一种SDN架构下接入网资源分配方法与流程

本发明涉及无线通信
技术领域：
，特别是指一种sdn架构下接入网资源分配方法。
背景技术：
：近年来，随着个人移动智能终端设备平板电脑和智能手机的普及，导致移动数据业务量呈现快速增长的趋势。第五代移动通信(5g)网络面临的主要挑战将是如何有效的扩大无线通信的范围，提升系统容量及提高小区边缘用户的传输速率来面对多样化的服务要求。在现有的接入网架构中，基站源节点端既负责信令控制(控制平面)又负责流量转发(数据平面)，会使基站源节点工作效率降低；且现有技术中采用平均功率分配算法进行功率分配，不能实现动态自适应功率分配，功率分配效率较低。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是提供一种sdn架构下接入网资源分配方法，以解决现有技术所存在的基站源节点工作效率降低、功率分配效率低的问题。为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种sdn架构下接入网资源分配方法，包括：将sdn引入接入网，构建基于sdn的接入网架构，在基于sdn的接入网架构下，通信过程分为两个阶段：第一阶段，基站源节点发送目标信号，中继节点和目的节点同时接收所述基站源节点发送的目标信号；第二阶段，基站源节点不发送任何消息，中继节点将接收到的所述基站源节点发送的目标信号进行处理后发送给目的节点；基于sdn的接入网架构下的通信过程，确定系统中断概率，所述系统中断概率与功率分配因子有关；根据确定的系统中断概率，以最小化系统中断概率为目标，利用粒子群优化算法得到最优的功率分配因子，根据得到的最优的功率分配因子进行功率分配。进一步地，所述基于sdn的接入网架构下的通信过程，确定系统中断概率包括：确定能参与转发的中继节点；从确定的能参与转发的中继节点中，选择中继节点到目的节点瞬时信噪比最大的中继节点进行信号转发，选择的所述中继节点为最优中继节点；设基站源节点到目的节点的传输链路为链路t1，基站源节点到最优中继节点的传输链路为链路t2，最优中继节点到目的节点的传输链路为链路t3；根据确定的链路t1、链路t2、链路t3，判断系统是否发生中断；若系统发生中断，则链路t1中断且链路t2和链路t3中有一条链路中断；根据链路t1中断且链路t2和链路t3中有一条链路中断，确定系统中断概率。进一步地，所述确定能参与转发的中继节点表示为:其中，φ表示确定的能参与转发的中继节点集合；i表示能参与转发的第i个中继节点；p0表示基站源节点发射功率；n0表示噪声功率；hs,r表示基站源节点与中继节点间的信道增益；γth表示基站源节点到中继节点的信噪比门限。进一步地，所述判断系统是否发生中断包括：判断系统的信道互信息量是否小于系统所要求的最低传输速率；若小于系统所要求的最低传输速率，则判断系统发生中断。进一步地，所述根据链路t1中断且链路t2和链路t3中有一条链路中断，确定系统中断概率包括：确定链路t1发生中断的概率ps,d{outage}；确定链路t2发生中断的概率ps,r{outage}；若集合φ中最优中继节点发生中断，则确定链路t3发生中断的条件概率，其中，φ表示能参与转发的中继节点集合；在链路t2不发生中断的条件下，结合确定的链路t3发生中断的条件概率，确定链路t3发生中断的概率pr,d{outage}；基于公式：pout＝ps,d{outage}[ps,r{outage}+pr,d{outage}]，确定系统中断概率。进一步地，所述链路t1发生中断的概率ps,d{outage}表示为：其中，p表示基站源节点和中继节点的总功率；r表示系统所要求的最低传输速率；n0表示噪声功率；α表示功率分配因子；表示基站源节点与目的节点间的信道增益方差；γs,d表示基站源节点到目的节点间的瞬时信噪比。