CN115835297A - 一种网络切片中的用户接入控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种网络切片中的用户接入控制方法，属于通信技术领域。该方法包括：S1：筛选出具有多种接入选择的用户：首先，设计用户的时延、速率和可靠性指标和对应的切片QoS指标区间；其次，根据切片隶属函数计算出用户对不同切片的隶属程度；最后，根据隶属程度筛选出具有多种接入选择的模糊用户；S2：用户接入控制决策策略：首先，设计切片偏好矩阵和用户的偏好矩阵，根据偏好矩阵进行用户‑切片分组；然后，根据不同切片当前时刻的资源利用率进行用户的接入控制决策，将用户接入到资源利用率低的切片，从而在保证在实现负载均衡下，有效地提高接入用户数。

Description

一种网络切片中的用户接入控制方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及在无线网络下的用户接入控制领域，具体涉及一种网络切片中的用户接入控制方法。

背景技术

在社交网络、视频流平台和移动应用等各种互联网服务的巨大需求推动下，全球互联网流量呈指数级增长，峰值使用量可能会超过网络容量。日益增长的差异化无线服务需求和有限的通信资源之间的矛盾亟待解决，如果没有合适的网络接入控制机制，会导致网络的崩溃。因此，合适的网络接入策略是非常必要的。由于不同的业务在对网络性能、网络安全性、用户服务体验、用户QoS等属性有不同的要求，针对不同的业务需求，如果使用同一网络平台进行服务，会导致高额的成本和非常复杂的网络环境。因此，全球移动通信协会提出了要将网络切片技术作为实现5G技术的关键要求，而如何在用户-基站-切片三者之间进行接入决策成为一个重要且有挑战性的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种网络切片中的用户接入控制方法，在保证在实现负载均衡下，有效地提高接入用户数。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种网络切片中的用户接入控制方法，具体包括以下步骤：

S1：筛选出具有多种接入选择的用户：首先，设计用户的时延、速率和可靠性指标和对应的切片QoS指标区间；其次，根据切片隶属函数计算出用户对不同切片的隶属程度；最后，根据隶属程度筛选出具有多种接入选择的模糊用户；

S2：用户接入控制决策策略：首先，设计切片偏好矩阵和用户的偏好矩阵，根据偏好矩阵进行用户-切片分组；然后，根据不同切片当前时刻的资源利用率进行用户的接入控制决策，将用户接入到资源利用率低的切片，从而在保证在实现负载均衡下，有效地提高接入用户数。

进一步，步骤S1中，设计用户的时延具体包括：用户的时延τ_u由用户的任务传输时延、平均排队时延和帧传输时延组成，其中，用户的任务传输时延表示为

其中，L_u是用户u数据包大小，B_u是分配给用户u的速率；平均排队时延表示为

其中，ρ_u,n＝λ/η_u,n，λ表示用户的请求服从参数为λ的泊松分布，η_u,n是用户u在切片n的平均服务速率；帧传输时延

取决于网络的负载情况，通常在0-1个符号长度之间；

设计用户的速率具体包括：用户的速率与用户分配到的带宽有关，用户u请求的速率由β_u表示，根据香农公式，用户u接入到切片n可以分配到的带宽为B_u,n＝β_u/log(1+SINR)，其中，SINR表示信干噪比，当用户被接入到切片n时，根据用户的QoS需求，切片n会立刻给用户u分配一定资源B_u,n，并且保证切片n所分配的资源不会超过其自身资源M_n；

设计用户的可靠性具体包括：用户的可靠性表示为

其中，

是能够保障业务需求的排队时延的上限，B_u,n是用户分配到的带宽，θ_u,n是用户u在切片n上的QoS指标，表示为

进一步，步骤S1中，设计切片QoS区间，具体包括：切片的QoS指标区间Ω表示为{(β_min,β_max),(τ_min,τ_max),(ε_min,ε_max)}；在U个用户的网络中，切片QoS指标为U×3×3的三维矩阵；切片满足用户u的性能指标描述为

其中，β_u,τ_u,ε_u分别表示切片中用户u的数据速率、时延和可靠性，β_min,β_max分别表示切片允许用户的最小和最大数据速率，τ_min,τ_max分别表示切片允许用户的最小和最大时延，ε_min,ε_max分别表示切片允许用户的最小和最大可靠性。

进一步，步骤S1中，所述模糊用户是处在多种业务服务质量交际的用户，具体包括：切片n₁的QoS指标区间表示为Ω₁，切片n₂的QoS指标区间表示为Ω₂，以此类推，切片之间的指标交集表示为Δ＝Ω₁∩Ω₂∩...∩Ω_n；将用户u的QoS请求用reqest_u表示，那么如果满足：request_u∈Δ,

