施穎潔,陳前斌,楊希希,唐 倫
(重慶郵電大學(xué) 移動通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065)
5G時代,將有各種多樣的業(yè)務(wù)及應(yīng)用場景,有著不同的網(wǎng)絡(luò)需求[1-2]。NGMN(next generation mobile networks)對于5G的愿景是5G可以創(chuàng)造一個全方位移動連接社會的系統(tǒng)[3-4]。為了解決多樣化業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)速率、時延、可靠性方面的問題,根據(jù)業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的功能、安全性等需求為每一種類型的業(yè)務(wù)都建立一個單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)成本將會超出預(yù)算。因此,5G提出了構(gòu)建相互獨(dú)立且具有靈活性的網(wǎng)絡(luò)切片[5],為不同應(yīng)用場景下的用戶需求提供有力保障。
網(wǎng)絡(luò)切片是滿足物理基礎(chǔ)設(shè)施上針對不同業(yè)務(wù)需求的虛擬網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)切片理論上可使多個切片共享相同的物理資源,該技術(shù)可以動態(tài)地調(diào)整虛擬網(wǎng)絡(luò)的功能、大小等,有效提高資源利用率,較之傳統(tǒng)架構(gòu)可減少更多的實(shí)施成本[6]。目前虛擬網(wǎng)絡(luò)切片的資源分配通常由基礎(chǔ)設(shè)施提供商(infrastructure provider, InP)根據(jù)移動虛擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商(mobile virtual network operator, MVNO)中用戶的需求決定最終資源分配方案。文獻(xiàn)[7-8]以時延為約束條件,最大化網(wǎng)絡(luò)吞吐量為目標(biāo)構(gòu)建優(yōu)化模型進(jìn)行資源分配。文獻(xiàn)[9]通過建立馬爾科夫決策模型,利用樹搜索算法使網(wǎng)絡(luò)成本最小化。但是,這些研究沒有考慮到切片業(yè)務(wù)之間需求的區(qū)別,并且,沒有考慮到切片空閑資源的回收,不能及時靈活調(diào)整切片的資源,造成資源浪費(fèi)、資源利用率低。因此,在5G網(wǎng)絡(luò)切片資源分配中考慮切片中資源的靈活性十分重要。
文獻(xiàn)[10-11]將不同的切片分配給不同的虛擬運(yùn)營商,獲取最大收益。文獻(xiàn)[12]以用戶速率為約束條件,為不同的切片用戶分配資源。以上研究中,網(wǎng)絡(luò)切片可以相互調(diào)用資源,或是直接為用戶“打標(biāo)簽”分配資源,不能較好地體現(xiàn)切片隔離性。網(wǎng)絡(luò)切片理論上可使多個切片共享相同物理資源,網(wǎng)絡(luò)切片中若一個切片發(fā)生擁塞現(xiàn)象,不能對其他切片造成影響[13],所以,切片之間的隔離十分重要。
基于以上研究,本文抽象化無線資源,提出一種基于拍賣的虛擬資源動態(tài)分配算法。該算法首先根據(jù)切片阻塞率量化切片優(yōu)先級,根據(jù)切片資源剩余量計算需求資源報價。其次,考慮資源需求量與資源總量之間的關(guān)系,確定資源拍賣價格。其中,資源總量包括系統(tǒng)剩余資源和回收資源。最后,提出一種新型的拍賣模型,綜合考慮系統(tǒng)的總收益和用戶需求進(jìn)行資源分配,在滿足用戶服務(wù)質(zhì)量(quality of service,QoS)需求的同時使收益最大化。
