基于5G切片和優(yōu)先級(jí)的流量隔離性能研究

李 煒, 王少軒

(1.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息學(xué)院,西安 710300；2.加泰羅尼亞理工大學(xué)，巴塞羅那 08034)

0 引言

因?yàn)榍衅夹g(shù)的引入，提供了邏輯網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式，5G系統(tǒng)可以滿足多種業(yè)務(wù)場景服務(wù)和消費(fèi)者應(yīng)用體驗(yàn)的差異化需求，這使得5G技術(shù)在不同垂直市場廣泛應(yīng)用[1]，其中一個(gè)市場是在公共保護(hù)和救災(zāi)。5G 技術(shù)目前不斷成熟，且已經(jīng)成為主流的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)了用戶面與控制面的完全分離，并且控制面板采用了基于服務(wù)化的架構(gòu)。然而隨著物理網(wǎng)絡(luò)承載的虛擬網(wǎng)絡(luò)切片就越多，不同的切片間會(huì)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源的競爭從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的下降。在未來，5G中模塊化的基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)切片的使用和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用程序的集成這些優(yōu)點(diǎn)也將為公共安全部門的部分工作提供技術(shù)保障和便利，事實(shí)上，3 GPP在LTE和5G標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中考慮了公共保護(hù)和救災(zāi)部門實(shí)際的需求。5G的應(yīng)用場景總的來說可以劃分為兩大類：商業(yè)服務(wù)業(yè)務(wù)(CO)(移動(dòng)帶寬、海量物聯(lián)網(wǎng))和關(guān)鍵任務(wù)(MC)服務(wù)業(yè)務(wù)，其中關(guān)鍵任務(wù)流量主要用于低延時(shí)、高可靠實(shí)性的應(yīng)用場景。當(dāng)同一網(wǎng)絡(luò)同時(shí)用于商業(yè)服務(wù)和MC服務(wù)時(shí)，采取能夠保證這兩種服務(wù)和共享網(wǎng)絡(luò)資源分配之間適當(dāng)優(yōu)先級(jí)的措施就變得至關(guān)重要。在這種情況下，目前在全球范圍內(nèi)有多個(gè)舉措，通過公共或私人4G/LTE網(wǎng)絡(luò)為PPDR機(jī)構(gòu)提供寬帶通信能力。一些學(xué)者正在研究使用現(xiàn)有商業(yè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)作為PPDR服務(wù)基礎(chǔ)的模式。這通常包括加強(qiáng)這些網(wǎng)絡(luò)的健壯性和安全性，并實(shí)施緊急服務(wù)所需的新功能。

目前，在同一網(wǎng)絡(luò)設(shè)施上處理MC和商業(yè)服務(wù)的多路復(fù)用數(shù)據(jù)流的方法是利用服務(wù)質(zhì)量(QoS)、優(yōu)先級(jí)(Prioritization)和資源搶占能力(Pre-emption)機(jī)制[2]。在網(wǎng)絡(luò)無線側(cè)提供的數(shù)據(jù)流可以用5QI(5G QoS Identifier)和ARP這兩個(gè)參數(shù)可以表征，其中5QI用于索引一個(gè)5G QOS特性，ARP參數(shù)包含優(yōu)先級(jí)、搶占能力和可被強(qiáng)占等信息，優(yōu)先級(jí)定義了終端資源請(qǐng)求的重要性，在系統(tǒng)資源受限時(shí)，ARP參數(shù)決定了一個(gè)新的QoS流是被接受還是拒絕。在這方面，對(duì)MC服務(wù)將更高優(yōu)先級(jí)5QI/ARP分配給MC服務(wù)可能適用于聚合MC流量負(fù)載低于網(wǎng)絡(luò)容量的情況。然而，當(dāng)MC和商業(yè)流量激增時(shí)，MC和商業(yè)流量會(huì)搶占資源引發(fā)網(wǎng)絡(luò)擁塞，影響用戶的體驗(yàn)感。僅使用基于優(yōu)先級(jí)的5QI/ARP參數(shù)不足以提供一些保護(hù)商業(yè)流量，這樣額外的機(jī)制如：網(wǎng)絡(luò)切片功能引入5G系統(tǒng)成為必要。

