CN108012335A - 一种软件定义网络下虚拟化多播资源分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种软件定义网络下虚拟化多播资源分配方法；通过软件定义网络实现物理网络的虚拟化，虚拟化后的虚拟网络可以来源于同一个物理网络，在逻辑上呈献给用户的是不同的网络提供商，提供不同类型的业务服务；用户产生业务，根据自身的业务需求选择合适的网络提供商，即选择合适的虚拟网络；采用最大最小准则确定网络选择以及调制与编码方案选择办法；以最大化虚拟网络运营商的收益为目标，采用内点法确定虚拟带宽分配办法。本发明能够确保多播用户组的通信速率需求，且保证分配给每个多播组的频带资源不超过每个基站所能提供的物理总资源。本发明具有***资源利用率高的优点，可提高用户服务质量、体验质量。

Description

一种软件定义网络下虚拟化多播资源分配方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种软件定义网络下虚拟化多播资源分配方法。
背景技术
随着用户设备类型以及需求业务的多样化，无线通信网络需要能够支持高速并发多样化的通信业务。网络虚拟化技术使得利用单一网络构架支持多种虚拟异构网络成为可能，同一物理设备以不同的姿态呈现给移动用户，用户根据自身的需求及喜好选择预接入的虚拟网络；相比于传统的物理网络而言能够明确划分网络业务类型、进一步提升用户服务质量及体验度。而软件定义网络技术能够将网络控制层面与数据层面分离开来，由于其所具备的灵活控制管理网络的能力，被视作一种有效的方式以实现网络虚拟化。另一方面，考虑到视频业务的加剧、频谱资源的稀缺等问题，多播技术通过同时同频点至多点的通信方式，能够实现频谱资源的高效利用、提升用户业务吞吐量、加快应用进程的响应时间。2015年Songlin Sun等人在“IEEE Network”(《国际电气电子工程师协会网络》)(2015年5月至6月第29卷)发表的“Integrating Network Function Virtualization with SDR andSDN for4G/5G Networks”(《4G/5G网络下网络功能虚拟化与软件定义无线电及软件定义网络的集成》)中提出了无线网络虚拟化与软件定义网络的结合办法，作者依据现有的4G/5G网络下的标准协议及其扩展，提出了未来网络可能的发展方向，但该项研究仅具体针对集成框架的设计及展望，并未研究该框架下的资源部署问题，同时也未涉及到多播技术。2015年SaraAyoubi等人在“IEEE Transactions on Communications”(《国际电气电子工程师协会通信汇刊》)(2015年4月第63卷)发表的“MINTED:Multicast Virtual NetworkEmbedding in Cloud Data Centerswith Delay Constraints”(《MINTED：考虑时延约束的云数据中心***中的多播虚拟网络嵌入》)中提出了一种针对多播虚拟网络的资源分配方法，方法具体针对时延敏感的多播业务，采用时延约束的方式，保证多播用户的服务质量需求。然而，上述方案仅实现了多波技术与无线网络虚拟化技术的结合，且并未考虑到，实际网络环境中的边缘用户所拥有的信道质量较差，令组内所有用户不得不采用较低数据速率的调制与编码方案，从而限制了***谱效、降低了用户服务质量。因此，在结合软件定义网络、无线网络虚拟化、以及多播技术的同时，还需要考虑到边缘用户的信道质量，为分配给用户组的每一个资源块上传输的视频信息选择合适的调制与编码方案。
综上所述，现有技术存在的问题是：目前的多播虚拟网络的资源分配方法存在当多播组内有用户处于不利的通信地点时，如小区边缘或者其信道深衰落，组内所有用户不得不采用较低数据速率的调制与编码方案以满足该用户的通信需求，限制了***谱效、降低了用户服务质量。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种软件定义网络下虚拟化多播资源分配方法。
本发明是这样实现的，一种软件定义网络下虚拟化多播资源分配方法，所述软件定义网络下虚拟化多播资源分配方法通过软件定义网络实现物理网络的虚拟化，虚拟化网络的控制平台与数据平台相分离；用户产生业务，根据所要求的服务质量以及体验质量选择虚拟网络接入，逻辑上接入不同虚拟网络的用户，物理上可能接入同一基站；用户向基站反馈信道质量指标，选择基站提供服务，并选择调制与编码方案；以最大化虚拟网络运营商的总收益为目标，采用内点法实现虚拟带宽资源的分配。
