论文研究-基于RAN模板的5G端到端网络切片实例化模型和部署策略 .pdf

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基于RAN模板的5G端到端网络切片实例化模型和部署策略,韩培,张佳玮,随着4G到5G的演进,移动网络将支持更庞大的移动用户群以及更多样的业务场景。网络切片作为5G网络的关键技术,可以实现5G多种业务场�
武获记文在线 http:/www.paper.edu.cn 功能单元均可通过功能抽象实现云化部署,最大限度地获得资源的复用增益。 12面向5G不同业务场景的端到端网络切片实例化模型 本文提岀了一种基于RAN模板的端到端网络切片实例化模型。RAN模板抽象出了端到 端网络切片的公共组成元素,并利用模板参数反映出面向不冋应场景的切片拓扑属性 85 个端到端络切片实例由若干网络功能单元以及网络功能单元间的链路组成。在端到 端的网络切片中,用户数据需要经力从无线接入树中的AAU、DU、CU到MEC的多级处 理。在5G承载恻络中,恻络流量仍然以南北向流量为主,由前传、中传、回传链路承载。 同吋出于对相邻小区间无缝切换、基站间多点协作传翰(CoMP)等多种5G应用场景的需 求,DU、CU间存在用户面的数据交互。其中,一个DUCU只会与周边相邻小区的DUCU 90 有流量交互的需要。 LC e (x,y1) em(x2, y2) eb(x3, y3) AAU DU CU MEC (DF, Br) (Dm, bm (Dh, B C MEC (Dip, Bip (Dic, Bic) 图1RAN模板 Fig, I RAN temp latc 模板是基于端到端网终中数据处理和流量交工需求,提取出切片网终中的公共网元, 95 以类似图形同态的形式展现了端到端切片中完整的功能结构。如图1所小,模板拓扑结构中 包含四个逻辑节点,分别对应端到端网络切片实例中AAU、DU、CU、MEC四类网络功能 单元的集合。三条实线连接分别对应切片实例中前传、中传、回传链路集合,两条虚线分别 对应切片实例中DU、CU间链路的集合 模板拓扑包含了切片中网络功能单元集合和它们之间的逻辑连接关系,反映了切片的拓 100 扑结构,是基于端到端网络中公共元素的抽象,但这种抽象本身会丢失大量拓扑结构相关的 信息,缺乏对切片拓扑中节点间连接关系以及节点和链路能力的约朿,因此,仅根据模板拓 扑无法在物理网络上映射出完整的切片。为了进一步完成切片映射,本文引入了模板参数, 在图1中标出。模板参数由拓扑结构参数和节点链路参数组成。以DU为例,表2对参数进 行了解释说明。 105 拓扑结构参数用符号变量对模板拓扑中每条边进行了标记,这些符号变量的取值指明了 对可能出现在仟何有效切片网络中的节点和链路的数量约束,对于反映网络的容错率是至关 重要的。拓扑结构参数可以分为两类,第一类包括如参数①所示,用于约束切片拓扑中不同 类k络功能单元节点间的连接关系:第二类包括参数②所小,用于约束切片拓扑中同类型网 络功能单元节点间的连接关系。通过为拓扑结构参数分配不同的值,可以实现只有不同可靠 110 性的端到端网络切片。 表2模板参数 Tab 2 Template Parameters 标号 参数 说明 c(x1y1)X1:一个AAU节点至少与个DU节点相连。 武获记文在线 http:/www.paper.edu.cn y1:AAU节点与个DU节点之间全少有条边不交的前传链路。 每个DU-DU对之间边不交链路的数量。 ②③④⑤ CDU D)U节点处理能力 D 前传锩路距离 D DU间链路距离限制 B 前传链路带宽 B DU间链路带宽 节点链路参数分灲网络功能单元处理能力、链路带宽、铚路距离约束三类。链路距离约 束覆盖前传、中传、回传网段,运营商根据不同应用场景的时延需求控制从用户PDCP层到 115 基站PDCP层的端到端传输延迟。光信号在光纤中每公里的传输时延大约为5us,由此可以 推算出不同应用场景的链路距离限制。3GPP针对eMBB、 URLLO、ⅢMTC场景提出用户面 时延要求参考值,eMBB类业务上下行均为4ms,; URLLO类业务上下行均为0.5ms;mMTC 类业务的时延指标要求相对宽松,约在3~-10ms4。文献针对前传、中传、回传为 URLLO 和eMBB类业务提供了进一步的时延参考 120 网络功能单元处理能力和链路带宽参数与拓扑结构参数以及链路距离参数不同,不是针 对切片实例中同一类网络功能单元或链路集合的统一约束,而是对集合中个体元素的属性描 述,需要结合切片请求中无线侧用户流量负载计算得到。下面给出针对本文应用场景的处理 能丿和带宽计算方式(均考虑上行)。 Cm=romerO BA 11B+C2·- n (1-1) 20 20 25 公式(1-1),(1-2)分别给出DU、CU计算能力与接入节点负载情况n的关系。其 中C1,C2x,C分别代表参考场景下基站频域处理( Frcqucncy- Domain proccss ing,FD), FFC,处理器(CPU)各自所需的计算能力参考值。B,A,na分别代表基站的载波带宽, 天线数量和总RB数。 