面向5G網(wǎng)絡(luò)切片無線資源分配　

作者/ 粟欣1,2 龔金金1 曾捷2

　　1.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 寬帶無線接入實(shí)驗(yàn)室(重慶 400065)

　　2.清華大學(xué)信息技術(shù)研究院 清華信息科學(xué)和技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室(北京 100084)

　　*基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(編號(hào)：2015AA01A706);國家科技重大專項(xiàng)(編號(hào)： 2014ZX03004003);北京市科委計(jì)劃(編號(hào)：D161100001016002);港澳臺(tái)科技合作專項(xiàng)(編號(hào)： 2015DFT10160B)

　　粟欣(1962-)，男，博士，教授，研究方向：寬帶無線接入、自組織網(wǎng)絡(luò)、軟件無線電、協(xié)作通信等;龔金金，女，碩士生，助理研究員，研究方向：網(wǎng)絡(luò)切片、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等;曾捷，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：寬帶無線接入、軟件無線電、 4G/5G技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化。

摘要：未來網(wǎng)絡(luò)需要滿足多種應(yīng)用場景在時(shí)延、可靠性和速率等方面的不同要求，然而只構(gòu)建一種網(wǎng)絡(luò)難以滿足所有應(yīng)用場景的需求。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)即在一個(gè)物理基礎(chǔ)設(shè)施之上構(gòu)建多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)以滿足不同類型應(yīng)用場景的需求，能夠?qū)崿F(xiàn)專用電信網(wǎng)絡(luò)所具有的所有功能，且用戶感受不到差別。無線接入網(wǎng)切片是端到端網(wǎng)絡(luò)切片的一部分，而無線資源分配又是無線接入網(wǎng)切片的重要內(nèi)容。本文提出了一種基于比例公平算法的半靜態(tài)資源分配方案，在各網(wǎng)絡(luò)切片之間實(shí)現(xiàn)更公平的資源分配。仿真結(jié)果對(duì)比了三種資源分配方案，半靜態(tài)資源分配方案獲得的公平性優(yōu)于其他兩種資源分配方案。

引言

　　在未來的5G網(wǎng)絡(luò)中將涌現(xiàn)多種應(yīng)用場景，其中三大典型應(yīng)用場景分別為增強(qiáng)移動(dòng)寬帶(eMBB)、大規(guī)模機(jī)器類型通信(mMTC)和關(guān)鍵機(jī)器類型通信(CMTC)，不同的應(yīng)用場景在移動(dòng)性、安全性、時(shí)延和可靠性等方面要求各不相同^[1]。現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)難以滿足所有應(yīng)用場景的需求，若為不同應(yīng)用場景構(gòu)建多個(gè)不同的物理網(wǎng)絡(luò)又不太現(xiàn)實(shí)，產(chǎn)生的巨大成本是運(yùn)營商無法接受的。在上述背景下，下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟提出了網(wǎng)絡(luò)切片的概念，即在一個(gè)物理基礎(chǔ)設(shè)施上，利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)等技術(shù)，按需構(gòu)建不同的網(wǎng)絡(luò)切片^[2]。網(wǎng)絡(luò)切片之間相互隔離，任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片的擁塞、過載、配置的調(diào)整不影響其它的網(wǎng)絡(luò)切片。根據(jù)不同的業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景的特征創(chuàng)建不同的網(wǎng)絡(luò)切片，并使用恰當(dāng)?shù)馁Y源分配方式、控制管理機(jī)制和運(yùn)營策略，實(shí)現(xiàn)不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從而保證應(yīng)用場景的性能要求，提高用戶體驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

