M-CORD下無線接入網(wǎng)絡(luò)資源分配研究

王楚捷，王好賢

哈爾濱工業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，山東 威海 264209

1 引言

CORD（Central Office Re-Architected as a Data Center，將局端機房重構(gòu)為數(shù)據(jù)中心）將軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）和彈性云服務(wù)（Cloud）結(jié)合在一起，利用開源軟件和白盒設(shè)備構(gòu)成的商業(yè)構(gòu)建塊來搭建基礎(chǔ)設(shè)施，通過軟件平臺實現(xiàn)新服務(wù)的快速部署和彈性可擴展的能力，構(gòu)建低成本和高靈活性的網(wǎng)絡(luò)[1-4]。針對不同的應(yīng)用場景和需求，CORD具體分為面向住宅用戶的R-CORD、面向企業(yè)的E-CORD以及面向移動用戶的M-CORD。

M-CORD將CORD開放框架與當(dāng)前的移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的專用設(shè)備解耦并虛擬化為商業(yè)硬件和開源軟件，來構(gòu)成靈活的服務(wù)驅(qū)動環(huán)境，實現(xiàn)對用戶實時需求的快速響應(yīng)。

其中，無線接入網(wǎng)（Radio Access Network，RAN）被解耦并虛擬化為部署在小小區(qū)中大量低成本的簡單可編程的射頻拉遠(yuǎn)頭（Remote Radio Head，RRH）以及運行在商業(yè)服務(wù)器上的虛擬基帶處理單元（Virtual Base Band Unit，vBBU）。利用云計算技術(shù)，在vBBU中進行集中信號處理[5]。RRH負(fù)責(zé)在遠(yuǎn)端將基帶光信號轉(zhuǎn)成射頻信號放大傳送出去。RRH和vBBU之間通過前傳網(wǎng)絡(luò)連接[6]。與傳統(tǒng)無線接入網(wǎng)絡(luò)不同，RRH不屬于任何一個固定的BBU，每個RRH上發(fā)送或接收的信號的處理都可以在任何一個虛擬的基帶處理單元vBBU內(nèi)完成。

RAN的資源動態(tài)分配及優(yōu)化是M-CORD關(guān)鍵技術(shù)之一。目前已經(jīng)提出了多種資源分配算法[7-12]。文獻[7]提出了網(wǎng)絡(luò)虛擬化底層，將切片調(diào)度器集成到基站的調(diào)度組件中，來管理不同服務(wù)提供商之間的資源切片和共享。文獻[8]提出了一種動態(tài)靈活的切片方案，可以有效地將LTE系統(tǒng)物理資源塊分配給不同的服務(wù)提供商，并保證不同服務(wù)的公平性。但是文獻[7]側(cè)重于單個基站中的資源虛擬化，文獻[8]也只側(cè)重于單個小區(qū)的物理資源塊分配，都不能直接擴展到具有密集部署的RRH的無線接入網(wǎng)絡(luò)中。文獻[9]提出了在多小區(qū)LTE系統(tǒng)中的切片調(diào)度方案，并考慮了服務(wù)速率的要求，但沒有利用前傳網(wǎng)絡(luò)傳輸，不適用于M-CORD架構(gòu)下解耦的無線接入網(wǎng)絡(luò)。文獻[10]和[11]設(shè)計了一種考慮前傳網(wǎng)絡(luò)容量約束的資源分配和優(yōu)化機制。文獻[10]推導(dǎo)了動態(tài)資源優(yōu)化公式，最大限度地提高能量效率和隊列穩(wěn)定性約束。文獻[11]基于信道和隊列狀態(tài)，為上行鏈路傳輸設(shè)計了一個前傳網(wǎng)絡(luò)分配策略，通過制定隨機優(yōu)化問題來最小化平均延遲。但是文獻[10]和[11]都是在靜態(tài)的條件下考慮分配策略，沒有考慮實際情況中用戶的移動特性。文獻[12]綜合考慮了前傳網(wǎng)絡(luò)容量約束和用戶移動特性，推導(dǎo)出了動態(tài)資源優(yōu)化公式，并提出基于增量的貪心分配算法求得次優(yōu)解。但是M-CORD架構(gòu)將傳統(tǒng)的電信端局重構(gòu)為數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器擁有的計算資源是有限的，數(shù)據(jù)流的準(zhǔn)入控制也應(yīng)當(dāng)納為資源分配過程的一部分，因此該算法并不適用于M-CORD架構(gòu)。

