李貝 胡煜華 黎越 劉蕊 朱俊 孟亞魁 劉光海 肖天

1.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院；2.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司浙江省分公司；3.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司江蘇省分公司；4.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司舟山分公司

0 引言

5G網(wǎng)絡(luò)擁有傳輸速率快、低時(shí)延、高容量等優(yōu)勢(shì)，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等不同行業(yè)新業(yè)務(wù)類(lèi)型和需求的發(fā)展，不同業(yè)務(wù)對(duì)功能、性能、網(wǎng)絡(luò)安全以及可靠性有不同的要求。5G網(wǎng)絡(luò)引入了網(wǎng)絡(luò)切片（Network Slicing）技術(shù)，不同切片滿足不同場(chǎng)景下網(wǎng)絡(luò)差異化使用的功能需求，研究切片無(wú)線資源管理對(duì)保障不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景下用戶服務(wù)質(zhì)量具有重要意義。

1 5G切片無(wú)線資源管理

1.1 網(wǎng)絡(luò)切片特點(diǎn)

5G網(wǎng)絡(luò)切片指在同一網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上，將5G獨(dú)立組網(wǎng)（Standalone，SA）架構(gòu)的物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)端到端、虛擬的、隔離的（物理隔離或者邏輯隔離）、按需定制的專用邏輯網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)具備不同的功能特點(diǎn)，以滿足不同行業(yè)客戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力的不同要求，如時(shí)延、帶寬、連接數(shù)等。5G切片可以嵌套，切片中可以進(jìn)一步劃分子切片。5G切片為對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)提供必要的網(wǎng)絡(luò)處理，從而減少資源消耗。通過(guò)切片技術(shù)，物理網(wǎng)絡(luò)虛擬出多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，適配不同行業(yè)客戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力的服務(wù)需求。

1.2 切片資源管理

為了滿足不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景下的服務(wù)質(zhì)量，保障相應(yīng)的用戶體驗(yàn)，無(wú)線網(wǎng)采用網(wǎng)絡(luò)切片的無(wú)線資源和準(zhǔn)入控制管理。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)支持三種方案實(shí)現(xiàn)靈活的資源調(diào)度和隔離，分別為基于服務(wù)質(zhì)量QoS調(diào)度、基于資源塊RB資源預(yù)留、基于載波隔離。前兩種為共享公網(wǎng)載波頻譜，是目前網(wǎng)絡(luò)中常用的資源管理方式?；谳d波隔離為專網(wǎng)分配獨(dú)立載波，僅對(duì)前兩種進(jìn)行分析驗(yàn)證。例如公眾切片和行業(yè)普通切片若無(wú)資源隔離要求可依靠QoS進(jìn)行調(diào)度，若有資源隔離要求可采用RB資源預(yù)留與QoS調(diào)度組合方式進(jìn)行部署，先對(duì)切片組進(jìn)行RB資源預(yù)留再根據(jù)5G QoS標(biāo)識(shí)符（5G QoS Identifier，5QI）或切片標(biāo)識(shí)和5QI進(jìn)行資源調(diào)度。

1.2.1 基于QoS調(diào)度

基于QoS調(diào)度時(shí)不同的網(wǎng)絡(luò)切片共享小區(qū)RB資源，占用RB資源的優(yōu)先級(jí)由QoS優(yōu)先級(jí)決定，資源擁塞時(shí)高優(yōu)先級(jí)QoS業(yè)務(wù)也可能受影響。包含如下兩種調(diào)度方式：

（1）基于5QI的調(diào)度，同一業(yè)務(wù)使用相同5QI，映射到同一類(lèi)型的數(shù)據(jù)無(wú)線承載（Data Radio Bearer，DRB）上。當(dāng)多個(gè)用戶使用同一業(yè)務(wù)時(shí)，一旦資源受限時(shí)，無(wú)法保障某個(gè)用戶優(yōu)先調(diào)度。

（2）基于切片標(biāo)識(shí)和5QI的調(diào)度，在5QI的基礎(chǔ)上疊加切片，映射到不同種類(lèi)型的DRB，將高優(yōu)先級(jí)用戶放到高優(yōu)先級(jí)切片中來(lái)確保該用戶優(yōu)先調(diào)度。

