CN113746677B - 一种面向5g新空口的网络切片内资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面向5G新空口的网络切片内资源分配方法，充分考虑5G新空口频域资源结构特征，并针对5G网络中业务差异性、多样性的特性，设计基于业务数据流量、信息时效性等服务需求指标的业务资源分配优先级。同时，在5G网络硬切片的基础上，提供一种多用户终端、多数据包流共存情况下的基于资源分配优先级设计的网络切片内资源分配方法。该方法首先满足各用户终端的最低传输速率要求，然后以最大化切片内加权传输速率之和作为优化目标进行资源分配。本发明提供的方法具有低复杂度的特点，能够实现切片内资源灵活、快速、动态调整分配，并且能够显著提高资源利用率、提升用户终端服务体验。

Description

一种面向5G新空口的网络切片内资源分配方法

技术领域

本发明涉及数据通信技术领域，尤其涉及一种面向5G新空口的网络切片内资源分配方法。

背景技术

随着智能无线设备的不断增多，移动网络承载的新业务场景也不断涌现，例如以增强型移动宽带、超高可靠低时延通信、海量机器类通信为代表的三大移动通信应用场景。第五代移动通信(5G)致力于成为信息通讯产业的核心基础设施，一体化承载多种业务，并在用户接入速度、空口时延等方面获得显著提升。为了实现有效承载5G网络精细化、差异化业务的目标，网络切片的概念应运而生。网络切片依托于5G网络引入的服务化网络架构，并借助于软件定义网络和网络功能虚拟化技术，规划特定的服务功能链，以满足精细化、差异化的速率、时延等业务需求，增强网络的自组织、自管理能力。

在5G网络中，不同业务所能容忍的服务需求不同，造成需要提供的网络资源存在差异。由于不同时空分布存在差异，可以通过网络切片技术根据具体的业务需求针对不同类别的业务动态分配相应的网络资源。目前国内外标准组织正在讨论的动态资源分配方案有两种，即软切片方案和硬切片方案。在软切片方案中，网络切片的调度管理服务根据切片业务请求的实时到达情况按需分配时频资源，并确保各切片间的资源分配平衡；硬切片方案则将频率、时间资源以固定方式分配给每个特定的切片，用户可以利用这些静态的无线资源接入切片网络。但由于不同业务资源块的时、频长度不同，软切片方案可能造成无线资源分配存在空隙，引起频谱效率降低。而在硬切片方案中，每个划分的特定切片内的用户资源分配的公平性、高效性是一个亟需解决的问题。

经过对现有技术的检索发现，南京优速网络科技有限公司在发明专利“面向5G环境的网络切片资源调整方法及系统”(申请号201910908850.4)中提出了一种对网络切片内的网络资源进行调整的方法。然而该方法仅基于资源分配带宽、单元带宽租用价格、单元带宽收益、资源利用率进行资源分配调整，不能满足5G业务差异性的需求。国网安徽省电力有限公司信息通信分公司在发明专利“面向5G网络切片的无线资源分配方法及网络架构”(申请号202011491748.8)中提出了一种基于资源分配优先级的切片内网络资源分配方法。但是该方法实现复杂度较高，并且未考虑每个用户终端在同一切片内有多个数据包流的情况。另外，该方法的资源分配原则为优先级高的用户优先选择信道好的资源。因此，该方法不能保障所有用户的最低传输速率要求，不能保障信道条件较差的用户的资源分配公平性。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种面向5G新空口的网络切片内资源分配方法。该方法基于5G新空口频域资源结构特征，针对5G网络中业务差异性、多样性的特性，综合考虑业务数据流量、信息时效性等服务需求指标，在5G网络硬切片的基础上，设计多用户终端、多数据包流共存情况下的网络切片内资源分配方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种面向5G新空口的网络切片内资源分配方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：在每一个调度时隙内，基站获取各用户终端与基站之间在各资源块上的信道增益信息，并将该信息通过光纤链路发送给计算节点；

步骤二：在采用5G网络硬切片方案的基础上，计算节点计算给定资源组总数和用户终端总数情况下的网络切片间的资源分配情况；

步骤三：计算节点根据用户终端的业务请求信息将业务分配至所属的网络切片内，并给各用户终端分配资源块以满足其最低传输速率要求；

步骤四：计算节点根据用户终端的业务请求信息计算网络切片内用户终端的业务资源分配优先级；

步骤五：计算节点获取网络切片的资源剩余量，并根据该网络切片内各用户终端的业务资源分配优先级进行切片内剩余资源分配，直到所有资源分配完毕，或者资源分配满足该网络切片内用户终端的整体业务传输需求。

