CN112543508A - 面向5g网络切片的无线资源分配方法及网络架构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面向5G网络切片的无线资源分配方法及网络架构，属于无线通信领域。所述方法包括：S1)获取每一个调度时隙内发起服务请求的终端的总数，并根据所述终端的总数将总资源块分为多个资源块组；S2)根据每个网络切片在每个资源块组上的资源分配优先级的高低，依次选择网络切片进行调度；S3)获取终端业务请求信息，并根据所述请求信息确定各终端的资源分配优先级；S4)根据各终端的资源分配优先级和各网络切片调度获得的资源进行各网络切片内的终端资源调度；S5)在终端资源调度过程中，实时判断资源块组的剩余数量和各资源块组内的资源剩余数量，直到所有资源分配完毕。本发明的方案增强了不同网络切片之间和之内的用户调度公平性。

Description

面向5G网络切片的无线资源分配方法及网络架构

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体地涉及一种面向5G网络切片的无线资源分配方法及一种面向5G网络切片的无线资源分配网络架构。

背景技术

在未来的5G网络中将涌现多种电力类型应用场景，其中三大典型应用场景分别为增强移动宽带(eMBB)、大规模机器类型通信(mMTC)和关键机器类型通信(CMTC)，不同的应用场景在移动性、安全性、时延和可靠性等方面要求各不相同。现有网络难以满足所有应用场景的需求，若为不同应用场景构建多个不同的物理网络又不太现实，产生的巨大成本是运营商无法接受的。在上述背景下，下一代移动网络联盟提出了网络切片的概念，即在一个物理基础设施上，利用软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)等技术，按需构建不同的网络切片。网络切片之间相互隔离，任何一个网络切片的拥塞、过载、配置的调整不影响其它的网络切片。根据不同的业务和应用场景的特征创建不同的网络切片，并使用恰当的资源分配方式、控制管理机制和运营策略，实现不同的网络架构，从而保证应用场景的性能要求，提高用户体验和网络资源利用率。

在5G无线网络虚拟化环境中，资源调度被赋予了新的含义。首先，传统的资源调度是以基站为单位的，同一基站的空时频资源在调度器的作用下分配给附着于该基站的某些用户；不同基站的调度器可能完全没有交互，或者通过某些信令进行粗糙的交互。而在新的体系结构中，由于实现了虚拟化和集中化的处理，网络层面的资源调度成为可能。在无线接入网切片的无线资源管理中，移动运营商需要部署高效、灵活的调度技术，为不同的网络切片动态地分配资源，注重不同网络切片之间和之内的用户调度公平性是移动运营商需要考虑的问题。为了增强不同网络切片之间和之内的用户调度公平性，需要创造一种新的面向5G无线网络的资源分配方法。

发明内容

本发明实施方式的目的是提供一种面向5G网络切片的无线资源分配方法，以至少解决目前资源调度方法无法实现不同网络切片之间和之内的用户调度公平性的问题。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种面向5G网络切片的无线资源分配方法，所述方法包括：S1)获取每一个调度时隙内发起服务请求的终端的总数，并根据所述终端的总数将总资源块分为多个资源块组；S2)根据每个网络切片在每个资源块组上的资源分配优先级的高低，依次选择网络切片进行调度；S3)获取终端业务请求信息，并根据所述请求信息确定各终端的资源分配优先级；S4)根据各终端的资源分配优先级和各网络切片调度获得的资源进行各网络切片内的终端资源调度；S5)在终端资源调度过程中，实时判断资源块组的剩余数量和各资源块组内的资源剩余数量，直到所有资源分配完毕。

可选的，步骤S2)中，所述根据每个网络切片在每个资源块组上的优先级高低依次选择网络切片进行调度，包括：获取各网络切片的性质参数，并根据所述性质参数确定各网络切片的资源分配优先级；其中，所述性质参数包括：网络切片类型、网络容量和网络负载。