QoS調(diào)度參數(shù)中最重要的是調(diào)度優(yōu)先級(jí)和相對(duì)調(diào)度權(quán)重。調(diào)度優(yōu)先級(jí)影響承載調(diào)度優(yōu)先順序，該值越小優(yōu)先級(jí)越高。信令數(shù)據(jù)放置到最高優(yōu)先級(jí)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的重傳數(shù)據(jù)放置到次一級(jí)，保證速率（Guaranteed Bit Rate，GBR）業(yè)務(wù)的調(diào)度隊(duì)列一般優(yōu)先于非保證速率（Non-GBR）業(yè)務(wù)；相對(duì)調(diào)度比例是根據(jù)相對(duì)調(diào)度權(quán)重配置，調(diào)度相同優(yōu)先級(jí)下不同Non-GBR承載之間的速率比例，對(duì)non-GBR承載生效。例如用戶1使用5QI=6承載、相對(duì)調(diào)度權(quán)重比例配置為800，用戶2使用5QI =9承載、相對(duì)調(diào)度權(quán)重比例配置為400，兩個(gè)用戶使用相同業(yè)務(wù)時(shí)速率比例約為2：1（800：400）。

1.2.2 基于RB資源預(yù)留

該技術(shù)預(yù)留的資源分為專用資源、優(yōu)先資源和共享資源共三部分。專用資源僅切片用戶組內(nèi)用戶可用；優(yōu)先資源優(yōu)先保障切片組內(nèi)用戶使用，如有剩余可供其他切片組的用戶使用；共享資源由所有用戶基于QoS調(diào)度算法使用。同時(shí)，切片組所使用的總資源不能超過(guò)最大RB資源比例限制。如果切片組配置資源預(yù)留，切片組內(nèi)用戶優(yōu)先使用專用RB資源，其次使用優(yōu)先RB資源，最后使用共享RB資源。三種資源可通過(guò)專用RB資源比例a、最小RB資源比例b、最大RB資源比例c三個(gè)參數(shù)（配置范圍[0%，100%]），以及RB總數(shù)d（d根據(jù)業(yè)務(wù)帶寬需求由系統(tǒng)帶寬、子載波間隔確定RB的值，例如系統(tǒng)帶寬100M，子載波間隔30kHz，最多傳輸?shù)腞B數(shù)為273）四個(gè)參數(shù)計(jì)算得到，見(jiàn)如下公式（1）、公式（2）、公式（3）。

專用資源=a×d （1）

2 功能驗(yàn)證

為了分析兩種無(wú)線切片資源管理方式應(yīng)用場(chǎng)景和效果，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)置及測(cè)試環(huán)境配置后進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

2.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

本次測(cè)試驗(yàn)證定義了4類(lèi)用戶對(duì)應(yīng)不同直播類(lèi)型，設(shè)置對(duì)應(yīng)的5QI級(jí)別、相對(duì)調(diào)度比例，映射至不同的接入點(diǎn)（Differentiated Services Code Point，DSCP）和承載網(wǎng)業(yè)務(wù)QoS等級(jí)，5G切片驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)設(shè)置方案如圖1所示。

圖1 5G切片驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)設(shè)置方案

統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理的策略控制功能UDM PCF（Unified Data Management Policy Control function）對(duì)不同用戶進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)識(shí)簽約，并添加頻率選擇標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)區(qū)分。接入和移動(dòng)管理功能（Access and Mobility ManagementFunction，AMF）通過(guò)獲取UDM側(cè)簽約的網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)識(shí)向基站側(cè)下發(fā)切片配置。用戶購(gòu)買(mǎi)切片后在UDM簽約，實(shí)現(xiàn)大網(wǎng)側(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)名稱（Data Network Name，DNN）和網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)識(shí)的綁定；終端創(chuàng)建會(huì)話時(shí)，會(huì)話管理功能分配對(duì)應(yīng)的用戶平面功能，同時(shí)把對(duì)應(yīng)國(guó)際移動(dòng)用戶識(shí)別碼的5QI信息發(fā)送給5G基站（gNB），gNB配置5QI與差分服務(wù)代碼點(diǎn)（Differentiated Services Code Point，DSCP）或虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local Area Network，VLAN）的數(shù)據(jù)幀PRI（PRI表示數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)）映射，并選擇VLAN子接口（對(duì)應(yīng)VLAN ID）；不同的VLAN子接口在承載網(wǎng)綁定不同的分片虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，然后虛擬專用網(wǎng)絡(luò)綁定隧道，最后隧道綁定靈活以太網(wǎng)等，實(shí)現(xiàn)切片互通。承載網(wǎng)業(yè)務(wù)QoS等級(jí)配置根據(jù)不同業(yè)務(wù)分別配置AF1-AF4等，無(wú)線側(cè)根據(jù)不同5QI優(yōu)先級(jí)配置相對(duì)調(diào)度比例。

