5G網(wǎng)絡(luò)無線切片技術(shù)研究

胡煜華 蔡月清 黎 越 李 貝 沈文超

1.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司浙江省分公司；2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司江蘇省分公司；3.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院；4.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司杭州分公司

0 引言

隨著5G網(wǎng)絡(luò)商用的普及，5G支持的新業(yè)務(wù)不斷進(jìn)入人們的日常生活和社會(huì)活動(dòng)。不同業(yè)務(wù)存在不同的功能需求（例如用戶標(biāo)識(shí)管理、策略控制、移動(dòng)性及位置管理等），不同性能要求（例如時(shí)延、移動(dòng)性、速率等），不同網(wǎng)絡(luò)安全、可靠性要求（例如可靠性、快速恢復(fù)、可隔離等）。針對(duì)業(yè)務(wù)場景差異性的需求，運(yùn)營商需提供一類解決方案技術(shù)，通過功能、性能、隔離、運(yùn)維等多方面的靈活設(shè)計(jì)，縮短業(yè)務(wù)上市時(shí)間，增強(qiáng)創(chuàng)新能力。5G網(wǎng)絡(luò)引入了網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，在統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施上分離出多個(gè)虛擬的端到端網(wǎng)，不同連接能力的服務(wù)部署在不同的網(wǎng)絡(luò)切片上，技術(shù)上解耦，不同切片滿足不同場景對(duì)網(wǎng)絡(luò)差異化功能的需求。

1 5G切片特點(diǎn)和標(biāo)識(shí)

5G網(wǎng)絡(luò)切片（Network Slicing）是指在同一網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上，將5G獨(dú)立組網(wǎng)（Standalone，SA）架構(gòu)的物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)端到端、虛擬的、隔離的（物理隔離或者邏輯隔離）、按需定制的專用邏輯網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)具備不同的功能特點(diǎn)，以滿足不同行業(yè)客戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力的不同要求，如時(shí)延、帶寬、連接數(shù)等。5G切片可以嵌套，切片中可以進(jìn)一步劃分子切片。5G切片為對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)提供必要的網(wǎng)絡(luò)處理，從而減少資源消耗。

1.1 網(wǎng)絡(luò)切片特點(diǎn)

通過切片技術(shù)，物理網(wǎng)絡(luò)虛擬出多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，適配不同行業(yè)客戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力的服務(wù)需求。網(wǎng)絡(luò)切片特點(diǎn)如下：（1）按需提供切片生命周期、分布式部署，提供容量和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能可定制編輯。（2）端到端網(wǎng)絡(luò)，包括無線接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)等，需要跨域的切片管理系統(tǒng)。（3）切片網(wǎng)絡(luò)資源、安全隔離，以及操作、管理和維護(hù)隔離，不同區(qū)域可以采用不同隔離技術(shù)，不同切片網(wǎng)絡(luò)互不干擾，從而增強(qiáng)整體網(wǎng)絡(luò)以及切片網(wǎng)絡(luò)的健壯性和可靠性。

1.2 網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)識(shí)

單個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息業(yè)務(wù)切片標(biāo)識(shí)（Single Network Slice Selection Assistance Information，S-NSSAI）標(biāo)識(shí)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片，一個(gè)S-NSSAI可以關(guān)聯(lián)一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例。S-NSSAI分為兩部分，由切片/業(yè)務(wù)類型（Slice/Service Type，SST）和切片區(qū)分器（Service Differentiator，SD）組成。SST長度8bit，當(dāng)前已定義SST見表1。SD是補(bǔ)充SST的可選信息，以區(qū)分相同SST的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片，長度24bit。

表1 3GPP已定義SST

類型 取值 描述大規(guī)模機(jī)器類通信（Massive Machine Type Communication/ Internet of Things，MIoT/mMTC）3 適用于處理大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)通信。車對(duì)外界的信息交換（Vehicle To Everything ，V2X） 4 適用于處理5G車聯(lián)網(wǎng)通信。

2 端到端切片框架

5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片框架如圖1所示，分為網(wǎng)絡(luò)切片管理域和網(wǎng)絡(luò)切片業(yè)務(wù)域。網(wǎng)絡(luò)切片管理域包括通信服務(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)切片子網(wǎng)管理功能（Network Slice Subnet Management Function，NSSMF）等部分。網(wǎng)絡(luò)切片業(yè)務(wù)域需要終端（User Equipment，UE）、無線網(wǎng)（Radio Access Network，RAN）、承載網(wǎng)（Transport Network，TN）、核心網(wǎng)（Core Network，CN）、數(shù)據(jù)網(wǎng)（Data Network，DN）等協(xié)同，共同實(shí)現(xiàn)端到端能力拉通。

