網(wǎng)絡(luò)切片在5G無(wú)線接入側(cè)的動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)和發(fā)展趨勢(shì)

（中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057）

1 網(wǎng)絡(luò)切片的需求

隨著蜂窩移動(dòng)通信進(jìn)入到5G時(shí)代，一系列新的行業(yè)特征和移動(dòng)通信技術(shù)也隨之而來(lái)。從產(chǎn)業(yè)生態(tài)的角度看，5G實(shí)現(xiàn)了真正意義上的全球蜂窩移動(dòng)通信統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此全球信息通信技術(shù)（ICT）產(chǎn)業(yè)力量將得到空前聚合，同時(shí)產(chǎn)業(yè)能力也將得到集中釋放；業(yè)界將專(zhuān)攻于5G唯一制式——蜂窩網(wǎng)絡(luò)，這更有利于把它做得更好、更精。從業(yè)務(wù)應(yīng)用的角度看，5G旨在更高效地統(tǒng)一支持增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、海量機(jī)器類(lèi)通信（mMTC）、高可靠低時(shí)延通信（uRLLC）3大類(lèi)業(yè)務(wù)，這涉及到不同的行業(yè)領(lǐng)域、千差萬(wàn)別的動(dòng)態(tài)服務(wù)質(zhì)量（QoS），以及更寬范圍的業(yè)務(wù)服務(wù)需求。這有利于推進(jìn)傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商的業(yè)務(wù)升級(jí)、跨行業(yè)間的資源協(xié)作整合，并帶來(lái)各種新應(yīng)用的快速商業(yè)部署。從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)形態(tài)的角度看，5G網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的建立基于異構(gòu)融合化、模塊解耦化、功能虛擬化、軟件定義化等先進(jìn)的技術(shù)理念；因此在產(chǎn)品業(yè)務(wù)和服務(wù)的開(kāi)發(fā)、構(gòu)建、部署、應(yīng)用等方面，將都變得更加靈活且適配，成本和性能將更加按需可控?？傊?，5G蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將成為未來(lái)人類(lèi)社會(huì)強(qiáng)大的通信基礎(chǔ)設(shè)施，為各行各業(yè)的生產(chǎn)力和生產(chǎn)關(guān)系再發(fā)展注入更多的向上使能。未來(lái)各種更新潮、更高級(jí)的移動(dòng)業(yè)務(wù)應(yīng)用都離不開(kāi)5G網(wǎng)絡(luò)的支持保障。過(guò)去，出于節(jié)省網(wǎng)絡(luò)的資本性支出（CAPEX）/運(yùn)營(yíng)成本（OPEX），達(dá)到快速部署業(yè)務(wù)應(yīng)用的目的，蜂窩移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商們可利用無(wú)線接入網(wǎng)（RAN）共享的合作模式，即一套物理無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（包括基站、空口和傳輸資源等）由多個(gè)協(xié)議運(yùn)營(yíng)商共享地使用和運(yùn)維，來(lái)自不同運(yùn)營(yíng)商的簽約用戶(hù)可同時(shí)接入和被服務(wù)于同一個(gè)物理服務(wù)小區(qū)。通過(guò)這種共享方式，能盡可能地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源復(fù)用，避免無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源的閑置浪費(fèi)。由于網(wǎng)絡(luò)共享并不能有效地實(shí)現(xiàn)多運(yùn)營(yíng)商間的不同用戶(hù)、不同業(yè)務(wù)的應(yīng)用部署，不同資源配置、運(yùn)維計(jì)費(fèi)等方面的充分隔離和差分定制化操作；因此在用戶(hù)管理、業(yè)務(wù)功能編排、資源分配、調(diào)度協(xié)同等方面難以做得很好。這同時(shí)也會(huì)造成RAN資源無(wú)法被最優(yōu)化地復(fù)用和綜合利用，不同用戶(hù)的體驗(yàn)無(wú)法得到充分保障。運(yùn)營(yíng)商們逐漸意識(shí)到，基于專(zhuān)有核心網(wǎng)（DCN）技術(shù)而進(jìn)行的核心網(wǎng)功能剪裁去冗和不同用戶(hù)業(yè)務(wù)群差分歸類(lèi)處理，可以帶來(lái)精細(xì)化管理。于是，業(yè)界很快達(dá)成共識(shí)，網(wǎng)絡(luò)端到端的切片化功能，更有利于網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化利用，可以對(duì)不同用戶(hù)業(yè)務(wù)管理和服務(wù)質(zhì)量提供保障。作為5G蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)端到端的必要一部分，5G RAN切片是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片在無(wú)線接入側(cè)的功能實(shí)現(xiàn)，它能保證RAN對(duì)外呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)切片的相關(guān)重要特征[1-2]。

