網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)準(zhǔn)分析與發(fā)展現(xiàn)狀

魏垚 謝沛榮

【摘? 要】網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，它能夠通過對網(wǎng)絡(luò)端到端的配置，使得用戶按需接入到最合適的網(wǎng)絡(luò)，增加網(wǎng)絡(luò)資源的靈活度。介紹了網(wǎng)絡(luò)切片的最新3GPP標(biāo)準(zhǔn)進展情況，包括切片架構(gòu)、切片標(biāo)識、操作流程、無線網(wǎng)切片等關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)方案，并對網(wǎng)絡(luò)切片Rel.16版本的標(biāo)準(zhǔn)動向和未來的技術(shù)發(fā)展方向進行了展望。

【關(guān)鍵詞】網(wǎng)絡(luò)切片;5G;3GPP標(biāo)準(zhǔn)進展

中圖分類號：TN929.5

文獻標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）04-0025-06

[Abstract]?Network slicing is one of the key techniques in 5G networks by which the end-to-end network can be configured， users can access to the optimum network on demand， and the network resource flexibility can be increased. The latest 3GPP standard progress status of network slicing is introduced， including the key technical schemes of slicing architecture， slicing identification， operating procedure and wireless network slicing. In addition， the developmental trend of network slicing Rel.16 version and the future direction of technology development are prospected.

[Key words]network slicing; 5G; 3GPP standard progress

1? ?標(biāo)準(zhǔn)進展

網(wǎng)絡(luò)切片就是以端到端、按需定制和隔離為特征的邏輯網(wǎng)絡(luò)，其通過對功能、性能、連接關(guān)系、運維等的靈活設(shè)計，可以為不同的業(yè)務(wù)或用戶群提供差異化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)切片最重要的特征就是端到端、按需定制與隔離性。端到端是指網(wǎng)絡(luò)切片不僅需要核心網(wǎng)，還要包括接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、管理網(wǎng)絡(luò)等;按需定制是指可按需定制網(wǎng)絡(luò)切片的業(yè)務(wù)、功能、容量、服務(wù)質(zhì)量與連接關(guān)系，同時還可以按需進行切片的生命周期管理;隔離性則包括了安全隔離、資源隔離與操作維護隔離等。

從2015年開始，3GPP啟動了5G相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)研究和制定工作，并計劃在Rel.14～Rel.16這3個大版本中完成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。網(wǎng)絡(luò)切片作為5G的重要技術(shù)，3GPP最早在R14階段由SA1的TR 22.864[1]報告中提出了網(wǎng)絡(luò)切片的需求，隨后SA2在TR 23.799[2]中對網(wǎng)絡(luò)切片方案進行了初步研究，在R15階段SA2正式把切片的相關(guān)概念、方案寫入了TS 23.501[3]中。SA5對于切片管理進行了研究并進行了網(wǎng)管設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化，SA3則負責(zé)研究切片的安全方面的問題。此外RAN接入網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)也進行了研究和探討，并最終在RAN側(cè)支持網(wǎng)絡(luò)切片功能，實現(xiàn)端到端的切片。

除了3GPP，目前ITU、MGMN、ETSI等主要標(biāo)準(zhǔn)組織都先后開展了網(wǎng)絡(luò)切片的標(biāo)準(zhǔn)化研究，但目前這些組織對于切片的研究主要還是停留在架構(gòu)、需求等較高的層次，具體切片的實現(xiàn)等較具體的內(nèi)容目前主要還是由3GPP負責(zé)制定。

2? ?核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)切片

Rel.15階段網(wǎng)絡(luò)切片的標(biāo)準(zhǔn)主要制定了包括切片架構(gòu)、切片標(biāo)識、切片操作和切片管理等相關(guān)內(nèi)容。雖然切片技術(shù)是一種端到端的實現(xiàn)，但在實際標(biāo)準(zhǔn)中大部分工作是在核心網(wǎng)側(cè)實現(xiàn)，接入網(wǎng)僅需要配合核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)切片指示進行核心網(wǎng)的匹配以及信令的交互。

