云无线入网系统及其能耗分配方法技术方案

本发明专利技术揭示了一种云无线入网系统，至少两个计算单元通过内部高速交换机互连构成计算单元池，至少两个无线接入单元与信号范围内的用户设备进行数据传输，每个所述无线接入单元均通过前传链路交换结构与计算单元中的虚拟机进行基带信号处理，每个所述无线接入单元均配有一个唯一的虚拟机，所述前传链路交换结构输出每个无线接入单元的用户设备连接状态信号至云无线接入网控制器，本发明专利技术可以根据网络中用户设备的位置分布和数据传输需求的变化情况，动态调整每个RAU的开/关状态，同时将为RAU提供基带信号处理服务的虚拟机动态整合到尽量少的CU中，在满足网络服务需求的前提下，尽量减少需要开启的CU和RAU的数量，达到降低网络能耗的目的。

Cloud wireless access system and energy consumption distribution method thereof

The invention discloses a wireless network cloud system, at least two computation unit pool through internal high-speed switch interconnection structure, at least two wireless access unit and the signal range of user equipment for data transmission, each of the wireless access unit through the virtual machine before the link exchange structure and calculation of unit the baseband signal processing, each of the wireless access units are equipped with only one virtual machine, the user equipment before each wireless access link switching structure output unit connected to the cloud state signal of the wireless access network controller, the invention changes according to the distribution of user equipment in the network and data transmission requirements, on / off state dynamic adjustment of each RAU, and the baseband signal processing of virtual machine dynamic service integration to as little as possible for RAU CU Under the premise of meeting the demand of network services, the number of CU and RAU that need to be switched on is minimized, and the purpose of reducing the energy consumption of the network is achieved.

