面向差异化服务的时空动态无线网络切片与资源智能管理方法

Network slicing is considered as the key technology to realize intelligent network management, which can enable diverse services, enhance network reliability and reduce operational costs. However, the research on network slicing is still at the infant age, which fails to meet the requirements of slice isolation, efficient resource utilization, and differentiated Quality of Service (QoS). This project focuses on the design of network slicing and resource management schemes to support differentiated services efficiently, by taking into account the spatial-temporal dynamics of both traffic demands and wireless resources. To this end, the inter-slice opportunistic resource reuse method is leveraged while guaranteeing slice isolation, where the traffic-resource matching relationship is explored in the three dimensions of time, space and network slices. Specifically, two items are studied: (1) for the single base station (BS) case, the service-oriented dynamic slicing scheme will be designed to optimize the slice-level resource provisioning and sharing, according to the statistic information of traffic arrivals and wireless transmissions; and (2) for the multi-BS case, the joint network slicing and traffic offloading scheme will be designed to achieve load balancing, based on the spatial traffic distribution and BS service capabilities. This project will provide insightful guidelines for the wireless networks to support diverse mobile applications and thus proceed the Internet of Things (IoT) development, which can promote the industrial intelligence and boost the economy raise.

无线网络切片技术可在一个硬件基础设施上灵活支持多样化业务、提高网络服务可靠性并降低运营开销，是实现无线网络智能化管理的关键手段。然而，相关研究刚处于起步阶段，在切片隔离性保障、网络运行效率及支持差异化服务等方面存在不足。本项目以保证差异化服务质量为目标，基于业务与资源的时空特性设计动态网络切片机制，对网络资源进行智能化切割与复用，在时、空、网络切片三维弹性匹配业务需求，从而实现网络切片的逻辑隔离，并提高网络效率及服务能力。拟开展以下工作：（1）对于单基站场景，研究多业务触发的动态网络切片方法，根据业务请求与无线传输的统计特性优化无线资源的动态切分与共享；（2）对于多基站场景，基于业务空间分布与基站服务能力联合优化负载转移与网络切片策略，保证基站及切片负载均衡。项目研究成果将为无线网络支持多样化移动应用提供有价值的技术参考，对推动物联网应用落地、促进工业智能化与经济发展均具有重要意义。

在国家自然科学基金青年基金的资助下，本项目针对网络切片差异化服务质量保障的核心科学问题，从理论上量化了异质资源（传输、缓存、计算）与多维QoS（服务延时、信息时效性、传输吞吐率）的映射关系，从机制上设计了多业务动态触发的高效网络切片方法，在保证切片逻辑隔离性的情况下提升网络的弹性服务能力。为6G及未来无线网络向垂直行业渗透、支持精细化存算传一体应用与服务奠定了理论与技术基础。主要研究内容包括：.1）切片级多维服务质量分析。在给定传输和缓存资源下，针对业务请求到达动态性、无线传输随机性等建立了网络切片服务质量分析模型，量化了平均延时、信息时效性等多维QoS的可行域。.2) 单基站切片方法。创建了与业务需求时间动态匹配的混合式非正交网络切片架构。利用业务需求动态性与服务质量差异性设计基于切片捆绑的机会式动态资源复用机制，提升了网络的弹性服务能力。.3) 多基站协同切片方法。考虑业务空间分布不均匀、基站服务能力异构情况，联合优化用户接入与网络切片，通过空间上的动态资源切片与业务整形，实现了基站级与网络切片级的负载均衡，提升了网络服务质量。.4) 动态切片性能分析。与静态网络切片机制相比，分析了动态网络切片的性能增益，给出复用增益与业务时空动态性、服务质量要求的理论关系，对实际场景中的多业务捆绑服务、多节点合作式切片提供指导。.在执行期内，本项目在国际和国内通信领域重要期刊会议上发表论文19篇，其中IEEE汇刊11篇、中科院I区论文8篇，2篇入选ESI高被引目录；申请发明专利4项。依托本项目的研究成果，项目负责人入选中国科协第五届青年人才托举计划（2019-2021）。