李貝 胡煜華 黎越 劉蕊 朱俊 孟亞魁 劉光海 肖天

1.中國聯(lián)合網絡通信有限公司研究院；2.中國聯(lián)合網絡通信集團有限公司浙江省分公司；3.中國聯(lián)合網絡通信集團有限公司江蘇省分公司；4.中國聯(lián)合網絡通信集團有限公司舟山分公司

0 引言

5G網絡擁有傳輸速率快、低時延、高容量等優(yōu)勢，隨著工業(yè)互聯(lián)網、遠程醫(yī)療等不同行業(yè)新業(yè)務類型和需求的發(fā)展，不同業(yè)務對功能、性能、網絡安全以及可靠性有不同的要求。5G網絡引入了網絡切片（Network Slicing）技術，不同切片滿足不同場景下網絡差異化使用的功能需求，研究切片無線資源管理對保障不同業(yè)務場景下用戶服務質量具有重要意義。

1 5G切片無線資源管理

1.1 網絡切片特點

5G網絡切片指在同一網絡基礎設施上，將5G獨立組網（Standalone，SA）架構的物理網絡劃分為多個端到端、虛擬的、隔離的（物理隔離或者邏輯隔離）、按需定制的專用邏輯網絡，每個虛擬網絡具備不同的功能特點，以滿足不同行業(yè)客戶對網絡能力的不同要求，如時延、帶寬、連接數等。5G切片可以嵌套，切片中可以進一步劃分子切片。5G切片為對應的業(yè)務提供必要的網絡處理，從而減少資源消耗。通過切片技術，物理網絡虛擬出多個邏輯網絡，適配不同行業(yè)客戶對網絡能力的服務需求。

1.2 切片資源管理

為了滿足不同業(yè)務場景下的服務質量，保障相應的用戶體驗，無線網采用網絡切片的無線資源和準入控制管理。無線網絡支持三種方案實現靈活的資源調度和隔離，分別為基于服務質量QoS調度、基于資源塊RB資源預留、基于載波隔離。前兩種為共享公網載波頻譜，是目前網絡中常用的資源管理方式?；谳d波隔離為專網分配獨立載波，僅對前兩種進行分析驗證。例如公眾切片和行業(yè)普通切片若無資源隔離要求可依靠QoS進行調度，若有資源隔離要求可采用RB資源預留與QoS調度組合方式進行部署，先對切片組進行RB資源預留再根據5G QoS標識符（5G QoS Identifier，5QI）或切片標識和5QI進行資源調度。

1.2.1 基于QoS調度

基于QoS調度時不同的網絡切片共享小區(qū)RB資源，占用RB資源的優(yōu)先級由QoS優(yōu)先級決定，資源擁塞時高優(yōu)先級QoS業(yè)務也可能受影響。包含如下兩種調度方式：

（1）基于5QI的調度，同一業(yè)務使用相同5QI，映射到同一類型的數據無線承載（Data Radio Bearer，DRB）上。當多個用戶使用同一業(yè)務時，一旦資源受限時，無法保障某個用戶優(yōu)先調度。

（2）基于切片標識和5QI的調度，在5QI的基礎上疊加切片，映射到不同種類型的DRB，將高優(yōu)先級用戶放到高優(yōu)先級切片中來確保該用戶優(yōu)先調度。

QoS調度參數中最重要的是調度優(yōu)先級和相對調度權重。調度優(yōu)先級影響承載調度優(yōu)先順序，該值越小優(yōu)先級越高。信令數據放置到最高優(yōu)先級，數據業(yè)務的重傳數據放置到次一級，保證速率（Guaranteed Bit Rate，GBR）業(yè)務的調度隊列一般優(yōu)先于非保證速率（Non-GBR）業(yè)務；相對調度比例是根據相對調度權重配置，調度相同優(yōu)先級下不同Non-GBR承載之間的速率比例，對non-GBR承載生效。例如用戶1使用5QI=6承載、相對調度權重比例配置為800，用戶2使用5QI =9承載、相對調度權重比例配置為400，兩個用戶使用相同業(yè)務時速率比例約為2：1（800：400）。

