朱富麗 楊 磊 姬 波

1(河南牧業(yè)經(jīng)濟學院信息化辦公室 河南 鄭州 450044)2(河南信息統(tǒng)計職業(yè)學院建筑工程系 河南 鄭州 450008)3(鄭州大學信息工程學院 河南 鄭州 450001)

0 引 言

隨著移動物聯(lián)網(wǎng)通信的快速發(fā)展，頻譜資源稀缺環(huán)境下，尋求用戶需求的服務(wù)指數(shù)增長與物聯(lián)設(shè)備之間的接入性能成為了很多學者的研究熱點[1]。目前，5G技術(shù)的關(guān)鍵性能指標可以提高區(qū)域頻譜效率[2]，其無線廣播接入網(wǎng)絡(luò)(Radio Access Network, RAN)接入通過附加頻譜、高效信道調(diào)制和編碼、移動?xùn)鸥窈头钦欢嘀?Non Orthogonal Multiple access, NOMA)[3-4]技術(shù)等功能可以實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)增強。因此，RAN伴隨著5G技術(shù)的發(fā)展，從大功率宏單元結(jié)構(gòu)向移動的低發(fā)射功率微單元結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，而多個用戶設(shè)備的移動自組網(wǎng)[5-6]可以提高網(wǎng)絡(luò)連通性和擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。

國內(nèi)外學者對于5G無線網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)的研究主要分為三類思想：負載均衡策略[7]、基于QoS[8]方法和基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Definition Network, SDN)方法[9]。其中，負載均衡策略將請求接入的用戶分配給負載最少的基站或無線節(jié)點，為用戶提供所需的負載均衡接入選擇[7]，可以減少信息交互的代價。但該方法沒有將可用信源動態(tài)分配給邊緣網(wǎng)絡(luò)或未運行網(wǎng)絡(luò)，不能發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的資源不足問題，無法滿足有實時通信要求的用戶節(jié)點?；赒oS的思想雖然可以解決信道實時接入，提供高質(zhì)量業(yè)務(wù)的資源最大化利用，但其接入選擇未考慮負載均衡問題，不適用于有限能耗的無人系統(tǒng)設(shè)備。而SDN方法實現(xiàn)了控制層和數(shù)據(jù)層的解耦分離，在5G接入的全覆蓋方面表現(xiàn)出較大優(yōu)勢，同時可以使用無人機飛行網(wǎng)絡(luò)的管理協(xié)議來實現(xiàn)高效的端到端中繼服務(wù)。文獻[10]在5G系統(tǒng)中，提出了支持QoS的物聯(lián)網(wǎng)部署的軟件定義體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了最佳的數(shù)據(jù)速率，但其仍處于發(fā)展階段。

綜上所述，為在5G生態(tài)系統(tǒng)中實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)通信的無線廣播網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點的運行，本文提出一個具有網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化管理和編排(Network Function Visualization Management and Orchestration, NFV MANO)[11]的移動5G無線廣播接入網(wǎng)絡(luò)(5G-RAN)框架，構(gòu)建了拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并實現(xiàn)信道的多址接入。目的是以超密集網(wǎng)絡(luò)(UDNs)為背景[12]的移動RA節(jié)點研究，通過使用NOMA提高無線鏈路質(zhì)量和頻譜效率，提供更好的覆蓋和連接。

1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及主要功能

1.1 移動無線廣播接入

5G-RAN的移動性是由移動無線廣播接入(RA)節(jié)點的UDN提供，主要是地面移動設(shè)備設(shè)施，而基于無人機的飛行自組網(wǎng)(Flying Ad-Hoc Networks, FANETs)是對地面基站的一個補充，包括嵌入式計算機平臺以及多個分配無線信道的中繼單元，支持由RA節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施(Network Function Virtual Infrastructure, NFVI)，以構(gòu)建功能性和可編程的多跳Ad.Hoc網(wǎng)絡(luò)。

