馬英洪，江凌云

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

0 引 言

ITU為5G定義了3大應(yīng)用場(chǎng)景：增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(enhanced mobile broadband，eMBB)、大規(guī)模機(jī)器類通信(massive machine type communication，mMTC)、超高可靠低時(shí)延通信(ultra reliable and low latency communication，uRLLC)[1]。傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)主要用來(lái)服務(wù)單一的移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)，無(wú)法適應(yīng)未來(lái)5G多樣化的業(yè)務(wù)場(chǎng)景。為了在同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上同時(shí)支持多種具有不同性能要求的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，滿足多樣化的業(yè)務(wù)需求，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。網(wǎng)絡(luò)切片通常包括接入網(wǎng)切片(包括無(wú)線接入和固定接入)和核心網(wǎng)切片[2]。無(wú)線接入網(wǎng)(radio access network，RAN)必須面對(duì)資源短缺的問(wèn)題，如果采用靜態(tài)的資源分配方法，那么資源利用率就會(huì)較低。因此，需要一種動(dòng)態(tài)的資源分配方法來(lái)管理無(wú)線資源。RAN切片資源分配算法需要考慮的方面有：切片之間無(wú)線資源的隔離、切片的優(yōu)先級(jí)、資源利用率、用戶的服務(wù)質(zhì)量(quality of service，QoS)、公平性、高負(fù)載等。無(wú)線資源的隔離指的是一個(gè)切片的流量負(fù)載增加導(dǎo)致其共享資源的不足時(shí)，其它切片的性能不會(huì)受到影響?，F(xiàn)有的RAN切片資源分配算法考慮到了其中一個(gè)或者幾個(gè)方面，但是對(duì)高負(fù)載下的場(chǎng)景考慮較少，對(duì)于隔離的設(shè)置也不夠靈活，對(duì)資源分配算法的研究還在持續(xù)進(jìn)行。

1 相關(guān)工作

RAN切片資源分配主要有兩種思路。一種是基于單層調(diào)度，就是將無(wú)線資源直接分配給最終用戶。另一種是基于兩層調(diào)度，一層是切片間調(diào)度，用于確定分配給每個(gè)切片的資源量，另一層是切片內(nèi)調(diào)度，將分配給每個(gè)切片的資源量分配給最終用戶。

文獻(xiàn)[3-7]都是采用單層調(diào)度算法。文獻(xiàn)[3]提出了一種注重切片間公平分配的算法，但是沒(méi)有考慮到切片之間需求的差異性。文獻(xiàn)[4]提出了一種根據(jù)需求的差異區(qū)分網(wǎng)絡(luò)切片，從而最大化網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率的算法，但是該算法沒(méi)有充分考慮到用戶之間的公平性。文獻(xiàn)[5]提出了一種使用離線強(qiáng)化學(xué)習(xí)，然后進(jìn)行低復(fù)雜度啟發(fā)式學(xué)習(xí)的方法。但是沒(méi)有考慮到無(wú)線資源的隔離。在文獻(xiàn)[6]中采用了一種最早截止時(shí)間優(yōu)先(earliest deadline first，EDF)調(diào)度策略用于無(wú)線資源分配，可以使得在高負(fù)載的情況下滿足uRLLC切片對(duì)于時(shí)延的要求，但是會(huì)嚴(yán)重影響eMBB切片對(duì)于吞吐量的需求。文獻(xiàn)[7]提出了一種eMBB和uRLLC業(yè)務(wù)高效復(fù)用的RAN資源切片技術(shù)，可以同時(shí)滿足用戶的隔離約束和最小吞吐量約束。但是沒(méi)有考慮切片的優(yōu)先級(jí)，而且復(fù)雜度較高，靈活性很差。以上的這些基于單層調(diào)度的算法往往需要復(fù)雜的多服務(wù)調(diào)度程序，數(shù)學(xué)模型可能會(huì)無(wú)法求解，并且可能產(chǎn)生大量開銷。

