本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于中繼網(wǎng)絡(luò)的無線虛擬化資源管理分配方法。

背景技術(shù)：

近年來無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點。網(wǎng)絡(luò)虛擬化的基本思想是把傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商isp的作用成兩個邏輯角色：基礎(chǔ)設(shè)施提供商inp和服務(wù)提供商sp。基礎(chǔ)設(shè)施提供商創(chuàng)建和管理物理基礎(chǔ)設(shè)施，業(yè)務(wù)提供商從多個基礎(chǔ)設(shè)施提供商inps租借虛擬資源，對它們操作、編程，從而為終端用戶提供各種服務(wù)。換句話講，虛擬化無線網(wǎng)絡(luò)即是實現(xiàn)對無線資源的抽象，分片，隔離和共享的過程。伴隨著無線業(yè)務(wù)和流量的巨大增長，將虛擬化從有線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到無線網(wǎng)絡(luò)成為必然趨勢。

雖然一些出色的研究課題已經(jīng)完成了無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化，但是大多數(shù)現(xiàn)有的課題中并沒有考慮到中繼電站。然而，中繼電站已被視為未來的無線網(wǎng)絡(luò)的不可或缺的技術(shù)之一。此外，自干擾消除技術(shù)的最新進(jìn)展對全雙工中繼fdr系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了幫助。雖然有些研究課題將無線資源虛擬化引入到全雙工中繼網(wǎng)絡(luò)中，但是，當(dāng)干擾消除不徹底或者信道狀態(tài)變化明顯時，全雙工中繼網(wǎng)絡(luò)的性能可能會不如半雙工中繼網(wǎng)絡(luò)的性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種基于中繼網(wǎng)絡(luò)的無線虛擬化資源管理分配方法，能夠聯(lián)合優(yōu)化虛擬化資源分配過程中的中繼網(wǎng)絡(luò)模式選擇、基站選擇、中繼電站選擇、載波和功率分配問題。本發(fā)明方法通過分配可用功率和子載波可以最大化業(yè)務(wù)提供商總效用。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

根據(jù)本發(fā)明提出的一種基于中繼網(wǎng)絡(luò)的無線虛擬化資源管理分配方法，中繼網(wǎng)絡(luò)包括多個基礎(chǔ)設(shè)施提供商inp和多個業(yè)務(wù)提供商sp，每個inp管理一個蜂窩式網(wǎng)絡(luò)，該蜂窩式網(wǎng)絡(luò)由一個基站bs和多個中繼電站rs組成；每個sp是由多個inp的蜂窩式網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成，所有基礎(chǔ)設(shè)施提供商的無線頻譜、基站、中繼電站以及傳輸功率均被動態(tài)地分配給來自不同業(yè)務(wù)提供商的用戶；

步驟一、將每個蜂窩式網(wǎng)絡(luò)中rs和用戶通過線性的最小均方誤差接收機(jī)連接，bs和rs采用最優(yōu)的發(fā)送預(yù)編碼矩陣，使得各個子載波上基站到中繼電站再到用戶的信道對角化；

步驟二、設(shè)和為在第k個子載波上從第m個基站到第l個中繼電站的信道矩陣，為在第k個子載波上從第l個中繼電站到第u個用戶的信道矩陣，c^n×n為n×n階滿秩矩陣；中繼電站的信道經(jīng)過預(yù)編碼處理后，在第k個子載波上從第m個基站到第l個中繼電站的等效信噪比矩陣其中，表示在第k個子載波的第n個空間子信道上從第m個基站到第l個中繼電站的信道噪聲功率，n∈(1…n)，n為空間子信道的個數(shù)，[]^t表示轉(zhuǎn)置矩陣；在第k個子載波上從第l個中繼電站到第u個用戶的等效信噪比矩陣其中，表示在第k個子載波的第n個空間子信道上從第l個中繼電站到第u個用戶的信道噪聲功率；

得出第u個用戶在全雙工中繼網(wǎng)絡(luò)下的總傳輸速率為：

第u個用戶在半雙工中繼網(wǎng)絡(luò)下的總傳輸速率為：

其中，w表示每個子載波的帶寬，m表示bs個數(shù)，l表示rs個數(shù)，k表示子載波個數(shù)，表示子載波分配指標(biāo)，如果第k個子載波經(jīng)由第m個基站通過第l個中繼電站為第u個用戶提供服務(wù)，則否則表示第m個基站在第k個子載波的第n個空間子信道上分配的傳輸功率，表示第l個中繼電站在第k個子載波的第n個空間子信道上分配的傳輸功率，是在全雙工中繼網(wǎng)絡(luò)下第l個中繼電站在第k個子載波的第n個空間子信道的殘余自干擾增益；

