5G 與Wi-Fi 接入網(wǎng)絡(luò)融合下的切片方案分析*

成 剛，蔣一名

（上海諾基亞貝爾股份有限公司，上海 201206）

0 引言

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)商業(yè)部署的展開，5G 新特性在不同場(chǎng)景的應(yīng)用得到越來愈多的關(guān)注。其中，5G 網(wǎng)絡(luò)切片功能是5G 的基本能力，使得5G 端到端方案可適用于不同的場(chǎng)景需求。行業(yè)應(yīng)用中的不同客戶或者公共區(qū)域不同場(chǎng)景的部署，對(duì)于優(yōu)先級(jí)、計(jì)費(fèi)、策略管理、安全、移動(dòng)性以及傳輸性能等有不同需求。在相同的5G 物理網(wǎng)絡(luò)上，需要通過5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)區(qū)分多個(gè)互相獨(dú)立的端到端的邏輯網(wǎng)絡(luò)來支撐這些不同需求的應(yīng)用。

5G 網(wǎng)絡(luò)切片方案涵蓋了5G 無線接入網(wǎng)絡(luò)（Radio Access Network，RAN）切片、核心網(wǎng)和終端設(shè)備的支持。其中，5G 無線接入網(wǎng)絡(luò)的切片是利用物理接入的無線頻譜資源和硬件來實(shí)現(xiàn)不同的軟件邏輯的接入功能，通過軟件定義RAN 切片中的控制功能，實(shí)現(xiàn)不同切片對(duì)無線頻譜資源的共享。

5G 網(wǎng)絡(luò)在全面部署過程中將與已有的本地Wi-Fi 無線接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，終端通過Wi-Fi 接入到5G 網(wǎng)絡(luò)。如果要實(shí)現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)切片的端到端方案，則Wi-Fi 接入網(wǎng)絡(luò)在管理配置和業(yè)務(wù)運(yùn)行上支持網(wǎng)絡(luò)切片是其中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。從Wi-Fi 已有技術(shù)來看，Wi-Fi 可以支持5G 網(wǎng)絡(luò)切片的部分規(guī)范，或者需要設(shè)計(jì)新的Wi-Fi 技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)其他部分的規(guī)范。

本文簡(jiǎn)要概述5G網(wǎng)絡(luò)切片的規(guī)范定義和需求，分析目前Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)支持切片的可行性和技術(shù)方案，介紹Wi-Fi 接入與5G 網(wǎng)絡(luò)融合在切片方案下的應(yīng)用場(chǎng)景。

1 5G 網(wǎng)絡(luò)切片的規(guī)范和技術(shù)要求

3GPP 對(duì)5G 切片的標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)行了多方面討論和內(nèi)容制定。如表1 所示，TS 22.261[1]定義了切片的需求框架。從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與切片定義的關(guān)系來看，它可以分為網(wǎng)絡(luò)切片中的設(shè)備關(guān)聯(lián)和管理、網(wǎng)絡(luò)切片的管理、業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)切片關(guān)聯(lián)、設(shè)備與多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片的關(guān)聯(lián)方式，從而滿足優(yōu)先級(jí)、計(jì)費(fèi)、策略管理、安全、移動(dòng)性以及傳輸性能等的不同需求。

表1 5G 網(wǎng)絡(luò)切片的需求列表

在3GPP TR23.799[2]中提出了3 個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片場(chǎng)景，即對(duì)核心網(wǎng)所有功能切片，包括用戶面和控制面切片；核心網(wǎng)的控制面部分共享功能不切片，但用戶面及不適合共享的控制面進(jìn)行功能切片；核心網(wǎng)的控制面不做切片，僅需要用戶面切片?？梢姡? 個(gè)場(chǎng)景中用戶面都需要切片，在Wi-Fi 接入網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)融合時(shí)，Wi-Fi 接入網(wǎng)絡(luò)的切片需求會(huì)很快受到重點(diǎn)關(guān)注。