则定义用户u是模糊用户；如果不满足，那么用户u被定义为其他用户；其中，Δ表示任意两个或多个切片之间QoS指标的交集部分。

进一步，步骤S1中，根据隶属程度筛选出具有多种接入选择的模糊用户，具体包括：当有用户请求时，根据用户请求的QoS要求计算用户对切片的隶属程度

如果隶属程度

那么该用户不是模糊用户，不需要做出多接入选择决策；如果

那么该用户为模糊用户，需要做出多接入选择决策；

对于模糊用户，根据用户对不同切片的隶属程度以及切片的资源利用率状态，对于有多种接入选择的用户，将用户接入到切片资源利用率低的切片中以平衡负载。

进一步，步骤S1中，用户对切片整体的隶属程度表示为

其中，

分别表示用户u对切片n的数据速率、时延和可靠性的隶属函数，

进一步，步骤S2中，用户接入控制决策策略具体包括以下步骤：

S21：对于每个切片n，接收每个用户的QoS要求，对能够满足QoS的用户，加入切片偏好矩阵

其中，

表示切片n对用户u的偏好程度；对于每个用户，根据用户QoS要求和隶属程度，建立用户的偏好矩阵Φ”＝[Φ₁,Φ₂,...,Φ_N]，其中，Φ_n表示用户u对切片n的偏好程度；

S22：如果用户的偏好矩阵

计算用户的带宽需求B_u,n＝β_u/log(1+SINR)，根据公式

对偏好矩阵Φ′中的元素进行排序；

S23：根据公式

对偏好矩阵Φ”中的元素进行排序，根据偏好矩阵Φ′和Φ”对切片和用户进行分组，

表示用户u对切片n的偏好程度；

S24：对于单个用户有多个切片接入选择的情况，根据切片的资源利用率状态，将用户接入到资源利用率低的切片以平衡切片负载。

本发明的有益效果在于：本发明针对用户服务质量需求与切片资源利用率之间的矛盾，首先，设计用户的时延、数据速率和可靠性指标以及对应的切片服务质量指标区间，根据隶属函数计算出用户对不同切片的隶属程度，将有多种接入选择的用户筛选出来。其次，根据用户的服务质量要求，设计切片偏好矩阵和用户偏好矩阵。进而根据不同切片当前时刻的资源利用率进行用户的接入控制决策，将用户接入到资源利用率低的切片，从而在保证在实现负载均衡下，有效地提高了接入用户数，具有广阔的应用前景。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明的网络系统架构图；

图2为本发明网络切片中的用户接入控制方法流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1～图2，图2所示为一种网络切片中的用户接入控制方法，5G网络中主要包括三类业务，但网络中的请求存在属于多种业务的情况，该方法针对用户服务质量需求与切片资源利用率之间的矛盾，首先，设计用户的时延、数据速率和可靠性指标以及对应的切片服务质量指标区间，根据隶属函数计算出用户对不同切片的隶属程度，将有多种接入选择的用户筛选出来。其次，根据用户的服务质量要求，设计切片偏好矩阵和用户偏好矩阵。进而根据不同切片当前时刻的资源利用率进行用户的接入控制决策，将用户接入到资源利用率低的切片，从而在保证在实现负载均衡下，有效地提高接入用户数。该方法具体包含以下步骤：

步骤1、筛选出具有多种接入选择的用户：首先，设计用户的时延、数据速率和可靠性指标和对应的切片服务质量区间。其次，根据切片隶属函数计算出用户对不同切片的隶属程度。最后，根据隶属程度将具有多种接入选择的模糊用户筛选出来。优选的具体包含以下步骤：

1)用户的时延要求包括：用户的时延要求为τ_u。τ_u由用户的任务传输时延、平均排队时延和帧传输时延组成。其中，用户的任务传输时延表示为

L_u是用户u数据包大小，B_u是分配给用户u的速率。平均排队时延表示为

其中，η_u,n是用户u在切片n的平均服务速率，ρ_u,n可以表示为ρ_u,n＝λ/η_u,n，λ表示为用户的请求服从参数为λ的泊松分布。帧传输时延

取决于网络的负载情况，通常在0-1个符号长度之间。

2)用户的速率要求包括：用户的速率要求为β_u。用户的速率要求与用户分配到的带宽有关，用户u请求的速率由β_u表示，根据香农公式，用户u接入到切片n可以分配到的带宽为B_u,n＝β_u/log(1+SINR)，其中，SINR表示为信干噪比，当用户被接入到切片n时，根据用户的QoS需求，切片n会立刻给用户u分配一定资源B_u,n，并且保证切片n所分配的资源不会超过其自身资源M_n。