2.1? 切片總體架構(gòu)

在TR23.799中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)切片控制面功能的共享情況，網(wǎng)絡(luò)切片可以有3種不同的組網(wǎng)架構(gòu)，如圖1所示。

（1）Group A：完全不共享。每個切片完全獨立，分別擁有各自完整的控制面與用戶面功能實體。此架構(gòu)的切片隔離性最好，但用戶在同一時間只能接入一個網(wǎng)絡(luò)切片。

（2）Group B：控制面功能部分共享。部分控制面功能（如移動性管理、鑒權(quán)功能）在切片間共享，其余的控制面功能（如會話管理）與用戶面功能則是各切片專用的。此架構(gòu)支持用戶在同一時間接入控制面功能部分共享的多個網(wǎng)絡(luò)切片。

（3）Group C：控制面功能完全共享。各切片的控制面功能完全共享，只有用戶面功能是各切片專用。此架構(gòu)的隔離性最差，只在用戶面實現(xiàn)了隔離，此架構(gòu)也支持用戶在同一時間接入控制面功能完全共享的多個網(wǎng)絡(luò)切片。

R15階段的切片標(biāo)準(zhǔn)化工作主要針對Group B開展。目前達成共識的切片總體架構(gòu)如圖2所示：

一個完整的核心網(wǎng)切片包括公共控制部分（Common CP NF， CCNF）與切片專用部分（Slice Specific Core Network Function， SSNF）。CCNF是被UE可同時接入的多個切片所共享的，CCNF目前確定的是包括AMF;PCF根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)策略或業(yè)務(wù)需要，可以部署在CCNF，也可以部署在SSNF，或者PCF的部分功能（如UE的接入管理策略）部署在CCNF，PCF的部分功能（如UE的會話管理策略）部署在SSNF中。一般來說NSSF、UDM、AUSF是所有切片共享，對于特殊要求的切片，AUSF、UDM也可以部署在CCNF或SSNF內(nèi)。

2.2? 網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)識

網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)識是網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)中最重要的參數(shù)。S-NSSAI（Single Network Slice Selection Assistance Information，單一網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息）唯一標(biāo)識一個網(wǎng)絡(luò)切片，而NSSAI是S-NSSAI的集合，標(biāo)識一組網(wǎng)絡(luò)切片。NSSAI在切片選擇過程中起到很重要的作用，根據(jù)其存儲位置及作用的不同，NSSAI可以分為如下：

（1）Configured NSSAI：預(yù)先配置在UE中的NSSAI，此NSSAI也可由NSSF或AMF生成并下發(fā)UE，主要用于生成初始注冊時使用的Requested NSSAI。

（2）Subscribed（簽約的）NSSAI：存儲在UDM（統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能）中的用戶簽約的NSSAI信息。

（3）Allowed NSSAI：允許UE在當(dāng)前注冊區(qū)接入的NSSAI。由NSSF（切片選擇功能）根據(jù)Requested NSSAI、Subscribed NSSAI及相關(guān)策略計算生成后傳送給AMF與UE（某些場景也可由AMF直接生成），并保存在UE與AMF中。

（4）Rejected NSSAI：拒絕UE接入的切片。對于PLMN不支持的切片，UE在該PLMN下不能再接入;對于當(dāng)前注冊區(qū)不支持的切片，UE在移出該注冊區(qū)前不能再接入。

（5）Requested NSSAI：由UE根據(jù)Configured NSSAI與Allowed NSSAI生成，可攜帶在初始注冊消息的RRC與NAS層消息中，表示UE在本次注冊中請求使用的NSSAI。

需要注意的是：

（1）每一個S-NSSAI標(biāo)識一個網(wǎng)絡(luò)切片，一個網(wǎng)絡(luò)切片可以對應(yīng)多個網(wǎng)絡(luò)切片實例（Network Slice Instance， NSI）。在某些場景下一個網(wǎng)絡(luò)切片實例又可以同時為多個網(wǎng)絡(luò)切片提供服務(wù)，即網(wǎng)絡(luò)切片與切片實例是M：N的對應(yīng)關(guān)系。

