面向B5G和6G的邊緣計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)切片資源管理

孫茜，田霖，周一青，馮晨，王園園，周繼華

（1.移動(dòng)計(jì)算與新型終端北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190； 2.中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所無(wú)線通信技術(shù)研究中心，北京 100190； 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 101408；4.重慶金美通信有限責(zé)任公司，重慶 400030）

1 引言

隨著以自動(dòng)駕駛為代表的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、以虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)為代表的視頻業(yè)務(wù)、以遠(yuǎn)程醫(yī)療為代表的智慧生活業(yè)務(wù)等的涌現(xiàn)，5G以及未來(lái)6G時(shí)代中時(shí)延敏感的計(jì)算密集型任務(wù)將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。由于計(jì)算能力有限的移動(dòng)設(shè)備無(wú)法完成上述低時(shí)延應(yīng)用的計(jì)算需求[1]，因此將計(jì)算任務(wù)卸載到邊緣進(jìn)行處理[2]。移動(dòng)邊緣計(jì)算（mobile edge computing，MEC）利用位于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)邊緣的計(jì)算資源，對(duì)復(fù)雜任務(wù)進(jìn)行分布式處理，以提升網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力，提供低時(shí)延、高容量的計(jì)算服務(wù)[3]。未來(lái)5G、B5G（beyond 5G，后5G）甚至6G網(wǎng)絡(luò)將利用網(wǎng)絡(luò)切片為差異化的通信業(yè)務(wù)提供服務(wù)，具體是：基于個(gè)性化服務(wù)需求為不同垂直行業(yè)、不同客戶、不同業(yè)務(wù)提供能力可定制的、相互隔離的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，是一個(gè)提供特定網(wǎng)絡(luò)能力和特性的邏輯網(wǎng)絡(luò)[4-5]，如圖1所示。未來(lái)5G/6G的網(wǎng)絡(luò)切片將共享無(wú)線與邊緣計(jì)算資源為時(shí)延敏感、計(jì)算密集型應(yīng)用提供服務(wù)，因此面向網(wǎng)絡(luò)切片的無(wú)線與計(jì)算資源管理是關(guān)鍵問題之一。

圖1 網(wǎng)絡(luò)切片資源共享示意圖

2 網(wǎng)絡(luò)切片生命的資源管理需求

網(wǎng)絡(luò)切片在蜂窩網(wǎng)絡(luò)軟件定義與虛擬化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)定制化。網(wǎng)絡(luò)切片作為提供服務(wù)的方式可以應(yīng)用于多種垂直行業(yè)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景、業(yè)務(wù)類型按需提供網(wǎng)絡(luò)能力，切片間相互隔離、互不干擾。為此，網(wǎng)絡(luò)切片運(yùn)營(yíng)商與用戶之間商定服務(wù)等級(jí)協(xié)議，在服務(wù)等級(jí)協(xié)議（service level agreement，SLA）中包括基本屬性（如安全性、可管理性、可用性等）、詳細(xì)的業(yè)務(wù)屬性（如切片類型、空口參數(shù)、差異化網(wǎng)絡(luò)功能等）以及性能要求（如時(shí)延、吞吐率、丟包率等），通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)的虛擬化與物理功能的差異化剪裁與配置有效保證網(wǎng)絡(luò)切片的SLA。根據(jù)第三方服務(wù)提供商/運(yùn)營(yíng)商的需求，建立相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)切片，通過網(wǎng)絡(luò)切片管理器對(duì)生成的網(wǎng)絡(luò)切片進(jìn)行管理。網(wǎng)絡(luò)切片管理器從邏輯上為網(wǎng)絡(luò)切片分配所需的基站功能模塊、核心網(wǎng)功能模塊、無(wú)線與邊緣計(jì)算資源等。網(wǎng)絡(luò)切片動(dòng)態(tài)地共享虛擬和/或物理功能模塊，根據(jù)需求特點(diǎn)對(duì)功能模塊的能力進(jìn)行定制化配置，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)切片資源分配算法將無(wú)線頻譜與邊緣計(jì)算資源合理地分配給相應(yīng)的切片，網(wǎng)絡(luò)切片的資源虛擬化架構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)切片的資源虛擬化架構(gòu)示意圖

網(wǎng)絡(luò)切片的生命周期包含網(wǎng)絡(luò)切片接入與生成、網(wǎng)絡(luò)切片運(yùn)行和網(wǎng)絡(luò)切片終止3個(gè)階段[6-7]，其中對(duì)資源管理的需求具體如下。

