基于機會共享的無線虛擬化資源分配方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及移動與無線網(wǎng)絡【技術(shù)領域】，提供了一種基于機會共享的無線虛擬化資源分配方法，該方法包括：確定物理網(wǎng)絡的資源總量；確定虛擬網(wǎng)絡的數(shù)量和每個虛擬網(wǎng)絡的資源需求，包括基線需求、彈性需求、以及所述彈性需求發(fā)生的概率；確定每個虛擬網(wǎng)絡需要支付的價格，所述價格為關(guān)于其資源需求的凹函數(shù)；設定約束條件，包括虛擬網(wǎng)絡分配的資源總量不超過所述網(wǎng)絡的資源總量，一份資源至多被一份基線需求占用，不同虛擬網(wǎng)絡的彈性需求共占同一份資源時的沖突概率不超過預定的沖突門限；在所述約束條件下，通過算法計算使物理網(wǎng)絡總收益最大的資源分配方式。本發(fā)明可以提升資源的利用率和使用收益，有利于實現(xiàn)網(wǎng)絡服務的定制化、提高服務質(zhì)量。
【專利說明】基于機會共享的無線虛擬化資源分配方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及移動與無線網(wǎng)絡【技術(shù)領域】，具體涉及一種基于機會共享的無線虛擬化資源分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002]移動與無線網(wǎng)絡在過去幾十年間取得了舉世矚目的成就，已經(jīng)成為影響人們生活最深遠的技術(shù)之一。然而，隨著近年來人們對移動數(shù)據(jù)量的需求爆炸式地與日俱增，現(xiàn)有的移動和無線網(wǎng)絡遇到了若干棘手的問題和瓶頸。首先，多個著名的運營商表示頻譜資源已變得極為匱乏，難以滿足日益增長的移動數(shù)據(jù)需求。然而在實際中，用戶身邊存在著大量的空閑移動資源，卻沒有得到高效的利用，這使得大量頻譜資源出現(xiàn)了浪費。其次，移動互聯(lián)網(wǎng)的日益興盛使得新服務不斷涌現(xiàn)。不同的服務對網(wǎng)絡特性的需求是不同的，如VoIP要求低延時但對帶寬的需求并不高，而視頻等流業(yè)務則要求高的帶寬而對延時有一定容忍。然而，現(xiàn)有網(wǎng)絡采用單一的網(wǎng)絡特性去支持多種服務，難以針對服務特點提供定制的網(wǎng)絡保障，從而影響服務質(zhì)量（QoS)和體驗質(zhì)量（QoE)。
[0003]無線網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)旨在同一張共享的底層物理無線網(wǎng)絡之上并行運行多張?zhí)摂M無線網(wǎng)絡。物理無線網(wǎng)絡占有、管理并協(xié)調(diào)物理無線資源。虛擬無線網(wǎng)絡本身不占有資源，向物理網(wǎng)絡申請(租用）資源來向終端用戶提供服務。無線網(wǎng)絡虛擬化能夠高效解決移動和無線網(wǎng)絡所面臨的上述棘手問題。首先，無線網(wǎng)絡虛擬化將資源提供與服務提供解耦，所有虛擬網(wǎng)絡均共享同樣的物理網(wǎng)絡，使得物理網(wǎng)絡能夠更加有效地優(yōu)化和分配無線資源，從而大幅度節(jié)約了無線資源，提高無線資源的利用率。另一方面，不同類型的服務可以由不同的虛擬網(wǎng)絡來承載，因此物理網(wǎng)絡可以根據(jù)不同服務的類型來為相應的虛擬網(wǎng)絡提供最優(yōu)的資源和調(diào)度保障，從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡服務的可定制，顯著提升服務質(zhì)量（QoS)和體驗質(zhì)量（QoE)。
