朱曉榮，陳康

（南京郵電大學(xué)江蘇省無(wú)線通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210003）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)移動(dòng)通信服務(wù)的需求也在不斷變化。在6G 時(shí)代，除了通過(guò)空天地海一體化服務(wù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫覆蓋的目標(biāo)外，更重要的是對(duì)虛擬世界進(jìn)行探索，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)產(chǎn)生了更多更嚴(yán)格的要求。5G 網(wǎng)絡(luò)中的三大典型應(yīng)用場(chǎng)景增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB,enhanced mobile broadband）、低可靠低時(shí)延通信（URLLC,ultra-reliable and low-latency communication）、大連接物聯(lián)網(wǎng)（mMTC,massive machine-type communication）雖然對(duì)業(yè)務(wù)的速率、時(shí)延、服務(wù)數(shù)設(shè)定了不同的指標(biāo)，但仍然無(wú)法滿足6G 網(wǎng)絡(luò)的需求。未來(lái)的6G 網(wǎng)絡(luò)將支持面向計(jì)算的通信、上下文敏捷的eMBB 通信和事件定義的URLLC 增強(qiáng)型業(yè)務(wù)，對(duì)比5G 網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)將會(huì)根據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行更細(xì)粒度的劃分，形成沉浸式云擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)、全息通信、感官互聯(lián)、智慧交互、通信感知、普惠智能、數(shù)字孿生、全域覆蓋等八大業(yè)務(wù)應(yīng)用[1]，這些業(yè)務(wù)需要網(wǎng)絡(luò)提供定制化、場(chǎng)景化的服務(wù)，對(duì)于業(yè)務(wù)指標(biāo)則需要更精細(xì)化的劃分，而現(xiàn)有的5G 網(wǎng)絡(luò)切片（NS,network slicing）方案不能滿足精細(xì)化的業(yè)務(wù)需求。

因此，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)仍然是未來(lái)6G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。網(wǎng)絡(luò)切片以按需組網(wǎng)的方式，在統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)備集上，部署多個(gè)端到端網(wǎng)絡(luò)。切片之間是邏輯隔離的，選取不同的基礎(chǔ)設(shè)備來(lái)滿足不同的業(yè)務(wù)需求。目前，已有一些文獻(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片進(jìn)行了深入研究[2-5]。文獻(xiàn)[2]針對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的概念和關(guān)鍵點(diǎn)做了詳細(xì)的闡述，并介紹了3GPP標(biāo)準(zhǔn)化以及切片在5G 網(wǎng)絡(luò)中的部署進(jìn)展。文獻(xiàn)[3-5]針對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片結(jié)構(gòu)和框架提出了軟件定義網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)等新的方案，可以實(shí)現(xiàn)切片的自適應(yīng)控制等。由于6G 網(wǎng)絡(luò)要建立空天地海一體化體系，將導(dǎo)致其網(wǎng)絡(luò)環(huán)境更為復(fù)雜，業(yè)務(wù)種類更加繁多，大量的細(xì)粒度的網(wǎng)絡(luò)切片分布在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，用戶的服務(wù)體驗(yàn)將更依賴于網(wǎng)絡(luò)切片，因此，用戶設(shè)備（UE,user equipment）在6G 網(wǎng)絡(luò)中的切換方式將會(huì)成為巨大的挑戰(zhàn)。對(duì)于接入網(wǎng)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，在當(dāng)前切片、基站（BS,base station）無(wú)法滿足用戶需求時(shí)，用戶終端如何在復(fù)雜環(huán)境下快速地重新接入合適的切片以及基站成為亟須研究的方向。