在M-CORD中，網(wǎng)絡(luò)運營商為每個服務(wù)提供商創(chuàng)建虛擬網(wǎng)絡(luò)（VN），虛擬網(wǎng)絡(luò)由多個虛擬的RRH（vRRH）以及用于實例化服務(wù)的虛擬機（VM）組成。如圖1所示，每個vRRH可以映射到無線接入網(wǎng)中的真實RRH，不同服務(wù)的vRRH可以映射到相同的真實RRH中，并共享該RRH的可用資源。RRH上傳數(shù)據(jù)分組后，CORD平臺立即啟用調(diào)度算法，確定分配給每個vRRH的信道資源量，根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載智能地創(chuàng)建vBBU，并為vBBU分配計算資源，對數(shù)據(jù)進行處理。之后，每個服務(wù)提供商在其相應(yīng)的VN中執(zhí)行資源調(diào)度和數(shù)據(jù)傳輸。直到下一次資源分配之前，為每個服務(wù)創(chuàng)建的VN都保持不變。并且SDN控制器可以通過OpenFlow交換機與vBBU進行實時通信來感知RAN的狀態(tài)信息，包括資源分配、用戶信息、相鄰小區(qū)之間的切換信息和RAN的拓?fù)湫畔⒌葋砉芾頍o線接入網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)用戶的移動條件改變RRH與BBU之間的連接[13-15]。

圖1 M-CORD無線接入網(wǎng)絡(luò)場景示例

在資源分配過程中，不僅要考慮前傳網(wǎng)絡(luò)容量約束、服務(wù)速率要求和用戶的移動特性，還要針對M-CORD架構(gòu)特點，考慮不同服務(wù)之間的隔離性以及數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的計算資源限制。因此，本文對基于增量的貪心分配算法做了適當(dāng)改進，將數(shù)據(jù)中心的計算資源限制融入算法之中，使其能夠有效地在M-CORD架構(gòu)下進行動態(tài)資源分配及優(yōu)化。

2 資源分配算法

服務(wù)提供商將其訂閱用戶的QoS要求發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)運營商，網(wǎng)絡(luò)運營商利用SDN控制器獲取用戶信息、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑥亩鴮τ脩暨M行準(zhǔn)入控制、接入決策和資源分配，為入網(wǎng)用戶創(chuàng)建可以保證用戶QoS的VN。

為便于閱讀，表1和表2顯示了算法中的常用變量。將所有的RRH集合表示為M，系統(tǒng)的可用頻譜被劃分為具有相等帶寬B的N個正交信道，令N={1,2,…,N}表示信道集合。系統(tǒng)按照時隙劃分，一個用戶在一個時隙期間只能從某一個RRH訪問某個特定信道，一個RRH上的一個信道在同一時隙最多只能分配給一個用戶。不同的用戶可以通過時分復(fù)用共享相同的信道，不同的RRH之間可以進行信道復(fù)用。設(shè)T為資源共享周期，每T個時隙執(zhí)行一次資源分配處理，cj,k∈{0,1}為信道分配變量，若信道k∈N分配給了RRH j∈M，則cj,k=1，反之，cj,k=0。

2.1 考慮因素

2.1.1 位置預(yù)測

在一個資源共享周期開始時，網(wǎng)絡(luò)運營商會執(zhí)行資源需求估計。但是若用戶位置發(fā)生變化，則基于時隙t的信息（例如信道增益、用戶位置）獲得的結(jié)果可能不足以在整個共享周期保證用戶的QoS。

表1 基礎(chǔ)變量及含義

表2 推導(dǎo)過程中間變量及含義

因此在資源分配中引入位置預(yù)測，假定SDN控制器可以預(yù)測用戶在t+Δt,t+2Δt,…,t+T-Δt的位置，其中np表示進行位置估計的次數(shù)，Δt=T/np是每個預(yù)測周期的時隙數(shù)，t+τΔt表示第τ個預(yù)測周期，基于預(yù)測結(jié)果找到在整個T時間內(nèi)最優(yōu)的資源分配方案。令T={1,2,…,np}為τ的取值集合。

為確保每個用戶一次只能接入一個信道，需要滿足：

每個RRH分配給用戶的總資源不能超過該RRH上的所有可用資源，因此，在期間，必須滿足：

用zu∈{0,1}表示用戶u的準(zhǔn)入控制變量，zu=1表示用戶允許進入網(wǎng)絡(luò)，zu=0則表示用戶不被允許進入網(wǎng)絡(luò)。Rminu表示用戶u可以滿足QoS的最低速率。為了滿足用戶的QoS要求，用戶的可達(dá)數(shù)據(jù)率必須不低于保證QoS的最低速率，即：

