周志恒，張 平，張琳娟，邱 超，譚洪濤，樊 冰

（1.國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，河南鄭州 450000；2.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206）

隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)逐步推進(jìn)，配電網(wǎng)業(yè)務(wù)種類不斷增加，通信需求異質(zhì)性日益顯著[1]，需要將5G 通信技術(shù)引入配電網(wǎng)[2-3]并進(jìn)行靈活的5G 網(wǎng)絡(luò)切片部署[4]。該文重點研究5G 接入網(wǎng)的切片部署策略。接入網(wǎng)切片由中央單元(CU)、分布單元(DU)和有源天線單元(AAU)三類實體單元組成[5]，其部署策略需要考慮配網(wǎng)業(yè)務(wù)通信關(guān)鍵性能指標(biāo)和成本控制需求[6]，兩者存在博弈關(guān)系，許多學(xué)者對該類問題進(jìn)行了相關(guān)研究[7-10]，但均沒有考慮博弈雙方的約束限制。

該文首先構(gòu)建了成本模型和時延模型，然后通過懲罰函數(shù)對博弈雙方進(jìn)行約束，并通過自適應(yīng)參數(shù)確定優(yōu)化目標(biāo)；最后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果制定切片最優(yōu)部署策略。

1 5G切片部署架構(gòu)

5G 接入網(wǎng)切片架構(gòu)可以分為CU/DU 分離架構(gòu)和CU/DU 融合架構(gòu)[11]。

CU/DU 分離架構(gòu)的優(yōu)點主要體現(xiàn)在：硬件實現(xiàn)靈活，節(jié)省成本；可以實現(xiàn)性能和負(fù)荷管理協(xié)調(diào)，易于實現(xiàn)NFV/SDN 功能；功能可分割配置以滿足不同應(yīng)用場景的需求[12]。CU/DU 分離架構(gòu)存在八種協(xié)議棧劃分方式[13]，如圖1 所示。

圖1 CU/DU協(xié)議棧劃分

圖1 中，不同的協(xié)議棧劃分方法是將八種通信協(xié)議以及對應(yīng)的硬件模塊以不同的組合方式分別集成到DU 和CU 之中，不同協(xié)議棧劃分方法對應(yīng)不同的二級結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)方式，進(jìn)而產(chǎn)生不同的建設(shè)成本和傳輸時延[14]。

CU/DU 融合架構(gòu)是在單一物理實體中同時實現(xiàn)CU 和DU 的功能，其優(yōu)點是可靠性高，體積小，功耗小且環(huán)境適配性較好，對機(jī)房配套條件要求較低，其缺點是建設(shè)成本較高[15]。

CU/DU 融合架構(gòu)分為CU/DU 合設(shè)架構(gòu)和CU/DU/AAU 合設(shè)架構(gòu)。CU/DU 合設(shè)架構(gòu)為二級結(jié)構(gòu)，上級為CU/DU 組成的一體化結(jié)構(gòu)，下級為AAU 有源天線單元。CU/DU/AAU 合設(shè)架構(gòu)為一級結(jié)構(gòu)，將CU/DU/AAU 合一部署，能滿足超低時延需求[16]。

2 系統(tǒng)模型

典型5G 切片架構(gòu)如圖2 所示，切片架構(gòu)1 為分布式CU/DU 分離架構(gòu)，切片架構(gòu)2 為集中式CU/DU分離架構(gòu)，切片架構(gòu)3 為CU/DU 合設(shè)架構(gòu)，切片架構(gòu)4 為CU/DU/AAU 合設(shè)架構(gòu)。在每種分離架構(gòu)下，還存在不同的協(xié)議棧劃分方法，該文將針對不同架構(gòu)不同協(xié)議棧劃分下的5G 部署策略建立成本模型和時延模型。

圖2 典型5G切片架構(gòu)

2.1 成本模型

切片部署成本包括資本性成本和運(yùn)維成本，資本性成本包括設(shè)備成本和基礎(chǔ)設(shè)施成本?；A(chǔ)設(shè)施成本為基站和機(jī)房的建設(shè)成本，與基站和機(jī)房的數(shù)量成正比，因此與協(xié)議棧劃分無關(guān)，僅與切片架構(gòu)有關(guān)。運(yùn)維成本為運(yùn)行和維護(hù)不同部署單元的耗電費(fèi)用、人工維護(hù)費(fèi)用等，相同架構(gòu)下不同協(xié)議棧劃分方式會產(chǎn)生不同的運(yùn)維成本[17]。

