基于網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的智聯(lián)車(chē)網(wǎng)信道資源分配研究

1.智聯(lián)車(chē)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的應(yīng)用

1.1網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)切片是一種新型的網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)[2-3]，通過(guò)在共享的物理基礎(chǔ)設(shè)施上虛擬出多個(gè)隔離且獨(dú)立的邏輯網(wǎng)絡(luò)切片，每個(gè)切片可獨(dú)立配置資源和服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，為不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景或行業(yè)用戶(hù)提供專(zhuān)屬的虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，讓運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)在統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施上分離出多個(gè)虛擬的端到端網(wǎng)絡(luò)4]。每個(gè)切片可根據(jù)需求自定義網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹踩燃?jí)和可靠性指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)從“一張網(wǎng)絡(luò)”到“按需定制”的跨越。

1.3智聯(lián)車(chē)網(wǎng)架構(gòu)

基于上述不同切片對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)需求，本研究設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的智聯(lián)車(chē)網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)，如圖2所示，重點(diǎn)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)接人和資源管理機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的高效傳輸，提高用戶(hù)的體驗(yàn)感。

2.5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)支持下的信道資源分配策略研究

引言

近年來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量急劇增加，人們對(duì)生活品質(zhì)的要求也在逐步提高，在安全行車(chē)之余，駕駛員還需要享受娛樂(lè)生活，緩解駕駛疲勞，而智聯(lián)車(chē)網(wǎng)是滿(mǎn)足駕駛體驗(yàn)的關(guān)鍵之一。

隨著5G和云計(jì)算的快速發(fā)展，多樣化業(yè)務(wù)場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能提出了差異化需求，移動(dòng)通信、智能家居等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要支持海量連接和小數(shù)據(jù)包高頻傳輸，網(wǎng)絡(luò)直播、遠(yuǎn)程醫(yī)療等業(yè)務(wù)依賴(lài)高帶寬保障，而智聯(lián)車(chē)網(wǎng)、工業(yè)控制等場(chǎng)景則要求毫秒級(jí)時(shí)延和超高可靠性[1]。為滿(mǎn)足這些多元需求，5G網(wǎng)絡(luò)通過(guò)創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，為不同行業(yè)提供定制化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力。本文充分結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，根據(jù)智聯(lián)車(chē)網(wǎng)中的多業(yè)務(wù)需求進(jìn)行分片處理，以滿(mǎn)足智聯(lián)車(chē)網(wǎng)信道資源的合理分配。

1.2基于網(wǎng)絡(luò)切片的業(yè)務(wù)分類(lèi)

自動(dòng)駕駛技術(shù)的普及和智聯(lián)車(chē)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的拓展，使5G時(shí)代的智聯(lián)車(chē)業(yè)務(wù)需求呈現(xiàn)明顯的分級(jí)特征5：關(guān)系到行車(chē)安全的安全類(lèi)業(yè)務(wù)，優(yōu)先級(jí)最高，設(shè)置為切片1；與交通效率類(lèi)相關(guān)的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)第二，設(shè)置為切片2；與生活?yuàn)蕵?lè)體驗(yàn)相關(guān)的服務(wù)類(lèi)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)最低，設(shè)置為切片3，如圖1所示。

珍 安全類(lèi)業(yè)務(wù) 優(yōu)先級(jí)最高切片 交通效率類(lèi)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)中等S 生活?yuàn)蕵?lè)類(lèi)業(yè)務(wù) 優(yōu)先級(jí)最低

針對(duì)不同級(jí)別的業(yè)務(wù)，在進(jìn)行信道接入時(shí)，優(yōu)先滿(mǎn)足高級(jí)別信道資源的需求，在有剩余資源前提下，再滿(mǎn)足其他類(lèi)型的信道資源需求。

以高速率及用戶(hù)體驗(yàn)感為目標(biāo)，開(kāi)展信道資源的分配策略分析，從5G智聯(lián)車(chē)網(wǎng)架構(gòu)可知，在控制層有若干個(gè)宏基站MBS，處理層有N個(gè)小基站SBS。根據(jù)業(yè)務(wù)需求，研究以3個(gè)切片，即以 m∈ {1，2，3分別表示三類(lèi)不同優(yōu)先等級(jí)的業(yè)務(wù)，現(xiàn)假定網(wǎng)絡(luò)可容最大用戶(hù)量為I，系統(tǒng)帶寬可分成I個(gè)SRB（資源塊），每個(gè)SRB帶寬為B，每個(gè)SBS最大發(fā)射功率為 。

根據(jù)前面設(shè)定的車(chē)輛分布信息，預(yù)測(cè)每個(gè)小基站服務(wù)范圍內(nèi)的車(chē)輛數(shù)量，再依據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行自適應(yīng)的資源分配，以提高整體的資源滿(mǎn)意度[6-7]。整個(gè)資源動(dòng)態(tài)分配策略將分兩步完成，接下來(lái)對(duì)具體的策略進(jìn)行分析。

