5G網(wǎng)絡(luò)下的無線切片技術(shù)研究

王靜奕

（武漢信息傳播職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430223）

0 引 言

5G 時代的移動通信將使數(shù)字服務(wù)以及商業(yè)模式得到強而有力的發(fā)展，其所帶來的社會效益將會遠超以往移動通信技術(shù)。5G 網(wǎng)絡(luò)所提供的5G 業(yè)務(wù)具有延遲較低、連接較多等特點，但業(yè)務(wù)不同時對網(wǎng)絡(luò)延遲和可靠度等也會有不同的要求，為確保各種業(yè)務(wù)場景和消費者差異化體驗要求可以得到滿足，將網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)引入到5G 網(wǎng)絡(luò)中。所謂5G 網(wǎng)絡(luò)切片是指在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中以多個端到端、定制化等特點劃分5GSA 架構(gòu)的物理網(wǎng)絡(luò)，確保各個虛擬網(wǎng)絡(luò)功能特點不同。若要使網(wǎng)絡(luò)切片功能得以有效實現(xiàn)，根據(jù)其端與端的理念需研究和管理好網(wǎng)絡(luò)中的各個環(huán)節(jié)，作為其中的關(guān)鍵一環(huán)，無限切片技術(shù)的實現(xiàn)和管理是本文重點探討的對象。

1 切片基礎(chǔ)知識

一個網(wǎng)絡(luò)切片與一個種類的業(yè)務(wù)相對應(yīng)。

1.1 網(wǎng)絡(luò)切片標識

在5G 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)中，由單個網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息（S-NSSAI）進行標識。網(wǎng)絡(luò)切片由S-NSSAI 進行特定標識之后，就不會在PLMN 中重復(fù)，其組成原件包括切片/業(yè)務(wù)類型（SST）和相應(yīng)的區(qū)分符號（SD）。具體如圖1所示。

圖1 S-NSSAI 標識

（1）SST 在關(guān)于切片/業(yè)務(wù)類型中的描述上指出預(yù)期網(wǎng)絡(luò)切片在基于特征和業(yè)務(wù)上的行為有8 bit 的長度。當(dāng)前關(guān)于SST 取值標準有4 個定義，分別為車聯(lián)網(wǎng)、移動寬度增強、低延遲通信和海量物聯(lián)網(wǎng)。

（2）SD 的功能在于對同個SST 的多個網(wǎng)絡(luò)切片進行區(qū)分，有24 bit 的長度。前面2 個bit 主要用于對人網(wǎng)和物網(wǎng)的區(qū)分，后續(xù)6 個bit 主要分配給全國性業(yè)務(wù)。

1.2 切片的端到端流程

UE 特定的一個協(xié)議數(shù)據(jù)單元會話由一個S-NSSAI 以及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共同確定。當(dāng)切片被UE 激活之后，在策略控制功能的管理下，接入和移動性管理功能將會把UE 路由選擇策略輸送到UE 中，UE 將通過它對應(yīng)用ID 和S-NSSAI進行關(guān)聯(lián)。UE 在進行PDU 會話的創(chuàng)建時將會基于URSP來選取與應(yīng)用相對應(yīng)的S-NSSAI，會話管理功能將會對用戶面功能進行分配，以確保相互對應(yīng)，此時，GNB 會根據(jù)不同的配置將S-NSSAI 映射到各自的虛擬局域網(wǎng)ID 中。在傳輸網(wǎng)里，不同的虛擬局域網(wǎng)與不同的分片虛擬專用網(wǎng)絡(luò)進行綁定，再將分片虛擬專用網(wǎng)絡(luò)與隧道綁定起來。傳輸網(wǎng)與核心網(wǎng)側(cè)有相似的互通方式，進而確保網(wǎng)絡(luò)切片端與端之間得以有效互通。切片的端到端運行流程如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)切片端到端的運行流程

在切片網(wǎng)絡(luò)的運行過程中，核心網(wǎng)的作用在于開戶、切片信息的配置以及切片組的定義。傳輸網(wǎng)的作用在于提供獨立的虛擬局域網(wǎng)給不同的切片組。根據(jù)服務(wù)等級協(xié)議的不同無線網(wǎng)會相應(yīng)做出切片組和無線資源的分配，并將其映射到虛擬局域網(wǎng)端口中。

2 無線切片技術(shù)

在無線網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)切片的不同主要表現(xiàn)在所選擇的網(wǎng)絡(luò)、分配的資源和調(diào)度、控制接納等的差異性。

