面向B5G和6G的邊緣計算與網(wǎng)絡(luò)切片資源管理

孫茜，田霖，周一青，馮晨，王園園，周繼華

（1.移動計算與新型終端北京市重點實驗室，北京 100190； 2.中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所無線通信技術(shù)研究中心，北京 100190； 3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 101408；4.重慶金美通信有限責(zé)任公司，重慶 400030）

1 引言

隨著以自動駕駛為代表的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、以虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實為代表的視頻業(yè)務(wù)、以遠程醫(yī)療為代表的智慧生活業(yè)務(wù)等的涌現(xiàn)，5G以及未來6G時代中時延敏感的計算密集型任務(wù)將呈指數(shù)級增長。由于計算能力有限的移動設(shè)備無法完成上述低時延應(yīng)用的計算需求[1]，因此將計算任務(wù)卸載到邊緣進行處理[2]。移動邊緣計算（mobile edge computing，MEC）利用位于移動通信網(wǎng)絡(luò)邊緣的計算資源，對復(fù)雜任務(wù)進行分布式處理，以提升網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力，提供低時延、高容量的計算服務(wù)[3]。未來5G、B5G（beyond 5G，后5G）甚至6G網(wǎng)絡(luò)將利用網(wǎng)絡(luò)切片為差異化的通信業(yè)務(wù)提供服務(wù)，具體是：基于個性化服務(wù)需求為不同垂直行業(yè)、不同客戶、不同業(yè)務(wù)提供能力可定制的、相互隔離的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，是一個提供特定網(wǎng)絡(luò)能力和特性的邏輯網(wǎng)絡(luò)[4-5]，如圖1所示。未來5G/6G的網(wǎng)絡(luò)切片將共享無線與邊緣計算資源為時延敏感、計算密集型應(yīng)用提供服務(wù)，因此面向網(wǎng)絡(luò)切片的無線與計算資源管理是關(guān)鍵問題之一。

圖1 網(wǎng)絡(luò)切片資源共享示意圖

2 網(wǎng)絡(luò)切片生命的資源管理需求

網(wǎng)絡(luò)切片在蜂窩網(wǎng)絡(luò)軟件定義與虛擬化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了整個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)定制化。網(wǎng)絡(luò)切片作為提供服務(wù)的方式可以應(yīng)用于多種垂直行業(yè)，根據(jù)應(yīng)用場景、業(yè)務(wù)類型按需提供網(wǎng)絡(luò)能力，切片間相互隔離、互不干擾。為此，網(wǎng)絡(luò)切片運營商與用戶之間商定服務(wù)等級協(xié)議，在服務(wù)等級協(xié)議（service level agreement，SLA）中包括基本屬性（如安全性、可管理性、可用性等）、詳細的業(yè)務(wù)屬性（如切片類型、空口參數(shù)、差異化網(wǎng)絡(luò)功能等）以及性能要求（如時延、吞吐率、丟包率等），通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)的虛擬化與物理功能的差異化剪裁與配置有效保證網(wǎng)絡(luò)切片的SLA。根據(jù)第三方服務(wù)提供商/運營商的需求，建立相對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)切片，通過網(wǎng)絡(luò)切片管理器對生成的網(wǎng)絡(luò)切片進行管理。網(wǎng)絡(luò)切片管理器從邏輯上為網(wǎng)絡(luò)切片分配所需的基站功能模塊、核心網(wǎng)功能模塊、無線與邊緣計算資源等。網(wǎng)絡(luò)切片動態(tài)地共享虛擬和/或物理功能模塊，根據(jù)需求特點對功能模塊的能力進行定制化配置，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)切片資源分配算法將無線頻譜與邊緣計算資源合理地分配給相應(yīng)的切片，網(wǎng)絡(luò)切片的資源虛擬化架構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)切片的資源虛擬化架構(gòu)示意圖

網(wǎng)絡(luò)切片的生命周期包含網(wǎng)絡(luò)切片接入與生成、網(wǎng)絡(luò)切片運行和網(wǎng)絡(luò)切片終止3個階段[6-7]，其中對資源管理的需求具體如下。