5G面向萬(wàn)物互聯(lián)，需要承載指數(shù)級(jí)增多的無(wú)線連接數(shù)和更多元的移動(dòng)業(yè)務(wù)應(yīng)用。不同運(yùn)營(yíng)商通常面向不同的市場(chǎng)用戶(hù)業(yè)務(wù)群，有著可歸類(lèi)描述的服務(wù)等級(jí)協(xié)議（SLA），例如，不同的市場(chǎng)用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量的差異、在特定區(qū)域內(nèi)的容量覆蓋要求、傳輸帶寬和時(shí)延要求、鏈路安全等級(jí)和可靠性等屬性。上述可歸類(lèi)的用戶(hù)業(yè)務(wù)屬性集合，為網(wǎng)絡(luò)切片提供了天然的細(xì)分市場(chǎng)需求。隨著5G時(shí)代新商業(yè)合作模式的發(fā)展，如虛擬運(yùn)營(yíng)、大數(shù)據(jù)運(yùn)營(yíng)，以及基于RAN共享的概念，運(yùn)營(yíng)商們期待一套5G物理網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，能夠同時(shí)提供多個(gè)虛擬的端到端子網(wǎng)絡(luò)，動(dòng)態(tài)共享著各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)實(shí)體資源，但又能相對(duì)獨(dú)立地存在和被管理且彼此隔離。這些虛擬子網(wǎng)絡(luò)被稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)切片。網(wǎng)絡(luò)切片功能的實(shí)現(xiàn)可用圖1中的3個(gè)特征來(lái)概括：切片能力靈活編排、切片資源動(dòng)態(tài)管理、切片業(yè)務(wù)跟蹤隔離。換言之，非網(wǎng)絡(luò)切片化就無(wú)法高效地支持上述3大特征，并會(huì)導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)商無(wú)法靈活地部署業(yè)務(wù)并充分利用網(wǎng)絡(luò)資源[3]。

（1）切片能力靈活編排：建立在對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能模塊和虛擬化的基礎(chǔ)上，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片可以按需配置特定的網(wǎng)絡(luò)功能或能力集合，去除不需要的網(wǎng)絡(luò)功能或能力，減少一切配置的冗余。

（2）切片資源動(dòng)態(tài)管理：每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片運(yùn)行中所消耗的資源，應(yīng)盡量和切片實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)量相關(guān)，不同切片間要盡量共享地使用資源，以提升資源利用率。

（3）切片業(yè)務(wù)跟蹤隔離：對(duì)某切片業(yè)務(wù)的服務(wù)在網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)中能保持一定的物理連續(xù)性和一致性，不同的切片業(yè)務(wù)間必須保持彼此不干擾，服務(wù)質(zhì)量不互相影響。

圖1 端到端網(wǎng)絡(luò)切片功能的3大實(shí)現(xiàn)特征

如圖2所示，類(lèi)似于云計(jì)算服務(wù)的分層框架，5G蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提供的各類(lèi)服務(wù)可抽象地分為3層：網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施層、通信平臺(tái)使能層、網(wǎng)絡(luò)切片編排層。網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施層盡量采取軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的方式去實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)基本功能，以延續(xù)網(wǎng)絡(luò)各類(lèi)硬件資源的生命力；通信平臺(tái)使能層基于下層的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，進(jìn)一步構(gòu)建出虛擬化的網(wǎng)絡(luò)功能或能力，從而形成虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能（VNF）；網(wǎng)絡(luò)切片編排層基于下層的通信平臺(tái)使能，進(jìn)一步靈活編排出特定的網(wǎng)絡(luò)切片，從而對(duì)外提供有針對(duì)性且定制化的切片業(yè)務(wù)服務(wù)。上述3大層，都可各自通過(guò)能力開(kāi)放平臺(tái)對(duì)外提供服務(wù)；但網(wǎng)絡(luò)切片編排層提供的服務(wù)，無(wú)疑是最有針對(duì)性和定制感的，因此對(duì)于各類(lèi)行業(yè)用戶(hù)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)者而言是最簡(jiǎn)潔方便的?；赟DN/NFV技術(shù)、統(tǒng)一運(yùn)營(yíng)管理（OAM）和切片編排器系統(tǒng)，運(yùn)營(yíng)商可在同一物理基礎(chǔ)設(shè)施上，根據(jù)各種主客觀因素和具體業(yè)務(wù)需求，按需動(dòng)態(tài)地去構(gòu)建編排網(wǎng)絡(luò)切片。強(qiáng)大的切片編排器，可通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和軟件模板等方式，快速創(chuàng)建生成所需的業(yè)務(wù)切片，實(shí)現(xiàn)切片參數(shù)集的適配定制化。此外，切片還必須具備資源量彈性伸縮和還原能力釋放，以對(duì)切片服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制分析和診斷。綜上所述，5G網(wǎng)絡(luò)切片能按需獨(dú)立靈活且非常高效地去定制化配置網(wǎng)絡(luò)功能，動(dòng)態(tài)分配資源，承載大動(dòng)態(tài)范圍下不同的用戶(hù)業(yè)務(wù)應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施各類(lèi)資源的最優(yōu)化利用[4]。

2 網(wǎng)絡(luò)切片的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展

第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）從2015年開(kāi)始，啟動(dòng)了對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片的標(biāo)準(zhǔn)化研究和制定工作：SA1最先研究了場(chǎng)景業(yè)務(wù)，SA2隨后制定了系統(tǒng)框架，SA5也對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片有專(zhuān)門(mén)的課題研究。2016年3月，隨著5G 下一代無(wú)線接入網(wǎng)（NGRAN）/新空口（NR）制式研究立項(xiàng)的啟動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)切片功能對(duì)NGRAN的協(xié)議影響和落地實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步地被標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)。2018年6月，隨著Rel-15 5G的工作立項(xiàng)（WID）順利完成，網(wǎng)絡(luò)切片端到端功能的第1個(gè)版本也正式完成。