进一步地，所述业务请求信息是指用户终端通过上行链路向基站发送的业务请求，包括业务类型、发送数据量、信息时效性要求；同一用户终端在单一网络切片内同时有多个业务请求。

进一步地，所述步骤四中，用户终端的业务资源分配优先级的计算过程如下：

(1)根据数据包在被给予较高的资源分配优先级前的所剩时间C_k,i,p的大小分别计算用户终端k中业务i在时刻t_p请求的发送数据包的资源分配优先级W_k,i,p

其中，D_k,i,p为用户终端k中业务i在时刻t_p请求的发送数据包大小，C_k,i,p表示数据包在被给予较高的资源分配优先级前的所剩时间，C_k,i,p＝T_k,i-T^w _k,i,p-G_k,i；T_k,i表示用户终端k中业务i的信息时效性要求，G_k,i表示用户终端k中业务i的保护时间间隔，T^w _k,i,p表示用户终端k中业务i的数据包p的等待时延，T^w _k,i,p＝t_c-t_p；t_c表示当前时刻，t_p表示数据包p的到达时刻；

(2)为了降低计算复杂度，将用户终端k中业务i的前β_k，i个数据包分为两类，一类为在保护时间间隔G_k,i内的数据包，表示为另一类为在保护时间间隔G_k,i外的数据包，表示为/>则用户终端k的资源分配优先级W_k计算公式如下：

进一步地，所述步骤三中，通过设计切片内最大化各用户终端总传输速率和的资源分配方法满足切片内各用户终端的最低传输速率要求，具体步骤如下：

(1)初始化网络信息：获取当前网络切片内的用户终端集合当前切片内的资源块的集合/>用户终端k与基站之间在资源块n上的信道增益h_k,n，令当前网络切片内的用户终端k的总瞬时传输速率R_k＝0，分配给用户终端k的资源块的集合/>

(2)对于资源块n＝1:N，重复执行如下操作：

如果则算法结束；

如果用遍历的方法找到/>并将资源块n分配给用户终端k^op(n)；其中，第k个用户终端在资源块n上的瞬时传输速率R_k,n的计算公式如下：

其中，h_k,n为用户终端k与基站之间在资源块n上的信道增益，N₀为传输信道噪声功率，W表示为每个资源块的带宽，p_k,n表示第k个用户终端在资源块n上的传输功率；

同时更新更新/>

如果即用户终端k_op(n)已分配到足够的资源块满足业务传输需求，则将该用户终端k_op(n)从用户终端集合/>中移除。

进一步地，所述步骤五中，通过设计切片内最大化各用户终端加权传输速率和的资源分配方法满足切片内各用户终端的整体传输速率要求，具体通过如下的子步骤来实现：

(1)初始化网络信息：获取当前网络切片内的用户终端集合当前网络切片内剩余的资源块的集合/>获取执行资源满足用户终端最低传输速率的分配算法后当前网络切片内的用户终端k的总瞬时传输速率R_k、分配给用户终端k的资源块的集合

(2)对于资源块重复执行如下过程：

如果则算法结束；

如果用遍历的方法找到/>并将资源块n分配给用户终端k^op(n)；其中，

其中，h_k,n为用户终端k与基站之间在资源块n上的信道增益，N₀为传输信道噪声功率，W表示为每个资源块的带宽，p_k,n表示第k个用户终端在资源块n上的传输功率；

同时更新更新/>

如果T_s为单位传输时隙大小，Q_k为终端用户k的传输数据队列长度，即用户终端k^op(n)已分配到足够的资源块满足业务传输需求，则将该用户终端k^op(n)从用户终端集合/>中移除。

本发明与现有技术相比较，具有以下有益效果：

本发明充分考虑5G新空口频域资源结构特征，并针对5G网络中业务差异性、多样性的特性，设计基于业务数据流量、信息时效性等服务需求指标的业务资源分配优先级。同时，在5G网络硬切片的基础上，提供一种多用户终端、多数据包流共存情况下的基于资源分配优先级设计的网络切片内资源分配方法。本发明在满足切片内各用户终端的最低传输速率要求的基础上，设计切片内最大化加权传输速率和的资源分配方法。本发明提供的方法具有低复杂度的特点，能够实现切片内资源灵活、快速、动态调整分配，并且能够显著提高资源利用率、提升用户终端服务体验。