2.1從用戶(hù)體驗(yàn)感出發(fā)的切片間資源初始分配策略

因智聯(lián)車(chē)網(wǎng)的特殊性質(zhì)，通信中每條鏈路的連接時(shí)間比較短，在鏈路連接時(shí)，為了解決一些突發(fā)事件，在資源分配過(guò)程中將會(huì)根據(jù)需求優(yōu)先級(jí)處理，首先解決優(yōu)先級(jí)最高的安全類(lèi)需求，即切片1的資源需求量，這部分資源需要提前預(yù)留，稱(chēng)之為靜態(tài)資源。資源分配時(shí)，需要提前分析各SBS總資源需求量，資源需求量將隨著車(chē)輛用戶(hù)數(shù)的增加而線性增加，然后根據(jù)資源需求量完成各切片的資源分配]。各切片資源分配好后，再在各切片內(nèi)部完成資源二次分配，這里將SRB作為分配基礎(chǔ)。區(qū)域內(nèi)的SRB需求量將根據(jù)用戶(hù)數(shù)的上升而提高，但不會(huì)無(wú)限量的提高，提高頻率會(huì)變緩，因此將資源需求函數(shù)設(shè)為冪函數(shù)。假設(shè)資源需求量為 ：R_req ，區(qū)域內(nèi)車(chē)輛數(shù)量為x，則需求量可表示為：

R_req=bx^a（0

通過(guò)調(diào)整b和a的值可以使得在相同用戶(hù)數(shù)的情況下，不同切片對(duì)資源需求量不同，從而滿(mǎn)足不同切片的優(yōu)先級(jí)，這里用 User 表示小基站n服務(wù)區(qū)域內(nèi)切片m 中用戶(hù)車(chē)輛數(shù)目。

設(shè)資源總量為 ?R_m ，則靜態(tài)資源數(shù)表示為 R_s ，動(dòng)態(tài)資源表示為 R_d ，則：

R_s=eR_a

R_d=（1-e）R_m

式中， e 是靜態(tài)資源比例調(diào)節(jié)因子，表示分配給切片1中的靜態(tài)資源比例，其取值范圍為[0，1]。

研究中根據(jù)切片資源需求可將用戶(hù)滿(mǎn)意度可表示為：

其中， R_s 是獲取到的已分配資源數(shù)。

為確保切片1的高優(yōu)先級(jí)，其所分配的靜態(tài)資源是固定分配的，不參與動(dòng)態(tài)分配，而切片2優(yōu)先級(jí)高于切片3，切片2的資源需求高于切片3，故資源的分配采用動(dòng)態(tài)分配。在此前提下，為達(dá)到高用戶(hù)滿(mǎn)意度來(lái)完成資源分配，則有切片1～3分別分配的動(dòng)態(tài)資源為：

2.2切片內(nèi)資源再分配策略分析

前文已完成各切片的資源分配，但是切片內(nèi)每個(gè)用戶(hù)所獲得的資源是不確定的，而且在切片內(nèi)部，因用戶(hù)的級(jí)別相同，資源分配問(wèn)題將以傳統(tǒng)的資源分配為基礎(chǔ)考慮。接下來(lái)進(jìn)行切片內(nèi)的資源分配，這里主要采用基于啟發(fā)式的迭代算法。

經(jīng)過(guò)前面的切片間資源分配后，假設(shè)在一個(gè)分配周期內(nèi)，切片 所分配到的資源總數(shù)為 K ，所分配到的功率總數(shù)為 P_tal ， p_nk^ai 為分配給基站 上資源塊k 對(duì)應(yīng)的用戶(hù)（ χ_m，i） 的功率。假設(shè) g_nk^mi 為信道增益，則切片 m 上的用戶(hù)i的速率估算為：

研究中使用

作為SRB分配標(biāo)識(shí)矩陣，表示在基站 的切片 Φ_m 上，切片所分得的資源塊SRB k 是否分配給用戶(hù)i，則 時(shí)標(biāo)識(shí)矩陣需滿(mǎn)足：

當(dāng) m=2 、3時(shí)，該標(biāo)識(shí)矩陣需滿(mǎn)足：

則求最優(yōu)解的問(wèn)題可以寫(xiě)為

使用 p=[p_nk^ai]_K×I 作為功率分配矩陣，由于前面分配給切片的總功率是有限且非負(fù)的，所以功率分配矩陣滿(mǎn)足約束條件：

這里將通過(guò)啟發(fā)式迭代搜索算法將最優(yōu)解問(wèn)題進(jìn)行分解，即載波分配問(wèn)題A*和功率分配問(wèn)題 P^* ，先找出最優(yōu)的A^* ，然后根據(jù) ?A^? 求解最優(yōu)P*。

