基于5G通信切片技術(shù)的區(qū)域應(yīng)急解決方案探討

洪濤涌

（江蘇基久網(wǎng)絡(luò)科技有限公司第八分公司，江蘇南京，210000）

0 前言

5G技術(shù)由于低延時、高容量連接以及高速傳輸?shù)奶匦裕徽J為是新一代信息、通信以及人工智能技術(shù)的基礎(chǔ)支持技術(shù)。在新的時代要求下，海量連接對網(wǎng)絡(luò)承載延時、容量、組網(wǎng)便捷性等方面的需求更加緊迫。當出現(xiàn)區(qū)域通信緊張時需要及時采用一定的應(yīng)急方法進行處理?；?G通信切片技術(shù)作為作為提升通信小區(qū)的通信質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，成為區(qū)域應(yīng)急通信解決方法基礎(chǔ)技術(shù)。對此本文，在現(xiàn)有的3GPP標準定義下的非公共網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議復雜、部署難度大的背景下，提出一種新的切片改進方案，從而為區(qū)域應(yīng)急通信提供技術(shù)支持。

1 5G移動通信概述

1.1 5G通信技術(shù)概述

5G作為當前新一代的通信技術(shù)，相比第四代通信技術(shù)在通信速率和通信帶寬等方面有著顯著的優(yōu)勢。從當前揭露的數(shù)據(jù)信息可知，5G通信的典型應(yīng)用場景為超密集組網(wǎng)、低時延高可靠通信現(xiàn)場、M2M通信、D2D通信、高頻通信以及頻譜共享等應(yīng)用場景。超密集組網(wǎng)的設(shè)計為超大規(guī)模的連接，如城市物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等提供了技術(shù)支持，能夠提供數(shù)以億計的通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，為城市智慧生態(tài)打造提升足夠的拓展能力。高效的通信體系實現(xiàn)了低延時的設(shè)計，整個通信延時在1毫秒以內(nèi)，為城市無人駕駛領(lǐng)域的發(fā)展、城市物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計提供了可靠技術(shù)解決方案。M2M、D2D方式的通信，提升了通信組網(wǎng)的靈活度，接入網(wǎng)絡(luò)方式顯得更加靈活多變，優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)路由鏈接，在提升網(wǎng)絡(luò)信息極速傳輸?shù)捏w驗同時也保障了通信可靠無障礙效果。高頻帶的應(yīng)用，降低了傳統(tǒng)頻帶資源的復用程度，延緩了頻帶資源緊張的局面。此外高頻帶意味著寬帶寬，高容量，為實現(xiàn)高效高容量通信過程提供便捷優(yōu)勢。頻譜共享提升了頻帶資源的利用率，為進一步優(yōu)化頻帶資源提供可靠的技術(shù)途徑。

1.2 通信網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)概述

通信網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)計是當前網(wǎng)絡(luò)進行接洽的關(guān)鍵技術(shù)。當前最為典型的切片方案即為基于OTN 技術(shù)的 5G 網(wǎng)絡(luò)切片方案。這一方案主要依托集光纖配線單元交叉flex技術(shù)是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片處理，然后在flex處理后的網(wǎng)絡(luò)切片支持下實現(xiàn)動態(tài)無損變換集光纖配線單元flex帶寬，從而實現(xiàn)各種不同的個性化網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求。實現(xiàn)切片過程在，主要分為軟切片和硬切片兩類。以后者為例，可知其業(yè)務(wù)功能主要涉及如下：（1）依托集光纖配線單元k通道實現(xiàn)切換管理，從而避免各切片干擾。（2）硬切片和MPLSVPN業(yè)務(wù)之間的連接。（3）控制面實現(xiàn)硬切片路由獨立，從而以實現(xiàn)各通道獨立路由控制目的。

2 區(qū)域應(yīng)急通信場景需求分析

2.1 臨時性的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建場景

通常在某一區(qū)域出現(xiàn)人員大量聚集，如大型聚會、節(jié)日慶?；顒?、大型賽事活動等，這樣導致公用網(wǎng)絡(luò)中在短時間內(nèi)實現(xiàn)了業(yè)務(wù)流量的急劇增加，造成網(wǎng)絡(luò)的嚴重擁堵，由此造成網(wǎng)絡(luò)通信災(zāi)難。通常在這些場景，通信運營商往往會采用應(yīng)急通信車或室內(nèi)分布系統(tǒng)構(gòu)建區(qū)域性非公共網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)應(yīng)急通信處理。當然這種臨時性的舉措即可滿足當前對現(xiàn)場的調(diào)度通信需求同時也可為該區(qū)域聚集的用戶提供臨時性的通信保障，從而以最大可能降低通信線路擁堵問題。對于這一網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急通信場景而言，其需求相對緊急且高。而從建設(shè)成本和用途之間的平衡而言，其需要依托公共網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備投入的降低，降低可能的成本。此外對于這一臨時性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)而言，相比公共網(wǎng)絡(luò)而言其相對構(gòu)建簡單，那么從安全性和網(wǎng)內(nèi)資源保障而言，需要對專業(yè)用戶優(yōu)先保障。

