基于两层调度的RAN切片资源分配方法

基于两层调度的ran切片资源分配方法
技术领域
1.本发明涉及5g、网络切片技术领域，尤其涉及高负载场景下的基于两层调度的无线资源分配方法，具体为一种基于两层调度的ran切片资源分配方法。


背景技术：

2.itu为5g定义了三大应用场景：增强型移动宽带(enhanced mobile broadband，embb)，大规模机器类通信(massive machine type communication，mmtc)，超高可靠低时延通信(ultra reliable and low latency communication，urllc)。传统的通信网络主要用来服务单一的移动宽带业务，无法适应未来5g多样化的业务场景。为了在同一个物理网络基础设施上同时支持多种具有不同性能要求的业务场景，满足多样化的业务需求，网络切片技术应运而生。网络切片通常包括接入网切片(包括无线接入和固定接入)和核心网切片。无线接入网(radio access network，ran)必须面对资源短缺的问题，如果采用静态的资源分配方法，那么资源利用率就会较低。因此，需要一种动态的资源分配方法来管理无线资源。
3.ran切片资源分配方法需要考虑的方面有：切片之间无线资源的隔离、切片的优先级、资源利用率、用户的服务质量(quality of service，qos)、公平性、高负载等。现有的ran切片资源分配方法考虑到了其中一个或者几个方面，但是对高负载下的场景考虑较少，对于隔离的设置也不够灵活。
4.ran切片资源分配主要有两种思路。一种是基于单层调度，就是将无线资源直接分配给最终用户。另一种是基于两层调度，一层是切片间调度，用于确定分配给每个切片的资源量，另一层是切片内调度，将分配给每个切片的资源量分配给最终用户。但是基于单层调度的方法往往需要复杂的多服务调度程序，数学模型可能会无法求解，并且可能产生大量开销。。