傳統(tǒng)的切換只考慮了用戶和基站2 個(gè)層面，而面對(duì)新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，用戶獲得的服務(wù)質(zhì)量（QoS,quality of service）不僅與基站相關(guān)，還與切片相關(guān)。傳統(tǒng)的切換算法無(wú)法適應(yīng)新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為了保障業(yè)務(wù)連續(xù)性，需要研究新的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)切片層次的無(wú)縫連接，將網(wǎng)絡(luò)切換由傳統(tǒng)的用戶和基站2 個(gè)層面轉(zhuǎn)化為用戶、切片以及基站3 個(gè)層面。目前，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片切換也進(jìn)行了深入研究[6-16]。首先，對(duì)于切片切換問(wèn)題的建模，現(xiàn)有研究有多種方案[6-8]。文獻(xiàn)[6]將端到端切片的切換問(wèn)題建模為馬爾可夫決策過(guò)程，設(shè)計(jì)了一種基于雙深度Q 網(wǎng)絡(luò)的切片切換算法，可以最大化與用戶的服務(wù)利潤(rùn)、切換成本和中斷懲罰相關(guān)的效用。文獻(xiàn)[7]則將切換問(wèn)題表述為一個(gè)多代理強(qiáng)化學(xué)習(xí)問(wèn)題，并利用圖注意力網(wǎng)絡(luò)來(lái)加強(qiáng)代理之間的合作?？紤]多用戶間的相互影響，文獻(xiàn)[8]將移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中多用戶的接入切換問(wèn)題建模為一個(gè)多人隨機(jī)博弈模型，采用多智能體強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方法對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行求解，并設(shè)計(jì)了一種基于分布式多智能體強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法的多用戶接入切片動(dòng)態(tài)切換機(jī)制。另外，文獻(xiàn)[9-12]提出了保障用戶QoS 的切片算法。文獻(xiàn)[9]研究了虛擬化無(wú)線接入網(wǎng)中具有混合通信量的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)切片策略，考慮到QoS 對(duì)傳輸時(shí)延和傳輸速率的要求，提出了粗資源配置方案和基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的自主切片細(xì)化算法。文獻(xiàn)[10]提出在未來(lái)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，應(yīng)解決用戶-切片-基站三層關(guān)聯(lián)關(guān)系，并提出用戶訪問(wèn)控制和移動(dòng)用戶切換策略來(lái)保障用戶的QoS 需求。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于最大吞吐量的切片訪問(wèn)機(jī)制，研究了5G 網(wǎng)絡(luò)切片體系結(jié)構(gòu)中由用戶移動(dòng)性引起的切片再訪問(wèn)和切片資源調(diào)度問(wèn)題。文獻(xiàn)[12]提出了動(dòng)態(tài)訪問(wèn)控制和切片分配算法，通過(guò)用戶當(dāng)前的需求、優(yōu)先級(jí)和網(wǎng)絡(luò)條件，找到接入網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)切片最有效的組合，以最大限度地提高QoS。

但是，上述文獻(xiàn)都沒(méi)有考慮切換成本帶來(lái)的影響。文獻(xiàn)[13]提出了一種基于切換效率的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)選擇與帶寬分配算法，以用戶QoS 需求及系統(tǒng)帶寬為約束，以最大化切換效率為目標(biāo)，解決網(wǎng)絡(luò)選擇與帶寬資源分配的聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題。文獻(xiàn)[14]提出了一種基于多智能體強(qiáng)化學(xué)習(xí)的智能切換策略，可以降低切換成本，同時(shí)保持無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)切片中的用戶QoS 要求。文獻(xiàn)[15]提出了一種新的切片選擇機(jī)制，允許用戶根據(jù)服務(wù)類型連接到多個(gè)切片，這種多連接方式為切換的重接入過(guò)程提供了新的思路。文獻(xiàn)[16]則提出更加靈活的切片部署方式，同時(shí)通過(guò)使用增強(qiáng)的多連接協(xié)議來(lái)確保用戶移動(dòng)時(shí)的業(yè)務(wù)連續(xù)性，減少了由于目標(biāo)小區(qū)缺少切片支持而導(dǎo)致的切換和用戶關(guān)聯(lián)失敗。

