本發(fā)明屬于列車通信，尤其涉及一種移動小區(qū)資源最小化切片資源配置方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1、高速鐵路正逐步向智能化方向發(fā)展，不僅需要滿足列車運行安全性、可靠性，還需要滿足旅客出行舒適性。高鐵的飛速發(fā)展也對鐵路無線通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。為了提升高鐵智能化水平，鐵路通信網(wǎng)絡(luò)需要承載多種與安全運行相關(guān)的列車業(yè)務(wù)，如新型的列車狀態(tài)監(jiān)測和輔助駕駛業(yè)務(wù)。此外，為了滿足旅客的高質(zhì)量出行體驗需求，通信網(wǎng)絡(luò)需要為提供大容量旅客視頻點播業(yè)務(wù)。上述的各類業(yè)務(wù)具有不同的吞吐量、時延、連接能力等服務(wù)質(zhì)量(quality?of?service,qos)傳輸需求。為了解決多種差異化業(yè)務(wù)需求難以同時滿足、業(yè)務(wù)隔離存在隱患的問題，第五代移動通信技術(shù)(5th?generation?mobilecommunication?technology,5g)中的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)提供了可行的方案。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)將多個虛擬網(wǎng)絡(luò)隔離承載不同業(yè)務(wù)隔離，可滿足各種業(yè)務(wù)的qos要求。然而，高速移動場景下難以獲取精確的信道狀態(tài)信息(channel?state?information,csi)。在非理想csi條件下，現(xiàn)有的混合業(yè)務(wù)承載和切片策略無法嚴(yán)格滿足不同業(yè)務(wù)的qos要求，特別是與列車運行安全相關(guān)的車載業(yè)務(wù)。因此，有必要充分考慮高鐵場景的特殊性，開展高鐵場景下的業(yè)務(wù)承載和切片資源分配研究，保障列車安全運行，并為旅客提供高質(zhì)量出行體驗。綜上所述，在保證列車業(yè)務(wù)qos傳輸需求的前提下，亟需一種可在非理想鏈路的移動小區(qū)承載異構(gòu)業(yè)務(wù)的解決方案。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本發(fā)明提供的一種面向非理想鏈路的移動小區(qū)資源最小化切片資源配置方法及系統(tǒng)，解決了在高速移動小區(qū)網(wǎng)絡(luò)部署下的異構(gòu)業(yè)務(wù)承載及資源優(yōu)化配置問題。
2、為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種移動小區(qū)資源最小化切片資源配置方法，包括以下步驟：
3、搭建基于中繼系統(tǒng)的列車移動網(wǎng)絡(luò)模型，構(gòu)建資源切片框架；
4、基于構(gòu)建的資源切片框架，在考慮列車智能業(yè)務(wù)下行承載需求時，對旅客點播業(yè)務(wù)和超視距業(yè)務(wù)建立通信和服務(wù)質(zhì)量保障模型；
5、基于構(gòu)建的通信和服務(wù)質(zhì)量保障模型，建立以帶寬分配和終端搶占分組為目標(biāo)變量的優(yōu)化問題，其中，目標(biāo)為最小化帶寬資源；
6、基于目標(biāo)變量的優(yōu)化問題，利用凸優(yōu)化理論化簡原始問題，將資源塊分配子問題通過約束松弛推導(dǎo)得到最優(yōu)分配策略，以及將迷你時隙搶占子問題轉(zhuǎn)換目標(biāo)函數(shù)，引入輔助變量，簡化為易求解形式；
7、利用基于塊坐標(biāo)下降的資源塊分配和搶占bcd-ap高效算法，迭代求解資源塊分配子問題和迷你時隙搶占子問題，獲得最優(yōu)資源分配策略，完成移動小區(qū)資源最小化切片資源配置。
