多種業(yè)務(wù)場景下基于網(wǎng)絡(luò)虛擬化的運(yùn)營商間資源共享方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多種業(yè)務(wù)場景下基于網(wǎng)絡(luò)虛擬化的運(yùn)營商間資源共享方法。其包括：首先給出不同業(yè)務(wù)用戶的效用函數(shù)，然后設(shè)計出在不使用網(wǎng)絡(luò)虛擬化時運(yùn)營商針對自己的不同業(yè)務(wù)用戶的頻譜資源分配方法。最后，使用網(wǎng)絡(luò)虛擬化將多個運(yùn)營商的頻譜資源集中到一個物理基站中共享，并設(shè)計出針對所有運(yùn)營商的不同業(yè)務(wù)用戶的頻譜資源分配方法。采用本發(fā)明中的資源共享方法，能夠顯著提高用戶滿意度，實(shí)現(xiàn)提高系統(tǒng)性能和保證用戶公平性之間的權(quán)衡，提高頻譜資源利用率。
【專利說明】
多種業(yè)務(wù)場景下基于網(wǎng)絡(luò)虛擬化的運(yùn)營商間資源共享方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及網(wǎng)絡(luò)虛擬化中運(yùn)營商間資源共享問題，屬于無線通信中的網(wǎng)絡(luò)虛擬化
技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著智能手機(jī)，筆記本和其他無線設(shè)備的日益普及，移動數(shù)據(jù)的需求量急 劇增加。為了提高移動網(wǎng)絡(luò)容量來滿足數(shù)據(jù)需求，移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商使用了許多技術(shù)，如使用 多輸入多輸出(Multiple I噸Ut Multiple Output,MIMO)系統(tǒng)獲得更高速率的寬帶空中接 口技術(shù)，小型蜂窩技術(shù)等。但是運(yùn)些技術(shù)提高了網(wǎng)絡(luò)的資本和運(yùn)營支出，增加了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜 性。另外，通過獲取新的無線頻譜資源來提高系統(tǒng)容量的方法也需要大量的前期投資。網(wǎng)絡(luò) 虛擬化技術(shù)通過多個運(yùn)營商共享頻譜資源和基礎(chǔ)設(shè)施，在提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量的 同時，減少了網(wǎng)絡(luò)的資本和運(yùn)營支出。
[0003] 網(wǎng)絡(luò)虛擬化是指可W將物理資源抽象并劃分為多個相互隔離的虛擬網(wǎng)絡(luò)資源由 多方共享的技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)虛擬化將傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商分為成兩個新的角色:基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng) 絡(luò)提供商（Infrastructure Provider, InP)和服務(wù)提供商（Service Provide ,SP)。SP通過 向InP租賃資源來建立虛擬網(wǎng)絡(luò)W提供各種服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)虛擬化顯著提高了資源利用率，實(shí)現(xiàn) 功能和設(shè)施的解禪，易于實(shí)現(xiàn)新服務(wù)和產(chǎn)品的擴(kuò)展及管理，從而減少設(shè)備和管理成本。
[0004] 現(xiàn)實(shí)中，使用不同業(yè)務(wù)的用戶具有不同的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)需 求。可W使用效用函數(shù)來描述用戶的QoS需求。效用函數(shù)W用戶速率為自變量，可W反映一 個用戶分得資源后達(dá)到一定速度時的滿意程度?；谛в媒o不同業(yè)務(wù)用戶分配資源的問題 經(jīng)常被建模為網(wǎng)絡(luò)效用和最大化(Network化i 1 ity Maximization, NUM)問題，優(yōu)化該問題 可W在提高系統(tǒng)吞吐量的同時保證用戶之間的公平性。
