基于5G技術(shù)的衛(wèi)星端到端網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

魏 肖， 張 景， 成俊峰， 劉哲銘， 馮 旭

(中國電子科學(xué)研究院, 北京 100041)

0 引 言

衛(wèi)星通信作為地面通信的延伸與補(bǔ)充，具有全球覆蓋、隨遇接入、容量大且不受地理環(huán)境限制等通信優(yōu)勢，可以有效克服地面通信的不足[1]。因此，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注和研究。然而，隨著社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，新興的通信場景越來越豐富，人類對通信的需求也越來越高，差異性也越來越大。以傳輸速率和時(shí)延指標(biāo)為例，在無縫覆蓋的場景中，衛(wèi)星通信需要隨時(shí)隨地向包括邊遠(yuǎn)地區(qū)在內(nèi)的用戶提供無縫連接的較高數(shù)據(jù)速率的服務(wù)；在需要大量廣泛的低功耗節(jié)點(diǎn)連接的場景中，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)需要在低功耗和低成本的限制下連接數(shù)百萬個(gè)設(shè)備；面向車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等垂直行業(yè)對實(shí)時(shí)、可靠通信的性能要求，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)需要提供低時(shí)延和高可靠性的通信服務(wù)。然而，傳統(tǒng)衛(wèi)星通信無法為多樣化的應(yīng)用提供不同的服務(wù)，難以在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)下同時(shí)滿足上述要求。

本文對基于5G技術(shù)的衛(wèi)星端到端網(wǎng)絡(luò)切片，包括衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切片體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)切片的關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容進(jìn)行了研究。主要的創(chuàng)新點(diǎn)有以下幾項(xiàng)：

1)提出了一種新的衛(wèi)星端到端網(wǎng)絡(luò)切片結(jié)構(gòu)，基于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源有限和衛(wèi)星信道特性開展了切片管理域和業(yè)務(wù)域的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2)在業(yè)務(wù)域，為支持端到端網(wǎng)絡(luò)切片，適應(yīng)性的分析并研究了基于5G技術(shù)的衛(wèi)星通信接入網(wǎng)子切片和核心網(wǎng)子切片技術(shù)。

3)在管理域，對衛(wèi)星通信的切片關(guān)鍵績效指標(biāo)(KPI)設(shè)計(jì)、切片部署和切片管理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源有限的情況下設(shè)計(jì)了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例創(chuàng)建流程。

1 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)及應(yīng)用

5G網(wǎng)絡(luò)切片通過將一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)分片成多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，可以使用同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)同時(shí)支持不同應(yīng)用場景的按需定制服務(wù)。在網(wǎng)絡(luò)切片的支持下，網(wǎng)絡(luò)資源可以根據(jù)相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)需求動(dòng)態(tài)高效地分配到邏輯網(wǎng)絡(luò)切片[2]。因此，本文將衛(wèi)星通信與5G網(wǎng)絡(luò)切片相結(jié)合，在滿足多樣化應(yīng)用需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)不同服務(wù)器間的隔離，提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的靈活性和有效性。