SA2確定了5G 核心網(wǎng)（5GC）的控制面接入移動(dòng)管理功能（AMF）不需要切片化，而用戶(hù)面功能（UPF）及控制面會(huì)話管理功能（SMF）要被切片化。結(jié)合5G新的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）會(huì)話承載管理架構(gòu)，SA2規(guī)定單個(gè)PDU 會(huì)話只能從屬服務(wù)于單個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片，即切片業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)側(cè)承載管理的最小粒度是PDU會(huì)話，如此的粒度較好地平衡了網(wǎng)絡(luò)承載靈活度、復(fù)雜度、差異化管理這三者之間的綜合要求。SA2并沒(méi)具體規(guī)定NG-RAN該如何去實(shí)現(xiàn)切片功能，RAN2/3研究規(guī)范了NG-RAN如何實(shí)現(xiàn)切片功能。網(wǎng)絡(luò)“業(yè)務(wù)類(lèi)型”和“租戶(hù)”是決定網(wǎng)絡(luò)切片劃分的2個(gè)主要因素，因此SA2規(guī)定單個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息（S-NSSAI）包含切片服務(wù)類(lèi)型（SST）和切片區(qū)分租戶(hù)（SD）2個(gè)屬性。S-NSSAI可用來(lái)唯一標(biāo)識(shí)特定的網(wǎng)絡(luò)切片，由運(yùn)營(yíng)商內(nèi)部協(xié)同進(jìn)行賦值。目前業(yè)界已完成試驗(yàn)的5G典型切片，包括監(jiān)測(cè)控制終端群物聯(lián)網(wǎng)切片、車(chē)聯(lián)網(wǎng)/無(wú)人機(jī)切片、公共安全管理切片、遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)切片、工業(yè)自動(dòng)化切片等[5-6]。

圖2 5G蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供的分層框架

SA2并沒(méi)對(duì)RAN側(cè)切片功能的具體實(shí)現(xiàn)方式做精確定義，也未對(duì)RAN側(cè)的功能配置、資源分配和隔離保護(hù)的具體做法進(jìn)行規(guī)定。RAN側(cè)的功能包含NG-RAN各個(gè)協(xié)議層所支持的全部特征功能或其組合，例如，支持不同的波段頻段組合、多輸入多輸出（MIMO）多天線技術(shù)、半靜態(tài)調(diào)度（SPS）、非連續(xù)接收（DRX）、載波聚合（CA）、雙連接（DC）、非激活新?tīng)顟B(tài)（INACTIVE）等；RAN側(cè)的資源主要包含NG-RAN基站內(nèi)部的基帶計(jì)算存儲(chǔ)資源、射頻天線和功率資源、空口載波無(wú)線時(shí)頻資源、基站外部網(wǎng)絡(luò)接口相關(guān)的傳輸資源等（下文簡(jiǎn)稱(chēng)為RAN資源）。在實(shí)際的RAN實(shí)現(xiàn)和部署應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)切片根據(jù)對(duì)RAN資源使用的動(dòng)態(tài)性和彈性程度，可劃分為以下3大類(lèi)：

（1）像特定行業(yè)的專(zhuān)網(wǎng)或?qū)Ｓ妙?lèi)基站那樣，某NG-RAN的RAN資源被某切片專(zhuān)門(mén)地占據(jù)使用。如果沒(méi)有相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)生，這些RAN資源就是被閑置浪費(fèi)的。當(dāng)該基站需要去服務(wù)其他新切片業(yè)務(wù)時(shí)，必須通過(guò)宕機(jī)和重定義編排的方式，重新做配置和資源劃分預(yù)留。這種方式稱(chēng)為切片的靜態(tài)方式。

（2）某NG-RAN的RAN資源在某段時(shí)間內(nèi)，被某切片暫時(shí)預(yù)留而占據(jù)使用。如果該切片的業(yè)務(wù)量變化較大，相應(yīng)的資源就會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上層接口信令做半靜態(tài)地調(diào)整，或被回收或增配。當(dāng)該基站需要服務(wù)其他新切片業(yè)務(wù)，不必通過(guò)宕機(jī)和重定義、重編排，可直接進(jìn)行新切片的創(chuàng)建和相關(guān)資源的暫時(shí)預(yù)留。這種方式被稱(chēng)為切片半靜態(tài)方式。

（3）某NG-RAN的RAN資源在任何時(shí)間內(nèi)，理論上可供任何切片被分配和使用。無(wú)論該切片的業(yè)務(wù)量如何變化，相應(yīng)的資源就會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下層信令的方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)資源快速回收或增配。當(dāng)該基站需要服務(wù)其他新切片業(yè)務(wù)時(shí)，不必通過(guò)宕機(jī)或重定義、重編排，也無(wú)須相關(guān)資源預(yù)留，就可直接進(jìn)行新切片創(chuàng)建。這種方式稱(chēng)為切片動(dòng)態(tài)方式。由于運(yùn)營(yíng)商們很看重RAN資源的動(dòng)態(tài)共享性，不希望因?yàn)闃?gòu)建網(wǎng)絡(luò)切片而導(dǎo)致空口容量減少，資源利用率降低；因此上述的第3類(lèi)動(dòng)態(tài)方式成為RAN切片功能最重要的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，也是眾多運(yùn)營(yíng)商和3GPP追求的標(biāo)準(zhǔn)化方向。理論上，任何網(wǎng)絡(luò)切片上的業(yè)務(wù)承載，都能充分利用基站內(nèi)外硬軟件資源和空口無(wú)線資源。因此，NG-RAN基站的內(nèi)部和接口處理必須時(shí)刻跟蹤和區(qū)分當(dāng)前處理的切片業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)塊和哪個(gè)切片相關(guān)聯(lián)，且為了保證切片彼此間的隔離，需要執(zhí)行一些必要的約束操作，如無(wú)線資源管理（RRM）算法配置、資源復(fù)用方式、無(wú)線時(shí)頻資源調(diào)度處理等，同時(shí)這些約束操作又不能降低切片業(yè)務(wù)QoS或移動(dòng)性等方面的服務(wù)質(zhì)量。

