作者/ 粟欣1,2 龔金金1 曾捷2

　　1.重慶郵電大學通信與信息工程學院 寬帶無線接入實驗室(重慶 400065)

　　2.清華大學信息技術研究院 清華信息科學和技術國家實驗室(北京 100084)

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

　　粟欣(1962-)，男，博士，教授，研究方向：寬帶無線接入、自組織網絡、軟件無線電、協作通信等;龔金金，女，碩士生，助理研究員，研究方向：網絡切片、網絡功能虛擬化等;曾捷，男，碩士，高級工程師，研究方向：寬帶無線接入、軟件無線電、 4G/5G技術與標準化。

摘要：未來網絡需要滿足多種應用場景在時延、可靠性和速率等方面的不同要求，然而只構建一種網絡難以滿足所有應用場景的需求。網絡切片技術即在一個物理基礎設施之上構建多個邏輯網絡以滿足不同類型應用場景的需求，能夠實現專用電信網絡所具有的所有功能，且用戶感受不到差別。無線接入網切片是端到端網絡切片的一部分，而無線資源分配又是無線接入網切片的重要內容。本文提出了一種基于比例公平算法的半靜態資源分配方案，在各網絡切片之間實現更公平的資源分配。仿真結果對比了三種資源分配方案，半靜態資源分配方案獲得的公平性優于其他兩種資源分配方案。

引言

　　在未來的5G網絡中將涌現多種應用場景，其中三大典型應用場景分別為增強移動寬帶(eMBB)、大規模機器類型通信(mMTC)和關鍵機器類型通信(CMTC)，不同的應用場景在移動性、安全性、時延和可靠性等方面要求各不相同^[1]。現有網絡難以滿足所有應用場景的需求，若為不同應用場景構建多個不同的物理網絡又不太現實，產生的巨大成本是運營商無法接受的。在上述背景下，下一代移動網絡聯盟提出了網絡切片的概念，即在一個物理基礎設施上，利用軟件定義網絡(SDN)和網絡功能虛擬化(NFV)等技術，按需構建不同的網絡切片^[2]。網絡切片之間相互隔離，任何一個網絡切片的擁塞、過載、配置的調整不影響其它的網絡切片。根據不同的業務和應用場景的特征創建不同的網絡切片，并使用恰當的資源分配方式、控制管理機制和運營策略，實現不同的網絡架構，從而保證應用場景的性能要求，提高用戶體驗和網絡資源利用率。

　　端到端網絡切片包括無線接入網切片、核心網切片，以及連接兩者的傳輸網絡切片，從而充分利用網絡切片技術的優勢。目前3GPP(第三代合作伙伴計劃)主要關注核心網切片，包括網絡切片間的隔離、網絡功能共享等，而無線接入網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像核心網一樣進行切片，開發新型的業務。無線接入網切片運行在無線云平臺(包括無線硬件和基帶資源池)，并利用虛擬化資源構建專用和定制化的邏輯網絡，其中將一個基站虛擬成多個虛擬基站是必不可少的環節，并按一定原則為不同的虛擬基站分配無線資源(如時隙、頻譜和信號處理等)。對于虛擬基站而言，無線接入網切片為其配置空中接口的各種參數(例如，符號長度、子載波間隔、循環前綴長度和混合自動重傳請求(HARQ)的參數)，以實現不同的服務模型^[4~5]。

　　在5G無線網絡虛擬化環境中，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，同一基站的空時頻資源在調度器的作用下分配給附著于該基站的某些用戶;不同基站的調度器可能完全沒有交互，或者通過某些信令進行粗糙的交互。而在新的體系結構中，由于實現了虛擬化和集中化的處理，網絡層面的資源調度成為可能。在無線接入網切片的無線資源管理中，移動運營商需要部署高效、靈活的調度技術，為不同的網絡切片動態地分配資源，注重不同網絡切片之間和之內的用戶調度公平性是移動運營商需要考慮的問題。文獻[6]提出了一種針對LTE(長期演進技術)網絡無線資源塊的高效資源分配方案，實現與服務提供商訂閱的服務合同，以及小區中心用戶和小區邊緣用戶之間的公平性要求，并允許靈活定義不同服務提供商的公平性要求。

1 系統模型

　　在未來，移動運營商至少需要構建三個不同類型的網絡切片，如圖1所示，網絡切片1、2和3分別屬于eMBB、cMTC和mMTC，移動運營商為每個網絡切片分配無線虛擬資源(如時隙、頻譜和信號處理等)，網絡切片可以根據需求動態的伸縮，且彼此相互隔離。同一用戶可以同時接入多個網絡切片，享受所需要的不同網絡服務。

　　在本文中，移動運營商使用半靜態資源分配方法為各個網絡切片分配無線資源(包括時隙和頻譜等)。假設移動運營商擁有的無線資源(以資源塊為一個單位，一個資源塊包括12個載波，共1個時隙，即0.5ms)總數為Q。首先根據網絡切片類型、網絡容量和負載情況等，移動運營商為各個網絡切片分配固定的資源以滿足其最低要求。其中網絡切片1至網絡切片N初始分配到的資源總數為q1，q2，…，qn，…qN;在分配給各網絡切片資源之后，移動運營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先級，按優先級從高到低的順序，依次給各網絡切片再次分配資源，直到資源剩余數為零，同時優先級高的網絡切片優先選擇信道好的資源。獲得資源的網絡切片所擁有的資源數也相應增加，網絡切片1至網絡切片N更新后的資源總數為q1，q2，…，qn，…qN。在各網絡切片內，根據比例公平調度算法計算出的優先級，按優先級從高到低的順序，依次給網絡切片內的用戶分配資源，優先級高的用戶優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個網絡切片各用戶的和速率，k_n表示第n個網絡切片的在線用戶數。

