李 紅，孫三山,2，周朝榮，李 李

(1.四川師范大學 物理與電子工程學院，成都 610101；2.通信抗干擾技術國家級重點實驗室 電子科技大學， 成都 611731)

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)等新型應用的出現(xiàn)和快速發(fā)展，現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡在系統(tǒng)容量、傳輸速率和可靠性等方面已無法滿足用戶日益增長的通信需求。第五代移動通信(the fifth generation, 5G)系統(tǒng)憑借超高的頻效和能效，以及靈活的網(wǎng)絡組織結構，逐漸成為能夠解決上述問題的新一代技術規(guī)范。借助網(wǎng)絡功能虛擬化(network function virtualization, NFV)和軟件定義網(wǎng)(software defined network, SDN)技術，5G系統(tǒng)中將通用的物理資源抽象成虛擬資源，然后利用核心控制器根據(jù)特定的業(yè)務需求進行資源的剪裁和編排[1]，從而構建出多個定制化的虛擬網(wǎng)絡切片，讓用戶通過slice ID搜索并接入不同的網(wǎng)絡切片以享用獨立的網(wǎng)絡服務[2]。根據(jù)切片在網(wǎng)絡中的作用位置，可以將網(wǎng)絡切片分為頻譜層級、基礎設施層級和網(wǎng)絡層級3種[3]。頻譜層級是將頻譜資源按照時間、空間和頻率的復用原則進行切片劃分，是切片應用的最低層級。文獻[4-5]中提出了頻譜層級中基于資源塊的分配和調(diào)度方案?；A設施層級主要是將無線側(cè)物理網(wǎng)元(如天線、處理器等)進行切片劃分。文獻[6]提出將物理網(wǎng)元組成資源池，然后再對其切片化來實現(xiàn)物理基礎設施的共享。文獻[7]則考慮將物理網(wǎng)元按照網(wǎng)絡中的位置層級來進行切片劃分，每個切片以云的形式將該層級的物理網(wǎng)元組織起來。網(wǎng)絡層級是將整個網(wǎng)絡基礎設施(包含交換設備和各類服務器上的所有資源)整合成一系列的獨立切片，每個切片都能承擔完整的網(wǎng)絡功能，是切片應用的最高層級。文獻[8-9]以最大化系統(tǒng)資源利用率為設計目標，提出了基于流量預測的切片分配和調(diào)度方案，從而使得整個網(wǎng)絡資源能夠根據(jù)用戶的業(yè)務流量變化動態(tài)地在各個網(wǎng)絡切片中流轉(zhuǎn)。而網(wǎng)絡切片接入和選擇方面的研究則主要集中在網(wǎng)絡側(cè)的資源重新配備。文獻[10]在用戶接入網(wǎng)絡切片時考慮降低用戶的接入延遲，并提出了基于設備觸發(fā)的切片接入方案。文獻[11]確定了用戶在進行切片選擇時，各個切片間的協(xié)商機制。文獻[12]研究了同一用戶的不同業(yè)務在接入不同切片時的內(nèi)部資源分配。與已有網(wǎng)絡切片的研究不同的是，本文主要關注用戶在服務過程中由于移動性而導致的切片重新接入問題。事實上，5G系統(tǒng)中的一個網(wǎng)絡切片雖然可以看作獨立的虛擬網(wǎng)絡為用戶提供服務，但同屬一個網(wǎng)絡運營商的用戶卻會因為業(yè)務QoS的不同而被分派到不同的網(wǎng)絡切片中。而不同網(wǎng)絡切片的服務范圍則取決于它所占用資源的物理基站的覆蓋范圍。當正在接受某一網(wǎng)絡切片服務的用戶由于移動性而遠離該切片所屬的物理基站并靠近新的一個物理基站時，仍然會發(fā)生越區(qū)切換[13]。但在網(wǎng)絡切片應用場景下，這個新的物理基站的資源可能沒有被整合到用戶原有的網(wǎng)絡切片，于是用戶需要接入一個新的網(wǎng)絡切片以獲得服務。因此，解決用戶移動性導致的切片重新接入，保證用戶良好的服務接續(xù)，是網(wǎng)絡切片應用時必須解決的問題。它不僅關系用戶的業(yè)務體驗，也會對整個網(wǎng)絡的網(wǎng)絡切片部署和資源利用效率產(chǎn)生影響。3GPP雖然在它的技術草案中確認了這一問題[14]，但并未提出具體的實現(xiàn)標準，相應的研究成果也還未出現(xiàn)。