130 b、NRB. NSym.NAm.N n-B1(1-3) 1000 IPuL (IPokt Hdrppcp) Nul 12596 lP.lP,·N B nk(1-5 125.96 公式(1-3),(1-4),(1-5)分别给出前传、中传、回传带宽与nze的关系。公式出 处及参数取值参考文献和文献S。DUCU间链路带宽通常被认为是前传/中传链路的10% 20% 中国到获记文在线 http:/www.paper.edu.cn 2基于RAN模板的端到端网络切片部署策略 21分级映射算法 基于RAN模板的端到端网络切片分级映射算法核心思想是以网络功能单元集合为单 位,依次映射切片中同类网络功能单元以及相关链路。呹射过程中保证对于同亠个切片,同 140 个数据中心内只会部署一个 DU/CUMEC节点。算法伪代码如下所示 算法1:分级映射算法( Hierarchical Mapping algorithm,HM 输入:切片请求,RAN模板,物理网络状态 输出:端到端网络切片 1根据n对SAc中AAU进行排序 2在物理网络中任意两节点u之间找出K条边不交的备选路径存入集合S" 3 for aaU1∈SMdo 4执行算法1-1DU映射算法 end for 6根据计算能力对S中DU进行排序 7 for DU,∈Sdo 8执行CU映射算法 9 end for 10根据计算能力对S中CU进行排序 1 for CU,∈Sado 12执行MEC映射算法 13 end for 14网络切片映射成功 算法流程可以分解为:首先按照切片请求卬无线侧流量负载情況对AA节点进行降序 排序〔第Ⅰ行),之后在物理网终中任意两芍点之间找出K条边不交的备选路径(第2行) 接着遍历切片请求中AAU节点集合,为每个AAU节点执行算法1-1映射DU节点以及相 关的前传和DU间链路(第3-5行)。如果均映射成功,根据计算能力对DU进行降序排序, 45 遍历集合Sυ,为每个DU节点映射对应的CU节点以及中传和CU间链路(第6-9行)。 如果映射成功,根据计算能丿对CU进行降序排序,遍历切片CU节点集合Sa,为每个CU 节点映射相连的MEC节点和回传链路。(第10-13行)。 DU、CU和MEC映射过稈类似,这里选取DU映射算法进行说明,算法伪代码如下所 示。首先结合1.2节中给出的公式计算当前映射的DU节点处坦能力C,前传链路带宽B 150 以及DU间链路带宽B(第1行)。按照公式(3-6)对数据中心进行降序排序(第2行) a=a 该公式综合考虑了前传链路和DU间链路的距离约束以及数据中心剩余处理能力。其中 a是常数,取值范围0<a<1,C表示数据中心d的剩余处理能力,C如表示a的总处理 能力,C/C越大,则认为d剩余资源状况越好。 ag hop计算公式如下 ∑ srMo n hop(p)∑sm 155 vg hop= ),DEsal hop(p) K·|S 武获记文在线 http:/www.paper.edu.cn 在公式(1-7)中,S1表示AAU与d之间备选路径的集合。hop(p)表示路径p经过 的节点数量,即跳数。Sz表示与当前映射的DU节点相邻的,已映射到物理网终中的DU 芍点集合,S表示集合中元素的数量。判断DU、CU节点是否相邻主要依据其服务的AAU 芍点间是否存在物理邻接关系。 avg hop表示如果DU部署在数据中心中,该DU与AAU 160 间备选路径的平均跳数加上该DU与已部署的相邻DU间备选路径的平均跳数之和。对于堪 个数据中心来说,aνghop偵越小,表明选取该数据中心部署DU,前传链路和DU间链路 符合RAN模板距离约束的可能性越大 接着依次遍历数据中心集合Nc,首先判断当前数据中心d与5m中每个D之间是否 有大于e条各选路径满足DU间链路的距离限制D和带宽需求Bn(第59行)。如果满 165 足需求,判断d与AAU之间满足前传链路距离约束D和带宽需求B的备选路径数量n是 否不小」y1,d能够部署的DU节点数量m是否不小Jx1。如果满足,则将服务」AAU 的x1个DU同时部署到d中,并映射相应的前传链路及DU间链路(第10-15行) 算法1-1:DU映射算法 输入:切片请求,RAN模板,AAU,与当前映射的DU节点相邻的已映射到物理网络中的DU节点集 合Sm,物理网终状态 输出:与AAU,连接的DU集合,前传链路,DU间链路 1根据公式计算服务丁AU的DU节点处理能力Cm,前传链路带宽β以及DU间链路带宽B 2根据公式(1-6)对M中DC进行排序 4ford∈Ncdo for D0∈Smdo ifd与DU之间的备近路径集合中满足D2≤DD,Bn≥BD路径的数量小 J eip then continue label1 end if end for 10m←Ca/Cd 11n←AAU和d之间的备选路径集合中满是D,≤D,B≥B路径的数量 2ifm≥x1且n≥y1then 13在d屮部署处理能力为x1·C的DU节点。如果d屮已存在属于该切片的DU节点,则为该节点增 加相应的处理能力 14映射前传链路和DU冋链路 15 end if 16 end for 22基于拓扑重构的算法优化策略 在采用基于RAN模板的分级映射算法进行端到端网络切片映射时,经常会发生切片节点或 170 链路无法映射到物理网络中的状况,这时,该算法会直接判定切片映射失败。