此外，文獻(xiàn)[17-21]從新的角度研究了與網(wǎng)絡(luò)切片切換相關(guān)的無(wú)線與計(jì)算資源管理等算法。文獻(xiàn)[17]提出一個(gè)移動(dòng)終端充當(dāng)由不同切片服務(wù)的另一個(gè)終端的設(shè)備到設(shè)備間的中繼，并提出兩層激勵(lì)制度來(lái)激發(fā)合作，切片和用戶的吞吐量都有所提升。文獻(xiàn)[18]提出使用5G 網(wǎng)絡(luò)中切片的移動(dòng)邊緣計(jì)算，將通信和計(jì)算資源的要求耦合在一起，并利用串聯(lián)隊(duì)列來(lái)表示和分析切片的通信資源和計(jì)算資源之間的耦合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)切片間資源的高效共享。文獻(xiàn)[19-20]考慮了切片間的資源隔離，在無(wú)線資源復(fù)用和隔離之間進(jìn)行權(quán)衡，在無(wú)線資源隔離要求的約束下最大化無(wú)線資源復(fù)用增益。文獻(xiàn)[21]提出了一個(gè)基于SM2 國(guó)密算法的5G mMTC 網(wǎng)絡(luò)切片二次認(rèn)證與安全隔離模型，通過(guò)引入批量認(rèn)證和預(yù)認(rèn)證機(jī)制，滿足了5G 機(jī)器類用戶大規(guī)模認(rèn)證的高效性；通過(guò)對(duì)不同通信數(shù)據(jù)分級(jí)加密，實(shí)現(xiàn)了5G mMTC 網(wǎng)絡(luò)切片間的安全隔離。

從以上文獻(xiàn)可以看出，當(dāng)前研究主要針對(duì)大類業(yè)務(wù)的粗粒度網(wǎng)絡(luò)切片，如時(shí)延、接入數(shù)和速率等。而未來(lái)6G 業(yè)務(wù)會(huì)存在更細(xì)粒度的網(wǎng)絡(luò)切片劃分需求，即同一類業(yè)務(wù)下對(duì)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)一步劃分的網(wǎng)絡(luò)切片，如5G 中eMBB 業(yè)務(wù)的通用數(shù)據(jù)速率大約為10 Gbit/s，在這類同樣關(guān)注速率的業(yè)務(wù)下，未來(lái)6G業(yè)務(wù)的速率需求可能會(huì)有20 Gbit/s、30 Gbit/s、50 Gbit/s 等。在這種細(xì)粒度切片的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下，由于用戶移動(dòng)或者網(wǎng)絡(luò)環(huán)境波動(dòng)，當(dāng)前的切片無(wú)法滿足用戶需求，用戶終端需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換以提升用戶體驗(yàn)和資源利用率，即重新接入合適的切片和基站，因此細(xì)粒度的切片切換值得關(guān)注。本文提出基于細(xì)粒度切片的6G 網(wǎng)絡(luò)彈性切換算法，在多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下，將大帶寬業(yè)務(wù)進(jìn)行更細(xì)粒度的切片劃分。利用彈性接入的思想，在滿足基站以及切片資源約束的前提下，將網(wǎng)絡(luò)切換表示為重新尋找用戶、切片以及基站間的最優(yōu)匹配關(guān)系，通過(guò)“切片-基站”一體化和“先切片再基站”的2 種匹配方式，并利用Gale-Shapley 算法，找到用戶和速率最大的匹配結(jié)果，完成網(wǎng)絡(luò)切換的決策，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)匹配。最后，對(duì)本文提出的細(xì)粒度切片彈性切換算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，接入成功率及用戶和速率都有所提升。