8、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明可在非理想車地移動網(wǎng)絡(luò)下承載具有差異化qos需求的旅客點播和超視距兩類業(yè)務(wù)，并利用提出的資源塊分配和搶占bcd-ap算法滿足異構(gòu)業(yè)務(wù)的qos傳輸需求，最小化系統(tǒng)帶寬資源，得到最優(yōu)的資源分配策略。本發(fā)明提出的資源切片策略能夠在移動小區(qū)網(wǎng)絡(luò)部署下最小化帶寬資源并同時滿足兩類異構(gòu)業(yè)務(wù)的傳輸需求。
9、進(jìn)一步地，所述搭建基于中繼系統(tǒng)的列車移動網(wǎng)絡(luò)模型，構(gòu)建資源切片框架，其具體為：
10、將基站與車頂中繼建立鏈路，其中，車頂中繼通過列車小站與終端通信；
11、利用軌旁攝像頭捕捉實時視頻數(shù)據(jù)，并將視頻數(shù)據(jù)傳輸至地面數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果發(fā)送至車載das終端，其中，車載終端包括vds終端和das終端；
12、將系統(tǒng)帶寬劃分為一組資源塊，記為k＝{1,2,...,k}，單個資源塊rb的帶寬表示為bunit，定義為時頻域內(nèi)分配至vds終端的最小資源單位，其中，k表示資源塊個數(shù)，k表示資源塊數(shù)量；
13、將時域劃分為時長為ts＝1的毫秒時隙，其中，單個迷你時隙的時間長度表示為tms＝ts/ns，其中，ns表示單個毫秒時隙下的迷你時隙個數(shù)，tms表示單個迷你時隙的時間長度，ts表示單個毫秒時隙的時間長度；
14、采用標(biāo)準(zhǔn)時隙將單個資源塊rb分配至vds終端，其中，到達(dá)das終端的數(shù)據(jù)包搶占已分配至vds終端的帶寬資源，選取可用的迷你時隙傳輸數(shù)據(jù)，完成資源切片框架的構(gòu)建。
15、上述進(jìn)一步方案的有益效果是：構(gòu)建基于中繼系統(tǒng)的列車移動網(wǎng)絡(luò)資源切片框架，結(jié)合快速時變衰落信道的時間相關(guān)性統(tǒng)計分布，實現(xiàn)了在非理想csi條件下準(zhǔn)確刻畫車地鏈路小尺度衰落特性。
16、再進(jìn)一步地，所述對旅客點播業(yè)務(wù)和超視距業(yè)務(wù)建立通信和服務(wù)質(zhì)量保障模型，其具體為：
17、考慮列車智能業(yè)務(wù)下行承載需求，利用線性模型描述旅客點播業(yè)務(wù)的速率損失與輔助駕駛業(yè)務(wù)搶占迷你時隙數(shù)量之間的關(guān)系，其中，vds終端m的傳輸數(shù)據(jù)速率為：
18、
19、
20、其中，rm表示vds終端m的傳輸數(shù)據(jù)速率，bunit表示單個資源塊rb的帶寬，xm表示分配給vds終端m的單個資源塊rb總數(shù)，zm表示das終端n搶占vds終端m的迷你時隙數(shù)量，γm表示vds終端m的信噪比，m表示系統(tǒng)中多個vds終端的集合，am表示大尺度信道增益，pm表示vds終端m的傳輸功率，hm表示信道狀態(tài)信息，σ2表示加性高斯白噪聲功率；
21、基于描述的關(guān)系，利用快速時變衰落信道中的時間相關(guān)性構(gòu)建實際csi|hj|2的統(tǒng)計概率分布，其中，條件概率密度函數(shù)的表達(dá)式如下：
22、
23、ρ[τ]＝j(luò)0(2πfdτ)
24、fd＝vfc/vc
25、其中，f()表示條件概率密度函數(shù)，hj表示第j個終端的真實小尺度衰落，ρ[τ]∈[0,1]表示信道估計誤差系數(shù)，j0()表示第一類零階貝塞爾函數(shù)，fd表示最大多普勒頻移，ρ[τ]表示信道估計誤差系數(shù)，τ表示信道反饋延遲，v表示列車速度，fc表示載波頻率，vc表示光速，表示第j個終端的估計小尺度衰落，表示加性高斯白噪聲功率，i0()表示第一類零階修正貝塞爾函數(shù)，ej表示估計誤差，m表示系統(tǒng)中多個vds終端的集合，n表示系統(tǒng)中僅有一個das終端；
26、利用|hm|2的條件概率密度函數(shù)，得到vds終端m在所有單個資源塊rb上的平均數(shù)據(jù)速率，完成對旅客點播業(yè)務(wù)通信和服務(wù)質(zhì)量保障模型的建立：
