OFDMA系统中无线虚拟网资源分配方法与流程

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种无线虚拟网资源分配方法，可用于在单小区OFDMA系统中，对多用户多业务需求进行接入控制。

背景技术：

伴随移动终端普及，业务请求的数量与种类都在不断快速扩大和丰富，使得各种应用竞争无线资源的压力大大增强，它们不仅资源请求量各不相同，而且会提出严格的服务质量要求，所以有必要对有限的无线资源做出恰当地配置和管理。为了解决这一问题，无线网络虚拟化应运而生，移动网络运营商利用虚拟化技术能够更灵活控制和管理自身资源，并且由于无线信道的特有性质，无线网络的虚拟化会需要解决更多问题。

无线资源虚拟化技术通过抽象和共享基础设施和无线频带资源，大大减少网络的部署和运行费用，并且经过虚拟化在基础设施上建立多个虚拟网，它们可以独立运行和管理，使得新成果和技术更易接入网络，但是尽管无线虚拟化有很大的潜在优势，虚拟化中的资源分配在动态分配算法中仍受到局限。易江涛，基于合作博弈的LTE资源联合分配算法研究[D].西安：西安电子科技大学通信工程学院，2012一文介绍了最大载干比调度算法并提出一种资源联合分配算法，该最大载干比调度算法以系统容量最大为目标，将资源分配给信道状态最好的用户，而对于信道状态不好的用户将长时间分配不到资源，文献中提出的资源联合分配算法设计目标时采用对数形式，虽然考虑了各用户间的公平性，但仍不能根据用户的资源请求量动态地实现资源的分配，无法满足灵活的服务质量要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种OFDMA系统中无线虚拟网资源分配方法，以动态的调整底层资源的分配情况，并且在保证系统服务质量的同时确保系统收益最大。

本发明实现上述目的的具体思路是，通过MAC层初始化用户业务流策略集合，获得各用户总带宽需求并传递给物理层，通过分支定界法求解子信道的分配矩阵，并传递给MAC层；通过在MAC层各虚拟网之间建立非合作博弈模型进行资源竞争获得服务速率向用户提供服务，计算排队时延判断是否满足服务质量要求，实现在满足系统服务质量需求条件下用户获得最优的资源分配，系统收益最大。其实现方案包括如下：

(1)将MAC层各虚拟网中用户业务流的策略集合Yn＝{Yf,k,n}内所有元素初始化为1，其中Yf,k,n为一个二值变量，表示第n个虚拟网中第k个用户的第f个业务流的接入情况，k是1到L之间的正整数，L为用户个数，n是1到V之间的正整数，V为虚拟网个数，f是1到Fk,n之间的正整数，Fk,n表示第k个用户在第n个虚拟网中请求的业务流个数；

(2)物理层获得当前资源请求以及信道平均容量和容量方差：

虚拟网通过策略集合Yn，得到当前MAC层向物理层提出的资源请求其中代表MAC层第n个虚拟网中第k个用户的第f个业务流的到达率，上标MAC代表MAC层；

物理层获得当前信道在一个调度时间T内第k个用户在第c个信道上获得的的平均容量E[Rk,c]以及容量方差var[Rk,c],其中c＝1,…,S，S为信道个数；

(3)物理层进行资源分配：

(3a)物理层根据资源请求建立目标函数：

k＝1,…,L

其中，表示物理层第k个链路的效用函数值，上标PHY代表物理层，Ik,c表示信道分配变量，表示MAC层中第k个链路的资源请求量，χ表示物理层用户获得的容量波动对目标的影响因子；

该目标函数共有三条约束，即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至少分得一条子信道用于传递信息；第三条约束是要求信道分配变量为0-1的二值变量；

(3b)物理层通过分支定界法最大化(3a)的目标函数，得到信道分配矩阵；

(3c)根据得到的信道分配矩阵计算物理层第k个链路获得的容量均值和方差及服务时间的均值和方差

(4)MAC层进行资源竞争：

(4a)MAC层根据物理层得到的各链路容量以及服务时间的均值和方差，构造第n个虚拟网向第k个用户服务第f个业务流的效用函数：

其中代表MAC层第n个虚拟网向第k个用户服务第f个业务流的效用函数，Xf,k,n代表第n个虚拟网向第k个用户服务第f个业务流的资源分配比重，α表示最大服务价格，β表示需求对服务价格的影响参数，代表MAC层第n个虚拟网中第k个用户第f个业务流的到达率,代表物理层第k个链路获得的平均容量，θ表示向物理层租借资源的价格，Df,k,n代表第n个虚拟网向第k个用户服务第f个业务流的时延，代表虚拟网n进行服务时能容许的最大时延，μ表示时延对效用函数的影响因子；

该效用函数共有四条约束，即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，第三条约束是要求虚拟网n向第k个用户服务业务流f的服务速率大于其对应的业务流到达率，第四条约束是要求虚拟网服务用户业务流的时延小于该虚拟网所容许的最大时延。