文獻(xiàn)[8-13]采用的是兩層調(diào)度方式。在文獻(xiàn)[8]中，切片內(nèi)調(diào)度程序?qū)⑻摂M資源分配給其用戶，然后切片間調(diào)度程序?qū)⑻摂M資源映射為物理資源。每個(gè)切片具有預(yù)定義數(shù)量的資源，可以將未使用的那些資源分配給其它切片以避免浪費(fèi)資源。但該方法沒(méi)有考慮到用戶的QoS需求的差異，也沒(méi)有考慮到高負(fù)載時(shí)預(yù)定義數(shù)量的資源如何設(shè)定。在文獻(xiàn)[9]中首先使用輪詢(round robin，RR)算法將資源分配給切片，然后在第二步根據(jù)切片的實(shí)際平均速率和目標(biāo)速率來(lái)調(diào)整分配給每個(gè)切片的資源數(shù)量。但是未指定如何確定切片的請(qǐng)求以及如何管理用戶的請(qǐng)求。文獻(xiàn)[10]中的兩個(gè)調(diào)度層都使用Stackelberg博弈，但是沒(méi)有考慮切片間資源的隔離以及在高負(fù)載下的情況。在文獻(xiàn)[11]中，首先利用PF算法在切片之間公平地分配資源，然后每個(gè)切片向其用戶分配資源使效用最大化。但是該方法無(wú)法保證用戶的QoS，而且沒(méi)有實(shí)現(xiàn)切片間無(wú)線資源的隔離。文獻(xiàn)[12]提出了一種高靈活性的算法，該算法可以根據(jù)不同的場(chǎng)景和需求進(jìn)行優(yōu)先級(jí)和隔離的調(diào)整，但是該方法在高負(fù)載時(shí)eMBB切片和uRLLC切片性能表現(xiàn)不佳，嚴(yán)重影響了用戶的QoS。文獻(xiàn)[13]中提出了一個(gè)RAN運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自定義和控制底層RAN的操作和行為，以滿足切片需求。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不同級(jí)別的隔離和共享，但是在此文中切片的優(yōu)先級(jí)是固定的，不能靈活地調(diào)整各個(gè)切片的優(yōu)先級(jí)，而且沒(méi)有考慮在高負(fù)載下的資源分配問(wèn)題。

針對(duì)上述文獻(xiàn)中的問(wèn)題，本文提出了一種兩層資源調(diào)度算法，可以在高負(fù)載的場(chǎng)景下保證eMBB切片的吞吐量和uRLLC切片的最大時(shí)延，同時(shí)具有低復(fù)雜度和高靈活性，可以實(shí)現(xiàn)隔離、優(yōu)先級(jí)和效率之間的適當(dāng)折衷。適用范圍更廣泛，可以更好地滿足實(shí)際場(chǎng)景。

2 系統(tǒng)模型

本文考慮一個(gè)5G基站(base station，BS)，該基站為K個(gè)用戶提供服務(wù)，這些用戶屬于3個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)切片，用S表示網(wǎng)絡(luò)切片的集合。用戶根據(jù)泊松點(diǎn)過(guò)程在區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布，總共有K個(gè)用戶。第s個(gè)切片的平均用戶數(shù)量為Ks，用戶集為Ws，s=1…3。為了滿足用戶的QoS需求，必須在切片之間分配無(wú)線資源。在5G系統(tǒng)中，無(wú)線資源用物理資源塊(physical resource block，PRB)來(lái)表示。一個(gè)PRB由12個(gè)子載波組成，每個(gè)子載波的間隔為Δf=15×2μKHz，μ=0,1,2。 每個(gè)PRB基于14個(gè)OFDM符號(hào)，符號(hào)的持續(xù)時(shí)間隨子載波間隔的變化而變化[14]。在本文中，μ=0,2， 其中μ=0對(duì)應(yīng)于子載波間隔為15 KHz，用于分配給eMBB切片和mMTC切片。μ=2對(duì)應(yīng)于60 KHz的子載波，用于分配給uRLLC切片。PRB的總數(shù)為NRB，PRB的集合用M表示。

2.1 系統(tǒng)級(jí)參數(shù)