NG-RAN在空口仍基于數(shù)據(jù)無(wú)線承載（DRB）粒度的承載方式和基站側(cè)主控資源分配調(diào)度的原則，因此NG-RAN天然具備對(duì)RAN資源的細(xì)切分和強(qiáng)管控能力。為了以必選的方式支持端到端網(wǎng)絡(luò)切片功能，NG-RAN必須要能支持圖1中的NG-RAN切片能力靈活編排（主要通過(guò)網(wǎng)管和編排器預(yù)配置、在線重配的方式）、NG-RAN切片資源動(dòng)態(tài)管理（基于承載切片業(yè)務(wù)的DRB及QoS參數(shù)信息，依賴(lài)于基站RRM和調(diào)度增強(qiáng)）、NG-RAN切片業(yè)務(wù)跟蹤隔離（依賴(lài)于基站對(duì)業(yè)務(wù)所屬的切片標(biāo)識(shí)的及時(shí)跟蹤和管理）等功能。

從用戶(hù)終端（UE）的角度看，單個(gè)UE可同時(shí)和8個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)切片連接并參與相關(guān)的切片服務(wù)，每個(gè)切片業(yè)務(wù)可同時(shí)被多個(gè)PDU會(huì)話所承載，如UE同時(shí)連接切片 S-NSSAI1 （被 PDU 會(huì)話 1 and 2承載相關(guān)的切片業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)）和切片S-NSSAI2（被PDU 會(huì)話 3 and 4承載相關(guān)的切片業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)）。雖然UE在用戶(hù)面同時(shí)連接多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片（即消耗著不同的用戶(hù)面資源），但在控制面仍然只有一個(gè)無(wú)線資源控制（RRC）連接和網(wǎng)元間的信令連接（如NG-C、Xn-C、F1-C）。不同切片在空口共享著相同的信令無(wú)線承載（SRB），而在網(wǎng)元間的接口控制面仍然共享著相同的流控制傳輸協(xié)議（SCTP）連接承載（即消耗著共同的控制面資源）。網(wǎng)絡(luò)切片在5G無(wú)線接入側(cè)的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)如圖3所示。針對(duì)單個(gè)UE，NGRAN可通過(guò)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)，保證不同的切片業(yè)務(wù)在用戶(hù)面上的充分隔離，但無(wú)法做到在控制面上的隔離。例如，當(dāng)某UE發(fā)生無(wú)線鏈路失?。≧LF），該UE所有的切片業(yè)務(wù)都要中斷。但針對(duì)不同的UE，NG-RAN仍然可充分保證它們?cè)谟脩?hù)面和控制面上的彼此隔離，例如，幾個(gè)不同UE即使在同一位置經(jīng)歷了相同的無(wú)線環(huán)境，當(dāng)一個(gè)UE發(fā)生了RLF，另一個(gè)UE也還可能保持正常的通信連接。

3 5G無(wú)線接入側(cè)的具體實(shí)現(xiàn)

3.1 空口物理層

5G NR工作立項(xiàng)WID并沒(méi)有針對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片功能做物理層的專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，因?yàn)?G NR支持非常靈活的空口無(wú)線時(shí)頻資源的使用，例如，引入了時(shí)分雙工（TDD）動(dòng)態(tài)幀結(jié)構(gòu)、不同的Numerology/傳輸時(shí)間間隔（TTI）、部分帶寬（BWP）、增強(qiáng)的異步調(diào)度機(jī)制。在5G網(wǎng)絡(luò)中，為了更好地支持不同業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)范圍的QoS需求，不同的NGRAN基站可部署在不同的頻帶和頻點(diǎn)上，本地服務(wù)小區(qū)可配置不同的幀結(jié)構(gòu)和Numerology/TTI等，從而可靈活地適配于不同的網(wǎng)絡(luò)切片功能。例如，某些eMBB切片可大量地利用高頻無(wú)線資源，而uRLLC切片盡量地利用優(yōu)質(zhì)的低頻無(wú)線資源；某些下行流量為主的切片盡量多配置TDD下行子幀資源，而上行流量為主的切片可多配置TDD上行子幀資源。

和過(guò)去4G演進(jìn)的通用陸地?zé)o線接入（E-UTRA）制式不同，5G NR從第1個(gè)版本Rel-15開(kāi)始就已針對(duì)各種移動(dòng)全業(yè)務(wù)類(lèi)型，面向各種部署場(chǎng)景，旨在充分利用更廣的頻帶資源（sub-100 GHz）；因此，5G NR比4G E-UTRA具備更靈活、更精細(xì)的空口無(wú)線資源管理和利用能力。從空口物理層的角度看，5G NR更能有效地支持端到端網(wǎng)絡(luò)切片功能在無(wú)線接入側(cè)的靈活實(shí)現(xiàn)；而E-UTRA即使在5G系統(tǒng)框架內(nèi)不斷地演進(jìn)，在某些切片服務(wù)能力方面可能亦有所不及NR。

圖3 網(wǎng)絡(luò)切片在5G無(wú)線接入側(cè)的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