在5G網(wǎng)絡(luò)中,由于大量不同的應(yīng)用場景同時接入,網(wǎng)絡(luò)切片的設(shè)計必須靈活且完全獨(dú)立[17]。網(wǎng)絡(luò)切片的靈活性可以動態(tài)滿足各自業(yè)務(wù)及用戶的需求,同時網(wǎng)絡(luò)切片具有絕對獨(dú)立性,各個切片間不能相互影響。
針對不同切片的業(yè)務(wù)需求,本文提出一種基于拍賣的虛擬資源動態(tài)分配算法,保證不同業(yè)務(wù)用戶的QoS需求。首先,切片根據(jù)用戶狀態(tài)觸發(fā)開關(guān)提出需求申請;其次,以價格為信譽(yù)因子,根據(jù)切片的優(yōu)先級,回收并分配資源;然后,將切片分配資源時的空隙資源整合作為預(yù)留資源,減小分配資源帶來的時延;最后,利用虛擬拍賣策略在滿足用戶QoS的同時使得收益最大化。
資源的虛擬化[2],即將物理資源抽象化,并根據(jù)抽象資源的分配結(jié)果分配物理資源。本文抽象化資源的過程分為4個步驟:初始化、資源拍賣、提交方案以及資源映射。MVNO根據(jù)切片的業(yè)務(wù)需求,制定各類業(yè)務(wù)的切片,并為其分配一定資源以滿足基本需求;用戶根據(jù)業(yè)務(wù)類型分別接入各個切片,切片根據(jù)用戶狀態(tài)向MVNO進(jìn)行反饋,并制定投標(biāo)信息,MVNO根據(jù)決策為用戶分配資源并及時對空隙資源進(jìn)行整合,通過拍賣策略得到最終分配結(jié)果;InP根據(jù)請求與MVNO建立購買、租借策略,并分配物理資源;最后MVNO根據(jù)計劃向InP租借物理資源。
在動態(tài)分配資源的過程中,根據(jù)切片狀態(tài)提交異常信息,由業(yè)務(wù)需求以及用戶狀態(tài)聯(lián)合制定切片優(yōu)先級,在分配資源過程中優(yōu)先級有著很重要的作用。分配資源時由于各切片資源需求差異會留有資源空隙,此時MVNO需要將這些資源空隙整合作為預(yù)留資源,在資源臨界點(diǎn)作為緩沖資源進(jìn)行分配。
本節(jié)對基于內(nèi)部拍賣的虛擬資源分配算法的系統(tǒng)架構(gòu)及其工作機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)介紹。該算法是在MVNO中根據(jù)切片提供的需求與回收信息,以及MVNO整合的空隙資源信息,形成一個如圖1所示的拍賣模型。
該拍賣策略的核心思想是根據(jù)用戶狀態(tài)決定切片狀態(tài),計算切片優(yōu)先級,以價格代替信譽(yù)因子,以此計算網(wǎng)絡(luò)切片資源需求拍賣報價以及資源回收報價,從而將資源優(yōu)化分配問題轉(zhuǎn)換成為一個內(nèi)部拍賣問題。MVNO處理資源分為2個部分,分別是資源分配(Allocate)和資源回收(Recyeling)(見圖1中的虛線連接部分),只有切片根據(jù)自身的狀態(tài)觸發(fā)異常開關(guān)時,需要向MVNO提交申請,否則切片只需對自身狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測,切片不能自由調(diào)用資源,回收的資源和空隙資源均由MVNO統(tǒng)一處理。
圖1 虛擬資源分配拍賣模型Fig.1 Virtual resource allocation auction model
整個拍賣過程中的計算分配量和實(shí)際分配資源都在MVNO中進(jìn)行,切片沒有實(shí)際的計算功能,只需要監(jiān)測和記錄,MVNO統(tǒng)一管理資源,避免切片直接接觸造成干擾,在回收資源后和整合的空隙資源再次整合并分配資源;其次切片只具有監(jiān)測和記錄的能力,當(dāng)切片異常時提交該時刻的切片狀態(tài),最后為各個切片確定需求量、供給量和報價信息,并綜合考慮切片優(yōu)先級為其分配資源。
每個切片接入對應(yīng)類型的用戶,因此,各個切片的用戶狀態(tài)是不同的。本文綜合考慮切片業(yè)務(wù)的特殊性和用戶狀態(tài)計算切片的阻塞率,并分析切片當(dāng)前的用戶狀態(tài),判斷切片是否需要資源或有空閑資源。最后,當(dāng)切片屬于異常狀態(tài)時需要向MVNO提交當(dāng)前切片信息。
