下一代无线网络中基于经济理论的资源分配

发布时间：2020-05-25 05:35

【摘要】：下一代无线通信系统(5G)采用多种无线接入技术共存的方式来提高网络接入容量,为用户提供稳定的高速率接入。与此同时,5G系统还实现了传统网络组织架构的控制和承载分离,利用网络切片技术将各类虚拟化资源在网络中高效分配和灵活调度,可以根据用户不同业务的性能指标要求,有效管控网络拓扑和传输路由。因此,5G系统的分布式特征比以往任何一代通信系统都更加突出。首先,5G系统中的无线接入点往往是采用不同无线接入技术的基站,每种类型的基站有着不同的资源使用方式。异构的接入场景可以使得不同接入技术的基站实现资源互补。其次,网络切片中使用和调度的虚拟网络资源往往来自网络不同位置上的设备,弹性的网络组织架构可以轻松支持分布式设备间的资源共享。由此可见,5G系统的分布式特征使得网络资源的共享水平提升到了一个新高度。然而,网络资源共享水平的不断提高,使得5G系统的网络运营模式产生新的变化。新出现的网络运营角色会参与或影响网络资源的分配,资源分配方式也从传统的集中式变成了分布式。因此,在分布式的体系结构下,实现各个独立个体间的高效资源分配,是5G系统充分发挥资源共享技术优势的重要挑战。此外,由于个体的自私性和竞争关系,资源分配过程中可能无法获取完全的网络状态信息,利用传统的优化理论来解决分布式的资源分配问题有着必然的局限。鉴于经济理论中的博弈论、拍卖理论和智能学习算法可以有效解决复杂的分布式资源分配问题,本论文依托相关手段,对5G系统异构场景下的接入资源分配和网络切片服务模式下的资源分配问题进行了研究,主要内容包含以下四个部分:(1)异构场景下基于多阶段博弈的小蜂窝基站接入资源分配;(2)基于结对竞价的网络切片资源双向拍卖机制;(3)基于多臂机的网络切片重选及资源分配机制;(4)基于强化学习的网络切片资源动态分配机制。第一部分研究了5G系统的异构网络场景下,不同网络运营商竞争毫微微小区接入点(Femtocell Access Point,FAP)接入资源的问题。由于5G系统中室内数据流量的爆炸式增长,移动网络运营商(Mobile Network Operator,MNO)和移动虚拟网络运营商(Mobile Virtual Network Operator,MVNO)出于成本的考虑,往往都租用Femtocell为用户提供接入服务。而不同的Femtocell所有者(Femtocell Holder,FH)在资源空闲的情况下,也愿意出租接入资源获得收益。于是,本文提出一种多阶段博弈框架,保证FH所属的FAP能够选择最优的资源分配方案为不同网络运营商的宏蜂窝用户提供接入服务,从而提高网络整体资源利用效率。该框架在第一阶段通过反向拍卖模型挑选出FH的获胜FAP,然后在第二阶段将获胜FAP对不同网络运营商的接入资源分配建模为一个Stackelberg博弈模型,最后通过求解该模型的纳什均衡(Nash Equilibrium,NE)得到最优的资源分配策略。理论分析证明了多阶段博弈框架中NE的唯一存在性,仿真结果则验证了该框架提高网络整体资源利用效率的有效性。第二部分研究了5G系统资源全共享的架构下,不同移动虚拟网络运营商MVNO在部署网络切片时的资源分配问题。在5G系统中,基础设施提供商(Infrastructure Provider,InP)借助虚拟化技术,将物理网络抽象成多个隔离的网络切片,每个网络切片可以作为虚拟网络由不同的MVNO来运营。为了充分利用网络资源,本文构建了一个网络切片市场模型,允许不同的MVNO可以从不同的InP租用具有特定服务质量(Quality of Service,QoS)保证的各类网络切片,从而为用户提供不同需求的服务。同时,本文提出一种结对报价的双向拍卖机制来进行网络切片部署过程中的资源分配。双向拍卖机制先通过自然排序使出价最高的MVNO和要价最低的InP进行匹配和结对出价,然后利用反向拍卖机制挑选出获胜结对。获胜结对再根据系统下发的资源成交价,调整自己的出价和要价策略,从而使资源分配方案的社会效益最大。理论分析表明所提出的双向拍卖机制具备了拍卖的经济特性,而仿真结果表明该机制无需收集有关MVNO和InP的竞争策略和效用函数的完整信息,就可以显著提高整体网络资源分配效率。第三部分研究了网络切片服务模式下,切换用户的网络切片重选和资源分配问题。在5G系统完成网络切片的部署后,用户会依据系统分配的网络切片编号,接入相应的网络切片接受服务。然而,在用户移动过程中,由于提供接入服务的备选基站可能没有部署相同编号的网络切片,用户业务面临中断的风险。于是,本文提出了一种基于多臂机的网络切片重选和资源分配机制,可以为切换用户进行合适的切片选择和资源分配,从而保证用户服务的连续性。该机制首先从经济效率的角度出发,为系统设计了切换效益函数,要求系统在响应用户的切换请求时,能够保证长期切换效益函数最大化。然后,该机制利用多臂机智能算法使系统实现了切换策略和资源分配方案的调优,从而得到最优的长期切换效益。最后,本文在仿真实验中对比分析了所提机制与典型的贪心机制的性能,并研究了系统模型各项参数对切换效益的影响。第四部分研究了移动用户切片重选失效而引发的资源动态分配问题。在5G系统的网络切片服务模式下,网络切片可以根据用户需求的变化而进行弹性调整。考虑到切换用户在切片切换过程中,仍然存在相邻基站的已有切片无法满足自身服务QoS要求的问题,本文提出一种保证长期资源调度收益最大的资源动态分配机制。该机制可以根据网络中的用户切换请求和切片服务情况,将预留的动态资源分配到切换用户的相邻基站来构造临时切片,并在服务完用户后进行回收。本文利用强化学习的方法对资源的动态分配进行了方案设计,并借助Actor-Critic(AC)算法实现了资源的有效分配。最后,仿真实验结果验证了面向用户切换的网络切片资源动态分配机制的有效性,也分析了系统模型各项参数对资源调度收益的影响。
【图文】：

