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    帶有混合能量供電的TWDM-PON與C-RAN聯(lián)合架構(gòu)資源分配機(jī)制

    2018-10-18 08:29:54王汝言徐寧寧
    通信學(xué)報(bào) 2018年9期
    關(guān)鍵詞:資源用戶

    王汝言,徐寧寧

    ?

    帶有混合能量供電的TWDM-PON與C-RAN聯(lián)合架構(gòu)資源分配機(jī)制

    王汝言1,2,徐寧寧1,2

    (1. 重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,重慶 400065;2. 重慶高校市級光通信與網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065)

    針對現(xiàn)有虛擬化云無線接入網(wǎng)絡(luò)資源利用率低、能耗高、用戶服務(wù)質(zhì)量無法得到保證等問題,提出一種帶有混合能量供電的能耗感知虛擬化資源分配機(jī)制。根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的能量來源和能量消耗情況,建立能量到達(dá)模型和能量消耗模型;進(jìn)而,在保障用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下,考慮比例公平和能耗優(yōu)化,利用異步更新的分布式算法對不同類型虛擬云無線接入網(wǎng)和用戶虛擬基站分配資源和能量,從而有效提高網(wǎng)絡(luò)能量效率。仿真結(jié)果表明,所提資源分配機(jī)制能夠降低能耗,同時有效地減小了時延,提高了吞吐量。

    云無線接入網(wǎng);網(wǎng)絡(luò)虛擬化;時波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò);能量收集;資源共享分配

    1 引言

    隨著用戶對標(biāo)清視頻及高清視頻、在線游戲、電話視頻等應(yīng)用需求的不斷增加,無線接入網(wǎng)的業(yè)務(wù)負(fù)載急劇上升,在第五代移動網(wǎng)絡(luò)中引入云無線接入網(wǎng)(C-RAN, cloud radio access network)以解決能耗問題[1-3]。C-RAN將傳統(tǒng)基站配置分解成集中式基帶處理單元(BBU, baseband processing unit)池和分布式無線射頻頭端(RRH, remote radio head)2個部分[4],并通過低成本、低時延、低能耗且具有豐富帶寬的時波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)(TWDM-PON, time and wavelength division multiplexing passive optical network)連接BBU池和RRH[5-6]。此種方式不但可以降低系統(tǒng)升級和維護(hù)的資本和運(yùn)營支出,還可以提高頻譜利用率。然而,C-RAN中大規(guī)模部署的RRH消耗較多能量,導(dǎo)致了碳足跡的激增[7]。為了解決這個問題,將能量收集(EH, energy harvesting)能力并入RRH中,使RRH不但可以由傳統(tǒng)電力網(wǎng)直接供電,而且還能夠從環(huán)境能源(例如太陽能、風(fēng)能和射頻信號[8-10])中收集綠色可再生能量,從而保證服務(wù)質(zhì)量。

    盡管能源效率更高,但由混合能源供電的C-RAN仍然面臨著一些新的問題:其僅實(shí)現(xiàn)了BBU資源的集中化處理,對前傳波長資源和無線資源無法實(shí)現(xiàn)共享;各服務(wù)提供商(SP, service provider)獨(dú)立運(yùn)行C-RAN,造成資源利用率不高;可擴(kuò)展且靈活的動態(tài)資源分配方式由于頻繁變化難以部署在基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)上[11]。網(wǎng)絡(luò)虛擬化(NV, network virtualization)技術(shù)通過對計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源、頻譜資源、基礎(chǔ)設(shè)施等進(jìn)行抽象,能夠?qū)崿F(xiàn)不同SP之間的資源共享,此種架構(gòu)不但可以節(jié)省成本、提高資源利用率、降低能耗、易于資源部署,還可以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性和靈活性[12]。因此,考慮充分結(jié)合這2種技術(shù)的優(yōu)勢,提出了將虛擬化技術(shù)和帶有能量收集C-RAN相聯(lián)合的架構(gòu),并在架構(gòu)上依照業(yè)務(wù)流量變化聯(lián)合配置虛擬無線、光網(wǎng)絡(luò)、BBU計(jì)算資源和RRH能量,它不僅可以提高系統(tǒng)吞吐量和資源利用率,還可以降低能耗。進(jìn)而,如何在聯(lián)合架構(gòu)上合理地分配虛擬資源和能量使能耗最小化,成為國內(nèi)外研究人員的關(guān)注重點(diǎn)。

    針對以上問題,文獻(xiàn)[13-14]將網(wǎng)絡(luò)虛擬化與C-RAN架構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合,實(shí)現(xiàn)不同移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商之間的資源共享,可以有效提高吞吐量并降低端到端時延和總能耗,然而,所提出的方法并沒有考慮BBU資源的共享調(diào)度,也沒有考慮能量收集。在實(shí)際場景中,通過收集可再生能量,可以有效地減少傳統(tǒng)電網(wǎng)所供給能量的消耗。因此,利用可再生能量收集的優(yōu)勢,文獻(xiàn)[15]提出了一種新的能量到達(dá)模型,并利用量子行為粒子群算法聯(lián)合分配子載波和功率,在滿足能耗限制和總數(shù)據(jù)速率要求的同時最大限度提高能源效率。但所提出方法僅限于RRH無線資源分配,并沒有考慮波長和計(jì)算資源的優(yōu)化配置。文獻(xiàn)[16-17]將可持續(xù)資源分配問題分解為能量收集、數(shù)據(jù)調(diào)度以及子載波和功率分配等3個子問題,并在確保數(shù)據(jù)緩沖器穩(wěn)定性和能量緩沖器可持續(xù)性的基礎(chǔ)上獲得最大聚集用戶效用,但沒有考慮不同SP之間的能量共享。文獻(xiàn)[18]根據(jù)能源供需匹配策略,在具有能量收集的異構(gòu)無線接入網(wǎng)絡(luò)中提出能源經(jīng)濟(jì)模型實(shí)現(xiàn)能源雙向交換。此外,根據(jù)能量存儲和業(yè)務(wù)負(fù)載狀態(tài)提供D2D輔助用戶關(guān)聯(lián),從而實(shí)現(xiàn)能源成本與用戶關(guān)聯(lián)比率之間的權(quán)衡。然而上述文獻(xiàn)主要通過調(diào)度帶有能量收集的部分虛擬化C-RAN資源去降低能耗,并沒有考慮全局資源分配和能量共享的有效結(jié)合,因此,無法最小化能耗。