[0004]無線網(wǎng)絡虛擬化中的一個最基本和重要的問題便是虛擬無線資源分配問題。大量虛擬網(wǎng)絡對資源有著不同的需求，資源需要根據(jù)這些需求有效地進行無線資源的分配。在無線資源之中，最為重要和稀缺的便是頻譜資源。因此，虛擬無線網(wǎng)絡頻譜資源分配問題便成為了首要的關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)資源分配方法均假設資源需求方的需求是固定的，然而在無線網(wǎng)絡虛擬化環(huán)境中，虛擬網(wǎng)絡所申請的資源往往按照峰值需求來申請，即大多數(shù)時間所申請的資源并沒有得到使用，從而產(chǎn)生了資源浪費，制約了資源的利用率和使用收益的提聞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一）解決的技術(shù)問題
[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于機會共享的無線虛擬化資源分配方法，可以提升資源的利用率和使用收益，有利于實現(xiàn)網(wǎng)絡服務的定制化、提高服務質(zhì)量。
[0007](二）技術(shù)方案[0008]為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn):
[0009]一種基于機會共享的無線虛擬化資源分配方法，其特征在于，該方法包括:
[0010]確定物理網(wǎng)絡的資源總量；
[0011]確定虛擬網(wǎng)絡的數(shù)量和每個虛擬網(wǎng)絡的資源需求，包括基線需求、彈性需求、以及所述彈性需求發(fā)生的概率；
[0012]確定每個虛擬網(wǎng)絡需要支付的價格，所述價格為關(guān)于其資源需求的凹函數(shù)；
[0013]設定約束條件，包括虛擬網(wǎng)絡分配的資源總量不超過所述網(wǎng)絡的資源總量，一份資源至多被一份基線需求占用，不同虛擬網(wǎng)絡的彈性需求共占同一份資源時的沖突概率不超過預定的沖突門限；
[0014]在所述約束條件下，通過算法計算使物理網(wǎng)絡總收益最大的資源分配方式。
[0015]優(yōu)選地，所述算法為基于動態(tài)規(guī)劃的迭代算法，該算法包括:
[0016]初始化在U=O或V=O時的值為0，其中表示前u個虛擬網(wǎng)絡被承載在資源總量為V的物理網(wǎng)絡中的最大收益，u不超過所述虛擬網(wǎng)絡的數(shù)量ην，ν不超過所述物理網(wǎng)絡的資源總量C ；
[0017]按迭代公式依次計算在U=I至u=nv時的所有值；
[0018]所求分配方式為對應的分配結(jié)果；
[0019]所述迭代公式為:
[0020]其中bu與fu分別為第U個虛擬網(wǎng)絡的基線需求和彈性需求，為第u個虛擬網(wǎng)絡所需占用的新的空閑資源總量，為加入第u個虛擬網(wǎng)絡所增加的物理網(wǎng)絡的總收益。
[0021]優(yōu)選地，所述第U個虛擬網(wǎng)絡所需占用的新的空閑資源總量的計算步驟包括:
[0022]步驟S201:計算該虛擬網(wǎng)絡的彈性需求與物理網(wǎng)絡中已經(jīng)被其它虛擬網(wǎng)絡彈性需求占用的每一份資源的沖突概率；
[0023]步驟S202:將所述沖突概率不大于所述沖突門限的資源加入候選集合中，并記候選集合的資源量為η ；
[0024]步驟S203:若η > fu,則從所述候選集合中選取fu份資源分配給該虛擬網(wǎng)絡的彈性需求，所述=bu,并轉(zhuǎn)至步驟S206 ；
[0025]步驟S204:若n〈fu且剩余空閑資源量大于bu+fu_n,則將所述候選集合中的所有資源，和剩余空閑資源中選取的fu-n份資源分配給該虛擬網(wǎng)絡的彈性需求，所述=bu+fu_n,轉(zhuǎn)至步驟 S206 ；
[0026]步驟S205:拒絕該虛擬網(wǎng)絡，保持原分配結(jié)果不變；
[0027]步驟S206:接受該虛擬網(wǎng)絡，記錄此時對應的分配結(jié)果。
[0028]優(yōu)選地，所述步驟201中，所述沖突概率，其中PU為該虛擬網(wǎng)絡的所述彈性需求發(fā)生的概率，為該份資源的所有虛擬網(wǎng)絡彈性需求均不發(fā)生的概率，為該份資源的所有虛擬網(wǎng)絡彈性需求中只發(fā)生一個的概率。
[0029]優(yōu)選地，所述從所述候選集合中選取fu份資源分配給該虛擬網(wǎng)絡的彈性需求包括:
[0030]對于每份資源，計算所述沖突門限與所述沖突概率的差值，和該差值與所述的比值；
[0031]按所述比值從小到大順序排列，并取前fu份資源分配給該虛擬網(wǎng)絡的彈性需求。[0032]優(yōu)選地，所述步驟S203和步驟204還包括：在轉(zhuǎn)至步驟S206之前，更新的值為、的值為。
[0033]優(yōu)選地，其特征在于，所述資源為頻譜資源，所述一份資源為一個信道。
[0034](三）有益效果
[0035]本發(fā)明至少具有如下的有益效果：
[0036]本發(fā)明的要點在于區(qū)分了虛擬網(wǎng)絡中的基線需求與彈性需求，其中基線需求即為每個虛擬網(wǎng)絡須獨占的固定資源需求，而彈性需求為按一定概率發(fā)生的不固定的資源需求。通過給每個虛擬網(wǎng)絡的基線需求分配固定的資源、而使各虛擬網(wǎng)絡的彈性需求機會共享相同的資源，相比較不區(qū)分的資源分配方式，就可以使等量的資源滿足更多虛擬網(wǎng)絡的需求，達到提高利用率的目的，并且還提出了一種分析資源需求的新視角，有利于實現(xiàn)網(wǎng)絡服務的定制化、提高服務質(zhì)量。
[0037]而且，本發(fā)明還采取了定價的方式來表示虛擬網(wǎng)絡為得到所需求資源而需要付出的價格，價格以一個關(guān)于其資源需求的凹函數(shù)來表示，基于這種“資源數(shù)-對應價格”這一“需求商品-商品價格”關(guān)系，不僅可以使用現(xiàn)有的經(jīng)濟學模型和算法解決資源分配問題，有利于進一步地提升總體的收益和資源的利用率，同時還有利于從物理網(wǎng)絡與虛擬網(wǎng)絡間的經(jīng)濟關(guān)系這一視角上分析資源分配問題，給該類的問題提供一種新的思路。
[0038]當然，實施本發(fā)明的任一產(chǎn)品或方法并不一定需要同時達到以上所述的所有優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0040]圖I是本發(fā)明一個實施例中一種基于機會共享的無線虛擬化資源分配方法流程圖；
[0041]圖2是本發(fā)明一個實施例中所述無線虛擬化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖；
[0042]圖3是本發(fā)明一個實施例中第u個虛擬網(wǎng)絡所需占用的新的空閑資源總量>9的計算步驟流程圖。
【具體實施方式】
[0043]為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0044]本發(fā)明實施例提出了 一種基于機會共享的無線虛擬化資源分配方法，參見圖I，該方法包括：
[0045]步驟101 :確定物理網(wǎng)絡的資源總量；
[0046]步驟102 :確定虛擬網(wǎng)絡的數(shù)量和每個虛擬網(wǎng)絡的資源需求，包括基線需求、彈性需求、以及所述彈性需求發(fā)生的概率；
[0047]步驟103:確定每個虛擬網(wǎng)絡需要支付的價格，所述價格為關(guān)于其資源需求的凹函數(shù)；
[0048]步驟104:設定約束條件，包括虛擬網(wǎng)絡分配的資源總量不超過所述網(wǎng)絡的資源總量，一份資源至多被一份基線需求占用，不同虛擬網(wǎng)絡的彈性需求共占同一份資源時的沖突概率不超過預定的沖突門限；
[0049]步驟105:在所述約束條件下，通過算法計算使物理網(wǎng)絡總收益最大的資源分配方式。
[0050]參見圖2，本發(fā)明實施例所處的背景是:在無線虛擬化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，有若干個虛擬網(wǎng)絡和一個物理網(wǎng)絡。虛擬網(wǎng)絡本身不占有資源，其通過向物理網(wǎng)絡申請資源而得以運行。物理網(wǎng)絡占有資源，會根據(jù)虛擬無線網(wǎng)絡的資源需求向其分配資源。若干虛擬網(wǎng)絡并行運行于物理網(wǎng)絡之上,共享物理網(wǎng)絡的資源。