进一步地，所述链路t2发生中断的概率ps,r{outage}表示为：其中，p表示基站源节点和中继节点的总功率；r表示系统所要求的最低传输速率；n0表示噪声功率；α表示功率分配因子；φ表示能参与转发的中继节点集合；k表示参与转发的中继节点个数；i表示能参与转发的第i个中继节点；表示基站源节点与中继节点间的信道增益方差；γs,r表示基站源节点到中继节点间的瞬时信噪比。进一步地，所述链路t3发生中断的条件概率表示为：所述链路t3发生中断的概率pr,d{outage}表示为：其中，p{outage|φ}表示在集合φ发生的条件下，中继节点到目的节点发生中断的条件概率；p{φ}为集合φ发生的概率；snrr,d表示中继节点到目的节点的瞬时信噪比；γr,d表示中继节点到目的节点间的瞬时信噪比；γth2表示中继节点到目的节点的信噪比门限；γth表示基站源节点到中继节点的信噪比门限；i表示能参与转发的第i个中继节点；k表示参与转发的中继节点个数；φ表示能参与转发的中继节点集合；r表示系统所要求的最低传输速率；表示基站源节点与目的节点间的信道增益方差；α表示功率分配因子；p表示基站源节点和中继节点的总功率；n0表示噪声功率；表示基站源节点与中继节点间的信道增益方差；j表示不能参与转发的第j个中继节点。进一步地，所述系统中断概率表示为：其中，pout表示系统中断概率；r表示系统所要求的最低传输速率；表示基站源节点与目的节点间的信道增益方差；α表示功率分配因子；p表示基站源节点和中继节点的总功率；n0表示噪声功率；k表示参与转发的中继节点个数；表示基站源节点与中继节点间的信道增益方差；φ表示能参与转发的中继节点集合；i表示能参与转发的第i个中继节点；j表示不能参与转发的第j个中继节点。进一步地，所述根据确定的系统中断概率，以最小化系统中断概率为目标，利用粒子群优化算法得到最优的功率分配因子，根据得到的最优的功率分配因子进行功率分配包括：针对确定的系统中断概率，初始化种群，种群中的粒子对应系统断概率中的功率分配因子；以最小化系统中断概率为目标，利用粒子群优化算法，迭代更新种群中每个粒子的速度和位置，并记录每个粒子的最优位置和种群的最优位置；判断是否达到预设的最大迭代次数，如果达到预设的最大迭代次数，将种群的最优位置作为最优的功率分配因子；根据得到的最优的功率分配因子进行功率分配。本发明的上述技术方案的有益效果如下：上述方案中，将sdn引入接入网，构建基于sdn的接入网架构，提高接入网的智能化，更加高效灵活的管理无线资源，在基于sdn的接入网架构下，通信过程分为两个阶段：第一阶段，基站源节点发送目标信号，中继节点和目的节点同时接收所述基站源节点发送的目标信号；第二阶段，基站源节点不发送任何消息，中继节点将接收到的所述基站源节点发送的目标信号进行处理后发送给目的节点；基于sdn的接入网架构下的通信过程，确定系统中断概率，所述系统中断概率与功率分配因子有关；根据确定的系统中断概率，以最小化系统中断概率为目标，利用粒子群优化算法得到最优的功率分配因子，根据得到的最优的功率分配因子进行功率分配。这样，在基于sdn的接入网架构下，能够将控制平面与数据平面相分离，提高基站源节点工作效率；且以最小化系统中断概率为目标，利用粒子群优化算法实现自适应功率分配，功率分配效率高，能够更好地降低系统中断概率、提高接入网的资源分配能力，从而提高资源配置效率。附图说明图1为本发明实施例提供的sdn架构下接入网资源分配方法的流程示意图；图2为本发明实施例提供的基于sdn的接入网系统结构示意图；图3为本发明实施例提供的粒子群优化算法流程示意图；图4为本发明实施例提供的系统中断概率随迭代次数的收敛性能示意图；图5为本发明实施例提供的平均功率分配算法与sdn架构下接入网资源分配方法的性能比较示意图；图6为本发明实施例提供的不同信噪比情况下系统中断概率性能对比示意图。具体实施方式为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本发明针对现有的基站源节点工作效率降低、功率分配效率低的问题，提供一种sdn架构下接入网资源分配方法。