27、
28、其中，表示vds終端m在所有單個資源塊rb上的平均數(shù)據(jù)速率，f()表示條件概率密度函數(shù)，表示第m個vds終端的估計小尺度衰落，d()表示積分運算；
29、通過計算das終端的數(shù)據(jù)速率，得到das終端n的平均數(shù)據(jù)速率；
30、根據(jù)das終端n的平均數(shù)據(jù)速率得到das終端的數(shù)據(jù)傳輸時延；
31、根據(jù)das終端的數(shù)據(jù)傳輸時延，利用條件風(fēng)險值捕捉das傳輸時延的尾部特征得到φa(dn,δ)函數(shù)，完成對超視距業(yè)務(wù)通信和服務(wù)質(zhì)量保障模型的建立。
32、上述進(jìn)一步方案的有益效果是：通過引入時變衰落信道的小尺度衰落統(tǒng)計分布和信道估計誤差模型，利用|hj|2概率密度函數(shù)推導(dǎo)出vds終端平均數(shù)據(jù)速率。
33、再進(jìn)一步地，所述das終端的數(shù)據(jù)傳輸時延的表達(dá)式如下：
34、
35、其中，dn表示das終端的數(shù)據(jù)傳輸時延，fn表示das終端的數(shù)據(jù)包包長，表示das終端n的平均數(shù)據(jù)速率，rn表示das終端的數(shù)據(jù)速率，f()表示條件概率密度函數(shù)，hn表示das終端n的真實小尺度衰落，表示das終端n的估計小尺度衰落，γn表示終端n的接收信噪比，an表示大尺度信道增益，pn表示das終端n的傳輸功率。
36、上述進(jìn)一步方案的有益效果是：基于上述vds終端的平均速率，可進(jìn)一步計算das終端平均速率。
37、再進(jìn)一步地，所述φa(dn,δ)函數(shù)的表達(dá)式如下：
38、φa(dn,δ):＝δ+(1-a)-1e[(dn-δ)+]
39、其中，φa(dn,δ)表示c-var函數(shù)，δ表示表示延遲閾值變量，a表示時延閾值，e表示期望值，c-var表示超過風(fēng)險值的潛在時延的平均值。
40、上述進(jìn)一步方案的有益效果是：利用條件風(fēng)險值方法捕捉das傳輸時延的尾部特征，量化抖動風(fēng)險水平，為具有時延抖動雙重qos需求的das提供了可靠服務(wù)質(zhì)量保障。
41、再進(jìn)一步地，帶寬資源最小化問題的表達(dá)式如下：
42、
43、φa(dn,δ)≤θmax，
44、
45、其中，，f表示目標(biāo)函數(shù)，x和z均為優(yōu)化變量集合，x＝{xm}表示分配資源塊數(shù)量集合，z＝{zm}表示分配迷你時隙數(shù)量集合，δ表示延遲閾值變量，xm表示分配給vds終端m的單個資源塊rb總數(shù)，m表示系統(tǒng)中多個vds終端的集合，bunit表示單個資源塊rb的帶寬，rm表示vds終端m的傳輸數(shù)據(jù)速率，表示vds終端m的最小吞吐量qos需求，φa(dn,δ)表示c-var函數(shù)，dn表示das終端的數(shù)據(jù)傳輸時延，θmax表示das終端的c-var最大風(fēng)險閾值，c-var表示超過風(fēng)險值的潛在時延的平均值，表示正整數(shù)集合，zm表示das終端n搶占vds終端m的迷你時隙數(shù)量，ns表示單個毫秒時隙下的迷你時隙個數(shù)。
46、上述進(jìn)一步方案的有益效果是：建立帶寬資源最小化問題建立數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，聯(lián)合優(yōu)化資源塊分配變量與迷你時隙搶占變量，滿足vds終端吞吐量qos需求和das終端時延及抖動qos需求。
47、再進(jìn)一步地，所述資源塊分配子問題的表達(dá)式如下：
48、