    針對上述問題,本文提出了一種新的帶有混合能量供電的能耗感知虛擬化C-RAN資源分配機(jī)制。首先,根據(jù)虛擬化C-RAN中各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的能量來源和能量消耗情況,建立能量到達(dá)和能耗模型;接著,利用異步更新的能耗感知分布式算法(AU-EADA, energy-aware distributed algorithm based on asynchronous updating),依據(jù)負(fù)載流量為不同類型虛擬化V-CRAN(virtualization C-RAN)公平地分配總能量和資源,再針對用戶的不同服務(wù)請求,在相應(yīng)V-CRAN中基于能耗和時延最小的原則為之分配計(jì)算和波長資源,并基于能耗最小化為其選擇接入模式和關(guān)聯(lián)RRH,從而完成C-RAN網(wǎng)絡(luò)中的整體資源優(yōu)化配置,并有效地提高網(wǎng)絡(luò)能量效率。

    2 CRAN-NV聯(lián)合架構(gòu)

    在C-RAN與網(wǎng)絡(luò)虛擬化(CRAN-NV, cloud radio access network and network virtualization)的聯(lián)合架構(gòu)中,使用基于TWDM-PON和特殊模式接入的C-RAN作為物理網(wǎng)絡(luò)。在物理網(wǎng)絡(luò)中,小區(qū)用戶首先依據(jù)信道狀態(tài)信息選擇直接或者間接模式將射頻信號發(fā)送給RRH。當(dāng)處于間接模式時,用戶通過中繼接入點(diǎn)用戶(RAP-UE, relay access point users)接入RRH,其中RAP-UE與RRH之間采用蜂窩移動通信方式,而RAP-UE與UE之間采用無線保真(Wi-Fi, wireless fidelity)通信方式。特殊地,假設(shè)RRH和RAP-UE既可以進(jìn)行能量收集,也可以從電網(wǎng)購買能量,因此每個RRH和RAP-UE都有一個EH模塊,且配備有可充電電池和數(shù)據(jù)緩存區(qū)。接著,RRH將接收到的信號轉(zhuǎn)發(fā)給與其直接相連的光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU, optical network unit),而ONU使用通用公共無線電接口將數(shù)字基帶信號發(fā)送到光線路終端(OLT, optical line terminal)處,并由代表不同波長的線卡(LC, line card)服務(wù)。BBU池和OLT位于中心局(CO, central office),在BBU池中,每個BBU與一個LC相關(guān)聯(lián),因此,BBU和LC的集合有相同的基數(shù)。以太網(wǎng)交換機(jī)位于BBU池之后,且每個端口都連接到BBU,可以將流量從一個BBU重定向到其他BBU。顯然,重定向的源BBU和目的BBU之間的數(shù)據(jù)遷移會持續(xù)一段時間,因此,使用直通交換機(jī)[19]快速轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組而不存儲整個數(shù)據(jù)分組。

    圖1 支持TWDM-PON和特殊模式接入的C-RAN與NV聯(lián)合架構(gòu)

    通過虛擬化技術(shù)將底層物理網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行虛擬化。如圖1所示,總集中控制器通過調(diào)度資源分配策略,組成具有不同特點(diǎn)的V-CRAN。傳統(tǒng)SP固定租用需求最大化時的資源并獨(dú)自占用,這使業(yè)務(wù)流量少的SP資源浪費(fèi),業(yè)務(wù)流量過載的SP得不到滿足,造成總體資源利用率低下。因此,本文考慮不同的SP組成不同V-CRAN,并依照負(fù)載情況公平地分配C-RAN資源。顯然,在RRH分配資源時,不僅要考慮無線信道資源和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)資源,還要考慮可再生電能和傳統(tǒng)電能的公平分配。為了減輕一級集中控制器的處理壓力,采用分布式的方式為每個V-CRAN配置一個二級集中控制器,并為V-CRAN中的每個RRH配置一個三級控制器,其中二級控制器實(shí)時獲知當(dāng)前服務(wù)類型的信道狀態(tài)信息和資源分配情況,執(zhí)行資源共享策略完成BBU計(jì)算資源和TWDM-PON波長資源的合理分配;三級控制器根據(jù)用戶和RRH的信息,執(zhí)行能量共享策略和用戶關(guān)聯(lián)策略完成無線資源的分配。最后,二級和三級控制器將資源分配信息返回至一級總集中控制器;進(jìn)而,總控制器將配置信息下發(fā)到底層物理網(wǎng)絡(luò),從而為用戶合理地分配物理資源。

    3 能量到達(dá)模型

    在C-RAN網(wǎng)絡(luò)中,由于RRH大規(guī)模部署,造成能量消耗嚴(yán)重,所以考慮RRH具備EH功能。同時,RAP-UE由于中繼通信產(chǎn)生額外能耗,因此也考慮為其配備EH模塊。那么,RRH和RAP-UE均可由可再生能量或傳統(tǒng)電力能量供電。本節(jié)根據(jù)RRH和RAP-UE的不同能量來源,分別對其能量到達(dá)模型進(jìn)行描述。