在系統(tǒng)級(jí)，定義了以下幾個(gè)參數(shù)，見表1。

表1 系統(tǒng)級(jí)參數(shù)

其中

(1)

rk,n=Blog(1+γk,n),k=1…K,n=1…NRB

(2)

2.2 切片級(jí)參數(shù)

本文考慮3種5G服務(wù)，eMBB、uRLLC、mMTC。在實(shí)際系統(tǒng)中，用戶對(duì)QoS的需求必須轉(zhuǎn)換成整數(shù)PRB才能分配。

(3)對(duì)于mMTC切片來(lái)說(shuō)，假設(shè)第k個(gè)用戶需求的數(shù)據(jù)速率很低，為固定值RmMTC，則每個(gè)用戶需要一個(gè)PRB，即nk=1。

3 兩層調(diào)度算法框架

本文所提出的兩層調(diào)度算法分為兩步。第一步是切片間資源調(diào)度，確定要分配給每個(gè)切片的PRB，然后將總的PRB分成3個(gè)子集，Ms，s=1,2,3。 具體的過(guò)程見第4節(jié)。

第二步是切片內(nèi)資源調(diào)度，各切片獨(dú)立地將其子集中的PRB分配給其用戶。不同的切片根據(jù)需求采用不同的調(diào)度策略，支持高度定制。切片內(nèi)調(diào)度考慮用戶的瞬時(shí)信噪比(signal noise radio，SNR)，以傳輸時(shí)間間隔(transmission time interval，TTi)為基礎(chǔ)。具體的過(guò)程見第5節(jié)。該算法的流程如圖1所示。

圖1 兩層調(diào)度算法流程

4 切片間資源調(diào)度

4.1 問(wèn)題描述

問(wèn)題1

(3)

在式(3)中，第一個(gè)約束表示分配的資源總數(shù)不能超過(guò)可用的資源。第二個(gè)約束確保每個(gè)切片分配的資源不超過(guò)其所請(qǐng)求的資源。第三個(gè)和第四個(gè)約束表示切片1和切片2分配的資源不能低于最低的需求量。

4.2 解決方案

問(wèn)題1作為一個(gè)不等式約束的問(wèn)題，將拉格朗日乘子法推廣到Karush-Kuhn-Tucker(KKT)條件下，可以進(jìn)行求解。約束函數(shù)是線性函數(shù)，因此解空間是凸集，優(yōu)化函數(shù)是凹的，因此KKT條件可以找到最優(yōu)解。利用KKT條件，優(yōu)化問(wèn)題的表達(dá)式就變成

(4)

(1)平穩(wěn)條件

可以被重寫為

(2)松弛條件

可以被重寫為

平穩(wěn)條件可重寫為

可求解得到

(5)

R值可以通過(guò)迭代求解得到，具體迭代過(guò)程不在此描述。R的值可能會(huì)出現(xiàn)兩種極端的情況，即R=0和R=3

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

至此，第一步的切片間資源分配求解完成。

5 切片內(nèi)資源調(diào)度

5.1 問(wèn)題描述

問(wèn)題2

(12)

式中：A是分配矩陣，如果將第j個(gè)資源塊分配給第i個(gè)用戶，則元素a(i,j) 為1，否則為0。Us表示第s個(gè)切片的效用，每個(gè)切片的效用的定義不同，本文考慮α-utility[15]，如式(13)所示

(13)

式中：α是可以選擇的參數(shù)，以具有不同的調(diào)度策略。α=1對(duì)應(yīng)比例公平，α=2對(duì)應(yīng)時(shí)延公平。在本文中，對(duì)eMBB切片和mMTC切片選擇比例公平算法，uRLLC切片選擇時(shí)延公平算法。在式(12)中，第一個(gè)約束表示每個(gè)切片內(nèi)的用戶分配的PRB的總數(shù)不能超過(guò)該切片可用的資源。第二個(gè)約束表示對(duì)于uRLLC切片來(lái)說(shuō)，每個(gè)用戶所分配的資源量不能低于所需求的最低值。第三個(gè)約束確保了一個(gè)PRB只能分配給一個(gè)用戶。