（1）網(wǎng)絡(luò)切片接入與生成階段

根據(jù)業(yè)務(wù)需求得到網(wǎng)絡(luò)切片的資源需求，運(yùn)營(yíng)商判斷是否有足夠的空余資源構(gòu)建該網(wǎng)絡(luò)切片：如果有，則接入網(wǎng)絡(luò)切片；否則拒絕接入該網(wǎng)絡(luò)切片。運(yùn)營(yíng)商維護(hù)和更新一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片模板庫(kù)，新業(yè)務(wù)上線的第一步是匹配相適應(yīng)的切片模板，匹配項(xiàng)包括虛擬網(wǎng)絡(luò)功能組件、組件間標(biāo)準(zhǔn)化交互接口和所需網(wǎng)絡(luò)資源的描述。當(dāng)決定接入某網(wǎng)絡(luò)切片時(shí)，運(yùn)營(yíng)商生成該網(wǎng)絡(luò)切片，即進(jìn)行實(shí)例化。網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例化時(shí)服務(wù)引擎導(dǎo)入模板并解析，通過接口向基礎(chǔ)設(shè)施提供商租用網(wǎng)絡(luò)資源，基于業(yè)務(wù)需求實(shí)例化 VNF 并進(jìn)行服務(wù)功能鏈的生成與編排，最后將網(wǎng)絡(luò)切片遷移到運(yùn)行態(tài)。其中涉及的資源管理為：根據(jù)業(yè)務(wù)需求得到網(wǎng)絡(luò)切片的資源需求，系統(tǒng)為基于模板生成網(wǎng)絡(luò)切片并基于資源需求預(yù)分配資源，網(wǎng)絡(luò)切片的資源管理需要能夠得到網(wǎng)絡(luò)切片所需的無(wú)線與計(jì)算資源需求的平均數(shù)值，并據(jù)此完成網(wǎng)絡(luò)切片資源的預(yù)分配。

（2）網(wǎng)絡(luò)切片運(yùn)行階段

系統(tǒng)對(duì)切片的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、更新、遷移、擴(kuò)/縮容等操作，此外系統(tǒng)還支持根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載變化進(jìn)行快速業(yè)務(wù)重部署和資源重分配。對(duì)于無(wú)線與邊緣計(jì)算資源，系統(tǒng)需要提供高效的動(dòng)態(tài)資源分配。對(duì)于無(wú)線協(xié)議處理資源，需要在物理資源池上切分出多個(gè)邏輯的資源集合。

（3）網(wǎng)絡(luò)切片終止階段

主要涉及業(yè)務(wù)下線時(shí)功能的去實(shí)例化和資源的回收，以及對(duì)資源進(jìn)行評(píng)級(jí)、生成歷史記錄等操作，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片的終止不能影響其他切片業(yè)務(wù)的正常服務(wù)。

在網(wǎng)絡(luò)切片生命周期的資源管理中有3個(gè)需求，具體為：（1） 網(wǎng)絡(luò)切片的接入與生成階段，系統(tǒng)通過判斷是否有足夠的空余資源構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)切片決策是否接入該切片，因此需要預(yù)估網(wǎng)絡(luò)切片的平均無(wú)線與計(jì)算資源需求；（2）網(wǎng)絡(luò)切片運(yùn)行階段，需要系統(tǒng)為網(wǎng)絡(luò)切片、網(wǎng)絡(luò)切片為終端動(dòng)態(tài)高效地分配無(wú)線與計(jì)算資源；（3）網(wǎng)絡(luò)切片終止階段，由于邊緣計(jì)算業(yè)務(wù)需要先通過無(wú)線傳輸給邊緣計(jì)算服務(wù)器后再進(jìn)行計(jì)算處理，因此無(wú)線傳輸性能將制約邊緣計(jì)算性能乃至網(wǎng)絡(luò)切片的整體性能，面向網(wǎng)絡(luò)切片需要設(shè)計(jì)鼓勵(lì)網(wǎng)絡(luò)切片與終端參與協(xié)作的激勵(lì)機(jī)制。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片的生命周期的資源管理中的3個(gè)需求，后文總結(jié)了當(dāng)前已經(jīng)開展的網(wǎng)絡(luò)切片接入控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)切片資源分配技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)切片激勵(lì)終端協(xié)作技術(shù)。

3 網(wǎng)絡(luò)切片接入控制技術(shù)

在網(wǎng)絡(luò)切片接入與生成階段，系統(tǒng)需要網(wǎng)絡(luò)切片的平均無(wú)線資源和邊緣計(jì)算資源需求，以便于判斷是否有足夠的空余資源生成該網(wǎng)絡(luò)切片[3-4]。若系統(tǒng)有足夠的空余資源滿足該網(wǎng)絡(luò)切片的平均資源需求，則系統(tǒng)接入該網(wǎng)絡(luò)切片，并按照需求生成該網(wǎng)絡(luò)切片，否則系統(tǒng)拒絕接入該網(wǎng)絡(luò)切片。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片僅提供無(wú)線傳輸服務(wù)的情況，現(xiàn)有研究提出了許多方案研究網(wǎng)絡(luò)切片的無(wú)線資源平均需求與無(wú)線頻譜資源的預(yù)設(shè)定。