视图,网络设备,控制平面,网络服务

移动性管理等，业务适应性较差。如果业务流程变化，往往需要重新购买新的模块，网络资源利用率较低。在 5G 系统中，为了在同一个网络实现不同业务 QQuality of Service）的服务能力，需要网络具备灵活的网络拓扑和快速的资源，于是基于网络功能虚拟化（NetworkFunctionVirtualization，NFV）和 SDN络切片逐渐成为 5G 网络体系架构的重要实现方式[17-22]。NFV 利用 IT 领域的虚拟化技术将网络设备的硬件资源抽象为最基本的网能逻辑单元，即虚拟网络功能（VirtualNetworkFunction，VNF）实例。而 VN于所使用的资源类型的不同，可以具备不同的功能。不同的 VNF 不受任何硬备的限制，可在通用硬件设备上运行。通过软件编排重组，多个 VNF 可以形到端的功能链为用户提供相应的网络服务。而 SDN 作为 NFV 技术的补充，可以有效进行网络设备控制平面和数据平解耦，并将控制平面从网络设备的硬件中分离出来进行集中控制。通过控制平集中管理，SDN 可以获取全网视图和网络运行数据，并根据管理策略控制网备的工作状态。因此，借助 SDN，网络中的 VNF 实例被有效管理起来，可以网络服务的弹性需求，实现灵活的协作和调配。

管理架构,网络运营,网络基础设施

电子科技大学博士学位论文断加深而发生调整。传输的网络运营模式中，主要存在移动网络运营商 M务提供商 SP 两种角色。MNO 负责网络的基础设施建设和网络运营，而 S MNO 的网络来为用户提供业务服务。在采用网络切片技术后，网络的基过虚拟化，也实现了控制功能和业务功能的分离，由此将 MNO 的基础设网络运营两种职责进行了剥离，而某些 MNO 也就分化为基础设施提供商动虚拟网络运营商 MVNO。其中，InP 主要负责网络基础设施的建设和维授权频段和物理网元。而 MVNO 则主要关注网络运营，通过租用 InP 的来为自己的订阅用户提供网络服务。而 SP 则因为用户移动互联网业务的通过发展自身特色业务的时候，，逐渐分化为不同的 OTT 服务商。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5;F623

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