附图说明

图1是5G网络系统结构示例图；

图2是5G新空口硬切片方案示例图；

图3是5G新空口的频域资源(资源组)结构示例图；

图4是5G网络切片内资源满足用户终端最低传输速率分配方法的步骤框图；

图5是5G网络切片内业务请求时间和业务信息时效性示例图；

图6是一种面向5G新空口的网络切片内资源分配方法的步骤框图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，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。

图1是5G网络系统结构示例图，其中用户终端与基站通过无线链路进行上下行传输，基站与计算节点(如边缘服务器)通过光纤链路进行信息传输。基站获取用户终端信息、无线通信环境信息后发送给计算节点，并在计算节点处进行后续计算。

本发明的面向5G新空口的网络切片内资源分配方法，包括以下步骤：

1、在每一个调度时隙内，基站获取各用户终端与基站之间在各资源块上的信道增益信息，并将该信息通过光纤链路发送给计算节点。

其中，用户终端k与基站之间在资源块n上的信道增益可以表示为h_k,n。

2、在采用5G网络硬切片方案的基础上，计算节点计算给定资源组总数和用户终端总数情况下的网络切片间的资源分配情况。

图2是5G新空口硬切片方案示例图。通过硬切片方案将频率、时间资源以固定方式分配给每个特定的切片，用户可以利用这些静态的无线资源接入切片网络。

图3是5G新空口的频域资源(资源组)结构示例图。在5G新空口频域资源结构中，资源组由多个采用相同子载波间隔的资源块组成。一个资源块由12个采用相同子载波间隔的连续子载波(资源单元)组成。一个资源单元由时域上一个OFDM符号频率上一个子载波组成，是网络资源最小单位。图3中子帧为5G新空口的时域资源结构，每个子帧的持续时间为1毫秒。

3、计算节点根据用户终端的业务请求信息将业务分配至所属的网络切片内，并给各用户终端分配资源块以满足其最低传输速率要求。

5G新空口通信系统中，用表示单一网络切片内的用户终端的集合，其中K为该切片内的用户终端总数，用k表示单个用户终端。系统传输资源(带宽)可以表示为资源块，将/>表示为单一网络切片内的资源块的集合，其中N为单一切片内的资源块的总数，用n表示单个资源块，并且将W表示为每个资源块的带宽。将/>表示为分配给用户终端k的资源块的集合。

不失一般性的，令单一资源块最多可以被分配给一个用户终端。用p_k,n表示第k个用户终端在资源块n上的传输功率；用R_k,n表示第k个用户终端在资源块n上的瞬时传输速率，计算公式为：

其中，h_k,n为用户终端k与基站之间在资源块n上的信道增益，N₀为传输信道噪声功率。用户k的总瞬时传输速率可以表示为：

该优化问题可以表示如下：

优化问题P1：

约束条件：

1)

2)

3)

具体来说，约束条件为：

(1)规定了当已分配给用户终端k的资源块能够满足其最低传输速率需求时，停止向其分配新的资源块；

(2)表示分配给用户终端的资源块需在当前业务所属的网络切片内的资源块的集合中；

(3)表示单一资源块最多可以被分配给一个用户终端。

为了解决用户终端最低传输速率分配的优化问题，提出一种切片内资源满足用户终端最低传输速率的分配算法。该算法的执行方式为：

步骤1：初始化网络信息：获取当前切片内的用户终端集合当前切片内的资源块的集合/>用户终端k与基站之间在资源块n上的信道增益h_k,n。令当前切片内的用户终端k的总瞬时传输速率R_k＝0，分配给用户终端k的资源块的集合

步骤2：对于资源块n＝1:N，重复如下操作：

如果则算法结束；

如果用遍历的方法找到/>并将资源块n分配给用户终端k^op(n)；

同时更新更新/>

如果即用户终端k_op(n)已分配到足够的资源块满足最低传输速率需求，则将该用户终端k_op(n)从用户终端集合/>中移除。

整个切片内用户终端最低速率传输需求资源分配算法的执行方式程序框图如图4所示。

4、计算节点根据用户终端的业务请求信息计算网络切片内用户终端的业务资源分配优先级。

用户终端的业务请求信息包括业务类型、发送数据量、信息时效性要求。同一用户终端可以包含多个属于同一业务类型的业务请求。计算节点根据业务请求信息中的业务类型将具体业务分配到所属网络切片中。

