面向混合数据流的5G网络资源软切片方法

本发明涉及5g网络资源切片技术，具体地说是一种面向混合数据流的5g网络资源软切片方法。

背景技术：

1、工业自动化应用通常涉及具有不同网络性能要求的数据流量。其中，控制和安全数据对时延敏感度较高，需要在严格的时延和可靠性约束下交付；环境监测数据通常具有时延容忍性，其传输不受时延约束束缚。5g凭借数据链路层的正交频分多址技术和重传机制，使工业混合数据流的高性能通信成为可能。然而，由于工业射频环境中存在路径损耗、强噪声、外部干扰和多径效应等大量不利因素，并且无线资源通常严格受限且动态变化，难以满足工业混合数据流不同的qos要求。因此，迫切需要一种增强的资源管理解决方法来应对5g网络中的工业混合数据流。

2、网络资源切片是在5g网络中实现混合数据流资源管理的一种有效手段。目前广泛采用的5g网络资源切片方法通常使用硬切片策略，即为每种数据流分配固定的资源切片。该策略虽然可以有效地避免不同数据流之间的干扰，但也会出现切片使用不均衡的问题，导致资源利用效率降低。为了解决这一问题，本发明提出一种新型5g资源软切片方法，支持两种软切片策略的灵活切换，可同时满足混合数据流的qos要求。

技术实现思路

1、本发明针对工业混合数据流，设计了一种5g资源软切片方法，支持流量qos感知软切片策略和资源效率感知软切片策略的灵活切换。该方法根据可靠性解析模型动态选择一种最优的软切片策略，在确保周期时延敏感流量可靠性的同时，动态地将剩余资源分配给非周期时延不敏感流量，实现资源利用效率的最大化。

2、本发明采用如下技术方案：面向混合数据流的5g网络资源软切片方法，对于由一个基站bs、n1个周期时延敏感用户设备pds ue和n2个非周期时延不敏感用户设备sdt ue构成的5g接入网络，在每一个周期，采用动态切换方法，自适应地选择流量qos感知软切片策略tqass和资源效率感知软切片策略reass，具体包括以下步骤：分别计算tqass的传输可靠性rtqass和reass的传输可靠性rreass；通过比较rtqass和rreass，选择传输可靠性高的软切片策略执行以进行网络资源分配。

3、所述由一个基站bs、n1个周期时延敏感用户设备pds ue和n2个非周期时延不敏感用户设备sdt ue构成的5g接入网络，每个pds ue在每个周期时间t内生成一个数据包，且该数据包有时延要求，即如果该数据包在t内没有被bs正确接收，则该数据包将被丢弃；每个sdt ue的数据包生成遵循泊松过程，不同用户设备ue的数据包生成过程相互独立，且没有时延要求；5g无线接入网络资源在时域和频域进行划分，用户设备将生成的数据包在分配好的资源上发送给bs；上行传输的数据包错误率为p，下行传输的数据包错误率忽略不计。

4、所述5g无线接入网络资源在时域和频域进行划分，在时域上，t和td分别表示周期时间和周期时间内的时隙数；在频域上，可用的带宽w被划分为多个子信道，一个时隙和一个子信道的组合即为最小的无线资源，称为资源块rb；r个rb被定义为用于一个数据包传输的资源单元ru，令每个时隙中可用的ru数为m。

5、所述执行tqass，包括以下步骤：对于pds数据流，bs通过维护调度表为每个pds ue预留传输资源；当bs成功地从pds ue接收到数据包时，从调度列表中删除相应的pds ue，并通过ack向每个pds ue发送反馈；失败的数据包在周期中的剩余资源上重新传输，直到成功接收到所有数据包或周期结束；当一个新周期开始时，更新调度列表；对于sdt数据流，未被pds ue占用的剩余资源保留给sdt ue；bs通过广播或ack通知sdt ue是否存在可用资源；如果有，则有数据包的sdt ue竞争可用资源；否则，继续等待；每个sdt ue为生成的数据包维护一个队列；所述队列中的每个数据包都有机会竞争k个ru进行k次传输，且在每个时隙中只能竞争一个ru；在k次尝试之后，无论bs是否成功接收到该数据包，都将其丢弃；反馈还将通知sdt ue有哪些数据包传输成功，并从队列中移除这些成功的数据包；当新的周期开始时，sdt ue的队列不会被更新。