可选的，所述根据所述性质参数确定各网络切片的资源分配优先级，包括：根据所述各网络切片的性质参数计算当前调度时隙内可达到的瞬时传输速率；计算公式为：

其中，

为第n个网络切片的第m个终端在资源块j上获得的速率；B为各资源块组的带宽；

为第n个网络切片的第m个终端在资源块j分配给用户的功率；

为第n个网络切片的第m个终端在资源块j上的信道增益。

可选的，所述根据所述性质参数确定各网络切片的资源分配优先级，还包括：计算各网络切片内各终端的和速率R_n和各终端的平均和速率

其中，各网络切片内各终端的和速率R_n计算公式为：

其中，K_n为第n个网络切片的在线终端数；

为第n个网络切片的第m个终端获得的总速率；所述各网络切片的资源分配优先级

计算公式为：

可选的，所述第n个网络切片的第m个终端获得的总速率

的计算公式为：

其中，资源块j分配给终端m时，

否则，

可选的，所述终端业务请求信息包括：所述各终端的资源分配优先级包括发送数据量α_m、传输速率β_m和时延γ_m三项指标；所述各终端的资源分配优先级计算公式为：

其中，P_m(t)为终端m在t时刻的优先级；d_m(t)为终端m在t时刻的待发送的业务数据量；r_m(t)为终端m在t时刻的瞬时传输速率；R_m(t)为终端m在t时刻之前的一段时间内的平均传输速率；W_m(t)为终端m的分组数据包在缓冲区队列的排队时延；τ_m为终端m的所能容忍的最大排队时延；σ_m为终端m分组数据包在缓冲区队列排队等待的时延与时延门限的最大比率。各终端在每个资源块组上的信道质量指示、终端待发送数据量和终端的分组数据包在缓冲区队列中的排队时延。

可选的，所述各终端的资源分配优先级计算公式满足以下约束关系：

0＜α_m,β_m,γ_m＜1；

α_m+β+γ_m＝1；

0＜σ_m＜1。

可选的，步骤S5)中，所述实时判断资源块组的剩余数量和各资源块组内的资源剩余数量，直到所有资源分配完毕，包括：在进行每一个资源块组资源调度时，实时获取当前资源块组内的资源剩余量，并在判定当前资源块组内还存在剩余资源时，继续进行当前资源块组内的终端资源分配，直到当前资源块组内的资源剩余量为0；每完成一个资源块组分配，在资源块组队列中对应删除一个资源块组，并判断剩余资源块组队列是否为0；若所述资源块组队列不为0，持续进行各网络切片资源分配；反之，完成本次调度，进入下一个调度周期。

本发明第二方面提供一种面向5G网络切片的无线资源分配网络架构，所述网络架构包括：终端；运营商服务器，用于接收所有终端发起的服务请求，并根据各终端的服务请求和实时资源情况进行各终端资源动态分配。

通过上述技术方案，首先根据网络切片类型、网络容量和负载情况等，移动运营商为各个网络切片分配固定的资源以满足其最低要求。然后根据比例公平调度算法计算出的优先级，按优先级从高到低的顺序，依次给各网络切片再次分配资源，直到资源剩余数为零，同时优先级高的网络切片优先选择信道好的资源。在各网络切片内，根据每个用户对业务的不同需求，依据不同的性能指标划分优先级，并且按优先级从高到低的顺序，依次给网络切片内的用户分配资源，优先级高的用户优先选择信道好的资源，直到资源全部分配完毕。增强了面向5G网络切片进行资源调度的公平性。

本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：

图1是本发明一种实施方式提供的面向5G网络切片的无线资源分配方法的步骤流程图；

图2是本发明一种实施方式提供的确定各终端资源分配优先级方法的步骤流程图；

图3是本发明一种实施方式提供的资源分配进程判断方法的步骤流程图；

图4是本发明一种实施方式提供的面向5G网络切片的无线资源分配网络架构的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图4是本发明一种实施方式提供的面向5G网络切片的无线资源分配网络架构的结构示意图。如图4所示，本发明实施方式提供一种面向5G网络切片的无线资源分配网络架构，所述网络架构包括：终端；运营商服务器，用于接收所有终端发起的服务请求，并根据各终端的服务请求和实时资源情况进行各终端资源动态分配。