5G-RAN體系結(jié)構(gòu)為RA節(jié)點的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖1所示，RA節(jié)點通過中間RA節(jié)點跟隨多條路徑無線連接到邊緣節(jié)點，無人機節(jié)點包含虛擬交換機(vSwitch)且根據(jù)無誤需求配置無線數(shù)據(jù)鏈路；虛擬延遲器(vCache)通過向與服務(wù)相關(guān)的緩存提供存儲來減少延遲。體系結(jié)構(gòu)主要分為核心網(wǎng)絡(luò)層和操縱控制層。核心網(wǎng)絡(luò)層中，SDN配置屬于特定位置區(qū)域的虛擬交換機。機器學習管理器(Machine Learning, ML)配備了多個算法，從監(jiān)控管理器獲取輸入，并為定位管理器、MANO[11]和SDN[9]系統(tǒng)的決策過程提供支持，以放置、分配和優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)施資源。移動性管理器(Mobility)負責通過預(yù)測移動性模式、自適應(yīng)地利用系統(tǒng)資源和實時鏈路以及處理數(shù)據(jù)來管理跟隨移動用戶的服務(wù)。操縱控制層中，無線資源組件為不同的服務(wù)管理分配必要的無線資源，通過NOMA訪問無線信道的節(jié)點數(shù)量，或者在用戶和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備密度增加的區(qū)域部署補充無人機RA節(jié)點。監(jiān)視探測組件收集與構(gòu)成服務(wù)的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能(Virtual Network Function, VNF)性能相關(guān)的數(shù)據(jù)以及節(jié)點基礎(chǔ)設(shè)施的操作系統(tǒng)，以增強VNF遷移調(diào)度。無線嗅探器從無線信道中實時采集信號數(shù)據(jù)樣本，經(jīng)處理和分析后，為MANO系統(tǒng)提供不同網(wǎng)絡(luò)場景下基礎(chǔ)設(shè)施資源的動態(tài)分配。對于其他節(jié)點的定位和用戶的移動，將無人機飛行作為補充控制組件用于RA節(jié)點管理。

圖1 移動5G-RAN框架

1.2 斷開無線廣播接入

由于RA節(jié)點構(gòu)建的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，其鏈路的不可用可能導(dǎo)致MANO平臺與RA節(jié)點子集之間平面通信的暫時中斷，盡管基礎(chǔ)設(shè)施資源處于聯(lián)機狀態(tài)，但它無法協(xié)調(diào)斷開連接的節(jié)點。因此，通過5G-RAN的分組和斷開連接的方式，圖2給出了從RIM到DRIM的面向?qū)ο髷U展，在內(nèi)部提供了一個MANO/SDN接口，以支持斷開連接的操作，并通過DRIM-MANO接口提供足夠的信息，以正確執(zhí)行所有相關(guān)功能。斷開RA的MANO框架分為基礎(chǔ)設(shè)施層和網(wǎng)絡(luò)管理編排層?；A(chǔ)設(shè)施層包括網(wǎng)絡(luò)功能虛擬基礎(chǔ)設(shè)施管理器(NFVI)、遠程虛擬基礎(chǔ)設(shè)施管理器(RIM)和無人機移動基礎(chǔ)設(shè)施管理器(DRIM)。移動RA網(wǎng)絡(luò)利用隱藏在NFVI抽象后的分層MANO/SDN結(jié)構(gòu)，管理和編排虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能管理(VNFM)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN Controller)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化編排(NFVO)、無線電干擾(Radio&Interference)、移動數(shù)據(jù)(Mobility)和機器學習(ML Planform)組件。在與設(shè)備交互協(xié)調(diào)中，給出了一個基于SDN的無人機通信和拓撲管理方法的協(xié)調(diào)協(xié)議，以此在FANETs拓撲中建立和維護可靠的通信，作為對地面基站網(wǎng)絡(luò)通信的一個補充。

