5G網絡切片技術增強研究

張晶 徐菲

【摘? 要】網絡切片作為5G網絡的關鍵技術之一，不僅服務于個人用戶，還需要滿足各行各業的數字化轉型需求，因此需要提供差異化的能力滿足不同的體驗要求。從網絡切片的技術演進角度分析網絡切片在3GPP標準中的最新進展，包括R15版本定義的網絡切片的整體架構及基礎業務流程、R16版本網絡切片特定鑒權授權關鍵流程、R17版本正在研究的網絡切片屬性定義等關鍵問題，并簡要分析端到端網絡切片當前面臨的問題。

【關鍵詞】 5G;網絡切片;3GPP

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.008? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）04-0037-04

引用格式：張晶，徐菲. 5G網絡切片技術增強研究[J]. 移動通信， 2020，44（4）： 37-40.

Research on Technology Enhancement of 5G Network Slice

ZHANG Jing， XU Fei

（China Academy of Information and Communications Technology， Beijing 100191， China）

[Abstract]

As one of the key technologies of 5G network， network slicing serves individual users， and also meets the requirements of digital transformation for various industries. Therefore， it is necessary to provide diversified capability to meet different experience requirements. This paper analyzes the latest development of network slicing in 3GPP standard from the perspective of technology evolution， including the overall architecture and fundamental process of network slicing defined by R15， key flow of specific authentication and authorization of network slice in R16， and network slicing attributes definition under R17 study， and then the current problems of end-to-end network slicing are also briefly discussed.

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

0? ? 引言

5G作為數字化社會的基礎關鍵設施，不僅服務于個人用戶，還需要滿足各行各業的數字化轉型需求。對于5G的eMBB、URLLC、mMTC三大典型場景，網絡需要提供差異化的能力來滿足不同的體驗要求。網絡切片已成為5G解決這個問題的關鍵特性。3GPP/IETF/ITU-T/ETSI等多個標準化組織都先后開展了網絡切片相關的標準化工作，5G網絡切片的具體標準化內容主要由3GPP制定。

3GPP標準中，網絡切片經歷了從最早在R14版本提出、到R15版本正式寫入標準、到R16版本的功能增強，以及R17版本和GSMA定義的網絡切片屬性對齊的課題研究。在標準層面對網絡切片技術進行了完整的標準化，為商用奠定了良好的基礎。本文重點對3GPP網絡切片標準化工作進行詳細介紹與分析。具體內容涵蓋3GPP R15、R16及R17三個版本。

1? ? 核心網網絡切片標準增強

1.1? 3GPP R15版本

網絡切片作為5G的重要技術，最早在R14階段由SA1的TR 22.864[1]研究報告提出了具體需求。隨后SA2在TR 23.799[2]中對網絡切片方案進行了初步研究，并在R15階段正式把網絡切片寫入了標準。

R15版本網絡切片的標準主要在TS 23.501[3]和TS 23.502[4]中定義，包括網絡切片的基本架構、網絡切片標識和網絡切片基本操作等[5]。

（1）網絡切片架構基于TR 23.799研究的控制面功能部分共享的組網架構，即部分控制面功能在切片間共享（如移動性管理、鑒權功能），其他控制面功能（如會話管理）及用戶面功能各切片專用。

（2）網絡切片支持eMBB、URLLC和eMTC三種類型，支持運營商自定義切片類型，支持區分相同切片類型下的不同切片。

（3）網絡切片標識（S-NSSAI）唯一標識一個網絡切片，NSSAI代表一組網絡切片，在切片選擇過程中，根據存儲位置和使用的不同，分為配置的NSSAI、簽約的NSSAI、請求的NSSAI、允許的NSSAI和拒絕的NSSAI。

（4）網絡切片操作包括：支持網絡切片的AMF選擇、服務AMF的重分配、切片內創建PDU會話、網絡切片的配置及配置更新、修改允許UE接入的網絡切片等。

（5）支持網絡切片漫游、網絡切片與EPC的互通等。

1.2? 3GPP R16版本

在R15版本定義的網絡切片基本框架的基礎上，R16版本主要增加了網絡切片特定鑒權與授權功能[6]。對于某些特殊的網絡切片，如車聯網切片、智慧醫療切片、工業制造切片等場景，可能會需要在UE主鑒權完成后仍需網絡切片特定鑒權與授權才能使用。R16版本定義了該場景下UE和網絡如何獲知網絡切片需要額外的鑒權與授權，以及特定鑒權授權如何觸發和執行。