在本发明实施例中，可能的网络切片之间的无线资源分配方法有三种，分别为静态资源分配、半静态资源分配和动态资源分配。其中，在静态资源分配方案中，收集切片状态信息和时间资源、频率资源、功率资源等无线资源状态信息，然后将这些无线资源固定地分配给各网络切片，资源一旦分配给网络切片，网络切片将在很长一段时间内都占有所分配到的资源，然后用户根据QoS(Quality of Service，服务质量)需求、无线资源和RAT(Radio Access Type，无线接入类型)接入目标网络切片。在进行合理的资源配置过程中，各切片在逻辑资源和逻辑功能上始终处于隔离状态，一个切片的状态变化不会影响其余切片的运行。通过合理优化各切片资源，就可以将整体的网络无线资源进行合理的分配。但是随着移动终端数据流量指数增长、设备连接数大幅提升以及多媒体等新兴业务的兴起，静态的资源分配方案由于缺乏灵活性，不能根据切片的动态变化实时的改变资源分配策略，不仅资源利用率较低，还不能满足所有切片的性能需求，因此静态资源分配方式已经不能满足当前的网络环境。

而在动态资源分配方式中，动态的资源分配方式可以根据当前网络切片的状态、用户状态以及无线资源状态等信息为网络切片和用户实时地分配资源，使其应对网络状态的动态变化。对资源进行动态分配时需要将切片的公平性和优先级纳入考虑范围之内，实现合理的动态资源分配由网络切片间的公共调度器完成。但是此方法分配方案比较复杂，对于服务器的算力要求比较大，分配方案生成的时延也相对较高。半静态资源管理时，将无线资源进行整合并半静态地分配给每个特定的网络切片。以半静态的资源分配方式可以设计更有弹性的为用户确定接入目标网络切片的资源分配机制。所以半静态资源分配方案将跟适用于5G网络切片的无线资源分配，本发明实施例便以半静态资源分配方案进行设计。

图1是本发明一种实施方式提供的面向5G网络切片的无线资源分配方法的方法流程图。如图1所示，本发明实施方式提供一种面向5G网络切片的无线资源分配方法，具体的，包括以下步骤:

步骤S10：获取每一个调度时隙内的总资源数，并将所述总资源数分为多个资源块组。

具体的，在未来的5G网络中将涌现多种电力类型应用场景，其中三大典型应用场景分别为增强移动宽带(eMBB)、大规模机器类型通信(mMTC)和关键机器类型通信(CMTC)，不同的应用场景在移动性、安全性、时延和可靠性等方面要求各不相同。且同一用户的设备终端，可以同时接入多个网络切片，进行多种服务类型的同时请求。为了便于对不同的网络切片和不同的终端进行准确的资源计量分配，将所有的无限资源定量分为多个资源块组，每一个资源块组包括12个载波，共1个时隙，即0.5ms，将所有资源块组的数量记为无线资源总数Q。运营商服务器截取某一时刻，根据还时隙内请求调度的的终端数，将该时隙内总的资源块数Q分为多个资源块组，通过资源块组进行资源定量调度。

步骤S20：根据每个网络切片在每个资源块组上的优先级高低依次选择网络切片进行调度。

具体的，根据发起终端服务类型和服务数量将资源块总数分为多个资源块组后，需要进行各个网络切片类型的资源调度。因为同一时隙内存在多种发起请求的网络切片，不可能的同时满足所有网络切片的最优资源调度。为了降低用户体验度，首先为所有网络切片进行基础资源分配，分配规则为满足各网络切片的最低服务要求。完成基础资源分配后，便需要逐一对网络切片进行最优资源分配。所以需要制定完整的分配优先级规则，即优先级越高的网络切片，获得的调度优先度也就越高，而优先级越高的网络切片将可以优先选择信道号的资源。进行优先级判断的标准为，根据每个用户对业务的不同需求，依据不同的性能指标划分优先级。第一步需要获取各网络切片的性质参数，包括网络切片类型、网络容量和网络负载。然后根据这些信息计算当前调度时隙内可达到的瞬时传输速率，计算公式为：