2.2 永久性應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建場景

永久性的應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建主要是對象為大型企業(yè)、通信運營商的內(nèi)部專業(yè)人員之間的通信。作為一種補充性的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其需要獨立于公共網(wǎng)絡(luò)，進行獨立管控，由此實現(xiàn)對外網(wǎng)之間的安全隔離，這種設(shè)計網(wǎng)絡(luò)在企業(yè)內(nèi)部進行商業(yè)秘密的保護有著關(guān)鍵意義。相較于公共網(wǎng)絡(luò)而言，其對應(yīng)的安全隔離性能需求高，并且同時實現(xiàn)成本控制，并且易于維護，由此為專業(yè)用戶提供可靠的內(nèi)部交流網(wǎng)絡(luò)。當然這類網(wǎng)絡(luò)需要和外網(wǎng)直接有著非常迅捷的切換，從而在外網(wǎng)和該類型網(wǎng)絡(luò)之間進行有效切換，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力的互補，從而降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

3 當前非公共網(wǎng)絡(luò)解決方案

3.1 3GPP標準方案

非公共網(wǎng)絡(luò)是對當前公共網(wǎng)絡(luò)的一種補充，其主要已從而協(xié)議就是3GPP。根據(jù)3GPP定義可知，其主要有如下兩類網(wǎng)絡(luò)類型：

（1）獨立組網(wǎng)NPN網(wǎng)絡(luò)SNPN：該類型不需要依附于傳統(tǒng)的公共陸地移動網(wǎng)絡(luò)PLMN，此網(wǎng)絡(luò)為SNPN專屬運營商進行運行管理。而NPN網(wǎng)絡(luò)可以依托PLMN的識別號和網(wǎng)絡(luò)識別號來聯(lián)合構(gòu)建一個SNPN網(wǎng)絡(luò)，對訂購該網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的用戶配置SUPI和訂閱信息，并在終端和核心網(wǎng)絡(luò)端進行存儲管理。在初次接入或小區(qū)重選環(huán)節(jié)，5G通信基站需對自身支持的網(wǎng)絡(luò)識別號和PLMN進行廣播，其對訂閱用戶接入SNPN小區(qū)，并對其身份進行鑒權(quán)。

（2）非獨立組網(wǎng)NPN網(wǎng)絡(luò)PNI-NPN：該網(wǎng)絡(luò)由一般運營商進行運營，可訂閱PLMN網(wǎng)絡(luò)并依附于其網(wǎng)絡(luò)功能來實現(xiàn)同PLMN網(wǎng)絡(luò)之間 的有效切換。PNI-NPN網(wǎng)闊依托PLMN進行NPN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，其采用5G通信網(wǎng)絡(luò)的切換技術(shù)，實現(xiàn)一個或者多個網(wǎng)絡(luò)切片的分配來進行非公共網(wǎng)絡(luò)之間的接入。然而網(wǎng)絡(luò)切片對未授權(quán)的終端在網(wǎng)絡(luò)切片區(qū)域接入網(wǎng)絡(luò)的情況缺乏約束，由此可以選擇閉合接入組CAG來進行接入控制。CAG由PLMN識別號和CAG識別號來聯(lián)合構(gòu)建，從而啟動CAG小區(qū)用訂閱用戶接入。在初次接入或小區(qū)重選環(huán)節(jié)，5G通信基站需對自身支持的網(wǎng)絡(luò)識別號和PLMN進行廣播，未配置CAG的用戶可根據(jù)CAG表選擇性接入，而配置了CAG的用戶則根據(jù)自身其CAG許可表選擇接入的CAG小區(qū)進行網(wǎng)絡(luò)接入，核心網(wǎng)對接入用戶身份進行鑒權(quán)。

3.2 當前方案不足分析

根據(jù)當前3GPP的標準模型的實踐可知，針對復雜的應(yīng)急通信場景，其需要進行如下處理：（1）PLMN運營商對NPN服務(wù)來管理NPN網(wǎng)絡(luò)切片；（2）PLMN對NPN進行集成管理時，需非公共網(wǎng)絡(luò)單元融入公共網(wǎng)絡(luò)之中，而公共網(wǎng)絡(luò)需要支持選擇非公共網(wǎng)絡(luò)單元，并支持二者網(wǎng)絡(luò)單元之間的上下文同步；（3）CAG根據(jù)小區(qū)級別分組，UE需根據(jù)其策略進行關(guān)聯(lián)基站的接入，這顯著提升了部署成本。

4 基于網(wǎng)絡(luò)切片的改進方案

4.1 整體方案架構(gòu)