下面從網元和流程增強的角度進行詳細分析。

（1）網絡切片特定鑒權與授權對UE和NF的功能增強

網絡切片特定鑒權與授權功能需要UE和網絡配合實現，對UE和網絡均有新增的功能要求。主要涉及以下幾點：

1）UE

UE在注冊消息中會攜帶UE支持的網絡能力，通過UE MM Core Network Capability攜帶。TS 23.501 R16版本在該信元中增加了是否支持網絡切片特定鑒權與授權的指示Network Slice-Specific Authentication and Authorization。同時，UE需具備提供網絡切片特定鑒權與授權使用的User ID和證書。

2）AMF

AMF保存UE在注冊消息中攜帶的UE MM Core Network Capability，并根據信元中Network Slice-Specific Authentication and Authorization的取值判定是否需要執行網絡切片特定鑒權與授權流程。對于R15版本之前的UE，在注冊消息中不攜帶網絡切片特定鑒權與授權指示，AMF不允許其接入需要網絡切片特定鑒權與授權的網絡切片。

3）UDM

UDM在簽約數據中支持S-NSSAI標識的網絡切片是否需要網絡切片特定鑒權與授權的標識。TS 29.503[7] R16版本的UDM簽約數據增加了新的類型AdditionalSnssaiData，其中屬性requiredAuthnAuthz標識S-NSSAI代表的網絡切片是否需要網絡切片特有的鑒權與授權。該新增的數據類型作為已有的數據類型NSSAI的屬性進行引用。

（2）網絡切片特定鑒權與授權對業務流程的影響

UE和網絡功能具備支持網絡切片特定鑒權與授權的功能后，需要在注冊流程中進行相應的增強，對網絡切片特定鑒權與授權進行使能。網絡切片特定鑒權與授權的基本流程為：

1）服務PLMN基于簽約信息為HPLMN的S-NSSAI執行網絡切片特有的鑒權和授權。

2）UE在注冊請求消息中的UE 5GMM Core Network Capability中指示是否支持這個特性。

◆如果UE不支持該特性，當UE請求需要網絡切片特有的鑒權和授權的S-NSSAI時，AMF不應為UE觸發相應流程。

◆如果UE配置了需要網絡切片特有的鑒權和授權的S-NSSAI，UE需保存S-NSSAI和相應證書的關聯關系。

3）為了執行S-NSSAI的網絡切片特有的鑒權和授權，AMF發起基于EAP方式的網絡切片特有鑒權流程。

AMF可在以下三種場景針對UE發起網絡切片的網絡切片特定鑒權與授權流程：

1）UE注冊到AMF，并且映射到Requested NSSAI的HPLMN的一個S-NSSAI需要網絡切片特有鑒權和授權時，針對該S-NSSAI的網絡切片進行特有的鑒權和授權，成功后，AMF將該S-NSSAI加入到Allowed NSSAI。

2）網絡切片特有的AAA服務器觸發針對S-NSSAI的UE重鑒權和重認證。

3）AMF基于運營商策略或簽約數據的變更，決定針對之前已授權的特定S-NSSAI發起網絡切片特有的鑒權和授權流程。

對于上述的重鑒權和重認證場景，需遵循以下幾點：

◆如果需要網絡切片特有鑒權和授權的S-NSSAI在每種接入類型的Allowed NSSAI中都包含，AMF基于網絡策略選擇一種接入類型的網絡執行網絡切片特有的鑒權和授權流程。

◆如果Allowed NSSAI中的某些S-NSSAI的網絡切片特有鑒權和授權不成功，AMF應通過UE Configuration Update流程更新每種接入類型的Allowed NSSAI。

◆如果Allowed NSSAI中所有S-NSSAI的網絡切片特有鑒權和認證均失敗，AMF應執行網絡側注銷流程，并在注銷請求消息中包含拒絕的S-NSSAI列表及拒絕原因。

另外，無論UE網絡切片特有的鑒權與授權是否成功，當UE在PLMN中仍為注冊狀態時，AMF在UE的上下文中保存該UE相關特有S-NSSAI的鑒權授權狀態，以便AMF不需要在每次周期性注冊或移動性注冊流程中都執行網絡切片特有的鑒權與授權。

