LTE無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化中切片調(diào)度策略

龐曉丹，李薇薇，孫茜，田霖,3

（1.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401；2.中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所，北京 100190；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

LTE無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化中切片調(diào)度策略

龐曉丹1，李薇薇1，孫茜2，田霖2,3

（1.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401；2.中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所，北京 100190；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

研究了未來移動通信網(wǎng)絡(luò)切片機(jī)制，針對LTE系統(tǒng)下行在基站內(nèi)建立媒體接入控制（MAC）層流級別的切片調(diào)度器，使得運營商之間可以按照預(yù)設(shè)比例共享資源。運營商作為切片的擁有者可以根據(jù)不同的服務(wù)等級協(xié)議（SLA）來對其資源比例進(jìn)行設(shè)定。比較固定切片與網(wǎng)絡(luò)虛擬化基片（NVS）框架下切片的資源塊利用率，進(jìn)行了系統(tǒng)級仿真實驗。相對于固定切片方法，NVS方法在不同切片間用戶相互隔離的情況下有更好的資源利用率。此外，針對實時（RT）業(yè)務(wù)和非實時（NRT）業(yè)務(wù)在時延上的差異建立業(yè)務(wù)切片，定制化地選擇其調(diào)度算法策略，從而在降低分組丟失率的同時提升整個系統(tǒng)的性能。

網(wǎng)絡(luò)切片；虛擬化技術(shù)；資源分配

1 引言

進(jìn)入5G時代，需求呈現(xiàn)多樣化的趨勢，驅(qū)動著移動網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)發(fā)展。MBB（mobile broadband，移動寬帶）、V2X（vehicle to X)、HDTV（高清視頻）和VR（虛擬現(xiàn)實）等新應(yīng)用逐漸發(fā)展起來[1]。這些需求類型上的多樣性和數(shù)量的增多加劇了數(shù)據(jù)流的暴漲，迫使 MNO （mobile network operator，移動網(wǎng)絡(luò)運營商）通過更密集的部署基礎(chǔ)設(shè)施以應(yīng)對頻譜短缺等問題。而密集的部署又會引起不可忽視的干擾問題。此外，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費用巨大，MNO的投資效率不高也是一個較為突出的問題。網(wǎng)絡(luò)切片作為一個端到端的虛擬化網(wǎng)絡(luò)[2]可以解決上述問題。通過對共享資源的隔離，可以實現(xiàn)切片間業(yè)務(wù)傳輸服務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)本身的更新和維修不受干擾。這種形式的共享一方面增強(qiáng)了整個RAN（radio access network，無線接入網(wǎng)）的利用率，降低了MNO的架構(gòu)投入。另一方面，MNO通過定制化設(shè)計和編排的切片滿足了下一代網(wǎng)絡(luò)多樣化的需求。本文利用通用的NVS（network virtualization substrate，網(wǎng)絡(luò)虛擬化基片）[2]切片架構(gòu)，研究基于MNO切片調(diào)度策略。

2 研究現(xiàn)狀

近幾年涉及基站和天線系統(tǒng)復(fù)用的網(wǎng)絡(luò)共享使得CAPEX（capitalexpense，資本支出）和OPEX（operatingexpense，運維支出）的花費降至40%[3]。包括3GPP、IMT-2020在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)組織和設(shè)備廠商在推進(jìn)無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化的部署等工作方面起到了積極作用[4]。參考文獻(xiàn)[5]中，提出了將類似于SDN（software defined networking，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）的方法應(yīng)用到無線移動網(wǎng)絡(luò)上的架構(gòu)。詳細(xì)說明了一些采用該架構(gòu)的用例，其中具體到模型、接口、高級別的信令。參考文獻(xiàn)[6]提出SDN控制面與數(shù)據(jù)面的分離概念能夠有效解決現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)不靈活導(dǎo)致的控制復(fù)雜化問題，在控制器上依據(jù)需求動態(tài)地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的虛擬化。參考文獻(xiàn)[7]提出了能夠進(jìn)行D2D（device-to-device）通信的軟件定義和以信息為中心的網(wǎng)絡(luò)虛擬化架構(gòu)，便利地實現(xiàn)動態(tài)虛擬資源的分配和通過 SDN控制器進(jìn)行的全局系統(tǒng)下的內(nèi)容緩存。由 SDN衍生出的 NFV（network function virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）的概念體現(xiàn)了硬件設(shè)備與軟件的分離[8]。此后，SDN與NFV在無線通信網(wǎng)絡(luò)的融合研究成為熱點，提出了可定制化編排虛擬資源和服務(wù)功能的NS（network slice，網(wǎng)絡(luò)切片），以實現(xiàn)按需定制的無線網(wǎng)絡(luò)[9,10]。