3.仿真及結(jié)果分析

為驗(yàn)證策略的有效性，研究中結(jié)合設(shè)定的參數(shù)要求，在Windows中安裝MATLAB仿真軟件以搭建仿真測(cè)試環(huán)境。以下將從切片間的資源初始分配、切片內(nèi)的資源再分配對(duì)不同資源分配策略的性能進(jìn)行比較分析。

3.1不同切片間的資源初始分配策略性能分析

為了適應(yīng)智聯(lián)車(chē)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖僮兓④?chē)輛速度及位置的變化等問(wèn)題，前文提出了從用戶(hù)滿(mǎn)意度出發(fā)的資源分配策略，該策略根據(jù)車(chē)輛速度、位置等信息實(shí)時(shí)判斷每個(gè)切片的資源需求量，然后根據(jù)優(yōu)先級(jí)完成資源的動(dòng)態(tài)分配。這里將研究所提動(dòng)態(tài)資源分配策略與傳統(tǒng)的靜態(tài)平均分配策略[做了比較。

針對(duì)兩種不同的資源分配策略對(duì)用

戶(hù)滿(mǎn)意度的影響比較如圖3所示。按照智聯(lián)車(chē)網(wǎng)的服務(wù)需求，3個(gè)不同切片的優(yōu)先級(jí)不同，對(duì)于用戶(hù)滿(mǎn)意度會(huì)有一定的差異性，但是整體不同切片的滿(mǎn)意度應(yīng)該相差不大。從圖3可以看出，動(dòng)態(tài)資源分配策略針對(duì)不同優(yōu)先級(jí)的切片滿(mǎn)意度有一定的差異，切片1的用戶(hù)滿(mǎn)意度最高，其資源需求量也是最高的；切片2的滿(mǎn)意度其次，切片3的滿(mǎn)意度最低，但是整體不同切片的滿(mǎn)意度相差不大，這正符合實(shí)際應(yīng)用中用戶(hù)對(duì)不同切片的滿(mǎn)意度趨勢(shì)；而靜態(tài)平均分配策略滿(mǎn)意度趨勢(shì)恰好相反，優(yōu)先級(jí)最高的切片1的滿(mǎn)意度最低，而優(yōu)先級(jí)最低的切片3滿(mǎn)意度最高，說(shuō)明在資源的分配中，安全類(lèi)需求相關(guān)的切片1所分配的資源完全不能滿(mǎn)足服務(wù)所需資源需求量，娛樂(lè)類(lèi)相關(guān)的切片3會(huì)因?yàn)橘Y源分配量過(guò)大而造成資源浪費(fèi)，整體資源利用率低，不利于現(xiàn)有智聯(lián)車(chē)網(wǎng)的資源分配情況，可能增加交通事故的發(fā)生，從而降低行車(chē)安全。

圖3不同優(yōu)先權(quán)切片兩種策略滿(mǎn)意度比較

圖4切片內(nèi)資源再分配不同算法比較

3.2切片內(nèi)資源再分配策略性能分析

資源分配的第二步是切片內(nèi)資源再分配，切片內(nèi)資源再分配研究中采用的是基于啟發(fā)式的迭代算法，針對(duì)基于啟發(fā)式的迭代算法的性能分析將結(jié)合傳統(tǒng)的載波隨機(jī)分配算法和功率平均分配算法做比較。這里因涉及子載波的分配，所以性能分析將從系統(tǒng)總傳輸速率出發(fā)，比較結(jié)果如圖4所示。在切片資源已經(jīng)分配好的前提下，從圖中可以看到，針對(duì)切片內(nèi)資源再分配的策略，基于啟發(fā)式的迭代算法相比其他算法而言，系統(tǒng)的總傳輸速率更高。

結(jié)語(yǔ)

從5G大環(huán)境出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)實(shí)需求，本文針對(duì)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的通信需求特性，從不同業(yè)務(wù)需求展開(kāi)分析，提出了一種基于5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的動(dòng)態(tài)資源分配方案，實(shí)現(xiàn)了不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的差異化服務(wù)保障。驗(yàn)證表明，本資源分配策略在滿(mǎn)足5G網(wǎng)絡(luò)高速率要求的前提下，亦可提高用戶(hù)的滿(mǎn)意度體驗(yàn)，為進(jìn)一步提升智聯(lián)車(chē)網(wǎng)性能提供參考，當(dāng)然，針對(duì)多場(chǎng)景下的復(fù)雜資源沖突問(wèn)題還有待研究。 N

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作者簡(jiǎn)介：謝于晨，碩士研究生，副教授，高級(jí)工程師，xieyuchen_811@163.com，研究方向：通信系統(tǒng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等。

基金項(xiàng)目：2021年度江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目——5G環(huán)境下車(chē)聯(lián)網(wǎng)信道資源自適應(yīng)分配策略研究（編號(hào)：GJJ212014）。