如图1所示，本发明实施例提供的sdn架构下接入网资源分配方法，包括：步骤101，将软件定义网络(softwaredefinednetwork，sdn)引入接入网，构建基于sdn的接入网架构，在基于sdn的接入网架构下，通信过程分为两个阶段：第一阶段，基站源节点发送目标信号，中继节点和目的节点同时接收所述基站源节点发送的目标信号；第二阶段，基站源节点不发送任何消息，中继节点将接收到的所述基站源节点发送的目标信号进行处理后发送给目的节点；步骤102，基于sdn的接入网架构下的通信过程，确定系统中断概率，所述系统中断概率与功率分配因子有关；步骤103，根据确定的系统中断概率，以最小化系统中断概率为目标，利用粒子群优化算法得到最优的功率分配因子，根据得到的最优的功率分配因子进行功率分配。本发明实施例所述的sdn架构下接入网资源分配方法，将sdn引入接入网，构建基于sdn的接入网架构，提高接入网的智能化，更加高效灵活的管理无线资源，在基于sdn的接入网架构下，通信过程分为两个阶段：第一阶段，基站源节点发送目标信号，中继节点和目的节点同时接收所述基站源节点发送的目标信号；第二阶段，基站源节点不发送任何消息，中继节点将接收到的所述基站源节点发送的目标信号进行处理后发送给目的节点；基于sdn的接入网架构下的通信过程，确定系统中断概率，所述系统中断概率与功率分配因子有关；根据确定的系统中断概率，以最小化系统中断概率为目标，利用粒子群优化算法得到最优的功率分配因子，根据得到的最优的功率分配因子进行功率分配。这样，在基于sdn的接入网架构下，能够将控制平面与数据平面相分离，提高基站源节点工作效率；且以最小化系统中断概率为目标，利用粒子群优化算法实现自适应功率分配，功率分配效率高，能够更好地降低系统中断概率、提高接入网的资源分配能力，从而提高资源配置效率。本发明实施例所述的sdn架构下接入网资源分配方法的技术原理可以描述为：在基于sdn的接入网架构下，能够控制平面和数据平面分离，控制平面通过sdn中的控制器实现整个接入网资源配置的集中化管理；所述控制器包括：功率控制器；所述功率控制器可以通过粒子群优化算法得到最优的功率分配因子，通过openflow协议中的控制信息发送给基站源节点和中继节点进行功率分配，最终得到最小化的系统中断概率，提高系统的服务质量；且利用粒子群优化算法搜索最优的功率分配因子，能够在较少次的迭代过程中得到最优解。如图2所示，考虑基于sdn下的接入网架构，sdn将控制平面与数据平面相分离，作为一种全新的网络体系架构，该架构将网络视为完整的操作系统，将应用程序从底层硬件设备中抽取出来，使得与管理相关的功能在集中式的控制器中实现。图2中，宏小区是面积很大的区域，覆盖半径约1～30km，基站发射天线通常架设在周围建筑物上方；sdn北向接口是通过控制器向上层业务应用开放的接口，其目标是使得业务应用能够便利地调用底层的网络资源和能力；南向接口是sdn控制器对网络的控制主要是通过南向接口协议实现,包括链路发现、拓扑管理、策略制定、表项下发等；s表示基站源节点；r表示中继节点；d表示目的节点。本实施例中，利用sdn中的控制器实现接入网的全局控制，其中的功率控制器通过粒子群功率分配算法将最优的功率分配因子下发到基站源节点和中继节点，得到最低的系统中断概率。假设本发明实施例所述的sdn架构下接入网资源分配方法考虑多中继下行场景，即：一个基站源节点，一个目的节点，多个中继节点，系统不中断条件的最低传输速率为r＝1bit/s/hz，信道为瑞利平坦分布，服从瑞利衰落的信号特性。