假設(shè),切片中的用戶到達(dá)率服從參數(shù)為λa的泊松分布,業(yè)務(wù)持續(xù)時間Tk服從參數(shù)為μa的指數(shù)分布,在業(yè)務(wù)執(zhí)行過程中,當(dāng)業(yè)務(wù)中斷,用戶回到當(dāng)前業(yè)務(wù)的概率為Pb,用戶恢復(fù)當(dāng)前業(yè)務(wù)的到達(dá)率服從參數(shù)為λa的泊松分布,且用戶離開的時間服從參數(shù)為μb的指數(shù)分布。
切片中資源以其自身的定義,假設(shè)切片已有資源的數(shù)量為Nl={1,2,…,N},Nnew為新用戶接入時所用的資源,Nl與Nnew的差值為切片的預(yù)留資源。在切片中,最大服務(wù)率為NRlμb。其中,NRl為服務(wù)切片l的資源數(shù)。那么切片強(qiáng)度為
(1)
(1)式中,λl是切片l的業(yè)務(wù)總到達(dá)率,其由新業(yè)務(wù)和中斷業(yè)務(wù)用戶到達(dá)率構(gòu)成,可以寫成
(2)
(2)式中:等式右邊第1項(xiàng)是切片l的業(yè)務(wù)達(dá)到率;第2項(xiàng)是切片l中業(yè)務(wù)中斷后恢復(fù)的達(dá)到率;第3項(xiàng)是當(dāng)用戶在執(zhí)行切片l中的業(yè)務(wù),被其他業(yè)務(wù)打斷的概率。則新業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)阻塞率和恢復(fù)業(yè)務(wù)的阻塞率分別為
(3)
(4)
切片用戶的QoS需求主要體現(xiàn)在速率和時延2個方面。每個切片具有其特殊大小的子信道帶寬,可以直接為切片用戶服務(wù)。當(dāng)資源不足時,分配的子信道帶寬若不能滿足需求,則另外為切片增加CPU(central processing unit),減少時延。
切片狀態(tài)為Xl={Ul,Ml,xl},Ul,Ml分別代表用戶狀態(tài)和剩余資源狀態(tài),用戶狀態(tài)包括切片強(qiáng)度Γ和業(yè)務(wù)阻塞率P;xl是一個二進(jìn)制數(shù),其值為0代表正常狀態(tài),為1代表異常狀態(tài)。
切片中資源為Rl時,已有資源的數(shù)量定為NRl={1,2,…,N}。每個切片根據(jù)自己的資源數(shù)和需求量定制虛擬資源的參數(shù),使其可以直接分給用戶使用。{Cblock,Pclock}代表切片的子信道數(shù)和CPU,切片的剩余資源狀態(tài)為R={Crem,Prem},MVNO中的總資源可表示為{C,P},其中,MVNO中的子信道數(shù)和CPU分別為
(5)
(6)
(7)
(8)
根據(jù)當(dāng)前切片的阻塞率和該切片業(yè)務(wù)需求的最大阻塞率計算切片的優(yōu)先級,且最大阻塞率根據(jù)當(dāng)前切片剩余資源狀態(tài)實(shí)時更新。切片優(yōu)先級越高則表示當(dāng)前切片時延與業(yè)務(wù)需求差距越大,需要優(yōu)先分配資源。若未完成的已決定的分配沒有結(jié)束時,新的優(yōu)先級已經(jīng)形成,則允許優(yōu)先級較高的切片進(jìn)入分配隊(duì)列。異常信息的緊急程度U與用戶狀態(tài)有關(guān)。
(9)
(9)式中,當(dāng)xl=1時,0
優(yōu)先級僅考慮了切片當(dāng)前用戶狀態(tài),而不同場景下,時延要求的差異尤為突出,針對不同的時延需求,引入一個時延權(quán)重因子
(10)
(10)式中:ρl是切片l容忍的最大時延門限;τl是切片允許的最大丟包率。
由于各個切片所定義的虛擬資源數(shù)不同,資源的收益也不同,MVNO需要綜合剩余資源量與資源需求量,資源供給量統(tǒng)一單位資源的參數(shù)和定價,處于異常狀態(tài)的切片將其狀態(tài)提交,MVNO為各切片確定資源需求量與供給量。