鑒于5G網(wǎng)絡(luò)切片在應(yīng)對未來差異化網(wǎng)絡(luò)需求方面的優(yōu)勢，近年來引起了廣泛的研究[2-6]。例如，文獻(xiàn)[2]中作者提供了一份關(guān)于5G網(wǎng)絡(luò)切片的調(diào)研，回顧了5G網(wǎng)絡(luò)切片的現(xiàn)狀，并給出了一個(gè)匯總和討論現(xiàn)有工作的框架。文獻(xiàn)[3]提出了基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)的以用戶為中心的服務(wù)分層策略，并設(shè)計(jì)了一種基于資源池的虛擬化無線資源管理優(yōu)化遺傳算法。近年來，3GPP標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)術(shù)論文中提出了應(yīng)用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)切片概念。其中，文獻(xiàn)[7-8]提出了一個(gè)可擴(kuò)展的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切片框架，用于衛(wèi)星與5G的集成，但并未專注于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切片的設(shè)計(jì)和部署，端到端網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在衛(wèi)星系統(tǒng)中還沒有得到很好的應(yīng)用。基于此，本文對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切片進(jìn)行了全面研究和設(shè)計(jì)。然而，在5G網(wǎng)絡(luò)中，切片資源的動(dòng)態(tài)變化主要受用戶行為的影響，而衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中切片資源的動(dòng)態(tài)變化也受衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)行為的影響。由于低軌衛(wèi)星星座的不斷運(yùn)動(dòng)，世界不同地區(qū)的衛(wèi)星信道資源也不盡相同。因此，地面業(yè)務(wù)模型和衛(wèi)星業(yè)務(wù)模型有很大的不同。對于單個(gè)衛(wèi)星，雖然存在資源需求的潮汐效應(yīng)，但可知的衛(wèi)星星歷信息依然能夠?yàn)橘Y源需求預(yù)測和資源配置提供良好的依據(jù)。基于此，我們參考5G網(wǎng)絡(luò)切片來開展衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切片的設(shè)計(jì)，但衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切片還要考慮衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源有限、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?、?yīng)用多樣化等特點(diǎn)。

2 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)使用5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的可行性

傳統(tǒng)的衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)管理側(cè)重于終端管理、波束資源分配、自適應(yīng)編碼和調(diào)制(ACM)資源調(diào)度等，由于LEO衛(wèi)星處于不斷運(yùn)動(dòng)中，全球不同區(qū)域上空的信道資源不同，衛(wèi)星處理的業(yè)務(wù)和流量模型可能相差很大，單顆衛(wèi)星資源需求存在潮汐效應(yīng)，為每一種業(yè)務(wù)都預(yù)留足夠的衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)資資源是很不經(jīng)濟(jì)的做法，網(wǎng)絡(luò)切片的設(shè)計(jì)思想將是解決資源共享、隔離和管控問題的關(guān)鍵。

5G/6G時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)支持為每種特殊需求的業(yè)務(wù)定制專用虛擬網(wǎng)絡(luò)(即一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片)，特定需求包括功能需求(如優(yōu)先級、策略控制、移動(dòng)性等)、性能需求(如時(shí)延、可靠性、速率等)、服務(wù)對象(寬帶業(yè)務(wù)、高可靠業(yè)務(wù)、物聯(lián)業(yè)務(wù))等，參考地面5G/6G網(wǎng)絡(luò)切片的衛(wèi)星接入網(wǎng)切片涉及到基礎(chǔ)設(shè)施資源虛擬化、網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)計(jì)與部署、運(yùn)維編排管理等多個(gè)維度的挑戰(zhàn)。

1)在基礎(chǔ)設(shè)施資源虛擬化方面，地面基礎(chǔ)設(shè)施通常采用虛擬機(jī)和容器的方式，多個(gè)切片可運(yùn)行在共享物理設(shè)施上。開放的、靈活的、可編程的，虛擬化基礎(chǔ)平臺是構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)切片的第一步。在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，基于有宿主操作系統(tǒng)的地面基礎(chǔ)設(shè)施資源虛擬化技術(shù)面臨可靠性無法保證，虛擬化資源效率低等問題。需要研究異構(gòu)資源虛擬化、基于裸機(jī)的輕量化虛擬化/容器部署技術(shù)等高效資源虛擬化技術(shù)。

2)在微服務(wù)化協(xié)議設(shè)計(jì)方面，核心網(wǎng)的微服務(wù)技術(shù)比較成熟，但是仍然需要針對衛(wèi)星環(huán)境進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)和網(wǎng)元部署研究以適應(yīng)低軌星座高動(dòng)態(tài)環(huán)境；接入網(wǎng)側(cè)需將傳統(tǒng)接入網(wǎng)協(xié)議棧功能的粒度細(xì)化，打破接入網(wǎng)協(xié)議棧的層級關(guān)系，將各層相似功能按照微服務(wù)的方式進(jìn)行重新封裝，從而實(shí)現(xiàn)無線接入網(wǎng)的服務(wù)化設(shè)計(jì)，接入網(wǎng)微服務(wù)技術(shù)預(yù)計(jì)還需要較長的研究周期，在短期內(nèi)可考慮采用部分帶寬(BWP)信道資源處理預(yù)留的方式，兼顧靈活性和信道資源隔離度以支持接入網(wǎng)切片部署。