(4b)MAC层利用边际效用迭代算法最大化MAC层效用函数，得到虚拟网服务用户业务流资源分配比重

(5)通过虚拟网服务用户业务流的资源分配比重Xf,k,n计算服务用户各业务所产生的时延Df,k,n，并判断这些时延是否全部小于各虚拟网能容许的最大时延

若全部小于，则MAC层停止向物理层请求资源，结束资源分配过程；

反之，则选出虚拟网服务所有用户业务流的时延中与虚拟网能容许的最大时延相差最大的业务流，并将该业务流策略置为0，更新策略集Yn，返回步骤(2)，虚拟网重新统计带宽请求。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明采用边际效用递减规律，得到MAC层虚拟网的服务价格与请求资源的线性递减关系，建立了一个基于经济学理论的效用函数，克服了传统非经济算法忽略支付价格与用户满意度之间相互影响的缺点，与实际情况相联系，更真实的反应了效用的含义，使资源得到了充分利用。

第二，由于本发明采用了物理层和MAC层之间动态交互传递资源需求和分配的方案，提出了一个基于博弈论的动态自适应资源分配算法，可以在保证系统收益最大的前提下，为移动用户提供灵活的定制业务和高效的服务质量，实现了资源的弹性配置。

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MAC层各个虚拟网效用函数值的仿真图。

图3是本发明进行资源分配后MAC层组成效用函数的各部分值的仿真图。

图4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。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述:

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，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Yn＝{Yf,k,n}内所有元素初始化为1，其中Yf,k,n为一个二值变量，表示第n个虚拟网中第k个用户的第f个业务流的接入情况，k是1到L之间的正整数，L＝6为用户个数，n是1到V之间的正整数，V＝3为虚拟网个数，f是1到Fk,n之间的正整数，Fk,n＝1表示第k个用户在第n个虚拟网中请求的业务流个数。

步骤2，物理层获得当前资源请求以及信道平均容量和容量方差。

虚拟网通过策略集合Yn，得到当前MAC层向物理层提出的资源请求物理层获得当前信道提供的在一个调度时间T内第k个用户在第c个信道上获得的平均容量E[Rk,c]以及容量方差var[Rk,c]，其中c为1到S中的正整数，S＝16为信道个数；其中代表MAC层第n个虚拟网中第k个用户的第f个业务流的到达率，上标MAC代表MAC层。

步骤3，物理层进行资源配置。

3a)物理层根据资源请求建立如下目标函数：

k＝1,…,L，

其中，表示物理层第k个链路的目标函数值，上标PHY代表物理层，Ik,c表示信道分配变量，表示MAC层中第k个链路的资源请求量，χ表示物理层用户获得的容量波动对目标的影响因子；

该目标函数共有三条约束，即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至少分得一条子信道用于传递信息；第三条约束是要求信道分配变量为0-1的二值变量；

3b)物理层通过分支定界法最大化(3a)的目标函数，得到信道分配矩阵，其中分支定界法步骤如下：

3b1)松弛(3a)的目标函数的第三条约束，通过MATLAB自带的fmincom函数最大(3a)目标函数，得到分配变量；

3b2)判断分配变量的值：若分配变量的值都是整数，则目标函数已最大化，得到信道分配矩阵；否则，执行(3b3)；

3b3)选择分配变量中第一个不为整数的变量，将它的取值分别固定成0和1，形成两个新的约束，将这两个新约束添加到(3a)的目标函数中，得到要求解的两个子资源分配问题，依次求解这两个子资源分配问题；

3b4)根据子资源分配问题的求解结果进行不同操作：

若求解这两个子资源分配问题无法获得可行的分配变量值，则结束对该子资源分配问题的分支操作；

若求解这两个子资源分配问题获得的分配变量的值都是整数，则结束对该子资源分配问题的分支操作，并存储其整数分配变量和目标函数值；

若求解这两个子资源分配问题获得的分配变量的值不全是整数，则返回(3b3)；

3b5)在已存储的数据中，选择最大的目标函数值对应的整数分配变量即是信道分配矩阵；

3c)根据得到的信道分配矩阵计算物理层第k个链路获得的容量均值和方差及服务时间的均值和方差其计算公式如下：

其中Ik,c表示信道分配变量，E[Rk,c]和var[Rk,c]分别表示当前信道在一个调度时间T内第k个用户在第c个信道上获得的平均容量以及容量方差。

步骤4，MAC层进行资源竞争。

4a)MAC层根据物理层得到的各链路容量的均值和方差以及服务时间的均值和方差构造第n个虚拟网向第k个用户服务第f个业务流的效用函数：

其中代表MAC层第n个虚拟网向第k个用户服务第f个业务流的效用函数，Xf,k,n代表第n个虚拟网向第k个用户服务第f个业务流的资源分配比重，α表示最大服务价格，β表示需求对服务价格的影响参数，代表MAC层第n个虚拟网中第k个用户第f个业务流的到达率,代表物理层第k个链路获得的平均容量，θ表示向物理层租借资源的价格，Df,k,n代表第n个虚拟网向第k个用户服务第f个业务流的时延，代表虚拟网n进行服务时能容许的最大时延，μ表示时延对效用函数的影响因子；