2.1.2 服務(wù)隔離

由于不同RRH之間存在信道復(fù)用，一個服務(wù)提供商不同的調(diào)度和傳輸決策可能會影響其他服務(wù)的VN所受到的干擾，進而影響到其他服務(wù)提供商的決策。為了使不同服務(wù)提供商的傳輸決策不互相影響，需要將不同VN之間的干擾限定在一定范圍以內(nèi)，因此，引入干擾閾值ε來協(xié)助實現(xiàn)服務(wù)之間的隔離。在資源分配期間，VN中每一個用戶所經(jīng)受的干擾都不應(yīng)超過此干擾閾值，因此有：

其中，PRRH表示RRH的發(fā)送功率；gu,j,τ表示在第τ個預(yù)測周期用戶u與RRH j之間的信道增益；σ2表示噪聲功率。

為了實現(xiàn)服務(wù)之間的隔離，在整個T期間對用戶u的速率估計將基于干擾閾值而不是實際受到的干擾，因此，由Shannon公式可得：

2.1.3 動態(tài)調(diào)整服務(wù)最小速率

網(wǎng)絡(luò)運營商需要為每個服務(wù)預(yù)留資源來保證服務(wù)要求的最小數(shù)據(jù)率。然而，由于用戶的移動，保證服務(wù)的最小數(shù)據(jù)率所消耗的無線資源也在變化，這可能會導(dǎo)致資源分配不均衡，進而降低系統(tǒng)吞吐量。因此，需要動態(tài)調(diào)整服務(wù)的最小數(shù)據(jù)率。

那么，應(yīng)有：

2.1.4 前傳網(wǎng)絡(luò)容量限制

2.1.5 計算資源限制

將可以為vBBU分配的計算資源量化為可在BBU池中創(chuàng)建的虛擬機（VM）數(shù)量。每個VM用作每個數(shù)據(jù)流的vBBU。假定每個數(shù)據(jù)流對應(yīng)一個用戶，所有VM的計算容量相等并且大于每個用戶要求的最小數(shù)據(jù)速率。定義V為可以在BBU池中進行計算的VM最大數(shù)量，因此，準(zhǔn)入網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)量應(yīng)不超過V：

2.1.6 優(yōu)化目標(biāo)重要性的一個權(quán)重因子。因此，資源分配問題就轉(zhuǎn)化為以C、Z、A、W為優(yōu)化變量的最優(yōu)化問題：

subject to：（1）～（5），（8）～（10）。

2.2 改進算法

基本思想是將可用信道逐個分配給RRH。對于每個信道，迭代地將其分配給不同的RRH，在每次迭代中，選擇使目標(biāo)函數(shù) f具有最大增量并同時滿足干擾約束的RRH。當(dāng)沒有RRH可以在干擾約束下使用該信道時，信道的分配終止。一旦信道分配被固定，資源共享矩陣W和接入矩陣A也被相應(yīng)地確定。

subject to：

通過約束（5）和約束（8）定義三個指標(biāo)：

（1）IRRH(j,k)，用于指示信道k是否可以分配給第j個RRH。當(dāng)IRRH(j,k)=1時，干擾限制滿足，即當(dāng)把信道k分配給RRH j時，任何一個RRH中的任何一個用戶所受到的干擾都不會超過干擾閾值。

（2）Iuser(u ,j,τ)，用于指示用戶是否可以接入RRH j，當(dāng) Iuser(u,j,τ)=1時，干擾限制滿足，即用戶u接入RRH j后該用戶受到的干擾影響不會超過干擾閾值。

（3）Isp，用于指示是否所有服務(wù)都已滿足了最小數(shù)據(jù)率要求，當(dāng)Isp=1時，所有服務(wù)都滿足最小數(shù)據(jù)率的要求，否則，Isp=0。

同時定義S′為未滿足最小數(shù)據(jù)率要求的服務(wù)集合，函數(shù)s(u)表示用戶u對應(yīng)的服務(wù)。因此，對于，有：

上式表示當(dāng)存在可以分配信道k的RRH時，要考慮是否所有服務(wù)都已滿足最小服務(wù)速率，若某個服務(wù)的最小數(shù)據(jù)率不滿足，優(yōu)先將資源分配給此服務(wù)用戶；否則，所有用戶同等競爭資源。而當(dāng)不存在可以分配信道k的RRH時，為空集。