3.2 空口高層

3.2.1 空口高層控制面

當(dāng)前，NG-RAN基站的服務(wù)小區(qū)，不要求顯式地廣播它所支持的切片能力信息，因此UE無(wú)法通過(guò)讀取系統(tǒng)消息來(lái)提前確定是否能從當(dāng)前駐留小區(qū)中獲得想要的切片業(yè)務(wù)。當(dāng)服務(wù)小區(qū)選擇或重選時(shí)，UE無(wú)須提前獲知目標(biāo)小區(qū)支持的切片信息。NG-RAN基站中小區(qū)支持的網(wǎng)絡(luò)切片能力，是由基站網(wǎng)管系統(tǒng)提前預(yù)配置的。為了實(shí)現(xiàn)UE在物理移動(dòng)時(shí)對(duì)切片能力的一致性支持，在網(wǎng)絡(luò)部署階段，UE入網(wǎng)注冊(cè)歸屬的注冊(cè)區(qū)（RA）內(nèi)必須支持相同的切片能力集合。在注冊(cè)區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，UE無(wú)須通過(guò)跟蹤區(qū)域更新（TAU）流程更新切片能力信息。切片部署可能無(wú)法一直物理連續(xù)（某些區(qū)域支持的切片在另一區(qū)域中不支持），因此UE在移動(dòng)到新的注冊(cè)區(qū)域時(shí)，需要通過(guò)TAU流程更新新切片的能力信息。切片部署的不連續(xù)性典型的場(chǎng)景如圖4所示，在不同區(qū)域可能不同的頻點(diǎn)支持不同的切片能力集合。gNB1的F1頻點(diǎn)上所有的小區(qū)都支持切片1、切片2和切片3（圖4中切片1—3），gNB2的 F1頻點(diǎn)上的小區(qū)僅支持切片4。當(dāng)UE支持切片1—3而不支持切片4時(shí)，如圖4所示，UE移動(dòng)后繼續(xù)駐留和使用F1，會(huì)導(dǎo)致無(wú)法獲得想要的切片業(yè)務(wù)，造成業(yè)務(wù)中斷；因此基站需要為UE重選目標(biāo)頻點(diǎn)，這個(gè)功能被稱(chēng)為切片相關(guān)的頻率優(yōu)先級(jí)。具體過(guò)程為，基站通過(guò)RRC連接釋放消息中攜帶UE應(yīng)優(yōu)先接入的頻率列表，引導(dǎo)UE選擇到切片支持的目標(biāo)頻點(diǎn)上。如果UE接入時(shí)初始使用的是F1，但UE需要接入切片1—3，基站2可為UE設(shè)置優(yōu)先的頻率F2。基站2可通過(guò)核心網(wǎng)配置的制式率選擇優(yōu)先級(jí)（RFSP）配置信息，結(jié)合本地小區(qū)的切片部署信息，為UE選擇更合適的F2。

隨著業(yè)務(wù)量增加，越來(lái)越多的UE業(yè)務(wù)會(huì)消耗掉有限的網(wǎng)絡(luò)切片RAN資源，切片有可能處于擁塞狀態(tài)。后續(xù)接入到切片的業(yè)務(wù)請(qǐng)求，將會(huì)進(jìn)一步加劇設(shè)備的擁塞狀態(tài)。為了解決上述問(wèn)題，NG-RAN基站可用多種手段來(lái)降低UE切片業(yè)務(wù)請(qǐng)求對(duì)基站的沖擊。當(dāng)UE支持的某切片發(fā)生擁塞時(shí)，NG-RAN基站可以調(diào)整和切片相關(guān)的接納控制類(lèi)型所歸屬的接納控制參數(shù)。UE在發(fā)送切片業(yè)務(wù)申請(qǐng)之前，在UE側(cè)先經(jīng)過(guò)UE內(nèi)接納控制功能的判決。接納控制判決決定了請(qǐng)求的切片業(yè)務(wù)是否可以被發(fā)起。如果判決阻止發(fā)起請(qǐng)求，UE只能等一段時(shí)間后，再?lài)L試發(fā)送切片業(yè)務(wù)申請(qǐng)。另一個(gè)解決擁塞的手段是，NG-RAN基站拒絕或釋放終端請(qǐng)求的切片業(yè)務(wù)。根據(jù)消息5中攜帶的S-NSSAI信息，基站可先知道UE請(qǐng)求的業(yè)務(wù)歸屬的切片信息。如果此時(shí)請(qǐng)求的切片屬于資源擁塞狀態(tài)，NG-RAN基站可直接釋放該UE剛剛建立的RRC無(wú)線連接。

3.2.2 空口高層用戶(hù)面

圖4 網(wǎng)絡(luò)切片在不同頻率上的部署示意

圖5 PDU會(huì)話為粒度的單切片處理

NG-RAN網(wǎng)絡(luò)側(cè)處理切片業(yè)務(wù)的最小粒度是PDU會(huì)話，單個(gè)PDU會(huì)話可包含最多64條QoS業(yè)務(wù)流，而這些QoS業(yè)務(wù)流必須從屬于同一個(gè)切片；因此PDU會(huì)話總和唯一的S-NSSAI關(guān)聯(lián)標(biāo)識(shí)。NGRAN空口側(cè)通過(guò)服務(wù)數(shù)據(jù)適配協(xié)議（SDAP）將QoS業(yè)務(wù)流進(jìn)一步映射到一條或多條DRB上，進(jìn)而對(duì)應(yīng)到一個(gè)或多個(gè)分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（PDCP）/無(wú)線鏈路層控制（RLC）協(xié)議實(shí)體上。SDAP可根據(jù)不同切片需求進(jìn)行不同方式的映射，當(dāng)某條QoS業(yè)務(wù)流沒(méi)被顯式地映射到某條DRB上時(shí)，它將被自動(dòng)映射到默認(rèn)DRB承載上。如圖5所示，某PDU會(huì)話1包含4條QoS業(yè)務(wù)流，其中紅色和藍(lán)色的QoS業(yè)務(wù)流由于和QoS的參數(shù)接近，被映射到同一DRB1上，而橙色和綠色QoS業(yè)務(wù)流被分別獨(dú)立地映射到DRB2和DRB3上。進(jìn)一步地，SDAP下層的PDCP、RLC、MACPHY協(xié)議實(shí)體將根據(jù)不同切片的需求，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的功能和參數(shù)配置。例如，如果該P(yáng)DU會(huì)話屬于uRLLC類(lèi)業(yè)務(wù)切片，PDCP可被配置復(fù)制傳輸功能，RLC可配置較高的邏輯信道優(yōu)先級(jí)，自動(dòng)重傳請(qǐng)求（ARQ）的重傳次數(shù)可設(shè)置為1，MAC層可配置基于載波聚合CA的復(fù)制操作，PHY可選擇低階調(diào)制編碼率編碼策略（MCS）和短TTI等配置。再如，如果該P(yáng)DU會(huì)話屬于4K/8K高清視頻業(yè)務(wù)切片，PDCP可配置互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）包頭壓縮功能，RLC可選擇中等的邏輯信道優(yōu)先級(jí)，MAC可將相關(guān)的邏輯信道映射到較大的工作帶寬和Numerology之上，PHY可配置高階MIMO和調(diào)制與MCS配置等?？傊琋GRAN空口用戶(hù)面的各個(gè)協(xié)議實(shí)體，須充分考慮相關(guān)切片的不同需求，進(jìn)而產(chǎn)生合理的配置，以能達(dá)到切片服務(wù)定制化的目的。