（2）UE的Subscribed NSSAI可以包含多于8個的S-NSSAI，但最多只有8個S-NSSAI被設(shè)置為缺省S-NSSAI。當(dāng)UE發(fā)起注冊時未攜帶Requested NSSAI、AMF、NSSF就會使用缺省S-NSSAI來生成Allowed NSSAI。

（3）對于特定一種接入方式，UE在Requested NSSAI中最多只能包含8個S-NSSAI。因此如果UE只從一種接入方式接入5G核心網(wǎng)，UE理論上最多只能并發(fā)接入8個切片。但如果UE同時通過3GPP（NR）與非3GPP（如WLAN）兩種方式接入，則UE理論上最多并發(fā)接入的切片數(shù)將達到16個。

2.3? 網(wǎng)絡(luò)切片操作

5GC為切片選擇專門引入了網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能NSSF實體，其功能主要包括：為UE選擇網(wǎng)絡(luò)切片實例集合、確定Allowed NSSAI和確定為UE服務(wù)的AMF集合（AMF set）、候選AMF列表。

用戶的切片操作主要包含兩部分，一個是用戶初始注冊時，選擇合適的AMF，并在此過程中獲得Allowed NSSAI;另一個是用戶在切片內(nèi)建立PDU會話。

（1）支持網(wǎng)絡(luò)切片的AMF選擇

用戶初始注冊時的支持網(wǎng)絡(luò)切片功能的AMF選擇流程示意如圖3所示：

3? ?無線網(wǎng)絡(luò)切片

為了實現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)切片，不僅涉及核心網(wǎng)，同時還包括了無線接入網(wǎng)（RAN）、傳輸網(wǎng)和終端。3GPP R15版本標(biāo)準(zhǔn)提出NG-RAN側(cè)支持網(wǎng)絡(luò)切片的主要原則和要求，包括切片的感知、RAN側(cè)網(wǎng)絡(luò)切片選擇、RAN對CN實體的選擇、RAN側(cè)支持切片間的資源隔離和切片的資源管理、切片對QoS支持、切片的粒度、UE對多切片的支持和UE的切片準(zhǔn)入驗證。

RAN的網(wǎng)絡(luò)切片研究最早出現(xiàn)在5G研究報告TR 38.801[5]、TR 38.804[6]中，對RAN實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的關(guān)鍵原則和需求進行了闡述，后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)TS 38.300[7]繼承了主要結(jié)論，對于5G的RAN支持的網(wǎng)絡(luò)切片的原則和要求具體包括：

（1）RAN對切片的感知

NG-RAN支持為已預(yù)配置的不同網(wǎng)絡(luò)切片提供差異化的處理能力。

（2）RAN側(cè)網(wǎng)絡(luò)切片的選擇

NG-RAN通過UE提供的輔助信息或者通過5GC在PLMN里明確地提前定義的一個或多個網(wǎng)絡(luò)切片的選擇，來實現(xiàn)RAN側(cè)的網(wǎng)絡(luò)切片選擇。

（3）切片間的資源管理

NG-RAN支持根據(jù)不同切片間的服務(wù)級別協(xié)議（Service Level Agreement， SLA）執(zhí)行相應(yīng)的資源管理策略。單個NG-RAN節(jié)點具備支持多個切片的能力。NG-RAN應(yīng)該能夠自由地針對不同的服務(wù)等級協(xié)議應(yīng)用最優(yōu)的RRM策略。

（4）QoS支持能力

NG-RAN在一個切片內(nèi)支持不同的QoS。

（5）RAN對CN實體選擇

對于初始接入，UE需要提供輔助信息以支持AMF的選擇。如果可能的話，NG-RAN通過這個信息來獲得初始的NAS到AMF的路由;如果UE沒有提供輔助信息，則NG-RAN將NAS消息路由到默認的AMF。

對于后續(xù)的接入，UE提供臨時ID（如5G-S-TMSI），這個ID由5GC分配給UE用于NG-RAN將NAS消息路由到合適的AMF。否則，采用上述初始接入的方法。