本发明实施例所述的sdn架构下接入网资源分配方法的具体步骤可以包括：a11，确定系统模型将sdn引入异构接入网，构建基于sdn的接入网架构，在基于sdn的接入网架构下，通信过程分为两个阶段：第一阶段，基站源节点s发送目标信号x，中继节点r和目的节点d同时接收基站源节点s发送的目标信号；中继节点和目的节点接收到的信号分别为：其中，ys,r表示中继节点接收到的信号；ys,d表示目的节点接收到的信号；p0表示基站源节点发射功率；hs,r、hs,d分别表示基站源节点与中继节点、基站源节点与目的节点间的信道增益，其均值为0，方差为满足复高斯分布；ns,r、ns,d分别表示基站源节点与中继节点、基站源节点与目的节点之间的均值为0、功率谱密度为的加性高斯白噪声(additivewhitegaussiannoise，awgn)。第二阶段，基站源节点s不发送任何消息，中继节点r将接收到的基站源节点s发送的目标信号解码再编码后发送给目的节点d，目的节点接收到的信号为：其中，yr,d表示第二阶段目的节点接收到的信号；pr表示中继节点发射功率；hr,d表示中继节点与目的节点间的信道增益，其均值为0，方差为满足复高斯分布；表示中继节点对第一阶段接收到的信号ys,r先解码再编码后得到的信号；nr,d表示表示中继节点与目的节点之间的均值为0、功率谱密度为的加性高斯白噪声；目的节点对第一阶段和第二阶段接收到的信号进行最大比合并，得到yd，yd表示为：yd＝b1ys,d+b2yr,d式中，分别为hs,d、hr,d的共轭复数，n0为噪声功率。本实施例中，最大比合并原理是各条支路加权系数与该支路信噪比成正比，信噪比越大，加权系数越大，对合并后信号贡献也越大。在前述sdn架构下接入网资源分配方法的具体实施方式中，进一步地，所述基于sdn的接入网架构下的通信过程，确定系统中断概率包括：确定能参与转发的中继节点，并设基站源节点到目的节点的传输链路为链路t1，基站源节点到确定的能参与转发的中继节点的传输链路为链路t2，确定的能参与转发的中继节点到目的节点的传输链路为链路t3；判断系统是否发生中断；若系统发生中断，则链路t1中断且链路t2和链路t3中有一条链路中断；根据链路t1中断且链路t2和链路t3中有一条链路中断，确定系统中断概率。a12，基于sdn的接入网架构下的通信过程，选择中继节点对于时变的无线通信信道，当通信系统的信道互信息量i大于等于系统所要求的最低传输速率r要求时，系统能正常工作；否则，当i<r时，系统将无法正常通信，判定为系统中断。在第一阶段，基站源节点发送信号到中继节点，基站源节点与中继节点之间的互信息量为：其中，is,r表示基站源节点与中继节点之间的互信息量；m表示通信标识；m∈{0,1}，当中继节点参与通信时m＝1，中继节点不参与通信时m＝0，rs,r为基站源节点到中继节点的瞬时信噪比，rs,r表示为：其中，p0表示基站源节点发射功率；n0为噪声功率；hs,r表示基站源节点与中继节点间的信道增益，服从参数为的指数分布，σ2表示信道增益方差。如果基站源节点到中继节点之间的信道质量较好，系统的实际传输速率大于等于系统所要求的最低传输速率r，系统能够支持大于等于系统所要求的最低传输速率r的数据传输；但当两个节点之间的互信息量小于系统所要求的最低传输速率，系统发生中断，系统中断概率可表示为：其中，r表示瞬时信噪比；根据概率论公式，r的概率分布函数为可得：基站源节点在第一阶段发送信号给中继节点和目的节点，中继节点在接收到基站源节点发送来的信号后进行解码，信号在经重新编码后转发至目的节点。在实际的通信系统中，基站源节点和中继节点在满足系统不中断的条件下，中继节点才能成功接收来自基站源节点的信号并重新编码发送出去。定义集合φ为k个能成功解码编码并将信号发射出去的中继节点，也就是说，φ是能参与转发的中继节点集合；集合φ满足基站源节点到中继节点的瞬时信噪比rs,r不低于系统要求门限γth：其中，φ表示确定的能参与转发的中继节点集合；i表示能参与转发的第i个中继节点；p0表示基站源节点发射功率；n0表示噪声功率；hs,r表示基站源节点与中继节点间的信道增益；γth表示基站源节点到中继节点的信噪比门限，即：系统不中断时所要求的基站源节点到中继节点的最低信噪比。