并不是所有接入RRH的用戶最后都被準(zhǔn)許進入網(wǎng)絡(luò)，只有當(dāng)他們的速率達(dá)到了所規(guī)定的，并且數(shù)量小于BBU池中的VM數(shù)量V時，才被準(zhǔn)許進入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)達(dá)到的用戶數(shù)量大于V時，將用戶數(shù)據(jù)率Ru與他們的優(yōu)先級權(quán)重相乘，將結(jié)果按降序排列，選取前V個用戶準(zhǔn)許接入網(wǎng)絡(luò)。具體算法如下所示。

1.將 Z,A,W,C,f,Isp,Ru初始化為j∈M,τ∈T ；

2.for each channel k∈N do

4. 初始化可被分配信道k的集合Mk=M；

6. 對?j∈Mk,由式（13）計算目標(biāo)函數(shù)的增量Δfj,k；

8. 令Mk=Mk{q}，令 f=f+Δfq,k；

9. 令cq,k=1并對u∈A?q,k,τ更新矩陣A和W ；

10. 令 A?j,τ=A?j,τ∪{u|wu,j,τ＞0},j∈M,τ∈T ；

11.if Isp=0 then

12.for s∈S′do

14. 令S′=S′{s}；

17. 令I(lǐng)sp=1；

20.for RRH j∈Mkdo

22. 令Mk=Mk{j}；

24.if length(Uz)＜V then

25.令=Uz

26.else

27. 計算weight(u)*Ru,u∈Uz，并以降序進行排序，前V個用戶準(zhǔn)許進入網(wǎng)絡(luò)。

步驟1初始化優(yōu)化變量，步驟2～22將每一條信道迭代地分配給每個RRH。在每一次迭代中，步驟3根據(jù)式（17）求取可能接入RRH的用戶集合；步驟4初始化可被分配信道的RRH；步驟6根據(jù)式（13）計算目標(biāo)值的增量Δfj,k；步驟8將具有最大增量的RRH從待分配的RRH集合中移除；步驟9將信道分配給具有最大增量值的RRH，并根據(jù)步驟6的求解結(jié)果更新用戶接入矩陣A和資源共享矩陣W；步驟10將已經(jīng)被分配了信道資源的用戶放入中；步驟19更新可能接入的用戶集合；步驟20～22檢查其他RRH在干擾受限的情況下能否被分配信道k，如果不能，將該RRH從Mk中移除。步驟5～22會重復(fù)執(zhí)行，直到?jīng)]有可被分配的RRH為止，即

對于每一條信道，需要將其迭代地分配給每一個RRH，在每次迭代過程中將混合整數(shù)線性規(guī)劃問題經(jīng)過一定轉(zhuǎn)換，通過MATLAB中的intlinprog函數(shù)求得最優(yōu)解。該函數(shù)的時間開銷僅與每個RRH關(guān)聯(lián)的用戶數(shù)有關(guān)，可假設(shè)為c，則對于所有信道來說，時間開銷為cmn，其中，m為小區(qū)數(shù)，n為信道數(shù)。由于存在信道復(fù)用，在選出最優(yōu)分配小區(qū)后，還要在滿足干擾條件的小區(qū)中再次尋找可分配的小區(qū)，算法的總時間開銷將大于cmn，并且隨著信道數(shù)量的增加呈指數(shù)型增長，因此該算法更適用于系統(tǒng)帶寬較小的情況。

3 仿真結(jié)果

無線接入網(wǎng)絡(luò)由16個小區(qū)組成，16個RRH置于4×4網(wǎng)格中。兩個相鄰RRH之間的距離為30 m。有25個子信道可用，每個信道的帶寬為180 kHz。無線接入網(wǎng)絡(luò)中有3個服務(wù)提供商。

無線信道模型如下：路徑損耗指數(shù)為4，多徑衰落參數(shù)服從均值為1的指數(shù)分布，陰影衰落服從均值為0、方差為10 dB的對數(shù)正態(tài)分布，RRH的發(fā)射功率和噪聲功率分別為250 mW和-90 dBm。設(shè)定βu=1，用戶參考速率Rref=600 Kb/s，資源共享周期T=100,np=5。

表3 仿真環(huán)境參數(shù)設(shè)置

本文分別仿真了前傳網(wǎng)絡(luò)容量和干擾閾值對系統(tǒng)吞吐量的影響，異構(gòu)服務(wù)參數(shù)下是否動態(tài)調(diào)整服務(wù)速率對系統(tǒng)吞吐量的影響，以及BBU池中可創(chuàng)建的虛擬機數(shù)量對系統(tǒng)吞吐量的影響。仿真環(huán)境參數(shù)如表3所示。仿真結(jié)果是在MATLAB中通過對隨機產(chǎn)生的不同用戶拓?fù)溥M行50次仿真得到。