[0051]在本發(fā)明實施例中，所說的資源具體指頻譜資源(實際上也可以是其他資源形式)，而用信道數(shù)來衡量資源的數(shù)量。從而可以具體構(gòu)建此情景下資源分配問題的數(shù)學模型:
[0052]步驟101:確定物理網(wǎng)絡的資源總量C，即表征為共含有C個無線信道的物理網(wǎng)絡資源模型；
[0053]步驟102:確定虛擬網(wǎng)絡的數(shù)量和每個虛擬網(wǎng)絡的資源需求，包括基線需求、彈性需求、以及所述彈性需求 發(fā)生的概率。這里具體取所述虛擬網(wǎng)絡資源模型表征為共含有nv
個虛擬網(wǎng)絡，其資源需求集合為9? = G，/ = 1,2,其中g(shù)為第i個虛擬網(wǎng)絡的資源需求
(向量)，表示為/; =d./,+，廠;)，其中匕表示所述基線需求，A表示所述彈性需求，Pi表示所述彈性需求發(fā)生的概率。
[0054]步驟103:確定每個虛擬網(wǎng)絡需要支付的價格，所述價格為關(guān)于其資源需求的凹函數(shù)。也就是設定每個虛擬網(wǎng)絡需要支付的價格關(guān)于其資源需求的凹函數(shù)，可以表示為
P1=/(η) ο
[0055]步驟104:設定約束條件，包括虛擬網(wǎng)絡分配的資源總量不超過所述網(wǎng)絡的資源總量，一份資源至多被一份基線需求；占用不同虛擬網(wǎng)絡的彈性需求共占同一份資源時的沖突概率不超過預定的沖突門限。也就是說，當基線需求占用若干份資源時，這若干份資源就不能被其他需求占用了 ；而在滿足沖突概率不超過預定的沖突門限的條件下，占用不同虛擬網(wǎng)絡的彈性需求可以共同占用同一份資源。
[0056]步驟105:在所述約束條件下，通過算法計算使物理網(wǎng)絡總收益最大的資源分配方式，也就是確定目標函數(shù)為要使物理網(wǎng)絡總收益最大。
[0057]自此，該資源分配問題的數(shù)學模型就被固定下來了，其可以采用多種現(xiàn)有算法來解決?？梢?，該方法區(qū)分了虛擬網(wǎng)絡中的基線需求與彈性需求，其中基線需求即為每個虛擬網(wǎng)絡須獨占的固定資源需求，而彈性需求為按一定概率發(fā)生的不固定的資源需求。也就是說，基線需求獨占物理網(wǎng)絡資源；而彈性需求按照概率出現(xiàn)，從屬于不同虛擬網(wǎng)絡的彈性需求可以機會共享相同的物理網(wǎng)絡資源，但其也需要滿足一定的約束條件。在這種情形下，資源分配問題中就考慮到了不同虛擬網(wǎng)絡機會共享同一資源的情況，通過給每個虛擬網(wǎng)絡的基線需求分配固定的資源、而使各虛擬網(wǎng)絡的彈性需求在一定的約束條件下可以機會共享相同的資源。相比較不區(qū)分的資源分配方式，就可以使等量的資源滿足更多虛擬網(wǎng)絡的需求，達到提高利用率的目的，并且還提出了一種分析資源需求的新視角，有利于實現(xiàn)網(wǎng)絡服務的定制化、提聞服務質(zhì)量。
[0058]而且，本發(fā)明還采取了定價的方式來表示虛擬網(wǎng)絡為得到所需求資源而需要付出的價格，價格以一個關(guān)于其資源需求的凹函數(shù)來表示，基于這種“資源數(shù)-對應價格”這一“需求商品-商品價格”關(guān)系，不僅可以使用現(xiàn)有的經(jīng)濟學模型和算法解決資源分配問題，有利于進一步地提升總體的收益和資源的利用率，同時還有利于從物理網(wǎng)絡與虛擬網(wǎng)絡間的經(jīng)濟關(guān)系這一視角上分析資源分配問題，給該類的問題提供一種新的思路。
[0059]下面就這一數(shù)學模型，提供一種優(yōu)選算法一基于動態(tài)規(guī)劃的迭代算法來展示本發(fā)明所提出的方法，該算法包括：
[0060]初始化OptMu,v在U=O或V=O時的值為0，其中OptMu,v表示前u個虛擬網(wǎng)絡被承載在資源總量為V的物理網(wǎng)絡中的最大收益，u不超過所述虛擬網(wǎng)絡的數(shù)量nv，V不超過所述物理網(wǎng)絡的資源總量C ;
[0061]按迭代公式依次計算0ptMu，v在U=I至u=nv時的所有值；
[0062]所求分配方式為OP削對應的分配結(jié)果；
[0063]所述迭代公式為：
[0064]
【權(quán)利要求】