為了支持更豐富的服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS），網(wǎng)絡(luò)切片可規(guī)定多樣化的資源需求。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)切片的無(wú)線資源需求，具有代表性且研究中廣泛應(yīng)用的是無(wú)線傳輸速率和無(wú)線資源量[4-6]。當(dāng)采用無(wú)線傳輸速率作為無(wú)線資源需求時(shí)，規(guī)定網(wǎng)絡(luò)切片無(wú)線傳輸速率需求的具體數(shù)值，系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)的無(wú)線傳輸速率值為其提供無(wú)線資源，此種方式配置的網(wǎng)絡(luò)切片適用于有固定無(wú)線傳輸速率要求的業(yè)務(wù)（如IP語(yǔ)音傳輸?shù)龋?；?dāng)采用無(wú)線資源量作為無(wú)線資源需求時(shí)，規(guī)定網(wǎng)絡(luò)切片所需無(wú)線資源量的絕對(duì)值（如5 Mbit/s帶寬）或者相對(duì)值（如系統(tǒng)帶寬的30%），系統(tǒng)據(jù)此將累計(jì)滿足需求量的無(wú)線資源動(dòng)態(tài)或者固定地分配給網(wǎng)絡(luò)切片，此種方式配置的網(wǎng)絡(luò)切片適用于構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)，即虛擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商利用分配到的網(wǎng)絡(luò)資源構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)提供語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻等多類型的通信業(yè)務(wù)服務(wù)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)切片的計(jì)算資源需求，目前還沒有相關(guān)研究，但在現(xiàn)有面向終端用戶的邊緣計(jì)算資源分配研究中，一般會(huì)給定需要處理的數(shù)據(jù)量/計(jì)算量，數(shù)據(jù)是固定、按照某種規(guī)律達(dá)到的[3,8-10]或者是突發(fā)的[11]，面向處理數(shù)據(jù)量/計(jì)算量，實(shí)時(shí)在線分配無(wú)線與計(jì)算資源。

上述網(wǎng)絡(luò)切片的無(wú)線資源需求未考慮與計(jì)算資源的耦合關(guān)系，邊緣計(jì)算服務(wù)需求是從業(yè)務(wù)的角度在線實(shí)時(shí)調(diào)整，無(wú)法提供資源需求的具體數(shù)值。為了解決這一問題，提出了基于多隊(duì)列模型研究無(wú)線傳輸速率波動(dòng)情況下網(wǎng)絡(luò)切片的平均無(wú)線與計(jì)算資源需求的耦合與置換關(guān)系。如圖3所示，假設(shè)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片有兩個(gè)先入先出（first input first output，F(xiàn)IFO）串聯(lián)隊(duì)列，分別為無(wú)線傳輸隊(duì)列和MEC計(jì)算隊(duì)列，網(wǎng)絡(luò)切片的待卸載邊緣計(jì)算任務(wù)在無(wú)線傳輸隊(duì)列中排隊(duì)傳輸給AP，AP直接通過有線方式傳輸給MEC服務(wù)器，計(jì)算任務(wù)在MEC計(jì)算隊(duì)列中排隊(duì)等待計(jì)算處理。

圖3 網(wǎng)絡(luò)切片邊緣計(jì)算卸載任務(wù)的隊(duì)列模型

所以在給定邊緣計(jì)算任務(wù)，并給出了網(wǎng)絡(luò)切片所需的平均無(wú)線與計(jì)算資源時(shí)，以最大化系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)切片數(shù)為目標(biāo)，可以建模出網(wǎng)絡(luò)切片的接入控制問題，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的高效利用，提升系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片的接入能力[12]。無(wú)業(yè)務(wù)突發(fā)場(chǎng)景JMCR算法與對(duì)比算法的切片總數(shù)與系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)切片數(shù)的關(guān)系如圖4所示，將該文提出的JMCR算法和Com1、Com2算法進(jìn)行了對(duì)比，顯然引入了無(wú)線與計(jì)算資源的置換關(guān)系的JMCR算法可以服務(wù)更多的網(wǎng)絡(luò)切片，使系統(tǒng)獲得了更大的接入網(wǎng)絡(luò)切片數(shù)目。

圖4 無(wú)業(yè)務(wù)突發(fā)場(chǎng)景JMCR算法與對(duì)比算法的切片總數(shù)與系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)切片數(shù)的關(guān)系

4 網(wǎng)絡(luò)切片資源分配技術(shù)

未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)切片提供數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸與邊緣計(jì)算服務(wù)，在網(wǎng)絡(luò)切片運(yùn)行的過程中，無(wú)線與計(jì)算資源由系統(tǒng)先分配給網(wǎng)絡(luò)切片再被網(wǎng)絡(luò)切片中的終端共享，因此有效分配無(wú)線與計(jì)算資源很重要。

4.1 網(wǎng)絡(luò)切片無(wú)線資源分配

現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)切片資源管理架構(gòu)范式為網(wǎng)絡(luò)虛擬基片（network virtualization substrate，NVS），由切片層與終端層構(gòu)成，其中切片層完成面向網(wǎng)絡(luò)切片的資源分配，終端層完成各網(wǎng)絡(luò)切片內(nèi)部面向終端用戶的資源分配[13]。因?yàn)槊嫦蚪K端層的資源分配可采取傳統(tǒng)非切片網(wǎng)絡(luò)中的方法（如比例公平算法、輪詢算法等），大多數(shù)研究關(guān)注切片層的資源分配，設(shè)計(jì)滿足網(wǎng)絡(luò)切片資源需求的資源分配方法。