當(dāng)xl=1時,切片異常,MVNO需要根據(jù)具體的切片狀態(tài)判斷切片的異常分類并計算需求信息、回收信息以及相應(yīng)的報價。需求信息Ql是針對各切片的不同需求以及當(dāng)前的用戶狀態(tài),由恢復(fù)業(yè)務(wù)的用戶需求以及新用戶需求2部分構(gòu)成。恢復(fù)業(yè)務(wù)用戶需求需要考慮其需求資源沒有用到的可能性。根據(jù)MVNO計算需求信息Ql,制定其估價bl(Ql)為
(11)
切片的靈活性即切片中的資源會根據(jù)當(dāng)前的用戶狀態(tài)實(shí)時改變的能力,當(dāng)xl=1且MVNO判斷需要回收切片空閑資源時,MVNO根據(jù)切片狀態(tài)計算空閑資源Wl,并確定其報價al(Wl),MVNO預(yù)留資源不夠時,則調(diào)用切片的空閑資源。
al(Wl)=ζ[ql(NRl)-ql(NRl-Wl)]
(12)
(12)式中:ζ∈[0,1]是折扣因子;ql(NRl)是切片總資源的收益;ql(NRl-Wl)是切片的現(xiàn)有收益。
可用資源包括其他切片中的空閑資源,MVNO首先整合空隙資源和切片空閑資源作為預(yù)留資源,當(dāng)?shù)竭_(dá)資源量的零界點(diǎn)時,則分配預(yù)留資源作為緩沖資源。本文以最大化需求收益與供給收益的差值為目標(biāo),建立拍賣獲勝者問題模型
(13)
s.t. (a)wl∈{0,1}
(d)Pw,l∈{0,1}
(g)δRmin≤Rl
因?yàn)闃I(yè)務(wù)場景不同,需要優(yōu)先滿足優(yōu)先級高且時延要求較高的切片,此時的資源分配分為2個階段,第1階段采用貪婪算法分配子信道,此時假設(shè)CPU與子信道按比例分配,當(dāng)子信道分配完畢后再進(jìn)行第2階段的CPU分配和調(diào)整。基于以上討論,首先進(jìn)行優(yōu)化問題Q1的第1階段的資源分配,如Q2所示。
(14)
s.t. (a)cl∈{0,1}
(d)δRmin′≤Rl
現(xiàn)在問題已簡化為CPU與子信道按比例分配的問題。cl為一個二進(jìn)制數(shù),表示切片是否中標(biāo);(b)式用于保證切片不會重復(fù)中標(biāo);(c)式表示分配的資源不超過總資源量;(d)式表示切片的資源需要滿足用戶及業(yè)務(wù)的需求,Rmin′是切片可接受的最小速率。
分配資源后檢查切片是否能滿足速率需求,如果不能滿足,則再調(diào)整分配資源,直至速率滿足或者優(yōu)先級和時延權(quán)重因子影響的數(shù)組排列后移。在我們提出的算法求解過程中,對每一個有需求的切片,都會優(yōu)先執(zhí)行以下過程
算法1資源預(yù)分配算法。
輸入Q:需求資源量;B(Q):需求資源報價;
W:回收資源量;B(W):回收資源報價
輸出Rrem: 剩余資源量;
Rl:各切片的資源量
Rl—allocate:各切片的分配資源量;
1: while a new time period starts do
2: for(l= 1;l<=L;l++)
3:δl← 0;
4:ζl← 0; //初始化各切片的優(yōu)先級和時延因子
5: end for
6: whilexl=1
7: if(fl=1)
10: else if(fl=0)
11:δ←δl;
12:ζ←ζl; //更新各切片的優(yōu)先級和時延因子
13: end if
14:m← Max(δ1,δ2,…,δL);
15:n← Max(ζ1,ζ2,…,ζL);
//根據(jù)優(yōu)先級和時延權(quán)重找到最大值
16: if(C>0 &P>0)
17: for(m=1;m<=L;m++)
18: for(n=1;n<=M;n++)
19:P←P-xCl—allocate;
20:C←C-Cl—allocate;
21:Rl←Rl+Rl—allocate;//分配并更新資源量
22: end for
23: end if
24: end while
25: end while