3)在智能化運(yùn)維編排方面，端到端的網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)計(jì)包含星地?zé)o線網(wǎng)子切片，星間鏈路、饋電鏈路、地面微波光纖等承載網(wǎng)子切片，星地部署的核心網(wǎng)子切片，涉及到接入、傳輸、交換制式選擇、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、頻率協(xié)調(diào)等多個(gè)要素，目前人工智能技術(shù)尚不足以支持如此復(fù)雜的智能化運(yùn)維編排，尚需要深入的研究，現(xiàn)階段可以考慮采用子切片模板映射的方式，簡化天地一體網(wǎng)絡(luò)切片的智能化運(yùn)維編排。

從上述的關(guān)鍵技術(shù)分析看，盡管網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的應(yīng)用是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展趨勢，但是距離技術(shù)產(chǎn)業(yè)成熟尚需多年投入，相關(guān)支撐技術(shù)成熟度評估如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星接入網(wǎng)切片技術(shù)成熟度預(yù)計(jì)

為了將網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)應(yīng)用到某網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地面與天基的連接，應(yīng)當(dāng)借鑒地面網(wǎng)絡(luò)切片的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，在以下相關(guān)支撐技術(shù)方面形成突破。

1)在基礎(chǔ)設(shè)施資源虛擬化方面，利用低成本高性能的工業(yè)級的計(jì)算處理器件，研究基于裸機(jī)的輕量化虛擬化/容器技術(shù)、空間容錯(cuò)計(jì)算、異構(gòu)計(jì)算技術(shù)等資源虛擬化技術(shù)研究，構(gòu)建具有CPU/GPU/FPGA/DSP異構(gòu)計(jì)算處理、適應(yīng)能源受限部署以及空間單粒子效應(yīng)環(huán)境的天基計(jì)算處理基礎(chǔ)平臺設(shè)施。

2)在服務(wù)化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)方面，根據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)難易程度，按照先核心交換網(wǎng)元，再無線接入網(wǎng)元的順序，逐步研究開展服務(wù)化/微服務(wù)化的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議切片設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)端到端網(wǎng)絡(luò)切片(核心交換+無線接入)基本能力，確保天基信息服務(wù)提供端到端網(wǎng)絡(luò)切片條件。

3)在網(wǎng)絡(luò)智能運(yùn)維編排方面，可按照先采用切片模板映射+弱人工智能輔助管理的方式，逐步引入人工智能，最終實(shí)現(xiàn)跨域自主運(yùn)維、智能感知與切片編排，確保星地一體寬帶移動(dòng)接入、天基物聯(lián)、低時(shí)延高可靠無人平臺通信業(yè)務(wù)在共享基礎(chǔ)設(shè)施上的高隔離部署，資源共享調(diào)度、干擾協(xié)調(diào)抑制。

3 衛(wèi)星端到端網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)設(shè)計(jì)

端到端網(wǎng)絡(luò)切片都可以提供一個(gè)完整網(wǎng)絡(luò)的功能，包括接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)[9]。衛(wèi)星端到端網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)包括網(wǎng)絡(luò)切片管理域和網(wǎng)絡(luò)切片業(yè)務(wù)域兩部分，如圖2所示。本文重點(diǎn)針對無線接入網(wǎng)元和核心網(wǎng)元提出衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切片機(jī)制，支持衛(wèi)星和地面之間不同功能網(wǎng)元的靈活部署。

圖2 衛(wèi)星接入網(wǎng)切片架構(gòu)

所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)切片管理域包括通信服務(wù)管理功能(CSMF)、網(wǎng)絡(luò)切片管理功能(NSMF)和網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)管理功能(NSSMF)。其中，NSSMF包括接入網(wǎng)子切片管理功能(AN-NSSMF)和核心交換子切片管理功能(CN-NSSMF)，以及部署在各個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，用于采集分析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并向各個(gè)功能網(wǎng)元提供分析信息的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析功能網(wǎng)元(S-NWDAF)。

