一種基于效用函數(shù)和價(jià)格機(jī)制的頻譜資源分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種頻譜資源分配方法，尤其適用于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域在虛擬蜂窩網(wǎng) 絡(luò)中實(shí)現(xiàn)對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和虛擬服務(wù)提供商效用函數(shù)和價(jià)格機(jī)制的一對(duì)多的基于效用 函數(shù)和價(jià)格機(jī)制的頻譜資源分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著智能用戶(hù)終端UE(UserEquipment)數(shù)量以及寬帶移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)量的不 斷增長(zhǎng)，Internet服務(wù)提供商ISP(InternetServiceProvider)需要采用新的信息和 通信技術(shù)ICT(InformationandCommunicationTechnology)提高對(duì)用戶(hù)終端無(wú)線接入 的靈活度以及對(duì)有限頻譜資源的利用效率。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)WNV(WirelessNetwork Virtualization)為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了有效的解決途徑。在WNV中，ISP的功能被邏輯的 分為三個(gè)部分：
[0003] 1)蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商：也被稱(chēng)為基礎(chǔ)設(shè)施提供商InP(InfrastructureProvider), 它是全部網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（包括蜂窩基站、接入網(wǎng)和核心網(wǎng)等）和頻譜資源的實(shí)際擁有者，它 可以直接向用戶(hù)終端提供無(wú)線接入服務(wù)并獲取網(wǎng)絡(luò)收益，也可以將其資源按一定價(jià)格出租 給虛擬服務(wù)提供商并獲取網(wǎng)絡(luò)收益；
[0004] 2)虛擬服務(wù)提供商：一般不占有任何網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和頻譜資源，只能租用蜂窩網(wǎng) 絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的資源向其用戶(hù)終端提供無(wú)線接入服務(wù)，并獲取相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)收益；
[0005] 3)網(wǎng)絡(luò)虛擬化控制器NVC(NetworkVirtualizationController):VCN的集中式 控制設(shè)備，用于完成網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化以及網(wǎng)絡(luò)資源的分配。
[0006] 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)能使蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商更充分、有效的利用其網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施 和頻譜資源，減小針對(duì)特定用戶(hù)終端群組的運(yùn)營(yíng)成本；同時(shí)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)也使 虛擬服務(wù)提供商避免了重復(fù)、巨額的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施投資，可以專(zhuān)注于向特定用戶(hù)終端群 組提供無(wú)線接入服務(wù)。不過(guò)，與應(yīng)用相對(duì)成熟的有線網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)（WiredNetwork Virtualization)相比，無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的虛擬化及其網(wǎng)絡(luò)資源分配技術(shù)還面臨著以下難 占.
[0007] 1)無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)物理層技術(shù)的多樣性：當(dāng)前有眾多實(shí)現(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，如 Wi-Fi、3GPP-LTE以及WiMAX，每種協(xié)議都采用了不同的物理層技術(shù)，如碼分多址CDMA(Code DuplexMultipleAccess)，正交頻分復(fù)用 0FDMA(OrthogonalFrequencyDivision MultipleAccess)等。針對(duì)不同的蜂窩網(wǎng)絡(luò)物理層技術(shù)，需要設(shè)計(jì)不同的頻譜資源分配方 案；
[0008] 2)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能的時(shí)變性：與有線網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的主要特性包括無(wú)線信道 質(zhì)量的時(shí)變性以及多用戶(hù)信道衰落的隨機(jī)性和獨(dú)立性。因此，針對(duì)VCN的頻譜資源分配必 須能夠根據(jù)信道質(zhì)量變化作出實(shí)時(shí)調(diào)整，從而最大化VCN有限頻譜資源的利用效率、提高 系統(tǒng)的用戶(hù)容量。
[0009] 此外，VCN是一種典型的商用網(wǎng)絡(luò)，它需要合理的價(jià)格機(jī)制來(lái)協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施以 及頻譜資源的分配并優(yōu)化蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和虛擬服務(wù)提供商的網(wǎng)絡(luò)收益。
[0010] 在上述應(yīng)用和研究背景下，針對(duì)VCN的頻譜資源分配方案已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛 關(guān)注，并提出了以下解決方案：
[0011]文獻(xiàn) 1 :Y.Zhou,Y.Li,G.Sun,D.Jin,L.SuandL.Zeng，"Gametheorybased bandwidthallocationschemefornetworkvirtualization,，'inProc.Global TelecommunicationsConference(Globecom)，IEEE,pp. 1-5.Miami,FL,Dec. 2010?針對(duì)VCN 擁塞控制的需要，根據(jù)各虛擬服務(wù)提供商數(shù)據(jù)負(fù)載所導(dǎo)致的不同程度的網(wǎng)絡(luò)擁塞，對(duì)虛擬 服務(wù)提供商采取有差異的價(jià)格策略，提出了一種基于非協(xié)作博弈論的VCN頻譜資源分配方 案。