（1）網(wǎng)絡(luò)切片接入與生成階段

根據(jù)業(yè)務(wù)需求得到網(wǎng)絡(luò)切片的資源需求，運營商判斷是否有足夠的空余資源構(gòu)建該網(wǎng)絡(luò)切片：如果有，則接入網(wǎng)絡(luò)切片；否則拒絕接入該網(wǎng)絡(luò)切片。運營商維護和更新一個網(wǎng)絡(luò)切片模板庫，新業(yè)務(wù)上線的第一步是匹配相適應(yīng)的切片模板，匹配項包括虛擬網(wǎng)絡(luò)功能組件、組件間標準化交互接口和所需網(wǎng)絡(luò)資源的描述。當決定接入某網(wǎng)絡(luò)切片時，運營商生成該網(wǎng)絡(luò)切片，即進行實例化。網(wǎng)絡(luò)切片實例化時服務(wù)引擎導(dǎo)入模板并解析，通過接口向基礎(chǔ)設(shè)施提供商租用網(wǎng)絡(luò)資源，基于業(yè)務(wù)需求實例化 VNF 并進行服務(wù)功能鏈的生成與編排，最后將網(wǎng)絡(luò)切片遷移到運行態(tài)。其中涉及的資源管理為：根據(jù)業(yè)務(wù)需求得到網(wǎng)絡(luò)切片的資源需求，系統(tǒng)為基于模板生成網(wǎng)絡(luò)切片并基于資源需求預(yù)分配資源，網(wǎng)絡(luò)切片的資源管理需要能夠得到網(wǎng)絡(luò)切片所需的無線與計算資源需求的平均數(shù)值，并據(jù)此完成網(wǎng)絡(luò)切片資源的預(yù)分配。

（2）網(wǎng)絡(luò)切片運行階段

系統(tǒng)對切片的運行狀態(tài)進行監(jiān)控、更新、遷移、擴/縮容等操作，此外系統(tǒng)還支持根據(jù)業(yè)務(wù)負載變化進行快速業(yè)務(wù)重部署和資源重分配。對于無線與邊緣計算資源，系統(tǒng)需要提供高效的動態(tài)資源分配。對于無線協(xié)議處理資源，需要在物理資源池上切分出多個邏輯的資源集合。

（3）網(wǎng)絡(luò)切片終止階段

主要涉及業(yè)務(wù)下線時功能的去實例化和資源的回收，以及對資源進行評級、生成歷史記錄等操作，一個網(wǎng)絡(luò)切片的終止不能影響其他切片業(yè)務(wù)的正常服務(wù)。

在網(wǎng)絡(luò)切片生命周期的資源管理中有3個需求，具體為：（1） 網(wǎng)絡(luò)切片的接入與生成階段，系統(tǒng)通過判斷是否有足夠的空余資源構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)切片決策是否接入該切片，因此需要預(yù)估網(wǎng)絡(luò)切片的平均無線與計算資源需求；（2）網(wǎng)絡(luò)切片運行階段，需要系統(tǒng)為網(wǎng)絡(luò)切片、網(wǎng)絡(luò)切片為終端動態(tài)高效地分配無線與計算資源；（3）網(wǎng)絡(luò)切片終止階段，由于邊緣計算業(yè)務(wù)需要先通過無線傳輸給邊緣計算服務(wù)器后再進行計算處理，因此無線傳輸性能將制約邊緣計算性能乃至網(wǎng)絡(luò)切片的整體性能，面向網(wǎng)絡(luò)切片需要設(shè)計鼓勵網(wǎng)絡(luò)切片與終端參與協(xié)作的激勵機制。針對網(wǎng)絡(luò)切片的生命周期的資源管理中的3個需求，后文總結(jié)了當前已經(jīng)開展的網(wǎng)絡(luò)切片接入控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)切片資源分配技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)切片激勵終端協(xié)作技術(shù)。

3 網(wǎng)絡(luò)切片接入控制技術(shù)

在網(wǎng)絡(luò)切片接入與生成階段，系統(tǒng)需要網(wǎng)絡(luò)切片的平均無線資源和邊緣計算資源需求，以便于判斷是否有足夠的空余資源生成該網(wǎng)絡(luò)切片[3-4]。若系統(tǒng)有足夠的空余資源滿足該網(wǎng)絡(luò)切片的平均資源需求，則系統(tǒng)接入該網(wǎng)絡(luò)切片，并按照需求生成該網(wǎng)絡(luò)切片，否則系統(tǒng)拒絕接入該網(wǎng)絡(luò)切片。針對網(wǎng)絡(luò)切片僅提供無線傳輸服務(wù)的情況，現(xiàn)有研究提出了許多方案研究網(wǎng)絡(luò)切片的無線資源平均需求與無線頻譜資源的預(yù)設(shè)定。