在第1階段,分配資源時首先假設(shè)CPU與子信道成比例分配,但由于業(yè)務(wù)需求不同,CPU需求差異較大,在第2階段,任務(wù)是在已分配資源的基礎(chǔ)上對CPU進(jìn)行實(shí)際分配和調(diào)整,盡量提高系統(tǒng)頻道利用率及吞吐量。在第1階段結(jié)束后,可以得到一個分配矩陣,在此階段中首先需要判斷切片需求是否已經(jīng)滿足,根據(jù)原始需求與第1階段分配結(jié)果得到新的需求?;赒2的分配結(jié)果,原優(yōu)化模型Q1的第2階段優(yōu)化問題如Q3所示。
(15)
s.t. (a)pl∈{0,1}
(d)δRmin≤Rl
(15)式中:pl為一個二進(jìn)制數(shù),表示切片是否中標(biāo);(b)式用于保證切片不會重復(fù)中標(biāo);(c)式為總資源量的限制;(d)式表示切片的資源需要滿足用戶及業(yè)務(wù)的需求,此限制條件與Q2的一致。
此時的報價是原始報價與分配結(jié)果的差值,且只有CPU需求,不再對子信道進(jìn)行分配。
算法2CPU調(diào)整分配算法。
輸入Q:需求資源量;
輸出B(Q):需求資源報價;
Pl:各切片的資源量;
1: while pre-allocation is over do
3: if(δlRmin>=Rl)
4:B’(Q)←B(Q);
5:δ←δl; //更新需求資源報價和切片優(yōu)先級
6: end if
7:x← Max(δ1B′(Ql),δ2B′(Ql),…,δLB′(Ql));
8: for(x=1;x<=X;x++)
9: if(Premaind> 0)
10:Pl←Pl+Pl—allocate;
11:P←P-Pl—allocate; //分配并更新資源量
12: else if(Premaind<=0)
13: break;
14: end if
15: end for
16: return
17: end while
本小結(jié)參照3GPP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[14],對上述虛擬資源分配算法進(jìn)行數(shù)值仿真,表1為仿真參數(shù)設(shè)置。
表1 仿真參數(shù)設(shè)置
在實(shí)驗(yàn)中,設(shè)置5個網(wǎng)絡(luò)切片,當(dāng)切片狀態(tài)達(dá)到最低資源利用率門限,則該切片提供供給資源,當(dāng)切片狀態(tài)達(dá)到阻塞率門限,則該切片需要分配資源,將最低資源利用率的最大值設(shè)置為0.5,而阻塞率決定是否為切片分配資源,所以,設(shè)置切片阻塞率為0.1時可以開始考慮為切片分配資源。由于切片業(yè)務(wù)應(yīng)該具有較大的差異性,所以將切片的最低資源利用率門限值和阻塞率門限值分別設(shè)置為{0.5,0.4,0.3,0.2,0.1}和{0.1,0.2,0.3,0.4,0.5},如此可以遍歷所有情況,例如切片1最低資源利用率門限值和阻塞率門限值分別為0.5和0.1,即該切片對時延要求較高,當(dāng)阻塞發(fā)生即可以分配資源。
圖2給出了本文資源分配算法與按比例分配算法、按優(yōu)先級分配算法的資源分配情況。比例公平算法按比例分配所有資源,使每個切片都能得到資源,保證了切片的公平性;按優(yōu)先級分配算法保證了高優(yōu)先級切片的所需資源,這樣可能出現(xiàn)高優(yōu)先級切片將資源用完,低優(yōu)先級切片則無資源可用;本文的算法同時考慮切片的需求和切片的優(yōu)先級,此時沒有空閑資源,但存在空隙資源,剩余的空隙資源作為預(yù)留資源,等待下一周期的空閑資源或空隙資源一并整合分配。
圖2 本文與比例公平算法、Priority分配算法分配結(jié)果的比較Fig.2 Compares with the results of the proportional fairness algorithm and the Priority distribution algorithm