步驟三、根據(jù)用戶使用全雙工中繼網(wǎng)絡(luò)模式和半雙工中繼網(wǎng)絡(luò)模式下總傳輸速率的大小，動態(tài)地調(diào)整中繼網(wǎng)絡(luò)模式，從而實現(xiàn)中繼網(wǎng)絡(luò)模式的自由切換，中繼網(wǎng)絡(luò)模式為混合半雙工或全雙工中繼網(wǎng)絡(luò)模式，使得用戶總傳輸速率達(dá)到最大值；據(jù)此，第u個用戶所選中繼網(wǎng)絡(luò)模式應(yīng)滿足：

步驟四、將業(yè)務(wù)提供商的效用函數(shù)定義為業(yè)務(wù)提供商所服務(wù)的所有用戶效用函數(shù)的加權(quán)和，由此得到每個業(yè)務(wù)提供商的總效用fsp(u)；

步驟五、采用對偶分解法和次梯度迭代法，將業(yè)務(wù)提供商的總效用最大化優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為求解業(yè)務(wù)提供商總效用的對偶函數(shù)的最優(yōu)解，求得各個用戶所分配傳輸功率最優(yōu)值和子載波分配指標(biāo)值，從而得到各個用戶總傳輸速率最優(yōu)值，使得業(yè)務(wù)提供商的總效用最大化；

步驟六、各個sp的虛擬網(wǎng)絡(luò)控制器根據(jù)用戶的子載波分配指標(biāo)值進(jìn)行用戶調(diào)度，確定用戶的服務(wù)質(zhì)量需求，計算該sp對應(yīng)的總效用值并將其匯報給虛擬資源管理器；

步驟七、在每個資源調(diào)度周期中，虛擬資源管理器根據(jù)不同的服務(wù)質(zhì)量需求、各個用戶所分配傳輸功率最優(yōu)值、各個用戶總傳輸速率最優(yōu)值和信道狀態(tài)反饋信息，將所有基礎(chǔ)設(shè)施提供商的虛擬資源動態(tài)地分配給不同sp，其總體目標(biāo)是在滿足預(yù)設(shè)限制條件的前提下，最大化業(yè)務(wù)提供商的總效用。

作為本發(fā)明所述的一種基于中繼網(wǎng)絡(luò)的無線虛擬化資源管理分配方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，業(yè)務(wù)提供商的總效用表示具體如下：

將業(yè)務(wù)提供商的效用函數(shù)定義為業(yè)務(wù)提供商所服務(wù)的所有用戶效用函數(shù)的加權(quán)和，設(shè)第i個業(yè)務(wù)提供商所服務(wù)的用戶集合表示為u，則在全雙工中繼網(wǎng)絡(luò)模式下第i個業(yè)務(wù)提供商總效用為：在半雙工中繼網(wǎng)絡(luò)模式下第i個業(yè)務(wù)提供商總效用為：

其中，β是虛擬資源管理器收取的第i個業(yè)務(wù)提供商的價格，ω是每個業(yè)務(wù)提供商根據(jù)不同的調(diào)度準(zhǔn)則為第u個用戶設(shè)置的正權(quán)重。

作為本發(fā)明所述的一種基于中繼網(wǎng)絡(luò)的無線虛擬化資源管理分配方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，最大化業(yè)務(wù)提供商的總效用被建模如下：

其中，i為sp個數(shù)，pt為各個載波上允許的最大傳輸功率，r(u)為第u個用戶的總傳輸速率，為第u個用戶的最低速率閾值，每個子載波僅由一個用戶使用，在一個子載波上每個用戶只能從一個基站和一個中繼電站來獲得服務(wù)。

作為本發(fā)明所述的一種基于中繼網(wǎng)絡(luò)的無線虛擬化資源管理分配方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，k≥2。

作為本發(fā)明所述的一種基于中繼網(wǎng)絡(luò)的無線虛擬化資源管理分配方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，m≥2。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

(1)本發(fā)明方法根據(jù)全雙工中繼網(wǎng)絡(luò)中自干擾消除狀況和信道狀態(tài)信息來判別是否使用全雙工中繼網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)地調(diào)整中繼網(wǎng)絡(luò)模式；在中繼網(wǎng)絡(luò)模式可自由切換的前提下，給出用戶、和業(yè)務(wù)提供商效用函數(shù)的定義，在考慮多個不同約束條件的前提下對虛擬資源分配問題進(jìn)行建模，將聯(lián)合虛擬資源分配問題建模為一個以最大化所有業(yè)務(wù)提供商總效用為目標(biāo)的集中式優(yōu)化問題；

(2)相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明方法通過分配可用功率和子載波可以最大化業(yè)務(wù)提供商總效用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法所適用的中繼網(wǎng)絡(luò)中虛擬化資源管理架構(gòu)模型圖。