1）基礎(chǔ)設(shè)施成本：

其中，b為基站數(shù)量，Cb為基站的建設(shè)成本，ci為第i種切片架構(gòu)下的機(jī)房數(shù)量，Cc為機(jī)房的建設(shè)成本?；緮?shù)量b=n/n0，其中，n為配電網(wǎng)業(yè)務(wù)終端數(shù)量，n0為單基站可接入終端數(shù)。

ci的計算公式為：

其中，pi為第i種切片架構(gòu)下DU 單元的數(shù)量，qi為第i種切片架構(gòu)下CU 單元的數(shù)量，具體為：

其中，nDA為DU 單元可以連接的AAU 單元數(shù)，nCD為CU 單元可以連接的DU 單元數(shù)。

2）運(yùn)維成本：

綜上，第i種切片架構(gòu)第j種協(xié)議棧劃分方式下的切片部署成本為：

其中，Ei表示第i種切片架構(gòu)下的設(shè)備成本。

2.2 時延模型

配電網(wǎng)業(yè)務(wù)接入時延由三部分構(gòu)成，包括數(shù)據(jù)基本處理時延、AAU-DU 前傳時延和DU-CU 中傳時延[18]。第i種切片架構(gòu)第j種協(xié)議棧劃分方式下第s類配電網(wǎng)業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)無線接入時延為：

其中，τs為第s類配電網(wǎng)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)基本處理時間，為第j種協(xié)議棧劃分方式下第s類配電網(wǎng)業(yè)務(wù)的前傳數(shù)據(jù)量，為第j種協(xié)議棧劃分方式下第s類配電網(wǎng)業(yè)務(wù)的中傳數(shù)據(jù)量，為第i種切片架構(gòu)前傳鏈路的信息傳輸速率，為第i種切片架構(gòu)中傳鏈路的信息傳輸速率。

3 成本時延聯(lián)合優(yōu)化算法

3.1 成本懲罰函數(shù)

成本懲罰函數(shù)應(yīng)該與部署策略的成本相關(guān)，成本越高，懲罰也就越重。同時，函數(shù)應(yīng)該具有較好的靈活性，可以調(diào)整懲罰的力度，滿足不同場合需求。基于以上考慮，該文成本懲罰函數(shù)定義為：

其中，Si,j為第i種切片架構(gòu)第j種協(xié)議棧劃分方式下的成本懲罰值，C0為成本閾值，由電力公司投入預(yù)算確定。在部署策略成本低于成本閾值時，成本懲罰函數(shù)值呈現(xiàn)先陡后緩增長趨勢，在成本達(dá)到成本閾值時，成本懲罰函數(shù)值達(dá)到1，在部署策略成本高于成本閾值時，成本懲罰函數(shù)值將迅速增長。

3.2 時延懲罰函數(shù)

構(gòu)建時延懲罰函數(shù)需要考慮兩個因素，一是業(yè)務(wù)無線接入時延，二是業(yè)務(wù)終端占比。當(dāng)某類業(yè)務(wù)無線接入時延高于其最佳時延閾值時，其對應(yīng)的時延懲罰子函數(shù)將快速增加，當(dāng)高于基本時延閾值時，其對應(yīng)子函數(shù)值將陡增?；緯r延閾值為業(yè)務(wù)能夠正常傳輸?shù)淖畲髸r延，最佳時延閾值為留有一定時延裕度的時延值，留出的時延裕度可作為誤碼、反饋等傳輸問題處理或補(bǔ)救的時間。

該文定義時延懲罰子函數(shù)為：

其中，Ti,j,s為第s類配電網(wǎng)業(yè)務(wù)在第i種切片架構(gòu)第j種協(xié)議棧劃分方式下的業(yè)務(wù)時延懲罰值，ds為第s類配電網(wǎng)業(yè)務(wù)終端的基本時延閾值，λ為時延懲罰參數(shù)，其計算公式為：

其中，θ為懲罰臨界系數(shù)，當(dāng)業(yè)務(wù)時延小于最佳時延時，懲罰子函數(shù)將在區(qū)間[0,θ]上緩慢增加，子函數(shù)值超過θ后，將快速增加，該文取θ=0.1，γ為最佳時延閾值和基本時延閾值的比值。

為了體現(xiàn)不同類型的業(yè)務(wù)終端占比對部署策略的影響，該文在時延懲罰子函數(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建具有自適應(yīng)系數(shù)的時延懲罰函數(shù)：

其中，Ti,j為第i種切片架構(gòu)第j種協(xié)議棧劃分方式下的時延懲罰值，S為配電網(wǎng)業(yè)務(wù)類型數(shù)量，αs為自適應(yīng)系數(shù)，其表達(dá)式為：

其中，ns為第s類配電網(wǎng)業(yè)務(wù)終端數(shù)量，n為終端總數(shù)量。自適應(yīng)系數(shù)αs的值將隨著第s類配電網(wǎng)業(yè)務(wù)終端數(shù)量占比的增大呈凹形增長，表明當(dāng)某類配電網(wǎng)業(yè)務(wù)終端數(shù)量占比較小時，該類業(yè)務(wù)的時延需求對部署策略影響不大，但當(dāng)某類配電網(wǎng)業(yè)務(wù)終端數(shù)量大于一定占比后，該類業(yè)務(wù)的時延需求對部署策略的影響力將快速提升。