技术实现要素：

5.为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于两层调度的ran切片资源分配方法，考虑了切片间的隔离、切片的优先级以及高负载场景，同时可以满足embb用户的吞吐量需求以及urllc用户的时延需求。
6.本发明是通过以下技术方案予以实现的：
7.基于两层调度的ran切片资源分配方法，包括：切片间调度，用于确定分配给每个切片的资源量；切片内调度，用于将分配给每个切片的资源量分配给最终用户。
8.上述技术方案采用了一种两层调度资源分配方式，一层是切片间调度，用于确定分配给每个切片的资源量，另一层是切片内调度，将分配给每个切片的资源量分配给最终用户。该技术方案采用两层调度方式，方法灵活性高且复杂度低，更适用于实际场景。
9.作为进一步的技术方案，切片间资源调度需要确定每个切片所需求的资源量。对于embb切片，根据每个embb用户所请求的数据速率，求出该用户所需求的平均prb的数量，
根据最低吞吐量需求求出该用户所需求的最低prb数量。对于urllc切片，根据每个用户的传输时延要求，求出该用户所需求的平均prb数量，根据最大可容忍时延求出该用户所需求的最低prb数量。对于mmtc切片，每个用户需求的数据速率很低，每个用户需求1个prb。在每个切片内，对所有用户所需求的prb的数量求和，即可得到每种切片所需求的资源量。
10.作为进一步的技术方案，在进行切片间资源分配时，同时考虑到了切片间资源隔离、切片的优先级以及资源效率。切片间调度器能够在效率、隔离和优先级之间实现所需的权衡，只需改变效用函数中的几个参数，实现了一定的灵活性。用(ns)n表示管理切片之间的不同级别的隔离，n是隔离系数，n∈[0,1]。当n＝0时，表示完全隔离，效用与切片的负载无关，只与切片的优先级有关。结果，切片负载的变化不会影响资源分配。当n不等于0时，效用也会随切片负载的变化而变化。当n＝1时，隔离效果完全丧失。通过控制n值可以控制切片与切片之间的隔离级别。优先级用ps表示，切片的流量负载即每个切片所需求的资源量。依据kkt条件对优化问题进行求解，可求解出分配给每个切片的资源量具体求解过程不在此描述。
[0011]
作为进一步的技术方案，在得到了分配给每个切片的资源量后，需要对总的prb进行区域划分，依据不同的子载波间隔标准分成三个区域。子载波间隔为15khz的区域分配给embb切片和mmtc切片，子载波间隔为60khz的区域分配给urllc切片。不同的切片在其自己的区域内将资源分配给其用户，互相隔离。
[0012]
作为进一步的技术方案，在切片内可以根据不同切片的需求采用不同的资源分配策略，实现了定制化。在将总的prb分成三个区域后，基于特定用户的qos要求，对embb切片和mmtc切片采用比例公平方式将无线资源分配给embb用户和mmtc用户，对urllc切片采用时延公平方式将无线资源分配给urllc用户。在进行切片内资源分配时，用迭代的方式，根据增益因子的大小，将prb分配给用户，直到满足所有用户的需求或者所有的资源都被分配完成时，停止迭代。
[0013]
通过以上实现方式即可实现在5g环境下分配无线资源给用户。
[0014]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0015]
本发明主要应用于无线接入网切片，为5g场景下的用户分配资源以满足他们对于吞吐量，时延等的需求，切片间资源分配可以根据需要设置不同的隔离级别和不同的切片优先级，只需改变效用函数中的几个参数，实现了一定的灵活性。由于采用了两层架构，在切片内可以根据不同的切片要求采用不同的资源调度策略以更好地满足切片的特定qos要求，同时能满足embb切片的最低吞吐量需求以及urllc切片的最大时延要求，而且方法的复杂度低，适用范围更广泛，可以更好地满足实际场景。
附图说明
[0016]
图1为根据本发明实施例的两层调度方法流程图。
[0017]
图2-图5分别为根据本发明实施例方法在不同的用户数、切片隔离级别以及切片优先级下的仿真效果示意图。
具体实施方式
[0018]
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
[0019]
本发明主要研究无线接入网切片，在高负载场景下，为了兼顾切片间隔离和资源效率，提出了一种适用于实际系统的高效、灵活、低复杂度的两层无线资源调度方法。该方法为5g场景下的用户分配资源以满足他们对于吞吐量，时延等的需求，切片间资源分配可以根据需要设置不同的隔离级别和不同的切片优先级，只需改变效用函数中的几个参数，实现了一定的灵活性。由于采用了两层架构，在切片内可以根据不同的切片要求采用不同的资源调度策略以更好地满足切片的特定qos要求，同时能满足embb切片的最低吞吐量需求以及urllc切片的最大时延要求，适用范围更广泛，可以更好地满足实际场景。参考图1的方法流程图，具体的实施步骤如下所示：
[0020]
第一步，计算每个切片所需求的资源量。对于embb切片来说，第k个用户需求的数据速率为rk，则该用户所请求的平均prb数量为第k个用户需求的最低数据速率为r
kmin
，则该用户所需求的最低prb数量为对于urllc切片来说，第k个用户要传送的数据包的长度为p，该用户请求的传输时延为δk，则该用户所请求的平均prb的数量为第k个用户能忍受的最大时延为δ
kmax
，则该用户所需的最低的prb数量为对于mmtc切片来说，第k个用户需求的数据速率很低，为固定值rmmtc，则每个用户需要一个prb，即nk＝1。综上，每个切片所需求的prb的数量为对于embb切片来说，所需的最低prb数量为对于urllc切片来说，所需的最低的prb数量为
[0021]
第二步，为每个切片分配无线资源。根据每个切片的流量负载，切片间的隔离级别以及切片的优先级，利用kkt条件将无线资源分配给三类切片(embb，urllc，mmtc)。其中，(ns)n表示管理切片之间的不同级别的隔离，n是隔离系数，n∈[0,1]。当n＝0时，表示完全隔离，效用与切片的负载无关，只与切片的优先级有关。结果，切片负载的变化不会影响资源分配。当n不等于0时，效用也会随切片负载的变化而变化。当n＝1时，隔离效果完全丧失。通过控制n值可以控制切片与切片之间的隔离级别。优先级用ps表示，切片的流量负载即每个切片所需求的资源量。依据kkt条件对优化问题进行求解，可求解出分配给每个切片的资源量该优化方法可以满足embb切片的最低吞吐量需求以及urllc切片的最大时延需求，同时具有一定的灵活性和低复杂度，可以根据不同场景的需要设置不同的隔离级别和不同的切片优先级。具体求解过程不在此描述。
[0022]
第三步，对prb进行区域划分。在确定了分配给每个切片的资源量后，依据不同的子载波间隔将总的prb分成3个区域，embb切片对应子载波间隔为15khz的区域，urllc切片对应子载波间隔为60khz的区域，mmtc切片对应子载波间隔为15khz的区域。每种切片在自己的区域内分配资源。
[0023]
第四步，切片内资源分配。不同的切片根据用户的需要采用不同的策略执行用户调度。在将总的prb分成3个区域后，embb切片和mmtc切片根据比例公平方式将无线资源分配给embb用户和mmtc用户。urllc切片根据时延公平方式将无线资源分配给urllc用户。其中，分配矩阵a
(0)
最开始为空，通过迭代将prb分配给用户。在这里定义一个增益因子，表示将一个prb分配给一个用户的增益。不同的切片，增益因子的定义不同。设在第i次迭代中，分配矩阵为a(i)，第k个用户已经分配的速率为对于embb和mmtc用户来说，增益因子定义为：对于urllc用户来说，增益因子定义为：在每次迭代中，将prb分配给具有最大增益因子的用户以满足用户的需求。如果有多个用户拥有相同的增益因子最大值，则随机选择其中一个用户，然后进入下一次迭代。当所有的prb被分配完成或者所有的需求都被满足时，迭代停止。
[0024]
图2，图3显示了所提出的方法在不同隔离级别下的切片性能，其中，三种切片的优先级是固定的。由图可知，在不同的隔离级别下，切片的性能表现不同。所提出的方法可以保证embb切片在高隔离级别场景下的吞吐量性能不会持续恶化，同时在低隔离级别场景下可以保证urllc切片的最大时延不会超过可容忍时延，而其他方法无法保证用户的最低qos需求。
[0025]
图4，图5显示了所提出的方法在不同的切片优先级下的切片性能。其中，embb切片的优先级从0.5降低到0.35后维持不变，然后urllc切片的优先级从0.5降低到0.25。由图4可见，当embb切片的优先级较低，mmtc切片优先级较高时，embb切片的吞吐量性能会下降，所提出的方法可以保证embb切片的性能不会持续下降，保证了用户的qos需求。由图5可见，当urllc切片的优先级下降时，时延会增加，所提出的方法可以保证urllc切片的时延不超过可容忍的最大时延，保证了urllc用户的qos需求，其他方法的切片性能表示不佳，不适用于实际场景。
[0026]
综上，本文所提出的方法可以根据需要设置不同的隔离级别以及切片的优先级，具有一定的灵活性，同时可以保证embb切片和urllc切片的性能，由此说明了本文所提出的基于两层调度的ran切片资源分配策略的有效性。
[0027]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。