無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化中的網(wǎng)絡(luò)共享可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片。在此前提下的架構(gòu)內(nèi)，由于切分虛擬資源的不同，將產(chǎn)生包括基礎(chǔ)設(shè)置級別、網(wǎng)絡(luò)級別、流級別和內(nèi)容級別在內(nèi)的多種類型切片以及一些對切片進(jìn)行管理的控制器[11]。參考文獻(xiàn)[2]提出的NVS架構(gòu)為不同的MNO虛擬化出不同的網(wǎng)絡(luò)切片。參考文獻(xiàn)[12]提出以信息為中心的無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化架構(gòu)，通過動態(tài)內(nèi)容接入和共享的擴(kuò)展提出了內(nèi)容級別的切片。參考文獻(xiàn)[13]設(shè)計了一個解決基站之間沒有進(jìn)行通信的完全分布式的系統(tǒng)，這個RAN多租用基站切片控制器評估每個與已確定的服務(wù)協(xié)議和策略相對應(yīng)的利用率狀態(tài)。參考文獻(xiàn)[14]在SoftRAN的基礎(chǔ)上建立了動態(tài)切分運營商3D網(wǎng)格資源的RadioVisor，保證了控制信道消息、無線要素資源以及不同切片的隔離性。

切片需要滿足虛擬化的某些特征如隔離化、定制化和資源利用率最大化。參考文獻(xiàn)[15]對來自于不同服務(wù)提供商（service provider，SP）的切片動態(tài)調(diào)度分配，這些分配方案通過最大化不同SP和速率來最大化資源利用率。參考文獻(xiàn)[16]提出了對來自于不同SP的虛擬切片業(yè)務(wù)優(yōu)先排序，形成了一個先調(diào)度RT（real-time，實時）業(yè)務(wù)后調(diào)度NRT（non-real-time，非實時）業(yè)務(wù)的虛擬優(yōu)先級切片（VPS）。網(wǎng)絡(luò)切片在獲得資源隔離性的同時對不同類型的服務(wù)定制化造成混合服務(wù)網(wǎng)絡(luò)復(fù)用增益損失[17]。參考文獻(xiàn)[18]提出虛擬媒體接入控制子層 （VMAC）的概念來進(jìn)行資源虛擬化與管理，使得異構(gòu) RAN聚合為標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議棧且根據(jù)服務(wù)定制化數(shù)據(jù)分組。參考文獻(xiàn)[19]在現(xiàn)有軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)（SDWN）頻譜管理架構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了基帶虛擬化的設(shè)計，無縫集成IEEE 802.11協(xié)議棧和射頻前端的同時提高了頻譜效率。

上述對切片調(diào)度的研究中，一些僅針對虛擬化網(wǎng)絡(luò)切片整體架構(gòu)的設(shè)計不涉及RAN側(cè)切片調(diào)度過程，或?qū)τ诤诵木W(wǎng)切片隔離及復(fù)用增益等問題的研究不涉及RAN側(cè)切片調(diào)度。而另外一些研究將切片作為約束條件求次優(yōu)解，使得對于無線資源的切分不靈活，或雖然考慮時延這一因素在RAN側(cè)不同的用戶的差別且利用切片構(gòu)建不同的優(yōu)先級來提升系統(tǒng)性能，但在切片調(diào)度過程中僅依據(jù)信道質(zhì)量進(jìn)行資源分配優(yōu)化。因此，在基站MAC（medium access control，媒體接入控制）層對NVS架構(gòu)下切片以及固定切片類型進(jìn)行系統(tǒng)級別的仿真，實現(xiàn)RAN側(cè)無線資源利用率最大，采取切片調(diào)度策略定制化RT和NRT業(yè)務(wù)，在隔離的情況下靈活地實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)用戶時延和頻譜效率最優(yōu)。

圖1 MNO共享資源的虛擬網(wǎng)絡(luò)