1.一種基于機會共享的無線虛擬化資源分配方法，其特征在于，該方法包括： 確定物理網(wǎng)絡的資源總量； 確定虛擬網(wǎng)絡的數(shù)量和每個虛擬網(wǎng)絡的資源需求，包括基線需求、彈性需求、以及所述彈性需求發(fā)生的概率； 確定每個虛擬網(wǎng)絡需要支付的價格，所述價格為關(guān)于其資源需求的凹函數(shù)； 設定約束條件，包括虛擬網(wǎng)絡分配的資源總量不超過所述網(wǎng)絡的資源總量，一份資源至多被一份基線需求占用，不同虛擬網(wǎng)絡的彈性需求共占同一份資源時的沖突概率不超過預定的沖突門限； 在所述約束條件下，通過算法計算使物理網(wǎng)絡總收益最大的資源分配方式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述算法為基于動態(tài)規(guī)劃的迭代算法，該算法包括： 初始化OptMu，v在U=O或V=O時的值為0，其中OptMu，v表示前u個虛擬網(wǎng)絡被承載在資源總量為ν的物理網(wǎng)絡中的最大收益，u不超過所述虛擬網(wǎng)絡的數(shù)量ην，ν不超過所述物理網(wǎng)絡的資源總量C ; 按迭代公式依次計算OptMu，v在U=I至u=nv時的所有值； 所求分配方式為^V,c對應的分配結(jié)果； 所述迭代公式為：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述第u個虛擬網(wǎng)絡所需占用的新的空閑資源總量的計算步驟包括： 步驟S201 :計算該虛擬網(wǎng)絡的彈性需求與物理網(wǎng)絡中已經(jīng)被其它虛擬網(wǎng)絡彈性需求占用的每一份資源的沖突概率； 步驟S202 :將所述沖突概率不大于所述沖突門限的資源加入候選集合中，并記候選集合的資源量為η ； 步驟S203 :若η > fu，則從所述候選集合中選取fu份資源分配給該虛擬網(wǎng)絡的彈性需求，所述匕，并轉(zhuǎn)至步驟S206 ； 步驟S204 :若n〈fu且剩余空閑資源量大于bu+fu-n，則將所述候選集合中的所有資源，和剩余空閑資源中選取的fu_n份資源分配給該虛擬網(wǎng)絡的彈性需求，所述式",=&+/,)-?，轉(zhuǎn)至步驟S206 ； 步驟S205 :拒絕該虛擬網(wǎng)絡，保持原分配結(jié)果不變； 步驟S206 :接受該虛擬網(wǎng)絡，記錄此時OptMu，v對應的分配結(jié)果。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟201中，所述沖突概率Prrallism= I-Prntme-(I-Pu)Pr·其中Pu為該虛擬網(wǎng)絡的所述彈性需求發(fā)生的概率，Prn為該份資源的所有虛擬網(wǎng)絡彈性需求均不發(fā)生的概率，Prone為該份資源的所有虛擬網(wǎng)絡彈性需求中只發(fā)生一個的概率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述從所述候選集合中選取fu份資源分配給該虛擬網(wǎng)絡的彈性需求包括: 對于每份資源，計算所述沖突門限與所述沖突概率的差值，和該差值與所述Pr.的比值； 按所述比值從小到大順序排列，并取前fu份資源分配給該虛擬網(wǎng)絡的彈性需求。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟S203和步驟204還包括:在轉(zhuǎn)至步驟 S206 之前，更新 Prntme 的值為(1-Pu) Prn°ne、Pr°ne 的值為(l_pu) Pr°ne+puPrn°ne。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任意一項所述的方法，其特征在于，所述資源為頻譜資源，所述一份資源為一個信道。
【文檔編號】H04W72/04GK103781081SQ201410073830
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】楊懋, 李勇, 蘇厲, 金德鵬, 曾烈光 申請人:清華大學