49、其中，f表示目標(biāo)函數(shù)，x表示優(yōu)化變量集合，x＝{xm}表示分配資源塊數(shù)量集合，rm表示vds終端m的傳輸數(shù)據(jù)速率，xm表示分配給vds終端m的單個資源塊rb總數(shù)，表示正整數(shù)集合，表示終端m的最優(yōu)資源塊分配，表示vds終端m的最小吞吐量qos需求，bunit表示單個資源塊rb的帶寬，rm表示vds終端m的傳輸速率，zm表示das終端n搶占vds終端m的迷你時隙數(shù)量，ns表示單個毫秒時隙下的迷你時隙個數(shù)，γm表示vds終端m的信噪比，f()表示條件概率密度函數(shù)，hm表示信道狀態(tài)信息，ρ[τ]表示信道估計誤差系數(shù)，表示第m個vds終端的估計小尺度衰落，τ表示信道反饋延遲，d()表示積分運算。
50、上述進(jìn)一步方案的有益效果是：建立資源塊分配子問題表達(dá)式，求解得到最優(yōu)資源快分配閉式解，計算復(fù)雜度低。
51、再進(jìn)一步地，所述迷你時隙搶占子問題的表達(dá)式如下：
52、
53、s.tδ+(1-a)-1κ≤θmax,
54、κ≥e[dn]-δ,
55、κ≥0,
56、
57、
58、其中，f1表示子問題目標(biāo)函數(shù)，z為優(yōu)化變量集合，z＝{zm}表示分配迷你時隙數(shù)量集合，δ表示延遲閾值變量，κ表示輔助變量，a表示時延閾值，θmax表示das終端的c-var最大風(fēng)險閾值，c-var表示超過風(fēng)險值的潛在時延的平均值，e[dn]表示對dn求期望，e表示期望值，dn表示das終端的數(shù)據(jù)傳輸時延，xm表示分配給vds終端m的單個資源塊rb總數(shù)，ns表示單個毫秒時隙下的迷你時隙個數(shù)，m表示系統(tǒng)中多個vds終端的集合，qm表示das終端可搶占且不影響vds傳輸速率的迷你時隙數(shù)量，zm表示das終端n搶占vds終端m的迷你時隙數(shù)量，表示vds終端m的最小吞吐量qos需求，bunit表示單個資源塊rb的帶寬，rm表示vds終端m的傳輸速率，fn表示das終端的數(shù)據(jù)包包長，γn表示das終端n的信噪比，hn表示das終端n的真實小尺度衰落，ρ[τ]表示信道估計誤差系數(shù)，d()表示積分運算，表示das終端n的估計小尺度衰落，τ表示信道反饋延遲。
59、上述進(jìn)一步方案的有益效果是：建立迷你時隙搶占子問題，在嚴(yán)格滿足das服務(wù)質(zhì)量需求前提下，最小化因das搶占導(dǎo)致的vds吞吐?lián)p失，節(jié)約系統(tǒng)帶寬資源。
60、本發(fā)明還提供了一種移動小區(qū)資源最小化切片資源配置系統(tǒng)，包括：
61、第一處理模塊，用于搭建基于中繼系統(tǒng)的列車移動網(wǎng)絡(luò)模型，構(gòu)建資源切片框架；
62、第二處理模塊，用于基于構(gòu)建的資源切片框架，在考慮列車智能業(yè)務(wù)下行承載需求時，對旅客點播業(yè)務(wù)和超視距業(yè)務(wù)建立通信和服務(wù)質(zhì)量保障模型；
63、第三處理模塊，用于基于構(gòu)建的通信和服務(wù)質(zhì)量保障模型，建立以帶寬分配和終端搶占分組為目標(biāo)變量的優(yōu)化問題，其中，目標(biāo)為最小化帶寬資源；
64、第四處理模塊，用于基于目標(biāo)變量的優(yōu)化問題，利用凸優(yōu)化理論化簡原始問題，將資源塊分配子問題通過約束松弛推導(dǎo)得到最優(yōu)分配策略，以及將迷你時隙搶占子問題轉(zhuǎn)換目標(biāo)函數(shù)，引入輔助變量，簡化為易求解形式；
65、第五處理模塊，用于利用基于塊坐標(biāo)下降的資源塊分配和搶占bcd-ap高效算法，迭代求解資源塊分配子問題和迷你時隙搶占子問題，獲得最優(yōu)資源分配策略，完成移動小區(qū)資源最小化切片資源配置。
66、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明可在非理想車地移動網(wǎng)絡(luò)下承載具有差異化qos需求的旅客點播和超視距兩類業(yè)務(wù)，并利用提出的資源塊分配和搶占bcd-ap算法滿足異構(gòu)業(yè)務(wù)的qos傳輸需求，最小化系統(tǒng)帶寬資源，得到最優(yōu)的資源分配策略。本發(fā)明提出的資源切片策略能夠在移動小區(qū)網(wǎng)絡(luò)部署下最小化帶寬資源并同時滿足兩類異構(gòu)業(yè)務(wù)的傳輸需求。