面向5G網(wǎng)絡(luò )切片無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)接入實(shí)驗室(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)驗室(北京 100084)

　　*基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)(編號：2015AA01A706);國家科技重大專(zhuān)項(編號： 2014ZX03004003);北京市科委計劃(編號：D161100001016002);港澳臺科技合作專(zhuān)項(編號： 2015DFT10160B)

　　粟欣(1962-)，男，博士，教授，研究方向：寬帶無(wú)線(xiàn)接入、自組織網(wǎng)絡(luò )、軟件無(wú)線(xiàn)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，高級工程師，研究方向：寬帶無(wú)線(xiàn)接入、軟件無(wú)線(xiàn)電、 4G/5G技術(shù)與標準化。

摘要：未來(lái)網(wǎng)絡(luò )需要滿(mǎn)足多種應用場(chǎng)景在時(shí)延、可靠性和速率等方面的不同要求，然而只構建一種網(wǎng)絡(luò )難以滿(mǎn)足所有應用場(chǎng)景的需求。網(wǎng)絡(luò )切片技術(shù)即在一個(gè)物理基礎設施之上構建多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò )以滿(mǎn)足不同類(lèi)型應用場(chǎng)景的需求，能夠實(shí)現專(zhuān)用電信網(wǎng)絡(luò )所具有的所有功能，且用戶(hù)感受不到差別。無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)切片是端到端網(wǎng)絡(luò )切片的一部分，而無(wú)線(xiàn)資源分配又是無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)切片的重要內容。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)現更公平的資源分配。仿真結果對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?xún)?yōu)于其他兩種資源分配方案。

引言

　　在未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò )中將涌現多種應用場(chǎng)景，其中三大典型應用場(chǎng)景分別為增強移動(dòng)寬帶(eMBB)、大規模機器類(lèi)型通信(mMTC)和關(guān)鍵機器類(lèi)型通信(CMTC)，不同的應用場(chǎng)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]?，F有網(wǎng)絡(luò )難以滿(mǎn)足所有應用場(chǎng)景的需求，若為不同應用場(chǎng)景構建多個(gè)不同的物理網(wǎng)絡(luò )又不太現實(shí)，產(chǎn)生的巨大成本是運營(yíng)商無(wú)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)物理基礎設施上，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(guò)載、配置的調整不影響其它的網(wǎng)絡(luò )切片。根據不同的業(yè)務(wù)和應用場(chǎng)景的特征創(chuàng )建不同的網(wǎng)絡(luò )切片，并使用恰當的資源分配方式、控制管理機制和運營(yíng)策略，實(shí)現不同的網(wǎng)絡(luò )架構，從而保證應用場(chǎng)景的性能要求，提高用戶(hù)體驗和網(wǎng)絡(luò )資源利用率。

　　端到端網(wǎng)絡(luò )切片包括無(wú)線(xiàn)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。目前3GPP(第三代合作伙伴計劃)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(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)是否需要切片還在討論中^[3]。然而，5G場(chǎng)景的特定需求也希望無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)像核心網(wǎng)一樣進(jìn)行切片，開(kāi)發(fā)新型的業(yè)務(wù)。無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)切片運行在無(wú)線(xiàn)云平臺(包括無(wú)線(xiàn)硬件和基帶資源池)，并利用虛擬化資源構建專(zhuān)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，并按一定原則為不同的虛擬基站分配無(wú)線(xiàn)資源(如時(shí)隙、頻譜和信號處理等)。對于虛擬基站而言，無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)切片為其配置空中接口的各種參數(例如，符號長(cháng)度、子載波間隔、循環(huán)前綴長(cháng)度和混合自動(dòng)重傳請求(HARQ)的參數)，以實(shí)現不同的服務(wù)模型^[4~5]。

　　在5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )虛擬化環(huán)境中，資源調度被賦予了新的含義。首先，傳統的資源調度是以基站為單位的，同一基站的空時(shí)頻資源在調度器的作用下分配給附著(zhù)于該基站的某些用戶(hù);不同基站的調度器可能完全沒(méi)有交互，或者通過(guò)某些信令進(jìn)行粗糙的交互。而在新的體系結構中，由于實(shí)現了虛擬化和集中化的處理，網(wǎng)絡(luò )層面的資源調度成為可能。在無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)切片的無(wú)線(xiàn)資源管理中，移動(dòng)運營(yíng)商需要部署高效、靈活的調度技術(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 )切片之間和之內的用戶(hù)調度公平性是移動(dòng)運營(yíng)商需要考慮的問(wèn)題。文獻[6]提出了一種針對LTE(長(cháng)期演進(jìn)技術(shù))網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)資源塊的高效資源分配方案，實(shí)現與服務(wù)提供商訂閱的服務(wù)合同，以及小區中心用戶(hù)和小區邊緣用戶(hù)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 系統模型