3GPP TS23.501[3]對(duì)切片的選擇和實(shí)現(xiàn)等功能進(jìn)行規(guī)則定義。例如，網(wǎng)絡(luò)切片是包含接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的邏輯網(wǎng)絡(luò)，通過切片的形式提供相關(guān)的通信業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)能力；終端通過提供網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息（Network Slice Selection Assistance Information，NSSAI）來選擇和組建切片相關(guān)的實(shí)例。每一條網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息對(duì)應(yīng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片。用戶設(shè)備可以通過一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)同時(shí)接入多個(gè)核心網(wǎng)切片等。Wi-Fi 接入網(wǎng)絡(luò)如何支持設(shè)備與多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片關(guān)聯(lián)的方案尚不清楚，而其他規(guī)則不影響Wi-Fi 接入融合的網(wǎng)絡(luò)部署。

2 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)支持切片的可行性和技術(shù)特點(diǎn)

對(duì)于Wi-Fi 接入網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的融合，3GPP R15 定義了不可信非3GPP 網(wǎng)絡(luò)（Untrusted Non-3GPP Access）融合架構(gòu)[3]，3GPP R16 中定義了可信非3GPP 網(wǎng)絡(luò)（Trusted Non-3GPP Access）融合架構(gòu)[4]。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合是Wi-Fi 支持5G 網(wǎng)絡(luò)切片功能的前提。在Wi-Fi接入與5G網(wǎng)絡(luò)融合的情況下，本文針對(duì)Wi-Fi技術(shù)如何支持5G網(wǎng)絡(luò)切片進(jìn)行分析。

3GPP TR28.801[5]定義了網(wǎng)絡(luò)切片管理和操作的框架，包含通信業(yè)務(wù)管理功能（Communication Service Management Function，CSMF）、網(wǎng)絡(luò)切片管理功能（Network Slice Management Function，NSMF）、網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例（Network Slice Instance，NSI）、網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)管理功能（Network Slice Subnet Management Function，NSSMF）、網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)實(shí)例（Network Slice Subnet Instance，NSSI）等定義。網(wǎng)絡(luò)切片框架中尚未包含非3GPP 網(wǎng)絡(luò)的切片管理。圖1 是把TR 28.801 的網(wǎng)絡(luò)切片管理與Wi-Fi 接入放在一起，構(gòu)成5G 網(wǎng)絡(luò)管理非3GPP 接入的統(tǒng)一框架。文獻(xiàn)[6]列出了3GPP 和其他標(biāo)準(zhǔn)組織關(guān)于網(wǎng)絡(luò)切片的研究或標(biāo)準(zhǔn)化工作。

圖1 3GPP 網(wǎng)絡(luò)切片的管理架構(gòu)

在共同的Wi-Fi 物理網(wǎng)絡(luò)上支持不同的用戶場(chǎng)景已經(jīng)普及。例如，很多企業(yè)在一個(gè)平臺(tái)上同時(shí)支持企業(yè)用戶和訪客，或者在相同的Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)上支持公共Wi-Fi 業(yè)務(wù)和家庭用戶接入，具有完全不同的安全、移動(dòng)型、計(jì)費(fèi)和運(yùn)行策略。因此，Wi-Fi接入網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)支持5G 網(wǎng)絡(luò)所需切片方案的部分功能。目前，Wi-Fi 支持網(wǎng)絡(luò)切片的基本分析如表2所示。

表2 Wi-Fi 支持網(wǎng)絡(luò)切片的可行性

2.1 Wi-Fi 支持5G 網(wǎng)絡(luò)切片中的已有技術(shù)和新開發(fā)技術(shù)分析

2.1.1 對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片中的設(shè)備關(guān)聯(lián)和設(shè)備管理進(jìn)行分析