3)用户的可靠性要求包括：用户的可靠性要求为

针对业务的可靠性要求，主要考虑两种因素，即由于信道状态不稳定导致的违反时延约束导致的任务完成失败。时延的可靠性用

来衡量，其中

是时延违反的概率，表示为

其中，

是能够保障业务需求的排队时延的上限，B_u,n是用户分配到的带宽，θ_u,n是用户u在切片n上的QoS指标，表示为

4)切片的服务质量(QoS)区间包括：用户的性能指标包括数据速率β、时延τ和可靠性ε。切片也有相对应的性能指标，当切片的性能指标包含用户的性能指标，表示切片可以满足该用户的QoS要求，此时该切片可以作为用户的接入选择之一。切片的QoS指标区间表示为{(β_min,β_max),(τ_min,τ_max),(ε_min,ε_max)}，由于考虑数据速率β、时延τ和可靠性ε三种指数，因此，在U个用户的网络中，切片QoS指标为U×3×3的三维矩阵。切片可以满足用户u的性能指标可以描述为

5)模糊用户模型：处在多种业务服务质量交际的用户为模糊用户。切片n₁的QoS属性区间表示为Ω₁，切片n₂的QoS属性区间表示为Ω₂，以此类推，切片之间的属性交集表示为Δ＝Ω₁∩Ω₂∩...∩Ω_n。将用户u的QoS请求用reqest_u表示，那么如果满足：request_u∈Δ,

则定义用户u是模糊用户。如果不满足，那么用户u被定义为其他用户。其中，Δ表示为任意两个或多个切片之间QoS属性的交集部分。

6)隶属程度为：

分别表示用户u对切片n的数据速率、时延和可靠性的隶属函数。而用户对切片整体的隶属程度表示为

其中，

步骤2、用户接入控制决策策略：针对用户服务质量偏好和切片资源利用率之间的矛盾，提出了一种网络切片下偏好感知的用户接入控制策略以提高接入的用户数。根据建立的模型，筛选出有多种接入选择的模糊用户，通过设计切片偏好矩阵和用户的偏好矩阵，根据偏好矩阵进行用户-切片分组。进而根据不同切片当前时刻的资源利用率进行用户的接入控制决策，将用户接入到资源利用率低的切片，从而在保证在实现负载均衡下，有效地提高接入用户数。优选的具体包含以下步骤：

1)对于每个切片n，接收每个用户的QoS要求，对能够满足QoS的用户，加入切片偏好矩阵

其中，

表示切片n对用户u的偏好程度。

表示切片n对用户u-1的偏好程度要高于对用户u的偏好。对于每个用户，根据用户QoS要求和隶属程度，建立用户的偏好矩阵Φ”＝[Φ₁,Φ₂,...,Φ_N]，其中，Φ_n表示用户u对切片n的偏好程度，越靠前的偏爱程度越高。

2)如果用户的偏好矩阵

计算用户的带宽需求B_u,n＝R_u/log(1+SINR)，根据公式

对偏好矩阵Φ′中的元素进行排序，

表示选出从第u个用户到第U个用户中所需带宽最小的用户，并将其排到切片n的偏好矩阵中的

位置。

3)用户对切片的偏好，与用户的QoS要求与切片QoS属性的隶属程度

有关，隶属程度越大，表示用户对切片的偏好值越高。但是，隶属程度仅是对QoS属性的偏好，为保证用户的QoS要求，应充分考虑切片的剩余资源状态。根据公式

对偏好矩阵Φ”中的元素进行排序，根据偏好矩阵Φ′和Φ”对切片和用户进行分组。

4)考虑到不同切片的资源利用率状态不同，对应的切片负载也不相同。为实现切片的负载相对均衡，并提高系统中接入的用户数，最终的用户关接入决策不仅与切片偏好矩阵和用户偏好矩阵有关，还与切片自身的资源利用率状态有关。对于单个用户有多个切片接入选择的情况，根据切片的资源利用率状态，将用户接入到资源利用率低的切片以平衡切片负载。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种网络切片中的用户接入控制方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1：筛选出具有多种接入选择的用户：首先，设计用户的时延、速率和可靠性指标和对应的切片QoS指标区间；其次，根据切片隶属函数计算出用户对不同切片的隶属程度；最后，根据隶属程度筛选出具有多种接入选择的模糊用户；

