網絡切片標準分析與發展現狀

魏垚 謝沛榮

【摘? 要】網絡切片技術是5G的關鍵技術之一，它能夠通過對網絡端到端的配置，使得用戶按需接入到最合適的網絡，增加網絡資源的靈活度。介紹了網絡切片的最新3GPP標準進展情況，包括切片架構、切片標識、操作流程、無線網切片等關鍵標準技術方案，并對網絡切片Rel.16版本的標準動向和未來的技術發展方向進行了展望。

【關鍵詞】網絡切片;5G;3GPP標準進展

中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：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? ?標準進展

網絡切片就是以端到端、按需定制和隔離為特征的邏輯網絡，其通過對功能、性能、連接關系、運維等的靈活設計，可以為不同的業務或用戶群提供差異化的網絡服務。網絡切片最重要的特征就是端到端、按需定制與隔離性。端到端是指網絡切片不僅需要核心網，還要包括接入網、傳輸網、管理網絡等;按需定制是指可按需定制網絡切片的業務、功能、容量、服務質量與連接關系，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相關的標準研究和制定工作，并計劃在Rel.14～Rel.16這3個大版本中完成相關標準的制定。網絡切片作為5G的重要技術，3GPP最早在R14階段由SA1的TR 22.864[1]報告中提出了網絡切片的需求，隨后SA2在TR 23.799[2]中對網絡切片方案進行了初步研究，在R15階段SA2正式把切片的相關概念、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管設備的標準化，SA3則負責研究切片的安全方面的問題。此外RAN接入網對網絡切片技術也進行了研究和探討，并最終在RAN側支持網絡切片功能，實現端到端的切片。

除了3GPP，目前ITU、MGMN、ETSI等主要標準組織都先后開展了網絡切片的標準化研究，但目前這些組織對于切片的研究主要還是停留在架構、需求等較高的層次，具體切片的實現等較具體的內容目前主要還是由3GPP負責制定。

2? ?核心網網絡切片

Rel.15階段網絡切片的標準主要制定了包括切片架構、切片標識、切片操作和切片管理等相關內容。雖然切片技術是一種端到端的實現，但在實際標準中大部分工作是在核心網側實現，接入網僅需要配合核心網的網絡切片指示進行核心網的匹配以及信令的交互。

2.1? 切片總體架構

在TR23.799中，根據網絡切片控制面功能的共享情況，網絡切片可以有3種不同的組網架構，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。此架構的切片隔離性最好，但用戶在同一時間只能接入一個網絡切片。

（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。此架構支持用戶在同一時間接入控制面功能部分共享的多個網絡切片。

（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。此架構的隔離性最差，只在用戶面實現了隔離，此架構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絡切片。

R15階段的切片標準化工作主要針對Group B開展。目前達成共識的切片總體架構如圖2所示：

一個完整的核心網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根據實際網絡策略或業務需要，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。

2.2? 網絡切片標識

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

（1）Configured NSSAI：預先配置在UE中的NSSAI，此NSSAI也可由NSSF或AMF生成并下發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（統一數據管理功能）中的用戶簽約的NSSAI信息。

（3）Allowed NSSAI：允許UE在當前注冊區接入的NSSAI。由NSSF（切片選擇功能）根據Requested NSSAI、Subscribed NSSAI及相關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;對于當前注冊區不支持的切片，UE在移出該注冊區前不能再接入。

（5）Requested NSSAI：由UE根據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標識一個網絡切片，一個網絡切片可以對應多個網絡切片實例（Network Slice Instance， NSI）。在某些場景下一個網絡切片實例又可以同時為多個網絡切片提供服務，即網絡切片與切片實例是M：N的對應關系。

（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被設置為缺省S-NSSAI。當UE發起注冊時未攜帶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，UE理論上最多只能并發接入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理論上最多并發接入的切片數將達到16個。

2.3? 網絡切片操作

5GC為切片選擇專門引入了網絡切片選擇功能NSSF實體，其功能主要包括：為UE選擇網絡切片實例集合、確定Allowed NSSAI和確定為UE服務的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建立PDU會話。

