CN108990109A - 一种应用于超密集异构网络的基于双重博弈的负载均衡方法 - Google Patents

一种应用于超密集异构网络的基于双重博弈的负载均衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于超密集异构网络的基于双重博弈的负载均衡方法，利用SDN‑NFV技术对超密集异构网络进行网络架构的重新定义，并且利用超密集异构网络中虚拟网络在移动虚拟运营商MVNO的实时调度机制，根据组建虚拟网络基础设施的负载状况等信息进行动态基于双重博弈的频谱资源调整；本发明的第一重负载均衡博弈通过在高负载基础设施和该基础设施可用频谱资源间建立博弈机制，给出针对高负载基础设施售卖高于其负载容忍度的负载，缓解高负载状态下网络的拥塞情况；第二重负载均衡博弈通过在MVNO和低负载基础设施间建立博弈机制，给出针对低负载基础设施购买其负载余额的负载，实现基于SDN‑NFV技术的超密集异构网络中基础设施间的负载均衡。

Description

一种应用于超密集异构网络的基于双重博弈的负载均衡方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其是一种应用于超密集异构网络的基于双重博弈的负载均衡方法。
背景技术
在超密集异构网络场景下的关键技术研究中，如何低成本、高效率地实现超密集异构网络同频干扰管理是无线通信研究的重点内容之一。面对无线网络容量的有限性，密集异构网络被提出应对数据流量的千倍增长，满足网络极高的流量密度需求。但是，密集部署热点高容量场景下的负载分布会更加不均衡，这将极大降低用户体验并造成网络资源利用效率的下降。因此，在下一代移动通信网络中，超密集异构网络中的负载均衡也是一个必须解决的关键问题。
现有的超密集异构网络中的负载均衡方法主要通过在不同负载状态的小区间进行负载转移的方式进行网络的负载均衡，在网络参数发生变化时，用户和业务在密集网络中的切换将会变得异常的频繁，导致网络长期处于信令开销过大的状态，不利于超密集异构网络的鲁棒性。而基于SDN-NFV的网络架构可在管控中心的监管下在虚拟网络内部进行负载的转移，有效避免了网络信令开销的增大。因此，需要新的负载均衡方法适用于新的基于SDN-NFV的超密集异构网络架构。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种应用于超密集异构网络的基于双重博弈的负载均衡方法，能够在有效保证虚拟网络体验质量(QoE，Quality of Experience)需求的基础上，实现基于SDN-NFV技术的超密集异构网络中基础设施间的负载均衡。
为解决上述技术问题，本发明提供一种应用于超密集异构网络的基于双重博弈的负载均衡方法，包括如下步骤：
(1)根据组建虚拟网络的基础设施负载的饱和度大小的不同将基础设施集分成低负载基础设施、中负载基础设施和高负载基础设施；
(2)根据高负载基础设施的负载状态进行第一重高负载基础设施和该基础设施可用频谱资源间关于负载降低的博弈；
(3)根据第一重负载均衡博弈机制造成的虚拟网络性能损失的情况进行虚拟网络QoE保证机制的建立；
(4)将在第一重负载均衡博弈机制中释放的频谱资源通过NFV技术进行虚拟资源池的建立；
(5)根据低负载基础设施的负载状态进行第二重移动虚拟运营商(MVNO,MobileVirtual Network Operator)和低负载基础设施间关于负载提高的博弈；
(6)根据第一和第二重负载均衡博弈机制建立的针对高负载基础设施和低负载基础设施负载状态的优化调整结果进行虚拟网络关于负载均衡的有效配置。
优选的，步骤(2)中，第一重负载均衡博弈机制是以博弈理论对高负载基础设施负载降低问题进行数学建模并得到频谱分配变量，以最大化每个高负载基础设施购买该基础设施可用频谱资源以降低该基础设施负载状态为目标函数进行频谱资源分配；然后，上述高负载基础设施有偿降低可用频谱资源的使用；根据博弈理论以最大化可用频谱资源减少负载状态效益为目标，以高负载基础设施高出其负载容忍值的负载为约束对高负载基础设施进行频谱分配。