為此，當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)切片無(wú)線資源分配技術(shù)從參數(shù)設(shè)定和資源分配算法設(shè)計(jì)兩個(gè)方面展開。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片無(wú)線資源分配參數(shù)設(shè)定，首先在LTE網(wǎng)絡(luò)中研究了基于預(yù)留的切片層無(wú)線資源分配機(jī)制，當(dāng)新切片接入時(shí)若空閑預(yù)留資源或剩余資源能夠滿足其需求則接入并其按需求分配資源，否則拒絕[14]。進(jìn)而，研究了面向多網(wǎng)絡(luò)切片的接入網(wǎng)協(xié)議層二和層三的差異化參數(shù)配置，通過個(gè)性化配置網(wǎng)絡(luò)切片資源使用參數(shù)配置和可用資源參數(shù)配置實(shí)現(xiàn)差異化網(wǎng)絡(luò)切片務(wù)質(zhì)量保障，闡明網(wǎng)絡(luò)切片無(wú)線資源分配參數(shù)配置對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片的服務(wù)能力定制化與服務(wù)質(zhì)量保障的影響[15]。針對(duì)資源分配算法設(shè)計(jì)，首先基于對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片的資源利用率，利用線性規(guī)劃方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片進(jìn)行動(dòng)態(tài)資源調(diào)整，低資源利用率的網(wǎng)絡(luò)切片向高資源利用率的切片提供資源[16]。然后，面向超可靠低時(shí)延通信（ultra-reliable and low-latency communication，uRLLC）切片、IoT（internet of thing，物聯(lián)網(wǎng)）切片和增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）切片的差異化QoS要求，研究了網(wǎng)絡(luò)切片間和切片內(nèi)的無(wú)線資源分配算法，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)整體利用率的提高[17]。同時(shí)，針對(duì)云接入網(wǎng)研究了基于終端用戶和切片的雙優(yōu)先級(jí)的無(wú)線資源分配機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和QoS性能[18]。此外，針對(duì)霧接入網(wǎng)，基于匈牙利算法、線性整數(shù)規(guī)劃以及幾何規(guī)劃提出了網(wǎng)絡(luò)資源緩存策略以減小網(wǎng)絡(luò)切片時(shí)延以及優(yōu)化無(wú)線資源動(dòng)態(tài)分配[19]。

上述研究大多基于優(yōu)化理論，此外面向網(wǎng)絡(luò)切片的無(wú)線資源管理可基于機(jī)器學(xué)習(xí)[20]、博弈論[21]、拍賣模型[22]、廣義速率調(diào)度[23]、合同理論[24]和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論[25]等開展。

當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)切片無(wú)線資源分配獨(dú)立進(jìn)行而未考慮與計(jì)算資源的耦合關(guān)系，而面向邊緣計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)切片需要利用無(wú)線資源將計(jì)算業(yè)務(wù)傳輸?shù)竭吘壏?wù)器后再進(jìn)行計(jì)算處理，因此，無(wú)線資源與計(jì)算資源的分配需要聯(lián)合考慮。

4.2 網(wǎng)絡(luò)切片計(jì)算資源分配

雖然目前沒有針對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片的邊緣計(jì)算資源分配研究，但針對(duì)無(wú)切片網(wǎng)絡(luò)的邊緣計(jì)算分配已經(jīng)開展了大量的研究。面向單小區(qū)多終端用戶場(chǎng)景[8]、多小區(qū)單終端用戶場(chǎng)景[9]、多小區(qū)多終端用戶場(chǎng)景[10]，通過卸載決策和計(jì)算資源分配最小化時(shí)延和/或能源消耗[26]。為獲得更短的平均執(zhí)行時(shí)延，允許在移動(dòng)設(shè)備和邊緣計(jì)算服務(wù)器上并行執(zhí)行計(jì)算任務(wù)，移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算任務(wù)可跨越多無(wú)線信道傳輸、跨多個(gè)邊緣計(jì)算服務(wù)器處理，并提出了一種基于馬爾可夫決策方法的計(jì)算任務(wù)調(diào)度和邊緣計(jì)算資源分配策略[27]?？紤]系統(tǒng)的能源消耗的約束，結(jié)合負(fù)載均衡思想，研究了邊緣節(jié)點(diǎn)協(xié)同處理計(jì)算任務(wù)，同時(shí)有效降低計(jì)算任務(wù)在邊緣服務(wù)器中的排隊(duì)時(shí)延，從而提升邊緣計(jì)算性能[28]。上述研究中僅涉及計(jì)算資源分配，沒有考慮無(wú)線資源分配。