為了使越區(qū)切換的用戶在重新接入切片時盡可能地選擇網(wǎng)絡中已構建好的切片，減小重構切片的時間成本對用戶服務體驗的影響，本文設計了基于系統(tǒng)吞吐量最大化的用戶切換機制來解決切片重新接入問題。

1 系統(tǒng)模型

本文考慮一個通用的異構網(wǎng)絡場景，如圖1所示，網(wǎng)絡中包含有宏基站(macro base station, MBS)、微微基站(pico base station, PBS)和毫微微基站(femto base station, FBS)，它們作為網(wǎng)絡接入點(access point, AP)為用戶提供服務。此外，網(wǎng)絡已在初始化階段完成了切片的構建，具有相同QoS保證的業(yè)務會被分配到相同的一個切片上。所以網(wǎng)絡中的切片類型指的是該切片所接納的業(yè)務類型，切片的個數(shù)就是不同業(yè)務類型的個數(shù)。由于網(wǎng)絡業(yè)務類型的多樣性，AP上的物理資源承載了多個不同QoS業(yè)務類型的切片，且各類切片所分得的帶寬和最大接納用戶數(shù)各不相同。而不同AP由于業(yè)務類型和覆蓋范圍的不同，切片部署方案也不一樣，即相鄰AP上所包含的切片類型可能有所差異。當用戶處于某個AP的覆蓋范圍內(nèi)，且該AP上所部署的網(wǎng)絡切片包括用戶所請求的切片類型時，這個AP就會為該用戶提供服務。

圖1 系統(tǒng)模型Fig.1 System model

假設整個網(wǎng)絡根據(jù)以往的用戶業(yè)務需求，共部署了N個QoS等級的切片類型，每類切片的QoS服務等級用Sn來表示，n∈{1,2,…,N}，則每個用戶可將Sn設為某一類服務的slice ID，然后由此找到相應的切片進行接入。同時，假設這些切片的QoS服務等級有高低之分，按照S1

2 吞吐量最大化的用戶切換機制

由于用戶的越區(qū)切換具有很強的隨機性，且持續(xù)時間較短，臨時構建新的網(wǎng)絡切片來響應用戶的切換請求，將會嚴重影響網(wǎng)絡的資源分配效率。因此，本文的機制設計中認為用戶越區(qū)切換時優(yōu)先接入已構建好的網(wǎng)絡切片。

2.1 機制設計

假設某時刻共有J個用戶發(fā)生越區(qū)切換，第j個用戶當前服務的slice ID為Sn(j),n∈{1,2,…,N}。在該用戶的K個備選AP中，第k個AP部署的切片集合RAP-k中有任意的一類切片Sm(k)，m∈{1,2,…,M}，而M=sizeof(RAP-k)，其對應的帶寬為Bm(k)。當?shù)趈個用戶接入第k個AP的第m個切片時，用戶的速率大小與該接入點已接納用戶數(shù)和所分配的帶寬資源比例有關。文獻[15]表明，當所有接入的用戶均勻分配資源時，系統(tǒng)的資源利用率最大。所以，第j個用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率為

(1)

為了使越區(qū)的用戶在進行切片重新選擇時，最大化地利用切片資源，本文以最大化系統(tǒng)吞吐量為優(yōu)化目標，目標函數(shù)表示為

(2)

約束條件為

?xjk(m)=1

(3)

Sm(k)≥Sn(j)

(4)

cjk(m)≥rj,j∈J,k∈K,m∈M

(5)

(6)