    3.1 RRH能量到達(dá)模型

    3.2 RAP-UE能量到達(dá)模型

    4 電網(wǎng)能耗模型

    因此,基于以上新定義的3個變量,式(7)可以改寫為

    本文的目標(biāo)是在多個約束條件下使能耗最小化,由C-RAN網(wǎng)絡(luò)總電網(wǎng)能耗式(11)可知,能耗主要由3個部分組成,即CO網(wǎng)絡(luò)設(shè)備計(jì)算能耗、RRH通信設(shè)備能耗、RRH和RAP-UE通信能耗。針對這種在各種相互關(guān)聯(lián)的多變量約束條件下解決線性目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的問題,通常采用線性規(guī)劃法[21]去解決,但此種算法具有較高復(fù)雜性,一旦網(wǎng)絡(luò)規(guī)模稍大,將造成嚴(yán)重的時延損耗甚至計(jì)算不可行。因此,本文提出基于異步更新的分布式機(jī)制,將傳統(tǒng)的一級集中控制器改進(jìn)成三級控制器的形式,然后將資源分配問題分割成三個子問題并分配給相應(yīng)的控制器解決,其中,一級集中控制器基于負(fù)載流量對各V-CRAN公平地分配虛擬資源;三級控制器依據(jù)一級集中控制器返回的其他RRH以及用戶的信息,對所屬用戶的接入方式進(jìn)行合理選擇,從而擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)吞吐量。在三控制器中,三級控制器基于供需關(guān)系調(diào)度RRH間的儲存能量以實(shí)現(xiàn)共享,從而降低小區(qū)端設(shè)備的能耗;二級控制器依據(jù)定時收集的信道信息和各用戶的資源分配情況,以處理時延和設(shè)備運(yùn)行能耗最小為目標(biāo),為各用戶的各類服務(wù)請求動態(tài)分配BBU計(jì)算資源和TWDM-PON波長資源。

    5 基于異步更新的分布式資源分配機(jī)制

    在實(shí)際生活中,某一時間段內(nèi)的小區(qū)業(yè)務(wù)流量是動態(tài)變化且未知的,因此需考慮動態(tài)資源分配情況。當(dāng)一個用戶請求到達(dá)時,一級控制器先判斷是否對V-CRAN重新配置虛擬資源,然后根據(jù)業(yè)務(wù)類型將請求分配給相應(yīng)二級控制器和三級控制器進(jìn)行資源分配。三級集中控制器接收到請求信息后,先依據(jù)信道狀態(tài)信息和同一V-CRAN內(nèi)RRH與RAP-UE的剩余能量及資源信息為其選擇RAP-UE和關(guān)聯(lián)RRH,然后判斷關(guān)聯(lián)RRH的能量是否足以支持傳輸信息,不足則調(diào)用能量共享策略從其他RRH處借調(diào)能量,其借調(diào)的能量通過兩個RRH之間的傳統(tǒng)電力網(wǎng)進(jìn)行傳輸;接著,二級控制器根據(jù)三級控制器返回的關(guān)聯(lián)信息判斷新用戶請求關(guān)聯(lián)RRH的PHY-cell或者新建一個PHY-cell,最后基于能耗和BBU處理時延最少選擇合適的UP進(jìn)行基帶處理,從而完成動態(tài)服務(wù)請求的整體資源分配。

    5.1 比例公平資源配置機(jī)制

    如前所述,在CRAN-NV架構(gòu)中,總集中控制器通過調(diào)度資源分配策略,組成具有不同特點(diǎn)的V-CRAN。然而,傳統(tǒng)SP是按租用需求最大化時所需資源進(jìn)行分配,且分配后的資源固定且專屬,這導(dǎo)致業(yè)務(wù)流量少的SP資源浪費(fèi),業(yè)務(wù)流量過載的SP得不到滿足,造成總體資源利用率低下。因此,本文考慮不同的SP組成不同V-CRAN,即對虛擬C-RAN進(jìn)行區(qū)分業(yè)務(wù)服務(wù),并將其劃分為個V-CRAN,然后為了適應(yīng)負(fù)載流量的動態(tài)變化,按照各種業(yè)務(wù)的負(fù)載流量公平地為V-CRAN分配虛擬資源。這樣,不僅可以保證各種業(yè)務(wù)所分配資源的公平性,還減少了資源分配時的資源選擇區(qū)間,從而降低算法復(fù)雜度和處理時延。

    所需分配的虛擬資源包括BBU計(jì)算資源、TWDM-PON波長資源、RRH可用能量資源、RAP-UE可用能量資源和RRH無線信道資源。對于虛擬BBU計(jì)算資源來說,不同V-CRAN所分配的計(jì)算資源量需要與其負(fù)責(zé)的業(yè)務(wù)負(fù)載成比例,且總和不大于C-RAN虛擬總資源量。又因?yàn)椴ㄩL資源LC與BBU直接相連且具有相同的基數(shù)。因此,虛擬BBU計(jì)算資源和TWDM-PON波長分配具有的比例公平約束如式(12)~式(14)所示。

    在一級集中控制器處,為了有效地完成滿足以上約束條件的虛擬資源公平分配,本節(jié)結(jié)合考慮小區(qū)業(yè)務(wù)流量動態(tài)變化的特點(diǎn),提出了動態(tài)V-CRAN比例公平資源配置機(jī)制。各類虛擬資源具有相似的分配特性,因此,本節(jié)以BBU計(jì)算資源為例描述分配算法的執(zhí)行,算法的具體偽代碼如算法1所示。當(dāng)一個用戶請求到達(dá)后,一級控制器先判斷連接類型和服務(wù)類型,并記錄上一時刻各種服務(wù)的負(fù)載信息和V-CRAN的BBU計(jì)算資源分配信息(算法1中1)~3))。如果請求屬于中斷請求類型,則=1,那么將減去請求負(fù)載大小的當(dāng)前時刻各V-CRAN的負(fù)載比例與上一請求到達(dá)后的計(jì)算資源分配比例作比較,若大致相等,則資源配置保持不變;若不等,則根據(jù)當(dāng)前負(fù)載比例和先前配置信息重新進(jìn)行資源分配。如果請求屬于連接請求類型,=?1,則當(dāng)前時刻服務(wù)負(fù)載為加上請求負(fù)載后的結(jié)果,其具體操作與中斷請求類型類似,不再加以贅述(算法1中4)~7))。