圖2 斷開無線廣播接入的MANO框架

2 RA節(jié)點拓撲網(wǎng)絡(luò)

有了RA框架后，就可以構(gòu)建內(nèi)部拓撲網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)一個上行網(wǎng)絡(luò)中有N個含有移動用戶或物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備源Sn(1≤n≤N)，一個目的傳輸點D，K個移動RA節(jié)點的用戶簇C，具有半雙工中繼技術(shù)的解碼和轉(zhuǎn)發(fā)功能。初始情況下，節(jié)點已完成NOMA配置且具有相同的信道，當信號衰落時，移動用戶或物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與服務(wù)器之間沒有直接的連接，通信只能由移動的無線節(jié)點提供。設(shè)每個RA節(jié)點Rk擁有一個大小為L的緩沖區(qū)，表示可以存儲的最大數(shù)據(jù)包數(shù)。Rk的緩沖區(qū)中包的個數(shù)記為Qk，每個緩沖區(qū)的容量平均分配給每個信號源Sn，并存儲于Rk上，從而形成了子緩沖區(qū)Qk,Sn且子緩沖區(qū)大小相等，記為LSn。這里，假設(shè)信號源為飽和狀態(tài)，用于在每個Rk成功接收的信息速率rSn是不同的，當接收處的信噪比Γij大于或等于閾值γij，則從發(fā)射機i到其對應(yīng)的接收機j的傳輸是成功的。進一步地講，設(shè)γij被定義為γij=2ri-1，其中ri的值由應(yīng)用程序的調(diào)制和編碼特性確定，在每個時間間隙內(nèi)，信號源和RA節(jié)點使用固定功率Pi執(zhí)行分組傳輸，i∈{S1,S2,…,SN,R1,R2,…,RK}。而重新傳輸依賴于應(yīng)答或無應(yīng)答(ACKs/NACKs)，其中Rk通過單獨的窄帶信道傳輸短長度無差錯分組。同時，由于多個RA節(jié)點可能接收到相同的分組，必須通知服務(wù)器接收到的是哪個分組。因此，應(yīng)答則包括包的id，提示RA節(jié)點從其隊列中丟棄相應(yīng)的包并避免重復(fù)傳輸。

3 信道多址接入

3.1 信源到移動RA節(jié)點傳輸

(1)

式中:ηRk表示RA節(jié)點Rk的AWGN。

關(guān)于動態(tài)解碼SIC接收機[15]操作，Rk可以被解碼為Sn信號。

(2)

只要先前的N-n個信號已在Rk處成功解碼，則在解碼Sn的信號之前從yk中減去。提出一種信號排序的方法，即在動態(tài)SIC接收機中引入RA節(jié)點，使該接收機依賴于RA節(jié)點處的信道狀態(tài)信息，根據(jù)瞬時接收信號功率來執(zhí)行信號排序。將φ表示為所有可能的解碼順序的集合，Rk確定了執(zhí)行信號排序的排列φk∈φ。在任意廣播相位之后，考慮到每個源的發(fā)射功率水平相等，每個Rk通過將源信號順序解碼為φk，1,φk，2,…,φk,N，則其各自的信道增益為gφk,1Rk≥gφk,2Rk≥…≥gφk,NRk。

3.2 移動RA節(jié)點到目的地傳輸

(3)

相反，如果γRkD<2rmax-1，則目的地將無法成功接收N個信源的數(shù)據(jù)的分組。因此，在相應(yīng)的{R→D}中，Rk并發(fā)傳輸N個信號源數(shù)據(jù)的中斷概率[16]表示為：

(4)

式中:通過RA節(jié)點選擇方法允許存儲和發(fā)送不同數(shù)量的分組，而不要求所選擇的RA節(jié)點在第一跳中決定N個分組，從而增加NOMA網(wǎng)絡(luò)上行鏈路的靈活性。另外，如果無線信道至少能夠以最小速率要求保證信號源分組的傳輸，則可以避免完全中斷。在這種情況下，式(4)中的概率不取決于rmax，而是取決于rmin=min{r1,r2,…,rN}，根據(jù)最低速率要求以避免{R→D}鏈路中的完全中斷。

3.3 多址接入選擇策略

算法1多址接入選擇策略

2.N個信源向K個中繼廣播它們的數(shù)據(jù)包

4. else

7. if 多個中繼器具有相同的最大子緩沖區(qū)長度

8. then

9.i*是從i’中的繼電器組中隨機選擇

10. elsei*=i’