对于某一特定网络切片内，将用户终端k中业务i在时刻t_p请求的发送数据包大小记为D_k,i,p。图5是5G网络切片内业务请求时间和业务信息时效性信息示例图。用T_k,i表示用户终端k中业务i的信息时效性要求，因此假如业务i中的数据包的等待传输时间大于T_k,i，则该数据包将会做掉包处理。令t_c表示当前时刻，t_p表示数据包p的到达时刻，则用户终端k中业务i的数据包p的等待时延可以表示为T^w _k,i,p＝t_c-t_p。另外，用G_k,i表示用户终端k中业务i的保护时间间隔，即用户终端k中业务i的数据包在信息时效性要求T_k,i前的G_k,i时间内，应被给予较高的资源分配优先级以降低数据掉包率。因此，数据包在被给予较高的资源分配优先级前的所剩时间可以表示为：C_k,i,p＝T_k,i-T^w _k,i,p-G_k,i。如果C_k，i，p＜0，则数据包p在保护时间间隔G_k,i后将会做掉包处理，因此需要在保护时间间隔内被给予较高的资源分配优先级。

用户终端k中业务i在时刻t_p请求的发送数据包的资源分配优先级W_k,i,p可以由以下公式进行计算：

根据上述公式，数据包大小D_k,i,p越大、在被给予较高的资源分配优先级前的所剩时间C_k,i,p越小，则资源分配优先级W_k,i,p越大。

为了降低计算复杂度，可选取用户终端k中业务i的前β_k，i个数据包进行资源分配优先级的计算。因此，用户终端k中业务i的前β_k，i个数据包可以分为两类，一类为在保护时间间隔G_k,i内的数据包，表示为另一类为在保护时间间隔G_k,i外的数据包，表示为/>则某一特定网络切片内，用户终端k的资源分配优先级W_k可以表示为：

在实施过程中，选取的β_k，i越大则系统效益提升越多、计算复杂度越高；选取的β_k，i越小则系统效益提升越少、计算复杂度越低。具体的β_k，i取值因以实际计算节点计算性能等综合因素决定。

5、计算节点获取该网络切片的资源剩余量，并根据该网络切片内各用户终端的业务资源分配优先级进行切片内剩余资源分配，直到所有资源分配完毕，或者资源分配满足该网络切片内用户终端的整体业务传输需求。

用表示单一网络切片内的用户终端的集合，其中K为该切片内的用户终端总数，用k表示单个用户终端。系统传输资源(带宽)可以表示为资源块，将/>表示为单一网络切片内执行资源满足用户终端最低传输速率的分配算法后的剩余资源块的集合，用n表示单个资源块，并且将W表示为每个资源块的带宽。将/>表示为分配给用户终端k的资源块的集合。

该优化问题可以表示如下：

优化问题P2：

约束条件：

1)R_k·T_s≤Q_k

2)

3)

具体来说，约束条件为：

(1)规定了当已分配给用户终端k的资源块能够满足其当前切片内业务需求时，停止向其分配新的资源块。其中T_s为单位传输时隙大小、Q_k为用户终端k的传输数据队列长度；

(2)表示分配给用户终端的资源块需在当前业务所属的网络切片内的剩余资源块的集合中；

(3)表示单一资源块最多可以被分配给一个用户终端。

为了解决该优化问题，提出一种切片内资源分配算法。该算法的执行方式为：

步骤1：初始化网络信息：获取当前切片内的用户终端集合当前切片内剩余的资源块的集合/>用户终端k与基站之间在资源块n上的信道增益h_k,n。获取执行资源满足用户终端最低传输速率的分配算法后当前切片内的用户终端k的总瞬时传输速率R_k，分配给用户终端k的资源块的集合/>

步骤2：对于资源块重复执行如下操作：

如果则算法结束；

如果用遍历的方法找到/>并将资源块n分配给用户终端k^op(n)；

同时更新更新/>

如果T_s为单位传输时隙大小，Q_k为终端用户k的传输数据队列长度，即用户终端k^op(n)已分配到足够的资源块满足业务传输需求，则将该用户终端k^op(n)从用户终端集合/>中移除。

整个切片内资源分配算法的执行方式程序框图如图6所示。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种面向5G新空口的网络切片内资源分配方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：在每一个调度时隙内，基站获取各用户终端与基站之间在各资源块上的信道增益信息，并将该信息通过光纤链路发送给计算节点；