    算法1 比例公平資源分配算法

    輸入:一個用戶請求

    輸出:所有V-CRAN的資源分配結(jié)果

    1) 當(dāng)用戶請求到達(dá)時,執(zhí)行以下操作

    2) 判斷請求的連接類型={?1,1}和服務(wù)類型∈[1,]

    6) else

    5.2 RRH能量共享機(jī)制

    在以上約束的基礎(chǔ)上,若實(shí)現(xiàn)最小化RRH所消耗的傳統(tǒng)電能,需要設(shè)計(jì)合理的RRH能量共享機(jī)制,對RRH能量進(jìn)行合理調(diào)用。因此,當(dāng)某新用戶請求所關(guān)聯(lián)RRH的剩余可再生能量不足以支持激活能耗或傳輸信號能耗時,三級控制器執(zhí)行以下算法,其偽代碼如算法2所示。

    算法2 能量共享算法

    1) 判斷用戶請求的服務(wù)類型∈[1,],并依據(jù)式(24)和式(27)計(jì)算用戶關(guān)聯(lián)RRH所需的借調(diào)能量()

    2) 基于剩余可再生資源對第個V-CRAN的所有RRH進(jìn)行降序排序

    3) if EG()<= REGSUR _RRHJ_MAX

    4) 在集合RRH_J中選擇具有最大剩余能量的RRH給予RRH所需的能量

    5) else

    6) 對其他類型V-CRAN(∈[1,])執(zhí)行以下操作:

    7) 基于剩余可再生資源對第個V-CRAN的RRH進(jìn)行降序排序

    8) if EG()≤REGSUR _RRHI_MAX

    9) 在RRH_I中選擇具有最大剩余能量的RRH供給RRH所需的能量,并結(jié)束算法

    10) else

    11) 跳轉(zhuǎn)到6)對下一類型V-CRAN進(jìn)行判斷

    12) 若在所有V-CRAN中均不存在RRH可為RRH提供所需的可再生能量,則考慮用傳統(tǒng)電網(wǎng)能量替代可再生能量,并執(zhí)行以下操作

    13) if EG()≤EGSUR_G_RRHN

    14) 選擇RRH提供傳統(tǒng)電網(wǎng)能量

    15) else

    16) 依據(jù)可再生能量分配過程為RRH尋求不足能量的供給

    17) 若不存在任何RRH可為RRH提供可再生能量和電網(wǎng)能量,則拒絕此用戶請求

    在算法中,首先判斷新用戶請求的服務(wù)類型,并計(jì)算用戶請求關(guān)聯(lián)RRH所需借調(diào)的能量()(算法2中1))。接著,對第個V-CRAN中的RRH(不包含請求所關(guān)聯(lián)的RRH)按照剩余可再生能量由大到小排列,并放入集合RRH_J中(算法2中2))。然后,將請求RRH所需能量()與集合RRH_J中的最大剩余能量進(jìn)行對比,若出現(xiàn)小于或等于的情況,則選擇具有最大剩余能量的RRH給予請求RRH所需的能量;否則,當(dāng)集合RRH_J中不存在RRH可以支持請求RRH所需能量時,考慮從其他V-CRAN中的RRH借調(diào)能量。那么,對所有類型V-CRAN執(zhí)行以下循環(huán)操作:將第個V-CRAN中的RRH按照剩余可再生能量由大到小排列,并放入集合RRH_I中。如果集合RRH_I中的RRH最大剩余能量大于或等于請求RRH所需能量,則選擇具有最大剩余能量的RRH給予請求RRH所需的能量,并停止循環(huán);如果小于,則對第1個V-CRAN中的RRH執(zhí)行以上操作(算法2中3)~11))。如果遍歷完所有V-CRAN的RRH之后,仍未存在合適的RRH為請求RRH提供可再生能量時,為了保障鏈路的可靠連接,考慮使用傳統(tǒng)能量。那么,首先判斷請求RRH自身所儲存的傳統(tǒng)能量能否完成能量EG()的供給,如果不足,則按照可再生能量借調(diào)過程依次向同一V-CRAN中、不同V-CRAN中的RRH尋求不足能量的供給(算法2中12)~16))。最終,若不存在任何RRH可為其提供所需的能量時,則拒絕此用戶請求(算法2中17))。

    5.3 能耗感知的V-CRAN動態(tài)資源分配機(jī)制

    由第4節(jié)可知,V-CRAN的總能耗包括3個部分,即CO網(wǎng)絡(luò)設(shè)備計(jì)算能耗、RRH通信設(shè)備能耗、RRH和RAP-UE通信能耗。為了使總能耗最小化,本文考慮使各部分能耗分別最小化。為了最小化RRH和RAP-UE的傳統(tǒng)能耗且在不增加能耗的基礎(chǔ)上提高吞吐量,本文依據(jù)信道狀態(tài)信息和RRH與用戶的剩余能量及資源信息,為新業(yè)務(wù)請求選擇合理的RAP-UE和關(guān)聯(lián)RRH。而對于CO網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來說,它們僅靠傳統(tǒng)電網(wǎng)提供能量,所以要想使其能耗最小,需要使激活CO網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)量最小。因此,本節(jié)首先基于能量和信道狀態(tài)為用戶請求選擇接入模式和關(guān)聯(lián)RRH;然后依據(jù)波長資源剩余情況并以能耗最少為原則為用戶請求分配小區(qū)處理(PHY-cell, cell processing)資源,即為其服務(wù)的主BBU和VPON;最后基于能耗和處理時延最少選擇合適的用戶處理(UP, user processing)模塊對其進(jìn)行基帶處理,從而完成V-CRAN中用戶請求的整個資源分配。