该效用函数共有四条约束，即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，第三条约束是要求虚拟网n向第k个用户服务业务流f的服务速率大于其对应的业务流到达率，第四条约束是要求虚拟网服务用户业务流的时延小于该虚拟网所容许的最大时延；

4b)MAC层利用边际效用迭代算法最大化MAC层效用函数：

4b1)松弛(4a)的效用函数的第四条约束，并将第n个虚拟网向第k个用户服务第f个业务流的资源分配比重Xf,k,n(τ)初始化为0，τ代表迭代次数，其初始值为τ＝1；

4b2)根据资源分配比重Xf,k,n(τ)计算第τ次迭代虚拟网服务各用户业务流的效用函数值及效用函数的梯度值；

4b3)判断第τ次迭代效用函数值是否为最优的效用函数值，若是，则效用函数值达到最大，获得资源分配比重Xf,k,n，迭代终止，否则，执行步骤(4b4)；

4b4)利用公式计算第τ+1次迭代第n个虚拟网向第k个用户服务第f个业务流的资源分配比重，表示虚拟网n更新资源分配比重的迭代步长，表示MAC层第τ次迭代效用函数的梯度值；

4b5)给τ的值增加1，返回(4b2)。

步骤5,通过虚拟网服务用户业务流的资源分配比重Xf,k,n计算服务用户各业务所产生的时延Df,k,n。

5a)根据虚拟网服务用户业务流的资源分配比重Xf,k,n得到MAC层第n个虚拟网向第k个用户服务第f个业务流的服务时间的均值和二阶矩

其中，代表MAC层第n个虚拟网向第k个用户服务第f个业务流的服务时间的方差，和分别代表物理层第k条链路获得的服务时间的均值和方差；

5b)将用户业务流的请求服务过程建模成M/G/1排队系统，其中，M表示每个业务流的到达过程服从泊松分布，G表示虚拟网服务每个业务流的时间服从一般分布，1表示每个时刻只有一个虚拟网进行服务；

5c)根据排队系统的性质以及MAC层第n个虚拟网向第k个用户服务第f个业务流的服务时间的均值和二阶矩得到业务流的时延Df,k,n：

步骤6，对虚拟网服务用户各业务所产生的时延进行判断。

将虚拟网服务用户各业务所产生的时延与各虚拟网能容许的最大时延进行比较：若虚拟网服务用户各业务所产生的时延全部小于各虚拟网能容许的最大时延则MAC层停止向物理层请求资源，结束资源分配过程；反之，则选出虚拟网服务所有用户业务流的时延中与虚拟网能容许的最大时延相差最大的业务流，即并将该业务流策略置为0，更新策略集Yn，返回步骤2，虚拟网重新统计带宽请求。

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无线通信场景中进行，设信道数为16，移动用户数为6，虚拟网的个数为3，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，按照上述的仿真条件，对本发明进行资源分配后MAC层的三个虚拟网效用函数值进行仿真，结果如图2。

从图2可以看出：三个虚拟网络的效用函数从各自初始点开始迭代，虽然收敛速度不同，但经过有限次数迭代后，都会达到稳定值，最终系统达到平衡状态；三个虚拟网最终达到平衡时效用函数值相差较小，这说明了在MAC层中采用对数形式的效用函数能够满足比例公平性，并没有造成一个虚拟网独享资源；另外还可以观察到这三个虚拟网的收敛速度是不同的，通过改变三个虚拟网的策略步长可以使三个虚拟网获得相同的收敛速度。

仿真2，按照上述的仿真条件，对本发明进行资源分配后MAC层组成效用函数的各部分值进行仿真，结果如图3。

从图3可以看出：伴随迭代过程的推进，虚拟网向用户收取的服务费用、向物理层支付的带宽租赁费用和满足时延约束条件花费的成本都趋于稳定，这种变化过程使得效用函数经过缓慢增长后，最终也达到了平衡，可见效用函数的变化过程是全部影响因子共同作用的结果，体现了所有因素对效用的影响。

仿真3，按照上述的仿真条件，对本发明用户业务流在三个虚拟网中接入率进行仿真，结果如图4。

从图4可以看出：在相同信道环境中，三个虚拟网的业务接入成功率各不相同，主要原因在于每个虚拟网向移动用户提供不同的灵活特色定制服务，其效用函数涵盖了移动用户对带宽以及时延等方面的请求，在资源竞争过程中，虚拟网由于各方面请求而做出的决策最终决定了业务接入率的变化趋势；此外，从图4中还可以看出，当业务需求固定时，信道平均信噪比越高，能够提供给用户的资源越多，业务要求越容易满足，接入成功率明显升高。