进一步，所述软件定义网络下虚拟化多播资源分配方法包括以下步骤：
步骤一，通过软件定义网络实现物理网络的虚拟化，逻辑上给用户的是不同的网络提供商，提供不同类型的业务服务；
步骤二，用户产生业务，根据自身的业务需求选择合适的网络提供商，即选择合适的虚拟网络；基站集合为B，所有基站设备资源皆虚拟化至每个虚拟网络旗下，虚拟网络集合为S，移动用户集合为U，与虚拟网络s签约的移动用户集合为Us，且有
步骤三，确定网络选择以及调制与编码方案选择办法；
步骤四，以最大化虚拟网络运营商的收益为目标，确定虚拟带宽分配办法。
进一步，所述步骤三具体包括：
(1)所有用户向每个基站反馈各自至基站的信道质量指标CQI，不同信道质量的用户需求的调制方式和编码速率不同；
(2)需求同一视频业务的用户归为一组，多播用户组的集合为G，对每一个多播组g∈G，对每一个基站n∈B，找到组内信道质量指标最低的用户
(3)对每一个基站n∈B，找到令多播组g∈G信道质量指标最高的基站，
(4)多播组g接入基站n*，且采用所对应的调制与编码方式；
进一步，所述(1)中，信道质量指标及调制与编码方式的具体对应关系为：信道质量指标从1至6对应的调制方式是QPSK，7至9对应的调制方式是16-QAM，10至15对应的调制方式是64-QAM，信道质量指标从1至15分别对应的编码速率(×1024)是68、120、193、308、449、602、378、490、616、466、567、677、772、873、948。
进一步，所述步骤四具体包括：
(1)估计每一个用户到每一个基站的瞬时信道增益基站的平均发送功率为pt，用户处接收信息的平均噪声为n0；
(2)虚拟网络运营商的收入来自用户接入网络所应支付的网络接入费；
(3)虚拟网络运营商的支出来自于向基站即设备供应商支付的带宽租赁费；
(4)虚拟网络运营商的收益为收入减去支出，采用内点法实现虚拟带宽资源分配。
进一步，所述(2)中多播组g接入网络n后虚拟网络运营商所能获得的收入定义为incomen,g＝φn·Rn,g，其中φn为接入网络n所需支付的单位价钱，为多播组g接入网络n所能获得数据速率，bn,g为多播组g获得的频带资源。
进一步，所述(3)中多播组g接入网络n后虚拟网络运营商向设备供应商的支出具体可定义为其中为租赁网络n的频带资源所需支付的单位价钱。
进一步，所述(4)中虚拟网络运营商的总收益具体表示为以最大化该总收益为目标，即在确保多播用户组通信速率门限Rth的同时，确保分配给每个多播组的频带资源不超过每个基站的物理频带总资源Btotal，及采用内点法实现虚拟带宽资源分配，获得bn,g的解。
本发明结合软件定义网络、无线网络虚拟化、以及多播技术；通过软件定义网络技术完成控制平台和数据平台的分离，实现网络构架的灵活管理，便于无线网络虚拟化技术的引入；同时通过无线网络虚拟化技术将传统的、单一的物理网络依据业务类型分类化，分类后的每一个虚拟网络单元可以具体这对某一特定业务，有助于提升用户体验度；最后多播技术的应用能够进步提高频谱利用率，解决现阶段视频业务加剧、频谱资源稀缺等问题。
本发明兼顾多播组内不同用户的信道质量指标，采用最大最小准则实现网络选择以及调制与编码选择方案；同时构建了虚拟网络运营商的商业模型，包含向设备供应商的支出部分(频谱租赁费)以及从虚拟网络运营商处获得的收入部分(网络接入费)；依据该商业模型，在确保多播用户组通信速率需求以及总频带资源受限的条件下，通过内点法合理分配虚拟带宽资源，实现虚拟网络运营商收益的最大化。
本发明基于软件定义网络、无线网络虚拟化、以及多播技术三者的结合，相比于传统的软件定义虚拟化网络，能够提高频谱利用率，解决现阶段视频业务加剧、频谱资源稀缺等问题；相比于传统的多播虚拟化网络，能够实现网络构架的灵活管理。表格如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的软件定义网络下虚拟化多播资源分配方法流程图。
图2是本发明实施例提供的虚拟化软件定义网络模型图。
图3是本发明实施例提供的基于软件定义网络的虚拟化多播***模型图。
图4是本发明实施例提供的软件定义网络下虚拟化多播资源分配方法的实现总流程图。
图5是本发明实施例提供的与传统策略的对比示例图。
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。