【技术实现步骤摘要】
云无线入网系统及其能耗分配方法
本专利技术涉及云无线接入网(C-RAN)能耗优化领域。
技术介绍
云无线接入网(C-RAN)能耗优化方法的目标是减少C-RAN中两类主要耗能设备：计算单元(CU)和无线接入单元(RAU)的总能耗。现有C-RAN能耗优化方法将CU能耗与RAU能耗分别单独优化，未考虑到两者之间的关联性。此外，由于RAU的开/关状态设置与CU中虚拟机的整合相耦合，现有优化算法无法直接求解C-RAN功率最小化问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是实现一种更加合理、有效、可靠的减少C-RAN中计算单元(CU)和无线接入单元(RAU)总能耗的优化方法。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：云无线入网系统，至少两个计算单元通过内部高速交换机互连构成计算单元池，至少两个无线接入单元与信号范围内的用户设备进行数据传输，每个所述无线接入单元均通过前传链路交换结构与计算单元中的虚拟机进行基带信号处理，每个所述无线接入单元均配有一个唯一的虚拟机，所述前传链路交换结构输出每个无线接入单元的用户设备连接状态信号至云无线接入网控制器，每个所述内部高速交换机输出每个虚拟机的网络运行动态信号至云无线接入网控制器，所述云无线接入网控制器经前传链路交换结构输出开/关控制信号至无线接入单元，所述云无线接入网控制器经内部高速交换机输出开/关控制信号至虚拟机。所述云无线接入网控制器经内部高速交换机输出开/关控制信号至计算单元。基于所述云无线入网系统的能耗分配方法：云无线接入网控制器的调控满足以下所有约束条件：约束条件1、处于关闭状态的计算单元不能分配虚拟机，而分配到每个活动计算单元上的所有虚拟机需要的计算资源容量之和不能超过该计算单元拥有的计算资源总容量；约束条件2、每个无线接入单元所对应的唯一虚拟机必须分配到一个活动的计算单元上；约束条件3、处于关闭状态的无线接入单元不能与用户设备连接，而连接到每个活动无线接入单元上的所有用户设备需要的无线信道物理资源块数量之和不能超过该无线接入单元拥有的无线信道物理资源块总数量；约束条件4、每个用户设备必须连接到一个活动的无线接入单元上，而且同时只能与一个活动的无线接入单元相连。云无线入网系统的总功率表示为ptotal，其计算公式为：其中表示CUi处于活动状态时的功率，表示RAUj处于活动状态时的功率；αi表示CUi的工作状态，αi＝1表示CUi为活动状态，αi＝0表示CUi为关闭状态；βi表示RAUj的工作状态，βj＝1表示RAUj为活动状态，βj＝0表示RAUj为关闭状态；，S和R分别表示网络中计算单元和无线接入单元的集合，|S|和|R|分别表示计算单元和无线接入单元的数量；所述约束条件1的约束公式：其中xi,j表示CUi和RAUj之间的连接关系，如果RAUj对应的虚拟机分配在CUi上，则xi,j＝1，否则xi,j＝0；表示RAUj对应的虚拟机需要占用的计算资源容量；表示CUi的计算资源总容量；所述约束条件2的约束公式：所述约束条件3的约束公式：其中U表示网络中用户设备的集合，yj,k表示RAUj和UEk之间的连接关系，如果UEk连接到RAUj，则yj,k＝1，否则yj,k＝0；nj,k表示RAUj满足UEk的数据传输需求要使用的无线信道物理资源块的数量；表示RAUj拥有的无线信道物理资源块总数量；所述约束条件4的约束公式：云无线接入网控制器接入网功率最小化控制方法：步骤1、将所有计算单元和无线接入单元都设为活动状态，每个用户设备连接至其中一个无线接入单元；步骤2、判断是否满足当前活动无线接入单元集合R不为空集且flag为true的条件，其中flag为true表示迭代优化的过程中是否有无线接入单元可以被关闭；如果该条件不满足则执行步骤16，如果该条件满足则执行下一步；步骤3、将flag重新设为false，并设定本次迭代需要检查的无线接入单元集合R*，即R*＝R；步骤4、判断R*是否为空集，如果R*为空集，则返回步骤2，如果R*不为空集则执行下一步；步骤5、每个用户设备接至集合R中的一个无线接入单元；步骤6、从集合R*中选出已用的无线信道物理资源块数量最少的无线接入单元记为j*；步骤7、将无线接入单元j*从集合R*中去除；步骤8、判断无线接入单元j*所连接的所有用户设备是否能够重新连接至R中的其他无线接入单元，如果该条件不满足，则返回步骤4，如果该条件满足，则执行下一步；步骤9、将无线接入单元j*从活动RAU集合R中去除；步骤10、每个用户单元连接至集合R中的一个无线接入单元；步骤11、更新计算单元池中虚拟机的开/关状态及每个活动虚拟机需要的计算资源数量，将虚拟机整合到计算单元池内的计算单元中；步骤12、计算此时计算单元和无线接入单元的总功率p；步骤13、判断p是否小于p*，如果p小于p*则执行下一步，如果p不小于p*，则执行步骤15；步骤14、设置flag＝true，p*＝p，返回步骤4；步骤15、将RAUj*重新加入活动RAU集合R中，返回步骤4；步骤16、集合R中所有RAU已经检查完毕，算法结束。一个活动无线接入单元能够被关闭，需要满足以下三个条件：1)该无线接入单元关闭之后不影响网络的覆盖；2)该无线接入单元关闭之后，原先与其连接的所有用户设备都能重新连接到其他邻近活动无线接入单元，并且这些用户设备的数据传输需求都能被满足；3)该无线接入单元关闭之后，根据调整之后的无线接入单元与用户设备连接关系，更新对应虚拟机的计算资源容量需求，并对虚拟机重新整合，此时计算单元和无线接入单元的总功率下降，此迭代过程不断重复，直至没有任何一个活动无线接入单元可以被关闭为止，此时计算单元和无线接入单元的总功率最小。本专利技术设计的能耗优化方法，可以根据网络中用户设备(UE)的位置分布和数据传输需求的变化情况，动态调整每个RAU的开/关状态，同时将为RAU提供基带信号处理服务的虚拟机动态整合到尽量少的CU中，在满足网络服务需求的前提下，尽量减少需要开启的CU和RAU的数量，达到降低网络能耗的目的；具体来说具有以下优点：1)本专利技术首次提出将RAU动态开/关方法，与CU中虚拟机动态整合方法相结合，实现C-RAN整体能耗优化的目标；2)本专利技术设计的功率最小化算法，基于负载最小优先的原则选择能被关闭的基站，可以快速找到最优的活动RAU集合，并利用高效的降序最佳适应(Best-Fit-Decreasing)装箱算法将虚拟机分配至CU，最小化C-RAN中CU和RAU总功率。该算法复杂度低，适合在实际系统中使用；3)本专利技术设计的能耗优化方法采用事件驱动机制，当部分CU或RAU的负载超过上限阈值或低于下限阈值时，执行功率最小化算法，重新设置RAU的开/关状态和RAU与UE的连接关系，并重新整合虚拟机。采用事件驱动机制的优点在于：在UE位置分布及数据传输需求变化较小的情况下，可以避免不必要的RAU工作状态调整及虚拟机整合；在UE位置分布及数据传输需求变化较大的情况下，可以及时调整RAU工作状态并整合虚拟机，使得C-RAN中RAU和CU的工作状态设置动态适应网络实际运行情况。附图说明下面对本专利技术说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：图1为云无线接入网(C-RAN)系统结构图；图2为云无线接入网(本文档来自技高网...