為了支持更豐富的服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS），網(wǎng)絡(luò)切片可規(guī)定多樣化的資源需求。對于網(wǎng)絡(luò)切片的無線資源需求，具有代表性且研究中廣泛應(yīng)用的是無線傳輸速率和無線資源量[4-6]。當采用無線傳輸速率作為無線資源需求時，規(guī)定網(wǎng)絡(luò)切片無線傳輸速率需求的具體數(shù)值，系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)的無線傳輸速率值為其提供無線資源，此種方式配置的網(wǎng)絡(luò)切片適用于有固定無線傳輸速率要求的業(yè)務(wù)（如IP語音傳輸?shù)龋划敳捎脽o線資源量作為無線資源需求時，規(guī)定網(wǎng)絡(luò)切片所需無線資源量的絕對值（如5 Mbit/s帶寬）或者相對值（如系統(tǒng)帶寬的30%），系統(tǒng)據(jù)此將累計滿足需求量的無線資源動態(tài)或者固定地分配給網(wǎng)絡(luò)切片，此種方式配置的網(wǎng)絡(luò)切片適用于構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)，即虛擬網(wǎng)絡(luò)運營商利用分配到的網(wǎng)絡(luò)資源構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)，同時提供語音、數(shù)據(jù)、視頻等多類型的通信業(yè)務(wù)服務(wù)。對于網(wǎng)絡(luò)切片的計算資源需求，目前還沒有相關(guān)研究，但在現(xiàn)有面向終端用戶的邊緣計算資源分配研究中，一般會給定需要處理的數(shù)據(jù)量/計算量，數(shù)據(jù)是固定、按照某種規(guī)律達到的[3,8-10]或者是突發(fā)的[11]，面向處理數(shù)據(jù)量/計算量，實時在線分配無線與計算資源。

上述網(wǎng)絡(luò)切片的無線資源需求未考慮與計算資源的耦合關(guān)系，邊緣計算服務(wù)需求是從業(yè)務(wù)的角度在線實時調(diào)整，無法提供資源需求的具體數(shù)值。為了解決這一問題，提出了基于多隊列模型研究無線傳輸速率波動情況下網(wǎng)絡(luò)切片的平均無線與計算資源需求的耦合與置換關(guān)系。如圖3所示，假設(shè)每個網(wǎng)絡(luò)切片有兩個先入先出（first input first output，F(xiàn)IFO）串聯(lián)隊列，分別為無線傳輸隊列和MEC計算隊列，網(wǎng)絡(luò)切片的待卸載邊緣計算任務(wù)在無線傳輸隊列中排隊傳輸給AP，AP直接通過有線方式傳輸給MEC服務(wù)器，計算任務(wù)在MEC計算隊列中排隊等待計算處理。

圖3 網(wǎng)絡(luò)切片邊緣計算卸載任務(wù)的隊列模型

所以在給定邊緣計算任務(wù)，并給出了網(wǎng)絡(luò)切片所需的平均無線與計算資源時，以最大化系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)切片數(shù)為目標，可以建模出網(wǎng)絡(luò)切片的接入控制問題，以實現(xiàn)系統(tǒng)資源的高效利用，提升系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)切片的接入能力[12]。無業(yè)務(wù)突發(fā)場景JMCR算法與對比算法的切片總數(shù)與系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)切片數(shù)的關(guān)系如圖4所示，將該文提出的JMCR算法和Com1、Com2算法進行了對比，顯然引入了無線與計算資源的置換關(guān)系的JMCR算法可以服務(wù)更多的網(wǎng)絡(luò)切片，使系統(tǒng)獲得了更大的接入網(wǎng)絡(luò)切片數(shù)目。

圖4 無業(yè)務(wù)突發(fā)場景JMCR算法與對比算法的切片總數(shù)與系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)切片數(shù)的關(guān)系

4 網(wǎng)絡(luò)切片資源分配技術(shù)

未來移動通信網(wǎng)絡(luò)將構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)切片提供數(shù)據(jù)無線傳輸與邊緣計算服務(wù)，在網(wǎng)絡(luò)切片運行的過程中，無線與計算資源由系統(tǒng)先分配給網(wǎng)絡(luò)切片再被網(wǎng)絡(luò)切片中的終端共享，因此有效分配無線與計算資源很重要。

4.1 網(wǎng)絡(luò)切片無線資源分配

現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)切片資源管理架構(gòu)范式為網(wǎng)絡(luò)虛擬基片（network virtualization substrate，NVS），由切片層與終端層構(gòu)成，其中切片層完成面向網(wǎng)絡(luò)切片的資源分配，終端層完成各網(wǎng)絡(luò)切片內(nèi)部面向終端用戶的資源分配[13]。因為面向終端層的資源分配可采取傳統(tǒng)非切片網(wǎng)絡(luò)中的方法（如比例公平算法、輪詢算法等），大多數(shù)研究關(guān)注切片層的資源分配，設(shè)計滿足網(wǎng)絡(luò)切片資源需求的資源分配方法。