2.2 測(cè)試環(huán)境

本次測(cè)試在5G SA網(wǎng)絡(luò)的室分場(chǎng)景下進(jìn)行，使用3500-3540MHz共40M帶寬，RB數(shù)量為106個(gè)，使用4K直播業(yè)務(wù)服務(wù)等級(jí)協(xié)議檢測(cè)評(píng)估工具，模擬5G的背景上行流量進(jìn)行上行40M推流測(cè)試，進(jìn)行端到端網(wǎng)絡(luò)灌包（通過(guò)測(cè)試儀在無(wú)線空口側(cè)和承載接入環(huán)側(cè)進(jìn)行灌包），并人為制造空口側(cè)的重載和承載接入環(huán)的流量擁塞，測(cè)試環(huán)境和用戶配置如表1所示。

表1 測(cè)試用戶定義

通過(guò)信任DSCP的方式，移網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在智能城域網(wǎng)入口處進(jìn)行QoS等級(jí)劃分來(lái)避免擁塞并映射至EXP，多協(xié)議標(biāo)簽交換（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）標(biāo)簽內(nèi)包含EXP優(yōu)先級(jí)用于標(biāo)記MPLS QoS。例如優(yōu)先隊(duì)列（Priority Queueing，PQ）共4個(gè)子隊(duì)列（高、中、普通、低），優(yōu)先服務(wù)高優(yōu)先級(jí)的子隊(duì)列，若高優(yōu)先級(jí)子隊(duì)列里沒(méi)有數(shù)據(jù)后再服務(wù)中等優(yōu)先級(jí)子隊(duì)列，依次類(lèi)推。加權(quán)公平隊(duì)列（Weighted Fair Queueing，WFQ）保證相同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)間公平，不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)間加權(quán)。

3 效果評(píng)估

由前述可知兩種無(wú)線網(wǎng)切片資源管理方案策略是不同的，以下分別進(jìn)行應(yīng)用場(chǎng)景和效果評(píng)估。

3.1 驗(yàn)證不同業(yè)務(wù)配置

基于服務(wù)質(zhì)量QoS調(diào)度對(duì)不同5QI（Non GBR（5QI=6/8/9）、GBR業(yè)務(wù)（5QI=4））進(jìn)行上行灌包后觸發(fā)資源搶占，分別進(jìn)行資源搶占效果兩兩分析。圖2到圖4為Non GBR（5QI=6/8/9）資源搶占效果分析，圖5到圖6為5QI=4（GBR業(yè)務(wù)）與Non GBR業(yè)務(wù)資源搶占效果分析。

圖2 5QI=8/9上行吞吐量比較

圖4 5QI=6/8上行吞吐量比較

圖5 5QI=4（GBR）/9上行吞吐量比較

圖6 5QI=4（GBR）/6上行吞吐量比較

圖3 5QI=6/9上行吞吐量比較

（1）5QI=8與5QI=9對(duì)比，5QI=8開(kāi)始上行灌包后觸發(fā)5QI=8和5QI=9資源搶占，最終5QI=8速率穩(wěn)定于約30 Mbps，5QI=9速率穩(wěn)定于約20 Mbps，符合5QI=8（600）和5QI=9（400）資源占比為3：2；

（2）5QI=6與5QI=9對(duì)比，5QI=6開(kāi)始上行灌包后觸發(fā)5QI=6和5QI=9資源搶占，最終5QI=6速率穩(wěn)定于約34 Mbps，5QI=9速率穩(wěn)定于約17 Mbps，符合5QI=6（800）和5QI=9（400）資源占比為2：1；