(2)式中，xjk(m)是一個二元變量，表示第j個用戶是否選擇接入第k個AP的第m個切片，所以，xjk(m)∈{0,1}且xjk(m)=1時，表示接入切片。約束條件(3)式表示一個用戶只允許同時接入一個切片，約束條件(4)式表示用戶所接入切片的QoS服務等級應大于等于原服務切片，約束條件(5)式表示用戶接入切片后的數(shù)據(jù)速率應大于等于其本身業(yè)務的最低速率要求rj，約束條件(6)式表示待接入切片所能接納的用戶數(shù)應該小于等于在執(zhí)行接入允許前的剩余用戶數(shù)um(k)。

2.2 算法設計

由于(2)式所示的目標函數(shù)的優(yōu)化變量xjk(m)是一個0/1二元變量，且函數(shù)形式是一個標準的線性求和，所以基于吞吐量最大化的用戶關聯(lián)是一個0/1背包問題，常用的求解方法有動態(tài)規(guī)劃和貪心算法[16]。動態(tài)規(guī)劃算法的核心思想是自底向上地將待求解問題分解為若干個獨立的子問題，然后由這些子問題的解得到原問題的解，其算法復雜度取決于可選擇數(shù)目和子問題數(shù)目。貪心算法主要采用自頂向下的思想，總在當前時刻做出滿足優(yōu)化目標的選擇，其算法復雜度取決于可選擇數(shù)目。

由于每個用戶的備選接入點上的切片類型和最低速率要求各不相同，所以原問題不具有嚴格的最優(yōu)子結構，也就難以用動態(tài)規(guī)劃求得最優(yōu)解。加之隨著網(wǎng)絡規(guī)模的擴大，算法復雜度是決定執(zhí)行用戶切換機制的一個關鍵因素。因此，選擇了算法復雜度相對較低的貪心算法對問題進行求解。具體實現(xiàn)的用戶切換機制算法流程如圖2所示。

圖2 算法流程Fig.2 Algorithm flowchart

基于吞吐量最大化的用戶切換算法的核心思想如下。

1)由于終端用戶具有移動性，該用戶可能逐漸遠離原AP。若原AP檢測到該用戶的信號強度已低于某一門限值時，那么該用戶會被篩選出來，作為越區(qū)切換用戶；

2)將越區(qū)切換用戶接收到的高于SINR閾值的AP都作為切換備選AP，生成越區(qū)切換用戶的策略選擇空間；

3)需要進行越區(qū)切換的用戶依次根據(jù)備選AP上的切片類型和每類切片的剩余接納用戶數(shù)進行貪婪的接入篩選，選擇能為自己提供最大數(shù)據(jù)傳輸速率的切片接入；

4)如果根據(jù)貪心算法得到的接入結果能夠保證用戶最低QoS，則用戶切換成功，否則失敗。

算法代碼如下。

for 越區(qū)請求用戶集合Jdo

找出該用戶的切片類型Sn(j)

for 備選AP集合K do

ifSn(j)≤Sm(k)&&um(k)>0 then

根據(jù)(1)式計算傳輸速率cjk(m)

end if

end for

求出速率最大值max(c(j,:))

if max(c(j,:))≥rjthen

用戶接入成功

else

用戶接入失敗

end if

end for

2.3 機制實現(xiàn)

為了在實際的切片網(wǎng)絡中實現(xiàn)最大化系統(tǒng)吞吐量的用戶切換，本節(jié)提出了相應的實施流程。文獻[17]中提出了5G網(wǎng)絡切片代理的概念，并認為在3GPP未來的網(wǎng)絡架構下，網(wǎng)絡切片代理能夠?qū)崿F(xiàn)物理資源的集中分配、接入基站的集中控制，以及移動終端切片請求的集中處理等。所以本文提出的用戶切換算法考慮部署在網(wǎng)絡切片代理模塊中，為需要越區(qū)切換的終端用戶進行切片選擇的決策處理。