如果單個(gè)UE同時(shí)連接到2個(gè)或更多不同的業(yè)務(wù)切片（如圖6所示），除了上述屬于切片x的PDU會(huì)話1，另還有從屬于切片y的PDU會(huì)話2。PDU會(huì)話2包含有3條QoS業(yè)務(wù)流，其中粉色的QoS業(yè)務(wù)流被獨(dú)立地映射到DRB4之上，而紫色和灰色的QoS業(yè)務(wù)流由于QoS參數(shù)接近，被聯(lián)合映射到DRB5承載之上。需要注意的是，不同切片所屬的QoS業(yè)務(wù)流被映射到不同的DRB承載上，以保證充分隔離。進(jìn)一步地，NG-RAN基站內(nèi)單個(gè)媒體接入控制（MAC）和PHY實(shí)體，須聯(lián)合處理來(lái)自2個(gè)或多個(gè)不同切片的所有邏輯信道數(shù)據(jù)塊。通過(guò)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的約束機(jī)制，一方面要保證基站本地的基帶計(jì)算和存儲(chǔ)資源、射頻天線和功率資源，以及空口無(wú)線資源被共享高效地使用，同時(shí)還要盡量保證不同切片業(yè)務(wù)間的隔離。例如，對(duì)應(yīng)于不同切片的邏輯信道不要被映射到同一個(gè)傳輸塊（TB）中，但可被映射到不同的PRB資源塊中。

圖6 PDU會(huì)話為粒度的多切片處理

如果單個(gè)UE同時(shí)連接到2個(gè)或更多不同的業(yè)務(wù)切片（如圖6所示），除了上述屬于切片x的PDU會(huì)話1，另還有從屬于切片y的PDU會(huì)話2。PDU會(huì)話2包含有3條QoS業(yè)務(wù)流，其中粉色的QoS業(yè)務(wù)流被獨(dú)立地映射到DRB4之上，而紫色和灰色的QoS業(yè)務(wù)流由于QoS參數(shù)接近，被聯(lián)合映射到DRB5承載之上。需要注意的是，不同切片所屬的QoS業(yè)務(wù)流被映射到不同的DRB承載上，以保證充分隔離。進(jìn)一步地，NG-RAN基站內(nèi)單個(gè)MAC和PHY實(shí)體，需要聯(lián)合處理來(lái)自2個(gè)或多個(gè)不同切片的所有邏輯信道數(shù)據(jù)塊。通過(guò)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的約束機(jī)制，一方面要保證基站本地的基帶計(jì)算和存儲(chǔ)資源、射頻天線和功率資源，以及空口無(wú)線資源被共享高效地使用，同時(shí)還要盡量保證不同切片業(yè)務(wù)間的隔離。例如，對(duì)應(yīng)于不同切片的邏輯信道不要被映射到同一個(gè)TB中，但可被映射到不同的PRB資源塊中。

5G NR MAC實(shí)體，可支持多種不同的Numerology/TTI持續(xù)時(shí)長(zhǎng)的混合配置，即可根據(jù)不同切片的需要，把不同的邏輯信道映射到不同的Numerology/TTI上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同時(shí)頻資源塊的適配性使用，充分體現(xiàn)出不同切片服務(wù)的資源配置差異化。同一條邏輯信道，其實(shí)也可分時(shí)地映射到多個(gè)不同的Numerology/TTI上。從內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的角度看，單個(gè)MAC實(shí)體邏輯上可劃分為2個(gè)MAC子層，上子層是不同切片間的公共功能或相同配置，它們對(duì)所有切片相同；而下子層可以是不同切片所特有的功能，相關(guān)配置和處理可針對(duì)不同的切片進(jìn)行定制化操作。該原理如圖7所示，即使某UE同時(shí)連接eMBB類(lèi)型的切片1和uRLLC類(lèi)型的切片2，以及mMTC類(lèi)型的切片3，內(nèi)部也可只配置有單個(gè)MAC實(shí)體。