圖1 網(wǎng)絡(luò)切片框架

網(wǎng)絡(luò)切片管理域完成用戶切片業(yè)務(wù)需求分解和處理，并轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)等級(jí)保障（Service Level Assurance，SLA）需求，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)端到端編排、配置、監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)切片業(yè)務(wù)域中各網(wǎng)元通過Uu等接口相連發(fā)揮不同作用，核心網(wǎng)采用虛擬化技術(shù)，支持各種類型切片的構(gòu)建和部署。承載網(wǎng)向切片組提供承載側(cè)信息，設(shè)置虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local Area Network，VLAN）。無線網(wǎng)完成簽約切片標(biāo)識(shí)與VLAN和業(yè)務(wù)場景對(duì)應(yīng)跟蹤區(qū)域碼（Tracking Area Code，TAC）的綁定，進(jìn)行切片解決方案選擇和無線資源分配。

3 無線網(wǎng)切片方案

無線網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片的無線資源管理和準(zhǔn)入控制管理來滿足不同業(yè)務(wù)的SLA需求，保障用戶體驗(yàn)。

3.1 無線網(wǎng)絡(luò)切片感知

UE激活切片時(shí)，路由選擇策略通過接入和移動(dòng)性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）發(fā)給UE，UE用它來關(guān)聯(lián)S-NSSAI。注冊(cè)過程中，無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)于切片的感知主要體現(xiàn)在AMF選擇流程。UE可以在RRC Setup Complete消息中提供網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息業(yè)務(wù)切片標(biāo)識(shí)（Network Slice Selection Assistance Information，NSSAI）或者臨時(shí)標(biāo)識(shí)（Temp ID）。

（1）如果初始附著時(shí)UE提供NSSAI，基站使用NSSAI信息選擇AMF。

（2）如果UE未提供NSSAI信息，則基站向默認(rèn)的AMF發(fā)送NAS信令，默認(rèn)的AMF選擇合適的服務(wù)AMF，服務(wù)AMF通過注冊(cè)接收（Registration Accept）消息給UE下發(fā)Temp ID和NSSAI信息（其中包括允許的NSSAI、配置的NSSAI等多種網(wǎng)絡(luò)切片信息）。

（3）對(duì)于后續(xù)的注冊(cè)請(qǐng)求，UE使用5G全球唯一臨時(shí)UE標(biāo) 識(shí) 符5G-GUTI（5G Globally Unique Temporary UE Identifier）的短形式Temp ID，以實(shí)現(xiàn)更高效的無線信令過程進(jìn)行AMF選擇，Temp ID可以唯一標(biāo)識(shí)AMF。

UE的一個(gè)協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit，PDU）會(huì)話由S-NSSAI和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)名稱（Data Net work Name，DNN）確定。UE在PDU會(huì)話建立時(shí)，基站會(huì)根據(jù)建立請(qǐng)求攜帶的S-NSSAI與基站配置的S-NSSAI進(jìn)行比較，如果gNodeB配置的S-NSSAI包含PDU會(huì)話建立請(qǐng)求攜帶的S-NSSAI，則允許用戶建立PDU會(huì)話。如果不包含則拒絕。

當(dāng)終端在小區(qū)間切換時(shí)，源小區(qū)考慮目標(biāo)小區(qū)的切片支持情況，分三種場景：

（1）測量報(bào)告（Measurement Report，MR）中上報(bào)的所有鄰區(qū)，均不支持UE正在進(jìn)行的任一切片業(yè)務(wù)，則源小區(qū)不發(fā)起切換請(qǐng)求。

（2）MR中上報(bào)的鄰區(qū)中，有的鄰區(qū)支持UE正在進(jìn)行的所有切片業(yè)務(wù)，有的鄰區(qū)支持UE正在進(jìn)行的部分切片業(yè)務(wù)，則源小區(qū)向支持所有切片業(yè)務(wù)的鄰區(qū)中信號(hào)最強(qiáng)的鄰區(qū)發(fā)起切換請(qǐng)求。