[0012] 文獻(xiàn) 2 :B.LiuandH.Tian,"Abankruptcygame-basedresource allocationapproachamongvirtualmobileoperators,，'IEEECommunications Letters,vol. 17,no. 7,pp. 1420 - 1423,Jul. 2013.考慮到VCN中虛擬服務(wù)提供商對(duì)頻譜資 源的需求量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的供給量，提出了一種基于聯(lián)盟博弈的無(wú)線頻譜資源 分配方案，并根據(jù)每個(gè)虛擬服務(wù)提供商的用戶(hù)業(yè)務(wù)負(fù)載量，按照Shapley值進(jìn)行公平的頻 譜資源分配。
[0013] 然而，VCN的頻譜資源在文獻(xiàn)1和文獻(xiàn)2中均以數(shù)據(jù)帶寬的形式表示，這表明文獻(xiàn) 1和文獻(xiàn)2并沒(méi)有考慮無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信道質(zhì)量以及性能的時(shí)變特性，因此所提出的頻譜資源分 配方案無(wú)法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)性能的改變做出動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的調(diào)整，這大大限制了文獻(xiàn)1和文獻(xiàn)2在實(shí) 際VCN中的應(yīng)用。
[0014]文獻(xiàn) 3 :R.Kokku，R.Mahindra，H.Zhang,andS.Rangarajan, "NVS:asubstrate forvirtualizingwirelessresourcesincellularnetworks,，'IEEE/ACMTrans. Netw.，vol. 20,no. 5,pp. 1333 - 1346,Oct. 2012?針對(duì)物理層采用 0FDMA技術(shù)的WiMAX蜂窩 網(wǎng)絡(luò)提出了基于數(shù)據(jù)速率預(yù)留以及基于頻譜資源（即0FDMA子載波）預(yù)留的分配方案，此 外，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)終端數(shù)據(jù)流的優(yōu)化調(diào)度，文獻(xiàn)3還提出了用于量化表示蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng) 商和虛擬服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò)收益的效用函數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了基于網(wǎng)絡(luò)收益最大化的頻譜資源分 配。
[0015] 不過(guò)文獻(xiàn)3并沒(méi)有提出具有明確物理意義的效用函數(shù)以及資源價(jià)格策略，而且文 獻(xiàn)3也沒(méi)有考慮無(wú)線信道質(zhì)量的時(shí)變特性，以及由此所導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)頻譜資源分配。
[0016]文獻(xiàn) 4 :X.Lu，K.Yang,Y.Liu,D.Zhou,andS.Liu,"Anelasticresource allocationalgorithmenablingwirelessnetworkvirtualization,，'Wireless Commun.MobileComputing,pp. 1-14,Dec. 2012.
[0017] 文獻(xiàn) 5 ：X.Lu,K.Yang,andH.Zhang,"Anelasticsub-carrierandpower allocationalgorithmenablingwirelessnetworkvirtualization,，'SpringerWireless PersonalCommunications，vol.75，no.4，pp. 1827-1849, 2014?針對(duì)米用 0FDMA的VCN分別 提出了頻譜和能量資源分配方案，資源分配的目標(biāo)均是在滿(mǎn)足用戶(hù)終端最小數(shù)據(jù)速率的前 提下，最小化資源（0FDMA子載波或者發(fā)射功率）的使用。盡管文獻(xiàn)4和文獻(xiàn)5考慮了無(wú)線 信道質(zhì)量的時(shí)變特性以及0FDMA子載波和功率的動(dòng)態(tài)分配，然而蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和虛擬服 務(wù)提供商的網(wǎng)絡(luò)收益以及相關(guān)的用戶(hù)終端網(wǎng)絡(luò)效用均沒(méi)有被考慮。
[0018] 針對(duì)VCN的頻譜資源分配不僅要考慮技術(shù)層面的因素，如時(shí)變的無(wú)線信道質(zhì)量以 及VCN所采用的物理層協(xié)議，還需要考慮用戶(hù)終端的網(wǎng)絡(luò)效用以及蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和虛擬 服務(wù)提供商的網(wǎng)絡(luò)收益等經(jīng)濟(jì)層面的因素。網(wǎng)絡(luò)效用函數(shù)理論和價(jià)格機(jī)制能夠?qū)⒁陨线@兩 個(gè)因素納入統(tǒng)一的模型框架予以考慮。在微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)中，效用函數(shù)用來(lái)衡量消費(fèi)者在消費(fèi) 中獲得的滿(mǎn)足程度（即效用）與其所消費(fèi)的商品組合之間數(shù)量關(guān)系；而價(jià)格機(jī)制用于在市 場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中反映商品價(jià)格變化與商品供求變化之間的相互制約關(guān)系，即：商品價(jià)格的變 動(dòng)，會(huì)引起商品供求關(guān)系變化；而供求關(guān)系的變化，又反過(guò)來(lái)引起價(jià)格的變動(dòng)。如何應(yīng)用網(wǎng) 絡(luò)效用理論和價(jià)格機(jī)制分析并解決VCN中的頻譜資源分配是需要進(jìn)一步研究解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 針對(duì)上述技術(shù)所指出的不足之處，提供一種針對(duì)虛擬蜂窩網(wǎng)絡(luò)VCN的頻譜資源分 配，在滿(mǎn)足用戶(hù)終端對(duì)無(wú)線頻譜資源高效率使用的同時(shí)，最大化蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和虛擬服 務(wù)提供商的網(wǎng)絡(luò)收益的基于效用函數(shù)和價(jià)格機(jī)制的頻譜資源分配方法。
[0020] 為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明的基于效用函數(shù)和價(jià)格機(jī)制的頻譜資源分配方法，它采 用蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商CN0,網(wǎng)絡(luò)虛擬化控制器NVC，虛擬服務(wù)提供商VSP和多個(gè)用戶(hù)終端UE構(gòu) 成虛擬蜂窩網(wǎng)絡(luò)小區(qū)，其中有N個(gè)虛擬服務(wù)提供商向蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商MN0租用網(wǎng)絡(luò)資源，蜂 窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商MN0擁有所有的頻譜和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施同時(shí)服務(wù)了M個(gè)用戶(hù)終端UE，蜂窩網(wǎng)絡(luò) 運(yùn)營(yíng)商MN0中的基站向