12. end if

4 實 驗

4.1 實驗條件及參數(shù)設(shè)定

給出了在MATLAB中進行的蒙特卡羅模擬的平均和速率和分組延遲結(jié)果，以評估本文方法的上行鏈路RA性能。首先，信道通過NOMA分配，每個移動RA節(jié)點同時接收多個信源的信號；然后，作為中繼的每個移動RA節(jié)點動態(tài)地對信號進行排序，先解碼最強的信號并減去最強的信號，再移動到下一個信號。此外，由于移動RA節(jié)點的激活取決于其緩沖區(qū)狀態(tài)，如果多個節(jié)點具有來自相同信源的數(shù)據(jù)包，則將被激活的移動RA節(jié)點是其緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)包數(shù)量最大的節(jié)點，從而避免緩沖區(qū)溢出。本文方法依賴于移動RA節(jié)點并可以擴展到多跳部署，在每個跳中存在移動RA節(jié)點來接收和轉(zhuǎn)發(fā)解碼包，從而建立端到端連接。

實驗中假設(shè)設(shè)定一個網(wǎng)絡(luò)，三個設(shè)備從多個移動RA節(jié)點連接，它們由蜂窩用戶S1和兩個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備S2、S3組成，S1以頻譜效率rS1=3 bit·s-1·Hz-1發(fā)射，S2和S3以頻譜效率rS2=rS3=1 bit·s-1·Hz-1發(fā)射。S1、S2和S3到RA節(jié)點的信道根據(jù)實際無線拓撲網(wǎng)絡(luò)設(shè)定為隨機獨立但非同分布模式。移動RA節(jié)點充當S1、S2和S3和服務(wù)器之間的中繼，并且每個RA節(jié)點認為具有9個分組的緩沖容量，平均分配用于存儲三個設(shè)備的分組，仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

4.2 與OMA比較

評估本文方法在拓撲網(wǎng)絡(luò)中的和速率和延遲性能，與OMA[17](Open Mobile Alliance)策略進行比較。對于OMA方法，假設(shè)在每個時隙中，信源的數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生在{S→R}或{R→D}鏈接中，每個信源成功傳輸所需的速率被設(shè)置為NOMA速率的三倍，其中在每個時間間隙內(nèi)，所有三個信源同時傳輸其數(shù)據(jù)。實驗網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置k=6個移動RA節(jié)點，作為空中中繼和一個目的地。模擬了三種信號源速率情況：(1) 所有源都有相同的速率要求，即rS1=rS2=rS3=1 bit·s-1·Hz-1；(2) 存在低速率不對稱rS1=2 bit·s-1·Hz-1，rS2=rS3=1 bit·s-1·Hz-1；(3) 信號源之間呈現(xiàn)出高速率不對稱，rS1=3 bit·s-1·Hz-1，rS2=rS3=1 bit·s-1·Hz-1。

由圖3(a)可知，本文方法在中低信噪比機制下提供了改進的和速率性能，在每個移動RA節(jié)點使用具有動態(tài)排序的SIC，特別是在低速率和高速率不對稱情況下，顯著提高了和速率性能。而在OMA中，當用戶被調(diào)度時必須執(zhí)行三倍于所需速率的傳輸。雖然在發(fā)送信噪比增加時，OMA略微超過本文方法，因為高速傳輸是可能的且信源之間不存在干擾。實驗比較結(jié)果強調(diào)了本文方法考慮到用戶速率的不對稱性和用戶配對的重要性，在等速率情況下，利用了可能的信道不對稱性，并減少了在接收機上成功實現(xiàn)SIC的機會。為此，移動RA節(jié)點的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能單元根據(jù)其速率需求和與可用移動RA節(jié)點的適當關(guān)聯(lián)來進行用戶配對。

圖3 本文方法與OMA性能比較

圖3(b)進一步說明了速率不對稱情況下的平均延遲性能。對于中(equal)、低(low)發(fā)射信噪比值，本文方法獨立于速率不對稱提供了較好的平均延遲性能并遵循平均和速率性能，同時，固定用戶調(diào)度導(dǎo)致延遲增加，因為數(shù)據(jù)包傾向于在移動RA節(jié)點的緩沖區(qū)中停留更多的時間間隔，當S1要求較低的速率時，平均延遲性能隨著停留次數(shù)的減少而提高。本文方法的數(shù)據(jù)包不會從緩沖區(qū)中丟棄，這是由于在施加延遲限制的情況下，VNF會根據(jù)每個源的服務(wù)的關(guān)鍵性來調(diào)整數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級。