[0005] 未使用網(wǎng)絡(luò)虛擬化時，運(yùn)營商各自分配資源。通過網(wǎng)絡(luò)虛擬化，所有運(yùn)營商可W 將頻譜資源集中到一個物理基站上，物理基站將所有頻譜資源分配給各個虛擬基站供不同 運(yùn)營商使用，具有更高的資源共享靈活性和資源利用率。資源共享后，既要保證各個運(yùn)營商 的用戶服務(wù)質(zhì)量不會下降，還要保證各個運(yùn)營商之間性能增益的公平性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種在多種業(yè)務(wù)用戶的場景下利用網(wǎng)絡(luò)虛擬化實(shí)現(xiàn)不同運(yùn) 營商間資源共享的方法，設(shè)計一種頻譜資源分配方法，在最大化系統(tǒng)效用和的同時，保證使 用虛擬化時各個運(yùn)營商的用戶滿意度不低于未使用虛擬化時的滿意度，還要保證各個運(yùn)營 商之間性能增益的公平性。采用本發(fā)明中的資源共享方法，能夠顯著提高用戶滿意度，實(shí)現(xiàn) 提高系統(tǒng)性能和保證用戶公平性之間的權(quán)衡，提高頻譜資源利用率。
[0007] 本發(fā)明首先給出=種不同業(yè)務(wù)用戶的效用函數(shù)，然后設(shè)計出一種在不使用網(wǎng)絡(luò)虛 擬化時運(yùn)營商針對自己的不同業(yè)務(wù)用戶的頻譜資源分配方法。最后，使用網(wǎng)絡(luò)虛擬化將多 個運(yùn)營商的頻譜資源集中到一個物理基站中共享，并設(shè)計出針對所有運(yùn)營商的不同業(yè)務(wù)用 戶的頻譜資源分配方法。
[000引IS種不同業(yè)務(wù)用戶的效用函數(shù)
[0009] 本發(fā)明將不同業(yè)務(wù)的用戶分為S種:有硬性服務(wù)質(zhì)量要求化ard QoS,冊)的用戶， 有靈活服務(wù)質(zhì)量要求（Soft QoS,SQ)的用戶和沒有服務(wù)質(zhì)量要求(Best Effod,BE)的用 戶。設(shè)定用戶的滿意度在0到1之間。
[0010] 1)冊用戶
[0011]冊用戶只有達(dá)至幡率要求時才滿意，其效用函數(shù)是一個單位階躍函數(shù)，定義如下：
[0012]
[OOK]其中護(hù)是冊用戶的效用，rd是用戶的速率要求，r是冊用戶的速率。
[0014] 2)SQ 用戶
[0015] 與冊用戶相比，SQ用戶對于速率需求更具靈活性。其效用函數(shù)具有W下特征：
[0016] A、當(dāng) 0^<rd 時，加 (r)/dr>0，d2u(r)/dr2>〇,效用函數(shù)為凸函數(shù)。
[0017] B、當(dāng)r含fd時，加(r)/化〉Q，d2u(r)/化2<〇,效用函數(shù)為凹函數(shù)。
[001引 C、當(dāng)r = rd時，d2U(r)/化2 = 0,該點(diǎn)為效用函數(shù)的拐點(diǎn)。
[0019]具備從上條件的SQ用戶的效用函數(shù)為：
[0020]
[2]
[0021] 其中護(hù)為SQ用戶的效用，&為一個可W調(diào)節(jié)效用函數(shù)曲線斜率的參數(shù)，&的值即在 r = rd時SQ用戶的效用。Pi是另外一個可W調(diào)節(jié)效用函數(shù)曲線斜率的參數(shù)，同時也反映了用 戶對于速率需求的靈活度。
[0022] 3)邸用戶
[0023] 由于BE用戶沒有特定的速率需求，我們設(shè)rd = 0,則其效用函數(shù)為：
[0024]
[0025] 其中護(hù)為肥用戶的效用，&和P2是調(diào)節(jié)效用函數(shù)曲線斜率的參數(shù)。
[00%] S種用戶的效用函數(shù)曲線如圖1。
[0027] 2未使用虛擬化時運(yùn)營商各自頻譜資源分配方法
[002引未使用虛擬化時，各運(yùn)營商各自分配自己的物理資源塊（Physical Resource Block，PRB)。優(yōu)化目標(biāo)為：
[0029] [4J
[0030]
[0031] 其中，Kc,1是運(yùn)營商i的小區(qū)C的用戶個數(shù)，G=!地J，端是表示第n個PRB是否 分配給運(yùn)營商i的小區(qū)C中第k個用戶的參數(shù)，分配即為1，未分配即為0.