為此，當前的網(wǎng)絡(luò)切片無線資源分配技術(shù)從參數(shù)設(shè)定和資源分配算法設(shè)計兩個方面展開。針對網(wǎng)絡(luò)切片無線資源分配參數(shù)設(shè)定，首先在LTE網(wǎng)絡(luò)中研究了基于預(yù)留的切片層無線資源分配機制，當新切片接入時若空閑預(yù)留資源或剩余資源能夠滿足其需求則接入并其按需求分配資源，否則拒絕[14]。進而，研究了面向多網(wǎng)絡(luò)切片的接入網(wǎng)協(xié)議層二和層三的差異化參數(shù)配置，通過個性化配置網(wǎng)絡(luò)切片資源使用參數(shù)配置和可用資源參數(shù)配置實現(xiàn)差異化網(wǎng)絡(luò)切片務(wù)質(zhì)量保障，闡明網(wǎng)絡(luò)切片無線資源分配參數(shù)配置對網(wǎng)絡(luò)切片的服務(wù)能力定制化與服務(wù)質(zhì)量保障的影響[15]。針對資源分配算法設(shè)計，首先基于對網(wǎng)絡(luò)切片的資源利用率，利用線性規(guī)劃方法對網(wǎng)絡(luò)切片進行動態(tài)資源調(diào)整，低資源利用率的網(wǎng)絡(luò)切片向高資源利用率的切片提供資源[16]。然后，面向超可靠低時延通信（ultra-reliable and low-latency communication，uRLLC）切片、IoT（internet of thing，物聯(lián)網(wǎng)）切片和增強型移動寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）切片的差異化QoS要求，研究了網(wǎng)絡(luò)切片間和切片內(nèi)的無線資源分配算法，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)整體利用率的提高[17]。同時，針對云接入網(wǎng)研究了基于終端用戶和切片的雙優(yōu)先級的無線資源分配機制，以實現(xiàn)更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和QoS性能[18]。此外，針對霧接入網(wǎng)，基于匈牙利算法、線性整數(shù)規(guī)劃以及幾何規(guī)劃提出了網(wǎng)絡(luò)資源緩存策略以減小網(wǎng)絡(luò)切片時延以及優(yōu)化無線資源動態(tài)分配[19]。

上述研究大多基于優(yōu)化理論，此外面向網(wǎng)絡(luò)切片的無線資源管理可基于機器學(xué)習(xí)[20]、博弈論[21]、拍賣模型[22]、廣義速率調(diào)度[23]、合同理論[24]和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論[25]等開展。

當前的網(wǎng)絡(luò)切片無線資源分配獨立進行而未考慮與計算資源的耦合關(guān)系，而面向邊緣計算的網(wǎng)絡(luò)切片需要利用無線資源將計算業(yè)務(wù)傳輸?shù)竭吘壏?wù)器后再進行計算處理，因此，無線資源與計算資源的分配需要聯(lián)合考慮。

4.2 網(wǎng)絡(luò)切片計算資源分配

雖然目前沒有針對網(wǎng)絡(luò)切片的邊緣計算資源分配研究，但針對無切片網(wǎng)絡(luò)的邊緣計算分配已經(jīng)開展了大量的研究。面向單小區(qū)多終端用戶場景[8]、多小區(qū)單終端用戶場景[9]、多小區(qū)多終端用戶場景[10]，通過卸載決策和計算資源分配最小化時延和/或能源消耗[26]。為獲得更短的平均執(zhí)行時延，允許在移動設(shè)備和邊緣計算服務(wù)器上并行執(zhí)行計算任務(wù)，移動設(shè)備的計算任務(wù)可跨越多無線信道傳輸、跨多個邊緣計算服務(wù)器處理，并提出了一種基于馬爾可夫決策方法的計算任務(wù)調(diào)度和邊緣計算資源分配策略[27]。考慮系統(tǒng)的能源消耗的約束，結(jié)合負載均衡思想，研究了邊緣節(jié)點協(xié)同處理計算任務(wù)，同時有效降低計算任務(wù)在邊緣服務(wù)器中的排隊時延，從而提升邊緣計算性能[28]。上述研究中僅涉及計算資源分配，沒有考慮無線資源分配。