1 系統(tǒng)模型

本文考慮如圖1 所示的多層異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中主要包含宏基站和微基站，宏基站覆蓋范圍大，主要負(fù)責(zé)控制信令的傳輸；微基站覆蓋范圍小，主要提供定制化的數(shù)據(jù)服務(wù)?；竞陀脩舳挤膮?shù)為λ的泊松分布。宏基站與微基站間使用異頻通信，即使用頻段相互正交。網(wǎng)絡(luò)在初始化階段已經(jīng)將細(xì)粒度切片部署完畢，切片類型為大帶寬業(yè)務(wù)，切片的細(xì)粒度體現(xiàn)在切片的保障速率不同，網(wǎng)絡(luò)中部署了K個(gè)基站、M個(gè)切片和I個(gè)用戶，每個(gè)用戶只有一個(gè)終端。不同切片得到的物理資源不同，所以各切片分得的帶寬和最大接納用戶數(shù)各不相同，并且不同切片提供不同的保障速率，由小到大排序?yàn)橹挥挟?dāng)保障速率大于用戶業(yè)務(wù)需求時(shí)，用戶得到的服務(wù)才為可靠服務(wù)。切片可以部署在多個(gè)基站上，基站上也可以部署多個(gè)切片，但用戶同一時(shí)刻只能接入一個(gè)基站上的一個(gè)切片。

圖1 多層異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景

網(wǎng)絡(luò)包含總帶寬資源B和總功率P，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量的時(shí)空分布，將資源分配給網(wǎng)絡(luò)中的微基站，帶寬分配情況表示為b={b1,b2,…,bK}，功率分配情況表示為p={p1,p2,…,pK}，其中，bk表示第k個(gè)基站獲得的帶寬資源，pk表示第k個(gè)基站獲得的功率資源，需滿足約束條件根據(jù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶日常業(yè)務(wù)的統(tǒng)計(jì)進(jìn)行基站級(jí)資源分布調(diào)整，將基站資源按需分配給部署的切片。假設(shè)基站k中切片m得到的帶寬為功率為，基站部署的切片資源和不能超過(guò)當(dāng)前基站的資源，即

當(dāng)用戶處于某個(gè)微基站的范圍內(nèi)，且該基站上部署的網(wǎng)絡(luò)切片能滿足用戶的業(yè)務(wù)需求時(shí)，這個(gè)基站就可以為該用戶提供服務(wù)。

2 彈性接入的切換機(jī)制

由于網(wǎng)絡(luò)中的用戶可以移動(dòng)，用戶感知的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境也會(huì)變化，當(dāng)切片無(wú)法滿足用戶需求時(shí)，用戶將發(fā)送切換請(qǐng)求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索，重新選擇合適的切片與基站接入。彈性的切片選擇機(jī)制是指用戶可以選擇任何能夠滿足業(yè)務(wù)需求的切片接入，并且對(duì)提供用戶速率越高的切片，偏好程度越高。切換條件不再由信號(hào)強(qiáng)度決定，針對(duì)不同業(yè)務(wù)切換條件可以不同。為保證業(yè)務(wù)連續(xù)性，采用預(yù)切換思想，在切換條件上增加一個(gè)余量作為閾值，來(lái)觸發(fā)切換決策，當(dāng)達(dá)到切換條件時(shí)，便可根據(jù)決策結(jié)果重新接入。本文考慮的是大帶寬業(yè)務(wù)，主要指標(biāo)是用戶速率，所以切換決策條件可表示為

其中，τ0表示余量。當(dāng)用戶速率在時(shí)間T內(nèi)小于閾值時(shí)，用戶進(jìn)行掃描，確定可使用的切片，并向接入和移動(dòng)管理功能單元發(fā)送切換請(qǐng)求。當(dāng)用戶速率降低到用戶需求速率Rreq時(shí)，執(zhí)行切換，用戶重接入決策選擇的基站和切片。

考慮切片和基站的資源情況，得到關(guān)于切片的約束條件

由于帶寬資源有限，假設(shè)切片將帶寬平均分配給接入用戶，帶寬約束體現(xiàn)在切片承載用戶數(shù)存在極限值。切片m滿足保障速率需要提供的頻帶資源作為即有