其中，

为第n个网络切片的第m个终端在资源块j上获得的速率；B为各资源块组的带宽；

为第n个网络切片的第m个终端在资源块j分配给用户的功率；

为第n个网络切片的第m个终端在资源块j上的信道增益。然后根据计算获得的

进行总速率计算，计算公式为：

其中，资源块j分配给终端m时，

否则，

进一步求得各网络切片内各终端的和速率R_n和各终端的平均和速率

其中，各网络切片内各终端的和速率R_n计算公式为：

其中，K_n为第n个网络切片的在线终端数；

为第n个网络切片的第m个终端获得的总速率。根据上述公式分别求个各个网络切片的各终端的和速率，然后求得各终端的平均和速率

计算公式为：

根据上述关系求得的各终端的和速率R_n和各终端的平均和速率

进行各终端优先级计算，计算公式为：

其中，

为第n个网络切片在第j各资源块组内的分配优先级。求得各个网络切片的资源分配优先级后，对于同一资源块组内的网络切片的资源分配优先级进行横向对比，数值越大的网络切片的资源分配优先度也就越高。运营商服务器根据生成的各网络切片的资源分配优先级，将资源块组内的资源块逐一分配到各网络切片中。

步骤S30：获取终端业务请求信息，并根据所述请求信息确定各终端的资源分配优先级。

具体的，完成网络切片资源分配后，需要进行终端资源分配。因为多个终端在同一时刻可能发起了同样的服务请求，即一个网络切片中包括多个终端的服务请求，需要将网络切片获取的资源量分配到其中所有的终端上。与网络切片资源分配规则类似，依旧无法同时满足所有终端的最优资源分配福，所以需要制定终端资源分配优先级，并根据终端分配优先级进行资源分配。具体的，如图2，包括以下步骤：

步骤S301：获取各终端发起业务请求的请求信息。

具体的，为终端分配资源优先级需要考虑终端接收服务的迫切性，即需要通过各终端发起请求的请求信息来判断终端接收服务的迫切性。优选的，终端的资源需求迫切性由发送数据量、传输速率和时延三项指标决定，评估这三项指标，首先需要获取各终端发起业务请求的请求信息。这些信息包括：各终端在每个资源块组上的信道质量指示、终端待发送数据量和终端的分组数据包在缓冲区队列中的排队时延。

步骤S302：根据各终端发起业务请求的请求信息计算各终端的各指标的比重。

具体的，终端获取资源优先级是发送数据量、传输速率和时延三项指标的综合影响结果，即需要考虑这三项数值的综合比重。以完全比重为1，各指标占有比重为α_m、β_m和γ_m，则0＜α_m,β_m,γ_m＜1且α_m+β+γ_m＝1。需要根据各项指标的实际情况进行各指标比重分配。例如，某终端的分组数据包在缓冲区队列中的排队时延为2ms，该终端越靠近时延门限，时延γ_m所占比重也就越大。同理，数据需求量越大的终端，数据量α_m所占比重也就越大；传输速率需求越高的终端的传输速率β_m所占比重也就越大。根据此规则，以各终端的绝对时延门限、数据量和传输速率，以及横向对比各终端的绝对时延门限、数据量和传输速率获得的相对时延门限、相对数据量和相对传输速率进行各终端三项指标比重分配。