利用流量優(yōu)先級(jí)機(jī)制來處理蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的緊急情況或MC服務(wù)已經(jīng)在多項(xiàng)工作中進(jìn)行了研究。例如，作者Haya Shajaiah, Ahmed Abdel-Hadi, Charles Clancy和Suresh Borkar, Dennis Roberson, Ken Zdunek等的工作考慮了一種基于4G-LTE架構(gòu)下的資源分配優(yōu)化模型，面向公共安全和運(yùn)行彈性或非彈性流量的商業(yè)用戶，為公共安全和運(yùn)行彈性或非彈性流量的商業(yè)用戶提供優(yōu)先權(quán)[3-4]。與Haya Shajaiah和Suresh Borkar對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型和架構(gòu)的研究不同，Chafika Tata, Michel Kadoch等開發(fā)了一種新的優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，即禮貌優(yōu)先級(jí)訪問(CPA)，該算法并不能防止無線電資源的耗盡，而是用來延遲擁塞。CPA方案主要是在LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中共享MC業(yè)務(wù)的接入和調(diào)度[5]。在文獻(xiàn)[6]中，Hossam Farag, Mikael Gidlund, Patrik Oesterberg提出了一種高效的優(yōu)先級(jí)媒體訪問控制(MAC)協(xié)議，以支持在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)下的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的MC服務(wù)。該協(xié)議可以處理關(guān)鍵數(shù)據(jù)的同時(shí)傳輸，以減少競爭節(jié)點(diǎn)之間的碰撞概率，從而降低傳輸延遲[6]。

另一方面，人們對(duì)利用網(wǎng)絡(luò)切片功能進(jìn)行MC流量處理的關(guān)注也較少。例如，文獻(xiàn)[7]中的Dania Marabiss, Romano Fantacci開發(fā)了一種新的網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)，用于商業(yè)和MC服務(wù)的RAN切片，而沒有考慮優(yōu)先級(jí)化機(jī)制[7]。文獻(xiàn)[8]中Marko Hoyhtya, Kalle Lahetkangas等的工作嘗試使用許可共享訪問(LSA)、QoS優(yōu)先級(jí)機(jī)制，并采用靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)來控制5G網(wǎng)絡(luò)下的MC流量[8]。盡管J.Perez-Romero,O.Sallent等提出了一個(gè)用于商業(yè)和MC服務(wù)的RAN切片的場景，并提出了通過評(píng)估5 GRAN切片中的不同參數(shù)來實(shí)現(xiàn)MC流量差異化(即無線電調(diào)度)和保護(hù)(即準(zhǔn)入控制)的不同選項(xiàng)[9]。然而，本工作只分析了商業(yè)服務(wù)過載的影響。

蔣建峰等提出了一種基于5G網(wǎng)絡(luò)物理節(jié)點(diǎn)資源和鏈路資源以及帶寬和時(shí)延參數(shù)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)切片的安全隔離評(píng)估值；然后利用算法將切片安全隔離評(píng)估值作為一個(gè)約束的條件，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的映射編排[10]。

本文考慮了一種結(jié)合切片技術(shù)和優(yōu)先級(jí)機(jī)制來將資源分配給MC和CO服務(wù)的解決方案。評(píng)估了該解決方案在不同擁堵情況下的隔離性能，并與僅利用優(yōu)先級(jí)的解決方案的結(jié)果進(jìn)行了比較。

1 網(wǎng)絡(luò)切片與RRM配置流量復(fù)用

1.1 網(wǎng)絡(luò)切片

圖1 RAN切片配置模型

L2層包括介質(zhì)訪問控制(MAC)子層，用于在L1公開的一組傳輸信道上多路復(fù)用和調(diào)度DRB的分組傳輸。此外，L2嵌入了一些可在每個(gè)DRB基礎(chǔ)上配置的處理功能，例如分割、自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求(ARQ)重傳、壓縮和加密(即無線電鏈路控制(RLC)和分組數(shù)據(jù)收斂協(xié)議(PDCP)。在NR規(guī)范中，包含了一個(gè)名為服務(wù)數(shù)據(jù)適應(yīng)協(xié)議(SDAP)的附加L2子層，以映射DRB和5 GC管理的流量，稱為QoSFlows[12]。