5.2 解決方案

分配矩陣A(0)最開始為空，然后通過(guò)迭代將PRB分配給用戶。在這里定義一個(gè)增益因子，表示將一個(gè)PRB分配給一個(gè)用戶的增益。不同的切片，增益因子的定義不同。設(shè)在第i次迭代中，分配矩陣為A(i)， 第k個(gè)用戶已經(jīng)分配的速率為

(14)

對(duì)于uRLLC用戶來(lái)說(shuō)，增益因子定義為

(15)

對(duì)于eMBB和mMTC用戶來(lái)說(shuō)，增益因子定義為

(16)

6 仿真結(jié)果

本節(jié)對(duì)所提出的算法進(jìn)行了仿真，主要針對(duì)eMBB切片的吞吐量，uRLLC切片的最大時(shí)延、mMTC切片的吞吐量以及算法的靈活性和復(fù)雜度進(jìn)行了分析。

6.1 仿真參數(shù)

在本文中，eMBB用戶的數(shù)據(jù)速率請(qǐng)求是指數(shù)分布，均值為ReMBB，uRLLC用戶的時(shí)延在給定的范圍 [δmin,δmax] 上均勻分布。此外，本文假設(shè)城市場(chǎng)景中的Hata成本模型是具有對(duì)數(shù)正態(tài)陰影分布的路徑損耗模型。一些主要的仿真參數(shù)見表2。對(duì)比的參考算法是文獻(xiàn)[12]所提出的算法。

表2 仿真參數(shù)

6.2 不同隔離級(jí)別下的切片性能

固定3種切片的優(yōu)先級(jí)和K1，K2，然后改變K3就得到了圖2。其中，K1=10，K2=30，p1=p2=p3。在不同的n值下，切片的性能表現(xiàn)不同。由第4節(jié)可知，n值越接近1，分配的資源量與負(fù)載的關(guān)聯(lián)就越大，隔離級(jí)別就越低；n值越接近0，分配的資源量與負(fù)載的關(guān)聯(lián)就越小，隔離級(jí)別就越高。

圖2 各切片的性能表現(xiàn)隨K3的變化

圖2(a)顯示了eMBB切片的吞吐量性能。從圖中可以看出，在mMTC用戶數(shù)比較少的時(shí)候，也就是mMTC的負(fù)載較低，此時(shí)3種切片的需求都能得到滿足，因此，eMBB切片的吞吐量恒定不變。隨著mMTC切片的負(fù)載逐漸增加，資源無(wú)法完全滿足3種切片的性能需求，mMTC切片開始搶占eMBB切片的資源。eMBB切片是由于高數(shù)據(jù)速率請(qǐng)求而具有最高負(fù)載的切片。在n=0.8的低隔離級(jí)別場(chǎng)景下，流量負(fù)載成為影響資源分配的主要因素，所以參考算法和本文所提出的算法的吞吐量下降幅度都最小。由圖2(a)可以看出，本文所提出的算法和參考算法在n=0.2 和n=0.5場(chǎng)景下的吞吐量比n=0.8場(chǎng)景下的吞吐量下降得更快，當(dāng)mMTC的用戶數(shù)增長(zhǎng)到210左右時(shí)，本文所提出的算法的eMBB切片的吞吐量基本維持在5 Mbps左右，不再繼續(xù)下降，而參考算法的eMBB切片的性能會(huì)持續(xù)地惡化，無(wú)法保證用戶的最低QoS需求。

