5G网络切片的设计与资源分配方案研究

摘要

移动互联网的飞速发展，数据流量的爆炸性增长、海量设备的连接以及不断增长的服务类型，对移动通信网络提出了更高的要求。传统单一的网络部署模式不再能满足5G网络业务类型的多样性和业务需求的差异性，因此网络切片技术应运而生。以网络功能虚拟化（Network Function Virtualization,NFV）为基础的网络切片技术，可在通用x86设备上实现多种虚拟网络功能（Virtual Network Function,VNF），进而运营商可为不同的网络切片差异化分配VNFs与虚拟资源，从而满足5G网络多业务的差异化需求。 本文首先研究了5G网络切片模型，并对该模型下每层功能进行了详细的介绍与分析。并基于该模型，遵从网络切片逻辑完整、相互隔离以及可定制化的原则，以业务需求为导向，设计了面向增强型移动宽带（enhancedMobile Broadband,eMBB）与超可靠和低延迟通信（ultra-Reliable and Low Latency Communication,uRLLC）场景的网络切片方案。在该方案中通过为eMBB切片分配较多的无线、计算和存储资源以满足用户高速率的业务需求，通过将uRLLC切片核心网用户面部署到基带处理单元（Baseband Unit,BBU）减少了用户端到端传输时延；两种切片通过共享核心网控制面实现了核心网切片的集中式管控，并对两种切片的工作流程进行了详细说明。最后采用软硬件相结合的方式搭建了基于OAI的网络切片测试平台，并对设计方案进行了验证测试，测试结果表明eMBB切片能够满足用户高传输速率的业务需求，uRLLC切片能够减少用户端到端传输时延，从而验证了本文设计的网络切片方案的可行性。 由于不同网络切片对通信和计算资源的需求具有很大差异，所以本文研究了网络切片中通信与计算资源的联合分配机制。通过建立计算资源到通信资源的映射模型，明确两者之间的内在联系与转换关系。并基于该转换关系，将资源利用率定义为系统吞吐量与计算资源消耗的比值，以最大化资源利用率为目标，以各网络切片QoS需求、系统带宽和计算资源数目为约束，建立约束优化模型，进而研究了网络切片中通信与计算资源的联合分配算法。在该算法中，通过牛顿法求解了通信带宽的最优化分配问题，利用改进的隐枚举法求解了计算资源的0-1整数规划问题，并通过两种方法循环迭代求解出最佳的通信与计算资源联合分配方案。最后仿真结果表明，本文所研究的算法能够以更少的通信和计算资源消耗达到较优的资源利用率，从而验证了算法的有效性与可行性。

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