5G网络无线切片资源管理研究

李贝 胡煜华 黎越 刘蕊 朱俊 孟亚魁 刘光海 肖天

1.中国联合网络通信有限公司研究院；2.中国联合网络通信集团有限公司浙江省分公司；3.中国联合网络通信集团有限公司江苏省分公司；4.中国联合网络通信集团有限公司舟山分公司

0 引言

5G网络拥有传输速率快、低时延、高容量等优势，随着工业互联网、远程医疗等不同行业新业务类型和需求的发展，不同业务对功能、性能、网络安全以及可靠性有不同的要求。5G网络引入了网络切片（Network Slicing）技术，不同切片满足不同场景下网络差异化使用的功能需求，研究切片无线资源管理对保障不同业务场景下用户服务质量具有重要意义。

1 5G切片无线资源管理

1.1 网络切片特点

5G网络切片指在同一网络基础设施上，将5G独立组网（Standalone，SA）架构的物理网络划分为多个端到端、虚拟的、隔离的（物理隔离或者逻辑隔离）、按需定制的专用逻辑网络，每个虚拟网络具备不同的功能特点，以满足不同行业客户对网络能力的不同要求，如时延、带宽、连接数等。5G切片可以嵌套，切片中可以进一步划分子切片。5G切片为对应的业务提供必要的网络处理，从而减少资源消耗。通过切片技术，物理网络虚拟出多个逻辑网络，适配不同行业客户对网络能力的服务需求。

1.2 切片资源管理

为了满足不同业务场景下的服务质量，保障相应的用户体验，无线网采用网络切片的无线资源和准入控制管理。无线网络支持三种方案实现灵活的资源调度和隔离，分别为基于服务质量QoS调度、基于资源块RB资源预留、基于载波隔离。前两种为共享公网载波频谱，是目前网络中常用的资源管理方式。基于载波隔离为专网分配独立载波，仅对前两种进行分析验证。例如公众切片和行业普通切片若无资源隔离要求可依靠QoS进行调度，若有资源隔离要求可采用RB资源预留与QoS调度组合方式进行部署，先对切片组进行RB资源预留再根据5G QoS标识符（5G QoS Identifier，5QI）或切片标识和5QI进行资源调度。

1.2.1 基于QoS调度

基于QoS调度时不同的网络切片共享小区RB资源，占用RB资源的优先级由QoS优先级决定，资源拥塞时高优先级QoS业务也可能受影响。包含如下两种调度方式：

（1）基于5QI的调度，同一业务使用相同5QI，映射到同一类型的数据无线承载（Data Radio Bearer，DRB）上。当多个用户使用同一业务时，一旦资源受限时，无法保障某个用户优先调度。

（2）基于切片标识和5QI的调度，在5QI的基础上叠加切片，映射到不同种类型的DRB，将高优先级用户放到高优先级切片中来确保该用户优先调度。

QoS调度参数中最重要的是调度优先级和相对调度权重。调度优先级影响承载调度优先顺序，该值越小优先级越高。信令数据放置到最高优先级，数据业务的重传数据放置到次一级，保证速率（Guaranteed Bit Rate，GBR）业务的调度队列一般优先于非保证速率（Non-GBR）业务；相对调度比例是根据相对调度权重配置，调度相同优先级下不同Non-GBR承载之间的速率比例，对non-GBR承载生效。例如用户1使用5QI=6承载、相对调度权重比例配置为800，用户2使用5QI =9承载、相对调度权重比例配置为400，两个用户使用相同业务时速率比例约为2：1（800：400）。

1.2.2 基于RB资源预留

该技术预留的资源分为专用资源、优先资源和共享资源共三部分。专用资源仅切片用户组内用户可用；优先资源优先保障切片组内用户使用，如有剩余可供其他切片组的用户使用；共享资源由所有用户基于QoS调度算法使用。同时，切片组所使用的总资源不能超过最大RB资源比例限制。如果切片组配置资源预留，切片组内用户优先使用专用RB资源，其次使用优先RB资源，最后使用共享RB资源。三种资源可通过专用RB资源比例a、最小RB资源比例b、最大RB资源比例c三个参数（配置范围[0%，100%]），以及RB总数d（d根据业务带宽需求由系统带宽、子载波间隔确定RB的值，例如系统带宽100M，子载波间隔30kHz，最多传输的RB数为273）四个参数计算得到，见如下公式（1）、公式（2）、公式（3）。

专用资源=a×d （1）

2 功能验证

为了分析两种无线切片资源管理方式应用场景和效果，在网络设置及测试环境配置后进行测试验证。

2.1 网络设置

本次测试验证定义了4类用户对应不同直播类型，设置对应的5QI级别、相对调度比例，映射至不同的接入点（Differentiated Services Code Point，DSCP）和承载网业务QoS等级，5G切片验证网络设置方案如图1所示。

图1 5G切片验证网络设置方案

统一数据管理的策略控制功能UDM PCF（Unified Data Management Policy Control function）对不同用户进行网络切片标识签约，并添加频率选择标识，实现业务区分。接入和移动管理功能（Access and Mobility ManagementFunction，AMF）通过获取UDM侧签约的网络切片标识向基站侧下发切片配置。用户购买切片后在UDM签约，实现大网侧数据网络名称（Data Network Name，DNN）和网络切片标识的绑定；终端创建会话时，会话管理功能分配对应的用户平面功能，同时把对应国际移动用户识别码的5QI信息发送给5G基站（gNB），gNB配置5QI与差分服务代码点（Differentiated Services Code Point，DSCP）或虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）的数据帧PRI（PRI表示数据帧的优先级）映射，并选择VLAN子接口（对应VLAN ID）；不同的VLAN子接口在承载网绑定不同的分片虚拟专用网络，然后虚拟专用网络绑定隧道，最后隧道绑定灵活以太网等，实现切片互通。承载网业务QoS等级配置根据不同业务分别配置AF1-AF4等，无线侧根据不同5QI优先级配置相对调度比例。