步骤二：在采用5G网络硬切片方案的基础上，计算节点计算给定资源组总数和用户终端总数情况下的网络切片间的资源分配情况；

步骤三：计算节点根据用户终端的业务请求信息将业务分配至所属的网络切片内，并给各用户终端分配资源块以满足其最低传输速率要求；

步骤四：计算节点根据用户终端的业务请求信息计算网络切片内用户终端的业务资源分配优先级；

步骤五：计算节点获取网络切片的资源剩余量，并根据该网络切片内各用户终端的业务资源分配优先级进行切片内剩余资源分配，直到所有资源分配完毕，或者资源分配满足该网络切片内用户终端的整体业务传输需求；

所述步骤三中，通过设计切片内最大化各用户终端总传输速率和的资源分配方法满足切片内各用户终端的最低传输速率要求，具体步骤如下：

(1)初始化网络信息：获取当前网络切片内的用户终端集合当前切片内的资源块的集合/>用户终端k与基站之间在资源块n上的信道增益h_k,n，令当前网络切片内的用户终端k的总瞬时传输速率R_k＝0，分配给用户终端k的资源块的集合

(2)对于资源块n＝1:N，重复执行如下操作：

如果则算法结束；

如果用遍历的方法找到/>并将资源块n分配给用户终端k^op(n)；其中，第k个用户终端在资源块n上的瞬时传输速率R_k,n的计算公式如下：

其中，h_k,n为用户终端k与基站之间在资源块n上的信道增益，N₀为传输信道噪声功率，W表示为每个资源块的带宽，p_k,n表示第k个用户终端在资源块n上的传输功率；

同时更新更新/>

如果即用户终端k^op(n)已分配到足够的资源块满足业务传输需求，则将该用户终端k^op(n)从用户终端集合/>中移除。

2.根据权利要求1所述的面向5G新空口的网络切片内资源分配方法，其特征在于，所述业务请求信息是指用户终端通过上行链路向基站发送的业务请求，包括业务类型、发送数据量、信息时效性要求；同一用户终端在单一网络切片内同时有多个业务请求。

3.根据权利要求1所述的面向5G新空口的网络切片内资源分配方法，其特征在于，所述步骤四中，用户终端的业务资源分配优先级的计算过程如下：

(1)根据数据包在被给予较高的资源分配优先级前的所剩时间C_k,i,p的大小分别计算用户终端k中业务i在时刻t_p请求的发送数据包的资源分配优先级W_k,i,p

其中，D_k,i,p为用户终端k中业务i在时刻t_p请求的发送数据包大小，C_k,i,p表示数据包在被给予较高的资源分配优先级前的所剩时间，C_k,i,p＝T_k,i-T^w _k,i,p-G_k,i；T_k,i表示用户终端k中业务i的信息时效性要求，G_k,i表示用户终端k中业务i的保护时间间隔，T^w _k,i,p表示用户终端k中业务i的数据包p的等待时延，T^w _k,i,p＝t_c-t_p；t_c表示当前时刻，t_p表示数据包p的到达时刻；

(2)为了降低计算复杂度，将用户终端k中业务i的前β_k，i个数据包分为两类，一类为在保护时间间隔G_k,i内的数据包，表示为另一类为在保护时间间隔G_k,i外的数据包，表示为/>则用户终端k的资源分配优先级W_k计算公式如下：

4.根据权利要求1所述的面向5G新空口的网络切片内资源分配方法，其特征在于，所述步骤五中，通过设计切片内最大化各用户终端加权传输速率和的资源分配方法满足切片内各用户终端的整体传输速率要求，具体通过如下的子步骤来实现：

(1)初始化网络信息：获取当前网络切片内的用户终端集合当前网络切片内剩余的资源块的集合/>获取执行资源满足用户终端最低传输速率的分配算法后当前网络切片内的用户终端k的总瞬时传输速率R_k、分配给用户终端k的资源块的集合/>

(2)对于资源块重复执行如下过程：

如果则算法结束；

如果用遍历的方法找到/>并将资源块n分配给用户终端k^op(n)；其中，

其中，h_k,n为用户终端k与基站之间在资源块n上的信道增益，N₀为传输信道噪声功率，W表示为每个资源块的带宽，p_k,n表示第k个用户终端在资源块n上的传输功率；

同时更新更新/>

如果T_s为单位传输时隙大小，Q_k为终端用户k的传输数据队列长度，即用户终端k^op(n)已分配到足够的资源块满足业务传输需求，则将该用户终端k^op(n)从用户终端集合/>中移除。