2.1 接入和移動性管理功能的選擇（AMF）

5G 基站會根據(jù)用戶在進行注冊或者辦理業(yè)務(wù)時所發(fā)出的消息內(nèi)容選取接入和移動性管理功能。第一步：先基于GUTI 選取核心網(wǎng)。若用戶發(fā)送的消息內(nèi)容里面含有“RegisteredAMF”IE 或“5G S-TMSI”IE，則根據(jù)該種信息元素，5G 基站會在其中根據(jù)GUTI 進行AMF 的選取；若用戶發(fā)送的消息不含有上述信息元素，則5G 基站將會進行到第二步。第二步：基于切片標識進行核心網(wǎng)的選取。若用戶所發(fā)送的信息內(nèi)容中包含有“S-NSSAI List”IE，則5G 基站會根據(jù)該List 去和各個AMF 信息中存有的S-NSSAI List 匹配，在其中選取可以支持List 的有著最多S-NSSAI 數(shù)量的AMF 當(dāng)作候選AMF；若用戶發(fā)送的信息內(nèi)容不包括“S-NSSAI List”IE，或未能找到可以支持List 中的S-NSSAI的AMF，則5G 基站將會進行第3 步操作。第三步：選取缺省AMF，若缺省AMF 有較多個，則基于各個缺省AMF 中的“Relative AMF Capacity”對權(quán)重進行計算，并根據(jù)加權(quán)平均算法對缺省AMF 進行選擇。

2.2 資源分配與調(diào)度

5G 基站的切片機制共有三種類型，分別是服務(wù)質(zhì)量調(diào)度（QoS）、資源預(yù)留以及載波隔離。所謂QoS 調(diào)度指該種類型的切片對無線側(cè)公共資源是共享的，基于5G QoS 標識優(yōu)先級開展調(diào)度工作。資源預(yù)留是在某個范圍內(nèi)將單獨資源預(yù)留給較低安全級別要求但有較高業(yè)務(wù)感知保障的切片。載波隔離指基站上個載波中的資源為下一個切片使用，主要應(yīng)用于有著較高安全級別要求或較大帶寬要求的切片。

2.2.1 QoS 調(diào)度

在QoS 調(diào)度中，網(wǎng)絡(luò)不會預(yù)留無線資源給切片。但受限于資源時，優(yōu)先級較高的業(yè)務(wù)相比于空口資源可以得到優(yōu)先的調(diào)度，若資源出現(xiàn)擁堵，優(yōu)先級較高的業(yè)務(wù)也會遭到一定的影響。在通用行業(yè)或企業(yè)寬帶等僅有較低隔離以及保障能力要求的業(yè)務(wù)中適合采用QoS 調(diào)度。QoS 調(diào)度的類型分為5QI 以及ID+5QI 兩種。在5QI 調(diào)度類型中，即使切片類型有所不同，若有著相同的5QI，都可以在同一類型的無線側(cè)數(shù)據(jù)無線承載（DRB）上進行映射，使它們的擁有相同的調(diào)度策略。在ID+5QI 的調(diào)度類型中，切片不同的情況下即使有相同的5QI，也可在無線側(cè)類型不同的DRB 中進行映射，使它們具有不相同的調(diào)度策略。類型不同的DRB 進行差異化調(diào)度的關(guān)鍵在于配置各自相應(yīng)的媒體接入、無線鏈路以及分組數(shù)據(jù)協(xié)議層的參數(shù)。

2.2.2 資源預(yù)留

在5G 網(wǎng)絡(luò)中，切片被劃分成切片組，而基于切片組可以有效管理無線資源，確保切片間可以有效隔離和共享無線資源。資源預(yù)留有兩種方式，分別為接納控制和PRB 預(yù)留。

2.2.3 載波隔離

載波隔離是指在用戶/業(yè)務(wù)種類不同時采用不同的載波小區(qū)。載波隔離技術(shù)需協(xié)同配置核心網(wǎng)以及無線側(cè)，確保有效隔離種類不同的用戶/業(yè)務(wù)的使用資源。

2.3 無線切片部署策略

基于產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的角度進行分析可知，QoS 調(diào)度有著最為成熟的支持度。雖然在R15 中有將資源預(yù)留引入，但在R16 中才正式確定方案，雖然終端可以對資源預(yù)留進行支持，但切片并發(fā)仍然較低的支持度；在無線網(wǎng)資源預(yù)留中，僅有部分廠家支持，核心網(wǎng)中已經(jīng)支持該種技術(shù)。PNI-NPN 是載波隔離的最終目標，在R16 終端中該種方案屬于可選功能，當(dāng)前僅有較低的支持度。從產(chǎn)業(yè)鏈成熟度上看，關(guān)于無線切片的部署具體可以劃分為如下幾個階段：