為此，針對邊緣計算與無線資源聯(lián)合分配開展了進一步研究[8,11,29-31]。考慮無線和計算資源，基于移動網(wǎng)絡(luò)的流量分布不均勻的特征，提出了一種基于睡眠控制的在線優(yōu)化策略，以解決MEC服務(wù)器計算任務(wù)卸載的問題。并采用Lyapunov技術(shù)進一步優(yōu)化了該問題的求解過程，從而在降低MEC服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)的長期能耗的同時也可以保持較低的系統(tǒng)時延[11]。在多小區(qū)場景中，根據(jù)終端的支付能力或工作類型為其設(shè)置卸載優(yōu)先級，建模了具有固定任務(wù)卸載決策的資源分配問題，利用凸優(yōu)化技術(shù)對此類混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題進行求解，實現(xiàn)了系統(tǒng)效益最大化[29]。在MIMO（multi-input multi-output，多輸入多輸出）多小區(qū)場景中，系統(tǒng)將無線和計算資源的聯(lián)合分配建模成優(yōu)化問題，提出基于云管理器與基站交換信息的最優(yōu)無線和計算資源分配方案，在單終端用戶場景下計算出封閉形式的全局最優(yōu)解，在多終端用戶場景下采用基于服務(wù)組件架構(gòu)的集中式和分布式算法得到局部最優(yōu)解[30]。為防止傳輸干擾和MEC服務(wù)器過載，選擇部分移動終端卸載其計算，其他終端則在本地執(zhí)行計算，根據(jù)終端不同的需求分配相應(yīng)的計算和無線資源，通過采用基于交替方向乘子法的優(yōu)化算法解決計算卸載、計算和無線資源分配及內(nèi)容緩存問題[31]。上述研究中的計算與無線資源分配為靜態(tài)的，根據(jù)初始的資源請求為終端分配固定量的計算與無線資源。靜態(tài)機制的無線與計算資源分配方法雖然復(fù)雜度低，但靈活性差、資源效率與用戶體驗差。

針對靜態(tài)機制的計算與無線聯(lián)合資源分配存在的問題，對動態(tài)機制的計算與無線資源聯(lián)合分配展開了研究，根據(jù)終端/業(yè)務(wù)的動態(tài)資源需求實時按需分配資源[32-35]。在要求密集計算、實時響應(yīng)但又資源受限的場景中，提出了聯(lián)合無線與計算資源分配的框架，基于此框架研究了在QoS約束下的卸載決策和在最小資源占用約束條件下的無線與計算資源聯(lián)合分配，可以滿足不同移動終端的豐富需求[32]。針對小蜂窩網(wǎng)絡(luò)場景，由于多終端同時卸載計算任務(wù)將帶來無線干擾，降低無線傳輸速率，為此研究計算卸載和干擾管理問題，根據(jù)終端計算開銷和卸載開銷的估計值作出卸載決策，通過圖著色進行物理資源塊（physical resource block，PRB）分配，依據(jù)決策結(jié)果和PRB分配結(jié)果分配計算資源[33]。為平衡無線與計算資源的使用，提出一種基于深度強化學(xué)習(xí)的智能無線與計算資源分配方案，可在不同MEC條件下改進資源分配策略，實現(xiàn)資源的自適應(yīng)分配[34]。在移動設(shè)備能力有限但其計算需求不斷增長的場景中，提出由傳輸隊列和計算處理隊列組成的兩級串聯(lián)隊列建模無線傳送與計算處理，推導(dǎo)MEC服務(wù)器的有效容量，分析在端到端時延方面無線和計算資源之間的內(nèi)在關(guān)系，并制定了無線和計算資源的聯(lián)合分配方案以使網(wǎng)絡(luò)總收益最大化，進而采用交替方向乘數(shù)法（alternating direction method of multipliers，ADMM）對無線與計算資源聯(lián)合分配方案進行求解[35]。動態(tài)機制的計算與無線資源聯(lián)合分配方法雖然靈活且資源效率高、用戶體驗好，但是算法的復(fù)雜度較高。

