基于5G切片和优先级的流量隔离性能研究

李 炜, 王少轩

(1.陕西国防工业职业技术学院 电子信息学院,西安 710300；2.加泰罗尼亚理工大学，巴塞罗那 08034)

0 引言

因为切片技术的引入，提供了逻辑网络的组网方式，5G系统可以满足多种业务场景服务和消费者应用体验的差异化需求，这使得5G技术在不同垂直市场广泛应用[1]，其中一个市场是在公共保护和救灾。5G 技术目前不断成熟，且已经成为主流的5G网络架构，该架构主要实现了用户面与控制面的完全分离，并且控制面板采用了基于服务化的架构。然而随着物理网络承载的虚拟网络切片就越多，不同的切片间会进行网络资源的竞争从而导致网络服务质量的下降。在未来，5G中模块化的基础设施、网络切片的使用和物联网(IoT)应用程序的集成这些优点也将为公共安全部门的部分工作提供技术保障和便利，事实上，3 GPP在LTE和5G标准规范中考虑了公共保护和救灾部门实际的需求。5G的应用场景总的来说可以划分为两大类：商业服务业务(CO)(移动带宽、海量物联网)和关键任务(MC)服务业务，其中关键任务流量主要用于低延时、高可靠实性的应用场景。当同一网络同时用于商业服务和MC服务时，采取能够保证这两种服务和共享网络资源分配之间适当优先级的措施就变得至关重要。在这种情况下，目前在全球范围内有多个举措，通过公共或私人4G/LTE网络为PPDR机构提供宽带通信能力。一些学者正在研究使用现有商业移动网络作为PPDR服务基础的模式。这通常包括加强这些网络的健壮性和安全性，并实施紧急服务所需的新功能。

目前，在同一网络设施上处理MC和商业服务的多路复用数据流的方法是利用服务质量(QoS)、优先级(Prioritization)和资源抢占能力(Pre-emption)机制[2]。在网络无线侧提供的数据流可以用5QI(5G QoS Identifier)和ARP这两个参数可以表征，其中5QI用于索引一个5G QOS特性，ARP参数包含优先级、抢占能力和可被强占等信息，优先级定义了终端资源请求的重要性，在系统资源受限时，ARP参数决定了一个新的QoS流是被接受还是拒绝。在这方面，对MC服务将更高优先级5QI/ARP分配给MC服务可能适用于聚合MC流量负载低于网络容量的情况。然而，当MC和商业流量激增时，MC和商业流量会抢占资源引发网络拥塞，影响用户的体验感。仅使用基于优先级的5QI/ARP参数不足以提供一些保护商业流量，这样额外的机制如：网络切片功能引入5G系统成为必要。

利用流量优先级机制来处理蜂窝网络中的紧急情况或MC服务已经在多项工作中进行了研究。例如，作者Haya Shajaiah, Ahmed Abdel-Hadi, Charles Clancy和Suresh Borkar, Dennis Roberson, Ken Zdunek等的工作考虑了一种基于4G-LTE架构下的资源分配优化模型，面向公共安全和运行弹性或非弹性流量的商业用户，为公共安全和运行弹性或非弹性流量的商业用户提供优先权[3-4]。与Haya Shajaiah和Suresh Borkar对网络模型和架构的研究不同，Chafika Tata, Michel Kadoch等开发了一种新的优先级调度算法，即礼貌优先级访问(CPA)，该算法并不能防止无线电资源的耗尽，而是用来延迟拥塞。CPA方案主要是在LTE异构网络中共享MC业务的接入和调度[5]。在文献[6]中，Hossam Farag, Mikael Gidlund, Patrik Oesterberg提出了一种高效的优先级媒体访问控制(MAC)协议，以支持在无线传感器网络下的物联网应用的MC服务。该协议可以处理关键数据的同时传输，以减少竞争节点之间的碰撞概率，从而降低传输延迟[6]。

另一方面，人们对利用网络切片功能进行MC流量处理的关注也较少。例如，文献[7]中的Dania Marabiss, Romano Fantacci开发了一种新的网络通信架构，用于商业和MC服务的RAN切片，而没有考虑优先级化机制[7]。文献[8]中Marko Hoyhtya, Kalle Lahetkangas等的工作尝试使用许可共享访问(LSA)、QoS优先级机制，并采用静态网络切片技术来控制5G网络下的MC流量[8]。尽管J.Perez-Romero,O.Sallent等提出了一个用于商业和MC服务的RAN切片的场景，并提出了通过评估5 GRAN切片中的不同参数来实现MC流量差异化(即无线电调度)和保护(即准入控制)的不同选项[9]。然而，本工作只分析了商业服务过载的影响。

蒋建峰等提出了一种基于5G网络物理节点资源和链路资源以及带宽和时延参数计算网络切片的安全隔离评估值；然后利用算法将切片安全隔离评估值作为一个约束的条件，实现网络切片的映射编排[10]。