為此，針對(duì)邊緣計(jì)算與無(wú)線資源聯(lián)合分配開展了進(jìn)一步研究[8,11,29-31]。考慮無(wú)線和計(jì)算資源，基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的流量分布不均勻的特征，提出了一種基于睡眠控制的在線優(yōu)化策略，以解決MEC服務(wù)器計(jì)算任務(wù)卸載的問題。并采用Lyapunov技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化了該問題的求解過程，從而在降低MEC服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)期能耗的同時(shí)也可以保持較低的系統(tǒng)時(shí)延[11]。在多小區(qū)場(chǎng)景中，根據(jù)終端的支付能力或工作類型為其設(shè)置卸載優(yōu)先級(jí)，建模了具有固定任務(wù)卸載決策的資源分配問題，利用凸優(yōu)化技術(shù)對(duì)此類混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)效益最大化[29]。在MIMO（multi-input multi-output，多輸入多輸出）多小區(qū)場(chǎng)景中，系統(tǒng)將無(wú)線和計(jì)算資源的聯(lián)合分配建模成優(yōu)化問題，提出基于云管理器與基站交換信息的最優(yōu)無(wú)線和計(jì)算資源分配方案，在單終端用戶場(chǎng)景下計(jì)算出封閉形式的全局最優(yōu)解，在多終端用戶場(chǎng)景下采用基于服務(wù)組件架構(gòu)的集中式和分布式算法得到局部最優(yōu)解[30]。為防止傳輸干擾和MEC服務(wù)器過載，選擇部分移動(dòng)終端卸載其計(jì)算，其他終端則在本地執(zhí)行計(jì)算，根據(jù)終端不同的需求分配相應(yīng)的計(jì)算和無(wú)線資源，通過采用基于交替方向乘子法的優(yōu)化算法解決計(jì)算卸載、計(jì)算和無(wú)線資源分配及內(nèi)容緩存問題[31]。上述研究中的計(jì)算與無(wú)線資源分配為靜態(tài)的，根據(jù)初始的資源請(qǐng)求為終端分配固定量的計(jì)算與無(wú)線資源。靜態(tài)機(jī)制的無(wú)線與計(jì)算資源分配方法雖然復(fù)雜度低，但靈活性差、資源效率與用戶體驗(yàn)差。

針對(duì)靜態(tài)機(jī)制的計(jì)算與無(wú)線聯(lián)合資源分配存在的問題，對(duì)動(dòng)態(tài)機(jī)制的計(jì)算與無(wú)線資源聯(lián)合分配展開了研究，根據(jù)終端/業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)資源需求實(shí)時(shí)按需分配資源[32-35]。在要求密集計(jì)算、實(shí)時(shí)響應(yīng)但又資源受限的場(chǎng)景中，提出了聯(lián)合無(wú)線與計(jì)算資源分配的框架，基于此框架研究了在QoS約束下的卸載決策和在最小資源占用約束條件下的無(wú)線與計(jì)算資源聯(lián)合分配，可以滿足不同移動(dòng)終端的豐富需求[32]。針對(duì)小蜂窩網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，由于多終端同時(shí)卸載計(jì)算任務(wù)將帶來(lái)無(wú)線干擾，降低無(wú)線傳輸速率，為此研究計(jì)算卸載和干擾管理問題，根據(jù)終端計(jì)算開銷和卸載開銷的估計(jì)值作出卸載決策，通過圖著色進(jìn)行物理資源塊（physical resource block，PRB）分配，依據(jù)決策結(jié)果和PRB分配結(jié)果分配計(jì)算資源[33]。為平衡無(wú)線與計(jì)算資源的使用，提出一種基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的智能無(wú)線與計(jì)算資源分配方案，可在不同MEC條件下改進(jìn)資源分配策略，實(shí)現(xiàn)資源的自適應(yīng)分配[34]。在移動(dòng)設(shè)備能力有限但其計(jì)算需求不斷增長(zhǎng)的場(chǎng)景中，提出由傳輸隊(duì)列和計(jì)算處理隊(duì)列組成的兩級(jí)串聯(lián)隊(duì)列建模無(wú)線傳送與計(jì)算處理，推導(dǎo)MEC服務(wù)器的有效容量，分析在端到端時(shí)延方面無(wú)線和計(jì)算資源之間的內(nèi)在關(guān)系，并制定了無(wú)線和計(jì)算資源的聯(lián)合分配方案以使網(wǎng)絡(luò)總收益最大化，進(jìn)而采用交替方向乘數(shù)法（alternating direction method of multipliers，ADMM）對(duì)無(wú)線與計(jì)算資源聯(lián)合分配方案進(jìn)行求解[35]。動(dòng)態(tài)機(jī)制的計(jì)算與無(wú)線資源聯(lián)合分配方法雖然靈活且資源效率高、用戶體驗(yàn)好，但是算法的復(fù)雜度較高。