本发明能够实现虚拟网络资源的合理分配，包括虚拟网络选择以及虚拟带宽资源分配，同时能够为传输的视频信息选择合适的调制与编码方案，在提高***谱效、用户服务质量的同时，实现虚拟网络运营商收益的最大化。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例提供的软件定义网络下虚拟化多播资源分配方法包括以下步骤：
S101：通过软件定义网络实现物理网络的虚拟化，虚拟化后的虚拟网络可以来源于同一个物理网络，在逻辑上呈献给用户的是不同的网络提供商，提供不同类型的业务服务；
S102：用户产生业务，根据自身的业务需求选择合适的网络提供商，即选择合适的虚拟网络；采用最大最小准则确定网络选择以及调制与编码方案选择办法；
S103：以最大化虚拟网络运营商的收益为目标，采用内点法确定虚拟带宽分配办法。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
如图2所示，本发明使用的虚拟化软件定义网络模型图，软件定义网络技术将控制平台和数据平台分开管理，将单一的物理网络资源切片、整合、虚拟化至不同的虚拟网络提供商，每一个虚拟网络提供商可以单一针对某一类具体业务，如视频业务、音频业务、游戏业务等，用户根据自身需求接入相对应的虚拟网络，可以获得更高的服务质量、体验质量。
如图3所示，本发明所使用的基于软件定义网络的虚拟多播***模型图，由1个虚拟网络运营商、1个设备供应商(物理资源网络)、2个虚拟网络提供商组成。用户根据需求的内容分组，逻辑上选择接入不同的虚拟网络提供商，物理上接入的是同一个物理资源网络。
如图4所示，本发明的实现步骤如下：
步骤1：物理资源网络的虚拟化实现：通过软件定义网络实现物理网络的虚拟化，此处的物理网络可以为异构网络，具有多个基站或接入点，虚拟化后的虚拟网络可以来源于同一个物理网络，但在逻辑上呈献给用户的是不同的网络提供商，提供不同类型的业务服务。
步骤2：移动用户产生业务，根据业务类型选择合适的虚拟网络提供商。
2.1)此处假设基站集合为B，所有基站设备资源皆虚拟化至每个虚拟网络旗下，如图3所示；
2.2)虚拟网络集合为S，移动用户集合为U，与虚拟网络s签约的移动用户集合为Us，且有
步骤3：确定网络选择方案及调制与编码方案：
3.1)确定网络选择方案：
3.1.1)所有用户向每个基站反馈各自至基站的信道质量指标CQI，不同信道质量的用户需求的调制方式和编码速率不同，同一调制方式下，信道质量指标越高的，需要的编码速率越高，具体地，信道质量指标从1至6对应的调制方式是QPSK，7至9对应的调制方式是16-QAM，10至15对应的调制方式是64-QAM，信道质量指标从1至15分别对应的编码速率(×1024)是68、120、193、308、449、602、378、490、616、466、567、677、772、873、948；
3.1.2)需求同一视频业务的用户归为一组，假设多播用户组的集合为G，每一个多播组内用户总数为|Ug|，对每一个多播组g∈G，对每一个基站n∈B，找到组内信道质量指标最低的用户即
3.1.3)对每一个基站n∈B，找到令多播组g∈G信道质量指标最高的基站，即
3.1.4)多播g接入基站n*，数学表示为
3.2)确定调制与编码方案：多播组g采用所对应的调制与编码方式。
步骤4：确定虚拟频谱资源分配方案：
4.1)估计每一个用户到每一个基站的瞬时信道增益假设基站的平均发送功率为pt，用户处接收信息的平均噪声为n0；
4.2)虚拟网络运营商的收益可视为其收入减去支出，具体地：
4.2.1)虚拟网络运营商的收入来自用户接入网络所应支付的网络接入费，该费用可以视为单位价钱乘以用户所能获得的数据速率，支付了网络接入费的用户才能够接入虚拟网络获取业务；多播组g接入网络n后虚拟网络运营商所能获得的收入具体可定义为incomen,g＝φn·Rn,g，其中φn为接入网络n所需支付的单位价钱，为多播组g接入网络n所能获得数据速率，bn,g为多播组g获得的频带资源；
4.2.2)虚拟网络运营商的支出来自于向基站即设备供应商支付的带宽租赁费，该费用可以视为单位价钱乘以租赁的物理频带宽度，支付了带宽租赁费后虚拟网络运营商可以整合频带资源、切片、虚拟化至每个虚拟网络，为用户提供业务；多播组g接入网络n后虚拟网络运营商向设备供应商的支出具体可定义为其中为租赁网络n的频带资源所需支付的单位价钱；
4.2.3)虚拟网络运营商的收益即可视为上述收入减去支出，总收益具体表示为
4.4)以最大化虚拟网络运营商的收益为目标，即在确保多播用户组通信速率门限Rth的同时，确保分配给每个多播组的频带资源不超过每个基站的物理频带总资源Btotal，即及采用内点法即可实现虚拟带宽资源分配，即获得bn,g的解。