本文針對上述3GPP標準化方案存在的缺陷進行分析研究，構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)切片管理改進的方案。本文方案的基本思想即終端用戶通過構(gòu)建的應(yīng)急通信基站實現(xiàn)對PLMN網(wǎng)絡(luò)的接入，而接入的基站則根據(jù)接入用戶關(guān)聯(lián)會話提供的網(wǎng)絡(luò)切片信息進行檢查，來辨別其接入網(wǎng)絡(luò)類型，并對其支持類型進行決策。當支持非公共網(wǎng)絡(luò)訪問，則需建立該支持網(wǎng)絡(luò)的會話機制，并將后續(xù)的會話數(shù)據(jù)到引導支持的網(wǎng)絡(luò)通道之中，從而是西安網(wǎng)絡(luò)切換，整個方案如圖1所示。相比3GPP標準化方案，本文方案存在如下優(yōu)點：（1）PLMN網(wǎng)絡(luò)不需要重新配置；（2）對于5G基站而言只需要對會話切片信息進行支持網(wǎng)絡(luò)的識別，并進行會話引導和關(guān)聯(lián)匹配，實現(xiàn)軟切換，降低設(shè)備投入。

圖1 整體方案架構(gòu)

4.2 切片規(guī)劃

根據(jù)配置，非公共網(wǎng)絡(luò)和公共網(wǎng)絡(luò)通過同一個DNN切片識別號來部署支持多個關(guān)聯(lián)的切片。而基站側(cè)實現(xiàn)對上述兩個網(wǎng)絡(luò)的連接，并在會話過程中判斷切片是否一致來確定切片流量的屬性，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的切換和接入管理。

4.3 配置規(guī)劃

配置規(guī)劃主要涵蓋非公共網(wǎng)絡(luò)的RAN配置和5G核心網(wǎng)關(guān)聯(lián)的非公共網(wǎng)絡(luò)配置：

（1）非公共網(wǎng)絡(luò)RAN配置

配置命令：ran npn endpointor x.x.x.x來將該網(wǎng)絡(luò)AMF進行關(guān)聯(lián)配置，用戶匹配該網(wǎng)絡(luò)所轉(zhuǎn)發(fā)的報文，若從該關(guān)聯(lián)地址獲取報文則表示來自該非公共網(wǎng)絡(luò)。

（2）5G核心網(wǎng)關(guān)聯(lián)的非公共網(wǎng)絡(luò)配置

配置切片、DNN以及服務(wù)連續(xù)SSC模式并提供給5G通信基站，并由后者構(gòu)建PDU會話，并同時建立會話和消息。此外新增消息NG NPN SETUP 通過消息響應(yīng)將其傳輸?shù)?G通信基站，從而構(gòu)建TA粒度，從而實現(xiàn)對用戶訪問的限制。

4.4 基站消息

基站消息主要涉及UE RRC設(shè)置、會話創(chuàng)建、會話修改、會話釋放、基站切換、網(wǎng)絡(luò)側(cè)尋呼。

（1）UERRC設(shè)置：RRCSetup Complete消息將UE的5G-S-TMSI和支持S-NSSAI傳輸?shù)交?，并通過基站尋呼，以此構(gòu)建用戶和切片之間的聯(lián)系。

（2）會話創(chuàng)建：依托標準流程，用戶構(gòu)建基于公共網(wǎng)絡(luò)的會話，基站對該會話進行支持類型識別，符合支持需求，則建立非公共網(wǎng)絡(luò)會話，并對后續(xù)流量進行轉(zhuǎn)移。

（3）會話修改：接入用戶依托標準流程接入公共網(wǎng)絡(luò)修改會話，并通過基站偵聽來重新建立非公共網(wǎng)絡(luò)會話。

（4）會話釋放：接入用戶依托標準流程接入網(wǎng)絡(luò)后，基站側(cè)則對會話的網(wǎng)絡(luò)識別話進行上下文判斷，如果其支持非公共網(wǎng)絡(luò)則建立會話釋放機制流程進行釋放。

（5）基站切換：為體現(xiàn)非公共網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，非公共網(wǎng)絡(luò)不會涉及跨非公共網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)切換，對于邊緣非公共網(wǎng)絡(luò)的AMF和5G核心網(wǎng)會話則可支持多個UPF，并進行直接的跨網(wǎng)連接即可。

（6）網(wǎng)絡(luò)側(cè)尋呼：在非公共網(wǎng)絡(luò)側(cè)的下行數(shù)據(jù)觸發(fā)的尋呼機制而言，5G通信基站則需要記錄尋呼的TMSI，并提取paging消息中UE信息，然后通過對其上下文分析，獲取其TA list對下一級網(wǎng)絡(luò)發(fā)起尋呼，后續(xù)網(wǎng)絡(luò)在尋呼觸發(fā)后通過對公共網(wǎng)絡(luò)的會話激活再來激活非公共網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)側(cè)的尋呼流程。

5 結(jié)語

本文立足于5G通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，針對3GPP標準的應(yīng)急通信解決方案的不足，提出一種基于切片技術(shù)的改進方案，并對該方案的部署細節(jié)進行的深入分析，從而為當前的區(qū)域應(yīng)急通訊提供技術(shù)支持。