　　端到端網(wǎng)絡(luò)切片包括無線接入網(wǎng)切片、核心網(wǎng)切片，以及連接兩者的傳輸網(wǎng)絡(luò)切片，從而充分利用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。目前3GPP(第三代合作伙伴計(jì)劃)主要關(guān)注核心網(wǎng)切片，包括網(wǎng)絡(luò)切片間的隔離、網(wǎng)絡(luò)功能共享等，而無線接入網(wǎng)是否需要切片還在討論中^[3]。然而，5G場景的特定需求也希望無線接入網(wǎng)像核心網(wǎng)一樣進(jìn)行切片，開發(fā)新型的業(yè)務(wù)。無線接入網(wǎng)切片運(yùn)行在無線云平臺(tái)(包括無線硬件和基帶資源池)，并利用虛擬化資源構(gòu)建專用和定制化的邏輯網(wǎng)絡(luò)，其中將一個(gè)基站虛擬成多個(gè)虛擬基站是必不可少的環(huán)節(jié)，并按一定原則為不同的虛擬基站分配無線資源(如時(shí)隙、頻譜和信號(hào)處理等)。對(duì)于虛擬基站而言，無線接入網(wǎng)切片為其配置空中接口的各種參數(shù)(例如，符號(hào)長度、子載波間隔、循環(huán)前綴長度和混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求(HARQ)的參數(shù))，以實(shí)現(xiàn)不同的服務(wù)模型^[4~5]。

　　在5G無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化環(huán)境中，資源調(diào)度被賦予了新的含義。首先，傳統(tǒng)的資源調(diào)度是以基站為單位的，同一基站的空時(shí)頻資源在調(diào)度器的作用下分配給附著于該基站的某些用戶;不同基站的調(diào)度器可能完全沒有交互，或者通過某些信令進(jìn)行粗糙的交互。而在新的體系結(jié)構(gòu)中，由于實(shí)現(xiàn)了虛擬化和集中化的處理，網(wǎng)絡(luò)層面的資源調(diào)度成為可能。在無線接入網(wǎng)切片的無線資源管理中，移動(dòng)運(yùn)營商需要部署高效、靈活的調(diào)度技術(shù)，為不同的網(wǎng)絡(luò)切片動(dòng)態(tài)地分配資源，注重不同網(wǎng)絡(luò)切片之間和之內(nèi)的用戶調(diào)度公平性是移動(dòng)運(yùn)營商需要考慮的問題。文獻(xiàn)[6]提出了一種針對(duì)LTE(長期演進(jìn)技術(shù))網(wǎng)絡(luò)無線資源塊的高效資源分配方案，實(shí)現(xiàn)與服務(wù)提供商訂閱的服務(wù)合同，以及小區(qū)中心用戶和小區(qū)邊緣用戶之間的公平性要求，并允許靈活定義不同服務(wù)提供商的公平性要求。

1 系統(tǒng)模型

　　在未來，移動(dòng)運(yùn)營商至少需要構(gòu)建三個(gè)不同類型的網(wǎng)絡(luò)切片，如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)切片1、2和3分別屬于eMBB、cMTC和mMTC，移動(dòng)運(yùn)營商為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片分配無線虛擬資源(如時(shí)隙、頻譜和信號(hào)處理等)，網(wǎng)絡(luò)切片可以根據(jù)需求動(dòng)態(tài)的伸縮，且彼此相互隔離。同一用戶可以同時(shí)接入多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片，享受所需要的不同網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

　　在本文中，移動(dòng)運(yùn)營商使用半靜態(tài)資源分配方法為各個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片分配無線資源(包括時(shí)隙和頻譜等)。假設(shè)移動(dòng)運(yùn)營商擁有的無線資源(以資源塊為一個(gè)單位，一個(gè)資源塊包括12個(gè)載波，共1個(gè)時(shí)隙，即0.5ms)總數(shù)為Q。首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)切片類型、網(wǎng)絡(luò)容量和負(fù)載情況等，移動(dòng)運(yùn)營商為各個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片分配固定的資源以滿足其最低要求。其中網(wǎng)絡(luò)切片1至網(wǎng)絡(luò)切片N初始分配到的資源總數(shù)為q1，q2，…，qn，…qN;在分配給各網(wǎng)絡(luò)切片資源之后，移動(dòng)運(yùn)營商所剩余的資源數(shù)為Q'，等于總資源數(shù)減去分配給各切片的資源數(shù)。然后根據(jù)比例公平調(diào)度算法計(jì)算出的優(yōu)先級(jí)，按優(yōu)先級(jí)從高到低的順序，依次給各網(wǎng)絡(luò)切片再次分配資源，直到資源剩余數(shù)為零，同時(shí)優(yōu)先級(jí)高的網(wǎng)絡(luò)切片優(yōu)先選擇信道好的資源。獲得資源的網(wǎng)絡(luò)切片所擁有的資源數(shù)也相應(yīng)增加，網(wǎng)絡(luò)切片1至網(wǎng)絡(luò)切片N更新后的資源總數(shù)為q1，q2，…，qn，…qN。在各網(wǎng)絡(luò)切片內(nèi)，根據(jù)比例公平調(diào)度算法計(jì)算出的優(yōu)先級(jí)，按優(yōu)先級(jí)從高到低的順序，依次給網(wǎng)絡(luò)切片內(nèi)的用戶分配資源，優(yōu)先級(jí)高的用戶優(yōu)先選擇信道好的資源，直到資源全部分配完畢。