    5.3.1 基于特殊接入模式的用戶關(guān)聯(lián)機(jī)制

    在V-CRAN中,針對RRH與用戶之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制,本文考慮2種情況:第一種情況是當(dāng)新用戶請求到達(dá)時,如果存在空閑信道,則普通用戶不通過RAP-UE中繼而是直接連接RRH;第二種情況是依據(jù)剩余能量和資源尋找合適RAP-UE間接接入RRH。為了使RRH能耗最小,在接入RAP-UE時,首先使用儲存的可再生能量,當(dāng)可再生能量不足時才使用自身的傳統(tǒng)能量。

    對于第個V-CRAN中的RAP-UE來說,為了保證服務(wù)質(zhì)量,其承擔(dān)的負(fù)載流量不大于資源容量且能耗不大于存儲的可用能量,即

    由上可得,在時隙第個V-CRAN中的RAP-UE占用信道發(fā)送信號到用戶的能耗占比變量為

    對于第個V-CRAN中的RRH來說,它與RAP-UE類似,其負(fù)載流量小于資源容量且總能耗不大于可用能量,即

    其中,與RAP-UE不同,RRH能耗包括激活能耗和通信能耗,且RRH收集的可用能量包含共享其他RRH的能量。

    此外,在RRH與用戶之間的無線信道占用資源必須不超過無線信道資源總量,那么

    為了避免用戶間的過度同頻干擾,本文假設(shè)物理層采用正交頻分復(fù)用技術(shù),在時隙每個信道最多被一個用戶占用,則RRH與RAP-UE占用信道時相互獨(dú)立,不產(chǎn)生干擾。并且,每個用戶在每個時隙最多由連接RRH的一個信道傳輸。因此,第個V-CRAN的無線信道資源分配有如下約束,即

    接著,為了保證用戶的服務(wù)質(zhì)量,分配功率時不同V-CRAN的傳輸速率大于所設(shè)置的最低傳輸速率,則

    (38)

    最后,為了在滿足以上約束條件的基礎(chǔ)上,RRH和UE之間的傳統(tǒng)能耗最小化且提高吞吐量,本文設(shè)計(jì)了RAP-UE和RRH選擇機(jī)制,其偽代碼如算法3所示。

    算法3 用戶關(guān)聯(lián)算法

    輸入:一個用戶請求

    輸出:用戶的關(guān)聯(lián)RRH和RAP-UE

    1) 當(dāng)用戶請求到達(dá)時,執(zhí)行以下操作

    2) 統(tǒng)計(jì)剩余無線信道資源H_SUR

    3) if H_SUR>0

    5) if RRH_SUR_RES()> REQUEST_BW

    6) 將RRH放入集合OVER_RRH中,然后令=+1,并跳轉(zhuǎn)到步驟4)

    7) else,直接令=+1,并跳轉(zhuǎn)到步驟4)

    8) 基于剩余可再生資源對集合OVER_RRH 中的RRH進(jìn)行降序排序

    9) if RRH_SUR_EG(max)

    10) 執(zhí)行RRH能量共享機(jī)制(即算法2)

    11) else

    12) 選擇具有RRH_SUR_EG(max)能量的RRH作為關(guān)聯(lián)RRH

    13) else

    15) ifRAP_UE_SUR_RES()> REQUEST_BW

    16) 將RAP-UE放入集合RELAY_ M中

    17) 令=+1,并跳轉(zhuǎn)到14)

    18) if RELAY_M=NULL,則拒絕新用戶請求

    19) else

    20) 基于剩余可再生能量對集合RELAY_M中的RAP-UE進(jìn)行降序排序

    21) 選擇具有RAP_UE_SUR_ EG(max)能量的RAP-UE作為中繼

    22) 執(zhí)行4)~12)為用戶選取關(guān)聯(lián)RRH

    在算法3中,當(dāng)用戶請求到達(dá)時,統(tǒng)計(jì)剩余無線信道資源算法中2)。如果存在空閑信道,則直接為用戶請求選擇關(guān)聯(lián)RRH(算法3中3)~12))。選擇RRH時執(zhí)行以下操作:首先將第個V-CRAN中剩余資源大于新用戶負(fù)載的RRH放入集合OVER_RRH中,并按照剩余可再生能量由大到小對集合元素進(jìn)行排序。然后,將最大剩余可再生能量與發(fā)送新用戶所需的能量進(jìn)行對比,若最大剩余可再生能量小于新用戶所需的能量,則調(diào)用RRH能量共享機(jī)制從合適的RRH購買所需的可再生能量,否則,選擇具有最大剩余可再生能量的RRH作為新用戶關(guān)聯(lián)RRH。如果不存在空閑信道,則為用戶請求選擇RAP-UE間接接入RRH(算法3中13)~22))。那么,執(zhí)行以下操作:首先將第個V-CRAN中所有剩余資源大于新用戶負(fù)載資源的RAP-UE放入集合RELAY_M中,如果集合為空,則不存在合適的RAP-UE為新用戶進(jìn)行中繼,即放棄新用戶的服務(wù)請求;否則,將集合RELAY_M中的RAP-UE按照剩余可再生能量由大到小排序,然后選擇排序后集合中具有最大剩余可再生能量的RAP-UE作為中繼。接著,按照RRH選擇機(jī)制選取關(guān)聯(lián)RRH,從而完成新用戶請求的合理關(guān)聯(lián)。

    5.3.2 TWDM-PON波長資源共享機(jī)制

    在V-CRAN中,TWDM-PON波長信道具有高容量特征,一個TWDM-PON可支持多個VPON,每個VPON都由一個連接BBU的LC和多個共享相同波長的ONU組成。并且,BBU基帶處理被虛擬化為兩種類型的功能實(shí)體,即PHY-cell和UP。其中,PHY-cell模塊用于標(biāo)記所屬VPON。本節(jié)的TWDM-PON波長資源共享機(jī)制主要是為未配置PHY-cell的小區(qū)選擇適當(dāng)?shù)闹鰾BU和VPON。首先,為了保證包含多個PHY-cell標(biāo)識的VPON負(fù)載不大于VPON最大容量限制,即