本文考虑了一种结合切片技术和优先级机制来将资源分配给MC和CO服务的解决方案。评估了该解决方案在不同拥堵情况下的隔离性能，并与仅利用优先级的解决方案的结果进行了比较。

1 网络切片与RRM配置流量复用

1.1 网络切片

图1 RAN切片配置模型

L2层包括介质访问控制(MAC)子层，用于在L1公开的一组传输信道上多路复用和调度DRB的分组传输。此外，L2嵌入了一些可在每个DRB基础上配置的处理功能，例如分割、自动重复请求(ARQ)重传、压缩和加密(即无线电链路控制(RLC)和分组数据收敛协议(PDCP)。在NR规范中，包含了一个名为服务数据适应协议(SDAP)的附加L2子层，以映射DRB和5 GC管理的流量，称为QoSFlows[12]。

RAC的决策必须考虑到提交到RAN切片中的prb的数量。同时，RAC应根据与每个QoS流相关联的ARP参数来考虑PRBs的实际利用率。ARP定义了允许、保持或终止QoS流的相对重要性。3 GPP规范为ARP定义了从1～15的优先级，1是最高优先级。因此，当NG-RAN在第s个切片中收到一个新的GBR承载请求时，将需要满足下面条件：

(1)

其中：θocc(ARPi,s)为测量的平均数量(代表已经使用切片)的GBR载体使用的ARP值等于或低于ARPi；θnew(i，s)是估计的新载体;AC max (s)作为准入控制阈值在第s层；θnew(i,s)可以根据公式计算：

(2)

其中:Ri，s是第s片第i次服务所需的比特率，r是一个PRB的带宽，Si，s是第s片第i次服务的频谱效率。

1.2 切片数据包调度方案

调度部分，在L2处的资源分配应首先保证被认可的GBR载体获得必要的PRBs，以满足其费率要求。然后，PS可以根据其5 QI值将剩余的PRB分配给NonGBR承载。5 QI是一个标量，它根据PS要强制执行的优先级级别来定义特定的QoS特征。因此，为了确定PRBs是如何由PS分配的，让我们假设，在将PRBs分配给GBR载体后，有N个可用的prb必须分布在k个非GBR载体之间，φi是基于切片中的5G QI的第i个承载的优先级。然后，将被分配给第i个无线电承载的PRBs的平均数量和计算在切片s中分配给第i个非GBR服务的PRBs的公式为：

(3)

1.3 场景设计

考虑一个操作场景，其中NG-RAN用于向普通公众提供CO服务和为PS组织提供MC服务。商业服务包括两种不同的用户服务，高级服务和基本服务。每个服务都包括一个GBR视频服务和一个非GBR数据服务。高级视频服务将提供高的数据质量，而基本视频服务将提供共同的数据质量。MC服务包括两个GBR服务和一个非GBR服务，它们分别被称为MCVideo、MCPTT和MC数据服务。表1包含了这些服务的QoS参数特征：承载类型、5 QI(φ)、GFBR以及流量组合。

表1 每个RAN切片的服务

根据表2中所示的参数来考虑一个NG-RAN部署。该部署假设一个gNB的单个单元配置带宽为100 MHz，平均单元容量为336 Mb/s(信道带宽和平均的乘积)，频谱效率通过模拟得到3.36 b/s/Hz。本次研究，我们只考虑下行链接的方向。

表2 小区部署和流量建模

表3 切片配置表

3 实验与分析

本次使用Matlab作为模拟工具，并在本节中提供了两种配置的模拟结果。对于ARP配置，在MC视频服务中设置不同的ARP值，以比较不同的优先级对资源分配的影响。

3.1 GRB业务

用于评估GBR业务性能的主要关键性能指标(KPI)是阻塞率，它被计算为被RAC拒绝的GBR/DRB请求的百分比。图2显示了Premium视频、Basic视频和MC视频服务的阻塞率。阻塞率值是从5次模拟中获得的，每次模拟持续20 000秒(观察到计算值的标准偏差低于5%)。过载指数设置在0.5≤ρco,ρmc≤2这个范围内，所有服务使用的ARP值都是表1中提供的，除了MC视频服务有两种不同的设置：2(默认，如表1中设置)和1(最高优先级)。为了图2便于阅读，阻塞率值用深灰色表示10%以上的速率，浅灰色表示5%～10%之间的速率，淡灰色表示2%～5%之间的值，当阻塞率低于2%时，用白色表示。

