面向5G网络切片无线资源分配　

作者/ 粟欣1,2 龚金金1 曾捷2

　　1.重庆邮电大学通信与信息工程学院 宽带无线接入实验室(重庆 400065)

　　2.清华大学信息技术研究院 清华信息科学和技术国家实验室(北京 100084)

　　*基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)(编号：2015AA01A706);国家科技重大专项(编号： 2014ZX03004003);北京市科委计划(编号：D161100001016002);港澳台科技合作专项(编号： 2015DFT10160B)

　　粟欣(1962-)，男，博士，教授，研究方向：宽带无线接入、自组织网络、软件无线电、协作通信等;龚金金，女，硕士生，助理研究员，研究方向：网络切片、网络功能虚拟化等;曾捷，男，硕士，高级工程师，研究方向：宽带无线接入、软件无线电、 4G/5G技术与标准化。

摘要：未来网络需要满足多种应用场景在时延、可靠性和速率等方面的不同要求，然而只构建一种网络难以满足所有应用场景的需求。网络切片技术即在一个物理基础设施之上构建多个逻辑网络以满足不同类型应用场景的需求，能够实现专用电信网络所具有的所有功能，且用户感受不到差别。无线接入网切片是端到端网络切片的一部分，而无线资源分配又是无线接入网切片的重要内容。本文提出了一种基于比例公平算法的半静态资源分配方案，在各网络切片之间实现更公平的资源分配。仿真结果对比了三种资源分配方案，半静态资源分配方案获得的公平性优于其他两种资源分配方案。

引言

　　在未来的5G网络中将涌现多种应用场景，其中三大典型应用场景分别为增强移动宽带(eMBB)、大规模机器类型通信(mMTC)和关键机器类型通信(CMTC)，不同的应用场景在移动性、安全性、时延和可靠性等方面要求各不相同^[1]。现有网络难以满足所有应用场景的需求，若为不同应用场景构建多个不同的物理网络又不太现实，产生的巨大成本是运营商无法接受的。在上述背景下，下一代移动网络联盟提出了网络切片的概念，即在一个物理基础设施上，利用软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)等技术，按需构建不同的网络切片^[2]。网络切片之间相互隔离，任何一个网络切片的拥塞、过载、配置的调整不影响其它的网络切片。根据不同的业务和应用场景的特征创建不同的网络切片，并使用恰当的资源分配方式、控制管理机制和运营策略，实现不同的网络架构，从而保证应用场景的性能要求，提高用户体验和网络资源利用率。

　　端到端网络切片包括无线接入网切片、核心网切片，以及连接两者的传输网络切片，从而充分利用网络切片技术的优势。目前3GPP(第三代合作伙伴计划)主要关注核心网切片，包括网络切片间的隔离、网络功能共享等，而无线接入网是否需要切片还在讨论中^[3]。然而，5G场景的特定需求也希望无线接入网像核心网一样进行切片，开发新型的业务。无线接入网切片运行在无线云平台(包括无线硬件和基带资源池)，并利用虚拟化资源构建专用和定制化的逻辑网络，其中将一个基站虚拟成多个虚拟基站是必不可少的环节，并按一定原则为不同的虚拟基站分配无线资源(如时隙、频谱和信号处理等)。对于虚拟基站而言，无线接入网切片为其配置空中接口的各种参数(例如，符号长度、子载波间隔、循环前缀长度和混合自动重传请求(HARQ)的参数)，以实现不同的服务模型^[4~5]。

　　在5G无线网络虚拟化环境中，资源调度被赋予了新的含义。首先，传统的资源调度是以基站为单位的，同一基站的空时频资源在调度器的作用下分配给附着于该基站的某些用户;不同基站的调度器可能完全没有交互，或者通过某些信令进行粗糙的交互。而在新的体系结构中，由于实现了虚拟化和集中化的处理，网络层面的资源调度成为可能。在无线接入网切片的无线资源管理中，移动运营商需要部署高效、灵活的调度技术，为不同的网络切片动态地分配资源，注重不同网络切片之间和之内的用户调度公平性是移动运营商需要考虑的问题。文献[6]提出了一种针对LTE(长期演进技术)网络无线资源块的高效资源分配方案，实现与服务提供商订阅的服务合同，以及小区中心用户和小区边缘用户之间的公平性要求，并允许灵活定义不同服务提供商的公平性要求。

1 系统模型

　　在未来，移动运营商至少需要构建三个不同类型的网络切片，如图1所示，网络切片1、2和3分别属于eMBB、cMTC和mMTC，移动运营商为每个网络切片分配无线虚拟资源(如时隙、频谱和信号处理等)，网络切片可以根据需求动态的伸缩，且彼此相互隔离。同一用户可以同时接入多个网络切片，享受所需要的不同网络服务。

　　在本文中，移动运营商使用半静态资源分配方法为各个网络切片分配无线资源(包括时隙和频谱等)。假设移动运营商拥有的无线资源(以资源块为一个单位，一个资源块包括12个载波，共1个时隙，即0.5ms)总数为Q。首先根据网络切片类型、网络容量和负载情况等，移动运营商为各个网络切片分配固定的资源以满足其最低要求。其中网络切片1至网络切片N初始分配到的资源总数为q1，q2，…，qn，…qN;在分配给各网络切片资源之后，移动运营商所剩余的资源数为Q'，等于总资源数减去分配给各切片的资源数。然后根据比例公平调度算法计算出的优先级，按优先级从高到低的顺序，依次给各网络切片再次分配资源，直到资源剩余数为零，同时优先级高的网络切片优先选择信道好的资源。获得资源的网络切片所拥有的资源数也相应增加，网络切片1至网络切片N更新后的资源总数为q1，q2，…，qn，…qN。在各网络切片内，根据比例公平调度算法计算出的优先级，按优先级从高到低的顺序，依次给网络切片内的用户分配资源，优先级高的用户优先选择信道好的资源，直到资源全部分配完毕。