網(wǎng)絡(luò)切片業(yè)務(wù)域包括衛(wèi)星無線接入網(wǎng)元子切片、核心交換網(wǎng)元子切片。其中，衛(wèi)星接入網(wǎng)子切片包括分布式單元(Sat_DU)和集中式單元(Sat_CU)。Sat_DU完成RLC 層、MAC層、物理層的信號處理，Sat_CU完成接入網(wǎng)的無線高層協(xié)議處理。衛(wèi)星核心交換網(wǎng)元采用微服務(wù)體系結(jié)構(gòu)，將復(fù)雜的功能單元分解為解耦的微服務(wù)功能，主要網(wǎng)元包括接入和移動(dòng)性管理功能網(wǎng)元(AMF)、會(huì)話管理功能網(wǎng)元(SMF)和用戶平面功能網(wǎng)元(UPF)。針對無線接入網(wǎng)元與核心交換網(wǎng)元的特點(diǎn)，通常采用虛擬機(jī)/容器部署模式，支持不同場景下各功能網(wǎng)元在星地之間的靈活部署。

網(wǎng)絡(luò)切片管理域可根據(jù)業(yè)務(wù)需求對網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行定制裁剪和靈活組網(wǎng)，通過引入NWDAF實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)性能監(jiān)測與資源優(yōu)化，在切片生命周期結(jié)束之后將資源釋放，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的動(dòng)態(tài)按需分配，大幅提升資源利用率，同時(shí)隔離不同業(yè)務(wù)場景所需資源，確保某一切片發(fā)生故障不會(huì)影響到其他切片，滿足差異化應(yīng)用場景的不同需求。但切片管理也會(huì)帶來一定的處理資源開銷，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 基于5G的衛(wèi)星子網(wǎng)切片技術(shù)

在如圖3所示的天地一體接入網(wǎng)系統(tǒng)中，可以考慮采用主從衛(wèi)星協(xié)同部署模式，其中只有少數(shù)主衛(wèi)星部署無線接入集中式單元(CU)，而其他從衛(wèi)星部署分布式單元(DU)，主從衛(wèi)星之間的協(xié)作可以實(shí)現(xiàn)完整的無線接入?yún)f(xié)議功能。在核心交換網(wǎng)元部署方面，可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求在衛(wèi)星上部署一些用戶需要頻繁訪問的核心網(wǎng)功能網(wǎng)元，如接入和移動(dòng)性管理功能網(wǎng)元(AMF)、會(huì)話管理功能網(wǎng)元(SMF)和用戶平面功能網(wǎng)元(UPF)，其他功能網(wǎng)元部署在地面，既能滿足業(yè)務(wù)需求，又能節(jié)省衛(wèi)星資源。值得注意的是，盡管借鑒了地面5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的切片管理及部署技術(shù)，但由于衛(wèi)星和5G物理資源形態(tài)不同，使其分級和隔離技術(shù)差異較大，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

圖3 天地一體接入網(wǎng)系統(tǒng)

4.1 衛(wèi)星無線接入網(wǎng)元切片

衛(wèi)星接入網(wǎng)子切片需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)切片管理平臺下發(fā)的不同業(yè)務(wù)場景的不同服務(wù)級別協(xié)議(SLA)需求，通過資源池預(yù)留和分配的方式進(jìn)行靈活的子切片定制，實(shí)現(xiàn)無線資源的隔離，如圖4所示。不同的衛(wèi)星接入網(wǎng)子切片通過配置無線空口參數(shù)進(jìn)行資源調(diào)度和傳輸參數(shù)設(shè)置，獲得合理的吞吐量和傳輸時(shí)延性能[10]。

