么欣桐，陳 健，黎 軍

（1.南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210000；2.中國空間技術(shù)研究院西安分院 空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710000）

0 引 言

隨著移動通信量的爆炸式增長，無線行業(yè)正在經(jīng)歷各種各樣的新興應(yīng)用和服務(wù)。第三代伙伴關(guān)系項目（3GPP）將這些不同的場景分為三大類：增強(qiáng)移動寬帶（eMBB）、大規(guī)模機(jī)器類型通信（mMTC）和超可靠低延遲通信（uRLLC）。其中，eMBB 場景集中表現(xiàn)為超高的數(shù)據(jù)傳輸速率、廣覆蓋下的移動性保證等，針對的是大流量移動寬帶業(yè)務(wù)，其主要的具體應(yīng)用場景有3D/超高清視頻、VR/AR 等業(yè)務(wù)。mMTC 重點(diǎn)解決傳統(tǒng)移動通信無法很好地支持物聯(lián)網(wǎng)及垂直行業(yè)應(yīng)用的問題，主要的應(yīng)用場景有面向智慧城市、智能家居等以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用場景。uRLLC 場景面對的是高可靠、低時延、極高可用性的應(yīng)用場景，不同的業(yè)務(wù)對時延有不同的要求，uRLLC 場景包括以下具體應(yīng)用場景：工業(yè)應(yīng)用和控制、交通安全和控制、遠(yuǎn)程制造、遠(yuǎn)程培訓(xùn)、遠(yuǎn)程手術(shù)等。此外，uRLLC 在無人駕駛業(yè)務(wù)方面擁有很大潛力。在5G uRLLC 場景下，面向不同的業(yè)務(wù)需求，合理的端到端uRLLC 保障技術(shù)將是提升5G 網(wǎng)絡(luò)uRLLC性能指標(biāo)、降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與運(yùn)維成本的關(guān)鍵因素。

三大類應(yīng)用場景業(yè)務(wù)自身特征迥異，業(yè)務(wù)需求不同，對網(wǎng)絡(luò)的要求也不盡相同。目前，eMBB 場景作為5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)場景已得到了市場應(yīng)用，而uRLLC 場景和mMTC 場景所涉及的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)還在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的研究中，預(yù)計2023—2024 年將逐步推出。可以預(yù)想，多應(yīng)用場景在5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)共存時，在有限的系統(tǒng)資源情況下，三大應(yīng)用場景對系統(tǒng)資源的競爭將是5G 移動通信系統(tǒng)不可避免的現(xiàn)象。eMBB 場景業(yè)務(wù)作為5G 移動通信的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)，在流量上占有主導(dǎo)地位，而uRLLC 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包短，對時延、時延抖動、丟包率等參數(shù)敏感，尤其是具有突發(fā)特征的uRLLC 業(yè)務(wù)會對eMBB 業(yè)務(wù)造成較大的沖擊影響。因此，在滿足uRLLC 業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量（QoS）的前提下，如何降低對eMBB 業(yè)務(wù)的影響以及提高資源利用率是5G 移動通信系統(tǒng)的一個核心問題。

近年來，業(yè)界和學(xué)術(shù)界對同一物理資源上的eMBB業(yè)務(wù)和uRLLC 業(yè)務(wù)多路復(fù)用的研究越來越多，如文獻(xiàn)[6]中對eMBB 和uRLLC 流量進(jìn)行了基于信息論論證的性能分析；文獻(xiàn)[7]引入了eMBB 影響最小化問題，以保護(hù)uRLLC 流量不受主流eMBB 服務(wù)的影響；文獻(xiàn)[8]提出了一種有效的多路復(fù)用解決方案，但沒有解決復(fù)用中的資源分配問題。本文通過隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算理論，建立兩種業(yè)務(wù)共存的通用模型，在已有學(xué)者提出隨機(jī)業(yè)務(wù)uRLLC資源預(yù)留與資源搶占的基礎(chǔ)上，提出了一種突發(fā)業(yè)務(wù)與隨機(jī)業(yè)務(wù)并存的三層多占比動態(tài)資源預(yù)留與搶占機(jī)制。通過對時延邊界分布的分析，從理論上推導(dǎo)出滿足隨機(jī)到達(dá)和突發(fā)uRLLC 業(yè)務(wù)的資源預(yù)留邊界，作為多占比動態(tài)資源預(yù)留和搶占系統(tǒng)理論基礎(chǔ)。借助隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論，對兩種業(yè)務(wù)時延特性進(jìn)行深入探討，分析資源預(yù)留和搶占對eMBB 業(yè)務(wù)的性能影響。