RAC的決策必須考慮到提交到RAN切片中的prb的數(shù)量。同時(shí)，RAC應(yīng)根據(jù)與每個(gè)QoS流相關(guān)聯(lián)的ARP參數(shù)來考慮PRBs的實(shí)際利用率。ARP定義了允許、保持或終止QoS流的相對(duì)重要性。3 GPP規(guī)范為ARP定義了從1～15的優(yōu)先級(jí)，1是最高優(yōu)先級(jí)。因此，當(dāng)NG-RAN在第s個(gè)切片中收到一個(gè)新的GBR承載請(qǐng)求時(shí)，將需要滿足下面條件：

(1)

其中：θocc(ARPi,s)為測量的平均數(shù)量(代表已經(jīng)使用切片)的GBR載體使用的ARP值等于或低于ARPi；θnew(i，s)是估計(jì)的新載體;AC max (s)作為準(zhǔn)入控制閾值在第s層；θnew(i,s)可以根據(jù)公式計(jì)算：

(2)

其中:Ri，s是第s片第i次服務(wù)所需的比特率，r是一個(gè)PRB的帶寬，Si，s是第s片第i次服務(wù)的頻譜效率。

1.2 切片數(shù)據(jù)包調(diào)度方案

調(diào)度部分，在L2處的資源分配應(yīng)首先保證被認(rèn)可的GBR載體獲得必要的PRBs，以滿足其費(fèi)率要求。然后，PS可以根據(jù)其5 QI值將剩余的PRB分配給NonGBR承載。5 QI是一個(gè)標(biāo)量，它根據(jù)PS要強(qiáng)制執(zhí)行的優(yōu)先級(jí)級(jí)別來定義特定的QoS特征。因此，為了確定PRBs是如何由PS分配的，讓我們假設(shè)，在將PRBs分配給GBR載體后，有N個(gè)可用的prb必須分布在k個(gè)非GBR載體之間，φi是基于切片中的5G QI的第i個(gè)承載的優(yōu)先級(jí)。然后，將被分配給第i個(gè)無線電承載的PRBs的平均數(shù)量和計(jì)算在切片s中分配給第i個(gè)非GBR服務(wù)的PRBs的公式為：

(3)

1.3 場景設(shè)計(jì)

考慮一個(gè)操作場景，其中NG-RAN用于向普通公眾提供CO服務(wù)和為PS組織提供MC服務(wù)。商業(yè)服務(wù)包括兩種不同的用戶服務(wù)，高級(jí)服務(wù)和基本服務(wù)。每個(gè)服務(wù)都包括一個(gè)GBR視頻服務(wù)和一個(gè)非GBR數(shù)據(jù)服務(wù)。高級(jí)視頻服務(wù)將提供高的數(shù)據(jù)質(zhì)量，而基本視頻服務(wù)將提供共同的數(shù)據(jù)質(zhì)量。MC服務(wù)包括兩個(gè)GBR服務(wù)和一個(gè)非GBR服務(wù)，它們分別被稱為MCVideo、MCPTT和MC數(shù)據(jù)服務(wù)。表1包含了這些服務(wù)的QoS參數(shù)特征：承載類型、5 QI(φ)、GFBR以及流量組合。

表1 每個(gè)RAN切片的服務(wù)

根據(jù)表2中所示的參數(shù)來考慮一個(gè)NG-RAN部署。該部署假設(shè)一個(gè)gNB的單個(gè)單元配置帶寬為100 MHz，平均單元容量為336 Mb/s(信道帶寬和平均的乘積)，頻譜效率通過模擬得到3.36 b/s/Hz。本次研究，我們只考慮下行鏈接的方向。

表2 小區(qū)部署和流量建模

表3 切片配置表

3 實(shí)驗(yàn)與分析

本次使用Matlab作為模擬工具，并在本節(jié)中提供了兩種配置的模擬結(jié)果。對(duì)于ARP配置，在MC視頻服務(wù)中設(shè)置不同的ARP值，以比較不同的優(yōu)先級(jí)對(duì)資源分配的影響。