【技术保护点】
云无线入网系统，至少两个计算单元通过内部高速交换机互连构成计算单元池，至少两个无线接入单元与信号范围内的用户设备进行数据传输，每个所述无线接入单元均通过前传链路交换结构与计算单元中的虚拟机进行基带信号处理，其特征在于：每个所述无线接入单元均配有一个唯一的虚拟机，所述前传链路交换结构输出每个无线接入单元的用户设备连接状态信号至云无线接入网控制器，每个所述内部高速交换机输出每个虚拟机的网络运行动态信号至云无线接入网控制器，所述云无线接入网控制器经前传链路交换结构输出开/关控制信号至无线接入单元，所述云无线接入网控制器经内部高速交换机输出开/关控制信号至虚拟机。

【技术特征摘要】
1.云无线入网系统，至少两个计算单元通过内部高速交换机互连构成计算单元池，至少两个无线接入单元与信号范围内的用户设备进行数据传输，每个所述无线接入单元均通过前传链路交换结构与计算单元中的虚拟机进行基带信号处理，其特征在于：每个所述无线接入单元均配有一个唯一的虚拟机，所述前传链路交换结构输出每个无线接入单元的用户设备连接状态信号至云无线接入网控制器，每个所述内部高速交换机输出每个虚拟机的网络运行动态信号至云无线接入网控制器，所述云无线接入网控制器经前传链路交换结构输出开/关控制信号至无线接入单元，所述云无线接入网控制器经内部高速交换机输出开/关控制信号至虚拟机。2.根据权利要求1所述的云无线入网系统，其特征在于：所述云无线接入网控制器经内部高速交换机输出开/关控制信号至计算单元。3.基于权利要求1或2所述云无线入网系统的能耗分配方法，其特征在于：云无线接入网控制器的调控满足以下所有约束条件：约束条件1、处于关闭状态的计算单元不能分配虚拟机，而分配到每个活动计算单元上的所有虚拟机需要的计算资源容量之和不能超过该计算单元拥有的计算资源总容量；约束条件2、每个无线接入单元所对应的唯一虚拟机必须分配到一个活动的计算单元上；约束条件3、处于关闭状态的无线接入单元不能与用户设备连接，而连接到每个活动无线接入单元上的所有用户设备需要的无线信道物理资源块数量之和不能超过该无线接入单元拥有的无线信道物理资源块总数量；约束条件4、每个用户设备必须连接到一个活动的无线接入单元上，而且同时只能与一个活动的无线接入单元相连。4.根据权利要求3所述的所述云无线入网系统的能耗分配方法，其特征在于：云无线入网系统的总功率表示为ptotal，其计算公式为：其中表示CUi处于活动状态时的功率，表示RAUj处于活动状态时的功率；αi表示CUi的工作状态，αi＝1表示CUi为活动状态，αi＝0表示CUi为关闭状态；βi表示RAUj的工作状态，βj＝1表示RAUj为活动状态，βj＝0表示RAUj为关闭状态；，S和R分别表示网络中计算单元和无线接入单元的集合，|S|和|R|分别表示计算单元和无线接入单元的数量；所述约束条件1的约束公式：其中xi,j表示CUi和RAUj之间的连接关系，如果RAUj对应的虚拟机分配在CUi上，则xi,j＝1，否则xi,j＝0；表示RAUj对应的虚拟机需要占用的计算资源容量；表示CUi的计算资源总容量；所述约束条件2的约束公式：所述约束条件3的约束公式：其中U表示网络中用户设备的集合，yj,k表示RAUj和UEk之间的连...

【专利技术属性】
技术研发人员：余诺，
申请(专利权)人：安徽工程大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34