圖2顯示了在不同前傳網(wǎng)絡(luò)容量限制下，系統(tǒng)吞吐量與干擾閾值之間的關(guān)系。當(dāng)干擾閾值小于-90 dBm時，干擾約束不能滿足，不同RRH之間難以進行信道復(fù)用，可用資源較少，系統(tǒng)吞吐量較低。隨著干擾閾值的增大，RRH之間的信道復(fù)用成為可能，系統(tǒng)吞吐量隨之增大。然而當(dāng)干擾閾值大于-90 dBm時，用戶的數(shù)據(jù)率會大幅降低，盡管可以信道復(fù)用，但是用戶速率已經(jīng)不能達(dá)到最低要求，不再被準(zhǔn)入網(wǎng)絡(luò)，因此系統(tǒng)吞吐量會降低。在圖中還能看到，前傳網(wǎng)絡(luò)容量越高，系統(tǒng)吞吐量也會越大。

圖2 不同前傳網(wǎng)絡(luò)容量在不同干擾閾值下的性能對比

圖3 顯示了動態(tài)調(diào)整服務(wù)速率對系統(tǒng)吞吐量的影響。限制服務(wù)提供商3的用戶位于每個小區(qū)的邊界區(qū)域，另外兩個服務(wù)提供商的用戶在所有小區(qū)中隨機分布?？梢钥吹?，當(dāng)用戶數(shù)量較少時，系統(tǒng)中的資源足以滿足幾乎所有用戶的QoS要求，同時每個服務(wù)提供商都沒有達(dá)到他們的最低速率保證，所有服務(wù)的用戶公平競爭無線資源，因此，是否動態(tài)調(diào)整服務(wù)速率不會影響系統(tǒng)吞吐量。然而，隨著用戶數(shù)量的增加，無線資源開始緊缺，難以滿足所有用戶的QoS要求，特別是處于邊緣的服務(wù)3的用戶。當(dāng)服務(wù)1和服務(wù)2達(dá)到了最小保證速率后，系統(tǒng)會優(yōu)先對服務(wù)3的用戶進行資源分配，而服務(wù)3的用戶信道條件不好，因此會造成資源的低效利用，從而系統(tǒng)吞吐量增加緩慢。相反，動態(tài)調(diào)整服務(wù)速率可以適當(dāng)降低服務(wù)3的最低資源保證，將節(jié)省的資源分配給其他距離RRH更近的用戶，因此系統(tǒng)吞吐量增加較快。

圖3 動態(tài)服務(wù)速率與固定服務(wù)速率性能對比

由于BBU池的計算資源有限，因此并不是所有滿足QoS的用戶都準(zhǔn)許進入網(wǎng)絡(luò)。在本文中將BBU池的計算資源量化為可在BBU池中創(chuàng)建的虛擬機數(shù)量V。為了分析計算資源對系統(tǒng)吞吐量的影響，令V從90逐漸增加到最大用戶數(shù)量210，比較系統(tǒng)吞吐量，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同計算資源對系統(tǒng)性能的影響

可以看到，當(dāng)計算資源大于系統(tǒng)中的用戶總數(shù)量時，系統(tǒng)吞吐量都是保持一致的。隨著用戶數(shù)量的增加，計算資源將變得匱乏。盡管在相同計算資源情況下，準(zhǔn)入網(wǎng)絡(luò)的用戶總數(shù)不變，但是可能會有更高速率的用戶接入網(wǎng)絡(luò)，這就導(dǎo)致在缺乏計算資源時，系統(tǒng)吞吐量仍然會有少量的增加，但增加速度會低于計算資源充足的情況。同時，系統(tǒng)的資源總量是有限的，隨著用戶數(shù)量的增加，在干擾限制的情況下，由于不能夠滿足QoS而不準(zhǔn)接入網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)量也會增加。因此，不同計算資源下的系統(tǒng)吞吐量差距不會太大。這反映了在BBU池中的計算資源會對系統(tǒng)吞吐量有一定程度的影響。

4 結(jié)束語

M-CORD對無線接入網(wǎng)進行了解耦和虛擬化，并通過SDN和云為無線接入網(wǎng)的動態(tài)資源分配帶來了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所不具備的優(yōu)勢?；贛-CORD架構(gòu)，本文對解耦后的無線接入網(wǎng)中動態(tài)的資源分配和優(yōu)化展開了研究。在M-CORD架構(gòu)下對基于增量的貪心分配算法進行改進，增加了計算資源限制并融入到算法當(dāng)中。仿真結(jié)果顯示，改進后的資源分配算法在M-CORD架構(gòu)下具有較好的適用性。