為了解決動態(tài)機制的資源分配方法復(fù)雜度高的問題，參考文獻[36-37]對低復(fù)雜度的資源分配方法開展研究。在無彈性計算任務(wù)的場景中，提出了一種多終端用戶的無線資源和計算資源分配方案，設(shè)計不可忽略任務(wù)執(zhí)行時間的計算模型，建模系統(tǒng)消耗能源最小的多終端計算與無線資源聯(lián)合分配問題，并利用Johnson算法求解，算法復(fù)雜度為計算任務(wù)隊列的平方到三次方之間[36]。針對集中化無線電接入網(wǎng)（centralized RAN，C-RAN）場景，設(shè)計可以動態(tài)聯(lián)合調(diào)度無線資源和MEC計算資源的框架，基于擴展的Lyapunov技術(shù)設(shè)計出作業(yè)可變長度算法，在保持系統(tǒng)穩(wěn)定的同時達到接近最優(yōu)的平均時間收益，計算復(fù)雜度接近終端數(shù)目的平方[37]。針對冗余性和動態(tài)性的計算業(yè)務(wù)，研究聯(lián)合有線和無線鏈路上MEC選擇和路由優(yōu)化，提出一種基于博弈論的低復(fù)雜度的資源分配算法，最小化MEC網(wǎng)絡(luò)的能量消耗和平均響應(yīng)時間，鑒于實際情況下重路由帶來的成本，又提出一種基于β改進偏差的快速收斂算法，通過建立屏障減小重路由收斂速度提高30%以上[38]。上述研究中雖然降低了動態(tài)機制的計算與無線資源聯(lián)合分配算法的復(fù)雜度，但無法直接應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)切片的場景中。現(xiàn)有面向終端展開的研究是單層的無線與計算的資源分配，網(wǎng)絡(luò)切片場景中系統(tǒng)需要將資源先分配給切片層再分配給終端層，由于切片層的資源需求受到終端層的影響，兩層的資源分配需要聯(lián)合進行。

現(xiàn)有的基于靜態(tài)機制的無線與計算資源聯(lián)合分配方法雖然復(fù)雜度較低但不靈活，這將導(dǎo)致資源浪費或用戶體驗差；現(xiàn)有的基于動態(tài)機制的無線與計算資源聯(lián)合分配方法高效且靈活，但具有很高的復(fù)雜性。現(xiàn)有低復(fù)雜度的單層資源分配動態(tài)機制，無法直接應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)切片場景中。因此面向網(wǎng)絡(luò)切片研究低復(fù)雜度的無線與計算資源分配，針對網(wǎng)絡(luò)切片資源需求為其服務(wù)的多終端資源需求的疊加這一特征，設(shè)計了半動態(tài)的無線與計算資源分配機制，即SD-CRA。即在每個分配周期間，分配給網(wǎng)絡(luò)切片的無線與邊緣計算資源動態(tài)調(diào)整。網(wǎng)絡(luò)切片共享MEC資源示意圖如圖5所示，其中虛擬MEC（virtual MEC，VMEC），表示用于一個網(wǎng)絡(luò)切片的MEC計算資源，可能由一個或多個MEC服務(wù)器的部分或全部計算資源組成。

圖5 網(wǎng)絡(luò)切片共享MEC資源示意圖

在SD-CRA機制中，僅在更新周期間系統(tǒng)會更新分配給網(wǎng)絡(luò)切片的無線與計算資源，在SD-CRA機制周期內(nèi)無線與計算資源靜態(tài)地分配給網(wǎng)絡(luò)切片，同時在SD-CRA機制更新周期內(nèi)網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)的終端用戶動態(tài)共享網(wǎng)絡(luò)切片分配到的無線與計算資源，實現(xiàn)了面向網(wǎng)絡(luò)切片的低復(fù)雜度與高效率的無線與計算資源分配[39]。網(wǎng)絡(luò)切片VMEC負載率與數(shù)據(jù)量之間的關(guān)系如圖6所示，在復(fù)雜性和效率方面，將提出的SD-CRA機制算法與一種靜態(tài)算法STA和一種動態(tài)算法DYA進行了比較。其中，WCE表示信道容量非受限下的無線與計算資源聯(lián)合分配算法，MCA表示信道容量受限下以最小化VMEC的計算資源為目標的資源分配算法，MTA表示信道容量受限下以最大化VMEC的總無線吞吐量為目標的資源分配算法。可以看出SD-CRA機制算法比STA的效率（負載率）要高，比DYA的復(fù)雜性低。

圖6 網(wǎng)絡(luò)切片VMEC負載率與數(shù)據(jù)量之間的關(guān)系

5 網(wǎng)絡(luò)切片激勵終端協(xié)作技術(shù)

