5G網絡無線切片技術研究

胡煜華 蔡月清 黎 越 李 貝 沈文超

1.中國聯合網絡通信有限公司浙江省分公司；2.中國聯合網絡通信有限公司江蘇省分公司；3.中國聯合網絡通信有限公司研究院；4.中國聯合網絡通信有限公司杭州分公司

0 引言

隨著5G網絡商用的普及，5G支持的新業務不斷進入人們的日常生活和社會活動。不同業務存在不同的功能需求（例如用戶標識管理、策略控制、移動性及位置管理等），不同性能要求（例如時延、移動性、速率等），不同網絡安全、可靠性要求（例如可靠性、快速恢復、可隔離等）。針對業務場景差異性的需求，運營商需提供一類解決方案技術，通過功能、性能、隔離、運維等多方面的靈活設計，縮短業務上市時間，增強創新能力。5G網絡引入了網絡切片技術，在統一的基礎設施上分離出多個虛擬的端到端網，不同連接能力的服務部署在不同的網絡切片上，技術上解耦，不同切片滿足不同場景對網絡差異化功能的需求。

1 5G切片特點和標識

5G網絡切片（Network Slicing）是指在同一網絡基礎設施上，將5G獨立組網（Standalone，SA）架構的物理網絡劃分為多個端到端、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絡，每個虛擬網絡具備不同的功能特點，以滿足不同行業客戶對網絡能力的不同要求，如時延、帶寬、連接數等。5G切片可以嵌套，切片中可以進一步劃分子切片。5G切片為對應的業務提供必要的網絡處理，從而減少資源消耗。

1.1 網絡切片特點

通過切片技術，物理網絡虛擬出多個邏輯網絡，適配不同行業客戶對網絡能力的服務需求。網絡切片特點如下：（1）按需提供切片生命周期、分布式部署，提供容量和網絡服務，對網絡功能可定制編輯。（2）端到端網絡，包括無線接入網、傳輸網和核心網等，需要跨域的切片管理系統。（3）切片網絡資源、安全隔離，以及操作、管理和維護隔離，不同區域可以采用不同隔離技術，不同切片網絡互不干擾，從而增強整體網絡以及切片網絡的健壯性和可靠性。

1.2 網絡切片標識

單個網絡切片選擇輔助信息業務切片標識（Single Network Slice Selection Assistance Information，S-NSSAI）標識一個網絡切片，一個S-NSSAI可以關聯一個或多個網絡切片實例。S-NSSAI分為兩部分，由切片/業務類型（Slice/Service Type，SST）和切片區分器（Service Differentiator，SD）組成。SST長度8bit，當前已定義SST見表1。SD是補充SST的可選信息，以區分相同SST的多個網絡切片，長度24bit。

表1 3GPP已定義SST

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

2 端到端切片框架

5G端到端網絡切片框架如圖1所示，分為網絡切片管理域和網絡切片業務域。網絡切片管理域包括通信服務管理功能（Communication Service Management Function，CSMF）、網絡切片管理功能（Network Slice Management Function，NSMF）、網絡切片子網管理功能（Network Slice Subnet Management Function，NSSMF）等部分。網絡切片業務域需要終端（User Equipment，UE）、無線網（Radio Access Network，RAN）、承載網（Transport Network，TN）、核心網（Core Network，CN）、數據網（Data Network，DN）等協同，共同實現端到端能力拉通。

圖1 網絡切片框架

網絡切片管理域完成用戶切片業務需求分解和處理，并轉換為網絡切片服務等級保障（Service Level Assurance，SLA）需求，實現網絡端到端編排、配置、監控。網絡切片業務域中各網元通過Uu等接口相連發揮不同作用，核心網采用虛擬化技術，支持各種類型切片的構建和部署。承載網向切片組提供承載側信息，設置虛擬局域網（Virtual Local Area Network，VLAN）。無線網完成簽約切片標識與VLAN和業務場景對應跟蹤區域碼（Tracking Area Code，TAC）的綁定，進行切片解決方案選擇和無線資源分配。