1 資源預(yù)留系統(tǒng)模型

傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量己經(jīng)不能滿足于未來的新型業(yè)務(wù)，eMBB 與uRLLC 帶來了超高峰值速率、超大熱點(diǎn)容量、超低時延、超高可靠等巨大挑戰(zhàn)。5G 主張對eMBB 與uRLLC 實(shí)行流量共享，共同分配時頻資源。頻段上預(yù)留出一定的空閑資源用于uRLLC 資源分配，預(yù)留的空閑資源可以最大限度防止uRLLC 業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)阻塞，最大可能地滿足uRLLC 業(yè)務(wù)的低時延要求。

文獻(xiàn)[9]中給出的系統(tǒng)模型可以很好地對以泊松分布到達(dá)的uRLLC 數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)的資源預(yù)留分配。但在實(shí)際場景中，對于突發(fā)性uRLLC 業(yè)務(wù)會在短時間內(nèi)到達(dá)，同樣需要超低的時延和超高可靠性保障，如采用傳統(tǒng)預(yù)留機(jī)制會給eMBB 業(yè)務(wù)和隨機(jī)uRLLC 業(yè)務(wù)造成巨大沖擊，同時難以充分保障突發(fā)uRLLC 業(yè)務(wù)的需求。因此本文考慮uRLLC 與eMBB 混合業(yè)務(wù)復(fù)用的系統(tǒng)模型，uRLLC 包括隨機(jī)到達(dá)和突發(fā)到達(dá)兩種情況。

突發(fā)性uRLLC 業(yè)務(wù)，若按照其峰值速率進(jìn)行資源預(yù)留會極大降低系統(tǒng)的資源利用率，同時eMBB 業(yè)務(wù)吞吐量和時延受到限制和影響。因此，應(yīng)該考慮在保證uRLLC 業(yè)務(wù)QoS 情況下盡可能減少對eMBB 業(yè)務(wù)的影響。對于隨機(jī)到達(dá)的uRLLC 業(yè)務(wù)，可采用靜態(tài)預(yù)留對其進(jìn)行資源預(yù)留；對于突發(fā)性uRLLC 業(yè)務(wù)，可采用動態(tài)搶占機(jī)制進(jìn)行資源預(yù)留。

在5G 移動通信業(yè)務(wù)中，eMBB 業(yè)務(wù)量是最大的，可預(yù)留一部分固定資源供其使用。對于uRLLC 業(yè)務(wù)，考慮其業(yè)務(wù)類型包括隨機(jī)業(yè)務(wù)和突發(fā)業(yè)務(wù)兩種，可以將資源預(yù)留分為兩部分：第一部分靜態(tài)資源預(yù)留是uRLLC業(yè)務(wù)基本保障資源，對于隨機(jī)到達(dá)的uRLLC 業(yè)務(wù)可以使用該部分預(yù)留資源進(jìn)行傳輸；第二部分動態(tài)資源預(yù)留區(qū)域是uRLLC 和eMBB 業(yè)務(wù)的公共區(qū)域，該部分資源是供給突發(fā)性uRLLC 業(yè)務(wù)使用的，在突發(fā)性uRLLC 業(yè)務(wù)處于突發(fā)狀態(tài)時可搶占該部分相應(yīng)的資源，而在突發(fā)uRLLC 業(yè)務(wù)處于非突發(fā)狀態(tài)時由eMBB 業(yè)務(wù)使用，如圖1所示。對于圖1 的系統(tǒng)模型，隨機(jī)到達(dá)uRLLC 業(yè)務(wù)靜態(tài)資源占比以及固定eMBB 業(yè)務(wù)資源占比是本模型的關(guān)鍵。

圖1 系統(tǒng)模型

2 理論分析

2.1 隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算理論

SNC（隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算）是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)提供隨機(jī)服務(wù)保障的一種不斷發(fā)展的方法。對于在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流而言，衡量其性能的指標(biāo)主要包括時延、積壓、丟包率等。作為網(wǎng)絡(luò)性能分析工具而言，隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算與排隊論和確定性網(wǎng)絡(luò)演算不同，其能很好地分析隨機(jī)性較強(qiáng)的無線網(wǎng)絡(luò)性能。通過建立網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流的流量到達(dá)模型和服務(wù)器的服務(wù)模型，計算出QoS 指標(biāo)結(jié)果。本文通過最小加代數(shù)理論和隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算建立系統(tǒng)模型、業(yè)務(wù)到達(dá)曲線、服務(wù)曲線，通過計算分析動態(tài)資源預(yù)留系統(tǒng)的性能特點(diǎn)。