6、所述执行tqass，包括以下步骤：

7、定义pds数据流的一轮传输包含pds ue的一次数据包上传和紧随其后的一个ack；ω为pds ue在一个周期内的传输轮次，且ω≥0，其中ω＝0为首次传输，ω>0为重传轮次；sω为第ω-1轮传输中失败的pds ue的集合，其中s0＝[1,2,3,…,n1-1,n1]；aω为sω中pds ue的数量，即aω＝|sω|，其中a0＝|s0|＝n1；lω为第ω-1轮传输后剩余的时隙数，其中l0＝t-1；代表向上取整，即首次传输可完成，且还有剩余时隙可进行重传；

8、步骤一、周期开始；bs重置pds ue的参数，并通过广播反馈上一周期成功的sdtue；

9、步骤二、首次传输；bs为n1个pds ue全部安排资源，剩余个ru留给sdt ue竞争，并紧随一个ack反馈首次传输失败的pds ue s1和当前成功的sdt ue；首次传输失败的pds ue数量为a1，且0≤a1≤n1；首次传输后剩余的时隙数

10、步骤三、重传阶段；对于第ω轮重传，判断当前aω与lω属于以下哪种情况，并执行相应步骤：

11、情况1：aω＝0且lω>0

12、最后lω个时隙全部分配给sdt ue，执行步骤四；

13、情况2：aω>0且lω>0

14、情况2.1：aω<m

15、情况2.1.1：lω≤2

16、在lω个时隙中重复传输aω个pds数据包lω次，队列中有数据包的sdt ue在lω个时隙中竞争剩余的m-aω个ru；执行步骤四；

17、情况2.1.2：lω>2

18、在一个时隙中传输aω个pds数据包一次，队列中有数据包的sdt ue竞争该时隙剩余的m-aω个资源单元ru，并紧随一个ack反馈sω+1和当前成功的sdt ue；本轮传输失败的pdsue数量为aω+1，本轮传输后剩余的时隙数lω+1＝lω-2；返回步骤三；

19、情况2.2：aω≥m

20、情况2.2.1：代表向下取整

21、安排aω中lω×m个pds ue，没有剩余ru留给sdt ue；执行步骤四；

22、情况2.2.2：

23、为aω个pds ue全部安排资源，剩余lω×m-aω个ru留给sdt ue竞争；执行步骤四；

24、情况2.2.3：

25、为aω个pds ue全部安排资源，剩余个ru留给sdt ue竞争，并紧随一个ack反馈sω+1和当前成功的sdt ue；本轮传输失败的pds ue数量为aω+1，本轮传输后剩余的时隙数循环执行步骤三；

26、步骤四：周期结束。

27、所述tqass的传输可靠性rtqass，通过以下步骤得到：

28、定义ωmax为最终的重传轮数；tfpω为a1个pds ue在经过ω轮重传后的平均传输失败率，tfp0＝1；

29、1)首先计算首次传输有i个pds ue传输失败的概率，且i＝[0,1,2,…,n1-1,n1]，具体如下：

30、步骤二中，计算可得a1＝i的概率为

31、2)迭代计算每轮重传的tfpω，具体如下：

32、若执行步骤三中的情况2.1.1，得ωmax＝ω+lω-1；

33、若执行步骤三中的情况2.1.2，得tfpω＝tfpω-1×p，lω+1＝lω-2。

34、若执行步骤三中的情况2.2.1，得tfpω＝tfpω-1×(1-lω×m/aω+p×lω×m/aω)，ωmax＝ω；

35、若执行步骤三中的情况2.2.2，得tfpω＝tfpω-1×p，ωmax＝ω；

36、若执行步骤三中的情况2.2.3，得tfpω＝tfpω-1×p，

37、3)根据不同情况，计算传输可靠性rtqass，具体如下：

38、通过上述迭代计算可得，重传部分可靠性考虑i＝0,1,2,…,n1-1,n1的所有情况，整体传输可靠性

39、所述执行reass，包括以下步骤：基于tqass，修改了pds ue的资源分配方式，即当每轮传输中待传输的数据包aω数量大于m时，仅为其中个pds ue安排资源，而未得到资源分配的数据包被安排用在下一轮传输中。

40、所述执行reass，包括以下步骤：

41、定义hω为第ω-1次传输未被分配资源的pds ue的集合，其中h0＝[]；aω为sω和hω中pds ue数量的总和，即aω＝|sω|+|hω|，其中a0＝n1；