（1）僅依靠QoS 調(diào)度完成無線側(cè)不同切片的差異化感知。該種情況下網(wǎng)絡(luò)可將無資源獨占需求的服務(wù)提供給5G 用戶。

（2）通過資源預(yù)留以及QoS 調(diào)度確保無線實現(xiàn)不同切片的差異化感知。該種情況下，網(wǎng)絡(luò)除去可以實現(xiàn)第一個階段的業(yè)務(wù)之外，還可將部分資源可獨占的服務(wù)提供給5G VIP 用戶。

（3）通過QoS、資源預(yù)留以及載波隔離三種方式確保無線可以實現(xiàn)對不同切片的差異化感知。該種情況下，網(wǎng)絡(luò)除了可以滿足第一和第二階段所使用的業(yè)務(wù)之外，還可將全部資源獨占的服務(wù)提供給5G 特需用戶。

3 基于共建共享網(wǎng)絡(luò)下的無線部署方案

當(dāng)前，使用共建共享的方式部署5G 網(wǎng)絡(luò)時，除了需要保障用戶/業(yè)務(wù)不同時各自差異化感知，還需確保使用無線資源時雙方的公平性。針對無線網(wǎng)絡(luò)方案，下面將其劃分為三個階段：

3.1 第一階段

在該階段中，無線網(wǎng)絡(luò)只通過5QI 分配和調(diào)度差異化資源，此時兩個營業(yè)商不僅需要進行不同5QI 下QoS 參數(shù)配置規(guī)范的統(tǒng)一，還需確保增值用戶/業(yè)務(wù)具有相同的比例。

3.1.1 Non-GBR 承載網(wǎng)絡(luò)方案

無線側(cè)通過調(diào)整相對調(diào)度比例的方法對5QI6、8、9 等Non-GBR 承載進行調(diào)度，推薦以4：3：2 作為其配置比例。相比于5QI9 而言，5QI6 和8 承載有著相對較高的調(diào)度比例，因此在占用資源上具有一定優(yōu)勢。若5QI6 和8 有較高的用戶比例，將會導(dǎo)致5QI9 現(xiàn)網(wǎng)用戶的感知受到影響；若5QI6和8 有較大的用戶比例差距，會導(dǎo)致使用無線資源的雙方對等公平性受到影響。建議營業(yè)商雙方業(yè)務(wù)部門針對5QI6 和8 在用戶/業(yè)務(wù)類型及其最高比例進行協(xié)商以確保一致。

3.1.2 CBR 承載網(wǎng)絡(luò)方案

無線側(cè)在5QI3、4、71 和83 等CBR 專載中會優(yōu)先進行調(diào)度以確保流量比特率（GFBR）速率。當(dāng)前部分廠家針對GFBR 達到最大流量比特率的部分均使用優(yōu)先保障比默認承載的方式。當(dāng)前，在無線側(cè)中還未有有效手段對一個小區(qū)資源被某些GBR 專載占用情況進行控制，因此若一個小區(qū)內(nèi)有聚集的專載業(yè)務(wù)時，將會對小區(qū)中大網(wǎng)用戶的感知造成一定的影響。若營業(yè)商在相同承載的GFBR/MFBR 中有不統(tǒng)一的設(shè)置，將會使雙方用戶在進行相同承載業(yè)務(wù)的操作中有不同的感知。因此，建議營業(yè)商雙方仔細考慮該種業(yè)務(wù)的發(fā)展，并注意該種業(yè)務(wù)中CFBR 以及MFBR 的設(shè)置，確保承載配置相同的CFBR/MFBR 有相同的設(shè)置，并在限制該種業(yè)務(wù)發(fā)展的用戶數(shù)方面達成統(tǒng)一。