(1)

R_n表示第n个网络切片各用户的和速率，k_n表示第n个网络切片的在线用户数。

　　若该用户获得资源，则按式(4)进行更新，否则按式(5)进行更新。

2 网络切片的无线资源分配

　　无线资源分配技术是实现资源高效利用的关键因素，此外，还可以用此将网络切片相互隔离(例如，一个网络切片的空口拥塞不影响其他网络切片)。我们设想三种可能的方案来实现网络切片之间的无线资源分配，一是静态资源分配，二是半静态资源分配，三是动态资源分配。

　　在静态资源分配方案中，频率资源、时间资源被固定地分配给每一个特定的网络切片，资源一旦配置，网络切片就可持续拥有很长时间，并且用户可以根据无线资源和RAT(无线接入技术)信息的预配置来接入目标网络切片。由于每个网络切片彼此独立，因此，网络切片可以独立工作。

　　在半静态资源分配方案中，频率资源、时间资源被半静态地分配给每一个特定的网络切片。每个网络切片所占用的带宽和/或时隙随着基站到基站不时地变化，如图2所示。在这种情况下，可以设计更灵活的机制以帮助用户确定目标网络切片的无线资源和RAT信息。

　　在动态资源分配方案中，频率资源、时间资源和空间资源在网络切片之间动态分配，例如，由网络切片的实时分组到达条件确定带宽和/或时隙占用情况。网络切片的公共调度器实现动态的资源分配，并保证网络切片之间的公平性^[7]。

　　虚拟化环境为无线资源调度提供了更大的范围和更高的维度。为了统一描述5G异构网络下的各种空口资源调度策略，有必要将全部空口资源在一个高维空间中描述，以空间切片的形式对资源块进行统一定义。根据用户业务和信道质量的不同，可以对其进行动态或半静态的管理;对偶发数据业务需求的单个用户，进行小切片的动态调度;而对业务需求固定(如语音)且信道状态相对稳定的单个用户，进行小切片的半静态调度;对于同一业务需求的多个用户，在大切片上进行半静态的资源调度以满足其整体需求，再在小切片上利用统计复用的方式动态进行小粒度的单播调度或者多播调度，从而最大程度地利用空口资源，同时减轻调度开销。上述最后一种场景不仅需要空口的控制信息，同样需要高层业务的状态信息，相当于一种多维度的联合调度。

3 仿真分析

　　假设移动运营商同时构建了三个网络切片，总资源数为14。半静态资源分配方案，移动运营商为各网络切片固定分配的资源数均为4，其余的资源按照计算好的优先级分配给各网络切片，其中每个网络切片拥有的在线用户数均为5。静态资源分配方案，为在各网络切片资源分配中追求相对公平，缩小各网络切片获得固定资源的差距，因此，我们为网络切片1、2、3分别分配的资源数为5、5、4。动态资源分配方案，采用资源分配中的最大载干比算法思想，比较各个网络切片内用户的信道质量，资源优先分配给信道好的用户，多次迭代之后统计各个网络切片所获得的资源总数。

　　图3为半静态资源分配、静态资源分配和动态资源分配三种方案关于各网络切片资源调度的比较，随着迭代次数的增加，半静态资源分配方案中的各网络切片获得的资源总数差距较小，迭代次数越多，差距越小。而静态资源分配方案中各网络切片获得的资源总数则相对悬殊，迭代次数越多，差距越明显。动态资源分配方案的仿真结果与半静态资源分配方案类似，在资源分配公平性方面均要优于静态资源分配方案，但是与半静态资源分配方案相比，经过观察多次运行的仿真结果，动态资源分配方案在资源分配公平性方面略差于本文提出的半静态资源分配方案。如图3所示，在动态资源分配方案中，网络切片1获得的资源数最多，且要多于半静态资源分配方案中的任何一个网络切片，而网络切片2获得的资源数最少，同样也少于半静态资源分配方案中的任何一个网络切片。由此可得出，动态资源分配方案中的各网络切片获得的资源总数的差距要大于半静态资源分配方案，公平性要次之。综上所述，在资源分配公平性方面，半静态资源分配方案要优于动态资源分配方案，动态资源分配方案要优于静态资源分配方案。

4 结论

　　网络切片技术为解决未来可能出现的多样化应用场景在网络容量、时延、可靠性、速率等方面要求各不相同问题提供了有力的保障。利用网络切片技术在同一物理基础设施之上为不同类型的应用场景构建相应的逻辑网络，并保证相互隔离。考虑到移动运营商拥有的总资源是有限的，为解决在各网络切片之间如何分配无线资源，本文提出了一种基于比例公平算法的半静态资源分配方案，在各网络切片之间合理有限的分配资源，以实现相对的公平性。本文通过仿真对比了半静态资源分配方案、静态资源分配方案和动态资源分配方案，可以得出半静态资源分配方案在资源分配公平性方面要优于后两种方案，而动态资源分配方案又要优于静态资源分配方案。本文通过分析三种资源分配方案的公平性不同，为以后无线接入网切片的无线资源分配提供参考。

　　参考文献：

　　[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.

　　本文来源于《电子产品世界》2017年第4期第30页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。