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专利号: 2023109936302
申请人: 山东科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-27
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于信息感知及联合计算缓存的动态RAN切片方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1、在高动态车载网络中,构建资源分配模型,该资源分配模型由一个基站、一个SDN控制器、多个MEC服务器、多个路边单元及不同切片车载用户组成,用于通信、计算及缓存空间的资源切片分配;

步骤2、构建基于ConvLSTM的部分历史信息感知模型,提取高动态车载网络中的时空动态分布特征;

步骤3、在切片间SDN控制器中应用理论分析及SAC算法,以粗粒度方式优化基站和路边单元的切片配置信息,切片内再以细粒度方式将通信及计算资源调度到终端用户;

所述 步骤1 的资 源分 配模 型中 ,记基 站和 所有路 边单 元的 集合 为,集合中索引为1的为基站,剩余的为路边单元索引, 为系统内基站和路边单元的总数量;记基站与路边单元区域中的车辆流量密度为, 为基站或路边单元 区域中的车辆流量密度;记基站与路边单元区域中的平均车辆速度为 , 为基站或路边单元 区域中的平均车辆速度;

考虑来自车辆的不同切片请求,将车载网络切片 分为三种,分别为时延敏感切片、时延容忍切片 、内容交付切片 ,记 ;

记基站或路边单元 切片 中第 个用户为 ,其中 ;记基站或路边单元 切片 的用户集合为 ,系统内切片 的用户集合为 ;记基站或路边单元 的固定带宽为 ;记MEC服务器的计算能力为 ,MEC服务器的缓存能力为;记基站或路边单元 分配给切片 的通信资源比例为 ,记MEC服务器分配给切片 的计算资源比例为 ,MEC服务器分配给切片 的缓存空间比例为 ;

所述步骤2中,构建的部分历史信息感知模型由ConvLSTM层、卷积层及全连接层依次串联组成,ConvLSTM层中又包含 个串联的ConvLSTM单元;ConvLSTM为卷积长短期记忆网络;

部分历史信息感知模型进行感知分析的具体过程如下:步骤2.1、SDN控制器从基站和路边单元收集切片资源需求、服务水平满意度、车辆流量密度及平均车辆速度方面的部分历史信息;

步骤2.2、将前 时隙的切片资源需求、服务水平满意度、车辆流量密度及平均车辆速度同时输入到ConvLSTM层,经过 个ConvLSTM单元后提取得到时空动态分布特征;

步骤2.3、将提取到的时空动态分布特征输入到卷积层,得到卷积矢量;

步骤2.4、最后经过全连接层,将卷积矢量映射为一维矢量,得到每个基站和路边单元的一维时空动态分布特征,一维时空动态分布特征为部分历史信息感知模型的最终输出;

所述步骤3的具体过程如下:

步骤3.1、设计通信资源分配策略;

步骤3.2、设计计算资源分配策略;

步骤3.3、设计缓存空间资源分配策略;

步骤3.4、结合通信资源分配策略、计算资源分配策略和缓存空间资源分配策略,以最小化所有用户吞吐量、时延与服务指标要求的差值及能耗作为最终的优化目标;

步骤3.5、引入全局变量的局部变量,进行优化问题的等效;

步骤3.6、应用SAC算法以粗粒度方式优化基站和路边单元的切片配置信息,在切片内基站和路边单元以细粒度方式将通信及计算资源调度到终端用户;

所述步骤3.1的具体过程如下:

步骤3.1.1、根据香农理论计算出在时隙 与基站或路边单元 关联的用户通过一个资源块实现的数据速率 为: (1);

其中, 表示资源块的大小, 表示时隙 基站或路边单元 与用户 之间的传输功率, 是基站或路边单元 与用户 之间的信道增益; 表示基站或路边单元 处接收到的高斯白噪声;

步骤3.1.2、计算在时隙 与基站或路边单元 关联的用户 实现的总数据速率为: (2);

其中, 表示基站或路边单元 分配给用户 的资源块数量;

步骤3.1.3、将最小化所有用户数据速率与切片数据速率指标要求的差值之和作为通信资源分配策略的优化目标,定义如下: (3);

其中, 为通信资源分配策略的优化目标;通信资源分配优化变量 采用矩阵形式表示; 表示基站或路边单元 在时隙 切片 内分配给用户的通信资源分配向量; 为时隙的数量; 为切片 的最低数据速率指标要求; 为约束条件1:基站或路边单元 分配给所有车载网络切片的带宽比例总和为1; 为约束条件2:分配给切片 用户的资源块数不应超过分配给该切片的资源块总数; 为约束条件

3:用户 的传输速率应满足切片 的最低数据速率指标要求;

所述步骤3.2的具体过程如下:

步骤3.2.1、计算MEC服务器方式在计算时延和能耗的开销;

步骤3.2.2、计算本地计算方式在计算时延和能耗的开销;

步骤3.2.3、将最小化所有用户的计算总时延与服务指标的差值以及能耗之和作为计算资源分配策略的优化目标,计算资源分配策略的优化问题表述如下: 

(13);

其中, 为计算资源分配策略的优化目标;计算资源分配优化变量 采用矩阵形式表示; 表示基站或路边单元 在切片 内分配给用户的计算资源分配向量; 为计算时延的权重; 为用户 的任务 计算总时延; 表示切片 的最大可容忍计算时延; 为能耗的权重; 为用户的计算任务 总能耗; 为约束条件4:MEC服务器分配给所有切片的计算资源比例总和为1; 为约束条件5:分配给用户的计算能力不应超过分配给该切片的总计算能力; 为约束条件6:用户 的计算时延应满足切片 的最大可容忍计算时延;

为约束条件7: 的取值范围为0至1;

所述步骤3.3的具体过程如下:

步骤3.3.1、计算时隙 用户 的内容交付下载时延  ;

步骤3.3.2、计算时隙 用户 的内容交付能耗 ;

步骤3.3.3、记切片的二进制变量为 ;将处理用户 任务的能耗 表述为:

 (18);

步骤3.3.4、将最小化所有用户的内容交付时延、计算总时延与服务指标要求的差值与能耗之和作为缓存空间资源的优化目标,缓存空间资源分配策略的优化问题表述如下:(19);

其中, 表示缓存空间资源分配策略的优化目标;缓存空间分配优化变量 采用矩阵形式表示; 为内容交付时延的权重; 为切片 的内容交付的最大可容忍时延; 为计算时延的权重; 为能耗的权重; 为约束条件8:MEC服务器分配给所有切片的缓存空间比例总和为1; 为约束条件9:缓存的内容占用的缓存空间受分配给该切片缓存空间的限制; 表示时隙 用户 从内容库 中请求的内容大小; 是任务缓存的二进制变量; 为约束条件10:用户 应满足切片 的最大内容交付时延要求;

为约束条件11: 和 的取值范围均为0或1;

所述步骤3.4中,将最终优化目标的优化问题表述为: 

(20);

其中, 表示最终的优化目标, 、 、 、 分别表示不同的权重系数;

所述步骤3.5的具体过程如下:

步骤3.5.1、在同一切片内用户采用轮询调度的方式平均分配该切片的资源,假设在时隙 需求资源的用户数量为 ,计算出 及;

步骤3.5.2、为每个基站和路边单元建立一个局部变量,每个基站和路边单元都能独立做出分配决策并受SDN控制器集中控制;

通信资源分配优化变量 、计算资源分配优化变量 、缓存空间分配优化变量 均为全局变量,对于基站或路边单元 ,采用 、 、 分别表示 、 、 的局部变量;其中, 是基站或路边单元 为每种切片分配的通信资源比例矩阵,表示基站或路边单元 的局部副本, 表示基站或路边单元 的局部副本分配给切片 的通信资源比例; 是基站或路边单元 为每种切片分配的计算资源比例矩阵, 表示基站或路边单元 的局部副本分配给切片 的计算资源比例;

是基站或路边单元 为每种切片分配的缓存空间资源比例分配矩阵, 表示基站或路边单元 的局部副本分配给切片 的缓存空间资源分配比例;

步骤3.5.3、根据不同基站和路边单元分离约束条件并为基站或路边单元 引入一组可行集 ,引入可行集后,基站或路边单元 的局部目标函数 为: 

(23);

经过引入局部变量及可行集后,优化问题的等效问题表示为: (24);

其中, 为约束条件12;

步骤3.5.4、采用交替方向乘子法求解目标函数 ;

所述步骤3.6的具体过程如下:

步骤3.6.1、获取基于ConvLSTM的部分历史信息感知模型的最终输出及当前时隙 切片需要处理的任务大小;

步骤3.6.2、粗粒度方式优化基站和路边单元的切片配置信息的过程为:首先,将部分历史信息感知模型的最终输出及切片需要处理的任务大小共同组成SAC算法的状态;然后,根据当前状态选择为各个切片提供通信、计算以及缓存空间资源的分配动作;最后,计算切片间动作及切片内调度策略获得的奖励值;

步骤3.6.3、细粒度方式将通信及计算资源调度到终端用户的过程为:切片内在时隙根据信道状态信息及需要处理的任务量大小为需要请求资源的用户 定义一个优先级因子 ;在时隙 分配给终端用户时按照该用户的优先级因子 与请求资源用户的优先级总和的比值与时隙 切片分得资源总数的乘积确定片内分配资源比例并更新平均传输速率 。