优选的，第一重负载均衡博弈机制中的博弈关系中的卖方(可用频谱资源)的效用函数定义为可用频谱不分配给该高负载基础设施所获得的收益，即卖方效用函数表示为其中表示为可用频谱ln售卖的价格，为高负载基础设施与可用频谱ln的二元关联向量，ω0为子载波带宽，为高负载基础设施n分配给第ln个子载波的功率值，为信道增益，σ2为噪声，表示频谱资源ln售卖给高负载基础设施n的单位代价。
优选的，第一重负载均衡博弈机制中的博弈关系中的买方(高负载基础设施)的效用函数定义为由于其购买可用频谱资源以降低其负载状态，即买方效用函数表示为其中为高负载基础设施n可用的频谱资源集合。
优选的，步骤(5)中，第二重负载均衡博弈机制是以博弈理论对低负载基础设施负载提高问题进行数学建模并得到频谱分配变量，以最大化每个低负载基础设施购买虚拟资源池中频谱资源以提高该基础设施负载状态为目标函数进行频谱资源分配，同时最大化MVNO通过售卖虚拟资源池中的频谱资源为目标。
优选的，第二重负载均衡博弈机制中的博弈关系中的卖方(MVNO)的效用函数定义为虚拟资源池中的频谱资源售卖给低负载基础设施所获得的收益，即卖方效用函数表示为其中βn,l表示为可用频谱l售卖的价格，为低负载基础设施与可用频谱l的二元关联向量，为虚拟资源池中频谱资源集合，为低负载基础设施集合，同时由于针对低负载基础设施的负载提高是以保证虚拟网络QoE为前提的，因此卖方MVNO售卖行为的约束为其中：τ为虚拟网络因高负载基础设施的负载降低方法操作带来的网络数据传输速率的下降值，pn,l为低负载基础设施n分配给第l个子载波的功率值，Hn,l为信道增益。
优选的，第二重负载均衡博弈机制中的博弈关系中的买方(低负载基础设施)的效用函数定义为由于其购买虚拟资源池中的频谱资源以提高其负载状态，即买方效用函数表示为
本发明的有益效果为：本发明利用SDN-NFV技术对超密集异构网络进行网络架构的重新定义，并且利用超密集异构网络中虚拟网络在MVNO的实时调度机制，根据组建虚拟网络基础设施的负载状况等信息进行动态基于双重博弈的频谱资源调整；本发明的第一重负载均衡博弈通过在高负载基础设施和该基础设施可用频谱资源间建立博弈机制，给出针对高负载基础设施售卖高于其负载容忍度的负载，缓解高负载状态下网络的拥塞情况；第二重负载均衡博弈通过在MVNO和低负载基础设施间建立博弈机制，给出针对低负载基础设施购买其负载余额的负载，在有效保证虚拟网络QoE需求的基础上，实现基于SDN-NFV技术的超密集异构网络中基础设施间的负载均衡。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种应用于超密集异构网络的基于双重博弈的负载均衡方法，包括如下步骤：
(1)根据组建虚拟网络的基础设施负载的饱和度大小的不同将基础设施集分成低负载基础设施、中负载基础设施和高负载基础设施；
(2)根据高负载基础设施的负载状态进行第一重高负载基础设施和该基础设施可用频谱资源间关于负载降低的博弈；
(3)根据第一重负载均衡博弈机制造成的虚拟网络性能损失的情况进行虚拟网络QoE保证机制的建立；
(4)将在第一重负载均衡博弈机制中释放的频谱资源通过NFV技术进行虚拟资源池的建立；
(5)根据低负载基础设施的负载状态进行第二重MVNO和低负载基础设施间关于负载提高的博弈；
(6)根据第一和第二重负载均衡博弈机制建立的针对高负载基础设施和低负载基础设施负载状态的优化调整结果进行虚拟网络关于负载均衡的有效配置。