為了解決動(dòng)態(tài)機(jī)制的資源分配方法復(fù)雜度高的問題，參考文獻(xiàn)[36-37]對(duì)低復(fù)雜度的資源分配方法開展研究。在無(wú)彈性計(jì)算任務(wù)的場(chǎng)景中，提出了一種多終端用戶的無(wú)線資源和計(jì)算資源分配方案，設(shè)計(jì)不可忽略任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的計(jì)算模型，建模系統(tǒng)消耗能源最小的多終端計(jì)算與無(wú)線資源聯(lián)合分配問題，并利用Johnson算法求解，算法復(fù)雜度為計(jì)算任務(wù)隊(duì)列的平方到三次方之間[36]。針對(duì)集中化無(wú)線電接入網(wǎng)（centralized RAN，C-RAN）場(chǎng)景，設(shè)計(jì)可以動(dòng)態(tài)聯(lián)合調(diào)度無(wú)線資源和MEC計(jì)算資源的框架，基于擴(kuò)展的Lyapunov技術(shù)設(shè)計(jì)出作業(yè)可變長(zhǎng)度算法，在保持系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)達(dá)到接近最優(yōu)的平均時(shí)間收益，計(jì)算復(fù)雜度接近終端數(shù)目的平方[37]。針對(duì)冗余性和動(dòng)態(tài)性的計(jì)算業(yè)務(wù)，研究聯(lián)合有線和無(wú)線鏈路上MEC選擇和路由優(yōu)化，提出一種基于博弈論的低復(fù)雜度的資源分配算法，最小化MEC網(wǎng)絡(luò)的能量消耗和平均響應(yīng)時(shí)間，鑒于實(shí)際情況下重路由帶來(lái)的成本，又提出一種基于β改進(jìn)偏差的快速收斂算法，通過建立屏障減小重路由收斂速度提高30%以上[38]。上述研究中雖然降低了動(dòng)態(tài)機(jī)制的計(jì)算與無(wú)線資源聯(lián)合分配算法的復(fù)雜度，但無(wú)法直接應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)切片的場(chǎng)景中?，F(xiàn)有面向終端展開的研究是單層的無(wú)線與計(jì)算的資源分配，網(wǎng)絡(luò)切片場(chǎng)景中系統(tǒng)需要將資源先分配給切片層再分配給終端層，由于切片層的資源需求受到終端層的影響，兩層的資源分配需要聯(lián)合進(jìn)行。

現(xiàn)有的基于靜態(tài)機(jī)制的無(wú)線與計(jì)算資源聯(lián)合分配方法雖然復(fù)雜度較低但不靈活，這將導(dǎo)致資源浪費(fèi)或用戶體驗(yàn)差；現(xiàn)有的基于動(dòng)態(tài)機(jī)制的無(wú)線與計(jì)算資源聯(lián)合分配方法高效且靈活，但具有很高的復(fù)雜性?，F(xiàn)有低復(fù)雜度的單層資源分配動(dòng)態(tài)機(jī)制，無(wú)法直接應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)切片場(chǎng)景中。因此面向網(wǎng)絡(luò)切片研究低復(fù)雜度的無(wú)線與計(jì)算資源分配，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片資源需求為其服務(wù)的多終端資源需求的疊加這一特征，設(shè)計(jì)了半動(dòng)態(tài)的無(wú)線與計(jì)算資源分配機(jī)制，即SD-CRA。即在每個(gè)分配周期間，分配給網(wǎng)絡(luò)切片的無(wú)線與邊緣計(jì)算資源動(dòng)態(tài)調(diào)整。網(wǎng)絡(luò)切片共享MEC資源示意圖如圖5所示，其中虛擬MEC（virtual MEC，VMEC），表示用于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片的MEC計(jì)算資源，可能由一個(gè)或多個(gè)MEC服務(wù)器的部分或全部計(jì)算資源組成。

圖5 網(wǎng)絡(luò)切片共享MEC資源示意圖

在SD-CRA機(jī)制中，僅在更新周期間系統(tǒng)會(huì)更新分配給網(wǎng)絡(luò)切片的無(wú)線與計(jì)算資源，在SD-CRA機(jī)制周期內(nèi)無(wú)線與計(jì)算資源靜態(tài)地分配給網(wǎng)絡(luò)切片，同時(shí)在SD-CRA機(jī)制更新周期內(nèi)網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)的終端用戶動(dòng)態(tài)共享網(wǎng)絡(luò)切片分配到的無(wú)線與計(jì)算資源，實(shí)現(xiàn)了面向網(wǎng)絡(luò)切片的低復(fù)雜度與高效率的無(wú)線與計(jì)算資源分配[39]。網(wǎng)絡(luò)切片VMEC負(fù)載率與數(shù)據(jù)量之間的關(guān)系如圖6所示，在復(fù)雜性和效率方面，將提出的SD-CRA機(jī)制算法與一種靜態(tài)算法STA和一種動(dòng)態(tài)算法DYA進(jìn)行了比較。其中，WCE表示信道容量非受限下的無(wú)線與計(jì)算資源聯(lián)合分配算法，MCA表示信道容量受限下以最小化VMEC的計(jì)算資源為目標(biāo)的資源分配算法，MTA表示信道容量受限下以最大化VMEC的總無(wú)線吞吐量為目標(biāo)的資源分配算法?？梢钥闯鯯D-CRA機(jī)制算法比STA的效率（負(fù)載率）要高，比DYA的復(fù)雜性低。

圖6 網(wǎng)絡(luò)切片VMEC負(fù)載率與數(shù)據(jù)量之間的關(guān)系

5 網(wǎng)絡(luò)切片激勵(lì)終端協(xié)作技術(shù)