圖2(b)顯示了uRLLC切片的時(shí)延性能。這3種切片中，uRLLC切片的流量負(fù)載是最低的，對(duì)資源的需求量也最小。因此，不管是在高隔離級(jí)別還是低隔離級(jí)別的場(chǎng)景下，當(dāng)mMTC切片的用戶數(shù)較少時(shí)，uRLLC用戶都能滿足需求。當(dāng)mMTC切片的負(fù)載較高時(shí)，在n=0.8的低隔離級(jí)別場(chǎng)景下，uRLLC切片受到eMBB和mMTC切片的流量負(fù)載的影響很大，獲得的資源量變少，由于沒(méi)有最大時(shí)延的限制，所以參考算法的最大時(shí)延超過(guò)了3 ms，性能受到嚴(yán)重的影響。而本文所提出的算法在n=0.8的低隔離級(jí)別的場(chǎng)景下最大時(shí)延也會(huì)上升，但是不會(huì)超過(guò)3 ms，保證了uRLLC用戶對(duì)于時(shí)延的性能需求。在n=0.2以及n=0.5的場(chǎng)景下，切片的最大時(shí)延都沒(méi)有上漲，因?yàn)楫?dāng)隔離級(jí)別很高時(shí)，切片所獲得的資源量受優(yōu)先級(jí)的影響較大，同時(shí)uRLLC切片對(duì)資源的需求很低，因此uRLLC切片在高隔離級(jí)別場(chǎng)景下，參考算法和本文所提出的算法都有足夠的資源分配給自己的用戶，用戶的QoS需求都得到滿足。

圖2(c)顯示了mMTC切片的吞吐量性能。在圖2(c)的前半段，n=0.2和n=0.5的場(chǎng)景下的吞吐量性能比n=0.8的場(chǎng)景下的吞吐量性能表現(xiàn)更好，這是因?yàn)閙MTC的負(fù)載比eMBB切片的負(fù)載低，在隔離級(jí)別較高的場(chǎng)景下，資源分配受負(fù)載影響較小，受優(yōu)先級(jí)影響較大，可獲得資源更多。在圖2(c)的后半段，隨著mMTC切片的負(fù)載繼續(xù)增加直至超過(guò)eMBB切片的負(fù)載，在隔離級(jí)別低的場(chǎng)景下，mMTC切片就可以搶占更多的uRLLC切片的資源，因此，吞吐量會(huì)比高隔離級(jí)別的場(chǎng)景下更高，結(jié)合圖2(b)也可以看出。

綜上所述，一方面，本文所提出的算法可以根據(jù)不同的需要設(shè)置不同的隔離級(jí)別，具有一定的靈活性。另一方面，在高隔離級(jí)別的場(chǎng)景下，本文提出的算法可以保證eMBB切片在高負(fù)載下的吞吐量性能。在低隔離級(jí)別的場(chǎng)景下，本文所提出的算法可以保證uRLLC切片在高負(fù)載的情況下的時(shí)延性能，可以保證用戶的QoS，更具有實(shí)用性。

6.3 不同優(yōu)先級(jí)下的切片性能

所提出的算法不僅在隔離方面是靈活的，而且在切片的優(yōu)先級(jí)管理方面也是靈活的。圖3是在固定K1，K2，K3，然后改變3種切片的優(yōu)先級(jí)的情況下得到的，K3設(shè)置為350。圖3顯示了當(dāng)優(yōu)先級(jí)變化時(shí)3個(gè)切片的性能，性能取決于mMTC切片(p3)的優(yōu)先級(jí)以及其它兩個(gè)切片的優(yōu)先級(jí)的不同組合。更詳細(xì)地說(shuō)，從點(diǎn)p3=0和p1=p2=0.5開始，p3通過(guò)將第一個(gè)切片的優(yōu)先級(jí)降低到p1=0.35而增加，p2保持不變。然后在圖的第二部分中，p1保持0.35不變，p3繼續(xù)增加，p2逐漸降低至0.25停止。

圖3 各切片的性能表現(xiàn)隨p3的變化

圖3(a)顯示了eMBB切片的吞吐量性能。在mMTC優(yōu)先級(jí)為0～0.05的時(shí)候，其優(yōu)先級(jí)過(guò)低，eMBB切片可以獲得滿足其需求的資源量，因此，eMBB切片的吞吐量維持不變。隨著p1的繼續(xù)下降，p3的繼續(xù)上升，eMBB切片所分配的資源開始減少，吞吐量開始下降。在圖3(a)的第一部分中，n=0.2比n=0.5的場(chǎng)景下吞吐量要高，n=0.5比n=0.8的場(chǎng)景下吞吐量要高。造成這種現(xiàn)象的原因是mMTC切片的流量負(fù)載比eMBB切片的流量負(fù)載高，因此，隔離級(jí)別越高，資源分配受流量負(fù)載影響就越小，受優(yōu)先級(jí)影響就越大。在圖3(a)的第二部分，p1維持在0.35不變，p2開始減少，p3繼續(xù)增加，eMBB切片可獲得的資源量繼續(xù)減少。參考算法無(wú)法保證eMBB切片的性能，所以參考算法的eMBB切片的吞吐量持續(xù)下降，性能惡化。而本文所提出的算法設(shè)置了最小吞吐量限制，因此，當(dāng)eMBB切片吞吐量下降到一定值時(shí)就不再繼續(xù)下降，由圖3(a)可見。

