面向城市复杂环境的5G网络切片策略研究

面向城市复杂环境的5G网络切片策略研究

沈建中

广脉科技股份有限公司 浙江杭州 310000

摘要：5G网络在工业、农业、医疗、能源等行业已经得到蓬勃发展，作为新一轮通信技术代际跃迁，需要不断深入并聚焦于各行各业的垂直赋能。5G切片技术应运而生，形成网络定制化、差异化的“网络能力”或“服务”。业务独立运营实现了独立可视、业务定制、独立升级等，安全隔离实现智能电网、工业控制、自动驾驶等，可保障的SLA实现了超大带宽、超低时延、超大链接、超高可靠性。

关键词：城市复杂环境；5G网络切片；策略

引言

根据工业和信息化部提供的数据可知，我国于2023年，截至2月末，我国5G基站总数达238.4万个，占移动基站总数的21.9%，5G网络建设稳步推进。因此，在国内城市5G网络建设全面展开的情况下，需优先对城市中心地区环境，进行5G生态网络优化，实现5G骨干网全面部署，助力eMBB、uRLLC、mMTC三大应用场景安全落地。为满足5G城市复杂环境下用户对定制化逻辑网络和网络虚拟化的需求，同时提供传输时延、峰值速率、安全性等性能方面的保障，网络切片被认为是解决上述问题的关键技术，也被工业界和学术界公认为是5G理想的网络架构。网络切片的本质是共享底层通用基础设施但在上层逻辑上完全隔离的专有网络，可根据业务需求可进行动态组合，最终生成边缘网络切片。综上所述，面向切片的5G城市复杂网络策略研究对于目前5G基站建设以及应用落地具有重要意义。

1网络切片产品优势

5G切片技术提供了差异化网络服务需求，支持为不同行业、不同客户、不同业务提供数据隔离、功能可定、质量有保障的网络服务，支持全国切片业务一点订购、集约运营、便捷选择、快速响应。5G切片网络是一个提供特定网络能力和特性的逻辑网络，是5G服务垂直行业的关键切入点，能够推动业务模式创新，促进产业转型升级。它具有功能可定制化（客户需求）、快速部署敏捷（一点受理/一点签约/在线开通）、灵活计费（灵活资费解决方案）、运营智能（可视/可管/可控）等产品优势。

2切片间资源分配问题

假设基站拥有的无线资源总数为Q，初始时根据网络切片类型和负载情况等，为每个切片分配满足最低要求的资源。其中，eMBB、uRLLC和mMTC切片分配到的资源总数分别为Q1、Q2和Q3，此时，基站剩余的资源数为Q'。在分配给各切片资源之后，选择合适的调度算法对剩余资源数进行再分配。考虑到公平性和吞吐量之间是相互矛盾，往往一方性能的提高会引起另一方性能的下降，从而使网络资源难以得到最大化利用。而PF算法为经典的资源调度算法，一定程度上考虑到吞吐量和公平性权衡。其基本思想是通过引入用户的历史吞吐量来计算优先级。但由于每个切片服务的业务存在较大差异，切片间的资源分配不能只考虑吞吐量和公平性。因此，PF算法难以满足5G多样化的业务需求。针对上述问题，本文结合切片特性，定义了切片用户平均满意度函数，提出基于QoS的PF资源分配算法（以下简称PF-Q算法）对剩余资源数进行再分配。首先，根据PF-Q算法计算出各切片的优先级；然后，按照优先级从高到低的顺序，依次为各切片分配剩余资源数Q'，直至剩余资源数Q'为零。

35G网络切片策略

3.1　架构设计

对多切片核心网架构，设计3个网络切片来支持3种不同带宽需求的eMBB业务；对单切片网络架构，设计1个网络切片来满足3种不同带宽需求的eMBB业务。以上两种核心网切片架构，虽然每个切片都实现一个独立5G核心网络功能，但对前者来说，3个切片分别连到其对应的数据服务器，而后者唯一的切片同时连到3个数据服务器。假设两种5G核心网架构都用9个VNF来部署。其中CP（控制面）有8个：NRF（网络仓储功能）、AMF（接入和移动性管理功能）、SMF（会话管理功能）、UDR（统一数据仓库存储）、PCF（策略控制功能）、UDM（统一数据管理）、AUSF（认证服务器功能）、MongoDB。UP（UserPlane，用户面）有1个：UPF（UserPlaneFunction，用户面功能）。多切片架构的每个切片都有一个单独CP来提供信令交换，每个切片都有一个单独UP以实现并行处理数据包转发。假设每个5G核心网VNF都在单独的OpenStack虚拟机或Kubernetes容器上运行。两种架构都采用3种数据产生器来模拟5GUE发送数据包，每个数据产生器模拟多个终端运行，并使终端注册到5G核心网，3种数据产生器分别用于模拟高（900Mbps）、中（100Mbps）、低（10Mbps）3种eMBB数据传输服务。高、中、低3种数据产生器均传输两类数据包：不同数据速率（如900Mbps、100Mbps和10Mbps）UDP数据包；每秒一次的ICMP回复数据包。通过UDP数据包速率，可测量5G核心网切片的吞吐量，通过ICMP回复数据包可测得UE和DS数据服务器在5G核心网切片上的响应时间。对多切片网络架构，3种不同数据速率数据包被定向到带宽最匹配的网络切片上。对单切片网络架构，3种不同数据速率数据包被发到唯一网络切片，该切片提供了足够带宽来处理所有的数据流量。以上两种核心网切片架构都使用3个数据服务器作为5GPDU会话接收器，接收来自3个数据产生器的数据包，并测量其切片吞吐量。此外，数据服务器还将ICMP回复消息发回数据产生器，以计算响应时间。

3.2单切片占用吞吐量

对于交互式应用网络来说，吞吐量指标反映网络整体能够承受的压力。吞吐量作为一个能够较为直观的网络性能指标，能够反映切片对系统负载能力的影响。采用吞吐量选择切片能为在切片接入服务中为用户提供最大数据传输速率,实现5G网络切片下的切换过程管控。

3.3核心切片对比适用场景

基于CP/UP全部共享和基于CP共享/UP专属部署方式使用比较广泛，5G公众用户及行业客户对其建设和运营成本能够接受。基于CP/UP独立模式相当于除基站使用运营商外，需要建一套完整的核心网供自身使用，建设及运营成本很大，行业客户一般不采取这种切片方案。三种方案对比如表4所示。5G公众用户较容易接受基于CP/UP全部共享模式。5G行业用户比较容易接受基于CP共享/UP专属部署方式，隔离度、差异性较高，组网难易程度都比较能接受，客户只需要付费购买UPF设备。军队、监狱等保密性比较严格的，经费比较宽松，可以考虑基于CP/UP独立模式部署方式。

3.4链路可容忍延迟

自从5G设计之初就将网络时延特性作为重点，成为5G需求的一部分。uRLLC中超低时延和超高可靠的应用场景对导致对5G网络往返时延要求较高，通常需达到1ms以内，相比4G网络所要求的10ms，降低了近10倍。所以在进行网络切片时，需将链路可容忍时延因素考虑在内。

结束语

5G切片策略通过对单用户占用带宽、单用户最大带宽限制、单切片占用吞吐量、QoS业务、链路可容忍延迟5种指标进行分析，可为城市中心基站的无线资源调度提供参考依据。

参考文献

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[2]华亚勇.无线接入网切片的多维资源分配算法[D].西安电子科技大学,2020.

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