（3）MR中上報(bào)的鄰區(qū)中，所有鄰區(qū)均支持UE正在進(jìn)行的部分切片業(yè)務(wù)。若一些鄰區(qū)支持的切片數(shù)量較高，一些鄰區(qū)支持的切片數(shù)量較低，則源小區(qū)向支持切片數(shù)量最高的鄰區(qū)中信號(hào)最強(qiáng)的鄰區(qū)發(fā)起切換請(qǐng)求。若所有鄰區(qū)支持的切片數(shù)量相同，則源小區(qū)向信號(hào)最強(qiáng)的鄰區(qū)發(fā)起切換請(qǐng)求。

3.2 無線網(wǎng)絡(luò)資源管理

無線網(wǎng)絡(luò)支持三種方案，實(shí)現(xiàn)靈活的資源調(diào)度和隔離，分別為基于QoS調(diào)度、基于RB資源預(yù)留、基于載波隔離。

3.2.1 基于QoS調(diào)度

基于QoS調(diào)度下，不同的網(wǎng)絡(luò)切片共享小區(qū)RB資源，占用RB資源的優(yōu)先級(jí)由QoS優(yōu)先級(jí)決定，在資源擁塞時(shí)，高優(yōu)先級(jí)QoS業(yè)務(wù)也可能受影響。包括基于5G QoS標(biāo)識(shí)符（5G QoS Identifier，5QI）的調(diào)度和基于切片ID+5QI的調(diào)度。

（1）基于5QI的調(diào)度，同一業(yè)務(wù)使用相同5QI，映射到同一類型的數(shù)據(jù)無線承載（Data Radio Bearer，DRB）上。當(dāng)多個(gè)用戶使用同一業(yè)務(wù)時(shí)，一旦資源受限時(shí)，則無法保障哪個(gè)用戶優(yōu)先調(diào)度。

（2）基于切片ID+5QI的調(diào)度，通過在5QI的基礎(chǔ)上疊加切片的方式，映射到不同種類型的DRB，將高優(yōu)先級(jí)用戶放到高優(yōu)先級(jí)切片中，從而確保該用戶優(yōu)先調(diào)度。

調(diào)度優(yōu)先級(jí)和相對(duì)調(diào)度權(quán)重是最重要的QoS調(diào)度參數(shù)。調(diào)度優(yōu)先級(jí)影響承載調(diào)度優(yōu)先順序，該值越小優(yōu)先級(jí)越高。信令數(shù)據(jù)放置到最高優(yōu)先級(jí)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的重傳數(shù)據(jù)放置到次一級(jí)，保證速率（Guaranteed Bit Rate，GBR）業(yè)務(wù)的調(diào)度隊(duì)列一般優(yōu)先于非保證速率（Non-GBR）業(yè)務(wù)；相對(duì)調(diào)度比例是根據(jù)相對(duì)調(diào)度權(quán)重配置，調(diào)度相同優(yōu)先級(jí)下不同Non-GBR承載間的速率比例，對(duì)Non-GBR承載生效。

3.2.2 基于RB資源預(yù)留

允許多個(gè)切片共用同一個(gè)小區(qū)的RB資源，并為一個(gè)切片或一個(gè)切片組分配不同的PRB資源份額，來實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)切片組的RB資源預(yù)留，見表2，包括最小RB資源比例、優(yōu)先RB資源比例和最大RB資源比例三類并依次使用資源。

表2 基于RB資源預(yù)留三類方案

3.2.3 基于載波隔離

給每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片分配獨(dú)立載波，不同的網(wǎng)絡(luò)切片占用不同的小區(qū)資源，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片僅使用本小區(qū)內(nèi)的RB資源?；谳d波隔離方式可以達(dá)成網(wǎng)絡(luò)切片間的完全隔離。主要有基于公用陸地移動(dòng)網(wǎng)（Public Lands Mobile Network，PLMN）、基于TAC及切片、基于TAC及國際移動(dòng)用戶識(shí)別碼（International Mobile Subscriber Identity，IMSI）、基于封閉式接入組（Closed Access Group，CAG）的非公共網(wǎng)絡(luò)（Non-Public Network，NPN）和基于通用接入控制（Unified Access Control，UAC）的載波隔離五種方案，見表3。