　　若該用戶獲得資源，則按式(4)進行更新，否則按式(5)進行更新。

2 網絡切片的無線資源分配

　　無線資源分配技術是實現資源高效利用的關鍵因素，此外，還可以用此將網絡切片相互隔離(例如，一個網絡切片的空口擁塞不影響其他網絡切片)。我們設想三種可能的方案來實現網絡切片之間的無線資源分配，一是靜態資源分配，二是半靜態資源分配，三是動態資源分配。

　　在靜態資源分配方案中，頻率資源、時間資源被固定地分配給每一個特定的網絡切片，資源一旦配置，網絡切片就可持續擁有很長時間，并且用戶可以根據無線資源和RAT(無線接入技術)信息的預配置來接入目標網絡切片。由于每個網絡切片彼此獨立，因此，網絡切片可以獨立工作。

　　在半靜態資源分配方案中，頻率資源、時間資源被半靜態地分配給每一個特定的網絡切片。每個網絡切片所占用的帶寬和/或時隙隨著基站到基站不時地變化，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確定目標網絡切片的無線資源和RAT信息。

　　在動態資源分配方案中，頻率資源、時間資源和空間資源在網絡切片之間動態分配，例如，由網絡切片的實時分組到達條件確定帶寬和/或時隙占用情況。網絡切片的公共調度器實現動態的資源分配，并保證網絡切片之間的公平性^[7]。

　　虛擬化環境為無線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異構網絡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高維空間中描述，以空間切片的形式對資源塊進行統一定義。根據用戶業務和信道質量的不同，可以對其進行動態或半靜態的管理;對偶發數據業務需求的單個用戶，進行小切片的動態調度;而對業務需求固定(如語音)且信道狀態相對穩定的單個用戶，進行小切片的半靜態調度;對于同一業務需求的多個用戶，在大切片上進行半靜態的資源調度以滿足其整體需求，再在小切片上利用統計復用的方式動態進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，同時減輕調度開銷。上述最后一種場景不僅需要空口的控制信息，同樣需要高層業務的狀態信息，相當于一種多維度的聯合調度。

3 仿真分析

　　假設移動運營商同時構建了三個網絡切片，總資源數為14。半靜態資源分配方案，移動運營商為各網絡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先級分配給各網絡切片，其中每個網絡切片擁有的在線用戶數均為5。靜態資源分配方案，為在各網絡切片資源分配中追求相對公平，縮小各網絡切片獲得固定資源的差距，因此，我們為網絡切片1、2、3分別分配的資源數為5、5、4。動態資源分配方案，采用資源分配中的最大載干比算法思想，比較各個網絡切片內用戶的信道質量，資源優先分配給信道好的用戶，多次迭代之后統計各個網絡切片所獲得的資源總數。

　　圖3為半靜態資源分配、靜態資源分配和動態資源分配三種方案關于各網絡切片資源調度的比較，隨著迭代次數的增加，半靜態資源分配方案中的各網絡切片獲得的資源總數差距較小，迭代次數越多，差距越小。而靜態資源分配方案中各網絡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。動態資源分配方案的仿真結果與半靜態資源分配方案類似，在資源分配公平性方面均要優于靜態資源分配方案，但是與半靜態資源分配方案相比，經過觀察多次運行的仿真結果，動態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資源分配方案。如圖3所示，在動態資源分配方案中，網絡切片1獲得的資源數最多，且要多于半靜態資源分配方案中的任何一個網絡切片，而網絡切片2獲得的資源數最少，同樣也少于半靜態資源分配方案中的任何一個網絡切片。由此可得出，動態資源分配方案中的各網絡切片獲得的資源總數的差距要大于半靜態資源分配方案，公平性要次之。綜上所述，在資源分配公平性方面，半靜態資源分配方案要優于動態資源分配方案，動態資源分配方案要優于靜態資源分配方案。

4 結論

　　網絡切片技術為解決未來可能出現的多樣化應用場景在網絡容量、時延、可靠性、速率等方面要求各不相同問題提供了有力的保障。利用網絡切片技術在同一物理基礎設施之上為不同類型的應用場景構建相應的邏輯網絡，并保證相互隔離。考慮到移動運營商擁有的總資源是有限的，為解決在各網絡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資源分配方案，在各網絡切片之間合理有限的分配資源，以實現相對的公平性。本文通過仿真對比了半靜態資源分配方案、靜態資源分配方案和動態資源分配方案，可以得出半靜態資源分配方案在資源分配公平性方面要優于后兩種方案，而動態資源分配方案又要優于靜態資源分配方案。本文通過分析三種資源分配方案的公平性不同，為以后無線接入網切片的無線資源分配提供參考。

　　參考文獻：

　　[1]NGMN Alliance. NGMN 5G White Paper. Version 1.0 (2015), http://www.ngmn.org/5g-white-paper/5g-white-paper.html.

　　[2]NGMN Alliance. Description of Network Slicing Concept. Version 1.0 (2016), http://www.ngmn.org/publications/technical.html.

　　[3]3GPP Technical Report 23.799. Study on Architecture for Next Generation System. Version 0.7.0 (2016).

　　[4]Zhou, X., Li, R., Chen, T., Zhang, H. Network slicing as a service: enabling enterprises' own software-defined cellular networks. In: IEEE Communications Magazine, vol. 54, 146--153 (2016).

　　[5]Samdanis K, Costa-Perez X, Sciancalepore V. From network sharing to multi-tenancy: The 5G network slice broker[J]. IEEE Communications Magazine, 2016, 54(7):32-39.

　　[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.

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