5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)切片提供差異化的服務(wù)，由于視頻回傳、遠(yuǎn)程控制等多種場(chǎng)景需要邊緣計(jì)算，5G網(wǎng)絡(luò)切片將包含無(wú)線與計(jì)算資源。因?yàn)檫吘売?jì)算業(yè)務(wù)需要先通過無(wú)線傳輸?shù)?邊緣計(jì)算服務(wù)器再進(jìn)行計(jì)算處理，因此無(wú)線傳輸能力將通過制約計(jì)算能力影響網(wǎng)絡(luò)切片的服務(wù)能力。為此網(wǎng)絡(luò)切片無(wú)線傳輸能力提升技術(shù)的研究十分重要。通過網(wǎng)絡(luò)切片間的終端用戶協(xié)作，即通過某一網(wǎng)絡(luò)切片的終端用戶為另一網(wǎng)絡(luò)切片的終端用戶做D2D中繼，提升部分終端用戶的無(wú)線傳輸能力，進(jìn)而提升網(wǎng)絡(luò)切片的無(wú)線傳輸能力。在網(wǎng)絡(luò)切片間終端用戶 D2D 協(xié)作中，需要在網(wǎng)絡(luò)切片間、網(wǎng)絡(luò)切片與其服務(wù)的終端用戶間、協(xié)作與被協(xié)作的終端用戶間交互控制和/或數(shù)據(jù)信息，而考慮網(wǎng)絡(luò)切片與終端用戶的自私性，需要設(shè)計(jì)激勵(lì)機(jī)制，鼓勵(lì)網(wǎng)絡(luò)切片與終端用戶提供協(xié)作。

雖然沒有針對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)切片的終端協(xié)作激勵(lì)的研究，但是針對(duì)無(wú)切片網(wǎng)絡(luò)的終端協(xié)作激勵(lì)已經(jīng)展開了大量的研究，主要分為從用戶終端角度出發(fā)進(jìn)行研究和從整體網(wǎng)絡(luò)角度出發(fā)進(jìn)行研究。從用戶終端角度出發(fā)的包括：以提高協(xié)作與被協(xié)作終端用戶的吞吐量為目標(biāo)，針對(duì)無(wú)線信道質(zhì)量較差的終端用戶，提出的一種激勵(lì)性資源分配方案，通過引入能量效率作為激勵(lì)參數(shù)來(lái)激勵(lì)終端用戶之間的協(xié)作，設(shè)計(jì)了一種二維搜索方法解決雙終端用戶案例問題[40]；以終端用戶體驗(yàn)質(zhì)量最大化為目標(biāo)，針對(duì)長(zhǎng)期演進(jìn)（long term evolution，LTE）的演進(jìn)（LTE-advanced，LTE-A）網(wǎng)絡(luò)中的D2D通信，提出的一種基于資源交換的協(xié)作激勵(lì)內(nèi)容分發(fā)策略，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和終端用戶的意見評(píng)分構(gòu)造加權(quán)有向圖，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送內(nèi)容以獲得所需的內(nèi)容，從而激勵(lì)終端用戶相互協(xié)作的共享內(nèi)容，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性[41]。從整體網(wǎng)絡(luò)角度出發(fā)的包括：以最大限度地提高移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的效用為目標(biāo)，采用D2D協(xié)作數(shù)據(jù)卸載技術(shù)，提出的一種集中式緩存的激勵(lì)機(jī)制，激勵(lì)終端參與協(xié)作數(shù)據(jù)的流量加載，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于反向拍賣理論建模緩存終端選擇和內(nèi)容分配問題，根據(jù)終端將租用的存儲(chǔ)空間大小和承諾的協(xié)作行為選擇合適的終端[42]；以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能量效率最大化為目標(biāo)，為降低在D2D多播內(nèi)容共享場(chǎng)景中的傳輸能耗，提出的一種基于社會(huì)關(guān)系信息的激勵(lì)機(jī)制，即通過社會(huì)關(guān)系網(wǎng)對(duì)終端進(jìn)行聚類，作為簇頭的終端用戶將承擔(dān)計(jì)算任務(wù)，而其他終端用戶則根據(jù)相應(yīng)的社會(huì)關(guān)系信息義務(wù)性或有回報(bào)地幫助簇頭將內(nèi)容傳送到目標(biāo)終端用戶[43]。另外為防止資源被分配給沒有為協(xié)作做出貢獻(xiàn)的終端用戶，參考文獻(xiàn)[44]提出一種基于虛擬貨幣系統(tǒng)的激勵(lì)方案，為每一個(gè)終端用戶設(shè)置虛擬貨幣賬戶，貨幣可以用于購(gòu)買其他終端用戶的協(xié)作服務(wù)，通過采用兩級(jí)Stackelberg博弈模型，考慮內(nèi)容請(qǐng)求者、協(xié)作中繼終端用戶和內(nèi)容源的收益。