负载状态模块搜集构成虚拟网络的基础设施集合的负载状态参量，然后将上述基础设施按照其负载的饱和度大小分为三类：①低负载基础设施、②中负载基础设施以及③高负载基础设施。其中：①低负载基础设施定义为所承载的负载还未达到临界值的基础设施，因此可以通过接纳新的负载来提高其资源利用率；②中负载基础设施定义为所承载的负载已达到临界值的基础设施，因此接纳新的负载或剔除旧的负载均会影响该基础设施的资源利用率；③高负载基础设施定义为所承载的负载已经远远超过其所能承受负载的临界值的基础设施，因此必须通过负载转移的方法降低其负载。基础设施根据负载状态分类完成后，负载状态模块将虚拟网络各个基础设施的负载信息输出到第一重负载均衡博弈模块中用于高负载基础设施负载降低方案的设计。
第一重负载均衡博弈机制模块在高负载基础设施和该基础设施可用频谱资源间建立，其中：可用频谱资源通过售卖频谱资源的方式获得收益；而高负载基础设施通过购买可用频谱资源获得负载降低的收益，从而形成了两者间博弈行为的描述，进而给出针对高负载基础设施负载降低方案的设计。
虚拟网络QoE保证机制依据第一重负载均衡博弈模块将虚拟网络因高负载基础设施负载释放操作带来的网络数据传输速率的下降值输出到第二重负载均衡博弈模块中，用于低负载基础设施负载增加方案的设计。
虚拟资源池建立通过将在第一重负载均衡博弈模型中高负载基础设施释放的频谱资源进行整合，并依据NFV技术建立虚拟资源池并将其归于第二重负载均衡博弈模型中可用频谱资源集合。
第二重负载均衡博弈机制模块在MVNO和低负载基础设施间建立，其中：低负载基础设施通过购买低负载基础设施的负载余额获得负载提高的收益；而MVNO通过售卖虚拟资源池中频谱资源的方式获得收益，从而形成了两者间博弈行为的描述，进而给出针对低负载基础设施负载提高方案的设计。
虚拟网络配置模块依据第一和第二重负载均衡博弈机制建立的针对高负载基础设施和低负载基础设施负载状态的优化调整结果对虚拟网络进行有效配置和管理。
设在超密集异构融合网络中针对每个终端用户的每种业务应用基于虚拟技术生成的虚拟网络共有N个基础设施为其提供服务支持。由于一个基础设施可以为一个或多个虚拟网络提供服务支持，因此会造成负载在各个基础设施中的分配不均，图1是基于双重博弈机制的负载均衡方法框图，该算法主要由3个模块组成，分别为：1)负载状态模块；2)第一重负载均衡博弈模块；3)第二重负载均衡博弈模块。
3个模块的详细说明如下：
1)负载状态模块
在基于双重博弈的负载均衡算法中由负载状态模块搜集构成虚拟网络的N个基础设施的负载状态参量然后将上述基础设施按照其负载的饱和度大小分为三类：①低负载基础设施、②中负载基础设施以及③高负载基础设施。其中：①低负载基础设施定义为所承载的负载还未达到临界值的基础设施，因此可以通过接纳新的负载来提高其资源利用率；②中负载基础设施定义为所承载的负载已达到临界值的基础设施，因此接纳新的负载或剔除旧的负载均会影响该基础设施的资源利用率；③高负载基础设施定义为所承载的负载已经远远超过其所能承受负载的临界值的基础设施，因此必须通过负载转移的方法降低其负载。基于上述讨论，设在N个基础设施中低负载、中负载和高负载基础设施分别有NL、NM和NH个，分别用集合和表示，因此有基础设施根据负载状态分类完成后，负载状态模块将组成虚拟网络的高负载基础设施的负载信息输出到第一重负载均衡博弈模块用于高负载基础设施负载降低方案的设计。
2)第一重负载均衡博弈模块
在第一重负载均衡博弈机制中，每个高负载基础设施通过购买其占用的每个频谱资源获得收益刺激其降低负载。令为二元指示变量，其中：若高负载基础设施购买第ln个可用频谱资源，等于1，否则为0。由于高负载基础设施在第一重负载均衡博弈机制中的购买目的是降低其负载状态，因此高负载基础设施n购买子载波ln在博弈行为中的收益为其负载值的降低，即其中：为高负载基础设施n分配给第ln个子载波的功率值，为信道增益。
令表示频谱资源ln售卖给高负载基础设施单位的代价。因此，表示该频谱资源在售卖ω0时所付出的代价值，因此子载波ln售卖给高负载基础设施n在博弈理论下的效用函数为
