多种业务场景下基于网络虚拟化的运营商间资源共享方法
【专利摘要】本发明公开了一种多种业务场景下基于网络虚拟化的运营商间资源共享方法。其包括：首先给出不同业务用户的效用函数，然后设计出在不使用网络虚拟化时运营商针对自己的不同业务用户的频谱资源分配方法。最后，使用网络虚拟化将多个运营商的频谱资源集中到一个物理基站中共享，并设计出针对所有运营商的不同业务用户的频谱资源分配方法。采用本发明中的资源共享方法，能够显著提高用户满意度，实现提高系统性能和保证用户公平性之间的权衡，提高频谱资源利用率。
【专利说明】
多种业务场景下基于网络虚拟化的运营商间资源共享方法
技术领域
[0001] 本发明设及网络虚拟化中运营商间资源共享问题，属于无线通信中的网络虚拟化
技术领域。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着智能手机，笔记本和其他无线设备的日益普及，移动数据的需求量急 剧增加。为了提高移动网络容量来满足数据需求，移动网络运营商使用了许多技术，如使用 多输入多输出(Multiple I吨Ut Multiple Output,MIMO)系统获得更高速率的宽带空中接 口技术，小型蜂窝技术等。但是运些技术提高了网络的资本和运营支出，增加了网络复杂 性。另外，通过获取新的无线频谱资源来提高系统容量的方法也需要大量的前期投资。网络 虚拟化技术通过多个运营商共享频谱资源和基础设施，在提高资源利用率和系统吞吐量的 同时，减少了网络的资本和运营支出。
[0003] 网络虚拟化是指可W将物理资源抽象并划分为多个相互隔离的虚拟网络资源由 多方共享的技术。网络虚拟化将传统的网络服务提供商分为成两个新的角色:基础设施网 络提供商（Infrastructure Provider, InP)和服务提供商（Service Provide ,SP)。SP通过 向InP租赁资源来建立虚拟网络W提供各种服务。网络虚拟化显著提高了资源利用率，实现 功能和设施的解禪，易于实现新服务和产品的扩展及管理，从而减少设备和管理成本。
[0004] 现实中，使用不同业务的用户具有不同的服务质量(Quality of Service,QoS)需 求。可W使用效用函数来描述用户的QoS需求。效用函数W用户速率为自变量，可W反映一 个用户分得资源后达到一定速度时的满意程度。基于效用给不同业务用户分配资源的问题 经常被建模为网络效用和最大化(Network化i 1 ity Maximization, NUM)问题，优化该问题 可W在提高系统吞吐量的同时保证用户之间的公平性。
[0005] 未使用网络虚拟化时，运营商各自分配资源。通过网络虚拟化，所有运营商可W 将频谱资源集中到一个物理基站上，物理基站将所有频谱资源分配给各个虚拟基站供不同 运营商使用，具有更高的资源共享灵活性和资源利用率。资源共享后，既要保证各个运营商 的用户服务质量不会下降，还要保证各个运营商之间性能增益的公平性。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种在多种业务用户的场景下利用网络虚拟化实现不同运 营商间资源共享的方法，设计一种频谱资源分配方法，在最大化系统效用和的同时，保证使 用虚拟化时各个运营商的用户满意度不低于未使用虚拟化时的满意度，还要保证各个运营 商之间性能增益的公平性。采用本发明中的资源共享方法，能够显著提高用户满意度，实现 提高系统性能和保证用户公平性之间的权衡，提高频谱资源利用率。
[0007] 本发明首先给出=种不同业务用户的效用函数，然后设计出一种在不使用网络虚 拟化时运营商针对自己的不同业务用户的频谱资源分配方法。最后，使用网络虚拟化将多 个运营商的频谱资源集中到一个物理基站中共享，并设计出针对所有运营商的不同业务用 户的频谱资源分配方法。
[000引IS种不同业务用户的效用函数
[0009] 本发明将不同业务的用户分为S种:有硬性服务质量要求化ard QoS,册)的用户， 有灵活服务质量要求（Soft QoS,SQ)的用户和没有服务质量要求(Best Effod,BE)的用 户。设定用户的满意度在0到1之间。
[0010] 1)册用户
[0011]册用户只有达至幡率要求时才满意，其效用函数是一个单位阶跃函数，定义如下：
[0012]
[OOK]其中护是册用户的效用，rd是用户的速率要求，r是册用户的速率。
[0014] 2)SQ 用户
[0015] 与册用户相比，SQ用户对于速率需求更具灵活性。其效用函数具有W下特征：
[0016] A、当 0^<rd 时，加 (r)/dr>0，d2u(r)/dr2>〇,效用函数为凸函数。
[0017] B、当r含fd时，加(r)/化〉Q，d2u(r)/化2<〇,效用函数为凹函数。
[001引 C、当r = rd时，d2U(r)/化2 = 0,该点为效用函数的拐点。
[0019]具备从上条件的SQ用户的效用函数为：
[0020]
[2]
[0021] 其中护为SQ用户的效用，&为一个可W调节效用函数曲线斜率的参数，&的值即在 r = rd时SQ用户的效用。Pi是另外一个可W调节效用函数曲线斜率的参数，同时也反映了用 户对于速率需求的灵活度。
[0022] 3)邸用户
[0023] 由于BE用户没有特定的速率需求，我们设rd = 0,则其效用函数为：
[0024]
[0025] 其中护为肥用户的效用，&和P2是调节效用函数曲线斜率的参数。
[00%] S种用户的效用函数曲线如图1。
[0027] 2未使用虚拟化时运营商各自频谱资源分配方法
[002引未使用虚拟化时，各运营商各自分配自己的物理资源块（Physical Resource Block，PRB)。优化目标为：
[0029] [4J
[0030]
[0031] 其中，Kc,1是运营商i的小区C的用户个数，G=!地J，端是表示第n个PRB是否 分配给运营商i的小区C中第k个用户的参数，分配即为1，未分配即为0.
