面向5G网络切片无线资源分配　

作者/ 粟欣1,2 龚金金1 曾捷2

1.重庆邮电大学通信与信息工程学院 宽带无线接入实验室(重庆 400065)

2.清华大学信息技术研究院 清华信息科学和技术国家实验室(北京 100084)

*基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)(编号：2015AA01A706);国家科技重大专项(编号： 2014ZX03004003);北京市科委计划(编号：D161100001016002);港澳台科技合作专项(编号： 2015DFT10160B)

粟欣(1962-)，男，博士，教授，研究方向：宽带无线接入、自组织网络、软件无线电、协作通信等;龚金金，女，硕士生，助理研究员，研究方向：网络切片、网络功能虚拟化等;曾捷，男，硕士，高级工程师，研究方向：宽带无线接入、软件无线电、 4G/5G技术与标准化。

摘要：未来网络需要满足多种应用场景在时延、可靠性和速率等方面的不同要求，然而只构建一种网络难以满足所有应用场景的需求。网络切片技术即在一个物理基础设施之上构建多个逻辑网络以满足不同类型应用场景的需求，能够实现专用电信网络所具有的所有功能，且用户感受不到差别。无线接入网切片是端到端网络切片的一部分，而无线资源分配又是无线接入网切片的重要内容。本文提出了一种基于比例公平算法的半静态资源分配方案，在各网络切片之间实现更公平的资源分配。仿真结果对比了三种资源分配方案，半静态资源分配方案获得的公平性优于其他两种资源分配方案。

引言

在未来的5G网络中将涌现多种应用场景，其中三大典型应用场景分别为增强移动宽带(eMBB)、大规模机器类型通信(mMTC)和关键机器类型通信(CMTC)，不同的应用场景在移动性、安全性、时延和可靠性等方面要求各不相同^[1]。现有网络难以满足所有应用场景的需求，若为不同应用场景构建多个不同的物理网络又不太现实，产生的巨大成本是运营商无法接受的。在上述背景下，下一代移动网络联盟提出了网络切片的概念，即在一个物理基础设施上，利用软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)等技术，按需构建不同的网络切片^[2]。网络切片之间相互隔离，任何一个网络切片的拥塞、过载、配置的调整不影响其它的网络切片。根据不同的业务和应用场景的特征创建不同的网络切片，并使用恰当的资源分配方式、控制管理机制和运营策略，实现不同的网络架构，从而保证应用场景的性能要求，提高用户体验和网络资源利用率。

端到端网络切片包括无线接入网切片、核心网切片，以及连接两者的传输网络切片，从而充分利用网络切片技术的优势。目前3GPP(第三代合作伙伴计划)主要关注核心网切片，包括网络切片间的隔离、网络功能共享等，而无线接入网是否需要切片还在讨论中^[3]。然而，5G场景的特定需求也希望无线接入网像核心网一样进行切片，开发新型的业务。无线接入网切片运行在无线云平台(包括无线硬件和基带资源池)，并利用虚拟化资源构建专用和定制化的逻辑网络，其中将一个基站虚拟成多个虚拟基站是必不可少的环节，并按一定原则为不同的虚拟基站分配无线资源(如时隙、频谱和信号处理等)。对于虚拟基站而言，无线接入网切片为其配置空中接口的各种参数(例如，符号长度、子载波间隔、循环前缀长度和混合自动重传请求(HARQ)的参数)，以实现不同的服务模型^[4~5]。

在5G无线网络虚拟化环境中，资源调度被赋予了新的含义。首先，传统的资源调度是以基站为单位的，同一基站的空时频资源在调度器的作用下分配给附着于该基站的某些用户;不同基站的调度器可能完全没有交互，或者通过某些信令进行粗糙的交互。而在新的体系结构中，由于实现了虚拟化和集中化的处理，网络层面的资源调度成为可能。在无线接入网切片的无线资源管理中，移动运营商需要部署高效、灵活的调度技术，为不同的网络切片动态地分配资源，注重不同网络切片之间和之内的用户调度公平性是移动运营商需要考虑的问题。文献[6]提出了一种针对LTE(长期演进技术)网络无线资源块的高效资源分配方案，实现与服务提供商订阅的服务合同，以及小区中心用户和小区边缘用户之间的公平性要求，并允许灵活定义不同服务提供商的公平性要求。

1 系统模型

在未来，移动运营商至少需要构建三个不同类型的网络切片，如图1所示，网络切片1、2和3分别属于eMBB、cMTC和mMTC，移动运营商为每个网络切片分配无线虚拟资源(如时隙、频谱和信号处理等)，网络切片可以根据需求动态的伸缩，且彼此相互隔离。同一用户可以同时接入多个网络切片，享受所需要的不同网络服务。

在本文中，移动运营商使用半静态资源分配方法为各个网络切片分配无线资源(包括时隙和频谱等)。假设移动运营商