（3）5QI=6與5QI=8對(duì)比，5QI=6開(kāi)始上行灌包后觸發(fā)5QI=6和5QI=8資源搶占，最終5QI=6速率穩(wěn)定于約28 Mbps，5QI=8速率穩(wěn)定于約21 Mbps，符合5QI=6（800）和5QI=8（600）資源占比為4：3；

（4）5QI=4（GBR業(yè)務(wù)）和5QI=9比較，5QI=4開(kāi)始上行灌包后觸發(fā)5QI=4和5QI=9資源搶占，最終5QI=4速率穩(wěn)定于約40 Mbps，5QI=9速率穩(wěn)定于約10 Mbps，5QI=4 GBR優(yōu)先調(diào)度；

（5）5QI=4（GBR業(yè)務(wù)）和5QI=6比較，5QI=4開(kāi)始上行灌包后觸發(fā)5QI=4和5QI=6資源搶占，最終5QI=4速率穩(wěn)定于約40 Mbps，5QI=6速率穩(wěn)定于約10 Mbps，5QI=4 GBR優(yōu)先調(diào)度；

由上述分析可知，空口資源存在競(jìng)爭(zhēng)。其他條件一致時(shí)，Non GBR（5QI=6/8/9）業(yè)務(wù)按照5QI調(diào)度因子比例分配空口資源，Non GBR和GBR業(yè)務(wù)資源搶占時(shí)優(yōu)先保障GBR業(yè)務(wù)，Non GBR業(yè)務(wù)分配剩余的資源（如果空口資源存在剩余），應(yīng)用時(shí)需根據(jù)具體保障需求選取相應(yīng)的GBR和Non GBR保障方案。

3.2 驗(yàn)證資源預(yù)留下不同業(yè)務(wù)配置

為了更靈活進(jìn)行資源利用，引入基站側(cè)RB資源預(yù)留策略，測(cè)試方案基站側(cè)基于核心網(wǎng)側(cè)簽約的網(wǎng)絡(luò)分片標(biāo)識(shí)進(jìn)行空口RB資源級(jí)預(yù)留，具體配置、測(cè)試現(xiàn)象及結(jié)論如表2所示。

表2 不同業(yè)務(wù)配置資源預(yù)留驗(yàn)證

由上述分析可知，基站側(cè)RB資源預(yù)留功能在目前設(shè)備廠家版本下可實(shí)現(xiàn)RB資源的靈活預(yù)留和調(diào)度；基站側(cè)資源預(yù)留功能開(kāi)啟后，同為切片組用戶與同為非切片組用戶之間的調(diào)度遵循5QI優(yōu)先級(jí)進(jìn)行資源分配。切片組資源預(yù)留比例可靈活配置，并不局限于固定值，應(yīng)用時(shí)遵循公式（1）-公式（3）上下行可分別配置不同區(qū)間比例來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活的資源預(yù)留效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出了基于QoS調(diào)度、RB資源預(yù)留兩種5G資源管理切片方案，并進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，對(duì)不同方案應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了比較總結(jié)，基于QoS調(diào)度時(shí)Non GBR業(yè)務(wù)按照5QI調(diào)度因子比例分配空口資源，Non GBR和GBR業(yè)務(wù)資源搶占時(shí)優(yōu)先保障GBR業(yè)務(wù)，應(yīng)用時(shí)需根據(jù)具體保障需求選取相應(yīng)的保障方案；基于RB資源預(yù)留時(shí)，上下行可分別配置不同區(qū)間比例來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活的資源預(yù)留效果，為切片應(yīng)用提供了指引，為空口資源差異性調(diào)度實(shí)施提供了借鑒。3GPP R15-R7架構(gòu)分別完成定義eMBB類(lèi)、uRLLC類(lèi)、mMTC類(lèi)切片，隨著R18版本網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)注的不斷創(chuàng)新完善，無(wú)線資源管理在5G網(wǎng)絡(luò)無(wú)線切片中的作用越來(lái)越重要，資源的差異化應(yīng)用也將更好地賦能5G應(yīng)用，服務(wù)于5G垂直行業(yè)。