mac层业务接入模型，利用梯度迭代求解算法最大化mac层效用函数，得到虚拟网服务用户业务流链路分割变量和业务接入变量，此时系统收益最大。其实现方案包括如下：

1)给定k个用户在第s个虚拟网内的业务流的qos特性其中，代表mac层k个用户在第s个虚拟网内的业务流的到达率，表示第s个虚拟网能容忍的最大时延，表示时延中断概率。

2)令初始迭代次数i＝0，将mac层各虚拟网中用户业务流的策略集合内所有元素初始化为1，其中为一个二值变量，表示第k个用户在第s个虚拟网内的业务流的接入情况，fs,k表示第k个用户在第s个虚拟网内的业务流，k是1到k之间的正整数，k为用户个数，s是1到s之间的正整数，s为虚拟网个数。

3)获取等效容量信息

3a)根据用户业务流的接入策略计算初始排队服务过程中第k条链路上的业务需求，其中代表mac层k个用户在第s个虚拟网内的业务流的到达率，同时获得初始时刻第k个用户的业务服务速率其中rn,k表示第k个用户分配到第n个资源块时的信道容量，其中n是1到n之间的正整数，n为资源块的个数；

3b)通过第k个用户的业务服务速率和业务需求计算初始时刻满足中端时延概率约束的qos指数通过和计算等效容量令i的值增加1；；

4)物理层建立资源分配模型：

4a)计算当前mac层向物理层提出带有qos特性的等效带宽请求

4b)物理层根据带有qos特性的等效带宽请求建立目标函数：

其中，表示物理层第k个链路的目标函数，上标phy代表物理层，表示信道分配变量。

该目标函数共有三条约束：

第一条约束，是要求每条信道只分配给一条物理链路使用；

第二条约束，是要求每条物理链路上分配到一种分配模式用于传递信息；

第三条约束，是要求信道分配变量为0-1的二值变量；

4b)物理层通过分支定界法最大化(4a)的目标函数，得到信道分配矩阵；

5)获取等效容量信息

5a)根据iw,k计算各个链路分配到的资源重新计算满足中端时延概率约束的qos指数

5b)根据qos指数和链路分割变量计算等效容量

6)mac层建立业务接入模型。

6a)mac层根据等效容量构建第s个虚拟网的效用函数：

其中代表mac层第s个虚拟网的效用函数，β表示需求对服务价格的影响参数。

该效用函数共有四条约束：

第一条约束，是要求每一分配比重在[0,1]内取值；

第二条约束，是要求同一链路所有虚拟网的分配比重之和小于1；

第三条约束，是第s个虚拟网在第k条链路上租借到的信道容量对应的等效容量要大于其业务请求量对应的业务量；

第四条约束，是要求业务接入控制变量的取值范围在0到1之间；

6b)mac层利用梯度迭代求解算法最大化mac层效用函数，得到业务接入变量矩阵y⁽ⁱ⁾；

7)判断业务接入变量y⁽ⁿ⁾是否等于y^(n-1)，如果等于，则找到了最优的业务接入矩阵，否则，令i的值增加1，返回步骤4)。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明联合了等效带宽和等效容量研究业务时延qos特性，在物理层通过等效带宽请求构建目标函数完成物理资源的分配，在mac层通过等效容量与业务到达率的关系构建业务接入模型，完成了业务的接入控制。

第二，由于本发明构建了三个虚拟网络，每个虚拟网络提出了不同的最大时延约束，因此在同一物理网络上向不同种类的业务类型提供定制服务，降低网络部署和操作的花费。

附图说明

图1是本发明的实现流程图。

图2是本发明进行资源分配后用户业务流在各个虚拟网中接入率的仿真图。

图3是本发明进行资源分配后用户业务流在各个虚拟网效用函数值的仿真图。

图4是本发明中业务接入率的动态迭代图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，给定虚拟网内各个业务流的qos特性。

给定k个用户在第s个虚拟网内的业务流的qos特性其中，代表mac层k个用户在第s个虚拟网内的业务流的到达率，表示第s个虚拟网能容忍的最大时延，表示时延中断概率。

步骤2，mac层各虚拟子网初始化策略集合。

将mac层各虚拟网中用户业务流的策略集合内所有元素初始化为1，其中为一个二值变量，表示第k个用户在第s个虚拟网内的业务流的接入情况，fs,k表示第k个用户在第s个虚拟网内的业务流，k是1到k之间的正整数，k为用户个数，s是1到s之间的正整数，s为虚拟网个数。