此時(shí)，基站k的切片m的最大承載用戶數(shù)為

所以帶寬約束可以表示為切片服務(wù)用戶數(shù)不超過(guò)其最大承載用戶數(shù)

用戶可獲得的速率為

其中，C1 表示基站k上切片m接入的用戶數(shù)小于其最大承載用戶數(shù)；C2 表示基站k上切片m接入的用戶功率和必須小于其分配的功率；C3 表示基站k上所有切片分配的帶寬資源和必須小于基站k的總帶寬；C4 表示基站k上所有切片分配的功率和必須小于基站k的總功率；C5 表示對(duì)于用戶業(yè)務(wù)速率要求Rreq，當(dāng)用戶發(fā)生切換時(shí)，目標(biāo)切片應(yīng)保證提供的保障速率大于用戶需求，即用戶只會(huì)向保障速率超過(guò)用戶速率需求的切片發(fā)送請(qǐng)求，從而保障業(yè)務(wù)的連續(xù)性；C6 表示一個(gè)用戶只能接入一個(gè)基站的一個(gè)切片。

3 彈性網(wǎng)絡(luò)切換匹配算法研究

用戶接入問(wèn)題可以看作一個(gè)層次化二分圖穩(wěn)定匹配問(wèn)題。切換決策的目的就是得到實(shí)現(xiàn)用戶和速率最大的用戶-切片-基站間的匹配關(guān)系。單用戶只能接入單切片，單切片可以接收多用戶。切片和基站的關(guān)系在部署時(shí)就已經(jīng)確定，單切片可部署在多個(gè)基站，單基站也可部署多個(gè)切片。為了得到合適的匹配關(guān)系，使用先切片再基站兩階段和切片基站一體化2 種方案進(jìn)行匹配，并通過(guò)Gale-Shapley匹配算法得到匹配結(jié)果。

3.1 先切片再基站兩階段匹配

先切片再基站兩階段匹配示意如圖2 所示。第一階段完成用戶-切片層的匹配，第二階段將第一階段得到的切片用戶集與基站層匹配，得到用戶-切片-基站的匹配結(jié)果。

圖2 先切片再基站兩階段匹配示意

第一階段是用戶和切片的匹配，由于資源受限，每個(gè)切片都有一個(gè)最大承載用戶數(shù)。對(duì)于用戶側(cè)，每個(gè)用戶都希望得到最好的服務(wù)體驗(yàn)，所以在滿足業(yè)務(wù)需求的前提下，用戶會(huì)選擇保障速率指標(biāo)最大的切片接入，即用戶側(cè)的偏好列表順序就是切片保障速率Rm順序。對(duì)于切片側(cè)，切片會(huì)根據(jù)用戶的速率需求Rreq，選擇用戶速率需求高的用戶接入，故切片側(cè)的偏好列表順序?yàn)橛脩魳I(yè)務(wù)需求的Rreq順序。第二階段的匹配受第一階段的匹配的影響，由于基站及切片的部署已經(jīng)初始化，切片的基站候選列表已經(jīng)確定，只有部署該切片的基站可以被選擇。假設(shè)部署有第m個(gè)切片的基站集合為km，其中m∈{1,2,…,M}，k∈{1,2,…,K}。對(duì)于用戶i，在第一階段匹配中選擇的切片m后，可選擇的基站只能限制在km。對(duì)于不同基站部署的相同切片，切片提供的保障速率相同，但由于用戶和基站間的距離不同，用戶接入相同切片得到的速率是不一樣的，用戶側(cè)可以根據(jù)不同基站提供的速率與所有基站中可獲得的最大速率的比值進(jìn)行速率歸一化，并將結(jié)果作為偏好指標(biāo)?？紤]負(fù)載均衡，使用基站當(dāng)前切片接入用戶數(shù)和最大承載用戶數(shù)的比值來(lái)表示當(dāng)前基站的飽和度，N越大，負(fù)載壓力越大，選擇接入的概率越小。