　　在未來(lái)，移動(dòng)運營(yíng)商至少需要構建三個(gè)不同類(lèi)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)運營(yíng)商為每個(gè)網(wǎng)絡(luò )切片分配無(wú)線(xiàn)虛擬資源(如時(shí)隙、頻譜和信號處理等)，網(wǎng)絡(luò )切片可以根據需求動(dòng)態(tài)的伸縮，且彼此相互隔離。同一用戶(hù)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)運營(yíng)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(wú)線(xiàn)資源(包括時(shí)隙和頻譜等)。假設移動(dòng)運營(yíng)商擁有的無(wú)線(xiàn)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)總數為Q。首先根據網(wǎng)絡(luò )切片類(lèi)型、網(wǎng)絡(luò )容量和負載情況等，移動(dòng)運營(yíng)商為各個(gè)網(wǎng)絡(luò )切片分配固定的資源以滿(mǎn)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為q1，q2，…，qn，…qN;在分配給各網(wǎng)絡(luò )切片資源之后，移動(dòng)運營(yíng)商所剩余的資源數為Q'，等于總資源數減去分配給各切片的資源數。然后根據比例公平調度算法計算出的優(yōu)先級，按優(yōu)先級從高到低的順序，依次給各網(wǎng)絡(luò )切片再次分配資源，直到資源剩余數為零，同時(shí)優(yōu)先級高的網(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也相應增加，網(wǎng)絡(luò )切片1至網(wǎng)絡(luò )切片N更新后的資源總數為q1，q2，…，qn，…qN。在各網(wǎng)絡(luò )切片內，根據比例公平調度算法計算出的優(yōu)先級，按優(yōu)先級從高到低的順序，依次給網(wǎng)絡(luò )切片內的用戶(hù)分配資源，優(yōu)先級高的用戶(hù)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(hù)的和速率，k_n表示第n個(gè)網(wǎng)絡(luò )切片的在線(xiàn)用戶(hù)數。

　　若該用戶(hù)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(wú)線(xiàn)資源分配

　　無(wú)線(xiàn)資源分配技術(shù)是實(shí)現資源高效利用的關(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)。我們設想三種可能的方案來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )切片之間的無(wú)線(xiàn)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 )切片就可持續擁有很長(cháng)時(shí)間，并且用戶(hù)可以根據無(wú)線(xiàn)資源和RAT(無(wú)線(xiàn)接入技術(shù))信息的預配置來(lái)接入目標網(wǎng)絡(luò )切片。由于每個(gè)網(wǎng)絡(luò )切片彼此獨立，因此，網(wǎng)絡(luò )切片可以獨立工作。

　　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(zhù)基站到基站不時(shí)地變化，如圖2所示。在這種情況下，可以設計更靈活的機制以幫助用戶(hù)確定目標網(wǎng)絡(luò )切片的無(wú)線(xiàn)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 )切片的公共調度器實(shí)現動(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(wú)線(xiàn)資源調度提供了更大的范圍和更高的維度。為了統一描述5G異構網(wǎng)絡(luò )下的各種空口資源調度策略，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資源塊進(jìn)行統一定義。根據用戶(hù)業(yè)務(wù)和信道質(zhì)量的不同，可以對其進(jìn)行動(dòng)態(tài)或半靜態(tài)的管理;對偶發(fā)數據業(yè)務(wù)需求的單個(gè)用戶(hù)，進(jìn)行小切片的動(dòng)態(tài)調度;而對業(yè)務(wù)需求固定(如語(yǔ)音)且信道狀態(tài)相對穩定的單個(gè)用戶(hù)，進(jìn)行小切片的半靜態(tài)調度;對于同一業(yè)務(wù)需求的多個(gè)用戶(hù)，在大切片上進(jìn)行半靜態(tài)的資源調度以滿(mǎn)足其整體需求，再在小切片上利用統計復用的方式動(dòng)態(tài)進(jìn)行小粒度的單播調度或者多播調度，從而最大程度地利用空口資源，同時(shí)減輕調度開(kāi)銷(xiāo)。上述最后一種場(chǎng)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，相當于一種多維度的聯(lián)合調度。

3 仿真分析

　　假設移動(dòng)運營(yíng)商同時(shí)構建了三個(gè)網(wǎng)絡(luò )切片，總資源數為14。半靜態(tài)資源分配方案，移動(dòng)運營(yíng)商為各網(wǎng)絡(luò )切片固定分配的資源數均為4，其余的資源按照計算好的優(yōu)先級分配給各網(wǎng)絡(luò )切片，其中每個(gè)網(wǎng)絡(luò )切片擁有的在線(xiàn)用戶(hù)數均為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 )切片內用戶(hù)的信道質(zhì)量，資源優(yōu)先分配給信道好的用戶(hù)，多次迭代之后統計各個(gè)網(wǎng)絡(luò )切片所獲得的資源總數。

　　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 )切片資源調度的比較，隨著(zhù)迭代次數的增加，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差距較小，迭代次數越多，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則相對懸殊，迭代次數越多，差距越明顯。動(dòng)態(tài)資源分配方案的仿真結果與半靜態(tài)資源分配方案類(lèi)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(guò)觀(guān)察多次運行的仿真結果，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 結論

　　網(wǎng)絡(luò )切片技術(shù)為解決未來(lái)可能出現的多樣化應用場(chǎng)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(wèn)題提供了有力的保障。利用網(wǎng)絡(luò )切片技術(shù)在同一物理基礎設施之上為不同類(lèi)型的應用場(chǎng)景構建相應的邏輯網(wǎng)絡(luò )，并保證相互隔離?？紤]到移動(dòng)運營(yíng)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(wú)線(xiàn)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)現相對的公平性。本文通過(guò)仿真對比了半靜態(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(guò)分析三種資源分配方案的公平性不同，為以后無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)切片的無(wú)線(xiàn)資源分配提供參考。

　　參考文獻：

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　　[6]Kamel M I, Long B L, Girard A. LTE Wireless Network Virtualization: Dynamic Slicing via Flexible Scheduling[C]. IEEE, Vehicular Technology Conference. 2014:1-5.

　　[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(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第4期第30頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。