步骤S303：根据各终端的各指标的比重计算各终端的资源分配优先级。

具体的，根据不同切片用户对业务不同需求，主要性能指标包括传输速率、时延、待发送数据量，不同切片对每一个性能指标的要求也不同，本算法综合考虑了每个用户的每个性能指标来调整用户的调度优先级，从而保证每个用户的差异化需求都得到满足，达到提高公平性的效果。则终端m在t时刻的优先级P_m(t)的计算公式为：

其中，d_m(t)为终端m在t时刻的待发送的业务数据量；r_m(t)为终端m在t时刻的瞬时传输速率；R_m(t)为终端m在t时刻之前的一段时间内的平均传输速率；W_m(t)为终端m的分组数据包在缓冲区队列的排队时延；τ_m为终端m的所能容忍在最大排队时延；因为d_m(t)为终端m在t时刻的待发送的业务数据量，所以

为t时刻所有终端待发送业务数据量之和；

则表示终端m在t时刻的待发送的业务数据量占所有终端待发送的数据量总和的比重。σ_m为终端m分组数，据包在缓冲区队列排队等待的时延与时延门限的最大比率，0＜σ_m＜1，对其取对数后为负数。

步骤S40：根据所述各终端的资源分配优先级和各网络切片调度获得的资源进行各网络前片内终端资源调度。

具体的，每个用户的优先级由用户所属切片的特征所决定，首先用户的优先级和其所属切片的QoS参数有关，每个切片的业务数据流都有相应的QoS属性，通过α_m、β_m和γ_m三个参数控制待发送业务量、传输速率以及时延对优先级的影响权重。根据最终的优先级，从优先级最高的终端开始，依次进行各终端资源分配。

步骤S50：实时判断资源快组剩余数量和各资源块组内资源剩余数量，直到所有资源分配完毕。

具体的，每个时隙的资源总量有限，而每个时隙发起请求的终端数量和服务数量无法确定，即同一时隙可能存在资源过剩或资源不足的情况。为了实现资源分配过程的智能监管，进行资源分配时需要进行剩余资源监测，并判断资源分配进程。具体的，如图3，包括以下步骤：

步骤S501：终端资源分配监控。

具体的，在一种可能的实施方式中，运营商服务器根据终端资源分配优先级，选取其中优先级最高的终端进行资源分配，分配终端需求的资源块，然后将该资源块从该网络切片获取的资源块组队列中删除。运营商服务器判断当前网络切片是否还有剩余资源块，若还存在剩余资源块，则根据优先级选取下一个终端进行资源块分配，并在下一个终端完成资源分配后继续进行当前网络切片是否还有剩余资源块判断，直到当前资源块组内的资源块被分配完毕。若判定当前资源块组内无剩余资源块，则表示当前调度时刻的资源块已分配完毕，结束调度过程，进入下一个资源块组调度周期。

步骤S502：网络切片资源分配监控。

具体的，步骤S10中生成有多个资源块组，每完成一个资源块组调度，便依顺序进行下一个资源块组资源调度。所以，完成一个资源块组调度周期后，运营商服务器判断预设资源块组队列内是否还有剩余资源块组，若还存在剩余资源块组，根据资源块组顺序进行下一个资源块组资源部分配，重复进行步骤S20-S40，完成下一个资源块组资源调度，直到所有资源块组调度完成。若判定资源块组队列内无剩余资源块组时，表示该时刻调度完毕，进入下一个调度周期。

本领域技术人员可以理解实现上述实施方式的方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。

Claims (10)

1.一种面向5G网络切片的无线资源分配方法，其特征在于，所述方法包括：

S1)获取每一个调度时隙内发起服务请求的终端的总数，并根据所述终端的总数将总资源块分为多个资源块组；

S2)根据每个网络切片在每个资源块组上的资源分配优先级的高低，依次选择网络切片进行调度；

S3)获取终端业务请求信息，并根据所述请求信息确定各终端的资源分配优先级；

S4)根据各终端的资源分配优先级和各网络切片调度获得的资源进行各网络切片内的终端资源调度；

S5)在终端资源调度过程中，实时判断资源块组的剩余数量和各资源块组内的资源剩余数量，直到所有资源分配完毕。

2.根据权利要求1所述的面向5G网络切片的无线资源分配方法，其特征在于，步骤S2)中，所述根据每个网络切片在每个资源块组上的优先级高低依次选择网络切片进行调度，包括：