為切片分配資源,首先考慮的是用戶QoS需求,所以用戶的滿意度是切片資源分配的重要指標(biāo),本文設(shè)置的用戶滿意度的主要因素為系統(tǒng)是否為切片分配了其所需要的資源,并達(dá)到其QoS需求。
圖3為本文資源分配算法與按比例分配算法、按優(yōu)先級分配算法在資源不夠的情況下各優(yōu)先級對所分配資源的滿意度的比較。隨優(yōu)先級的增加,按比例分配算法滿意度降低,此算法雖然盡可能地保證所有切片的需求,但對于優(yōu)先級高的用戶考慮不周;按優(yōu)先級分配算法可以保證優(yōu)先級高的切片,但優(yōu)先級低的切片滿意度卻很低,因?yàn)橘Y源不夠的壓力完全轉(zhuǎn)移給了優(yōu)先級低的切片;本文算法的滿意度隨優(yōu)先級的增加而增加,盡可能地保證優(yōu)先級高的切片,而對優(yōu)先級低的切片也分配一定的資源。
圖3 優(yōu)先級增加,本文與比例公平算法、Priority分配算法滿意度比較Fig.3 Satisfaction compares with the proportional fairnessalgorithm, Priority distribution algorithm
圖4為當(dāng)所有切片需求同時增加時各優(yōu)先級的切片所得到的資源情況,當(dāng)資源足夠時,各個切片均可得到相應(yīng)的資源,當(dāng)達(dá)到總資源的臨界點(diǎn)時,調(diào)用整合的空隙資源繼續(xù)分配,所以,切片獲得的資源依然有一定程度的增加;當(dāng)總資源不夠時,將依次調(diào)用優(yōu)先級低的切片資源,但依然要滿足低優(yōu)先級切片的最低需求,資源分配趨于穩(wěn)定前開始調(diào)用下一優(yōu)先級切片的資源,所以,資源量從最低優(yōu)先級開始依次趨于穩(wěn)定。
圖4 切片需求同時增加,各優(yōu)先級的切片所得到的資源情況Fig.4 Different slices own different priority obtained resource
圖5為當(dāng)資源不夠且所有切片需求一致時各優(yōu)先級的切片所得到資源的過程。從圖5可看出,從優(yōu)先級較高的切片開始,切片依次獲得所需資源,但在滿足最高優(yōu)先級需求的同時也對其他優(yōu)先級的切片有資源分配,在分配趨于穩(wěn)定時,優(yōu)先級較低的切片還沒有得到全部所需資源,但此時資源已經(jīng)不足,之后的切片獲得的資源緩慢增加正是在分配預(yù)留資源直至全部預(yù)留資源分配完畢。
圖5 切片需求一致時,各優(yōu)先級的切片所得到資源的過程Fig.5 Slices have same consistent, the process of different slices own different priority obtained resource
本文針對5G網(wǎng)絡(luò)中虛擬網(wǎng)絡(luò)切片靈活且完全獨(dú)立,動態(tài)滿足各自業(yè)務(wù)及用戶的需求,各個切片間不能相互影響的要求,提出一種雙向且動態(tài)、基于內(nèi)部拍賣的網(wǎng)絡(luò)切片虛擬資源分配策略。首先,抽象化無線資源,對不同虛擬網(wǎng)絡(luò)切片的不同業(yè)務(wù)需求定制其特殊虛擬資源需求,從用戶層面提出需求,根據(jù)切片業(yè)務(wù)以及用戶狀態(tài)制定優(yōu)先級,將業(yè)務(wù)需求與用戶需求結(jié)合;切片根據(jù)用戶狀態(tài)觸發(fā)開關(guān)提出需求申請;以價格為激勵,根據(jù)切片的優(yōu)先級,綜合考慮系統(tǒng)的總收益和用戶需求回收并分配資源;將切片分配資源時的空隙資源整合作為預(yù)留資源,減小分配資源帶來的時延,最后,提出一種新型的內(nèi)部拍賣模型,利用虛擬拍賣的方式?jīng)Q定資源分配情況。仿真結(jié)果表明,本文提出的資源分配算法可以在滿足用戶QoS的同時使得收益最大化。
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