圖4 衛(wèi)星接入網(wǎng)子切片

在衛(wèi)星接入網(wǎng)切片中，提出基于信道資源切片的部分帶寬(BWP)子帶濾波方法，兼顧靈活性和信道資源隔離度以支持接入網(wǎng)切片部署，支持不同子帶配置不同的子載波間隔，為不同業(yè)務(wù)提供靈活的資源和速率映射，子帶濾波還可以實(shí)現(xiàn)不同子帶的資源隔離，有效降低切片間干擾；聯(lián)合子帶濾波和新波形設(shè)計(jì)，不同子帶采用不同的波形參數(shù)配置，利用差異化波形實(shí)現(xiàn)對不同終端類型的支持，增強(qiáng)了系統(tǒng)的兼容性和靈活性。

4.2 衛(wèi)星/地面核心網(wǎng)子切片

為實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)功能網(wǎng)元的星地按需部署，將傳統(tǒng)的基于復(fù)雜單體核心網(wǎng)功能網(wǎng)元解耦成模塊化微服務(wù)，部署在虛擬機(jī)或容器上，可以實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)元的隔離和快速部署，是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的技術(shù)基礎(chǔ)。用戶利用部分星上核心網(wǎng)功能網(wǎng)元和部分地面核心網(wǎng)功能網(wǎng)元組合的方式切分出滿足其SLA需求的衛(wèi)星核心網(wǎng)子切片和地面核心網(wǎng)子切片。

得益于上述網(wǎng)絡(luò)虛擬化和服務(wù)化架構(gòu)[12-13]，核心網(wǎng)功能網(wǎng)元支持不同層級的按需隔離與共享，保證不同切片間的業(yè)務(wù)獨(dú)立性，一個(gè)切片將由多個(gè)核心交換網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例組成，但一些網(wǎng)絡(luò)功能(實(shí)例)可能會(huì)被多個(gè)切片共享。核心網(wǎng)切片之間主要包括三種隔離方式：完全共享模式、完全獨(dú)占模式、部分獨(dú)占模式，如圖5所示。完全共享模式是子切片共享所有功能網(wǎng)元,例如AUSF、AMF、NSSF、UDM、NEF等功能網(wǎng)元。完全獨(dú)占模式中，每個(gè)子切片獨(dú)享所有功能網(wǎng)元，例如SMF、UPF、PCF、AF等功能網(wǎng)元；對于UPF等需要硬件加速的核心交換功能網(wǎng)元，通常也可以采用資源預(yù)留、部分獨(dú)占的方式，在隔離性需求和成本之間做到最佳平衡。

圖5 核心網(wǎng)功能網(wǎng)元切片模式示意圖

5 衛(wèi)星端到端網(wǎng)絡(luò)切片管理技術(shù)

衛(wèi)星端到端網(wǎng)絡(luò)切片管理主要包括網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)計(jì)、部署、生命周期和性能管理3個(gè)方面[9]。相比5G系統(tǒng)，衛(wèi)星資源有限，因此需要更精細(xì)的資源管理，對切片管理技術(shù)的輕量級和資源管理的粒度提出了更高的要求；另一方面，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切片也有其天然優(yōu)勢，它可以基于星歷信息實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片資源的提前規(guī)劃和部署，降低切片管理的資源開銷。

5.1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)計(jì)

廣域?qū)拵Ы尤氲拇罅髁總鬏?、物?lián)網(wǎng)的海量接入以及應(yīng)急通信的低時(shí)延傳輸?shù)炔町惢瘓鼍?，需要不同的切片支持，如圖6所示。具體而言，在廣域?qū)拵Ы尤雸鼍熬哂写笕萘繌V域覆蓋的需求，廣域?qū)拵Ы尤氲湫蜆I(yè)務(wù)主要包括高清視頻、海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互等。這些業(yè)務(wù)對切片的容量、速率都提出了較高要求，包括高傳輸速率、高峰值速率、大流量密度、業(yè)務(wù)連續(xù)性等。海量物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)主要包括智慧城市、環(huán)境監(jiān)測等應(yīng)用。這些應(yīng)用覆蓋領(lǐng)域廣，接入設(shè)備數(shù)量巨大，在低功耗、海量連接方面有突出需求，對網(wǎng)絡(luò)切片的覆蓋范圍、時(shí)延、衛(wèi)星容量等KPI指標(biāo)要求較高。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可快速部署的特性可以有效滿足應(yīng)急通信場景下的各類業(yè)務(wù)需求，提供高效可靠的信息傳輸通道，對網(wǎng)絡(luò)切片的時(shí)延、速率、丟包率、單星容量、星座容量等KPI指標(biāo)有一定需求。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)計(jì)需要根據(jù)差異化的業(yè)務(wù)需求設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)切片KPI指標(biāo)。