[0032] 由于W上问题为非确定性多项式（Non-deterministic Polynomial ,NP)问题，无 法求得精确解。本发明提出一个复杂度较低的PRB分配方法，具体步骤如下：
[0033] 1)考虑到册用户在没有达到速率要求时效用为0,先给效用为0的朋用户分配PRB。 将效用为0的朋用户按照/请值由高到低排序，其中为用户的平均SINR， 由W下式子求得：
[0034] 口]
[6]
[003引
[0036] 其中Ni是运营商i的PRB个数，細V媒。.运营商i的小区C中第k个用户在第n个PRB上 的SINR，P是基站的发射功率，成是运营商i的小区C中第k个用户的信道增益，No是噪声功 率。
[0037] 按照57M心/请值排序顺序依次给册用户分配PRB，每次都选出所有未被分配的 PRB中进#巧，。,,.最大的PRB分配给用户，每分配一个PRB就更新用户速率：
[00；3 引
[7]
[0039] 其中B为一个PRB带宽，况，为用户在刚分配的PRB上的SINR。
[0040] 若用户更新后的速率不满足吃则继续给该用户分配PRB。若满足，则继续 重复W上步骤给剩余用户分配PRB。
[0041 ] 2)当所有册用户效用都为1，开始给SQ和邸用户分配PRB。
[0042] 每次都选出满足W下条件的用户：
[0043]
脚
[0044] 即将效用增益最大的？邸9计^分配给用户4^分配后更新该用户的速率和效用。重 复W上步骤直至PRB分配完为止。
[0045] 3使用虚拟化时运营商间资源共享方法
[0046] 使用虚拟化时，所有运营商的PRB集中到一个物理基站中共享。该物理基站将所 有PRB分配给各个庶拟基站供各运营商値用。优化目标为NUM:
[0047]
[004引 [0049]
[(K)加 ]
巧]
[0化1 ]
[005^ 其中巧I艇是运营商i的小区C中第k个用户在未使用虚拟化时得到的效用。约 束条件(b)是为了保障用户在使用虚拟化时效用不会下降。约束(C)保证了各运营商的效用 和增益巧…"比例与分享的PRB个数比例扔相同。
[0053] 具体的资源共享后PRB分配方法如下：
[0054] 1)初始化所有用户的效用为0,找到未虚拟化时分配资源后效用巧大于0的用户 集合
[0055] 2)先给KWV集合中的用户分配PRB。循环分配PRB，每次循环首先找到巧和当前效 用化,c,i差最大的用户，再将未分配的PRB集合中值得该用户SINR最大PRB分配给该用户。更 新该用户的速率和效用。若更新后的效用满足
将该用户从集合KWV中去除。若 不满足，继续按照W上步骤循环分配PRB，直至IT为空。
[0056] 3)给剩余用户分配PRB。首先计算当前各运营商的效用和增益比例护1，找到分享 PRB个数比例扣与护1差最大的运营商。给该运营商用户按照未使用虚拟化时运营商各自频 谱资源分配方法分配一个PRB。分配后更新各运营商的效用和增益比例护1。重复W上步骤 直至所有PRB分配完。
[0057] 基于本发明的网络虚拟化中运营商间资源共享策略具有如下优点：
[005引1.通过网络虚拟化使得所有运营商将频谱资源集中到资源池中，增加了资源共 享的灵活性，提高了资源利用率。
[0059] 2.基于效用的资源分配方法，在提高系统效用和的同时，保证了用户之间的公平 性。
[0060] 3.设定的资源共享限制条件，保证了用户的效用在虚拟化时不会降低部分还得到 了提局。
[0061] 4.设定各运营商的效用和增益比例等于共享的PRB个数比例，鼓励了运营商多分 享频谱资源，因为分享的越多，其获得的增益就越多。
【附图说明】
[0062] 图1是S种业务用户的效用函数曲线。
【具体实施方式】
[0063] 本发明的实施方法如下：
[0064] 未使用虚拟化时各运营商按照W下实施方法分配PRB:
[00化]1)先给效用为0的册用户分配PRB。将效用为0的朋用户按照
直由高 W66] 间 到低排序，依次给册用户分配PRB。
[11]
[0067]
[0068] 每次都选出所有未被分配的PRB中最大的PRB分配给用户，每分配一个PRB 就更新用户速率：
[0069]