3.2 第二階段

將資源預(yù)留技術(shù)引入到第二階段中，該過程需要營業(yè)商雙方對資源預(yù)留公平性進行考慮。

3.2.1 基于PLMN 的特有業(yè)務(wù)組資源管理算法

當(dāng)前多數(shù)是在切片組基礎(chǔ)上開展資源管理，即使小區(qū)切片組較多，也是分開各個切片組開展資源管理。在共建共享小區(qū)中，若資源管理僅基于切片組而未考慮PLMN，則運營商雙方若想要實現(xiàn)資源使用的公平性，那么其中任一方在進行新切片業(yè)務(wù)的開通時都需要雙方開展資源協(xié)商，對業(yè)務(wù)開通而言帶來了較多的復(fù)雜性。若雙方在業(yè)務(wù)開通之前不開展資源協(xié)商，不僅會造成運營商資源對等無法得到保障，還會使此資源僅能在運營商的承建范圍內(nèi)開通，在共享區(qū)域內(nèi)可能無法進行此資源的開通。

針對上述關(guān)于資源管理的分析，本文提出一種基于PLMN 的特有業(yè)務(wù)組作為管理方法。即以三種類型劃分小區(qū)業(yè)務(wù)，分別為非切片組和雙方各自特有的業(yè)務(wù)組。通過資源完全共享的方式設(shè)置非切片組業(yè)務(wù)。而運營商雙方各自特有的業(yè)務(wù)組則可含有各自的多個切片組，并且可根據(jù)各自特有的業(yè)務(wù)組設(shè)置總專用、總最小和總最大的資源比例及相關(guān)的準入?yún)?shù)進行各自特有業(yè)務(wù)組的資源管理。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)方案

因基于PLMN 的特有業(yè)務(wù)組的現(xiàn)有支持度較低，因此第二階段基于廠家是否支持的角度制訂網(wǎng)絡(luò)方案。

在廠家不支持的情況下：采用跟第一階段相同的Non-GBR 承載網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)置第二階段的Non-GBR 承載；針對5QI3、4 等GBR 專載承載的業(yè)務(wù)和專用資源、優(yōu)先要求的業(yè)務(wù)均放置在營業(yè)商各自的切片組中。此時網(wǎng)絡(luò)的切片組僅有2 個，分別是營業(yè)商雙方各自的切片組。營業(yè)商雙方需要基于各自切片組的各項參數(shù)進行協(xié)商以確保統(tǒng)一。

在廠家支持的情況下：采用跟第一階段相同的Non-GBR 承載網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)置第二階段的Non-GBR 承載；以同樣的方式設(shè)置營業(yè)商雙方各自的切片組，此時針對營業(yè)商各自的切片組，在各類參數(shù)比例中，可與之前各自進行資源限制的切片組比例進行對應(yīng)。

3.3 第三階段

在各個載波隔離技術(shù)方案中，PLMN 方案中具有隔離度高的優(yōu)點以及PLMN 數(shù)目較少，較難申請的缺點；TAC+切片方案中具有較大的可行性，可對切片粒度用戶接入進行限制的優(yōu)點，TAC+IMSI 方案中具有較大可行性，且可以對IMSI 粒度用戶接入進行限制的優(yōu)點，但兩種方案均具有較弱隔離性，在公網(wǎng)小區(qū)上專用用戶進行第一次注冊時無法避免會被拒絕，僅可在較少TAC 場景上應(yīng)用的缺點；PNINPN 方案中，具有較好專網(wǎng)隔離性，可隔離小區(qū)粒度的優(yōu)點，但有僅在終端R16 可運行的缺點；在UAC 方案中，具有可通過UE 對訪問是否發(fā)起進行控制，能夠有效避免隨機接入的優(yōu)點，但僅可在接入控制中使用，不能開展移動性控制。從產(chǎn)業(yè)鏈成熟度的角度上進行考慮，當(dāng)前在將全部資源獨占的增值服務(wù)提供給5G 行業(yè)特需用戶時，建議使用TAC+切片或TAC+IMSI 方案。當(dāng)PNI-NPN 技術(shù)得到終端、無線網(wǎng)等的支持后，再使用該種方案開展載波隔離服務(wù)。

4 結(jié) 論

在下一代網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)切片將會是其重要元素，也會是運營商為適應(yīng)不同用戶和業(yè)務(wù)需求提供個性化服務(wù)的重要技術(shù)。要將網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)應(yīng)用到5G 網(wǎng)絡(luò)中，除了包括端到端的網(wǎng)絡(luò)和管理模式上的改變之外，還為實現(xiàn)技術(shù)和商業(yè)運營方式帶來了較多挑戰(zhàn)。從各個運營商的前期組網(wǎng)方案中可以看出，他們已經(jīng)對如何應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)做出了詳細的考慮。從國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的相關(guān)研究中也可以知道，中國5G 技術(shù)已經(jīng)位居世界前列，在國內(nèi)普及使用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)已經(jīng)指日可待。