3.3 網(wǎng)絡(luò)接口高層

在5G部署組網(wǎng)階段，運(yùn)營(yíng)商首先通過(guò)OAM和切片編排器系統(tǒng)對(duì)NG-RAN進(jìn)行切片化的功能編排和資源預(yù)配置。為了適配不同切片的各自需求，NG-RAN需要能為各個(gè)切片配置獨(dú)立的RRM策略、相關(guān)功能參數(shù)集；NG-RAN基站內(nèi)的每個(gè)協(xié)議實(shí)體，須有效及時(shí)地跟蹤并鎖定住待服務(wù)對(duì)象的切片關(guān)聯(lián)標(biāo)識(shí)，進(jìn)行有針對(duì)性的資源動(dòng)態(tài)分配和調(diào)度，同時(shí)能夠保證不同切片間的隔離處理，從而NG-RAN對(duì)外呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)切片化功能。

編排預(yù)配置完成后，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間通過(guò)接口公共流程交互和更新各自支持的切片能力信息。物理覆蓋上以TA為最小粒度，TA內(nèi)的所有本地服務(wù)小區(qū)必須支持相同的切片能力集合。該原則同樣適用于NG、Xn和F1、E1等網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口，從而保證通信端到端所經(jīng)歷的所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都能為同一目標(biāo)切片服務(wù)。

圖7 單MAC實(shí)體支持多切片業(yè)務(wù)并發(fā)的架構(gòu)

圖8 網(wǎng)元之間切片能力協(xié)同和UE初始接入

當(dāng)UE初始駐留在某NG-RAN服務(wù)小區(qū)，并完成了隨機(jī)接入流程的前消息1—4后，如圖8所示，UE通過(guò)消息5攜帶S-NSSAI清單信息。NG-RAN基站完成UE的初始切片接納控制，再基于S-NSSAI清單信息，路由選擇到目標(biāo)錨點(diǎn)AMF實(shí)體（如果選擇失敗，則選擇默認(rèn)AMF實(shí)體），然后再向上發(fā)送初始UE消息。AMF/SMF進(jìn)一步完成UE切片的有效性檢查和接入鑒權(quán)和授權(quán)等操作。對(duì)于特定終端UE，當(dāng)它成功地入網(wǎng)注冊(cè)即選定好了錨點(diǎn)AMF和服務(wù)基站后，在當(dāng)前TA區(qū)域內(nèi)所能進(jìn)行的切片業(yè)務(wù)也就被限定了。

當(dāng)UE成功完成5G系統(tǒng)入網(wǎng)注冊(cè)之后，會(huì)被錨點(diǎn)AMF分配唯一的5G輔臨時(shí)終端標(biāo)識(shí)（5G-STMSI），進(jìn)行UE非接入層（NAS上下文）管理。如圖9所示，如果UE請(qǐng)求發(fā)起某切片業(yè)務(wù)，將通過(guò)NAS業(yè)務(wù)請(qǐng)求消息向當(dāng)前錨點(diǎn)AMF申請(qǐng)。如果錨點(diǎn)AMF/SMF能支持UE當(dāng)前申請(qǐng)的切片業(yè)務(wù)，則向NG-RAN服務(wù)基站發(fā)起PDU會(huì)話建立流程；如果當(dāng)前NG-RAN服務(wù)基站也能支持UE當(dāng)前申請(qǐng)的切片業(yè)務(wù)，則進(jìn)一步進(jìn)行本地RRM配置、分配空口資源等。NG-RAN服務(wù)基站需要保證該切片業(yè)務(wù)資源和其他切片的隔離。如果錨點(diǎn)AMF/SMF不能支持UE當(dāng)前申請(qǐng)的切片業(yè)務(wù)，則可以執(zhí)行AMF重定向（相當(dāng)于UE重新注冊(cè)）；如果當(dāng)前NG-RAN服務(wù)基站不能支持UE當(dāng)前申請(qǐng)的切片業(yè)務(wù)，則可拒絕失敗PDU會(huì)話建立請(qǐng)求，或觸發(fā)UE重定向或切換到能支持目標(biāo)切片業(yè)務(wù)的TA中[7-9]。

3.4 切片業(yè)務(wù)移動(dòng)性支持

如圖10所示，5G Rel-15支持NG接口切換（類(lèi)似于LTE S1切換)和Xn接口切換（類(lèi)似于LTE X2切換）。隨著UE移動(dòng)或其他RRM策略而觸發(fā)的切換，目標(biāo)NG-RAN基站需要執(zhí)行基于切片的接納控制和資源分配預(yù)留。在跨TA移動(dòng)的情況下，當(dāng)目標(biāo)NGRAN基站不支持源基站某PDU會(huì)話所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)切片S-NSSAI之時(shí)，目標(biāo)NG-RAN基站將直接丟棄該P(yáng)DU會(huì)話內(nèi)所有QoS業(yè)務(wù)流。Rel-15規(guī)定在切換過(guò)程中，目標(biāo)基站不能重匹配Remapping和變更源側(cè)的S-NSSAI信息，只能繼承前后保持一致[10]。

如圖11所示，UE在當(dāng)前駐留TA所能發(fā)生進(jìn)行的切片業(yè)務(wù)，由于受到當(dāng)前服務(wù)基站和錨點(diǎn)AMF能力的限制，不等同于UE簽約能允許申請(qǐng)的全部切片業(yè)務(wù)。因此，錨點(diǎn)AMF可在UE上下文建立流程中，發(fā)送給服務(wù)基站該UE允許的網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息。它表示除了當(dāng)前TA所能提供的切片業(yè)務(wù)之外，UE在其他TA環(huán)境下，還能被允許發(fā)起的切片業(yè)務(wù)?；赨E允許的網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息，服務(wù)基站可以更好地執(zhí)行RRM移動(dòng)選擇策略，例如把UE遷移到更高優(yōu)先級(jí)或更全的切片業(yè)務(wù)所屬TA和頻點(diǎn)之上。