42、基于tqass，仅步骤二和步骤三中的情况2.2.3与tqass不同，即：

43、步骤二、首次传输；bs安排了个pds ue进行上传，没有剩余ru留给sdt ue竞争，并紧随一个ack反馈首次传输失败的pds ue s1和未被安排资源的pds ue h1；首次传输失败的pds ue数为|s1|，且首次传输未被安排的pdsue数为重传需要安排的周期ue数为a1＝|s1|+|h1|；首次传输后剩余的时隙数

44、步骤三、情况2.2.3：

45、安排sω和hω中个pds ue，占用个时隙传输，其它个pds ue等待第ω+1轮传输；没有剩余ru留给sdt ue；紧随一个ack反馈sω+1和hω+1；本轮传输失败的pds ue数量为aω+1，本轮传输后剩余的时隙数循环执行步骤三。

46、所述reass的传输可靠性rreass，通过以下步骤得到：

47、1)首先计算首次传输有i个pds ue传输失败的概率，且具体如下：

48、步骤二中，计算可得|s1|＝i的概率为

49、2)迭代计算每轮重传的tfpω，仅情况2.2.3与tqass不同，具体如下：

50、若执行步骤三中的情况2.2.3，得

51、3)根据不同情况，计算传输可靠性rreass，具体如下：

52、通过上述迭代计算可得，重传部分可靠性考虑的所有情况，整体传输可靠性

53、本发明具有以下有益效果及优点：

54、1.本发明设计了两种软切片策略：tqass和reass。tqass策略优先考虑pds数据包的传输，同时尽力在每一轮传输中为sdt数据包保留一些资源。reass策略优先紧凑地传输所有pds数据包，并将周期末尾剩余资源分配给sdt数据包。

55、2.本发明提出了一种基于tqass策略或reass策略的动态切换方法，根据实时网络参数动态选择更适合的切片策略，从而提高资源效率。

技术特征：

1.面向混合数据流的5g网络资源软切片方法，其特征在于，对于由一个基站bs、n1个周期时延敏感用户设备pds ue和n2个非周期时延不敏感用户设备sdt ue构成的5g接入网络，在每一个周期，采用动态切换方法，自适应地选择流量qos感知软切片策略tqass和资源效率感知软切片策略reass，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的面向混合数据流的5g网络资源软切片方法，其特征在于，所述由一个基站bs、n1个周期时延敏感用户设备pds ue和n2个非周期时延不敏感用户设备sdtue构成的5g接入网络，具体如下：

3.根据权利要求2所述的面向混合数据流的5g网络资源软切片方法，其特征在于，所述5g无线接入网络资源在时域和频域进行划分，具体如下：

4.根据权利要求1所述的面向混合数据流的5g网络资源软切片方法，其特征在于，执行tqass，具体如下：

5.根据权利要求1所述的面向混合数据流的5g网络资源软切片方法，其特征在于，执行tqass，包括以下步骤：

6.根据权利要求1或4或5所述的面向混合数据流的5g网络资源软切片方法，其特征在于，tqass的传输可靠性rtqass，通过以下步骤得到：

7.根据权利要求1或4所述的面向混合数据流的5g网络资源软切片方法，其特征在于，执行reass，包括以下步骤：

8.根据权利要求1所述的面向混合数据流的5g网络资源软切片方法，其特征在于，执行reass，包括以下步骤：

9.根据权利要求1或5或8所述的面向混合数据流的5g网络资源软切片方法，其特征在于，reass的传输可靠性rreass，通过以下步骤得到：

技术总结
本发明涉及5G网络资源切片技术，具体地说是面向混合数据流的5G网络资源软切片方法。本发明适用于由一个基站和若干用户设备构成的5G网络结构，其中用户设备可分为周期时延敏感和非周期时延不敏感两个类型。本发明设计了一种5G资源软切片方法，支持流量QoS感知软切片策略和资源效率感知软切片策略的灵活切换。该方法根据可靠性解析模型动态选择一种最优的软切片策略，在确保周期时延敏感流量可靠性的同时，动态地将剩余资源分配给非周期时延不敏感流量，实现资源利用效率的最大化。

技术研发人员：郑萌,丁菁芳,于海斌,梁炜,张吟龙,苑旭东
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23