1.2.2 基于RB資源預留

該技術預留的資源分為專用資源、優(yōu)先資源和共享資源共三部分。專用資源僅切片用戶組內用戶可用；優(yōu)先資源優(yōu)先保障切片組內用戶使用，如有剩余可供其他切片組的用戶使用；共享資源由所有用戶基于QoS調度算法使用。同時，切片組所使用的總資源不能超過最大RB資源比例限制。如果切片組配置資源預留，切片組內用戶優(yōu)先使用專用RB資源，其次使用優(yōu)先RB資源，最后使用共享RB資源。三種資源可通過專用RB資源比例a、最小RB資源比例b、最大RB資源比例c三個參數（配置范圍[0%，100%]），以及RB總數d（d根據業(yè)務帶寬需求由系統(tǒng)帶寬、子載波間隔確定RB的值，例如系統(tǒng)帶寬100M，子載波間隔30kHz，最多傳輸的RB數為273）四個參數計算得到，見如下公式（1）、公式（2）、公式（3）。

專用資源=a×d （1）

2 功能驗證

為了分析兩種無線切片資源管理方式應用場景和效果，在網絡設置及測試環(huán)境配置后進行測試驗證。

2.1 網絡設置

本次測試驗證定義了4類用戶對應不同直播類型，設置對應的5QI級別、相對調度比例，映射至不同的接入點（Differentiated Services Code Point，DSCP）和承載網業(yè)務QoS等級，5G切片驗證網絡設置方案如圖1所示。

圖1 5G切片驗證網絡設置方案

統(tǒng)一數據管理的策略控制功能UDM PCF（Unified Data Management Policy Control function）對不同用戶進行網絡切片標識簽約，并添加頻率選擇標識，實現業(yè)務區(qū)分。接入和移動管理功能（Access and Mobility ManagementFunction，AMF）通過獲取UDM側簽約的網絡切片標識向基站側下發(fā)切片配置。用戶購買切片后在UDM簽約，實現大網側數據網絡名稱（Data Network Name，DNN）和網絡切片標識的綁定；終端創(chuàng)建會話時，會話管理功能分配對應的用戶平面功能，同時把對應國際移動用戶識別碼的5QI信息發(fā)送給5G基站（gNB），gNB配置5QI與差分服務代碼點（Differentiated Services Code Point，DSCP）或虛擬局域網（Virtual Local Area Network，VLAN）的數據幀PRI（PRI表示數據幀的優(yōu)先級）映射，并選擇VLAN子接口（對應VLAN ID）；不同的VLAN子接口在承載網綁定不同的分片虛擬專用網絡，然后虛擬專用網絡綁定隧道，最后隧道綁定靈活以太網等，實現切片互通。承載網業(yè)務QoS等級配置根據不同業(yè)務分別配置AF1-AF4等，無線側根據不同5QI優(yōu)先級配置相對調度比例。

2.2 測試環(huán)境

本次測試在5G SA網絡的室分場景下進行，使用3500-3540MHz共40M帶寬，RB數量為106個，使用4K直播業(yè)務服務等級協(xié)議檢測評估工具，模擬5G的背景上行流量進行上行40M推流測試，進行端到端網絡灌包（通過測試儀在無線空口側和承載接入環(huán)側進行灌包），并人為制造空口側的重載和承載接入環(huán)的流量擁塞，測試環(huán)境和用戶配置如表1所示。

表1 測試用戶定義

通過信任DSCP的方式，移網數據業(yè)務在智能城域網入口處進行QoS等級劃分來避免擁塞并映射至EXP，多協(xié)議標簽交換（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）標簽內包含EXP優(yōu)先級用于標記MPLS QoS。例如優(yōu)先隊列（Priority Queueing，PQ）共4個子隊列（高、中、普通、低），優(yōu)先服務高優(yōu)先級的子隊列，若高優(yōu)先級子隊列里沒有數據后再服務中等優(yōu)先級子隊列，依次類推。加權公平隊列（Weighted Fair Queueing，WFQ）保證相同優(yōu)先級業(yè)務間公平，不同優(yōu)先級業(yè)務間加權。

3 效果評估

由前述可知兩種無線網切片資源管理方案策略是不同的，以下分別進行應用場景和效果評估。

3.1 驗證不同業(yè)務配置

基于服務質量QoS調度對不同5QI（Non GBR（5QI=6/8/9）、GBR業(yè)務（5QI=4））進行上行灌包后觸發(fā)資源搶占，分別進行資源搶占效果兩兩分析。圖2到圖4為Non GBR（5QI=6/8/9）資源搶占效果分析，圖5到圖6為5QI=4（GBR業(yè)務）與Non GBR業(yè)務資源搶占效果分析。