以上這些激勵(lì)機(jī)制通常是通過為終端用戶設(shè)置虛擬標(biāo)簽（如虛擬現(xiàn)金和聲譽(yù)）來(lái)反映中繼終端用戶的協(xié)作利益，系統(tǒng)將根據(jù)終端用戶的虛擬標(biāo)簽來(lái)分配資源，以激勵(lì)終端用戶主動(dòng)為其他終端用戶提供協(xié)作[40-41,44-45]，部分激勵(lì)機(jī)制利用社會(huì)關(guān)系信息鼓勵(lì)終端用戶參與合作，利用社會(huì)學(xué)中的同質(zhì)現(xiàn)象，終端用戶之間根據(jù)親密性互相幫助傳送內(nèi)容[41-46]。因此，理性的終端用戶會(huì)考慮他們未來(lái)被協(xié)作的好處，同時(shí)會(huì)得到與其他終端用戶協(xié)作的獎(jiǎng)勵(lì)[40,47-48]。然而現(xiàn)有的D2D協(xié)作通信激勵(lì)方案不能直接推廣到切片網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作，因?yàn)樵陔p層體系結(jié)構(gòu)中，首先將資源分配給切片，然后在其所服務(wù)的終端用戶之間進(jìn)行分配，因此作為獎(jiǎng)賞而分配給中繼移動(dòng)終端（mobile terminal，MT）用戶的資源應(yīng)該提前分配給切片。因此面向網(wǎng)絡(luò)切片需要設(shè)計(jì)雙層的激勵(lì)D2D協(xié)作的資源分配方法，將提出其建模為兩個(gè)無(wú)線資源分配的最大化效用函數(shù)問題，在優(yōu)化問題的效用函數(shù)中分別引入了網(wǎng)絡(luò)切片和終端用戶的協(xié)作行為。其以下行數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景為主要研究目標(biāo)，一個(gè)AP服務(wù)G個(gè)切片示意圖如圖7所示，數(shù)據(jù)由共享AP通過下行無(wú)線鏈路發(fā)送給移動(dòng)終端用戶，并假設(shè)無(wú)線頻譜資源以TDMA模式共享。

圖7 一個(gè)AP服務(wù)G個(gè)切片示意圖

當(dāng)為提供協(xié)作的切片與終端分配更多的無(wú)線資源時(shí)，效用函數(shù)會(huì)倍增，從而將更多的資源作為獎(jiǎng)勵(lì)分配給協(xié)作的切片和終端用戶，由于網(wǎng)絡(luò)切片和終端用戶的瞬時(shí)資源分配不能通過兩個(gè)優(yōu)化問題得到，進(jìn)而設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)切片和終端用戶的激勵(lì)調(diào)度算法，并定義隔離度指標(biāo)以評(píng)估執(zhí)行協(xié)作時(shí)的網(wǎng)絡(luò)切片的隔離性能[49-50]。如圖8所示，可以看到隔離度在系統(tǒng)以非協(xié)作模式（non-cooperative mode，NCM）運(yùn)行時(shí)中較差，而在系統(tǒng)以切片協(xié)作模式（slice cooperation mode，SCM）運(yùn)行中得到了改進(jìn)。

圖8 網(wǎng)絡(luò)切片隔離指數(shù)

6 開放研究方向

（1）網(wǎng)絡(luò)切片的資源隔離性能與資源復(fù)用之間的折中關(guān)系研究

5G以及B5G通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)切片提供差異化的服務(wù)，由于網(wǎng)絡(luò)切片間共享的資源與基礎(chǔ)設(shè)施，通過資源復(fù)用，可有效降低建設(shè)與運(yùn)維成本，提供網(wǎng)絡(luò)的靈活性。與此同時(shí)，為保障網(wǎng)絡(luò)切片的服務(wù)質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)切片間資源的隔離是一個(gè)重要的問題。然而網(wǎng)絡(luò)切片的資源復(fù)用與隔離是一對(duì)相互矛盾的性能指標(biāo)，如何建模多切片系統(tǒng)的復(fù)用性能和隔離性能、推導(dǎo)兩者之間的制約機(jī)理是一個(gè)復(fù)雜的問題?？蓪?duì)多切片系統(tǒng)的復(fù)用性能和隔離性能進(jìn)一步建模，分析推導(dǎo)多切片系統(tǒng)的復(fù)用性能和隔離性能折中機(jī)理，這對(duì)多切片系統(tǒng)的資源高效管理、服務(wù)質(zhì)量保障具有重要意義。

（2）基于隔離性能的網(wǎng)絡(luò)切片資源管理研究

由于隔離性能是網(wǎng)絡(luò)切片的關(guān)鍵性能，且隔離性能中包含了網(wǎng)絡(luò)切片中切片層與終端層的各類性能參數(shù)的滿足情況，如何保障網(wǎng)絡(luò)的隔離性能是網(wǎng)絡(luò)切片的重要問題。而當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)切片資源管理方法研究中幾乎沒有考慮網(wǎng)絡(luò)切片隔離性能的量化度量以及網(wǎng)絡(luò)切片隔離性能保障的資源管理，而網(wǎng)絡(luò)切片的隔離性能由于涉及切片層與終端層雙層以及多類別的參數(shù)，如何建模隔離性能參數(shù)與網(wǎng)絡(luò)切片雙層資源管理的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)關(guān)系是一個(gè)復(fù)雜的問題，可繼續(xù)深入開展研究。

7 結(jié)束語(yǔ)

為服務(wù)時(shí)延敏感的計(jì)算密集型業(yè)務(wù)，移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)將構(gòu)建面向邊緣計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)切片。由于網(wǎng)絡(luò)切片間共享系統(tǒng)資源，無(wú)線與邊緣計(jì)算資源的高效管理至關(guān)重要。本文分析了網(wǎng)絡(luò)切片生命周期中資源管理的需求，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片資源管理的需求進(jìn)一步歸納了相應(yīng)的研究進(jìn)展，并進(jìn)一步給出了未來(lái)研究方向，這對(duì)多切片系統(tǒng)的資源高效管理、服務(wù)質(zhì)量保障具有重要意義。