图2 (a)Premium视频服务、(b)Basic视频服务、不同配置的(c)MC视频服务的屏蔽率

图2显示了两种切片配置和MC视频服务所考虑的不同ARP值的结果。正如预期，当过载指数低于计划(ρco<1和ρmc<1)时，阻塞率较低。但当任何一个服务组出现超载的情况下(ρco>1或ρmc>1)，阻塞率显示出增长的趋势。可以发现，当过载指数低于1时，CO/MC服务的阻塞率保持在较低的水平，并且随着过载指数的增加，阻塞率呈上升趋势。当考虑用MC视频ARP=2作为基准来切片配置#1。例如，当两种服务的过载索引都小于1时，Premium视频服务和MC视频服务在阻塞率上有相似的变化。这是因为MC和Premium视频被RAC同等对待，而不考虑负载失衡。但当这两个过载索引都超过1时，这意味着无线侧接入承载的PRB将达到饱和，因此阻塞率急剧增加。而Basic视频的阻塞率在这3个服务中是最高的，因为它的优先级最低。

现在对比切片配置#1与MC视频ARP=1这种情况，前者中Premium视频的阻塞率高于后者，因为MC视频的优先级大于Premium视频，所以ARP配置#2中Premium视频服务的拥塞和拒绝概率高于ARP配置#1。与此同时，随着MC视频阻塞率降低，Premium和Basic视频服务的阻塞率略有上升，这是因为更多的PRBs分配给了MC视频服务少量PRBs给Premium和Basic视频服务。

由于切片配置#2与MCARP=1对所有服务都有类似的性能，因此，我们只分析切片配置#2，ARP配置#2。通过Premium和basic视频服务，我们可以发现当MC的过载指数从0.5增加到1.5并且CO过载指数低于1时，阻塞率较低低，所以颜色用绿色表示。但对于MC视频服务则相反，因为切片配置在 L3 的 RAN 切片中有所区分，在CO切片中的GBRs、DRBs配置45%PRBs的整体准入控制，GBRs、DRBs的25%PRBs将被分配给MC切片。因此，Premium和Basic视频服务的过载不会影响MC视频服务，反之亦然，这个结果说明了切片被成功地分离出来。比较切片配置#2、ARP配置#2与切片配置#1、ARP配置#2和基准解决方案，我们可以发现过载情况下MC视频服务的前阻塞率高于后者，尽管ARP值相同。原因是在RAN切片隔离条件下，优先化机制的行为对性能的影响较小。

3.2 NOn-GRB 业务

Non-GBR业务是使用在向GBR业务执行PRB分配后可用的PRB。因此，Non-GBR业务的KPI是获得的平均吞吐量。图3显示了RAN切片1中的Premium and Basic流量业务以及RAN切片2中的MC流量业务的平均吞吐量。仿真时采用是基于MC视频ARP值等于2这种情况。从5次模拟中获得的平均吞吐量，每个模拟持续20 000秒(计算值的标准偏差小于4.5 MB/s)。我们将切片配置#1设置为基准解决方案，正如预期的那样，当过载指数低于1时，吞吐量较高，但当任何一组服务有增长趋势时，吞吐量会下降。出现这种情况有两个主要原因，一个是负载增加带来的GBR会话数量的增加，这将导致留下更少的prb可用Non-GBR业务，另一个是Non-GBR会话将增加当负载加大。因此，可用的 PRB 将分布在许多无线承载中。

图3 具有不同配置的Premium业务、Basic业务和MC业务的吞吐量

从图3中可以看出，当两个用户(CO和MC)的过载指数都远高于1时，这3种服务的吞吐量都接近于5 MB/s。让我们来看图(a)、(b)、(c)的服务，随着过载指数的降低，吞吐量呈上升趋势。例如，当CO和MC的过载指数均为0.5时，获得的吞吐量分别约为24 MB/s、20 MB/s和25 MB/s，可以看出，从两个用户的低过载指数中可以得到最高的值。然而，与图(a)和(b)相比，图(c)的吞吐量最高，因为图(c)的5 QI值在这3个服务中最低(最高优先级)。从图(d)，我们可以发现吞吐量的趋势急剧下降，曲线的距离接近图(a)相比，原因是使用切片技术可以很好地隔离用户，和MC过载指数的变化不会影响公司服务的性能，这种情况同样适用于Fig.(b)和(e)。对于图(f)，与图(c)相比，MC业务吞吐量平稳变化超过1，由于切片技术至少保证MC。

4 结束语

此次研究建立了结合优先级和5G无线电接入网(RAN)中参数化不同的切片的资源分配方法，该方法支持无线电资源分配的底层无线电资源管理(RRM)功能的操作从而为每种类型的服务建立无线电负载保证。通过Matlab软件仿真实验表明与仅依赖于优先级机制的解决方案相比切片配置在流量隔离方面得到了改进。网络切片技术为解决对网络容量、速率等方面存在的需求和问题提供了强有力的保证。在公共保护和救援时通信的稳定性得到了进一步的保障，该方法在公共保护和救援通信部署具有广泛的应用前景。