定義()，()，()分別為數(shù)據(jù)流的到達(dá)過程、服務(wù)過程、離開過程。根據(jù)隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算有如下定義：

定義1：隨機(jī)到達(dá)曲線，對于所有的≥0，≥0 均有

成立，則稱()與()為數(shù)據(jù)流的隨機(jī)到達(dá)曲線，記為()<,>。式中：(,)表示從時間到時間積累的到達(dá)服務(wù)器的數(shù)據(jù)量；()表示邊界函數(shù)。假設(shè)隨機(jī)到達(dá)曲線()有時可能被到達(dá)過程()超過，但被超過的概率受邊界函數(shù)()的限制。

定義2：隨機(jī)服務(wù)曲線，對于所有的≥0，≥0，均有

成立，則稱()和函數(shù)()滿足服務(wù)器的服務(wù)曲線，表示為()<,>。其中：產(chǎn)生超出服務(wù)能力的數(shù)據(jù)的概率可以由邊界函數(shù)()約束；符號“?”表示最小加卷積運(yùn)算。

從文獻(xiàn)[15]中可以更好地理解到達(dá)過程、離開過程和服務(wù)過程之間的關(guān)系。利用這些基本過程和曲線可以討論時延邊界的定義。

定義3：延遲過程，設(shè)()和()分別為到達(dá)過程和離開過程，定義≥0 時刻的延遲過程()為：

根據(jù)延遲過程的定義，利用隨機(jī)到達(dá)曲線和隨機(jī)服務(wù)曲線，可以推導(dǎo)出隨機(jī)延遲邊界的定義。具體推導(dǎo)過程由文獻(xiàn)[16]給出。

隨機(jī)時延邊界

設(shè)定系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)流具有隨機(jī)到達(dá)曲線()<,>，服務(wù)器為數(shù)據(jù)流提供的隨機(jī)服務(wù)曲線為()<,>，則對所有≥0,≥0，系統(tǒng)的隨機(jī)時延上界為：

式中函數(shù)(+,)表示+和之間的最大水平距離，可以寫成：

2.2 業(yè)務(wù)模型

uRLLC 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)從源端產(chǎn)生。根據(jù)uRLLC 業(yè)務(wù)的要求，可靠性和延遲可以描述為：

式中：()為數(shù)據(jù)包所經(jīng)歷的實(shí)際時延；表示可容忍的最大時延；代表業(yè)務(wù)可容忍的最大錯誤率。公式（6）表示5G uRLLC 網(wǎng)絡(luò)成功傳輸數(shù)據(jù)，滿足時延和可靠性要求。

泊松過程是用于網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)建模的典型工具，在隨機(jī)到達(dá)uRLLC 場景中，數(shù)據(jù)通常是固定的單位數(shù)據(jù)包大小，因此假設(shè)到達(dá)的數(shù)據(jù)將會近似于平均速率λ的泊松分布。因此到達(dá)曲線()=，邊界函數(shù)為：

記泊松過程uRLLC 業(yè)務(wù)隨機(jī)到達(dá)曲線為A<,>，證明過程詳見文獻(xiàn)[19]。

對于突發(fā)uRLLC，其業(yè)務(wù)到達(dá)具有不確定性，可以考慮使用ON/OFF 模型對突發(fā)性uRLLC 業(yè)務(wù)建模，ON/OFF 模型可以很好地反映業(yè)務(wù)生成過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移特性。

業(yè)務(wù)源在激活狀態(tài)（ON 狀態(tài)）和靜默狀態(tài)（OFF 狀態(tài)）之間切換。假設(shè)突發(fā)性uRLLC 業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)流為一個馬爾科夫調(diào)制的ON/OFF 流量模型，在激活狀態(tài)以速率產(chǎn)生數(shù)據(jù)，在靜默狀態(tài)時不產(chǎn)生數(shù)據(jù)。從ON 狀態(tài)到OFF 狀態(tài)的轉(zhuǎn)移率為，從OFF 狀態(tài)轉(zhuǎn)移到ON 狀態(tài)的概率為。則該突發(fā)性uRLLC 業(yè)務(wù)的隨機(jī)到達(dá)曲線為()=()，邊界函數(shù)為()=e，其中為一個大于0 的自由參數(shù)。