在Wi-Fi 接入網(wǎng)絡(luò)中，在同一個(gè)BSSID 情況下，已有的VLAN 端口綁定技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)Wi-Fi AP 上的數(shù)據(jù)流的分類，從而支持同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)上不同設(shè)備的數(shù)據(jù)流在邏輯上獨(dú)立轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片對(duì)設(shè)備管理的需求。不同的VLAN 對(duì)應(yīng)不同的切片，關(guān)聯(lián)不同的Wi-Fi 終端設(shè)備使得設(shè)備工作在不同的切片中[7]。

Wi-Fi AP 也可以通過支持多個(gè)BSSID 和SSID來實(shí)現(xiàn)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片[7]。通常1 個(gè)SSID 對(duì)應(yīng)1 個(gè)BSSID。不同的Wi-Fi 終端關(guān)聯(lián)不同的BSSID，不同的BSSID 有不同的業(yè)務(wù)需求、橋接或路由模式、地址轉(zhuǎn)換方式等，從而使對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備管理的需求，如圖2 所示。

圖2 Wi-Fi 接入網(wǎng)絡(luò)的切片方案

2.1.2 對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片管理和運(yùn)行的分析

基于VLAN、SSID 及BSSID 的切片可以在AP 上被創(chuàng)建和維護(hù)，支持流量或業(yè)務(wù)相互隔離，以滿足3GPP 中所定義的基本切片管理和邏輯隔離的需求。

但是，Wi-Fi 沒有已知的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范來支持網(wǎng)絡(luò)切片需求中的切片資源、優(yōu)先級(jí)和切片差異化功能，其中一個(gè)主要因素是基于空口資源平等競(jìng)爭(zhēng)的Wi-Fi 技術(shù)并沒有包含對(duì)多條數(shù)據(jù)流發(fā)送和接收進(jìn)行權(quán)重優(yōu)先級(jí)調(diào)度的機(jī)制。盡管Wi-Fi 聯(lián)盟在Wi-Fi 多媒體（Wi-Fi Multimedia，WMM）功能中定義了語音、視頻、盡力而為的數(shù)據(jù)報(bào)文和背景數(shù)據(jù)流的4 種優(yōu)先級(jí)，但對(duì)于切片管理所需要的各種數(shù)據(jù)流的資源分配和優(yōu)先級(jí)調(diào)度的能力還不充分。Wi-Fi AP 設(shè)備廠家需要在自己的軟件系統(tǒng)中定義和設(shè)計(jì)各自的方案，如在AP 上為不同Wi-Fi 終端連接定義不同的空口資源、在AP 轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流時(shí)設(shè)置不同優(yōu)先級(jí)以及定義不同的流量限速規(guī)則。

2.1.3 對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片中的業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)的分析

Wi-Fi 規(guī)范關(guān)注的是數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)，而不識(shí)別數(shù)據(jù)流所承載的業(yè)務(wù)類型。如果需要把業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)到網(wǎng)絡(luò)切片，則Wi-Fi AP 設(shè)備廠家需要開發(fā)軟件功能，從而識(shí)別業(yè)務(wù)類型和切片關(guān)聯(lián)。

2.1.4 對(duì)設(shè)備關(guān)聯(lián)到多切片支持的分析

目前，Wi-Fi 技術(shù)還不能支持終端設(shè)備關(guān)聯(lián)到多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片，如Wi-Fi 終端所發(fā)送的數(shù)據(jù)流不能同時(shí)支持多個(gè)VLAN、SSID 或BSSID，且暫時(shí)也沒有看到這個(gè)需求的應(yīng)用場(chǎng)景。