圖2為本發(fā)明中資源分配算法的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

本發(fā)明所述的中繼網(wǎng)絡(luò)中虛擬化資源管理架構(gòu)模型，如附圖1所示，假設(shè)有k個帶寬為w的子載波，m個基站和l個中繼電站。每個基站，中繼電站和用戶都配備了n個天線。第i個sp的用戶設(shè)為ui，使表示所有用戶，|u|表示用戶總數(shù)。

在該框架中，所有基礎(chǔ)設(shè)施提供商的無線頻譜、基站、中繼電站以及傳輸功率均被看作虛擬資源，都可以被動態(tài)地分配給來自不同業(yè)務(wù)提供商的用戶；每個sp看作是擁有一個虛擬網(wǎng)絡(luò)，并且該虛擬網(wǎng)絡(luò)是由多個inp的蜂窩式網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的，所以sp的每個用戶都可以接入任何inp的物理資源。同時，虛擬資源管理器可以提取所有inp的虛擬資源，并對其進(jìn)行管理和動態(tài)分配；該中繼網(wǎng)絡(luò)中所考慮的用戶傳輸模式為用戶通過中繼電站與基站連接獲取服務(wù)，中繼電站采用了解碼并轉(zhuǎn)發(fā)的中繼模式；每個蜂窩網(wǎng)絡(luò)中rs和用戶通過線性的最小均方誤差接收機(jī)連接，bs和rs采用最優(yōu)的發(fā)送預(yù)編碼矩陣，使得各個子載波上基站到中繼電站再到用戶的信道對角化。

使用本發(fā)明方法時，資源分配算法的流程圖如附圖2所示。

設(shè)和為在第k個子載波上從第m個基站到第l個中繼電站的信道矩陣，為在第k個子載波上從第l個中繼電站到第u個用戶的信道矩陣，c^n×n為n×n階滿秩矩陣；中繼電站的信道經(jīng)過預(yù)編碼處理后，在第k個子載波上從第m個基站到第l個中繼電站的等效信噪比矩陣其中表示在第k個子載波的第n個空間子信道上從第m個基站到第l個中繼電站的信道噪聲功率，n∈(1…n)，[]^t表示轉(zhuǎn)置矩陣；在第k個子載波上從第l個中繼電站到第u個用戶的等效信噪比矩陣其中表示在第k個子載波的第n個空間子信道上從第l個中繼電站到第u個用戶的信道噪聲功率。

所以全雙工中繼網(wǎng)絡(luò)模式下，第k個子載波上通過第l個中繼電站從第m個基站到第u個用戶的信道容量為半雙工中繼網(wǎng)絡(luò)模式下，在第k個子載波上通過第l個中繼電站從第m個基站到第u個用戶的信道容量為

其中，n表示每個子載波上空間子信道個數(shù)。

因此可以得出第u個用戶在全雙工中繼網(wǎng)絡(luò)下的總傳輸速率為：

第u個用戶在半雙工中繼網(wǎng)絡(luò)下的總傳輸速率為：

其中，w表示每個子載波的帶寬，m表示bs個數(shù)，l表示rs個數(shù)，k表示子載波個數(shù)。表示子載波分配指標(biāo)，如果第k個子載波經(jīng)由第m個基站通過第l個中繼電站為第u個用戶提供服務(wù)，則否則表示第m個基站在第k個子載波的第n個空間子信道上分配的傳輸功率，表示第l個中繼電站在第k個子載波的第n個空間子信道上分配的傳輸功率，是在全雙工中繼網(wǎng)絡(luò)下第l個中繼電站在子載波k的空間信道n的殘余自干擾增益。

根據(jù)用戶使用全雙工中繼網(wǎng)絡(luò)模式和半雙工中繼網(wǎng)絡(luò)模式下總傳輸速率的大小，動態(tài)地調(diào)整中繼網(wǎng)絡(luò)模式，從而實現(xiàn)中繼網(wǎng)絡(luò)模式的自由切換，中繼網(wǎng)絡(luò)模式為混合半雙工或全雙工中繼網(wǎng)絡(luò)模式，使得用戶總傳輸速率達(dá)到最大值。因此，第u個用戶所選中繼網(wǎng)絡(luò)模式應(yīng)滿足：

將業(yè)務(wù)提供商的效用函數(shù)定義為它所服務(wù)的所有用戶效用函數(shù)的加權(quán)和，由此可以得到每個業(yè)務(wù)提供商的總效用fsp(u)，若業(yè)務(wù)提供商的總效用值越大，說明業(yè)務(wù)提供商的收益越大，并且越愿意支付更多。

設(shè)第i個業(yè)務(wù)提供商所服務(wù)的用戶集合表示為u，則在全雙工中繼網(wǎng)絡(luò)模式下第i個業(yè)務(wù)提供商總效用為：在半雙工中繼網(wǎng)絡(luò)模式下第i個業(yè)務(wù)提供商總效用為：