本实施例中，i是精确的表示第i个中继节点，下标r是指代中继节点，没有具体化，下标r具体指代哪个或哪些中继节点，由相应公式中的i确定。根据概率分布密度，集合φ产生的概率p{φ}为：其中，i表示能参与转发的第i个中继节点；j表示不能参与转发的第j个中继节点(即：瞬时信噪比低于基站源节点到中继节点的信噪比门限的中继节点)；γth表示基站源节点到中继节点的信噪比门限。在第二阶段，为使目的节点处的接收信噪比最大化，优选地，可以从集合φ中选择中继节点到目的节点瞬时信噪比最大的中继节点进行信号转发，即：其中，ropt表示最优中继节点。目的节点接收到的信号包括基站源节点发送到目的节点的信号和基站源节点通过最优中继节点转发到目的节点的信号，最后采用最大比合并方式对接收到的信号进行处理，目的节点处的瞬时信噪比snrd可以表示为：其中，γs,d表示基站源节点到目的节点间的瞬时信噪比；rr,d表示中继节点到目的节点间的瞬时信噪比。a13，基于选择的中继节点，确定系统中断概率，所述系统中断概率与功率分配因子有关：假定系统基站源节点和中继节点的总功率为p，基站源节点的发射功率为p0，中继节点的发射功率为pr，则p0和pr分别可以表示为：p0＝αp其中，k为参与转发的中继节点个数，α为功率分配因子，0<α<1，将以上两式带入得到目的节点接收到的瞬时信噪比为：其中，snrr,d表示中继节点到目的节点的瞬时信噪比。在选出最优中继作为中继节点后，系统的整个通信过程可以分为两个阶段，三条链路。其中，基站源节点到目的节点的传输链路为链路t1，基站源节点到中继节点的传输链路为链路t2，中继节点到目的节点的传输链路为链路t3。若系统中断，则链路t1中断并且链路t2和链路t3中有一条链路中断，即：pout＝ps,d{outage}[ps,r{outage}+pr,d{outage}]。其中，outage表示中断；pout表示系统中断概率；ps,d{outage}表示基站源节点到目的节点的传输链路t1发生中断的概率；ps,r{outage}表示基站源节点到中继节点的传输链路t2发生中断的概率；pr,d{outage}表示中继节点到目的节点链路t3发生中断的概率。链路t1发生中断的概率可表示为：链路t2发生中断的概率可表示为：在集合φ中所有中继可成功解码编码基站源节点发来的信号条件下，当集合φ中最优中继节点发生中断，则所有中继节点发生中断。所以，链路t3发生中断的条件概率为：其中，p{outage|φ}表示在集合φ发生的条件下，中继节点到目的节点发生中断的条件概率；在链路t2不发生中断的条件下，链路t3发生中断的概率为：其中，p{φ}为集合φ发生的概率；表示中继节点到目的节点的信噪比门限；i是精确的表示能参与转发的第i个中继节点；j是精确的表示不能参与转发的第j个中继节点，下标r是指代中继节点，没有具体化，下标r具体指代哪个或哪些中继节点，由相应公式中的i和j确定。根据各个链路的中断概率推导，最后可得系统总的中断概率pout为：其中，pout表示系统中断概率；r表示系统所要求的最低传输速率；表示基站源节点与目的节点间的信道增益方差；α表示功率分配因子；p表示基站源节点和中继节点的总功率；n0表示噪声功率；k表示参与转发的中继节点个数；表示基站源节点与中继节点间的信道增益方差；φ表示能参与转发的中继节点集合；i表示能参与转发的第i个中继节点；j表示不能参与转发的第j个中继节点。本实施例中，i是精确的表示能参与转发的第i个中继节点；j是精确的表示不能参与转发的第j个中继节点，下标r是指代中继节点，没有具体化，下标r具体指代哪个或哪些中继节点，由相应公式中的i和j确定。a14，根据确定的系统中断概率，以最小化系统中断概率为目标，利用粒子群优化算法得到最优的功率分配因子，根据得到的最优的功率分配因子进行功率分配。