2.2 Wi-Fi 6 對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片支持的分析

最新的Wi-Fi 6（802.11ax）[8]標(biāo)準(zhǔn)除了支持網(wǎng)絡(luò)切片可行性的表2 中的前4 條，Wi-Fi 6 具有更靈活的切片資源管理、優(yōu)先級(jí)分配和差異化管理，即表2 的第5、6、7 條。Wi-Fi 6 物理層支持正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）技術(shù)，把子載波分成多個(gè)組，每個(gè)組作為獨(dú)立的資源單元（Resource Unit，RU）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。作為新的切片資源管理方式，Wi-Fi AP 可以組合相關(guān)的資源單元，構(gòu)成資源集合，然后分給不同的無線終端。無線終端關(guān)聯(lián)到切片后，通過指定的資源單元與Wi-Fi6 AP 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

目前，廠家在Wi-Fi AP 上實(shí)現(xiàn)的切片資源分配或優(yōu)先級(jí)調(diào)度主要是在下行方向。但是，對(duì)于Wi-Fi 6 技術(shù)，在上行多用戶傳送過程中，AP 可以負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)無線終端的數(shù)據(jù)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)切片資源的上行管理，如圖3 所示。

圖3 Wi-Fi 6 網(wǎng)絡(luò)的切片方案

根據(jù)相關(guān)切片的要求，AP 向各個(gè)終端發(fā)送一個(gè)新的控制幀類型（Trigger Frame）。它定義了上行多用戶傳輸?shù)膮?shù)，如持續(xù)時(shí)間、保護(hù)間隔（Guard Interval，GI）、終端所分配的RU 資源以及終端的MCS 傳輸參數(shù)等。后面終端可以根據(jù)AP trigger frame 的要求進(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳送，實(shí)現(xiàn)所屬切片的上行資源分配要求，如表3 所示。

表3 Wi-Fi 6 的切片管理

2.3 Wi-Fi Mesh 下的切片方案

目前，家庭Wi-Fi Mesh 網(wǎng)絡(luò)正在被運(yùn)營(yíng)商推廣。Mesh 技術(shù)能拓展室內(nèi)Wi-Fi 的覆蓋，提升用戶使用Wi-Fi 體驗(yàn)。如果要實(shí)現(xiàn)端到端的切片方案，則基于Wi-Fi Mesh 的網(wǎng)絡(luò)切片將是其中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。除了支持網(wǎng)絡(luò)切片可行性的表2 中的前4條，構(gòu)建Mesh 網(wǎng)絡(luò)切片的關(guān)鍵也在于切片資源管理、優(yōu)先級(jí)分配和差異化管理，即表2 的第5、6、7 條。與單個(gè)Wi-Fi AP 支持切片的關(guān)鍵區(qū)別在于，如何對(duì)Wi-Fi AP 相互之間的連接通道即回程通道（Backhaul）實(shí)現(xiàn)切片。

與前面表2討論的Wi-Fi支持切片的方式相同，回程通道上可以利用VLAN、SSID 及BSSID 來隔離不同的切片，同時(shí)回程通道兩端的AP（或者AP 與網(wǎng)關(guān)）內(nèi)部定義相應(yīng)切片的獨(dú)立緩沖區(qū)隊(duì)列，賦予不同的優(yōu)先級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)切片資源分配和對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)管理，如圖4 和表4 所描述的內(nèi)容。如果Wi-Fi Mesh 是基于Wi-Fi 6，則Wi-Fi 6 對(duì)應(yīng)的OFDMA技術(shù)也同樣可以應(yīng)用在Mesh 組網(wǎng)的切片功能，使得Mesh 上下行的回程通道可以利用RU 進(jìn)行數(shù)據(jù)流優(yōu)先級(jí)傳送。

表4 Wi-Fi Mesh 網(wǎng)絡(luò)切片的支持

圖4 Wi-Fi Mesh 網(wǎng)絡(luò)的切片方案

3 Wi-Fi 接入與5G 網(wǎng)絡(luò)在切片方案下的應(yīng)用場(chǎng)景

如果Wi-Fi 接入與5G 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)融合[3-4]，且把5G 的網(wǎng)絡(luò)切片功能拓展到Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)，則Wi-Fi 接入網(wǎng)絡(luò)需要支持切片管理和相應(yīng)的業(yè)務(wù)運(yùn)行。這種應(yīng)用場(chǎng)景出現(xiàn)在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與無線局域網(wǎng)一起構(gòu)建通信或信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的區(qū)域。