3.1 GRB業(yè)務(wù)

用于評(píng)估GBR業(yè)務(wù)性能的主要關(guān)鍵性能指標(biāo)(KPI)是阻塞率，它被計(jì)算為被RAC拒絕的GBR/DRB請(qǐng)求的百分比。圖2顯示了Premium視頻、Basic視頻和MC視頻服務(wù)的阻塞率。阻塞率值是從5次模擬中獲得的，每次模擬持續(xù)20 000秒(觀察到計(jì)算值的標(biāo)準(zhǔn)偏差低于5%)。過載指數(shù)設(shè)置在0.5≤ρco,ρmc≤2這個(gè)范圍內(nèi)，所有服務(wù)使用的ARP值都是表1中提供的，除了MC視頻服務(wù)有兩種不同的設(shè)置：2(默認(rèn)，如表1中設(shè)置)和1(最高優(yōu)先級(jí))。為了圖2便于閱讀，阻塞率值用深灰色表示10%以上的速率，淺灰色表示5%～10%之間的速率，淡灰色表示2%～5%之間的值，當(dāng)阻塞率低于2%時(shí)，用白色表示。

圖2 (a)Premium視頻服務(wù)、(b)Basic視頻服務(wù)、不同配置的(c)MC視頻服務(wù)的屏蔽率

圖2顯示了兩種切片配置和MC視頻服務(wù)所考慮的不同ARP值的結(jié)果。正如預(yù)期，當(dāng)過載指數(shù)低于計(jì)劃(ρco<1和ρmc<1)時(shí)，阻塞率較低。但當(dāng)任何一個(gè)服務(wù)組出現(xiàn)超載的情況下(ρco>1或ρmc>1)，阻塞率顯示出增長的趨勢(shì)?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)過載指數(shù)低于1時(shí)，CO/MC服務(wù)的阻塞率保持在較低的水平，并且隨著過載指數(shù)的增加，阻塞率呈上升趨勢(shì)。當(dāng)考慮用MC視頻ARP=2作為基準(zhǔn)來切片配置#1。例如，當(dāng)兩種服務(wù)的過載索引都小于1時(shí)，Premium視頻服務(wù)和MC視頻服務(wù)在阻塞率上有相似的變化。這是因?yàn)镸C和Premium視頻被RAC同等對(duì)待，而不考慮負(fù)載失衡。但當(dāng)這兩個(gè)過載索引都超過1時(shí)，這意味著無線側(cè)接入承載的PRB將達(dá)到飽和，因此阻塞率急劇增加。而Basic視頻的阻塞率在這3個(gè)服務(wù)中是最高的，因?yàn)樗膬?yōu)先級(jí)最低。

現(xiàn)在對(duì)比切片配置#1與MC視頻ARP=1這種情況，前者中Premium視頻的阻塞率高于后者，因?yàn)镸C視頻的優(yōu)先級(jí)大于Premium視頻，所以ARP配置#2中Premium視頻服務(wù)的擁塞和拒絕概率高于ARP配置#1。與此同時(shí)，隨著MC視頻阻塞率降低，Premium和Basic視頻服務(wù)的阻塞率略有上升，這是因?yàn)楦嗟腜RBs分配給了MC視頻服務(wù)少量PRBs給Premium和Basic視頻服務(wù)。

由于切片配置#2與MCARP=1對(duì)所有服務(wù)都有類似的性能，因此，我們只分析切片配置#2，ARP配置#2。通過Premium和basic視頻服務(wù)，我們可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)MC的過載指數(shù)從0.5增加到1.5并且CO過載指數(shù)低于1時(shí)，阻塞率較低低，所以顏色用綠色表示。但對(duì)于MC視頻服務(wù)則相反，因?yàn)榍衅渲迷?L3 的 RAN 切片中有所區(qū)分，在CO切片中的GBRs、DRBs配置45%PRBs的整體準(zhǔn)入控制，GBRs、DRBs的25%PRBs將被分配給MC切片。因此，Premium和Basic視頻服務(wù)的過載不會(huì)影響MC視頻服務(wù)，反之亦然，這個(gè)結(jié)果說明了切片被成功地分離出來。比較切片配置#2、ARP配置#2與切片配置#1、ARP配置#2和基準(zhǔn)解決方案，我們可以發(fā)現(xiàn)過載情況下MC視頻服務(wù)的前阻塞率高于后者，盡管ARP值相同。原因是在RAN切片隔離條件下，優(yōu)先化機(jī)制的行為對(duì)性能的影響較小。