在前述sdn架构下接入网资源分配方法的具体实施方式中，进一步地，所述根据确定的系统中断概率，以最小化系统中断概率为目标，利用粒子群优化算法得到最优的功率分配因子，根据得到的最优的功率分配因子进行功率分配包括：针对确定的系统中断概率，初始化种群，种群中的粒子对应系统断概率中的功率分配因子；以最小化系统中断概率为目标，利用粒子群优化算法，迭代更新种群中每个粒子的速度和位置，并记录每个粒子的最优位置和种群的最优位置；判断是否达到预设的最大迭代次数，如果达到预设的最大迭代次数，将种群的最优位置作为最优的功率分配因子；根据得到的最优的功率分配因子进行功率分配。本实施例中，由于系统中断概率pout是一个非线性方程，无法直接求解，本实施例中，以最小化系统中断概率为目标，可以利用粒子群优化(particleswarmoptimization，pso)算法来优化系统中断概率；粒子群中粒子对应系统中断概率pout中的功率分配因子α。在粒子群的迭代过程中，不断优化功率分配因子α，最终得到最小的系统中断概率，如图3所示，所述粒子群优化算法包括：s11，初始化种群：设置种群规模，初始化粒子的位置、速度及维度；s12，设置适应度函数并计算适应度值；s13，根据计算得到的适应度值，对粒子的位置、速度进行更新，记录每个粒子的最优位置和种群的最优位置；s14，判断是否达到最大迭代次数，如果达到，结束进程，将种群的最优位置作为最优的功率分配因子。本实施例中，所述粒子群优化算法的具体步骤可以包括：1)初始化种群设定目标的搜索空间维度为d(例如，维度为10)，每个粒子均代表待搜索空间中的一个点。种群的规模为m，由m个粒子组成种群，其中，第i个粒子的位置为xi＝(xi1,xi2,...,xid...xid)t；粒子i的速度为vi＝(vi1,vi2,...,vid...vid)t，即粒子移动的距离。2)搜索寻优在粒子i中搜索到的最优位置为局部最优，记为pi＝(pi1,pi2,...,pid)t；此时，整个种群搜索到的最优位置为全局极值，记为pg＝(pg1,pg2,...pgd)t，粒子不断地向当前种群的最优位置靠近，粒子将根据下式进行粒子的速度和位置更新。vid(gn+1)＝wvid(gn)+c1r1(gn)(pid(gn)-xid(gn))+c2r2(gn)(pgd(gn)-xid(gn))xid(gn+1)＝xid(gn)+vid(gn+1)其中，d＝1，2,...d；i＝1,2,...m；m为种群规模；gn为迭代次数；w为惯性因子；r1,r2为分布于[0,1]之间的随机数，这两个参数用于保持群体的多样性；c1,c2为学习因子，使粒子具有自我学习能力，从而不断的根据自己的历史最有位置及种群的历史最优位置不断调整自己的方向。3)得到最优解在粒子群的迭代过程中，不断进行个体最优更新，寻找最优的功率分配因子，最终得到最小中断概率。表1为系统仿真采用的参数设置，仿真结果见图4，图5和图5。表1系统仿真参数设置信道模型rayleighfadingchannel信道增益方差0.7系统最小传输速率1bit/s/hz学习因子c1,c20.4空间维度d10惯性因子最大值0.8惯性因子最小值0.2粒子速度最大值2粒子速度最小值-2种群规模20迭代次数100突变概率0.01交叉概率0.4本发明所述的基于粒子群算法的接入网功率分配算法，基于最小中断概率准则，结合粒子群算法迭代，具有收敛速度快，差错率低的优点。从图4可看到，本实施例中采用粒子群优化，迭代到第11次左右就能够寻得最优解，因此，本实施例提出的sdn架构下接入网资源分配方法具有快速迭代的优点。从图5可看到，本实施例中的系统断概率比平均功率分配方法明显降低，并且随着信噪比的升高优化效果更加明显。从图6可看到，本实施例提出的sdn架构下接入网资源分配方法在不同信噪比情况下的中断性能比较，可以看出，在信噪比低于5db时，系统的中断概率处于较高水平，随着信噪比的升高，系统的中断概率大幅度降低，系统的信噪比对系统的中断概率影响比较大。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12