S2：用户接入控制决策策略：首先，设计切片偏好矩阵和用户的偏好矩阵，根据偏好矩阵进行用户-切片分组；然后，根据不同切片当前时刻的资源利用率进行用户的接入控制决策，将用户接入到资源利用率低的切片。

2.根据权利要求1所述的用户接入控制方法，其特征在于，步骤S1中，设计用户的时延具体包括：用户的时延τ_u由用户的任务传输时延、平均排队时延和帧传输时延组成，其中，用户的任务传输时延表示为

其中，L_u是用户u数据包大小，B_u是分配给用户u的速率；平均排队时延表示为

其中，ρ_u,n＝λ/η_u,n，λ表示用户的请求服从参数为λ的泊松分布，η_u,n是用户u在切片n的平均服务速率；帧传输时延

取决于网络的负载情况；

设计用户的速率具体包括：用户u请求的速率由β_u表示，根据香农公式，用户u接入到切片n分配到的带宽为B_u,n＝β_u/log(1+SINR)，其中，SINR表示信干噪比，当用户被接入到切片n时，根据用户的QoS需求，切片n会立刻给用户u分配一定资源B_u,n，并且保证切片n所分配的资源不会超过其自身资源M_n；

设计用户的可靠性具体包括：用户的可靠性表示为

其中，

是能够保障业务需求的排队时延的上限，B_u,n是用户分配到的带宽，θ_u,n是用户u在切片n上的QoS指标，表示为

3.根据权利要求1所述的用户接入控制方法，其特征在于，步骤S1中，设计切片QoS区间，具体包括：切片的QoS指标区间Ω表示为{(β_min,β_max),(σ_min,τ_max),(ε_min,ε_max)}；在U个用户的网络中，切片QoS指标为U×3×3的三维矩阵；切片满足用户u的性能指标描述为

其中，β_u,τ_u,ε_u分别表示切片中用户u的数据速率、时延和可靠性，β_min,β_max分别表示切片允许用户的最小和最大数据速率，τ_min,τ_max分别表示切片允许用户的最小和最大时延，ε_min,ε_max分别表示切片允许用户的最小和最大可靠性。

4.根据权利要求3所述的用户接入控制方法，其特征在于，步骤S1中，所述模糊用户是处在多种业务服务质量交际的用户，具体包括：切片n₁的QoS指标区间表示为Ω₁，切片n₂的QoS指标区间表示为Ω₂，以此类推，切片之间的指标交集表示为Δ＝Ω₁∩Ω₂∩...∩Ω_n；将用户u的QoS请求用reqest_u表示，那么如果满足：

则定义用户u是模糊用户；如果不满足，那么用户u被定义为其他用户；其中，Δ表示任意两个或多个切片之间QoS指标的交集部分。

5.根据权利要求1所述的用户接入控制方法，其特征在于，步骤S1中，根据隶属程度筛选出具有多种接入选择的模糊用户，具体包括：当有用户请求时，根据用户请求的QoS要求计算用户对切片的隶属程度

如果隶属程度

那么该用户不是模糊用户，不需要做出多接入选择决策；如果

那么该用户为模糊用户，需要做出多接入选择决策；

对于模糊用户，根据用户对不同切片的隶属程度以及切片的资源利用率状态，对于有多种接入选择的用户，将用户接入到切片资源利用率低的切片中以平衡负载。

6.根据权利要求5所述的用户接入控制方法，其特征在于，步骤S1中，用户对切片整体的隶属程度表示为

其中，

分别表示用户u对切片n的数据速率、时延和可靠性的隶属函数，

7.根据权利要求5所述的用户接入控制方法，其特征在于，步骤S2中，用户接入控制决策策略具体包括以下步骤：

S21：对于每个切片n，接收每个用户的QoS要求，对能够满足QoS的用户，加入切片偏好矩阵

其中，

表示切片n对用户u的偏好程度；对于每个用户，根据用户QoS要求和隶属程度，建立用户的偏好矩阵Φ”＝[Φ₁,Φ₂,...,Φ_N]，其中，Φ_n表示用户u对切片n的偏好程度；

S22：如果用户的偏好矩阵

计算用户的带宽需求B_u,n＝β_u/log(1+SINR)，根据公式

对偏好矩阵Φ′中的元素进行排序；

S23：根据公式

对偏好矩阵Φ”中的元素进行排序，根据偏好矩阵Φ′和Φ”对切片和用户进行分组，

表示用户u对切片n的偏好程度；

S24：对于单个用户有多个切片接入选择的情况，根据切片的资源利用率状态，将用户接入到资源利用率低的切片以平衡切片负载。

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