口2]
[0070] 若用户更新后的速率不满足
则继续给该用户分配PRB。若满足，则继续 重复W上步骤给剩余用户分配PRB。
[0071 ] 9、换QfiSriR口田白A耐口口R知你去IT4生山'溫田1;1 了义件的用户；
[007^ 時]
[0073] 将效用增益最大的？邸9&^分配给用户4^分配后更新该用户的速率和效用。重复 W上步骤直至PRB分配完为止。
[0074] 使用虚拟化时按照W下实施方法分配PRB:
[0075] 1)初始化所有用户的效用为0,找到未虚拟化时分配资源后效用大于0的用户 集合
[0076] 2)先给KWV集合中的用户分配PRB。循环分配PRB，每次循环首先找到￡/^^和当前效 用化,。,1差最大的用户，再将未分配的PRB集合中使得该用户SINR最大PRB分配给该用户。更 新该用户的速率和效用。若更新后的效用满足
将该用户从集合KWV中去除。若 不满足，继续按照W上步骤循环分配PRB，直至IT为空。
[0077] 3)给剩余用户分配PRB。首先计算当前各运营商的效用和增益比例护1，找到分享 PRB个数比例扣与护i差最大的运营商。给该运营商用户按照未使用虚拟化时运营商各自频 谱资源分配方法分配一个PRB。分配后更新各运营商的效用和增益比例护1。重复W上步骤 直至所有PRB分配完。
【主权项】
1. 一种多种业务场景下基于网络虚拟化的运营商间资源共享方法，其特征在于，各运 营商拥有Ξ种不同业务的用户：有硬性服务质量要求化ard QoS,册)的用户，有灵活服务质 量要求(Soft QoS,SQ)的用户和没有服务质量要求(Best Effod，BE)的用户。Ξ种用户的 效用函数定义如下：在不使用网络虚拟化时运营商针对自己的不同业务用户进行频谱资源分配，使用网络 虚拟化时所有运营商将频谱资源集中到一个物理基站中共享，并针对所有运营商的不同业 务用户进行频谱资源分配，同时保证用户的效用在虚拟化时不会降低，各运营商的效用和 增益比例等于共享的PRB个数比例。2. 根据权利要求1所述的基于网络虚拟化的运营商间资源共享方法，其特征在于，在未 使用虚拟化时，各运营商按照W下实施方法分配PRB: 1) 先给效用为0的朋用户分配PRB:将效用为0的册用户按照S/Λ巧，。,/也,,值由高到低 排序，依次给册用户分配PRB，每次都选出所有未被分配的PRB中.S7.V鮮,，最大的PRB分配给用户，每分配一个PRB就更 新用户速率：[12] 若用户更新后的速率不满足>1.,,, >>己.,·则继续给该用户分配PRB;若满足，则继续重复 W上步骤给剩余用户分配PRB; 2) 当所有朋用户效用都为1，开始给SQ和肥用户分配PRB:每次都选出满足W下条件的 用户：[8] 将效用增益最大的?!^ 9&^分配给用户4^分配后更新该用户的速率和效用，重复^上 步骤直至PRB分配完为止。3. 根据权利要求1所述的基于网络虚拟化的运营商间资源共享方法，其特征在于，在使 用虚拟化时，按照W下实施方法分配PRB: 1) 初始化所有用户的效用为0,找到未虚拟化时分配资源后效用KL大于0的用户集合 KW; 2) 先给KWV集合中的用户分配PRB:循环分配PRB，每次循环首先找到巧:.,和当前效用 化,c,i差最大的用户，再将未分配的PRB集合中使得该用户SINR最大PRB分配给该用户，更新 该用户的速率和效用，若更新后的效用满足巧1·^;，将该用户从集合KWV中去除;若不 满足，继续按照W上步骤循环分配PRB，直至IT为空； 3) 给剩余用户分配PRB:首先计算当前各运营商的效用和增益比例扣'，找到分享PRB个 数比例βι与01'差最大的运营商，给该运营商用户按照未使用虚拟化时运营商各自频谱资源 分配方法分配一个PRB，分配后更新各运营商的效用和增益比例扣'，重复W上步骤直至所 有PRB分配完。
【文档编号】H04W28/24GK105848221SQ201610024622
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年1月14日
【发明人】尤肖虎, 夏婷, 潘志文, 刘楠
【申请人】东南大学