表3 基于載波隔離技術(shù)方案

方案 資源分配 特點(diǎn)TAC及IMSI 專網(wǎng)業(yè)務(wù)和公網(wǎng)業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)的小區(qū)劃分成不同的TAC，以TAC為粒度配置黑白名單IMSI列表?，F(xiàn)網(wǎng)可行性大，可以限制IMSI粒度的用戶接入。隔離性弱，專網(wǎng)用戶在公網(wǎng)小區(qū)上的第一次注冊(cè)拒絕無法避免；只能基于用戶維度進(jìn)行隔離。PIN-NPN PNI-NPN通過PLMN+CAG（closed access group）ID標(biāo)識(shí)，RAN廣播PLMN+CAG ID，基于CAG執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)/小區(qū)選擇和接入控制。隔離性好，可以針對(duì)小區(qū)粒度隔離。核心網(wǎng)、基站、終端都需要支持。UAC僅用于接入控制，配置UAC功能中的禁止接入概率因子，如果UE生成的隨機(jī)數(shù)小于該參數(shù)，則允許接入，否則禁止接入?？梢杂蒛E控制是否發(fā)起訪問，避免不必要的隨機(jī)接入過程。參數(shù)取值有限；只用于接入控制，無法進(jìn)行移動(dòng)性控制。

3.2.4 無線切片方案對(duì)比及適用場景

基于QoS調(diào)度和基于RB資源預(yù)留為共用小區(qū)場景，基于載波隔離為不共用小區(qū)場景（分配獨(dú)立載波）。三種方案對(duì)比見表4。5G公網(wǎng)業(yè)務(wù)或5G虛擬專網(wǎng)業(yè)務(wù)無線網(wǎng)適用基于QoS的調(diào)度方案實(shí)現(xiàn)。5G混合專網(wǎng)業(yè)務(wù)的獨(dú)享基站場景無線網(wǎng)適用載波隔離方案實(shí)現(xiàn)。5G混合專網(wǎng)業(yè)務(wù)的共享基站場景無線網(wǎng)適用資源預(yù)留方案，同時(shí)輔以基于QoS的調(diào)度方案實(shí)現(xiàn)。

表4 無線切片三種方案比較

4 切片應(yīng)用案例

某電力系統(tǒng)智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)需求主要是安全隔離、生產(chǎn)控制業(yè)務(wù)高可靠性、低帶寬、強(qiáng)保障、低時(shí)延。切片總體方案見如圖2所示。具體如下：（1）生產(chǎn)1/2區(qū)各1個(gè)PRB資源預(yù)留切片實(shí)例，管理區(qū)1+1個(gè)QOS優(yōu)先級(jí)切片實(shí)例，另外默認(rèn)切片一個(gè)實(shí)例。（2）不同業(yè)務(wù)通過切片ID，經(jīng)生產(chǎn)區(qū)、管理區(qū)以及及管理區(qū)下沉的不同UPF位置出口，流向不同DNN電力業(yè)務(wù)總站。（3）生產(chǎn)區(qū)1/2、管理區(qū)3/4、運(yùn)營商大網(wǎng)默認(rèn)切片5，相互之間業(yè)務(wù)邏輯隔離，無線網(wǎng)內(nèi)按不同切片ID+5QI隔離，并由切片ID對(duì)應(yīng)不同VLAN輸出實(shí)現(xiàn)承載網(wǎng)VPN隔離。（4）生產(chǎn)區(qū)為PRB資源預(yù)留切片，可統(tǒng)計(jì)總的PRB資源數(shù)，也支持每個(gè)業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)，以支持計(jì)費(fèi)按實(shí)際用戶用量，PRB資源分配最小1%，進(jìn)一步擴(kuò)展到1PRB。

圖2 切片總體方案

方案實(shí)施后測試驗(yàn)證結(jié)果見表5，根據(jù)不同策略設(shè)置分別實(shí)現(xiàn)了切片隔離、業(yè)務(wù)隔離、電網(wǎng)切片可對(duì)空閑資源搶占。

表5 電力系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證

5 結(jié)束語

3GPP R15架構(gòu)基本完成定義eMBB類切片，R16中完成定義uRLLC類切片，R17版本定義mMTC類切片。R18版本網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)將進(jìn)一步通過增強(qiáng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet of Things，IIoT）網(wǎng)絡(luò)能力，來使能更多的2B場景和業(yè)務(wù)，持續(xù)提升5G對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、uRLLC業(yè)務(wù)的支持能力，打開智能制造領(lǐng)域的新空間，提升工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的空口容量，降低端到端時(shí)延。隨著5G網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)準(zhǔn)的完善，5G網(wǎng)絡(luò)切片應(yīng)用賦能千行百業(yè)，將更好地為5G垂直行業(yè)服務(wù)。