5G移動通信網(wǎng)絡(luò)通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)切片提供差異化的服務(wù)，由于視頻回傳、遠程控制等多種場景需要邊緣計算，5G網(wǎng)絡(luò)切片將包含無線與計算資源。因為邊緣計算業(yè)務(wù)需要先通過無線傳輸?shù)?邊緣計算服務(wù)器再進行計算處理，因此無線傳輸能力將通過制約計算能力影響網(wǎng)絡(luò)切片的服務(wù)能力。為此網(wǎng)絡(luò)切片無線傳輸能力提升技術(shù)的研究十分重要。通過網(wǎng)絡(luò)切片間的終端用戶協(xié)作，即通過某一網(wǎng)絡(luò)切片的終端用戶為另一網(wǎng)絡(luò)切片的終端用戶做D2D中繼，提升部分終端用戶的無線傳輸能力，進而提升網(wǎng)絡(luò)切片的無線傳輸能力。在網(wǎng)絡(luò)切片間終端用戶 D2D 協(xié)作中，需要在網(wǎng)絡(luò)切片間、網(wǎng)絡(luò)切片與其服務(wù)的終端用戶間、協(xié)作與被協(xié)作的終端用戶間交互控制和/或數(shù)據(jù)信息，而考慮網(wǎng)絡(luò)切片與終端用戶的自私性，需要設(shè)計激勵機制，鼓勵網(wǎng)絡(luò)切片與終端用戶提供協(xié)作。

雖然沒有針對基于網(wǎng)絡(luò)切片的終端協(xié)作激勵的研究，但是針對無切片網(wǎng)絡(luò)的終端協(xié)作激勵已經(jīng)展開了大量的研究，主要分為從用戶終端角度出發(fā)進行研究和從整體網(wǎng)絡(luò)角度出發(fā)進行研究。從用戶終端角度出發(fā)的包括：以提高協(xié)作與被協(xié)作終端用戶的吞吐量為目標，針對無線信道質(zhì)量較差的終端用戶，提出的一種激勵性資源分配方案，通過引入能量效率作為激勵參數(shù)來激勵終端用戶之間的協(xié)作，設(shè)計了一種二維搜索方法解決雙終端用戶案例問題[40]；以終端用戶體驗質(zhì)量最大化為目標，針對長期演進（long term evolution，LTE）的演進（LTE-advanced，LTE-A）網(wǎng)絡(luò)中的D2D通信，提出的一種基于資源交換的協(xié)作激勵內(nèi)容分發(fā)策略，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和終端用戶的意見評分構(gòu)造加權(quán)有向圖，由于每個節(jié)點都要向其他節(jié)點發(fā)送內(nèi)容以獲得所需的內(nèi)容，從而激勵終端用戶相互協(xié)作的共享內(nèi)容，增強系統(tǒng)的魯棒性[41]。從整體網(wǎng)絡(luò)角度出發(fā)的包括：以最大限度地提高移動運營商的效用為目標，采用D2D協(xié)作數(shù)據(jù)卸載技術(shù)，提出的一種集中式緩存的激勵機制，激勵終端參與協(xié)作數(shù)據(jù)的流量加載，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于反向拍賣理論建模緩存終端選擇和內(nèi)容分配問題，根據(jù)終端將租用的存儲空間大小和承諾的協(xié)作行為選擇合適的終端[42]；以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能量效率最大化為目標，為降低在D2D多播內(nèi)容共享場景中的傳輸能耗，提出的一種基于社會關(guān)系信息的激勵機制，即通過社會關(guān)系網(wǎng)對終端進行聚類，作為簇頭的終端用戶將承擔(dān)計算任務(wù)，而其他終端用戶則根據(jù)相應(yīng)的社會關(guān)系信息義務(wù)性或有回報地幫助簇頭將內(nèi)容傳送到目標終端用戶[43]。另外為防止資源被分配給沒有為協(xié)作做出貢獻的終端用戶，參考文獻[44]提出一種基于虛擬貨幣系統(tǒng)的激勵方案，為每一個終端用戶設(shè)置虛擬貨幣賬戶，貨幣可以用于購買其他終端用戶的協(xié)作服務(wù)，通過采用兩級Stackelberg博弈模型，考慮內(nèi)容請求者、協(xié)作中繼終端用戶和內(nèi)容源的收益。

以上這些激勵機制通常是通過為終端用戶設(shè)置虛擬標簽（如虛擬現(xiàn)金和聲譽）來反映中繼終端用戶的協(xié)作利益，系統(tǒng)將根據(jù)終端用戶的虛擬標簽來分配資源，以激勵終端用戶主動為其他終端用戶提供協(xié)作[40-41,44-45]，部分激勵機制利用社會關(guān)系信息鼓勵終端用戶參與合作，利用社會學(xué)中的同質(zhì)現(xiàn)象，終端用戶之間根據(jù)親密性互相幫助傳送內(nèi)容[41-46]。因此，理性的終端用戶會考慮他們未來被協(xié)作的好處，同時會得到與其他終端用戶協(xié)作的獎勵[40,47-48]。然而現(xiàn)有的D2D協(xié)作通信激勵方案不能直接推廣到切片網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作，因為在雙層體系結(jié)構(gòu)中，首先將資源分配給切片，然后在其所服務(wù)的終端用戶之間進行分配，因此作為獎賞而分配給中繼移動終端（mobile terminal，MT）用戶的資源應(yīng)該提前分配給切片。因此面向網(wǎng)絡(luò)切片需要設(shè)計雙層的激勵D2D協(xié)作的資源分配方法，將提出其建模為兩個無線資源分配的最大化效用函數(shù)問題，在優(yōu)化問題的效用函數(shù)中分別引入了網(wǎng)絡(luò)切片和終端用戶的協(xié)作行為。其以下行數(shù)據(jù)傳輸場景為主要研究目標，一個AP服務(wù)G個切片示意圖如圖7所示，數(shù)據(jù)由共享AP通過下行無線鏈路發(fā)送給移動終端用戶，并假設(shè)無線頻譜資源以TDMA模式共享。