此效用函数由两部分组成，分别为收益和代价。随着售卖的频谱资源的增大，其获得的售卖收益也随之增大，即负载状态降低的越多。但是随着售卖的频谱资源的增大，其代价函数也将增大。因此，对于每个可用频谱资源，其目标是最大化自身的效用函数，即
而在买方高负载基础设施方面，由于其购买可用子载波ln的频谱资源以降低基础设施负载状态为目的，因此其目标函数为
其中：为高负载基础设施n可用的频谱资源集合。
由于针对高负载基础设施的负载降低是以售卖高出其负载容忍值的负载为目的的，因此买方高负载基础设施购买行为的约束为 其中：2n表示基础设施n的负载状态值，表示基础设施n的负载容忍值。然后根据最优化理论求得保证上述约束的最佳频谱分配二元指示变量解向量，
根据对高负载基础设施n可用频谱的分配，得到相应的最佳频谱分配二元指示变量，若对于子载波ln，其则表示高负载基础设施n仍可占用子载波ln进行数据传输；若则表示高负载基础设施n释放子载波ln，从而减轻了负载状态。因此，得到子载波集合用于传输高负载基础设施n的下行数据的频谱列表，从而实现了一种根据高负载基础设施负载状态等信息的负载降低方法。
由此可得，虚拟网络因高负载基础设施的负载降低方法操作带来的网络数据传输速率的下降值为
随后，第一重负载均衡博弈模块将虚拟网络因高负载基础设施负载降低操作带来的网络数据传输速率的下降值等有关信息输出到第二重负载均衡博弈模块用于低负载基础设施频谱提高方案的设计。
3)第二重负载均衡博弈模块
在第二重负载均衡博弈机制中，低负载基础设施通过购买虚拟资源池中的频谱资源获得收益刺激其提高负载状态从而使得保证虚拟网络QoE的负载均衡的实现。令为二元指示变量，其中：若低负载基础设施n购买虚拟资源池中第l个频谱资源，等于1，否则为0。由于低负载基础设施在第二重负载均衡博弈机制中的购买目的是提高其负载状态，因此低负载基础设施购买虚拟资源池中的子载波l在博弈行为中的收益为其负载值的提高，即其中：pn,l为低负载基础设施n分配给第l个子载波的功率值，Hn,l为信道增益，为虚拟资源池中频谱资源集合
令βn,l表示低负载基础设施购买单位频谱资源的价格。因此，表示该基础设施在购买ω0时所付出的代价值，因此低负载基础设施n购买虚拟资源池中的频谱资源在博弈理论下的效用函数为
此效用函数由两部分组成，分别为收益和代价。随着购买的频谱资源的增大，其获得的收益也随之增大，即负载状态提高的越多。但是，随着购买的频谱资源的增大，其代价函数也将增大。因此，对于每个低负载基础设施，其目标是最大化自身的效用函数，即
而在卖方MVNO方面，由于其售卖虚拟资源池中的频谱资源给低负载基础设施集合以提高基础设施的负载状态，因此其目标函数为
由于针对低负载基础设施的负载提高是以保证虚拟网络QoE为前提的，因此卖方MVNO售卖行为的约束为然后根据最优化理论求得保证上述约束的最佳频谱分配二元指示变量解向量，
根据对低负载基础设施n可用频谱的分配，得到相应的最佳频谱分配二元指示变量，若对于虚拟资源池中的子载波l，其则表示低负载基础设施n不够买虚拟资源池中的子载波l进行数据传输；若则表示低负载基础设施n购买子载波l的频谱资源，从而提高了负载状态，实现了一种保证虚拟网络QoE的针对低负载基础设施的负载提高方法。
最后，负载均衡博弈模块将计算得到的最优频谱配置结果发送给每个高、低负载基础设施用于其占用频谱资源的更新，从而实现了虚拟网络不同基础设施间的负载均衡。
本发明在基于SDN-NFV的超密集异构融合网络场景中，依据负载状态对虚拟网络各个基础设施进行状态划分，并通过建立双重博弈机制实现虚拟网络中各个基础设施间的负载均衡。一方面，第一重负载均衡博弈机制在高负载基础设施和该基础设施可用频谱资源间建立，其中：可用频谱资源通过售卖频谱资源的方式获得收益；而每个高负载基础设施通过购买其可用频谱资源获得负载降低的收益，从而形成了两者间的博弈行为。另一方面，第二重负载均衡博弈机制在MVNO和低负载基础设施间建立，其中：低负载基础设施通过购买其负载余额的方式获得收益；而MVNO通过售卖虚拟资源池中的频谱资源获得收益，从而形成了两者间的博弈行为。基于二重负载均衡博弈模型的建立，在有效保证虚拟网络用户QoE需求的前提下，实现高负载基础设施负载的有效降低和低负载基础设施负载的有效提高，从而形成一种动态、灵活的负载均衡方案，最终实现超密集异构网络的负载均衡。