3.3 成本時延聯(lián)合優(yōu)化模型

該文要解決的問題是多配電網(wǎng)業(yè)務(wù)終端接入情況下時延和成本最優(yōu)化問題，因此該文提出基于成本懲罰函數(shù)和時延懲罰函數(shù)的部署策略優(yōu)化目標(biāo)，如式（12）所示：

其中，參數(shù)β為調(diào)整系數(shù)，取值范圍為[0,1]，當(dāng)β越大，表示切片部署成本對部署策略的影響越大。

4 仿真分析

該文選取的對比算法為最優(yōu)時延算法（Optimal Delay Algorithm，ODA），該算法以滿足所有業(yè)務(wù)最佳時延閾值為目標(biāo)進(jìn)行切片部署。該文通過切片部署效益來衡量切片部署的合理性，定義切片部署效益為：

其中，ci,j為第i種切片架構(gòu)第j種協(xié)議棧劃分方式下的切片部署成本歸一化值，ηi,j為最佳時延閾值滿足率：

其中，ni,j為第i種切片架構(gòu)第j種協(xié)議棧劃分方式下滿足最佳時延閾值的終端數(shù)。

該文假設(shè)仿真區(qū)域內(nèi)存在配網(wǎng)保護(hù)業(yè)務(wù)、四遙業(yè)務(wù)和用電信息采集業(yè)務(wù)共三類業(yè)務(wù)，最佳時延閾值和基本時延閾值比值γ=0.6，配網(wǎng)保護(hù)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)量為100 bit，基本處理時間為15 ms，基本時延閾值為40 ms；四遙業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)量為1 kbit，基本處理時間為200 ms，基本時延閾值為500 ms；用電信息采集業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)量為5 kbit，基本處理時間為400 ms，基本時延閾值為2 s。其他仿真參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

配電網(wǎng)不同類型業(yè)務(wù)終端占比對切片部署效益的影響如圖3 所示。圖3（a）為調(diào)整配電保護(hù)業(yè)務(wù)占比的部署效益對比圖，其他兩類業(yè)務(wù)占比隨機(jī)情況下，仿真500 次后的平均值?？梢钥闯?，該文成本時延聯(lián)合優(yōu)化算法（Optimized Algorithm considering Cost and Delay，OA-CD）部署效益隨著配網(wǎng)保護(hù)業(yè)務(wù)終端占比的提高，切片部署效益逐漸降低，這是因為配網(wǎng)保護(hù)業(yè)務(wù)的時延需求很高，其部署成本將隨其占比增大而不斷增加。而ODA 算法在配電保護(hù)業(yè)務(wù)出現(xiàn)后，一直以該業(yè)務(wù)最佳時延閾值為約束條件進(jìn)行部署，因此其部署效益不隨配電保護(hù)業(yè)務(wù)終端的占比而變化，一直處于較低水平。圖3（a）中，OACD 部署效益較ODA 平均提高了45%。圖3（b）為改變用電信息采集業(yè)務(wù)終端占比下的部署效益對比圖。由圖3（b）可以看出，OA-CD 算法下，用電信息采集業(yè)務(wù)終端占比越大，切片部署效益越高，這是因為用電信息采集業(yè)務(wù)的時延需求低，其占比越高部署成本越低。而ODA 算法由于存在時延需求較高的配電保護(hù)業(yè)務(wù)，因此只有在用電信息采集業(yè)務(wù)終端占比達(dá)到100%時，其效益才明顯提升。圖3（b）中OA-CD 部署效益較ODA 平均提高了56.8%。

圖3 切片部署效益對比圖

為了研究不同最佳時延閾值對切片部署策略的影響，該文在三類業(yè)務(wù)終端占比隨機(jī)分布的情況下，仿真500 次取平均值，得到不同最佳時延閾值占比γ下的部署效益變化曲線，如圖4 所示?？梢钥闯?，最佳時延閾值占比越高，切片部署效益越大，這是因為隨著最佳時延閾值的提高，低成本切片部署方案對配電網(wǎng)業(yè)務(wù)時延需求的滿足率將不斷提高，但OACD 算法明顯優(yōu)于ODA 算法，因為OA-CD 算法綜合考慮了各類業(yè)務(wù)的時延需求，合理降低切片部署成本，而ODA 始終以最高時延需求為約束條件進(jìn)行部署，因此其部署效益僅會隨著最高時延需求業(yè)務(wù)的γ值變化而變化。圖4 中OA-CD 部署效益較ODA 平均提高了44.5%。

圖4 不同γ值下部署效益變化趨勢

5 結(jié)論

該文在5G 通信亟待規(guī)?；瘧?yīng)用于配電網(wǎng)的背景下，提出了5G 接入網(wǎng)切片部署優(yōu)化方法，構(gòu)建了不同部署策略下的成本和時延計算模型，提出了成本時延聯(lián)合優(yōu)化算法OA-CD。仿真結(jié)果表明OACD 在滿足配電網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸時延要求的情況下，可顯著降低系統(tǒng)總成本，為5G 網(wǎng)絡(luò)在配電網(wǎng)中的科學(xué)建設(shè)提供了理論依據(jù)。