圖3展示了機制具體的實施流程，步驟如下。

步驟1原AP周期性地收集它所服務用戶上報的數(shù)據(jù)信息，這些信息包括位置信息、當前信號強度、服務切片類型、最低QoS速率保證等；

步驟2原AP可以從已收集的信息中篩選出即將進行越區(qū)切換的用戶，并將相應信息上報給網(wǎng)絡切片代理；

步驟3網(wǎng)絡切片代理模塊根據(jù)上報的用戶數(shù)據(jù)信息和已存儲的AP切片部署方案，執(zhí)行系統(tǒng)吞吐量最大化的切換算法，為用戶做出切換決策，找到適合該用戶的目標AP；

步驟4網(wǎng)絡切片代理給目標AP發(fā)起接入請求，目標AP收到請求后會給代理返回確認請求信號；

步驟5網(wǎng)絡切片代理將得到的切換決策結果發(fā)送給原AP；

步驟6原AP也會將切換決策結果發(fā)送給需要切換的用戶，用戶成功接入目標AP，整個切換過程完成。

圖3 機制實現(xiàn)流程Fig.3 Mechanism implementation

3 仿真結果與分析

3.1 仿真系統(tǒng)參數(shù)設置

為了驗證最大化系統(tǒng)吞吐量的用戶切換機制的有效性，選取了用戶切換時常用的接入準則，即功率接入、負載接入和隨機接入3種方案進行對比分析。功率接入指的是切換用戶選擇接收功率最大的站點進行接入。負載接入指的是切換用戶按照負載均衡的原則平均接入到備選站點。而隨機接入則將切換用戶隨機分配到備選站點進行接入。在仿真系統(tǒng)中，設置網(wǎng)絡中的AP個數(shù)K=20，其中，基站類型和位置隨機分配，但只包含宏基站、微基站和毫微微基站3種，各自的發(fā)射功率分別為PMBS=40 W，PPBS=0.25 W，PFBS=0.1 W[15]。出于計算的簡便，將AP的總干擾I和單位帶寬噪聲功率N0均設為常數(shù)，取值如表1所示。為了研究網(wǎng)絡中切片類型個數(shù)N和切換用戶數(shù)J對切換結果的影響，這2個參數(shù)在不同的仿真條件下取值會發(fā)生變化。

3.2 用戶個數(shù)對切換結果的影響

在此部分的仿真條件中，設置網(wǎng)絡切片類型數(shù)目N=4，改變越區(qū)切換用戶個數(shù)，研究越區(qū)切換用戶個數(shù)對切換結果的影響。

不同接入方案的切換成功率隨用戶數(shù)變化曲線如圖4所示，在切換成功率方面，基于吞吐量最大化的切片接入方案中優(yōu)于其他3種接入方案。同時，隨著發(fā)生切換的用戶個數(shù)逐漸增加，吞吐量接入方案雖然呈現(xiàn)出切換成功率降低的趨勢，但其值始終維持在83%以上。而其他3種方案中，功率接入方案和負載接入方案的切換成功率隨用戶數(shù)的增加波動不大，分別維持在30%和17%左右。而隨機接入方案的切換成功率則從最初的30%下降到10%。通過分析發(fā)現(xiàn)，由于系統(tǒng)中的各個AP在初始化時切片類型是隨機分配(即每個AP上的切片類型可以是網(wǎng)絡4種切片類型中的一個或多個)，所以功率接入方案并不能保證接收功率較大的接入點一定具有與用戶匹配的切片類型，其切換成功率始終維持在30%左右。類似地，負載接入方案雖然平衡了各AP的業(yè)務負荷，但也難保證具有用戶匹配的切片類型。隨機接入方案雖然能夠保證用戶接入AP，但接入的站點可能無法提供合適的切片服務等級，所以從業(yè)務的角度上看，服務中斷就是切換失敗，切換成功率相應就會降低，而且會隨著用戶數(shù)目的增加而顯著下降。而基于吞吐量的接入方案會先篩選出與用戶匹配的基站，然后再選擇數(shù)據(jù)傳輸速率最大的切片接入，這樣會大大增加用戶切換的成功率。只是由于用戶增加，可用的切片資源會下降，所以，切換成功率會有所下降。

圖4 不同接入方案的切換成功率隨用戶數(shù)變化曲線Fig.4 Handover success ratio versus number of users of different handover schemes