造成切片映射 失败的原因可能是物理网终中网终資源和计算资源的不满足需求。但是,在一些情况下,物 理网络资源完全满足切片映射的条件,但由于分级映射算法中数据中心排序原则本身的局 限,使得资源没有得到合理的分配,导致切片映射失败。 武获记文在线 http:/www.paper.edu.cn DC-2 Re DU190 MAP conf Cap: 100 DU1 DU2 DC1(4) 5 AAU-2 AAU-1 175 图2拓扑重构实例 Fig 2An example of topology reconfiguration 拓扑重构策略正是在分级映射中发生节点或链路映射失败时生效,核心思想是为之前已映射 成功的节点重新选择其他的数据中心。如图2所示,在为AAU1部署DU到数据中心DC-1 后,DC-1的剩余容量不足以为AAU-2部署DU节点,同时DC-2与AAU-2问的距离不满 180 足前传链路的距离约束。因此,重新配置切片拓扑,选择DC-2为AAU-I分DU1,然后 将AAU-2的DU放置在DC-1中。 3实验仿真与结果分析 31仿真环境与仿真参数 仿真中所有AAU的配置参数一致,载波带宽为100MH,天线采用4×4MMO,总 185 RB数为500,在频域上一个RB的带宽为180kH,时域上包含7个OFDM符号。上行方向 信号调制格式为16QAM.MCS索引为23。物理网络拓扑由GRTM具随机生成,包 含100个接入节点。每对节点以0.3的概率连接。每个接入节点与5个AAU节点相连,每 个AAU与其周边AAU(两个AAU各自连接的接入节点直接相连)有10%的概率邻接。每 条光链路的长度服从[1,10均匀分布,带宽均为100G;bp。物理络中数据中心的数量服从 190 [20,30]离散均匀分布。本仿真基于动态业务场景,网络切片请求到达率入服从泊松分布, 切片的服务时间μ服从指数分布,半均服务时间为4000个时间单位。切片请求的数量设定 为10000,类型包括 URLLC和eMBB(mMTC相关参数标准尚未完善)。切片请求覆盖范 用中AAU节点的数量服从[3,10]均匀分布,切片无线侧负载n服从高斯分布, URLLO类 切片均值为50,eMBB类切片均值为300。不同类型网络切片对应RAN模板参数如表3所 195 示。公式(1-6)中,常数a取值0.5。 表3仿真模板参数 Tab 3 Temp late Parameters for simulation RAN模板参数e/(1y1)en(x2y2)e(x3y3)eme D MBB (1,1 (1,1) 2020020020200 URLLC (22) (2,2) 20 32仿真结果与分析 本仿真首先验证了基于RAN模板的HM算法可以完成端到端网络切片的映射,并显示 200 不同类型切片的网络性能特性。图3(a)对比了随沇量负载的增长,两类切片平均端到端 传输吋延切片的变化情况。可以看出 URLLO切片的平均时延始终要小于eMBB类切片。这 是由于RAN模板中对 URLLO前传、中传、回传链路的距离约束更严格。图3(b)对比了 两类切片故障率随物理链路炇障率増长的变化情况ε如果物理链路妆障导致切片端到端传输 武获记文在线 http:/www.paper.edu.cn 中断,则认为该切片发生故障。从曲线可以看出,随着链路故障率的增髙,两类切片的故障 205 率均出现上升,但U肷LLC类切片曲线的上升更缓慢。说明通过调节拓扑结构参数的值,可 以改变切片的可靠性。 一 URLLC eMBB ▲eMB日 30 四02 2 00 0.01 04005 006 Slice number Link failure ratio (%) 图3分级映射算沄仿真结构:(a)平均传输时延;(b)平均切片故障率 Fig 3 Simu lation results of II: (a)Average transport latency; (b) Average slice failure radio 210 图4展示了采用拓扑重构策略对算法进行优化后,算法性能的提升。从图中可以看出, 基于拓扑重构的分级映射算法(HMR)的切片请求阻塞率始终低于HM算法,且随着流量 负载的埤加,HMR的性能优势就越明显 ·HMR 爸02 Load(Rangs 图4切片请求阻塞率与流量负载的关系 215 Fig 4 relationship bet ween slice request blocking rate and traffic lo ads 4结论 本文提出了一种基于RAN模板的端到端网络切片构建模型。从端到端网络架构和5G 业务场景网络性能特征入手,提出了面问不同业务场景的端到端网络切片实例化模型 RAN模板。在此基础上,本文设计了一种启发式算法,并提出了相应的优化策略。仿真结 220 果验证了启发式算法和优化策略的有效性。 参考文献]( References) 1] Andersen D g. 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