[0032] 由于W上問題為非確定性多項(xiàng)式（Non-deterministic Polynomial ,NP)問題，無 法求得精確解。本發(fā)明提出一個復(fù)雜度較低的PRB分配方法，具體步驟如下：
[0033] 1)考慮到冊用戶在沒有達(dá)到速率要求時效用為0,先給效用為0的朋用戶分配PRB。 將效用為0的朋用戶按照/請值由高到低排序，其中為用戶的平均SINR， 由W下式子求得：
[0034] 口]
[6]
[003引
[0036] 其中Ni是運(yùn)營商i的PRB個數(shù)，細(xì)V媒。.運(yùn)營商i的小區(qū)C中第k個用戶在第n個PRB上 的SINR，P是基站的發(fā)射功率，成是運(yùn)營商i的小區(qū)C中第k個用戶的信道增益，No是噪聲功 率。
[0037] 按照57M心/請值排序順序依次給冊用戶分配PRB，每次都選出所有未被分配的 PRB中進(jìn)#巧，。,,.最大的PRB分配給用戶，每分配一個PRB就更新用戶速率：
[00；3 引
[7]
[0039] 其中B為一個PRB帶寬，況，為用戶在剛分配的PRB上的SINR。
[0040] 若用戶更新后的速率不滿足吃則繼續(xù)給該用戶分配PRB。若滿足，則繼續(xù) 重復(fù)W上步驟給剩余用戶分配PRB。
[0041 ] 2)當(dāng)所有冊用戶效用都為1，開始給SQ和邸用戶分配PRB。
[0042] 每次都選出滿足W下條件的用戶：
[0043]
腳
[0044] 即將效用增益最大的？邸9計^分配給用戶4^分配后更新該用戶的速率和效用。重 復(fù)W上步驟直至PRB分配完為止。
[0045] 3使用虛擬化時運(yùn)營商間資源共享方法
[0046] 使用虛擬化時，所有運(yùn)營商的PRB集中到一個物理基站中共享。該物理基站將所 有PRB分配給各個庶擬基站供各運(yùn)營商値用。優(yōu)化目標(biāo)為NUM:
[0047]
[004引 [0049]
[(K)加 ]
巧]
[0化1 ]
[005^ 其中巧I艇是運(yùn)營商i的小區(qū)C中第k個用戶在未使用虛擬化時得到的效用。約 束條件(b)是為了保障用戶在使用虛擬化時效用不會下降。約束(C)保證了各運(yùn)營商的效用 和增益巧…"比例與分享的PRB個數(shù)比例扔相同。
[0053] 具體的資源共享后PRB分配方法如下：
[0054] 1)初始化所有用戶的效用為0,找到未虛擬化時分配資源后效用巧大于0的用戶 集合
[0055] 2)先給KWV集合中的用戶分配PRB。循環(huán)分配PRB，每次循環(huán)首先找到巧和當(dāng)前效 用化,c,i差最大的用戶，再將未分配的PRB集合中值得該用戶SINR最大PRB分配給該用戶。更 新該用戶的速率和效用。若更新后的效用滿足
將該用戶從集合KWV中去除。若 不滿足，繼續(xù)按照W上步驟循環(huán)分配PRB，直至IT為空。
[0056] 3)給剩余用戶分配PRB。首先計算當(dāng)前各運(yùn)營商的效用和增益比例護(hù)1，找到分享 PRB個數(shù)比例扣與護(hù)1差最大的運(yùn)營商。給該運(yùn)營商用戶按照未使用虛擬化時運(yùn)營商各自頻 譜資源分配方法分配一個PRB。分配后更新各運(yùn)營商的效用和增益比例護(hù)1。重復(fù)W上步驟 直至所有PRB分配完。
[0057] 基于本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)虛擬化中運(yùn)營商間資源共享策略具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[005引1.通過網(wǎng)絡(luò)虛擬化使得所有運(yùn)營商將頻譜資源集中到資源池中，增加了資源共 享的靈活性，提高了資源利用率。
[0059] 2.基于效用的資源分配方法，在提高系統(tǒng)效用和的同時，保證了用戶之間的公平 性。
[0060] 3.設(shè)定的資源共享限制條件，保證了用戶的效用在虛擬化時不會降低部分還得到 了提局。
[0061] 4.設(shè)定各運(yùn)營商的效用和增益比例等于共享的PRB個數(shù)比例，鼓勵了運(yùn)營商多分 享頻譜資源，因?yàn)榉窒淼脑蕉?，其獲得的增益就越多。
【附圖說明】
[0062] 圖1是S種業(yè)務(wù)用戶的效用函數(shù)曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0063] 本發(fā)明的實(shí)施方法如下：
[0064] 未使用虛擬化時各運(yùn)營商按照W下實(shí)施方法分配PRB:
[00化]1)先給效用為0的冊用戶分配PRB。將效用為0的朋用戶按照
直由高 W66] 間 到低排序，依次給冊用戶分配PRB。
[11]
[0067]
[0068] 每次都選出所有未被分配的PRB中最大的PRB分配給用戶，每分配一個PRB 就更新用戶速率：
[0069]
口2]
[0070] 若用戶更新后的速率不滿足