获取各网络切片的性质参数，并根据所述性质参数确定各网络切片的资源分配优先级；其中，所述性质参数包括：网络切片类型、网络容量和网络负载。

3.根据权利要求2所述的面向5G网络切片的无线资源分配方法，其特征在于，所述根据所述性质参数确定各网络切片的资源分配优先级，包括：

根据所述各网络切片的性质参数计算当前调度时隙内可达到的瞬时传输速率；计算公式为：

其中，

为第n个网络切片的第m个终端在资源块j上获得的速率；

B为各资源块组的带宽；

为第n个网络切片的第m个终端在资源块j分配给用户的功率；

为第n个网络切片的第m个终端在资源块j上的信道增益。

4.根据权利要求3所述的面向5G网络切片的无线资源分配方法，其特征在于，所述根据所述性质参数确定各网络切片的资源分配优先级，还包括：

计算各网络切片内各终端的和速率R_n和各终端的平均和速率

其中，各网络切片内各终端的和速率R_n计算公式为：

其中，K_n为第n个网络切片的在线终端数；

为第n个网络切片的第m个终端获得的总速率；

所述各网络切片的资源分配优先级

计算公式为：

5.根据权利要求4所述的面向5G网络切片的无线资源分配方法，其特征在于，所述第n个网络切片的第m个终端获得的总速率

的计算公式为：

其中，资源块j分配给终端m时，

否则，

6.根据权利要求5所述的面向5G网络切片的无线资源分配方法，其特征在于，所述终端业务请求信息包括：

各终端在每个资源块组上的信道质量指示、终端待发送数据量和终端的分组数据包在缓冲区队列中的排队时延。

7.根据权利要求6所述的面向5G网络切片的无线资源分配方法，其特征在于，所述各终端的资源分配优先级包括发送数据量α_m、传输速率β_m和时延γ_m三项指标；所述各终端的资源分配优先级计算公式为：

其中，P_m(t)为终端m在t时刻的优先级；

d_m(t)为终端m在t时刻的待发送的业务数据量；

r_m(t)为终端m在t时刻的瞬时传输速率；

R_m(t)为终端m在t时刻之前的一段时间内的平均传输速率；

W_m(t)为终端m的分组数据包在缓冲区队列的排队时延；

τ_m为终端m的所能容忍的最大排队时延；

σ_m为终端m分组数据包在缓冲区队列排队等待的时延与时延门限的最大比率。

8.根据权利要求7所述的面向5G网络切片的无线资源分配方法，其特征在于，所述各终端的资源分配优先级计算公式满足以下约束关系：

0＜α_m,β_m,γ_m＜1；

α_m+β+γ_m＝1；

0＜σ_m＜1。

9.根据权利要求8所述的面向5G网络切片的无线资源分配方法，其特征在于，步骤S5)中，所述实时判断资源块组的剩余数量和各资源块组内的资源剩余数量，直到所有资源分配完毕，包括：

在进行每一个资源块组资源调度时，实时获取当前资源块组内的资源剩余量，并在判定当前资源块组内还存在剩余资源时，继续进行当前资源块组内的终端资源分配，直到当前资源块组内的资源剩余量为0；

每完成一个资源块组分配，在资源块组队列中对应删除一个资源块组，并判断剩余资源块组队列是否为0；

若所述资源块组队列不为0，持续进行各网络切片资源分配；反之，完成本次调度，进入下一个调度周期。

10.一种面向5G网络切片的无线资源分配网络架构，其特征在于，所述网络架构包括：

终端；

运营商服务器，用于接收所有终端发起的服务请求，并根据各终端的服务请求和实时资源情况进行各终端资源动态分配。

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