圖2 NVS框架下MAC層流級別切片調(diào)度過程

3 系統(tǒng)模型

集中式RAN是一個有潛力的下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包括虛擬網(wǎng)絡(luò)運營商、服務(wù)提供者以及MNO等多種商用角色租用和共享中心化的RAN。MNO共享資源的虛擬網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。由圖1可知，同一地理范圍內(nèi)多個MNO進(jìn)行切片調(diào)度，每個MNO對應(yīng)一個切片通過動態(tài)共享實現(xiàn)資源利用率的最優(yōu)化。此外，MNO中的用戶具有多種形式的業(yè)務(wù)，這些業(yè)務(wù)在速率、時延等方面均有不同。在MNO切片的基礎(chǔ)上，利用切片隔離性對不同的業(yè)務(wù)定制不同的調(diào)度策略，以優(yōu)化用戶QoS（quality of service，服務(wù)質(zhì)量）和公平性等。

NVS框架下MAC層流級別切片調(diào)度過程如圖2所示。由圖2可知，該調(diào)度過程包括兩個步驟：切片調(diào)度和幀調(diào)度。研究LTE協(xié)議下行鏈路切片調(diào)度。由于LTE下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁Y源分配的最小單位為RB（resource block，資源塊），其數(shù)目與帶寬對應(yīng)。調(diào)度時用1到N為資源塊進(jìn)行編號，N為最大的RB數(shù)目。頻域和時域上分別由寬度為180 kHz的12個連續(xù)的子載波和7個0.5 ms長的1個時隙構(gòu)成。

切片調(diào)度器的效用函數(shù)為式（1）中 V(Rg)[15]，其中 Rg表示基于帶寬速率或基于資源塊保留率，表示授權(quán)的最小滿足SLA（service level agreement，服務(wù)等級協(xié)議）的帶寬速率或資源塊保留率，g代表切片數(shù)目與所屬的MNO對應(yīng)。V(Rg)試圖得到各切片資源利用率的最大。式（1）中的效用函數(shù)可以改寫為對數(shù)凹函數(shù)形式，見式（2），其中 tgrsv表示兩個運營商商議而來的SLA[2]。由于LTE系統(tǒng)通過在MAC層分配RB實現(xiàn)無線資源的調(diào)度，較之基于帶寬速率形式，基于RB保留率的調(diào)度能夠更加準(zhǔn)確地調(diào)控切片調(diào)度。因此采用基于RB保留率的調(diào)度進(jìn)行無線資源切分：

4 切片調(diào)度

在NVS通用的切片調(diào)度框架下進(jìn)行資源調(diào)度實質(zhì)上是在基站中引用了一個分層的調(diào)度。上層切片調(diào)度保證根據(jù)SLA保證的資源配比，下層流調(diào)度采用基站內(nèi)原有的流調(diào)度器，根據(jù)不同的需求選擇不同復(fù)雜度和靈活度的流調(diào)度器，實現(xiàn)基站硬件上更為輕量級的部署。

4.1 切片調(diào)度器

切片調(diào)度器調(diào)度權(quán)重更新：

切片調(diào)度權(quán)重wg,j由效用函數(shù)V(tg)轉(zhuǎn)化而來，表示系統(tǒng)在瞬時時間j選擇效用最大的切片。如果選擇切片調(diào)度完畢之后RB仍有剩余，則在這個時間j間隔內(nèi)選擇帶有次級權(quán)重Wg,j的切片進(jìn)行幀調(diào)度，如圖3所示。其中H是基于RB保留率切片集合，表示從開始到t-1的時間間隔內(nèi)RB利用率的平均值，K表示系統(tǒng)RB總數(shù)，Ng,j-1表示上次RB的數(shù)目。這個過程繼續(xù)進(jìn)行直到利用完所有的RB或沒有切片剩余。通過這種方式，系統(tǒng)保證單個切片需求情況下基站利用率的最大化，MNO最大化整個切片的效用實現(xiàn)收益的最大化。

4.2 幀調(diào)度器

NVS基片架構(gòu)下的幀調(diào)度器是對現(xiàn)行基站幀調(diào)度的擴(kuò)展，包含與基站MAC層幀調(diào)度器功能一致的多個調(diào)度器。切片隔離性可以保證多個調(diào)度器靈活利用，定制化為不同時延和信道狀態(tài)的用戶提供不同QoS，保障整個系統(tǒng)時延和頻譜效率最優(yōu)。

