5G網絡無線切片資源管理研究

李貝 胡煜華 黎越 劉蕊 朱俊 孟亞魁 劉光海 肖天

1.中國聯合網絡通信有限公司研究院；2.中國聯合網絡通信集團有限公司浙江省分公司；3.中國聯合網絡通信集團有限公司江蘇省分公司；4.中國聯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、高容量等優勢，隨著工業互聯網、遠程醫療等不同行業新業務類型和需求的發展，不同業務對功能、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。基于載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RB資源，占用RB資源的優先級由QoS優先級決定，資源擁塞時高優先級QoS業務也可能受影響。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務時，一旦資源受限時，無法保障某個用戶優先調度。

（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，將高優先級用戶放到高優先級切片中來確保該用戶優先調度。

QoS調度參數中最重要的是調度優先級和相對調度權重。調度優先級影響承載調度優先順序，該值越小優先級越高。信令數據放置到最高優先級，數據業務的重傳數據放置到次一級，保證速率（Guaranteed Bit Rate，GBR）業務的調度隊列一般優先于非保證速率（Non-GBR）業務；相對調度比例是根據相對調度權重配置，調度相同優先級下不同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；優先資源優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，切片組內用戶優先使用專用RB資源，其次使用優先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根據業務帶寬需求由系統帶寬、子載波間隔確定RB的值，例如系統帶寬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，實現業務區分。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。承載網業務QoS等級配置根據不同業務分別配置AF1-AF4等，無線側根據不同5QI優先級配置相對調度比例。

2.2 測試環境

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直播業務服務等級協議檢測評估工具，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側進行灌包），并人為制造空口側的重載和承載接入環的流量擁塞，測試環境和用戶配置如表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，多協議標簽交換（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）標簽內包含EXP優先級用于標記MPLS QoS。例如優先隊列（Priority Queueing，PQ）共4個子隊列（高、中、普通、低），優先服務高優先級的子隊列，若高優先級子隊列里沒有數據后再服務中等優先級子隊列，依次類推。加權公平隊列（Weighted Fair Queueing，WFQ）保證相同優先級業務間公平，不同優先級業務間加權。

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 驗證不同業務配置

基于服務質量QoS調度對不同5QI（Non GBR（5QI=6/8/9）、GBR業務（5QI=4））進行上行灌包后觸發資源搶占，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業務）與Non GBR業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5QI=8和5QI=9資源搶占，最終5QI=8速率穩定于約30 Mbps，5QI=9速率穩定于約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5QI=6和5QI=9資源搶占，最終5QI=6速率穩定于約34 Mbps，5QI=9速率穩定于約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5QI=6和5QI=8資源搶占，最終5QI=6速率穩定于約28 Mbps，5QI=8速率穩定于約21 Mbps，符合5QI=6（800）和5QI=8（600）資源占比為4：3；

（4）5QI=4（GBR業務）和5QI=9比較，5QI=4開始上行灌包后觸發5QI=4和5QI=9資源搶占，最終5QI=4速率穩定于約40 Mbps，5QI=9速率穩定于約10 Mbps，5QI=4 GBR優先調度；

（5）5QI=4（GBR業務）和5QI=6比較，5QI=4開始上行灌包后觸發5QI=4和5QI=6資源搶占，最終5QI=4速率穩定于約40 Mbps，5QI=6速率穩定于約10 Mbps，5QI=4 GBR優先調度；

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）業務按照5QI調度因子比例分配空口資源，Non GBR和GBR業務資源搶占時優先保障GBR業務，Non GBR業務分配剩余的資源（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業務按照5QI調度因子比例分配空口資源，Non GBR和GBR業務資源搶占時優先保障GBR業務，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。