(1)

R_n表示第n個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片各用戶的和速率，k_n表示第n個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片的在線用戶數(shù)。

　　若該用戶獲得資源，則按式(4)進(jìn)行更新，否則按式(5)進(jìn)行更新。

2 網(wǎng)絡(luò)切片的無線資源分配

　　無線資源分配技術(shù)是實(shí)現(xiàn)資源高效利用的關(guān)鍵因素，此外，還可以用此將網(wǎng)絡(luò)切片相互隔離(例如，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片的空口擁塞不影響其他網(wǎng)絡(luò)切片)。我們?cè)O(shè)想三種可能的方案來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片之間的無線資源分配，一是靜態(tài)資源分配，二是半靜態(tài)資源分配，三是動(dòng)態(tài)資源分配。

　　在靜態(tài)資源分配方案中，頻率資源、時(shí)間資源被固定地分配給每一個(gè)特定的網(wǎng)絡(luò)切片，資源一旦配置，網(wǎng)絡(luò)切片就可持續(xù)擁有很長時(shí)間，并且用戶可以根據(jù)無線資源和RAT(無線接入技術(shù))信息的預(yù)配置來接入目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)切片。由于每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片彼此獨(dú)立，因此，網(wǎng)絡(luò)切片可以獨(dú)立工作。

　　在半靜態(tài)資源分配方案中，頻率資源、時(shí)間資源被半靜態(tài)地分配給每一個(gè)特定的網(wǎng)絡(luò)切片。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片所占用的帶寬和/或時(shí)隙隨著基站到基站不時(shí)地變化，如圖2所示。在這種情況下，可以設(shè)計(jì)更靈活的機(jī)制以幫助用戶確定目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)切片的無線資源和RAT信息。

　　在動(dòng)態(tài)資源分配方案中，頻率資源、時(shí)間資源和空間資源在網(wǎng)絡(luò)切片之間動(dòng)態(tài)分配，例如，由網(wǎng)絡(luò)切片的實(shí)時(shí)分組到達(dá)條件確定帶寬和/或時(shí)隙占用情況。網(wǎng)絡(luò)切片的公共調(diào)度器實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的資源分配，并保證網(wǎng)絡(luò)切片之間的公平性^[7]。

　　虛擬化環(huán)境為無線資源調(diào)度提供了更大的范圍和更高的維度。為了統(tǒng)一描述5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的各種空口資源調(diào)度策略，有必要將全部空口資源在一個(gè)高維空間中描述，以空間切片的形式對(duì)資源塊進(jìn)行統(tǒng)一定義。根據(jù)用戶業(yè)務(wù)和信道質(zhì)量的不同，可以對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)或半靜態(tài)的管理;對(duì)偶發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的單個(gè)用戶，進(jìn)行小切片的動(dòng)態(tài)調(diào)度;而對(duì)業(yè)務(wù)需求固定(如語音)且信道狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定的單個(gè)用戶，進(jìn)行小切片的半靜態(tài)調(diào)度;對(duì)于同一業(yè)務(wù)需求的多個(gè)用戶，在大切片上進(jìn)行半靜態(tài)的資源調(diào)度以滿足其整體需求，再在小切片上利用統(tǒng)計(jì)復(fù)用的方式動(dòng)態(tài)進(jìn)行小粒度的單播調(diào)度或者多播調(diào)度，從而最大程度地利用空口資源，同時(shí)減輕調(diào)度開銷。上述最后一種場景不僅需要空口的控制信息，同樣需要高層業(yè)務(wù)的狀態(tài)信息，相當(dāng)于一種多維度的聯(lián)合調(diào)度。