    接著,只要有任意的小區(qū)在VPON上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,則LC始終保持激活狀態(tài),即

    對于基于以上約束的TWDM-PON波長資源共享機(jī)制,其具體偽代碼如算法4所示。在算法中,首先對屬于第個V-CRAN中的VPON按照剩余帶寬資源由大到小排列(算法4中1))。然后,將最大剩余帶寬資源與請求帶寬進(jìn)行對比,若最大剩余帶寬資源小于請求帶寬,則激活新的BBU和與之相連的VPON進(jìn)行服務(wù),并將小區(qū)PHY-cell寫入到BBU中;否則將與具有最大剩余帶寬資源的VPON相連的BBU作為主服務(wù)BBU(算法4中2)~7))。

    算法4 TWDM-PON波長資源共享算法

    1) 基于剩余資源對服務(wù)類型的所有VPON進(jìn)行降序排序

    2) 將SURPLUS_RES()表示排序后的第(∈[1,])個剩余資源

    3) 令SURPLUS_RES(max) = SURPLUS_ RES(1)

    4) if SURPLUS_RES(max)

    5) 激活一個新的BBU和VPON進(jìn)行服務(wù)

    6) else

    7) 考慮具有最大剩余帶寬資源的VPON進(jìn)行服務(wù)

    5.3.3 BBU計(jì)算資源共享機(jī)制

    由5.3.2節(jié)可知,UP是BBU的計(jì)算資源模塊。為了合理地為服務(wù)請求選擇在BBU中的基帶處理單元,需要設(shè)計(jì)高效的BBU計(jì)算資源共享機(jī)制。本文結(jié)合能耗和時延2種因素選取合適的UP,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸,同時降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的成本。首先,在BBU上的處理負(fù)載必須不超過UP容量限制,即

    其次,若任意小區(qū)的一個請求在BBU UP上進(jìn)行基帶數(shù)據(jù)處理,則BBU保持激活狀態(tài),那么,

    接著,對于交換機(jī)來說,交換機(jī)服務(wù)的所有BBU UP中遷移的總負(fù)載不大于交換機(jī)能承受的最大容量,

    進(jìn)一步,當(dāng)無任何UP遷移時,所有交換機(jī)端口處于休眠狀態(tài),且交換機(jī)也退出激活狀態(tài),進(jìn)入休眠,即

    基于以上約束條件,BBU計(jì)算資源共享機(jī)制的偽代碼如算法5所示。在算法中,首先對第個V-CRAN中的激活BBU按照UP剩余帶寬資源由大到小排列(算法5中1))。然后,計(jì)算請求數(shù)據(jù)在活動BBU中的處理時間??紤]將請求數(shù)據(jù)大小與排序后的BBU UP剩余帶寬資源進(jìn)行對比,若出現(xiàn)第個BBU剩余資源小于請求數(shù)據(jù)最小帶寬的情況,則將至的BBU處理時延均設(shè)置為無窮大,這樣可以有效降低算法執(zhí)行的時間復(fù)雜度(算法5中2)~8))。接著,如果存在處理時延小于無窮大的BBU,將請求的主BBU的處理時延與最小的其他BBU處理時延加上交換機(jī)端口時延作對比,從而選擇合適的BBU進(jìn)行處理;否則,當(dāng)所有的激活BBU處理時延均是無窮大時,激活一個新的BBU專用于UP服務(wù),其中,這個BBU沒有PHY-cell模塊,且與之相連的PON模塊不被激活(算法5中9)~17))。

    算法5 BBU計(jì)算資源共享算法

    1) 基于剩余資源對第類服務(wù)中激活BBU的所有UP進(jìn)行降序排序

    2) 計(jì)算請求在第類服務(wù)所有激活BBU中(∈[1,_])的處理時間,即執(zhí)行以下操作

    3) ifBBU_SUR_RES()>REQ_SIZE/DELAY_J_MAX

    4) PROCESS_DELAY()←REQ_SIZE/ BBU_SUR_RES()

    5)=+1

    6) else

    8) 跳轉(zhuǎn)到步驟7)

    10) 基于處理時延對第類服務(wù)的激活BBU進(jìn)行升序排序

    11) 將PROCESS_DELAY(min)表示最小的處理時延

    12) ifPROCESS_DELAY(CURRENT_BBU)< PORT_DELAY+ PROCESS_DELAY(min)

    13) 選擇當(dāng)前的主BBU UP作為用戶請求UP

    14) else

    15) 選擇具有最小處理時延的BBU UP作為請求UP

    16) else

    17) 激活一個新的BBU專用于UP服務(wù)

    6 性能測試與分析

    為了有效衡量所提資源分配機(jī)制的性能,本節(jié)主要將其與其他3種架構(gòu)進(jìn)行比較,即傳統(tǒng)型C-RAN架構(gòu)、D-RAN架構(gòu)和能耗感知的C-RAN架構(gòu)[22]。首先對3個架構(gòu)的能耗模型進(jìn)行闡述。

    在傳統(tǒng)型C-RAN架構(gòu)中,雖然所有BBU集中位于中心局的BBU池,但卻沒有實(shí)現(xiàn)資源共享,即每個小區(qū)仍需要一個專用的BBU和LC為之服務(wù)。因此,此種架構(gòu)下的能耗為

    其中,等式右邊第一項(xiàng)表示冷卻設(shè)施能耗,第二項(xiàng)表示小區(qū)站點(diǎn)設(shè)備能耗,第三項(xiàng)表示激活LC和BBU能耗,顯然BBU和LC一直處于激活狀態(tài);第四項(xiàng)表示信號發(fā)送能耗,其他參數(shù)設(shè)置如前所述。