3 無線網切片方案

無線網對網絡切片的無線資源管理和準入控制管理來滿足不同業務的SLA需求，保障用戶體驗。

3.1 無線網絡切片感知

UE激活切片時，路由選擇策略通過接入和移動性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）發給UE，UE用它來關聯S-NSSAI。注冊過程中，無線網絡對于切片的感知主要體現在AMF選擇流程。UE可以在RRC Setup Complete消息中提供網絡切片選擇輔助信息業務切片標識（Network Slice Selection Assistance Information，NSSAI）或者臨時標識（Temp ID）。

（1）如果初始附著時UE提供NSSAI，基站使用NSSAI信息選擇AMF。

（2）如果UE未提供NSSAI信息，則基站向默認的AMF發送NAS信令，默認的AMF選擇合適的服務AMF，服務AMF通過注冊接收（Registration Accept）消息給UE下發Temp ID和NSSAI信息（其中包括允許的NSSAI、配置的NSSAI等多種網絡切片信息）。

（3）對于后續的注冊請求，UE使用5G全球唯一臨時UE標 識 符5G-GUTI（5G Globally Unique Temporary UE Identifier）的短形式Temp ID，以實現更高效的無線信令過程進行AMF選擇，Temp ID可以唯一標識AMF。

UE的一個協議數據單元（Protocol Data Unit，PDU）會話由S-NSSAI和數據網絡名稱（Data Net work Name，DNN）確定。UE在PDU會話建立時，基站會根據建立請求攜帶的S-NSSAI與基站配置的S-NSSAI進行比較，如果gNodeB配置的S-NSSAI包含PDU會話建立請求攜帶的S-NSSAI，則允許用戶建立PDU會話。如果不包含則拒絕。

當終端在小區間切換時，源小區考慮目標小區的切片支持情況，分三種場景：

（1）測量報告（Measurement Report，MR）中上報的所有鄰區，均不支持UE正在進行的任一切片業務，則源小區不發起切換請求。

（2）MR中上報的鄰區中，有的鄰區支持UE正在進行的所有切片業務，有的鄰區支持UE正在進行的部分切片業務，則源小區向支持所有切片業務的鄰區中信號最強的鄰區發起切換請求。

（3）MR中上報的鄰區中，所有鄰區均支持UE正在進行的部分切片業務。若一些鄰區支持的切片數量較高，一些鄰區支持的切片數量較低，則源小區向支持切片數量最高的鄰區中信號最強的鄰區發起切換請求。若所有鄰區支持的切片數量相同，則源小區向信號最強的鄰區發起切換請求。

3.2 無線網絡資源管理

無線網絡支持三種方案，實現靈活的資源調度和隔離，分別為基于QoS調度、基于RB資源預留、基于載波隔離。

3.2.1 基于QoS調度

基于QoS調度下，不同的網絡切片共享小區RB資源，占用RB資源的優先級由QoS優先級決定，在資源擁塞時，高優先級QoS業務也可能受影響。包括基于5G QoS標識符（5G QoS Identifier，5QI）的調度和基于切片ID+5QI的調度。

（1）基于5QI的調度，同一業務使用相同5QI，映射到同一類型的數據無線承載（Data Radio Bearer，DRB）上。當多個用戶使用同一業務時，一旦資源受限時，則無法保障哪個用戶優先調度。

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

調度優先級和相對調度權重是最重要的QoS調度參數。調度優先級影響承載調度優先順序，該值越小優先級越高。信令數據放置到最高優先級，數據業務的重傳數據放置到次一級，保證速率（Guaranteed Bit Rate，GBR）業務的調度隊列一般優先于非保證速率（Non-GBR）業務；相對調度比例是根據相對調度權重配置，調度相同優先級下不同Non-GBR承載間的速率比例，對Non-GBR承載生效。