步骤3，获取等效容量信息

3a)根据用户业务流的接入策略计算初始排队服务过程中第k条链路上的业务需求其中代表mac层k个用户在第s个虚拟网内的业务流的到达率，同时获得初始时刻第k个用户的业务服务速率其中e[rn,k]表示第k个用户分配到第n个资源块时的信道容量，其中n是1到n之间的正整数，n为资源块的个数；

3b)通过第k个用户的业务服务速率和业务需求计算初始时刻满足中端时延概率约束的qos指数通过和计算等效容量其计算公式分别如下：

上述计算过程是在假定业务到达率服务泊松过程的条件下进行计算的，令i的值增加1。

步骤4：物理层建立资源分配模型：

4a)计算当前mac层向物理层提出带有qos特性的等效带宽请求

4b)物理层根据带有qos特性的等效带宽请求建立目标函数：

其中，表示物理层第k个链路的目标函数，上标phy代表物理层，e[rw,k]表示一个调度时隙内的容量均值，iw,k表示信道分配变量。

该目标函数共有三条约束：

第一条约束，是要求每条信道只分配给一条物理链路使用；

第二条约束，是要求每条物理链路上分配到一种分配模式用于传递信息；

第三条约束，是要求信道分配变量为0-1的二值变量；

4b)物理层通过分支定界法最大化(4a)的目标函数，得到信道分配矩阵；

步骤5，获取等效容量信息

5a)根据iw,k计算各个链路分配到的资源重新计算满足中端时延概率约束的qos指数

5b)根据qos指数和链路分割变量计算等效容量

步骤6，mac层建立业务接入模型。

6a)mac层根据等效容量构建第s个虚拟网的效用函数：

其中代表mac层第s个虚拟网的效用函数，β表示需求对服务价格的影响参数。

该效用函数共有四条约束：

第一条约束，是要求每一分配比重在[0,1]内取值；

第二条约束，是要求同一链路所有虚拟网的分配比重之和小于1；

第三条约束，是第s个虚拟网在第k条链路上租借到的信道容量对应的等效容量要大于其业务请求量对应的业务量；

第四条约束，是要求业务接入控制变量的取值范围在0到1之间；

6b)mac层利用梯度迭代求解算法最大化mac层效用函数，得到业务接入变量矩阵y⁽ⁱ⁾；

7)判断业务接入变量y⁽ⁿ⁾是否等于y^(n-1)，如果等于，则找到了最优的业务接入矩阵，否则，令i的值增加1，返回步骤4)。

本发明的效果可通过以下仿真进一步的说明。

1.仿真条件：

本发明的仿真在单个小区的lte-a上行链路中进行，设资源块个数为6，移动用户数为3，虚拟网的个数为3，mac层每个业务包的大小是1kbit，用户在每个虚拟网内均只有1个业务流请求。

2.仿真内容与结果分析：

仿真1，按照上述仿真条件，对本发明进行资源分配后用户业务流在各个虚拟网中接入率进行仿真，结果如图2。

从图2可以看出，虚拟网vn1的业务接入率最大，虚拟网vn2次之，虚拟网vn3最小，这是由于设定的虚拟网vn1的最大时延的数值最大，即其服务业务流时的服务质量最差，因此，其能够接入更多的业务。

仿真2，按照上述仿真条件，对本发明进行资源分配后用户业务流在各个虚拟网效用函数值进行仿真，结果如图3

从图3可以看出，其与用户的业务流接入率的对比图一致，这是因为mac层目标函数与业务流的接入率是成正方向关系的，虚拟网vn1的效用函数值最大，虚拟网vn2次之，虚拟网vn3最小，这是由于设定的虚拟网vn1的最大时延的数值最大，即其服务业务流时的服务质量最差，因此效用函数值最大。

仿真3，按照上述仿真条件，对本发明本发明中业务接入率的动态迭代过程进行仿真，结果如图4

从图4可以看出，三个虚拟网络的业务接入率从各自初始点开始迭代，虽然收敛速度不同，以不同的浮动速度进行迭代，经过有限次数迭代后，都达到稳定值，最终系统达到平衡状态。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。