（6）切片間資源隔離

NG-RAN支持不同切片間的資源隔離。NG-RAN資源隔離可以通過無線資源管理策略和相應(yīng)的保護機制來保障，在某個切片共享資源緊缺時不破壞其它切片的服務(wù)等級。NG-RAN可為一個確定的切片分配所有資源。NG-RAN如何支持資源隔離取決于具體實現(xiàn)。

（7）切片可用性

某些切片可能只在網(wǎng)絡(luò)局部可用。NG-RAN支持由OAM配置S-NSSAI（s）。假設(shè)UE在注冊區(qū)域內(nèi)切片的可用性不變，小區(qū)感知其鄰區(qū)所支持的切片，有利于連接態(tài)的異頻移動性。

在指定區(qū)域內(nèi)，與一個業(yè)務(wù)請求相關(guān)的切片是否可用，由NG-RAN和5GC負責(zé)判斷并做相應(yīng)處理。一個切片接入的準(zhǔn)入和拒絕，取決于多方面的因素，例如NG-RAN是否支持相應(yīng)切片、資源是否可用、是否支持相應(yīng)的業(yè)務(wù)等。

（8）支持UE與多個網(wǎng)絡(luò)切片同時關(guān)聯(lián)

在UE同時關(guān)聯(lián)多個網(wǎng)絡(luò)切片時，只能存在一個信令連接。對同頻小區(qū)重選，UE總是嘗試駐留在最佳小區(qū)。對異頻小區(qū)重選，可用專用優(yōu)先級控制UE駐留的頻率。

（9）切片感知的粒度

在所有包含PDU會話資源信息的信令中，會指示與PDU會話相關(guān)的S-NSSAI，NG-RAN的切片感知為PDU會話級別。

（10）UE接入網(wǎng)絡(luò)切片的準(zhǔn)入驗證

5GC負責(zé)認證UE是否具有接入網(wǎng)絡(luò)切片的權(quán)限。在接收到初始上下文建立請求消息之前，NG-RAN可以基于UE請求的切片，執(zhí)行一些臨時或本地的策略。在初始上下文建立過程中，網(wǎng)絡(luò)切片所需資源請求將通知NG-RAN。

TS 38.300指出：RAN可以通過調(diào)度或者提供不同L1/L2配置實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)切片，但截至到2018年6月，相關(guān)組織并沒有對標(biāo)準(zhǔn)進行進一步明確;當(dāng)前3GPP R15的無線接入網(wǎng)關(guān)于網(wǎng)絡(luò)切片的標(biāo)準(zhǔn)，主要是配合核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)切片指示進行核心網(wǎng)的匹配以及信令的交互，因為RAN并不具備切片的差異處理能力;根據(jù)R16版本的立項情況來看，RAN1/2/3工作組確定不會在RAN側(cè)進行進一步的切片增強討論。

4? ?結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)切片經(jīng)歷了Rel.14和Rel.15兩個版本的完善，已經(jīng)初步具備可使用的基礎(chǔ)能力，尤其是對5GC的切片，規(guī)范了包括切片選擇、切片接入、切片內(nèi)PDU會話建立等在內(nèi)的操作流程，同時對于切片管理進行了初步的標(biāo)準(zhǔn)化。在Rel.16階段，重點需要完善切片編排管理的標(biāo)準(zhǔn)化，同時對于4G與5G的切片互操作增強、切片接入授權(quán)增強等問題進行了研究。但同時從目前標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展看，所謂“端到端”的切片并沒有將無線資源、承載資源也進行切片，用具備“支持”能力更為貼切。但無論如何，網(wǎng)絡(luò)切片作為5G網(wǎng)絡(luò)為適配不同的業(yè)務(wù)需求進行的靈活配置，必將帶來技術(shù)實現(xiàn)、商業(yè)模式、運營模式的重大變革。

參考文獻：

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[6] 3GPP TSG RAN TR 38.804. Study on New Radio Access Technology; Radio Interface Protocol Aspects[S]. 2017.

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