4.2.1 比例公平算法

PF（proportional fair，比例公平）調(diào)度算法給小區(qū)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流分配優(yōu)先級用于調(diào)度，優(yōu)先級最高的數(shù)據(jù)有權(quán)利用資源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該算法既考慮了用戶所在的信道條件，又考慮了不同業(yè)務(wù)之間的公平性，在此基礎(chǔ)上最大化網(wǎng)絡(luò)吞吐量。業(yè)務(wù)流在資源塊上的權(quán)重值[20]表示為：

圖3 切片調(diào)度算法流程

其中 ，ri,j(t)為當(dāng)前時隙理想瞬時速率，由自適應(yīng)調(diào)制和編碼（AMC）模塊根據(jù) CQI（channel quality indicator,信道質(zhì)量指示）值計算對應(yīng)的 MCS（modulation and coding scheme，調(diào)制和編碼方式）得到，Ri(t-1)為以前時隙為起點的時間窗內(nèi)的平均傳輸速率的估計值。每個用戶在所有RB上的速率為：

4.2.2 修正最大加權(quán)時延優(yōu)先

M-LWDF（modified largest weighted delay first，修正最大加權(quán)時延優(yōu)先）調(diào)度算法考慮分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的端到端時延以及各類業(yè)務(wù)QoS，取得頻譜效率、公平性和多用戶QoS折中。具體地，在處理實時業(yè)務(wù)時利用式（7）計算用戶數(shù)據(jù)流在每個用戶RB上的實時權(quán)重[21]。其中，δi是介于0到1之間的值，τi表示與服務(wù)質(zhì)量相關(guān)的分組丟失率，表示用戶所允許的最大時延門限，DHOL，i表示用戶i隊所在隊列隊首的等待時延：

5 仿真模型與結(jié)果分析

在MATLAB平臺上實現(xiàn)了切片功能的系統(tǒng)級仿真。具有切片功能的調(diào)度器設(shè)計在MAC層幀調(diào)度器上。仿真平臺系統(tǒng)仿真了整個下行鏈路的傳輸功能。采用LTE系統(tǒng)3層 19蜂窩小區(qū)，產(chǎn)生了非全緩沖（full-buffer）業(yè)務(wù)模型以及所需的實時和非實時業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)隊列。此外，利用L2S（link level to system level，鏈路級到系統(tǒng)級）模塊功能，節(jié)省了大量的仿真時間。具體仿真參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

為驗證NVS切片按預(yù)定比例分配無線資源以及最大化資源利用率，進(jìn)行如下設(shè)置。為了簡便起見，仿真實驗中的用戶在一段時間內(nèi)僅有一種類型的業(yè)務(wù)。切片1和切片2下的每個扇區(qū)內(nèi)采用相等數(shù)量的FTP業(yè)務(wù)和視頻流業(yè)務(wù)。FTP業(yè)務(wù)的到達(dá)時間服從指數(shù)分布，大小為250 KB，持續(xù)時間為10 s。視頻流業(yè)務(wù)發(fā)送速率為256 kbit/s。SLA1、SLA2參數(shù)是預(yù)先分配給MNO對應(yīng)切片占整體RB資源的比重。固定切片與NUS切片比較參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 固定切片與NVS切片比較參數(shù)設(shè)置

NUS切片與固定切片RB利用率對比如圖4所示。仿真結(jié)果表明，在小區(qū)用戶數(shù)不斷增大的情況下，RB利用率逐漸達(dá)到飽和，接近最初的設(shè)定值7∶3，實現(xiàn)了不同運營商切片的隔離。此外，NVS切片1與切片2的RB利用率均大于固定切片，這表明相對于固定切片，NVS架構(gòu)下的切片方案能夠更靈活地利用基站內(nèi)的無線資源，得到更優(yōu)的資源利用率。由于固定切片只能利用預(yù)先所分配的有限RB，而NVS算法通過優(yōu)先級權(quán)重可以使得在每一幀中先滿足優(yōu)先級權(quán)重大的切片對于RB的請求。NVS切片與固定切片系統(tǒng)吞吐量對比如圖5所示，隨著用戶數(shù)的增長，整個系統(tǒng)的吞吐量值會相應(yīng)地持續(xù)性增長，使得不同切片之間的資源調(diào)度更加有效。

