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面向可靠性的5G网络切片重构及映射算法

赵国繁 唐伦 胡彦娟 赵培培 陈前斌

引用本文: 赵国繁, 唐伦, 胡彦娟, 赵培培, 陈前斌. 面向可靠性的5G网络切片重构及映射算法[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(6): 1478-1485. doi: 10.11999/JEIT190500 shu
Citation:  Guofan ZHAO, Lun TANG, Yanjuan HU, Peipei ZHAO, Qianbin CHEN. A Reliability-aware 5G Network Slice Reconfiguration and Embedding Algorithm[J]. Journal of Electronics and Information Technology, 2020, 42(6): 1478-1485. doi: 10.11999/JEIT190500 shu

面向可靠性的5G网络切片重构及映射算法

    作者简介: 赵国繁: 女,1993年生,硕士,研究方向为5G网络切片中的资源分配,可靠性;
    唐伦: 男,1973年生,教授,博士生导师,研究方向为新一代无线通信网络、异构蜂窝网络、软件定义无线网络等;
    胡彦娟: 女,1993年生,硕士生,研究方向为网络切片的映射与资源分配;
    赵培培: 女,1993年生,硕士生,研究方向为5G网络切片、网络虚拟化;
    陈前斌: 男,1967年生,教授,博士生导师,主要研究方向为个人通信、多媒体信息处理与传输、下一代移动通信网络、异构蜂窝网络等
    通讯作者: 赵国繁,1349366355@qq.com
  • 基金项目: 国家自然科学基金(61571073),重庆市教委科学技术研究项目(KJZD-M201800601)

摘要: 针对传统网络切片映射方法资源利用率低且可靠性差的问题,该文提出了可靠性感知的网络切片(NS)重构及映射策略(RNSRE)。首先,建立了面向可靠性和资源的网络切片可靠映射效用函数。其次,综合考虑虚拟网络功能(VNF)的资源需求和位置约束,提出了一种VNF可靠性需求的度量方法。在此基础上,以最大化VNF可靠部署收益的同时最小化链路带宽资源开销为目标,建立了切片可靠映射整数线性规划模型。最后,针对不同的网络切片类型,提出了基于邻域搜索的网络切片映射算法和关键VNF备份的网络切片重构映射算法。仿真结果表明,所提算法在满足VNF可靠性需求的同时,提高了资源利用率,降低了映射的开销。

English

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  • 图 1  5G网络切片场景

    图 2  不同算法平均成本比较

    图 3  所提算法与3种算法的平均物理节点、链路资源利用率累计分布函数

    图 4  不同算法NSR平均接受率比较

    图 5  不同算法到达的可靠性比较

    表 1  基于邻域搜索的网络切片映射算法

    输入:NSR $G_v^{\rm{g}} = (V_{\rm{g}},E_{\rm{g}},R_{{\rm{req}}}^{\rm{g}})$,物理网络${G_{\rm{s}}} = \left( {{N_{\rm{s}}},{L_{\rm{s}}}} \right)$(5)    ${P_i} = P_{{\rm{next}}}^{\rm{g}}$, ${R_{{\rm{gap}}}} = \displaystyle\prod\limits_{{n_i} \in P_{{\rm{next}}}^{\rm{g}}} {{R_i}} - R_{{\rm{req}}}^{\rm{g}}$
    输出:NSE方案${P^{\rm{g}}} = \left[ {P^{\rm{g}}\left( {{v_k}} \right),P^{\rm{g}}\left( {{e_k}} \right)} \right]$(6)    计算当前的带宽消耗为${b_{\rm{g}}}$
    (1) 搜索空间$S$, $P_{{\rm{opt}}}^{\rm{g}} = {P_{{\rm{init}}}}$; ${P_i} = P_{{\rm{init}}}^{\rm{g}}$(7)   end if
    (2) while($0.5 \le { { {R_{ {\rm{gap} } } }} / { {R_{ {\rm{req} } } } } } + { {\left( { {b^{\rm{g} } } - b_{ {\rm{req} } }^{\rm{g} } } \right)} / {b_{ {\rm{req} } }^{\rm{g} } } } \le 1$), do(8)   if $\left( {{\rm Obj}\left( {P_{ {\rm{next} } }^{\rm{g} } } \right) < {\rm Obj}\left( {P_{ {\rm{opt} } }^{\rm{g} } } \right)} \right)$ then
    (3)   在${P_i}$的邻域解中搜索当前更优的个体$P_{{\rm{next}}}^{\rm{g}}$(9)    $P_{{\rm{opt}}}^{\rm{g}} = P_{{\rm{next}}}^{\rm{g}}$
    (4)   if $\displaystyle\prod\limits_{ {n_i} \in P_{ {\rm{next} } }^{\rm{g} } } { {R_i} } \ge R_{ {\rm{req} } }^{\rm{g} }$ then(10)   end if
    (11) end while
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    表 2  关键VNF备份网络切片重构算法

    输入:NSR $G_v^{\rm{g}} = (V_{\rm{g}},E_{\rm{g}})$,备份节点集${V_{{\rm{reconf}}}}$
    输出:${P^{\rm{g}}} = \left[ {P_{}^{\rm{g}}\left( {{v_k}} \right),P_{}^{\rm{g}}\left( {{e_k}} \right)} \right]$
    (1) for each $v_i^{\rm{g}} \in {V_{{\rm{reconf}}}}$
    (2) 专有备份节点$v_i^b$, $C_k^b = C_i^{\rm{g}}$,
    (3) 备份链路
    (4) 基于式(23)得到$R\left( {G_{{\rm{backup}}}^{\rm{g}}} \right)$
    (5) end for
    (6) while($R\left( {G_{ {\rm{backup} } }^{\rm{g} } } \right) \le R_{ {\rm{req} } }^{\rm{g} }$), do
    (7)  for all $v_k^{\rm{g}} \in {V_{\rm{g}}}$, do
    (8)   按照VNF可靠性递增,对节点进行排序
    (9)   选择相邻VNF对提供共享备份节点$v_i^b$, $C_k^b = \max \left\{ {C_i^{\rm g} ,C_j^{\rm{g}}} \right\}$
    (10)   选择关键VNF对$v_i^{\rm{g}},v_j^{\rm{g}} = {\rm{arg}}\;{\rm{max}}\left\{ {{\theta _{ij}}|v_i^{\rm{g}},v_j^{\rm{g}} \in {V_{\rm{g}}}} \right\}$
    (11)   根据$v_i^{\rm{g}},v_j^{\rm{g}} \in {V_{\rm{g}}}$的状态,选择共享备份可靠性估算模型得到
         $R\left( {G_{{\rm{backup}}}^{\rm{g}}} \right)$
    (12)  end for
    (13)   链路备份
    (14) end while
    (15) return
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    表 3  仿真参数设置表

    仿真参数参数设置仿真参数参数设置
    物理节点的数目N=12, 25, 36物理节点CPU资源容量U[10, 20]
    物理节点可靠性分布U[0.95, 0.99]物理链路带宽资源容量U[20, 50]
    NSR的VNF个数3NSR生命周期[4, 12, 24]
    3种类型切片的可靠性需求U[0.90, 0.98]VNF节点CPU资源需求U[2, 6]
    VNF之间带宽资源需求U[8, 16]
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图(5)表(3)
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  • 通讯作者:  赵国繁, 1349366355@qq.com
  • 收稿日期:  2019-07-04
  • 录用日期:  2020-02-16
  • 网络出版日期:  2020-03-11
  • 刊出日期:  2020-06-01
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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