圖6 基于業(yè)務(wù)需求的網(wǎng)絡(luò)切片KPI指標(biāo)示意圖

5.2 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切片部署

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切片部署是將網(wǎng)絡(luò)切片KPI指標(biāo)分解至接入網(wǎng)及核心網(wǎng)各子切片，完成各子切片的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置。由于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)包括QoS相關(guān)參數(shù)(時(shí)延、速率、丟包率等)、容量相關(guān)參數(shù)(用戶數(shù)、單星容量、星座容量)、業(yè)務(wù)相關(guān)參數(shù)(覆蓋區(qū)域、應(yīng)用場景)等較多內(nèi)容，如何合理分解網(wǎng)絡(luò)切片的KPI指標(biāo)將直接影響切片能否滿足業(yè)務(wù)需求。端到端衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切片KPI分解示意圖如圖7所示，圖中分別總結(jié)了接入網(wǎng)、傳輸及核心網(wǎng)各子切片相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

圖7 端到端衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切片KPI分解示意圖

5.3 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切片管理

網(wǎng)絡(luò)切片生命周期管理主要是完成網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例的創(chuàng)建、更新、終止和查詢等。NSMF根據(jù)接入網(wǎng)、傳輸及核心網(wǎng)切片部署需求，完成網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例的新建。如圖8所示，在衛(wèi)星資源有限的情況下，設(shè)計(jì)了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例創(chuàng)建的過程，并且簡化了創(chuàng)建過程。具體而言，NSMF接收到創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)切片的請求后NSMF分解衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切片各子切片的KPI指標(biāo)，并分配切片ID；然后，NSMF命令NSSMF創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)子切片。

圖8 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例創(chuàng)建過程示意圖

創(chuàng)建好子切片后，NSSMF返回子切片創(chuàng)建和切片創(chuàng)建的結(jié)果。用戶攜帶網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)識NSSAI入網(wǎng)，星上AMF代理負(fù)責(zé)選擇相應(yīng)核心網(wǎng)和接入網(wǎng)資源切片完成用戶數(shù)據(jù)傳輸、交換、處理。

NSMF接收到網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例不再使用的指示后，則NSMF刪除該網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例。同時(shí)，NSMF支持根據(jù)S-NSSAI或NSI ID查詢網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例的信息，包括Service Profile，網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例關(guān)聯(lián)的NSSI信息等。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切片的性能管理主要是依托NWDAF收集切片子網(wǎng)性能數(shù)據(jù)，并對各子域的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，NSMF與Sat5GC_NF和AF網(wǎng)元可以訂閱NWDAF的分析數(shù)據(jù)，檢查當(dāng)前切片是否滿足用戶性能需求。

圖9 基于NWDAF的網(wǎng)絡(luò)性能分析模式

如果未達(dá)到業(yè)務(wù)的性能需求，可以通過修改切片配置提升切片性能，NSMF在收到網(wǎng)絡(luò)切片需求變更的請求后，生成切片實(shí)例變更需求，并觸發(fā)修改，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例的更新。

6 結(jié) 語

本文研究提出了基于5G技術(shù)的支持多樣化應(yīng)用的定制服務(wù)的衛(wèi)星端到端網(wǎng)絡(luò)切片方案。這種通用的衛(wèi)星端到端網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)，支持星地網(wǎng)絡(luò)功能的靈活和按需部署；并對基于5G技術(shù)的衛(wèi)星接入網(wǎng)和核心網(wǎng)切片技術(shù)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)；進(jìn)一步開展了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切片管理技術(shù)的研究，包括切片KPI設(shè)計(jì)、部署和管理，為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切片的研究提供了參考。