圖3(b)顯示了uRLLC切片的時(shí)延性能。在圖3(b)的第一部分，uRLLC切片的優(yōu)先級(jí)很高，而且其流量負(fù)載最小，所以在不同的隔離環(huán)境下都能滿足用戶的時(shí)延需求。當(dāng)p3增加至超過(guò)0.25時(shí)，uRLLC已不再具有高優(yōu)先級(jí)的優(yōu)勢(shì)，參考方法只有在隔離級(jí)別非常高的場(chǎng)景中才能保證時(shí)延性能，在隔離級(jí)別非常低的場(chǎng)景下，受到eMBB切片和mMTC切片的高流量負(fù)載的嚴(yán)重影響，已經(jīng)無(wú)法獲得滿足自身需求的資源量。如圖3(b)所示，uRLLC切片的最大時(shí)延開始增加，增長(zhǎng)迅速，在n=0.8的情況下，最大時(shí)延超過(guò)了4.5 ms。n=0.5的情況下也超過(guò)了3 ms，用戶的QoS已經(jīng)受到了嚴(yán)重的影響。而本文所提出的算法即使最大時(shí)延會(huì)隨著p2的降低而增加，但是不會(huì)超過(guò)3 ms，能滿足用戶的最低QoS需求，更加適用于實(shí)際場(chǎng)景。

圖3(c)顯示了mMTC切片的吞吐量性能。在圖的第一部分，mMTC切片的吞吐量隨p1的減少而增加。在圖的第二部分，p2開始減少，p3繼續(xù)增加，當(dāng)隔離級(jí)別比較低的時(shí)候，uRLLC切片會(huì)受到eMBB和mMTC切片的流量負(fù)載的影響，mMTC可以搶占更多的uRLLC切片的資源，從而使mMTC的吞吐量更大。如圖所示，n=0.8的吞吐量高于n=0.5，n=0.5的吞吐量高于n=0.2。因?yàn)楸疚脑O(shè)置了eMBB和uRLLC的最低資源量限制，因此，mMTC切片可獲得的資源量會(huì)比參考算法要少，導(dǎo)致吞吐量會(huì)低一些。

綜上所述，本文所提出的算法可以根據(jù)需要設(shè)置3種切片的優(yōu)先級(jí)，具有一定的靈活性。在高負(fù)載場(chǎng)景下，所提的算法可以保證eMBB切片和uRLLC切片在低優(yōu)先級(jí)時(shí)的性能。

6.4 復(fù)雜度分析

綜上，復(fù)雜度隨著切片的數(shù)量(切片間資源調(diào)度)和用戶的數(shù)量(切片內(nèi)資源調(diào)度)線性增加，復(fù)雜度較低，因此是一種適合于實(shí)際應(yīng)用的解決方案。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究無(wú)線接入網(wǎng)(RAN)切片。面對(duì)稀缺的無(wú)線資源，為了在高負(fù)載場(chǎng)景下兼顧隔離和資源效率，提出了一種適用于實(shí)際系統(tǒng)的高效、靈活、低復(fù)雜度的兩層調(diào)度算法。

仿真結(jié)果表明，所提出的算法可以根據(jù)不同的場(chǎng)景和需要，設(shè)置不同的隔離級(jí)別和優(yōu)先級(jí)，靈活性較好。而且在高負(fù)載下能保證eMBB切片的最低吞吐量和uRLLC切片的最大時(shí)延，保證了用戶的QoS。