3.2 NOn-GRB 業(yè)務(wù)

Non-GBR業(yè)務(wù)是使用在向GBR業(yè)務(wù)執(zhí)行PRB分配后可用的PRB。因此，Non-GBR業(yè)務(wù)的KPI是獲得的平均吞吐量。圖3顯示了RAN切片1中的Premium and Basic流量業(yè)務(wù)以及RAN切片2中的MC流量業(yè)務(wù)的平均吞吐量。仿真時(shí)采用是基于MC視頻ARP值等于2這種情況。從5次模擬中獲得的平均吞吐量，每個(gè)模擬持續(xù)20 000秒(計(jì)算值的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于4.5 MB/s)。我們將切片配置#1設(shè)置為基準(zhǔn)解決方案，正如預(yù)期的那樣，當(dāng)過載指數(shù)低于1時(shí)，吞吐量較高，但當(dāng)任何一組服務(wù)有增長趨勢(shì)時(shí)，吞吐量會(huì)下降。出現(xiàn)這種情況有兩個(gè)主要原因，一個(gè)是負(fù)載增加帶來的GBR會(huì)話數(shù)量的增加，這將導(dǎo)致留下更少的prb可用Non-GBR業(yè)務(wù)，另一個(gè)是Non-GBR會(huì)話將增加當(dāng)負(fù)載加大。因此，可用的 PRB 將分布在許多無線承載中。

圖3 具有不同配置的Premium業(yè)務(wù)、Basic業(yè)務(wù)和MC業(yè)務(wù)的吞吐量

從圖3中可以看出，當(dāng)兩個(gè)用戶(CO和MC)的過載指數(shù)都遠(yuǎn)高于1時(shí)，這3種服務(wù)的吞吐量都接近于5 MB/s。讓我們來看圖(a)、(b)、(c)的服務(wù)，隨著過載指數(shù)的降低，吞吐量呈上升趨勢(shì)。例如，當(dāng)CO和MC的過載指數(shù)均為0.5時(shí)，獲得的吞吐量分別約為24 MB/s、20 MB/s和25 MB/s，可以看出，從兩個(gè)用戶的低過載指數(shù)中可以得到最高的值。然而，與圖(a)和(b)相比，圖(c)的吞吐量最高，因?yàn)閳D(c)的5 QI值在這3個(gè)服務(wù)中最低(最高優(yōu)先級(jí))。從圖(d)，我們可以發(fā)現(xiàn)吞吐量的趨勢(shì)急劇下降，曲線的距離接近圖(a)相比，原因是使用切片技術(shù)可以很好地隔離用戶，和MC過載指數(shù)的變化不會(huì)影響公司服務(wù)的性能，這種情況同樣適用于Fig.(b)和(e)。對(duì)于圖(f)，與圖(c)相比，MC業(yè)務(wù)吞吐量平穩(wěn)變化超過1，由于切片技術(shù)至少保證MC。

4 結(jié)束語

此次研究建立了結(jié)合優(yōu)先級(jí)和5G無線電接入網(wǎng)(RAN)中參數(shù)化不同的切片的資源分配方法，該方法支持無線電資源分配的底層無線電資源管理(RRM)功能的操作從而為每種類型的服務(wù)建立無線電負(fù)載保證。通過Matlab軟件仿真實(shí)驗(yàn)表明與僅依賴于優(yōu)先級(jí)機(jī)制的解決方案相比切片配置在流量隔離方面得到了改進(jìn)。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)為解決對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量、速率等方面存在的需求和問題提供了強(qiáng)有力的保證。在公共保護(hù)和救援時(shí)通信的穩(wěn)定性得到了進(jìn)一步的保障，該方法在公共保護(hù)和救援通信部署具有廣泛的應(yīng)用前景。