車聯網中網絡切片資源分配方案*

李 悅，任春莉，章國安

(南通大學 信息科學技術學院，江蘇 南通226019)

0 引 言

作為第五代移動通信關鍵技術之一，網絡切片技術旨在對現有物理網絡進行劃分，形成多個獨立的邏輯網絡，為差異化業(yè)務提供定制化的服務。5G商用促進了車聯網的快速發(fā)展，帶來了更多的車聯網業(yè)務，包括交通安全類業(yè)務和信息娛樂類業(yè)務，從而導致了多樣化的服務質量(Quality of Service,QoS)要求[1]。因此，將網絡切片技術引入車聯網，可以更好地支持不同的車聯網應用案例。

目前，已經有很多工作對網絡切片及資源分配問題進行了研究。文獻[2]考慮兩種5G通用業(yè)務，提出了一種基于離線強化學習和低復雜度啟發(fā)式算法的隨機切片方案，在可達數據速率和時延等方面提升了網絡性能。文獻[3]利用聚類算法對高相似度的車聯網業(yè)務進行聚類并映射到相應切片中，提出了共享比例公平的切片調度方案，在平均比特傳輸時延方面比靜態(tài)方案具有更高的性能。文獻[4]為通信服務提供商(Communication Service Provider,CSP)提出了一種新的“切片即服務”框架，考慮租戶的切片請求對CSP的網絡的影響，提出了一種聯合準入控制機制。文獻[5]考慮車輛應用的優(yōu)先級，提出了一種基于替代凹搜索算法的帶寬預留和切片分配方案，在網絡資源利用率方面優(yōu)于傳統(tǒng)的切片分配方案?？紤]到異構云無線接入網中存在前向鏈路受限的問題，文獻[6]提出了一種基于干擾閾值的設備到設備多用戶分簇方案，通過聯合優(yōu)化信道和功率資源，有效提高了系統(tǒng)頻譜利用率。文獻[7]考慮無線設備電池容量的限制，在保證QoS要求的前提下，研究無線功率后向散射通信網絡中聯合計算卸載和無線資源分配問題，提出了一種基于迭代的資源分配算法，有效降低了系統(tǒng)總能耗。文獻[8]則對5G異構網絡的定義及不同場景進行了介紹，并對5G異構網絡中的資源分配算法進行了全面的調查總結，討論了現有挑戰(zhàn)及未來的研究趨勢。

考慮通信流量到達的隨機性，引入緩沖隊列模型，文獻[9]研究了不同無線服務總成本最小化問題，提出了長時間尺度的帶寬切片算法，以及短時間尺度的設備調度、功率控制和視頻質量決策，降低了服務成本，提高了時延性能。文獻[10]考慮多種服務的QoS要求，提出了一種聯合資源分配和功率控制的在線網絡切片調度策略，與不考慮部分約束條件的方案相比，提高了系統(tǒng)的時延性能。文獻[11]應用基于網絡切片的聚類算法將車輛劃分為多個邏輯網絡，提出了一種聯合視頻質量選擇和資源分配技術，確保了更高的視頻質量體驗。

上述文獻雖然考慮了流量到達的隨機性，卻忽略了當數據到達量過大時通信鏈路數據隊列過長而導致網絡擁塞的情況。因此，本文在將車聯網劃分為安全服務切片和信息娛樂服務切片的基礎上，考慮信息娛樂服務切片的隨機數據量到達過大的情況，對接入的數據量進行控制，在保證各切片QoS要求的前提下，以最大化信息娛樂服務切片的平均和吞吐量為目標，提出一種功率控制和資源分配方案。

1 系統(tǒng)模型與問題建模

1.1 系統(tǒng)模型

本文考慮如圖1所示的車聯網場景，由基站(Base Station，BS)和道路車輛構成。設定的車輛通信網絡被劃分為兩個網絡切片，分別用切片1和切片2表示。其中，切片1為車輛提供交通安全類業(yè)務，此類業(yè)務要求低時延和高可靠性，切片1中的車輛采用車輛到車輛(Vehicle to Vehicle,V2V)通信方式；切片2為車輛提供車載信息娛樂類業(yè)務，要求高傳輸速率，切片2中的車輛采用車輛到基礎設施(Vehicle to Infrastructure,V2I)通信方式。