圖4 NVS切片與固定切片RB利用率對比

圖5 NVS切片與固定切片系統(tǒng)吞吐量對比

同一地域內(nèi)不同的MNO因為某些定制服務(wù)需求，存在服務(wù)用戶業(yè)務(wù)不均衡的情況?？梢岳肗VS切片的隔離性，針對不同用戶需求選擇不同的調(diào)度方式。切片1中包含接收FTP數(shù)據(jù)分組的NRT業(yè)務(wù)用戶較多，切片2中包含時延敏感的視頻流用戶較多。具體地，設(shè)置切片1中包含接收FTP業(yè)務(wù)與視頻流業(yè)務(wù)的用戶比重為3∶1，切片2中包含接收FTP業(yè)務(wù)與視頻流業(yè)務(wù)的用戶比重為1∶3。RT與NRT仿真場景設(shè)置見表3。

表3 RT與NRT業(yè)務(wù)仿真場景設(shè)置

不同策略的分組丟失率如圖6所示。策略1的分組丟失率比僅用PF調(diào)度的策略3的情況有所改善，但高于兩切片均用M-LWDF算法的策略3。不同策略的系統(tǒng)吞吐量如圖7所示。隨著用戶數(shù)的增多，策略1系統(tǒng)吞吐量高于比兩切片均用PF算法的策略2，但略低于均用M-LWDF算法的策略3，考慮到在實際設(shè)備上調(diào)度過程中的算法復(fù)雜度問題，通過切片的隔離設(shè)置的策略1能夠使系統(tǒng)達(dá)到理想的效果。此外，當(dāng)用戶數(shù)量較少時，在一段時間內(nèi)用戶撒點具有更大的隨機(jī)性，考慮到信道質(zhì)量等因素，會出現(xiàn)數(shù)值上不符合圖6和和圖7中分組丟失率和系統(tǒng)吞吐量曲線整體走勢的情況。

圖6 不同策略的分組丟失率

圖7 不同策略的系統(tǒng)吞吐量

6 結(jié)束語

在一個虛擬化接入網(wǎng)場景中構(gòu)建了基于MNO的切片。MNO切片通過SLA協(xié)議保證不同MNO無線資源之間的隔離，使得彼此的業(yè)務(wù)不受影響，同時根據(jù)接入承載的情況動態(tài)調(diào)整資源的分配，優(yōu)化了RAN側(cè)資源利用率。此外，基于服務(wù)業(yè)務(wù)類型的不同，利用切片隔離的特性對實時業(yè)務(wù)采用M-LWDF調(diào)度算法，對非實時業(yè)務(wù)采取PF調(diào)度算法，在降低系統(tǒng)整體分組丟失率的同時保障了資源的有效利用?？傊?，本文實現(xiàn)了一般網(wǎng)絡(luò)切片隔離性、定制化、資源利用率最大的特性。切片作為未來網(wǎng)絡(luò)的一個重要的發(fā)展趨勢，將對無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展帶來更多積極的效應(yīng)。

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Slice scheduling strategy in LTE wireless network virtualization

PANG Xiaodan1,LI Weiwei1,SUN Qian2,TIAN Lin2,3
1.Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China 2.Institute of Computing Technology,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China 3.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

The future mobile communication network slicing mechanism was studied.A slice scheduler of flow level in medium access control(MAC)layer within the base station was used to utilize the shared resources between operators by predetermined proportion in the downlink LTE system.According to the different service level agreement parameters,the wireless resources are allocated for operators,which is the owner of slices in wireless network virtualization.System level simulation experiment and the comparison of the utilization between different slice methods were carried out.Compared to fixed slice method,the NVS method ensures that the users in different slices can achieve better utilization of wireless resources.In addition,the slices for services were established according to the difference of real-time(RT)and non-real-time(NRT)traffic requests,which minimizes the packet loss rate and ensures performance of the whole system.

network slice,virtualization technology,resource allocation

TN915

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2017041

龐曉丹（1991-），女，河北工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向為未來移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與虛擬化技術(shù)。

李薇薇（1978-），女，博士，河北工業(yè)大學(xué)副教授，主要研究方向為無線側(cè)網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)、集成電路制造工藝等。

孫茜（1990-），女，中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所實習(xí)研究員，主要研究方向為虛擬化技術(shù)與天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)。

田霖（1980-），女，博士，中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所副研究員，中國科學(xué)院大學(xué)副教授，主要研究方向為綠色無線通信系統(tǒng)與無線資源管理技術(shù)。

2016-09-22；

2017-02-07

國家自然科學(xué)基金資助項目（No.61431001）

Foundation Item：The National Natural Science Foundation of China(No.61431001)