其中，β是虛擬資源管理器收取的第i個業(yè)務(wù)提供商的價格，ω是每個業(yè)務(wù)提供商根據(jù)不同的調(diào)度準(zhǔn)則為第u個用戶設(shè)置的正權(quán)重。

因此最大化業(yè)務(wù)提供商的總效用可被建模如下：

其中，i為sp個數(shù)，pt為各個載波上允許的最大傳輸功率，r(u)為第u個用戶的總傳輸速率，為第u個用戶的最低速率閾值，每個子載波僅由一個用戶使用，在一個子載波上每個用戶只能從一個基站和一個中繼電站來獲得服務(wù)。

最大化業(yè)務(wù)提供商的效用函數(shù)明顯是一個非凸的函數(shù)，因此，想要直接求解該優(yōu)化問題只能通過全局搜索的方法，然而搜索變量的全部組合在計算上幾乎不可能實現(xiàn)?？紤]到當(dāng)子載波數(shù)目足夠大時，多用戶通信系統(tǒng)下原始問題和對偶問題之間的對偶間隙接近0。因此可以通過求解對偶問題來得到業(yè)務(wù)提供商的總效用的最優(yōu)解。

為解決業(yè)務(wù)提供商的總效用最大化問題，采用了對偶分解法和次梯度迭代法，將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為求解業(yè)務(wù)提供商總效用的對偶函數(shù)的最優(yōu)解，求得各個用戶所分配傳輸功率最優(yōu)值和子載波分配指標(biāo)值，從而得到各個用戶總傳輸速率最優(yōu)值，使得業(yè)務(wù)提供商的總效用最大化。具體優(yōu)化如下：

為了去除從基站到中繼電站和從中繼電站到用戶存在殘留的自干擾耦合，引進(jìn)一個新的變量使得表示在第k個子載波的第n個空間子信道上，第u個用戶通過第m個基站和第l個中繼電站的總傳輸功率。

首先給出業(yè)務(wù)提供商效用函數(shù)的拉格朗日函數(shù)，如下所示：

其中λ，μ表示對偶變量。因此可以將上述業(yè)務(wù)提供商效用函數(shù)的拉格朗日對偶函數(shù)表示為：

由于λpt，均為常數(shù)，因此當(dāng)(λ,μ)都固定時，如果給定值，那么每個用戶的總傳輸功率的最優(yōu)解可以通過下述子問題求出：

因此業(yè)務(wù)提供商效用函數(shù)的拉格朗日對偶函數(shù)被分解成mn個子問題，可以通過全局搜索的方法進(jìn)行求解。將求出的每個用戶的總傳輸功率最優(yōu)解帶入業(yè)務(wù)提供商效用函數(shù)的拉格朗日對偶函數(shù)表達(dá)式中，從而求出業(yè)務(wù)提供商效用函數(shù)的拉格朗日對偶函數(shù)。通過最小化的值，從而得到業(yè)務(wù)提供商效用函數(shù)的對偶問題：

s.t.λ≥0,μ≥0

根據(jù)前面的分析，我們得到了一個凸的對偶函數(shù)，因此通過次梯度迭代法進(jìn)行求解。這一算法可以描述為如下步驟：

1)令迭代指數(shù)t＝0，初始化對偶變量的值(λ⁽⁰⁾,μ⁽⁰⁾)，并且通過上述對偶分解算法求出最優(yōu)的資源分配

2)更新變量，第t+1次迭代時，對偶變量更新為

其中，θ^(t)是一個足夠小的步長，需要調(diào)整該值以使得最優(yōu)值收斂。重復(fù)上述(1)(2)步驟，直到求得的每個用戶的總傳輸功率的最優(yōu)解收斂，從而得到每個業(yè)務(wù)提供商的總效用最優(yōu)值。

各個sp的虛擬網(wǎng)絡(luò)控制器不需要知道該虛擬網(wǎng)絡(luò)用戶的信道狀態(tài)信息，只需要根據(jù)用戶的服務(wù)狀態(tài)進(jìn)行用戶調(diào)度，確定用戶的服務(wù)質(zhì)量需求，計算該sp對應(yīng)的總效用值并將其信息匯報給虛擬資源管理器。

在每個資源調(diào)度周期中，虛擬資源管理器根據(jù)不同的服務(wù)質(zhì)量需求，各個用戶所分配傳輸功率最優(yōu)值、各個用戶總傳輸速率最優(yōu)值和信道狀態(tài)反饋信息，將所有基礎(chǔ)設(shè)施提供商的虛擬資源動態(tài)地分配給不同sp，其總體目標(biāo)是在滿足預(yù)設(shè)限制條件的前提下，最大化業(yè)務(wù)提供商的總效用。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替代，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。