圖2 5QI=8/9上行吞吐量比較

圖4 5QI=6/8上行吞吐量比較

圖5 5QI=4（GBR）/9上行吞吐量比較

圖6 5QI=4（GBR）/6上行吞吐量比較

圖3 5QI=6/9上行吞吐量比較

（1）5QI=8與5QI=9對比，5QI=8開始上行灌包后觸發(fā)5QI=8和5QI=9資源搶占，最終5QI=8速率穩(wěn)定于約30 Mbps，5QI=9速率穩(wěn)定于約20 Mbps，符合5QI=8（600）和5QI=9（400）資源占比為3：2；

（2）5QI=6與5QI=9對比，5QI=6開始上行灌包后觸發(fā)5QI=6和5QI=9資源搶占，最終5QI=6速率穩(wěn)定于約34 Mbps，5QI=9速率穩(wěn)定于約17 Mbps，符合5QI=6（800）和5QI=9（400）資源占比為2：1；

（3）5QI=6與5QI=8對比，5QI=6開始上行灌包后觸發(fā)5QI=6和5QI=8資源搶占，最終5QI=6速率穩(wěn)定于約28 Mbps，5QI=8速率穩(wěn)定于約21 Mbps，符合5QI=6（800）和5QI=8（600）資源占比為4：3；

（4）5QI=4（GBR業(yè)務）和5QI=9比較，5QI=4開始上行灌包后觸發(fā)5QI=4和5QI=9資源搶占，最終5QI=4速率穩(wěn)定于約40 Mbps，5QI=9速率穩(wěn)定于約10 Mbps，5QI=4 GBR優(yōu)先調度；

（5）5QI=4（GBR業(yè)務）和5QI=6比較，5QI=4開始上行灌包后觸發(fā)5QI=4和5QI=6資源搶占，最終5QI=4速率穩(wěn)定于約40 Mbps，5QI=6速率穩(wěn)定于約10 Mbps，5QI=4 GBR優(yōu)先調度；

由上述分析可知，空口資源存在競爭。其他條件一致時，Non GBR（5QI=6/8/9）業(yè)務按照5QI調度因子比例分配空口資源，Non GBR和GBR業(yè)務資源搶占時優(yōu)先保障GBR業(yè)務，Non GBR業(yè)務分配剩余的資源（如果空口資源存在剩余），應用時需根據具體保障需求選取相應的GBR和Non GBR保障方案。

3.2 驗證資源預留下不同業(yè)務配置

為了更靈活進行資源利用，引入基站側RB資源預留策略，測試方案基站側基于核心網側簽約的網絡分片標識進行空口RB資源級預留，具體配置、測試現象及結論如表2所示。

表2 不同業(yè)務配置資源預留驗證

由上述分析可知，基站側RB資源預留功能在目前設備廠家版本下可實現RB資源的靈活預留和調度；基站側資源預留功能開啟后，同為切片組用戶與同為非切片組用戶之間的調度遵循5QI優(yōu)先級進行資源分配。切片組資源預留比例可靈活配置，并不局限于固定值，應用時遵循公式（1）-公式（3）上下行可分別配置不同區(qū)間比例來實現靈活的資源預留效果。

4 結束語

本研究提出了基于QoS調度、RB資源預留兩種5G資源管理切片方案，并進行了測試驗證，對不同方案應用場景進行了比較總結，基于QoS調度時Non GBR業(yè)務按照5QI調度因子比例分配空口資源，Non GBR和GBR業(yè)務資源搶占時優(yōu)先保障GBR業(yè)務，應用時需根據具體保障需求選取相應的保障方案；基于RB資源預留時，上下行可分別配置不同區(qū)間比例來實現靈活的資源預留效果，為切片應用提供了指引，為空口資源差異性調度實施提供了借鑒。3GPP R15-R7架構分別完成定義eMBB類、uRLLC類、mMTC類切片，隨著R18版本網絡切片標注的不斷創(chuàng)新完善，無線資源管理在5G網絡無線切片中的作用越來越重要，資源的差異化應用也將更好地賦能5G應用，服務于5G垂直行業(yè)。