綜上，可以得到匹配度的計(jì)算式為

其中，,α β為常數(shù)，分別表示負(fù)載均衡和用戶速率所占的權(quán)重；表示選擇切片m的用戶i對(duì)基站k的匹配度，匹配度越高，基站的優(yōu)先級(jí)越高，被選擇的概率越大。基站側(cè)的偏好列表順序仍為用戶業(yè)務(wù)需求Rreq。

3.2 切片基站一體化匹配

當(dāng)用戶選擇切片后，繼續(xù)進(jìn)行基站層的選擇，若沒(méi)有合適的基站接入，則當(dāng)前切片不可用，用戶繼續(xù)選擇其他切片。切片基站一體化匹配示意如圖3所示。

圖3 切片基站一體化匹配示意

與3.1 節(jié)的兩階段匹配不同，一體化匹配的思想是將基站和切片一起選擇，用戶在根據(jù)偏好列表選擇切片后，會(huì)繼續(xù)尋找合適的基站接入；當(dāng)用戶選擇的切片沒(méi)有合適的基站接入時(shí)，則表示當(dāng)前選擇的切片不可用，繼續(xù)進(jìn)行下一切片的選擇，其中切片和基站的選擇標(biāo)準(zhǔn)與3.1 節(jié)相同。一體化匹配是將基站和切片看作一個(gè)整體，用戶的偏好列表由切片和基站聯(lián)合提供的用戶速率決定越高，切片基站被選擇的機(jī)會(huì)越高；切片基站部分的偏好列表為用戶需求速率Rreq，Rreq越高，用戶越容易被接收。

傳統(tǒng)的基站選擇沒(méi)有引入切片的層面，無(wú)法滿足新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。與兩階段匹配不同，切片基站一體化匹配綜合考慮了切片基站的關(guān)聯(lián)關(guān)系，消除了部分用戶出現(xiàn)的有合適的切片但無(wú)合適的基站選擇情況，更能提高用戶的接入成功率和資源利用率，但在環(huán)境更為復(fù)雜的場(chǎng)景，當(dāng)基站和切片數(shù)目都較多時(shí)，這種一體化匹配考慮的組合情況會(huì)較多，決策時(shí)長(zhǎng)會(huì)增加，因此不適用于時(shí)延敏感度較高的業(yè)務(wù)。

3.3 Gale-Shapley 算法

完成匹配的具體算法是Gale-Shapley 算法，該算法包括3 個(gè)階段：第一階段為匹配請(qǐng)求者和匹配接收者感知彼此的信息，如用戶可以得到切片的保障速率和基站的位置及負(fù)載情況，切片和基站可以得到用戶的需求速率；第二階段為初始化階段，其中所有匹配請(qǐng)求者和匹配接收者需要初始化其偏好列表，然后所有未匹配的匹配請(qǐng)求者放入集合UNMATCH 中；第三階段為核心匹配階段，主要分為兩步，第一步，集合UNMATCH 中的所有匹配請(qǐng)求者向匹配接收者發(fā)送匹配請(qǐng)求，第二步，匹配接收者根據(jù)優(yōu)勝劣汰的原則來(lái)確定匹配對(duì)象，當(dāng)匹配請(qǐng)求者沒(méi)有可選擇的匹配接收者時(shí)，從集合UNMATCH 中移除該匹配請(qǐng)求者。重復(fù)執(zhí)行第三階段的 2 個(gè)步驟，直到集合 UNMATCH 為空。Gale-Shapley 算法流程如算法1 所示。

與傳統(tǒng)單向匹配的匈牙利算法不同，Gale-Shapley 算法聯(lián)合考慮了匹配雙方的偏好序列，得到的匹配結(jié)果是符合雙方期望的最優(yōu)值。本文為了得到最高的用戶和速率，需要提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，所以得到的是用戶和網(wǎng)絡(luò)雙方匹配的最優(yōu)結(jié)果，Gale-Shapley 算法符合求解目標(biāo)。