不同接入方案的系統(tǒng)吞吐量隨用戶數(shù)變化曲線如圖5所示，在系統(tǒng)吞吐量方面，基于吞吐量最大化的切片接入方案優(yōu)于其他3種接入方案。隨著發(fā)生切換的用戶數(shù)目增加，各方案的系統(tǒng)吞吐量都逐漸增加且增速變緩。但吞吐量接入方案的系統(tǒng)吞吐量始終高于其他接入方案，且增長變化更快。通過分析可得，隨著切換用戶數(shù)的增加，越來越多的用戶成功切換，系統(tǒng)吞吐量必然增加。但系統(tǒng)的剩余資源同時也逐漸變少，切換成功率出現(xiàn)降低，新成功接入的用戶速率對系統(tǒng)吞吐量增長的貢獻就會降低。而其他3種接入方案中較低的切換成功率也導致了相應的系統(tǒng)吞吐量只能維持在一個較低水平。

圖5 不同接入方案的系統(tǒng)吞吐量隨用戶數(shù)變化曲線Fig.5 Throughput versus number of users of different handover schemes

3.3 網(wǎng)絡切片類型對切換結果的影響

在此部分的仿真條件中，選取越區(qū)切換用戶個數(shù)J=50，改變網(wǎng)絡切片類型數(shù)目，研究網(wǎng)絡切片類型對切換結果的影響。

不同接入方案的切換成功率隨切片類型數(shù)變化曲線如圖6所示。在切換成功率方面，切片類型的增加對吞吐量接入方案和其他3種接入方案的切換成功率均有一定的提高作用。以吞吐量接入方案為例，從圖4中可以看出，當用戶數(shù)為50，切片類型為4時，切換成功率在83%左右。在不增加用戶數(shù)的前提下，在圖5中，增加切片類型可以將83%的切換成功率提高至90%。這說明更精細化的業(yè)務分類將使用戶有更多更好的切換選擇。此外，可以明顯看出，其他3種接入方案對于切片類型的敏感性不如吞吐量接入方案。

不同接入方案的系統(tǒng)吞吐量隨切片類型數(shù)變化曲線如圖7所示。隨著切片類型逐漸增多，吞吐量接入方案的切換成功率明顯高于其他3種接入方案，由此導致系統(tǒng)吞吐量接入方案也是所有對比方案中最高的。而其他接入方案由于切片類型的增加并不能帶來切換成功率的增加，由此導致吞吐量的增長不明顯，這說明網(wǎng)絡切片應用場景下的用戶切換機理與傳統(tǒng)的用戶切換有所區(qū)別，傳統(tǒng)的接入方案在接入策略上有自身的局限性。

圖6 不同接入方案的切換成功率隨切片類型數(shù)變化曲線Fig.6 Handover success ratio versus number of slice types of different handover schemes

圖7 不同接入方案的系統(tǒng)吞吐量隨切片類型數(shù)變化曲線Fig.7 Throughput versus number of slice types of different handover schemes

4 結束語

針對5G系統(tǒng)中網(wǎng)絡切片的應用場景，研究了用戶越區(qū)切換時的切片重新接入問題，提出了基于系統(tǒng)吞吐量最大化的用戶切換機制。該機制首先根據(jù)用戶切片類型和備選AP上的切片剩余接納用戶數(shù)篩選出符合業(yè)務QoS保證的切片，然后運用貪心算法選擇其中數(shù)據(jù)傳輸速率最大的切片提供用戶接入。而且在基于網(wǎng)絡切片代理的新型體系架構下，該機制能夠有效部署和運行。在接入性能的仿真分析中，基于系統(tǒng)吞吐量最大化的切片接入方案明顯優(yōu)于功率接入、負載接入和隨機接入等傳統(tǒng)切換接入方案。此外，通過仿真數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)，適當提高精細化的切片業(yè)務分類有利于提高用戶切換成功率，提高系統(tǒng)吞吐量。在未來的工作中，將會進一步考慮動態(tài)的切片資源調(diào)度方案來處理用戶移動性引起的切片重新接入問題。