圖9 UE切片業(yè)務(wù)的請(qǐng)求成功建立

圖10 UE切片業(yè)務(wù)的連續(xù)性管理

4 網(wǎng)絡(luò)切片的增強(qiáng)發(fā)展趨勢(shì)

隨著Rel-15網(wǎng)絡(luò)切片功能在RAN側(cè)標(biāo)準(zhǔn)化的完成，5G網(wǎng)絡(luò)已初步具備端到端的網(wǎng)絡(luò)切片能力，為新商業(yè)模式的部署應(yīng)用而開(kāi)辟先河；但仍有一些技術(shù)方面需進(jìn)一步發(fā)展和提升，這也是Rel-16/17網(wǎng)絡(luò)切片功能潛在增強(qiáng)能做的方面。在當(dāng)前5G不同網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)之間，如相鄰NG-RAN基站間，集中單元（CU）和分布單元（DU）網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)間并不能有效地交互各個(gè)NGRAN側(cè)切片的工作狀態(tài)和負(fù)荷等信息；因此尚不能在標(biāo)準(zhǔn)層面，做到跨節(jié)點(diǎn)針對(duì)切片業(yè)務(wù)的RRM策略處理優(yōu)化，從而導(dǎo)致切片資源的非優(yōu)化利用。特別在多網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)“異頻垂直”重疊部署的場(chǎng)景下，需要進(jìn)一步規(guī)范如何整體優(yōu)化利用各個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片層的資源。這種優(yōu)化可以通過(guò)類(lèi)似自組織網(wǎng)絡(luò)（SON）的公共流程等來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在5G超密集網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)切片能力的部署可通過(guò)多異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，即并不需要每個(gè)基站節(jié)點(diǎn)支持所需的全部網(wǎng)絡(luò)切片能力；但它們的合集可包含所需支持的全部網(wǎng)絡(luò)切片能力。終端和多個(gè)不同切片的服務(wù)，也可通過(guò)雙或多連接的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。未來(lái)異構(gòu)部署需求，一些運(yùn)營(yíng)商希望能夠?qū)崿F(xiàn)UE跨不同TA的不同基站間的雙多連接操作，因此核心網(wǎng)需能提前感知UE在雙多連接操作下的基站側(cè)切片能力環(huán)境。例如，主基站支持eMBB類(lèi)型的切片，而運(yùn)營(yíng)商在某些樓宇內(nèi)的輔基站，僅僅部署了時(shí)延魯棒性要求更強(qiáng)的uRLLC業(yè)務(wù)類(lèi)型的切片。如果核心網(wǎng)無(wú)法感知到輔基站上的切片能力，在為UE建立PDU會(huì)話時(shí)是無(wú)法使用那些輔基站上的uRLLC切片資源，從而造成輔基站相關(guān)切片資源的閑置；或者為了能使用輔基站上的切片資源，必須把終端UE強(qiáng)行切換到輔基站之上，進(jìn)而觸發(fā)切換和TAU流程。UE在移動(dòng)過(guò)程中，只有進(jìn)入到輔基站的覆蓋范圍內(nèi)，才可能使用uRLLC切片業(yè)務(wù)資源，在輔基站的覆蓋范圍之外仍然是無(wú)法使用該切片業(yè)務(wù)的。因此在下一階段工作中，可考慮如何讓核心網(wǎng)能實(shí)時(shí)地提前感知到輔基站和主基站上不同的切片能力組合，進(jìn)而更好地讓UE利用網(wǎng)絡(luò)不同TA下的切片資源。

如前所述，NG-RAN基站可利用PDU會(huì)話中S-NSSAI信息對(duì)用戶(hù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)做到隔離區(qū)分，但NG-RAN控制面資源的隔離還需進(jìn)一步增強(qiáng)。按照目前的設(shè)計(jì)，RAN控制面并不要嚴(yán)格地區(qū)分切片。例如，當(dāng)大量用戶(hù)業(yè)務(wù)請(qǐng)求達(dá)到基站時(shí)，需要考慮如何解決高優(yōu)先級(jí)的用戶(hù)切片請(qǐng)求優(yōu)先被服務(wù)的需求。因此這在空口RACH資源配置和使用優(yōu)化、尋呼Paging資源配置和使用優(yōu)化、邏輯信道優(yōu)先級(jí)的使用中，都可進(jìn)一步增強(qiáng)基站控制面對(duì)RAN切片的差分處理和感知隔離能力。對(duì)于一些特殊的電信垂直行業(yè)，如交通控制、安防救災(zāi)、油田礦山等，某些應(yīng)用切片對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全私密性和資源保障性有更強(qiáng)的要求。這需在共享網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和充分利用網(wǎng)絡(luò)資源的前提下，考慮對(duì)切片資源的專(zhuān)用隔離，進(jìn)一步提升UE對(duì)這些特殊切片能力的及早感知獲取和接入嘗試。例如，專(zhuān)有切片1，2均是對(duì)切片資源量和保護(hù)有更強(qiáng)要求的，因此可給切片1，2各自靜態(tài)預(yù)留一部分專(zhuān)用資源，同時(shí)再共享其他的公共資源。這樣既能保證這些切片業(yè)務(wù)的特殊要求，保障業(yè)務(wù)能力，又能提升網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。其次，在空口通過(guò)系統(tǒng)廣播機(jī)制，進(jìn)一步提升UE及早感知特殊切片的業(yè)務(wù)能力，可進(jìn)一步降低UE接入和業(yè)務(wù)延時(shí)，從而提升用戶(hù)使用切片的效率和感受。