    在D-RAN架構(gòu)中,BBU和RRH均位于小區(qū)站點(diǎn),固定關(guān)聯(lián)組成基站。所以,BBU必須時刻處于激活狀態(tài)。為保證BBU正常運(yùn)行,每個BBU均需要配置一個專用冷卻設(shè)施。因此,D-RAN能耗模型為

    其中,右邊第一項(xiàng)是設(shè)備能耗,第二項(xiàng)是發(fā)送能耗。

    能耗感知C-RAN架構(gòu)的能耗模型與本文能耗模型具有相似性,最大的區(qū)別是能耗感知C-RAN架構(gòu)在資源分配時不考慮能量共享。因此,能耗感知C-RAN架構(gòu)能耗模型如下

    其中,等式右邊第一項(xiàng)是基礎(chǔ)冷卻設(shè)施能耗,第二項(xiàng)是交換機(jī)能耗,第三項(xiàng)是激活LC和BBU的能耗,第四項(xiàng)是激活ONU和RRH所消耗的能量,第五項(xiàng)是發(fā)送能耗。

    6.1 仿真參數(shù)設(shè)置

    本文采用Matlab R2016a仿真平臺對所提出的資源分配機(jī)制進(jìn)行性能評估。為了有效評估時延性能,考慮4種服務(wù),即VoIP業(yè)務(wù)服務(wù)、IPTV業(yè)務(wù)服務(wù)、網(wǎng)頁搜索服務(wù)和視頻會議服務(wù)。由C-RAN白皮書可知,網(wǎng)頁業(yè)務(wù)流量占總流量的38%,視頻業(yè)務(wù)流量占45%[23]。為了簡便起見,假定采用的3種視頻業(yè)務(wù)分別各占15%。因此,可以得出4種業(yè)務(wù)的分布信息,以繁華區(qū)域?yàn)槔?種業(yè)務(wù)在繁華區(qū)域的流量變化如圖2所示。本文考慮小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)場景,即設(shè)置11個BBU和11個小區(qū)。每個波長容量為10 Gbit/s,BBU UP容量為5 Gbit/s,每個小區(qū)中的用戶業(yè)務(wù)流量服從[100 Mbit/s,1 Gbit/s]之間的均勻分布。對于無線資源來說,每個子載波的波長為15 MHz,高斯白噪聲的功率譜密度是10?10W/Hz,信道增益服從在[5,14]之間的隨機(jī)分布。對于能量收集來說,每個RRH和RAP-UE收集的可再生能量在[0, 5000] W之間均勻分布[24]。

    圖2 4種業(yè)務(wù)在繁華區(qū)域的流量變化

    然后,通過文獻(xiàn)[25-26]可看出,能耗值以及4種延遲敏感服務(wù)的請求數(shù)據(jù)大小設(shè)置如表1所示。

    表1 仿真參數(shù)設(shè)置

    而且,本文考慮動態(tài)業(yè)務(wù)場景,以一個小時為一個時間段,考慮24個時段的業(yè)務(wù)流量,業(yè)務(wù)請求到達(dá)時間服從泊松分布,到達(dá)時間的間隔獨(dú)立且服從負(fù)指數(shù)分布。下面,對4種架構(gòu)從能耗性能、時延性能以及吞吐量性能等3個方面進(jìn)行仿真分析。

    6.2 不同算法的能耗性能比較

    4種架構(gòu)在小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)場景中一天期間的能耗比較如圖3所示。顯然,隨著時間的不同,4種架構(gòu)的能耗表現(xiàn)出不同的特性,這是因?yàn)椴煌瑫r間段內(nèi)到達(dá)的業(yè)務(wù)流量不同,從而產(chǎn)生能量消耗不同。從整體來看,4種架構(gòu)按能耗由高到低排序分別為D-RAN架構(gòu)、傳統(tǒng)型C-RAN架構(gòu)、能耗感知C-RAN架構(gòu)和AU-EADA架構(gòu)。

    4種架構(gòu)在不同業(yè)務(wù)流量下的能耗比較如圖4所示。顯然,4種架構(gòu)的能耗均隨流量的增加而增加。另外,D-RAN架構(gòu)由于在小區(qū)端單獨(dú)設(shè)置BBU冷卻設(shè)施且不具有能量收集功能,導(dǎo)致其能量消耗是最大的。傳統(tǒng)型C-RAN架構(gòu)和能耗感知C-RAN架構(gòu)由于BBU池的集中,所以只有一個冷卻設(shè)施,其能耗比D-RAN架構(gòu)少。而本文分布式算法的能耗與前3種算法相比減少了50%,因?yàn)樗峒軜?gòu)中的每個RRH和RAP-UE均具有能量收集功能,可以收集來自周圍環(huán)境中的可再生能量,從而減少了傳統(tǒng)電能的消耗。

    圖3 小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中4種架構(gòu)在不同時刻下的能耗比較

    圖4 小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中4種架構(gòu)在不同業(yè)務(wù)流量下的能耗比較

    6.3 電池容量對能耗性能的影響

    本節(jié)給出分布式算法在12點(diǎn)時刻時小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中電池容量對能耗的影響。從圖5可以看出,隨著電池容量的增加,能耗先呈現(xiàn)下降趨勢,然后趨于穩(wěn)定,這是因?yàn)殡姵厝萘吭酱?,每個RRH和RAP-UE可儲存的可再生能量就越多,從而導(dǎo)致傳統(tǒng)能耗下降,但又因?yàn)槟芰渴占谝欢ǚ秶鷥?nèi),當(dāng)電池容量超過范圍界限時,RRH和RAP-UE不能收集更多的能量,所以傳統(tǒng)能耗趨于穩(wěn)定。另外,隨著能量收集上界的增加,傳統(tǒng)能耗逐漸減少,這是因?yàn)樯辖缭酱螅占目稍偕芰吭蕉?,從而傳統(tǒng)電能的消耗越少。