2.2 测试环境

本次测试在5G SA网络的室分场景下进行，使用3500-3540MHz共40M带宽，RB数量为106个，使用4K直播业务服务等级协议检测评估工具，模拟5G的背景上行流量进行上行40M推流测试，进行端到端网络灌包（通过测试仪在无线空口侧和承载接入环侧进行灌包），并人为制造空口侧的重载和承载接入环的流量拥塞，测试环境和用户配置如表1所示。

表1 测试用户定义

通过信任DSCP的方式，移网数据业务在智能城域网入口处进行QoS等级划分来避免拥塞并映射至EXP，多协议标签交换（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）标签内包含EXP优先级用于标记MPLS QoS。例如优先队列（Priority Queueing，PQ）共4个子队列（高、中、普通、低），优先服务高优先级的子队列，若高优先级子队列里没有数据后再服务中等优先级子队列，依次类推。加权公平队列（Weighted Fair Queueing，WFQ）保证相同优先级业务间公平，不同优先级业务间加权。

3 效果评估

由前述可知两种无线网切片资源管理方案策略是不同的，以下分别进行应用场景和效果评估。

3.1 验证不同业务配置

基于服务质量QoS调度对不同5QI（Non GBR（5QI=6/8/9）、GBR业务（5QI=4））进行上行灌包后触发资源抢占，分别进行资源抢占效果两两分析。图2到图4为Non GBR（5QI=6/8/9）资源抢占效果分析，图5到图6为5QI=4（GBR业务）与Non GBR业务资源抢占效果分析。

图2 5QI=8/9上行吞吐量比较

图4 5QI=6/8上行吞吐量比较

图5 5QI=4（GBR）/9上行吞吐量比较

图6 5QI=4（GBR）/6上行吞吐量比较

图3 5QI=6/9上行吞吐量比较

（1）5QI=8与5QI=9对比，5QI=8开始上行灌包后触发5QI=8和5QI=9资源抢占，最终5QI=8速率稳定于约30 Mbps，5QI=9速率稳定于约20 Mbps，符合5QI=8（600）和5QI=9（400）资源占比为3：2；

（2）5QI=6与5QI=9对比，5QI=6开始上行灌包后触发5QI=6和5QI=9资源抢占，最终5QI=6速率稳定于约34 Mbps，5QI=9速率稳定于约17 Mbps，符合5QI=6（800）和5QI=9（400）资源占比为2：1；

（3）5QI=6与5QI=8对比，5QI=6开始上行灌包后触发5QI=6和5QI=8资源抢占，最终5QI=6速率稳定于约28 Mbps，5QI=8速率稳定于约21 Mbps，符合5QI=6（800）和5QI=8（600）资源占比为4：3；

（4）5QI=4（GBR业务）和5QI=9比较，5QI=4开始上行灌包后触发5QI=4和5QI=9资源抢占，最终5QI=4速率稳定于约40 Mbps，5QI=9速率稳定于约10 Mbps，5QI=4 GBR优先调度；

（5）5QI=4（GBR业务）和5QI=6比较，5QI=4开始上行灌包后触发5QI=4和5QI=6资源抢占，最终5QI=4速率稳定于约40 Mbps，5QI=6速率稳定于约10 Mbps，5QI=4 GBR优先调度；

由上述分析可知，空口资源存在竞争。其他条件一致时，Non GBR（5QI=6/8/9）业务按照5QI调度因子比例分配空口资源，Non GBR和GBR业务资源抢占时优先保障GBR业务，Non GBR业务分配剩余的资源（如果空口资源存在剩余），应用时需根据具体保障需求选取相应的GBR和Non GBR保障方案。

3.2 验证资源预留下不同业务配置

为了更灵活进行资源利用，引入基站侧RB资源预留策略，测试方案基站侧基于核心网侧签约的网络分片标识进行空口RB资源级预留，具体配置、测试现象及结论如表2所示。

表2 不同业务配置资源预留验证

由上述分析可知，基站侧RB资源预留功能在目前设备厂家版本下可实现RB资源的灵活预留和调度；基站侧资源预留功能开启后，同为切片组用户与同为非切片组用户之间的调度遵循5QI优先级进行资源分配。切片组资源预留比例可灵活配置，并不局限于固定值，应用时遵循公式（1）-公式（3）上下行可分别配置不同区间比例来实现灵活的资源预留效果。

4 结束语

本研究提出了基于QoS调度、RB资源预留两种5G资源管理切片方案，并进行了测试验证，对不同方案应用场景进行了比较总结，基于QoS调度时Non GBR业务按照5QI调度因子比例分配空口资源，Non GBR和GBR业务资源抢占时优先保障GBR业务，应用时需根据具体保障需求选取相应的保障方案；基于RB资源预留时，上下行可分别配置不同区间比例来实现灵活的资源预留效果，为切片应用提供了指引，为空口资源差异性调度实施提供了借鉴。3GPP R15-R7架构分别完成定义eMBB类、uRLLC类、mMTC类切片，随着R18版本网络切片标注的不断创新完善，无线资源管理在5G网络无线切片中的作用越来越重要，资源的差异化应用也将更好地赋能5G应用，服务于5G垂直行业。