3 仿真分析

　　假設(shè)移動(dòng)運(yùn)營商同時(shí)構(gòu)建了三個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片，總資源數(shù)為14。半靜態(tài)資源分配方案，移動(dòng)運(yùn)營商為各網(wǎng)絡(luò)切片固定分配的資源數(shù)均為4，其余的資源按照計(jì)算好的優(yōu)先級(jí)分配給各網(wǎng)絡(luò)切片，其中每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片擁有的在線用戶數(shù)均為5。靜態(tài)資源分配方案，為在各網(wǎng)絡(luò)切片資源分配中追求相對(duì)公平，縮小各網(wǎng)絡(luò)切片獲得固定資源的差距，因此，我們?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)切片1、2、3分別分配的資源數(shù)為5、5、4。動(dòng)態(tài)資源分配方案，采用資源分配中的最大載干比算法思想，比較各個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片內(nèi)用戶的信道質(zhì)量，資源優(yōu)先分配給信道好的用戶，多次迭代之后統(tǒng)計(jì)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片所獲得的資源總數(shù)。

　　圖3為半靜態(tài)資源分配、靜態(tài)資源分配和動(dòng)態(tài)資源分配三種方案關(guān)于各網(wǎng)絡(luò)切片資源調(diào)度的比較，隨著迭代次數(shù)的增加，半靜態(tài)資源分配方案中的各網(wǎng)絡(luò)切片獲得的資源總數(shù)差距較小，迭代次數(shù)越多，差距越小。而靜態(tài)資源分配方案中各網(wǎng)絡(luò)切片獲得的資源總數(shù)則相對(duì)懸殊，迭代次數(shù)越多，差距越明顯。動(dòng)態(tài)資源分配方案的仿真結(jié)果與半靜態(tài)資源分配方案類似，在資源分配公平性方面均要優(yōu)于靜態(tài)資源分配方案，但是與半靜態(tài)資源分配方案相比，經(jīng)過觀察多次運(yùn)行的仿真結(jié)果，動(dòng)態(tài)資源分配方案在資源分配公平性方面略差于本文提出的半靜態(tài)資源分配方案。如圖3所示，在動(dòng)態(tài)資源分配方案中，網(wǎng)絡(luò)切片1獲得的資源數(shù)最多，且要多于半靜態(tài)資源分配方案中的任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片，而網(wǎng)絡(luò)切片2獲得的資源數(shù)最少，同樣也少于半靜態(tài)資源分配方案中的任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片。由此可得出，動(dòng)態(tài)資源分配方案中的各網(wǎng)絡(luò)切片獲得的資源總數(shù)的差距要大于半靜態(tài)資源分配方案，公平性要次之。綜上所述，在資源分配公平性方面，半靜態(tài)資源分配方案要優(yōu)于動(dòng)態(tài)資源分配方案，動(dòng)態(tài)資源分配方案要優(yōu)于靜態(tài)資源分配方案。

4 結(jié)論

　　網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)為解決未來可能出現(xiàn)的多樣化應(yīng)用場景在網(wǎng)絡(luò)容量、時(shí)延、可靠性、速率等方面要求各不相同問題提供了有力的保障。利用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在同一物理基礎(chǔ)設(shè)施之上為不同類型的應(yīng)用場景構(gòu)建相應(yīng)的邏輯網(wǎng)絡(luò)，并保證相互隔離?？紤]到移動(dòng)運(yùn)營商擁有的總資源是有限的，為解決在各網(wǎng)絡(luò)切片之間如何分配無線資源，本文提出了一種基于比例公平算法的半靜態(tài)資源分配方案，在各網(wǎng)絡(luò)切片之間合理有限的分配資源，以實(shí)現(xiàn)相對(duì)的公平性。本文通過仿真對(duì)比了半靜態(tài)資源分配方案、靜態(tài)資源分配方案和動(dòng)態(tài)資源分配方案，可以得出半靜態(tài)資源分配方案在資源分配公平性方面要優(yōu)于后兩種方案，而動(dòng)態(tài)資源分配方案又要優(yōu)于靜態(tài)資源分配方案。本文通過分析三種資源分配方案的公平性不同，為以后無線接入網(wǎng)切片的無線資源分配提供參考。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[7]3GPP TSG RAN WG3 Meeting #91bis R3-160780. Analysis on enabling network slicing in RAN. Bangalore, India, April 11 11th - 15th, 2016.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第4期第30頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。