圖7 一個AP服務(wù)G個切片示意圖

當為提供協(xié)作的切片與終端分配更多的無線資源時，效用函數(shù)會倍增，從而將更多的資源作為獎勵分配給協(xié)作的切片和終端用戶，由于網(wǎng)絡(luò)切片和終端用戶的瞬時資源分配不能通過兩個優(yōu)化問題得到，進而設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)切片和終端用戶的激勵調(diào)度算法，并定義隔離度指標以評估執(zhí)行協(xié)作時的網(wǎng)絡(luò)切片的隔離性能[49-50]。如圖8所示，可以看到隔離度在系統(tǒng)以非協(xié)作模式（non-cooperative mode，NCM）運行時中較差，而在系統(tǒng)以切片協(xié)作模式（slice cooperation mode，SCM）運行中得到了改進。

圖8 網(wǎng)絡(luò)切片隔離指數(shù)

6 開放研究方向

（1）網(wǎng)絡(luò)切片的資源隔離性能與資源復(fù)用之間的折中關(guān)系研究

5G以及B5G通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)切片提供差異化的服務(wù)，由于網(wǎng)絡(luò)切片間共享的資源與基礎(chǔ)設(shè)施，通過資源復(fù)用，可有效降低建設(shè)與運維成本，提供網(wǎng)絡(luò)的靈活性。與此同時，為保障網(wǎng)絡(luò)切片的服務(wù)質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)切片間資源的隔離是一個重要的問題。然而網(wǎng)絡(luò)切片的資源復(fù)用與隔離是一對相互矛盾的性能指標，如何建模多切片系統(tǒng)的復(fù)用性能和隔離性能、推導(dǎo)兩者之間的制約機理是一個復(fù)雜的問題。可對多切片系統(tǒng)的復(fù)用性能和隔離性能進一步建模，分析推導(dǎo)多切片系統(tǒng)的復(fù)用性能和隔離性能折中機理，這對多切片系統(tǒng)的資源高效管理、服務(wù)質(zhì)量保障具有重要意義。

（2）基于隔離性能的網(wǎng)絡(luò)切片資源管理研究

由于隔離性能是網(wǎng)絡(luò)切片的關(guān)鍵性能，且隔離性能中包含了網(wǎng)絡(luò)切片中切片層與終端層的各類性能參數(shù)的滿足情況，如何保障網(wǎng)絡(luò)的隔離性能是網(wǎng)絡(luò)切片的重要問題。而當前網(wǎng)絡(luò)切片資源管理方法研究中幾乎沒有考慮網(wǎng)絡(luò)切片隔離性能的量化度量以及網(wǎng)絡(luò)切片隔離性能保障的資源管理，而網(wǎng)絡(luò)切片的隔離性能由于涉及切片層與終端層雙層以及多類別的參數(shù)，如何建模隔離性能參數(shù)與網(wǎng)絡(luò)切片雙層資源管理的動態(tài)調(diào)節(jié)關(guān)系是一個復(fù)雜的問題，可繼續(xù)深入開展研究。

7 結(jié)束語

為服務(wù)時延敏感的計算密集型業(yè)務(wù)，移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)將構(gòu)建面向邊緣計算的網(wǎng)絡(luò)切片。由于網(wǎng)絡(luò)切片間共享系統(tǒng)資源，無線與邊緣計算資源的高效管理至關(guān)重要。本文分析了網(wǎng)絡(luò)切片生命周期中資源管理的需求，針對網(wǎng)絡(luò)切片資源管理的需求進一步歸納了相應(yīng)的研究進展，并進一步給出了未來研究方向，這對多切片系統(tǒng)的資源高效管理、服務(wù)質(zhì)量保障具有重要意義。