圖1 系統(tǒng)模型

令n∈N表示切片1所服務的V2V車輛對，其中N={1,2,…,N}是對應所有V2V車輛對的集合。令m∈M表示切片2所服務的車輛，其中M={1,2,…,M}是對應所有車輛的集合。令k∈K表示網絡中的資源塊(Resource Block,RB)，其中K={1,2,…,K}是所有RB的集合，每個RB的帶寬為B0?？紤]系統(tǒng)以時隙的模式運行，每個時隙t∈{0,1,2,…,T-1}的持續(xù)時間為τ。二元變量an,k(t)∈{0,1}和am,k(t)∈{0,1}為網絡中RB的分配指示符。若第k個RB在時隙t上分配給第n個V2V車輛對，則an,k(t)=1，否則an,k(t)=0。am,k(t)與之同理。為了保證切片之間相互隔離，兩個切片不能同時使用同一個RB。設定的網絡利用正交頻分多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)技術為車輛提供上行傳輸服務，每個切片中的RB相互正交，故資源分配約束如下式所示：

(1)

對于切片1和切片2中任意的V2V車輛對n和車輛m，它們的傳輸速率分別可以表示為

(2)

(3)

式中：pn,k(t)和pm,k(t)分別表示在時隙t上V2V車輛對n和車輛m在RB k上的發(fā)射功率；hn,k(t)和hm,k(t)則分別表示V2V車輛對n之間和車輛m到BS的傳輸信道增益；N0為噪聲功率譜密度。為了保證切片2的最低速率rm,min要求，所有車輛m在時隙t上的傳輸速率需滿足以下約束：

rm(t)≥rm,min。

(4)

考慮流量到達的隨機性，分別為V2V車輛對n和車輛m構建隊列模型，Qn(t)和Qm(t)表示隊列長度。令An(t)和Am(t)分別表示V2V車輛對n和車輛m在時隙t的隨機數據到達量，An(t)和Am(t)在不同時隙獨立同分布，E{An(t)}=λn，E{Am(t)}=λm，λn和λm為平均數據到達量。令Rm(t)表示車輛m在時隙t上接入的數據量，則數據隊列長度Qn(t)和Qm(t)的更新過程如下：

Qn(t+1)=max{Qn(t)-rn(t)τ,0}+An(t)，

(5)

Qm(t+1)=max{Qm(t)-rm(t)τ,0}+Rm(t)。

(6)

式中：Rm(t)在每個時隙t需滿足0≤Rm(t)≤Am(t)。當所有V2V車輛對n和車輛m的隊列都滿足式(7)和式(8)的條件時，網絡是穩(wěn)定的[12]。

(7)

(8)

當網絡穩(wěn)定時，根據Little定理可知[13]，平均等待時延和平均隊列長度成正比。對于V2V車輛對n而言，當數據隊列長度超過閾值時數據將被丟棄，從而導致通信的不可靠問題。因此，切片1的時延和可靠性約束可以表述為[14]

(9)

式中：qn為隊列長度閾值；ε為允許隊列長度超過閾值的最大概率。

此外，當網絡穩(wěn)定時，平均和吞吐量可以由接入的數據量得到。因此，切片2的平均和吞吐量表示如下：

(10)

1.2 問題建模

令R={Rm(t),m∈M}表示切片2中所有車輛的接入數據量的向量，a={an,k(t),am,k(t),n∈N,m∈M,k∈K}和p={pn,k(t),pm,k(t),n∈N,m∈M,k∈K}分別表示RB分配和功率控制向量。為了最大化切片2的平均和吞吐量，構建隨機優(yōu)化問題的數學模型如下：

(11a)

(11b)

(11c)

(11d)

C4:rm(t)≥rm,min,?m∈M;

(11e)

C5:0≤Rm(t)≤Am(t),?m∈M;

(11f)

(11g)

(11h)

(11i)

C9:an,k(t),am,k(t)∈{0,1},?m∈M,n∈N,k∈K。

(11j)

式中：Pn,max和Pm,max分別為V2V車輛對n和車輛m的最大發(fā)射功率；C1和C2保證了網絡的穩(wěn)定性；C3是切片1的時延和可靠性約束；C4使得車輛m的傳輸速率滿足其最低速率要求；C5約束切片2的接入數據量，使其不超過到達的數據量；C6和C7分別限制V2V車輛對n和車輛m的發(fā)射功率不超過其功率閾值;C8和C9為RB分配約束。