則繼續(xù)給該用戶分配PRB。若滿足，則繼續(xù) 重復(fù)W上步驟給剩余用戶分配PRB。
[0071 ] 9、換QfiSriR口田白A耐口口R知你去IT4生山'溫田1;1 了義件的用戶；
[007^ 時]
[0073] 將效用增益最大的？邸9&^分配給用戶4^分配后更新該用戶的速率和效用。重復(fù) W上步驟直至PRB分配完為止。
[0074] 使用虛擬化時按照W下實(shí)施方法分配PRB:
[0075] 1)初始化所有用戶的效用為0,找到未虛擬化時分配資源后效用大于0的用戶 集合
[0076] 2)先給KWV集合中的用戶分配PRB。循環(huán)分配PRB，每次循環(huán)首先找到￡/^^和當(dāng)前效 用化,。,1差最大的用戶，再將未分配的PRB集合中使得該用戶SINR最大PRB分配給該用戶。更 新該用戶的速率和效用。若更新后的效用滿足
將該用戶從集合KWV中去除。若 不滿足，繼續(xù)按照W上步驟循環(huán)分配PRB，直至IT為空。
[0077] 3)給剩余用戶分配PRB。首先計算當(dāng)前各運(yùn)營商的效用和增益比例護(hù)1，找到分享 PRB個數(shù)比例扣與護(hù)i差最大的運(yùn)營商。給該運(yùn)營商用戶按照未使用虛擬化時運(yùn)營商各自頻 譜資源分配方法分配一個PRB。分配后更新各運(yùn)營商的效用和增益比例護(hù)1。重復(fù)W上步驟 直至所有PRB分配完。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多種業(yè)務(wù)場景下基于網(wǎng)絡(luò)虛擬化的運(yùn)營商間資源共享方法，其特征在于，各運(yùn) 營商擁有Ξ種不同業(yè)務(wù)的用戶：有硬性服務(wù)質(zhì)量要求化ard QoS,冊)的用戶，有靈活服務(wù)質(zhì) 量要求(Soft QoS,SQ)的用戶和沒有服務(wù)質(zhì)量要求(Best Effod，BE)的用戶。Ξ種用戶的 效用函數(shù)定義如下：在不使用網(wǎng)絡(luò)虛擬化時運(yùn)營商針對自己的不同業(yè)務(wù)用戶進(jìn)行頻譜資源分配，使用網(wǎng)絡(luò) 虛擬化時所有運(yùn)營商將頻譜資源集中到一個物理基站中共享，并針對所有運(yùn)營商的不同業(yè) 務(wù)用戶進(jìn)行頻譜資源分配，同時保證用戶的效用在虛擬化時不會降低，各運(yùn)營商的效用和 增益比例等于共享的PRB個數(shù)比例。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)絡(luò)虛擬化的運(yùn)營商間資源共享方法，其特征在于，在未 使用虛擬化時，各運(yùn)營商按照W下實(shí)施方法分配PRB: 1) 先給效用為0的朋用戶分配PRB:將效用為0的冊用戶按照S/Λ巧，。,/也,,值由高到低 排序，依次給冊用戶分配PRB，每次都選出所有未被分配的PRB中.S7.V鮮,，最大的PRB分配給用戶，每分配一個PRB就更 新用戶速率：[12] 若用戶更新后的速率不滿足>1.,,, >>己.,·則繼續(xù)給該用戶分配PRB;若滿足，則繼續(xù)重復(fù) W上步驟給剩余用戶分配PRB; 2) 當(dāng)所有朋用戶效用都為1，開始給SQ和肥用戶分配PRB:每次都選出滿足W下條件的 用戶：[8] 將效用增益最大的?!^ 9&^分配給用戶4^分配后更新該用戶的速率和效用，重復(fù)^上 步驟直至PRB分配完為止。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)絡(luò)虛擬化的運(yùn)營商間資源共享方法，其特征在于，在使 用虛擬化時，按照W下實(shí)施方法分配PRB: 1) 初始化所有用戶的效用為0,找到未虛擬化時分配資源后效用KL大于0的用戶集合 KW; 2) 先給KWV集合中的用戶分配PRB:循環(huán)分配PRB，每次循環(huán)首先找到巧:.,和當(dāng)前效用 化,c,i差最大的用戶，再將未分配的PRB集合中使得該用戶SINR最大PRB分配給該用戶，更新 該用戶的速率和效用，若更新后的效用滿足巧1·^;，將該用戶從集合KWV中去除;若不 滿足，繼續(xù)按照W上步驟循環(huán)分配PRB，直至IT為空； 3) 給剩余用戶分配PRB:首先計算當(dāng)前各運(yùn)營商的效用和增益比例扣'，找到分享PRB個 數(shù)比例βι與01'差最大的運(yùn)營商，給該運(yùn)營商用戶按照未使用虛擬化時運(yùn)營商各自頻譜資源 分配方法分配一個PRB，分配后更新各運(yùn)營商的效用和增益比例扣'，重復(fù)W上步驟直至所 有PRB分配完。
【文檔編號】H04W28/24GK105848221SQ201610024622
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年1月14日
【發(fā)明人】尤肖虎, 夏婷, 潘志文, 劉楠
【申請人】東南大學(xué)