在3.1 節(jié)的兩階段匹配中，用了兩次Gale-Shapley算法得到匹配結(jié)果，第一次的雙方是用戶和切片，完成用戶-切片的匹配，第二次的雙方是切片和基站，完成切片-基站的匹配。在3.2 節(jié)的一體化匹配中，將切片和基站看作一個(gè)整體進(jìn)行匹配選擇，只用了一次Gale-Shapley 算法得到匹配結(jié)果。

3.4 復(fù)雜度分析

3.1 節(jié)的兩階段匹配中，第一階段是切片層的選擇匹配，得到的結(jié)果是用戶和切片的匹配關(guān)系，其時(shí)間復(fù)雜度為O(IM)，其中，I表示用戶數(shù)目，M表示切片數(shù)目。第二階段是基站層的選擇匹配，得到的是用戶和基站的匹配關(guān)系，其時(shí)間復(fù)雜度為O(IK)，其中，K表示基站數(shù)目，總體時(shí)間復(fù)雜度為O(I(M+K))。3.2 節(jié)的一體化匹配將切片和基站看成一個(gè)對(duì)象，數(shù)目為MK，整體時(shí)間復(fù)雜度為O(IMK)。

可以看出，兩階段匹配的時(shí)間復(fù)雜度更低，當(dāng)M、K越大時(shí)，兩階段匹配在時(shí)間方面的優(yōu)勢(shì)越大，在時(shí)間敏感性業(yè)務(wù)的應(yīng)用前景更廣闊。

4 仿真結(jié)果與分析

為了體現(xiàn)彈性接入切片機(jī)制的作用，設(shè)置了傳統(tǒng)接入方式與本文2 種匹配方式作為對(duì)照，傳統(tǒng)接入方式下，用戶只能選擇對(duì)應(yīng)需求速率的切片接入，即使能提供更高速率的切片空閑，也不會(huì)選擇該切片。

仿真考慮有4 個(gè)微基站分布在600 m×600 m 的區(qū)域內(nèi)，基站帶寬為20 MHz，發(fā)射功率為30 dBm，噪聲功率為-174 dBm/Hz，仿真參數(shù)如表1 所示。為模擬復(fù)雜的接入環(huán)境，用戶大多分布在多基站重疊覆蓋范圍內(nèi)，如圖4 所示。網(wǎng)絡(luò)中部署了6 個(gè)切片，切片與基站的覆蓋關(guān)系如表2 所示。

表1 仿真參數(shù)

圖4 基站用戶分布

表2 切片與基站的覆蓋關(guān)系

不同匹配方案用戶-切片和用戶-基站接入成功率分別如圖5 和圖6 所示。彈性接入機(jī)制下，用戶可以使用比自己需求更高的切片來(lái)獲得服務(wù)，所以用戶接入成功率更高。從圖6 中可以看出，無(wú)論是兩階段還是一體化匹配，彈性模式的接入成功率都比傳統(tǒng)模式更好，兩階段的接入成功率達(dá)到75%以上，一體化接入成功率達(dá)到85%以上。圖5 中的兩階段匹配的切片接入成功率更高，是因?yàn)閮呻A段匹配在切片層選擇時(shí)未考慮基站的位置、最大承載用戶數(shù)的情況，但會(huì)出現(xiàn)用戶選擇的切片無(wú)合適的基站接入的情況，導(dǎo)致圖6 中的兩階段的基站接入成功率會(huì)低于一體化的基站接入成功率。

圖5 不同匹配方案用戶-切片接入成功率

圖6 不同匹配方案用戶-基站接入成功率

用戶和速率隨用戶數(shù)的變化曲線如圖7 所示。用戶和速率隨用戶數(shù)先增加后趨于穩(wěn)定，當(dāng)用戶數(shù)為70 個(gè)時(shí)，用戶和速率達(dá)到平穩(wěn)。彈性模式一體化匹配時(shí)，由于用戶接入成功率最高，資源利用率最大，因此用戶和速率最大；其次是彈性模式兩階段匹配，其資源利用率比傳統(tǒng)模式高，所以用戶和速率次之；傳統(tǒng)模式接入時(shí)，由于資源利用率較低，有合適切片但無(wú)合適基站的情況較少，因此兩階段匹配和一體化匹配的情況近似相同。從圖7 可以看出，彈性模式接入比傳統(tǒng)模式接入在用戶和速率上有明顯提高。