    圖5 12點(diǎn)時刻電池容量對所提算法能耗的影響

    6.4 不同算法的時延性能比較

    圖6 小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中4種架構(gòu)在不同時刻下的時延比較

    4種架構(gòu)在不同業(yè)務(wù)流量下的時延比較如圖7所示。顯然,4種架構(gòu)的時延均隨流量的增加而增加。D-RAN架構(gòu)由于BBU和RRH均在小區(qū)端,沒有傳輸時延和集中控制器調(diào)度時延,所以D-RAN架構(gòu)的時延是最小的。傳統(tǒng)型C-RAN架構(gòu)將所有BBU集中在中心局的BBU池,通過光纖傳輸基帶信號,所以具有傳輸時延和調(diào)度時延;但是BBU池的BBU沒有共享資源,每個小區(qū)仍需要一個專用的BBU和LC為之服務(wù),導(dǎo)致所有的BBU均處于激活狀態(tài),所以傳統(tǒng)型C-RAN架構(gòu)的時延是次小的。接著,能耗感知的C-RAN架構(gòu)通過關(guān)閉一些不必要的BBU去節(jié)省能耗,但同時也使相同BBU處理更多的業(yè)務(wù)請求,導(dǎo)致C-RAN架構(gòu)的時延增加。而本文算法在考慮能耗的同時,又考慮時延的影響,采用分布式機(jī)制去合理分配資源,從而可以有效降低時延。

    圖7 小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中4種架構(gòu)在不同業(yè)務(wù)流量下的時延比較

    6.5 不同算法的吞吐量性能比較

    本節(jié)給出4種架構(gòu)在小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)場景下不同時間段的吞吐量比較。從圖8可以看出,D-RAN架構(gòu)與傳統(tǒng)C-RAN架構(gòu)具有相同的吞吐量,因?yàn)?種架構(gòu)有相似的功能,只是傳統(tǒng)型C-RAN架構(gòu)的BBU進(jìn)行集中放置,但它的每個小區(qū)卻仍需要一個專用的BBU和LC為之服務(wù),因此D-RAN架構(gòu)與傳統(tǒng)C-RAN架構(gòu)吞吐量相同。能耗感知C-RAN架構(gòu)由于其在中心局集中的BBU計(jì)算資源可以共享分配,所以吞吐量優(yōu)于前2種架構(gòu)。而在本文的分布式算法中,不僅BBU計(jì)算資源可以共享,而且無線模塊采用特殊接入模式,從而有效提高吞吐量,所以吞吐量最優(yōu)。

    圖8 小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中4種架構(gòu)的吞吐量比較

    7 結(jié)束語

    為了解決現(xiàn)有虛擬化C-RAN資源利用率低、能耗高、用戶服務(wù)質(zhì)量無法得到保證等問題,本文提出了一種新的帶有混合能量供電的能耗感知虛擬化C-RAN資源分配機(jī)制。首先,給出基于TWDM-PON和特殊接入模式的C-RAN與NV相聯(lián)合的新框架,然后根據(jù)虛擬化C-RAN中各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的能量來源和能量消耗情況,建立能量到達(dá)和能耗模型,最后提出一個基于異步更新的能效感知分布式優(yōu)化機(jī)制解決資源分配問題,一級控制器基于負(fù)載情況公平地為不同服務(wù)類型V-CRAN分配總能量和資源,二級控制器針對用戶的不同服務(wù)請求,為其在相應(yīng)服務(wù)V-CRAN中基于能耗和時延最小分配計(jì)算和波長資源,三級控制器考慮能量共享和吞吐量最大為用戶選擇接入模式和關(guān)聯(lián)RRH,從而完成C-RAN網(wǎng)絡(luò)中的整體資源優(yōu)化配置,并有效地提高網(wǎng)絡(luò)能量效率。通過仿真驗(yàn)證,所提出的機(jī)制與D-RAN架構(gòu)、傳統(tǒng)型C-RAN架構(gòu)、能耗感知的C-RAN架構(gòu)相比,能夠有效地降低能耗和時延,提高吞吐量。

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    Resource allocation mechanism in the TWDM-PON and C-RAN joint architecture with hybrid energy supply

    WANG Ruyan1,2, XU Ningning1,2

    1.School of Telecommunication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China 2.Optical Communication and Network Key Laboratory of Chongqing, Chongqing, 400065, China

    Aiming at the problems of low resource utilization rate, high energy consumption and poor user service quality in the existing virtualized Cloud Radio Access Network, an energy-aware virtualized resource allocation mechanism with hybrid energy supply was proposed. According to the energy sources and energy consumption of different network devices, energy arrival and energy consumption models were established. Furthermore, under the premise of guaranteeing the quality of user services, considering proportional fairness and energy consumption optimization, distributed algorithms based on asynchronous update were used to allocate resources and harvested energy for different types of virtual cloud radio access networks and user virtual base stations to effectively improve the energy efficiency of network. The simulation results show that the proposed resource allocation mechanism can reduce energy consumption while effectively reducing the latency and improving the throughput.

    cloud radio access network, network virtualization, time and wavelength division multiplexing-passive optical network, energy harvesting, resource sharing allocation

    TP393.04

    A

    10.11959/j.issn.1000?436x.2018156

    王汝言(1969?),男,湖北浠水人,博士,重慶郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)榉涸诰W(wǎng)絡(luò)多媒體信息處理等。

    徐寧寧(1993?),女,河南漯河人,重慶郵電大學(xué)碩士生,主要研究方向?yàn)楣鉄o線融合網(wǎng)絡(luò)。

    2018?05?02;

    2018?08?10

    國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.61371097,No.61771082);重慶高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(No.CXTDX201601020)

    The National Natural Science Foundation of China (No.61371097, No.61771082), Chongqing University Innovation Team Construction Project Funded Projects (No.CXTDX201601020)

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