4.3 RA節(jié)點重定位改進無線條件

兩個移動RA節(jié)點用于上行鏈路中的三個設(shè)備S1、S2和S3，如果所有鏈路都具有非視距[18](nLoS)特性，衰落可能會導(dǎo)致接收信號較弱，給SIC處理帶來困難。因此，通過使用具有最高速率要求的蜂窩設(shè)備(S1)重定位移動RA節(jié)點以實現(xiàn)LoS，可以在網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)總體和速率改進。圖4(a)，比較了動態(tài)重定位移動RA節(jié)點的各種情況。初始狀態(tài)下，兩個移動RA節(jié)點隨機部署在網(wǎng)絡(luò)中，并與三個設(shè)備一起具有nLoS信道，表現(xiàn)了最差的和速率性能；然后在“semi-opt”狀態(tài)下，兩個移動RA節(jié)點中的一個重新定位以實現(xiàn)蜂窩用戶的LoS條件，說明僅通過改善一個移動RA節(jié)點與三個設(shè)備之間的無線條件，也可以獲得顯著的和速率增益；在“opt”狀態(tài)下，將兩個移動RA節(jié)點配置為與蜂窩用戶一起重新定位和維護LoS信道，這種狀態(tài)下整個發(fā)射信噪比范圍內(nèi)具有最佳性能。

圖4 動態(tài)RA節(jié)點重定位性能

圖4(b)進一步說明了在“init”“semi-opt”和“opt”三種不同情況下RA節(jié)點定位的平均延遲減少。結(jié)果表明，在“semi-opt”和“opt”情況下成功地接收到更多的包，并且由于平均發(fā)送信噪比低，它們傾向于停留在緩沖器中以獲得更多的時間間隙。隨著信噪比條件的改進，“semi-opt”和“opt”兩種情況提供了相同的平均延遲，同時，在服務(wù)器處成功地解碼了更多的分組。最后，當兩個RA節(jié)點被重新定位時，由于SIC更頻繁地解碼來自所有源的分組，且本文方法發(fā)送由其信號組成的組合分組，因此在14 dB之后實現(xiàn)最佳平均延遲性能。

4.4 分配額外RA節(jié)點改進差異性

考慮動態(tài)分配額外移動RA節(jié)點的影響，側(cè)重于在無線信道難以支持多個設(shè)備的速率要求的區(qū)域部署額外的移動RA節(jié)點，即這些設(shè)備位于服務(wù)水平連接不可行的區(qū)域，例如建筑物內(nèi)部環(huán)境下。在這種情況下，網(wǎng)絡(luò)識別這些區(qū)域需要部署更多的移動RA節(jié)點以提高多樣性。圖5(a)描述了增加可用移動RA節(jié)點(K)的數(shù)量對網(wǎng)絡(luò)的平均和速率性能的影響，由此可知，即使對于具有nLoS信道的拓撲，隨著移動RA節(jié)點的靈活部署，平均和速率得到了提高。

圖5 RA節(jié)點動態(tài)分配性能

圖5(b)為增加可用移動RA節(jié)點的數(shù)目的平均延遲結(jié)果。當K=2時，平均延遲性能下降，特別是在低發(fā)射信噪比情況下平均延遲性能下降更為明顯。而當更多的RA節(jié)點可用時，平均延遲減少。這是由于從一開始RA節(jié)點處的SIC容易成功傳輸，在第二跳中，更多的鏈路可用，以便傳輸來自多個信號源的信息組成的分組，說明了隨著K的增加，發(fā)送了更多的分組。

5 結(jié) 語

本文提出一種面向大規(guī)模物聯(lián)設(shè)備的移動5G-RAN可靠性連接方法，構(gòu)建了一個具有網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化管理和編排的移動5G-RAN框架，并提出從信源道RA節(jié)點及目的地的多址接入選擇策略。實驗表明：本文方法在“平均和速率”與“分組延遲”的信噪比性能較好，通過靈活部署移動RA節(jié)點和使用非正交多址技術(shù)提高了用戶和設(shè)備的連接性。但本文方法未考慮根據(jù)用戶的移動性和流量進行RA節(jié)點的選擇，容易導(dǎo)致計算的復(fù)雜性和能耗問題，下一步研究應(yīng)用機器學習平臺對RA節(jié)點的多址接入進行自動選擇，增強網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署的能耗意識。