（1）支持網絡切片的AMF選擇

用戶初始注冊時的支持網絡切片功能的AMF選擇流程示意如圖3所示：

3? ?無線網絡切片

為了實現端到端的網絡切片，不僅涉及核心網，同時還包括了無線接入網（RAN）、傳輸網和終端。3GPP R15版本標準提出NG-RAN側支持網絡切片的主要原則和要求，包括切片的感知、RAN側網絡切片選擇、RAN對CN實體的選擇、RAN側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的切片準入驗證。

RAN的網絡切片研究最早出現在5G研究報告TR 38.801[5]、TR 38.804[6]中，對RAN實現網絡切片的關鍵原則和需求進行了闡述，后續標準TS 38.300[7]繼承了主要結論，對于5G的RAN支持的網絡切片的原則和要求具體包括：

（1）RAN對切片的感知

NG-RAN支持為已預配置的不同網絡切片提供差異化的處理能力。

（2）RAN側網絡切片的選擇

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絡切片的選擇，來實現RAN側的網絡切片選擇。

（3）切片間的資源管理

NG-RAN支持根據不同切片間的服務級別協議（Service Level Agreement， SLA）執行相應的資源管理策略。單個NG-RAN節點具備支持多個切片的能力。NG-RAN應該能夠自由地針對不同的服務等級協議應用最優的RRM策略。

（4）QoS支持能力

NG-RAN在一個切片內支持不同的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。

（7）切片可用性

某些切片可能只在網絡局部可用。NG-RAN支持由OAM配置S-NSSAI（s）。假設UE在注冊區域內切片的可用性不變，小區感知其鄰區所支持的切片，有利于連接態的異頻移動性。

在指定區域內，與一個業務請求相關的切片是否可用，由NG-RAN和5GC負責判斷并做相應處理。一個切片接入的準入和拒絕，取決于多方面的因素，例如NG-RAN是否支持相應切片、資源是否可用、是否支持相應的業務等。

（8）支持UE與多個網絡切片同時關聯

在UE同時關聯多個網絡切片時，只能存在一個信令連接。對同頻小區重選，UE總是嘗試駐留在最佳小區。對異頻小區重選，可用專用優先級控制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會話相關的S-NSSAI，NG-RAN的切片感知為PDU會話級別。

（10）UE接入網絡切片的準入驗證

5GC負責認證UE是否具有接入網絡切片的權限。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，執行一些臨時或本地的策略。在初始上下文建立過程中，網絡切片所需資源請求將通知NG-RAN。

TS 38.300指出：RAN可以通過調度或者提供不同L1/L2配置實現不同網絡切片，但截至到2018年6月，相關組織并沒有對標準進行進一步明確;當前3GPP R15的無線接入網關于網絡切片的標準，主要是配合核心網的網絡切片指示進行核心網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R16版本的立項情況來看，RAN1/2/3工作組確定不會在RAN側進行進一步的切片增強討論。

4? ?結束語

網絡切片經歷了Rel.14和Rel.15兩個版本的完善，已經初步具備可使用的基礎能力，尤其是對5GC的切片，規范了包括切片選擇、切片接入、切片內PDU會話建立等在內的操作流程，同時對于切片管理進行了初步的標準化。在Rel.16階段，重點需要完善切片編排管理的標準化，同時對于4G與5G的切片互操作增強、切片接入授權增強等問題進行了研究。但同時從目前標準的發展看，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，網絡切片作為5G網絡為適配不同的業務需求進行的靈活配置，必將帶來技術實現、商業模式、運營模式的重大變革。

參考文獻：

[1] 3GPP TSG SA1 TR 22.864. Feasibility Study on New Services and Markets Technology Enablers - Network Operation[S]. 2016.

[2] 3GPP TSG SA2 TR 23.799. Study on Architecture for Next Generation System[S]. 2016.

[3] 3GPP TSG SA2 TS 23.501. System Architecture for the 5G System[S]. 2018.

[4] 3GPP TSG SA2 TR 28.801. Telecommunication management; Study on management and orchestration of network slicing for next generation network[S]. 2017.

[5] 3GPP TSG RAN TR 38.801. Study on New Radio Access Technology， Radio Access Architecture and Interfaces[S]. 2017.

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

[7] 3GPP TSG RAN TS 38.300. NR and NG-RAN Overall Description， Stage 2[S]. 2018.