3.2.2 基于RB資源預留

允許多個切片共用同一個小區的RB資源，并為一個切片或一個切片組分配不同的PRB資源份額，來實現基于網絡切片組的RB資源預留，見表2，包括最小RB資源比例、優先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資源預留三類方案

3.2.3 基于載波隔離

給每個網絡切片分配獨立載波，不同的網絡切片占用不同的小區資源，每個網絡切片僅使用本小區內的RB資源。基于載波隔離方式可以達成網絡切片間的完全隔離。主要有基于公用陸地移動網（Public Lands Mobile Network，PLMN）、基于TAC及切片、基于TAC及國際移動用戶識別碼（International Mobile Subscriber Identity，IMSI）、基于封閉式接入組（Closed Access Group，CAG）的非公共網絡（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 基于載波隔離技術方案

方案 資源分配 特點TAC及IMSI 專網業務和公網業務對應的小區劃分成不同的TAC，以TAC為粒度配置黑白名單IMSI列表。現網可行性大，可以限制IMSI粒度的用戶接入。隔離性弱，專網用戶在公網小區上的第一次注冊拒絕無法避免；只能基于用戶維度進行隔離。PIN-NPN PNI-NPN通過PLMN+CAG（closed access group）ID標識，RAN廣播PLMN+CAG ID，基于CAG執行網絡/小區選擇和接入控制。隔離性好，可以針對小區粒度隔離。核心網、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生成的隨機數小于該參數，則允許接入，否則禁止接入。可以由UE控制是否發起訪問，避免不必要的隨機接入過程。參數取值有限；只用于接入控制，無法進行移動性控制。

3.2.4 無線切片方案對比及適用場景

基于QoS調度和基于RB資源預留為共用小區場景，基于載波隔離為不共用小區場景（分配獨立載波）。三種方案對比見表4。5G公網業務或5G虛擬專網業務無線網適用基于QoS的調度方案實現。5G混合專網業務的獨享基站場景無線網適用載波隔離方案實現。5G混合專網業務的共享基站場景無線網適用資源預留方案，同時輔以基于QoS的調度方案實現。

表4 無線切片三種方案比較

4 切片應用案例

某電力系統智能電網業務需求主要是安全隔離、生產控制業務高可靠性、低帶寬、強保障、低時延。切片總體方案見如圖2所示。具體如下：（1）生產1/2區各1個PRB資源預留切片實例，管理區1+1個QOS優先級切片實例，另外默認切片一個實例。（2）不同業務通過切片ID，經生產區、管理區以及及管理區下沉的不同UPF位置出口，流向不同DNN電力業務總站。（3）生產區1/2、管理區3/4、運營商大網默認切片5，相互之間業務邏輯隔離，無線網內按不同切片ID+5QI隔離，并由切片ID對應不同VLAN輸出實現承載網VPN隔離。（4）生產區為PRB資源預留切片，可統計總的PRB資源數，也支持每個業務統計，以支持計費按實際用戶用量，PRB資源分配最小1%，進一步擴展到1PRB。

圖2 切片總體方案

方案實施后測試驗證結果見表5，根據不同策略設置分別實現了切片隔離、業務隔離、電網切片可對空閑資源搶占。

表5 電力系統應用驗證

5 結束語

3GPP R15架構基本完成定義eMBB類切片，R16中完成定義uRLLC類切片，R17版本定義mMTC類切片。R18版本網絡切片架構將進一步通過增強工業互聯網（Industrial Internet of Things，IIoT）網絡能力，來使能更多的2B場景和業務，持續提升5G對工業互聯網、uRLLC業務的支持能力，打開智能制造領域的新空間，提升工業物聯網業務的空口容量，降低端到端時延。隨著5G網絡切片標準的完善，5G網絡切片應用賦能千行百業，將更好地為5G垂直行業服務。