記突發(fā)性 uRLLC 業(yè)務(wù)隨機(jī)到達(dá)曲線為A<,>。

2.3 服務(wù)模型

為了簡化問題，假設(shè)系統(tǒng)為常速率服務(wù)系統(tǒng)且為單個節(jié)點(diǎn)的單個服務(wù)器，平均傳輸速率為，則系統(tǒng)的隨機(jī)服務(wù)曲線為()=，邊界函數(shù)為()=e。根據(jù)上述動態(tài)資源預(yù)留系統(tǒng)模型，假設(shè)靜態(tài)預(yù)留資源占比為，動態(tài)預(yù)留資源占比為?？梢缘玫綐I(yè)務(wù)混合傳輸時，隨機(jī)uRLLC 業(yè)務(wù)、突發(fā)uRLLC、eMBB 業(yè)務(wù)分別可以獲得真正的服務(wù)能力：

2.4 uRLLC 業(yè)務(wù)資源預(yù)留分析

將隨機(jī)到達(dá)曲線A和隨機(jī)服務(wù)曲線S代入定理1，可以獲得隨機(jī)到達(dá)uRLLC 業(yè)務(wù)時延邊界為：

將隨機(jī)到達(dá)曲線A和隨機(jī)服務(wù)曲線S代入定理1，可以獲得突發(fā)性uRLLC 業(yè)務(wù)時延邊界為：

令f()=e=可以推導(dǎo)出第二層動態(tài)資源預(yù)留的比例為：

2.5 eMBB 性能損失影響分析

對于eMBB 業(yè)務(wù)，也可以將其到達(dá)過程以泊松模型建立，與上述泊松過程到達(dá)uRLLC 業(yè)務(wù)相同，可以得到eMBB 業(yè)務(wù)的隨機(jī)到達(dá)曲線為A～<,>。當(dāng)系統(tǒng)全部資源可以給eMBB 業(yè)務(wù)使用的時候，由定理1 可知eMBB數(shù)據(jù)的時延分布上界限為：

為了保證突發(fā)性uRLLC 業(yè)務(wù)的超低時延要求，傳統(tǒng)資源預(yù)留機(jī)制會將本系統(tǒng)的第一部分資源與第二部分合并，因此傳統(tǒng)資源預(yù)留系統(tǒng)資源預(yù)留比例為+，時延邊界會惡化為：

將隨機(jī)到達(dá)曲線A和隨機(jī)服務(wù)曲線S代入定理1，可以計算出當(dāng)存在uRLLC 業(yè)務(wù)時，本系統(tǒng)的eMBB 業(yè)務(wù)時延邊界可以優(yōu)化為：

eMBB 業(yè)務(wù)時延邊界可以轉(zhuǎn)化為：

通過上述理論推導(dǎo)，在給定業(yè)務(wù)到達(dá)速率、時延要求、最大錯誤率和系統(tǒng)服務(wù)速率的情況下可以得出靜態(tài)資源預(yù)留和動態(tài)資源預(yù)留的界限，。

3 仿真分析

3.1 資源預(yù)留占比仿真

本節(jié)研究uRLLC 業(yè)務(wù)QoS 對資源預(yù)留大小的影響。假設(shè)服務(wù)器為服務(wù)速率為=20 Mb/s 的常速率服務(wù)系統(tǒng)，uRLLC 業(yè)務(wù)的時延要求為1 ms。隨機(jī)uRLLC 業(yè)務(wù)的到達(dá)速率λ=1 Mb/s。突發(fā)性uRLLC 業(yè)務(wù)由于其突發(fā)性，應(yīng)滿足業(yè)務(wù)發(fā)生概率遠(yuǎn)小于業(yè)務(wù)停止概率的要求，所以假設(shè)業(yè)務(wù)從發(fā)生狀態(tài)到停止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)移率=0.1，停止?fàn)顟B(tài)到發(fā)生狀態(tài)的轉(zhuǎn)移率為=0.01。業(yè)務(wù)在發(fā)生狀態(tài)時以=1.5 Mb/s 產(chǎn)生數(shù)據(jù)。