圖7 用戶和速率隨用戶數(shù)的變化曲線

用戶平均速率隨用戶數(shù)的變化曲線如圖8 所示。在滿足用戶業(yè)務(wù)需求的情況下，用戶平均速率隨用戶數(shù)的增加而降低，且下降幅度先劇烈后平緩。彈性模式一體化匹配的用戶平均速率最高，傳統(tǒng)模式接入的用戶平均速率最低。從圖8 可以看出，彈性模式接入比傳統(tǒng)模式接入在用戶平均速率上也有明顯提高。

圖8 用戶平均速率隨用戶數(shù)的變化曲線

在用戶數(shù)固定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，切片數(shù)越多，資源劃分的粒度更細(xì)，資源利用率更高，用戶可選擇的粒度更細(xì)，用戶速率提升，用戶和速率也越高。從圖9 可以看出，4 種情況的用戶和速率都隨著切片數(shù)的增加而增加，但彈性模式下，資源利用率更高，用戶和速率增加幅度也更大。

圖9 用戶和速率隨切片數(shù)的變化曲線

在大帶寬業(yè)務(wù)下，業(yè)務(wù)最重要的指標(biāo)為用戶得到的服務(wù)速率。一體化匹配方式會(huì)增大切片和基站層面的耦合程度，避免出現(xiàn)部分用戶有合適的切片但無(wú)合適的基站選擇的情況，用戶接入成功率和資源利用率比兩階段匹配方式都有明顯提高，但每一個(gè)用戶選擇切片時(shí)都會(huì)進(jìn)行基站的選擇判斷，造成時(shí)延，對(duì)于時(shí)延敏感型業(yè)務(wù)則不適用。兩階段匹配則相反，其會(huì)減輕切片和基站的耦合程度，雖然用戶接入成功率和資源利用率會(huì)有所下降，但由于分階段進(jìn)行，用戶只會(huì)向選擇切片對(duì)應(yīng)的基站請(qǐng)求接入，可以減少切換決策的時(shí)延。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于6G 系統(tǒng)下的多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，本文在保障用戶業(yè)務(wù)連續(xù)性的前提下，針對(duì)用戶移動(dòng)或者網(wǎng)絡(luò)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)快速完成細(xì)粒度網(wǎng)絡(luò)切換問(wèn)題，提出了基于細(xì)粒度切片的6G 網(wǎng)絡(luò)彈性切換算法。首先提出了彈性接入思想，為保障用戶業(yè)務(wù)連續(xù)性，只有保障速率大于用戶需求的切片才能被選擇。然后考慮了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡，對(duì)用戶側(cè)、切片側(cè)以及基站側(cè)進(jìn)行了聯(lián)合優(yōu)化，目的是獲得最大用戶和速率，并使用Gale-Shapley 算法，通過(guò)“切片-基站”一體化和“先切片再基站”兩階段的匹配方式完成匹配選擇。仿真結(jié)果表明，彈性模式接入在接入成功率、用戶和速率以及用戶平均速率方面都優(yōu)于傳統(tǒng)模式接入，兩階段匹配算法在切片選擇時(shí)略優(yōu)于一體化匹配，但總體接入成功率、用戶和速率方面一體化匹配更高。本文考慮的業(yè)務(wù)為大帶寬業(yè)務(wù)，時(shí)延敏感性較低，在未來(lái)的工作中，將會(huì)進(jìn)一步考慮時(shí)延敏感型業(yè)務(wù)的快速網(wǎng)絡(luò)切換。