Claims (7)

1.一种应用于超密集异构网络的基于双重博弈的负载均衡方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据组建虚拟网络的基础设施负载的饱和度大小的不同将基础设施集分成低负载基础设施、中负载基础设施和高负载基础设施；
(2)根据高负载基础设施的负载状态进行第一重高负载基础设施和该基础设施可用频谱资源间关于负载降低的博弈；
(3)根据第一重负载均衡博弈机制造成的虚拟网络性能损失的情况进行虚拟网络体验质量QoE保证机制的建立；
(4)将在第一重负载均衡博弈机制中释放的频谱资源通过NFV技术进行虚拟资源池的建立；
(5)根据低负载基础设施的负载状态进行第二重移动虚拟运营商MVNO和低负载基础设施间关于负载提高的博弈；
(6)根据第一和第二重负载均衡博弈机制建立的针对高负载基础设施和低负载基础设施负载状态的优化调整结果进行虚拟网络关于负载均衡的有效配置。
2.如权利要求1所述的应用于超密集异构网络的基于双重博弈的负载均衡方法，其特征在于，步骤(2)中，第一重负载均衡博弈机制是以博弈理论对高负载基础设施负载降低问题进行数学建模并得到频谱分配变量，以最大化每个高负载基础设施购买该基础设施可用频谱资源以降低该基础设施负载状态为目标函数进行频谱资源分配；然后，上述高负载基础设施有偿降低可用频谱资源的使用；根据博弈理论以最大化可用频谱资源减少负载状态效益为目标，以高负载基础设施高出其负载容忍值的负载为约束对高负载基础设施进行频谱分配。
3.如权利要求2所述的应用于超密集异构网络的基于双重博弈的负载均衡方法，其特征在于，第一重负载均衡博弈机制中的博弈关系中的卖方的效用函数定义为可用频谱不分配给该高负载基础设施所获得的收益，即卖方效用函数表示为 其中表示为可用频谱ln售卖的价格，为高负载基础设施与可用频谱ln的二元关联向量。
4.如权利要求2所述的应用于超密集异构网络的基于双重博弈的负载均衡方法，其特征在于，第一重负载均衡博弈机制中的博弈关系中的买方的效用函数定义为由于其购买可用频谱资源以降低其负载状态，即买方效用函数表示为
5.如权利要求1所述的应用于超密集异构网络的基于双重博弈的负载均衡方法，其特征在于，步骤(5)中，第二重负载均衡博弈机制是以博弈理论对低负载基础设施负载提高问题进行数学建模并得到频谱分配变量，以最大化每个低负载基础设施购买虚拟资源池中频谱资源以提高该基础设施负载状态为目标函数进行频谱资源分配，同时最大化MVNO通过售卖虚拟资源池中的频谱资源为目标。
6.如权利要求5所述的应用于超密集异构网络的基于双重博弈的负载均衡方法，其特征在于，第二重负载均衡博弈机制中的博弈关系中的卖方的效用函数定义为虚拟资源池中的频谱资源售卖给低负载基础设施所获得的收益，即卖方效用函数表示为其中βn,l表示为可用频谱l售卖的价格，为低负载基础设施与可用频谱l的二元关联向量，同时由于针对低负载基础设施的负载提高是以保证虚拟网络QoE为前提的，因此卖方MVNO售卖行为的约束为 其中：τ为虚拟网络因高负载基础设施的负载降低方法操作带来的网络数据传输速率的下降值。
7.如权利要求5所述的应用于超密集异构网络的基于双重博弈的负载均衡方法，其特征在于，第二重负载均衡博弈机制中的博弈关系中的买方的效用函数定义为由于其购买虚拟资源池中的频谱资源以提高其负载状态，即买方效用函数表示为
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