下面结合对比试验对本发明的应用效果作详细的描述。
如图5所示，给出了不同单位收入价钱φn以及不同单位支出价钱下，本发明与传统策略的对比示例图。图例假设2基站、2多播组、每组内4用户、每基站带宽总量100MB、多播组最低速率需求1MB，且图5左例假设右例假设φn＝1。从图中可以看出，两种方案中，虚拟网络运营商的总收益皆随着单位收入价钱的增加而增加，随着单位支出价钱的增加而降低。此外，相比于传统的未考虑信道质量指标的方案，本发明能够获得更高的虚拟网络运营商总收益，且随着单位收入价钱的增加，本发明所能获得的总收益相比于传统方案而言增值更大。
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。

Claims (8)

1.一种软件定义网络下虚拟化多播资源分配方法，其特征在于，所述软件定义网络下虚拟化多播资源分配方法通过软件定义网络实现物理网络的虚拟化，虚拟化网络的控制平台与数据平台相分离；用户产生业务，根据所要求的服务质量以及体验质量选择虚拟网络接入，逻辑上接入不同虚拟网络的用户，物理上可能接入同一基站；用户向基站反馈信道质量指标，选择基站提供服务，并选择调制与编码方案；以最大化虚拟网络运营商的总收益为目标，采用内点法实现虚拟带宽资源的分配。
2.如权利要求1所述的软件定义网络下虚拟化多播资源分配方法，其特征在于，所述软件定义网络下虚拟化多播资源分配方法包括以下步骤：
步骤一，通过软件定义网络实现物理网络的虚拟化，逻辑上给用户的是不同的网络提供商，提供不同类型的业务服务；
步骤二，选择合适的虚拟网络；基站集合为B，所有基站设备资源皆虚拟化至每个虚拟网络旗下，虚拟网络集合为S，移动用户集合为U，与虚拟网络s签约的移动用户集合为Us，且有
步骤三，确定网络选择以及调制与编码方案选择办法；
步骤四，以最大化虚拟网络运营商的收益为目标，确定虚拟带宽分配办法。
3.如权利要求2所述的软件定义网络下虚拟化多播资源分配方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：
(1)所有用户向每个基站反馈各自至基站的信道质量指标CQI，不同信道质量的用户需求的调制方式和编码速率不同；
(2)需求同一视频业务的用户归为一组，多播用户组的集合为G，对每一个多播组g∈G，对每一个基站n∈B，找到组内信道质量指标最低的用户
(3)对每一个基站n∈B，找到令多播组g∈G信道质量指标最高的基站，
(4)多播组g接入基站n*，且采用所对应的调制与编码方式。
4.如权利要求3所述的软件定义网络下虚拟化多播资源分配方法，其特征在于，所述(1)中，信道质量指标及调制与编码方式的具体对应关系为：信道质量指标从1至6对应的调制方式是QPSK，7至9对应的调制方式是16-QAM，10至15对应的调制方式是64-QAM，信道质量指标从1至15分别对应的编码速率(×1024)是68、120、193、308、449、602、378、490、616、466、567、677、772、873、948。
5.如权利要求2所述的软件定义网络下虚拟化多播资源分配方法，其特征在于，所述步骤四具体包括：
(1)估计每一个用户到每一个基站的瞬时信道增益基站的平均发送功率为pt，用户处接收信息的平均噪声为n0；
(2)虚拟网络运营商的收入来自用户接入网络所应支付的网络接入费；
(3)虚拟网络运营商的支出来自于向基站即设备供应商支付的带宽租赁费；
(4)虚拟网络运营商的收益为收入减去支出，采用内点法实现虚拟带宽资源分配。
6.如权利要求5所述的软件定义网络下虚拟化多播资源分配方法，其特征在于，所述(2)中多播组g接入网络n后虚拟网络运营商所能获得的收入定义为incomen,g＝φn·Rn,g，其中φn为接入网络n所需支付的单位价钱，为多播组g接入网络n所能获得数据速率，bn,g为多播组g获得的频带资源。
7.如权利要求5所述的软件定义网络下虚拟化多播资源分配方法，其特征在于，所述(3)中多播组g接入网络n后虚拟网络运营商向设备供应商的支出具体可定义为其中为租赁网络n的频带资源所需支付的单位价钱。
8.如权利要求5所述的软件定义网络下虚拟化多播资源分配方法，其特征在于，所述(4)中虚拟网络运营商的总收益具体表示为以最大化该总收益为目标，即在确保多播用户组通信速率门限Rth的同时，确保分配给每个多播组的频带资源不超过每个基站的物理频带总资源Btotal，及采用内点法实现虚拟带宽资源分配，获得bn,g的解。
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