2 問題轉換與求解

2.1 問題轉換

對于約束條件C3，可以借助Markov不等式來對其進行處理。

定義1如果X為非負隨機變量且a>0，則Pr{X≥a}≤E[X]/a。

Hn(t+1)=max{Hn(t)+λn-εqn-rn(t)τ,0}。

(12)

令Θ(t)={Qn(t),Qm(t),Hn(t),n∈N,m∈M}表示實際隊列和虛擬隊列的向量，利用Lyapunov優(yōu)化技術處理C1、C2和C3，則Lyapunov函數[12]的表達式定義如下：

(13)

L(Θ(t))表示隊列擁塞程度，其越大則隊列長度越大。Lyapunov偏移的表達式為

Δ(Θ(t))=E{L(Θ(t+1))-L(Θ(t))|Θ(t)}，

(14)

其表示一個時隙上Lyapunov函數的預期變化。因此，優(yōu)化問題的偏移與加權代價函數定義如下：

(15)

式中：V≥0是引入的控制參數，表示與隊列穩(wěn)定性相比最大化切片2平均和吞吐量的重要程度。

引理1在時隙t，對于任意的隊列狀態(tài)和任意的分配策略，F(Θ(t))存在上限[12]，即

(16)

式中：B為有限常數。

根據Lyapunov優(yōu)化理論，可以通過最小化F(Θ(t))的上限來獲得良好的分配策略。因此，優(yōu)化問題可以轉換為

(17a)

s.t.C1:rm(t)≥rm,min,?m∈M;

(17b)

C2:0≤Rm(t)≤Am(t),?m∈M;

(17c)

(17d)

(17e)

(17f)

C6:an,k(t),am,k(t)∈{0,1},?m∈M,n∈N,k∈K。

(17g)

2.2 問題求解

轉換后的優(yōu)化問題(17)可以分解為下面兩個子問題。

(1)接入控制

(18a)

s.t.0≤Rm(t)≤Am(t),?m∈M。

(18b)

問題(18)是一個簡單的線性規(guī)劃問題，具有以下最優(yōu)解：

(19)

(2)RB分配與功率控制

(20a)

(20b)

(20c)

(20d)

(20e)

C5:an,k(t),am,k(t)∈[0,1],?n∈N,m∈M,k∈K。

(20f)

利用拉格朗日對偶分解對該優(yōu)化問題進行求解。問題(20)的拉格朗日函數表達式如下：

(21)

式中：λ、μ、θ為拉格朗日乘子向量。利用KKT條件[15]可得，當RBk分配給V2V對n或車輛m時，功率分配策略如下：

(22)

(23)

(24)

(25)

式中：

(26)

μmpm,k(t)。

(27)

根據兩個子問題的求解，所提資源分配方案可用圖2所示的流程圖表示。

圖2 所提資源分配方案流程圖

3 仿真分析

本文使用Matlab仿真軟件進行仿真分析，考慮高速公路應用場景，一條6車道高速公路穿過單個小區(qū)，小區(qū)半徑為500 m，BS位于小區(qū)的中心。仿真參數參考文獻[16-19]進行設置，參數匯總于表1。

表1 仿真參數設置

圖3顯示了平均隊列長度Qavg與時隙t的關系。從圖中可以看出，平均隊列長度隨著時隙的增加而增加，并逐漸趨于穩(wěn)定。此外，更大的控制參數V將導致平均隊列長度更大。這是因為V越大，表明最大化切片2的平均和吞吐量更加重要，從而致使隊列長度更大。

圖3 平均隊列長度與時隙t的關系

圖4 平均和吞吐量與控制參數V的關系

圖5 平均隊列長度與控制參數V的關系

圖6 切片1平均隊列長度和切片2平均和吞吐量與λn和λm的關系

圖7 平均和速率以及平均等待時延與車速的關系

圖8 不同方案的平均和速率對比

圖9 不同方案的平均等待時延對比

4 結束語

本文研究了車聯網中基于網絡切片的聯合接入數據量控制的RB分配和功率控制問題。所提資源分配方案在保證每個切片QoS的前提下，最大化信息娛樂服務切片的平均和吞吐量。通過分析可知吞吐量和時延之間存在一個權衡，可以根據實際需求選取合適的控制參數V。此外，已有方案進行的比較結果表明，本文方案具有更好的時延性能，對車聯網切片部署具有一定的參考價值。在未來的工作中，將進一步考慮車輛密度的變化，以期實現更靈活的切片方案。