例如，對(duì)于酒店或公寓的公共Wi-Fi 熱點(diǎn)服務(wù)，人們攜帶移動(dòng)終端從5G網(wǎng)絡(luò)切換到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)時(shí)，面臨著Wi-Fi 接入是否能保持原先的帶寬和服務(wù)質(zhì)量，是否能有可靠的安全認(rèn)證和數(shù)據(jù)加密保護(hù)，或者是否能獲得Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)下特定速率的服務(wù)等。如果需要在Wi-Fi 接入與5G 網(wǎng)絡(luò)融合的情況下實(shí)現(xiàn)端到端的切片方案，則可以定義如表5 所示的不同的網(wǎng)絡(luò)切片。

表5 應(yīng)用場(chǎng)景的Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)切片的例子

切片方案的可行性參考表2 所描述的內(nèi)容，其中第1 項(xiàng)至第8 項(xiàng)可以通過已有技術(shù)或廠家自定義方案來實(shí)現(xiàn)，而第9 項(xiàng)關(guān)于終端設(shè)備關(guān)聯(lián)到多個(gè)切片的功能則不需要在這個(gè)場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語

5G網(wǎng)絡(luò)切片有助于5G業(yè)務(wù)在各行業(yè)廣泛應(yīng)用，而作為5G 網(wǎng)絡(luò)與無線局域網(wǎng)融合方案的Wi-Fi 接入網(wǎng)絡(luò)是端到端切片的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。雖然3GPP 在R15 和R16 已經(jīng)定義了Wi-Fi 接入網(wǎng)絡(luò)融合的系統(tǒng)架構(gòu)，但還沒有對(duì)Wi-Fi 接入網(wǎng)絡(luò)的切片支持給出明確的規(guī)范定義，3GPP 網(wǎng)絡(luò)與Wi-Fi 接入網(wǎng)絡(luò)之間的切片消息管理有待標(biāo)準(zhǔn)組織的討論和完善。

從Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)可行性來看，設(shè)備關(guān)聯(lián)、設(shè)備管理、切片管理和切片隔離可以由目前已知的Wi-Fi 技術(shù)實(shí)現(xiàn)。切片資源、優(yōu)先級(jí)、差異化管理和業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)則需要廠家定義自己的方案。目前，Wi-Fi 聯(lián)盟等標(biāo)準(zhǔn)組織還沒有把這樣的技術(shù)討論放到議事日程，而關(guān)于Wi-Fi 6 或Wi-Fi Mesh 所引起的網(wǎng)絡(luò)切片相關(guān)的技術(shù)方案，將可能是Wi-Fi 接入網(wǎng)絡(luò)在切片管理上的關(guān)鍵話題。Wi-Fi 終端設(shè)備同時(shí)關(guān)聯(lián)到多個(gè)切片，目前還不清楚哪些應(yīng)用場(chǎng)景需要這個(gè)功能，有待未來討論。

雖然Wi-Fi 接入技術(shù)支持5G 網(wǎng)絡(luò)切片還沒有達(dá)到商業(yè)化的部署要求，但是隨著5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的推進(jìn)，Wi-Fi 接入網(wǎng)絡(luò)與5G 網(wǎng)絡(luò)在各行業(yè)的深入融合，在商業(yè)園區(qū)、智慧小區(qū)、酒店公寓以及工業(yè)場(chǎng)所等很多區(qū)域都有可能出現(xiàn)Wi-Fi 接入網(wǎng)絡(luò)支持5G 切片的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)、多服務(wù)的端到端的解決方案，將為5G 網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)揮重要的應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)效益。