圖2 給出了在時延要求確定時，業(yè)務(wù)的可靠性要求對預(yù)留資源占比的影響。

圖2 資源預(yù)留比例分布（一）

從圖2 可以看出，在違反概率小于0.1 時，預(yù)留資源比例大幅下降。

圖3 給出了在違反概率確定為=10時，業(yè)務(wù)的時延要求對資源占比的影響。

圖3 資源預(yù)留比例分布（二）

從圖3 中可以看出，時延要求越高，預(yù)留資源越大；在時延要求小于2 ms 時，預(yù)留資源隨著時延要求的提高變化顯著。

3.2 混合業(yè)務(wù)仿真

下面給出自動駕駛業(yè)務(wù)在本文設(shè)計的動態(tài)資源預(yù)留系統(tǒng)中業(yè)務(wù)時延分布曲線。在自動駕駛業(yè)務(wù)中，路況信息、車輛信息的數(shù)據(jù)到達(dá)曲線采用泊松模型，設(shè)到達(dá)速率λ=1 Mb/s，車輛遇到突發(fā)狀況需要緊急制動的數(shù)據(jù)到達(dá)曲線采用ON/OFF 到達(dá)模型，設(shè)業(yè)務(wù)在ON 狀態(tài)時以=1.5 Mb/s 產(chǎn)生速率，在OFF 狀態(tài)不產(chǎn)生數(shù)據(jù)。ON 到OFF 的轉(zhuǎn)移率為=0.1，OFF 到ON 的轉(zhuǎn)移率為=0.01。通過計算得出系統(tǒng)預(yù)留資源的界限分別為=11.9%，=40%。對業(yè)務(wù)進(jìn)行仿真得出業(yè)務(wù)時延與違反概率的關(guān)系如圖4所示。

圖4 uRLLC 業(yè)務(wù)概率時延分布

從圖4 中可以看出，對于類似制動這種突發(fā)且緊急的uRLLC 業(yè)務(wù)，該系統(tǒng)可以保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的時延在1 ms 以內(nèi)，對于隨機(jī)uRLLC 業(yè)務(wù)可以保證時延在10 ms以內(nèi)。

3.3 eMBB 性能損失仿真

設(shè)eMBB 到達(dá)速率為λ=8 Mb/s，uRLLC 業(yè)務(wù)為上述自動駕駛業(yè)務(wù)。圖5 仿真了當(dāng)兩種業(yè)務(wù)共存時，傳統(tǒng)資源預(yù)留機(jī)制和本文預(yù)留機(jī)制eMBB 業(yè)務(wù)的時延曲線，圖6 為時延優(yōu)化曲線。

圖5 eMBB 業(yè)務(wù)概率時延分布

圖6 時延優(yōu)化曲線

從圖6 可以得出，本文設(shè)計的資源預(yù)留機(jī)制與傳統(tǒng)機(jī)制相比，減少了eMBB 業(yè)務(wù)的性能損失。隨著違反概率的降低，時延的優(yōu)化更加顯著，峰值可以達(dá)到350 ms左右，對因資源預(yù)留導(dǎo)致的eMBB 業(yè)務(wù)的時延惡化有極大緩解。因此，本文設(shè)計的優(yōu)化機(jī)制既保證了uRLLC業(yè)務(wù)的QoS 需求，又使對eMBB 業(yè)務(wù)的影響降到最低。

4 結(jié) 語

針對5G 移動通信系統(tǒng)多種業(yè)務(wù)場景復(fù)用傳輸過程中，在保障隨機(jī)和突發(fā)uRLLC 業(yè)務(wù)QoS 的基礎(chǔ)上，盡量降低對eMBB 業(yè)務(wù)的影響，本文提出了一種突發(fā)業(yè)務(wù)與隨機(jī)業(yè)務(wù)并存的多占比動態(tài)資源預(yù)留與搶占機(jī)制。經(jīng)過隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算理論分析，確定了靜態(tài)eMBB 業(yè)務(wù)和動態(tài)uRLLC 業(yè)務(wù)的占比界限。對于不同類型的uRLLC 業(yè)務(wù)動態(tài)的調(diào)整預(yù)留資源，為系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)做出理論指導(dǎo)分析。與文獻(xiàn)[9]相比，綜合考慮了不同類型的uRLLC 業(yè)務(wù)特性，為突發(fā)uRLLC 業(yè)務(wù)進(jìn)行動態(tài)預(yù)留機(jī)制并對預(yù)留機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化。仿真分析結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)純資源預(yù)留機(jī)制，eMBB 業(yè)務(wù)時延因資源預(yù)留導(dǎo)致的惡化大幅降低，在0.1 的違反概率下可達(dá)到120～350 ms 的優(yōu)化，顯著提升了eMBB 業(yè)務(wù)的性能，實(shí)現(xiàn)了以盡量少的犧牲eMBB 業(yè)務(wù)性能來滿足突發(fā)性uRLLC 業(yè)務(wù)的時延和可靠性要求。