網絡切片特有的AAA server可以隨時撤回授權或發起鑒權與授權流程。當在某種接入類型網絡中，針對當前Allowed NSSAI中的一個S-NSSAI撤銷鑒權時，AMF應給UE提供新的Allowed NSSAI并釋放該接入網絡類型中和該S-NSSAI關聯的所有PDU會話。

最后需要強調的是，基于SUPI的UE主鑒權與授權獲得成功是網絡切片特定鑒權與授權的基礎，如果SUPI授權被撤回，網絡切片特有的授權也被撤回。

1.3? 3GPP R17版本

GSMA于2019年5月23日發布的NG.116[8]規范中包含了通用切片模板的概念，其中對和終端用戶業務綁定的屬性進行了明確定義，如每個切片支持的PDU會話數、每切片支持的終端數、每切片支持的最大UL/DL速率等，這些能力在當前的5G系統中尚未支持。

3GPP SA2 R17版本針對GSMA NG.116中定義的網絡切片屬性申請了立項，已確定在R17版本進行網絡切片增強第二階段的研究。

當前R17正處于研究階段，網絡切片增強課題已經提出了8個需要研究的關鍵問題[9]，并開始討論針對這些問題的可選解決方案。課題研究的關鍵問題包括：

（1）如何支持網絡切片的最大終端數

需要解決的問題有5G系統如何獲取網絡切片支持的最大終端數、當前已接入網絡切片的終端數以及5G系統如何使能網絡切片需要的配額。

（2）如何支持網絡切片的最大PDU會話數

需要解決問題有5G系統如何獲取網絡切片支持的最大PDU會話數、當前已建立的PDU會話數、哪個NF有這些配額信息;以及如果網絡切片的PDU會話數已經達到最大值，還有UE需要接入該如何處理。

（3）如何限制一個UE在網絡切片中的UL/DL速率

需研究如何限定UE在網絡切片中的速率，確保使用相同網絡切片的多個PDU會話的聚合速率滿足網絡切片的UL/DL速率限制。

（4）如何支持網絡切片配額事件通知

涉及上述提及的最大終端數、PDU會話數、UL/DL最大速率等配額，需研究AF如何從5GS進行事件訂閱，5GS系統如何通知網絡切片配額相關的屬性。

（5）如何限制網絡切片UL/DL的速率

GSMA 5GJA NG.116中定義了網絡切片的UL/DL吞吐量，滿足不同的簽約服務要求。需研究如何調整UE的接入速率，以及網絡切片中的所有UE數量。與（3）不同，該屬性定義的是基于網絡切片粒度的速率，不區分用戶，而（3）中定義的是基于網絡切片內UE粒度的速率。

（6）多個網絡切片同時使用的限定

3GPP R15和R16的規范中沒有限制UE和網絡不能同時使用多個網絡切片。根據GSMA 5GJA NG.116中“網絡切片同時使用”屬性的定義，3GPP R17將研究如何限制在UE和網絡中不能同時使用多個網絡切片，包括漫游和非漫游兩種場景，并保證不影響R15版本和R16版本的部署。

（7）5GC協助接入網絡切片的小區選擇

GSMA 5GJA NG.116定義的“無線頻譜”屬性，定義了在哪些無線頻譜下可以接入網絡切片。當前UE選擇5G接入網時不感知是哪個網絡切片，需要研究如何支持根據網絡切片標識選擇5G接入網。

（8）業務區域，影響漫游PLMN的選擇

GSMA定義的區域業務，定義了拜訪國家的哪些PLMN支持歸屬地的網絡切片。當前UE漫游選擇PLMN時不感知是哪個網絡切片，需要研究如何支持根據網絡切片標識選擇漫游地的PLMN。

2? ?網絡切片面臨的問題

網絡切片達到商用水平，需要端到端網絡切片包括的無線子切片、傳輸子切片、核心網子切片及切片管理功能相互間的緊密配合。當前沒有統一的標準組織定義端到端網絡切片的功能架構及管理架構。其中無線子切片、核心網子切片的業務功能及管理功能在3GPP SA2和SA5定義，而傳輸子切片的業務功能及管理在ITU-T和IETF定義。這些標準組織重點關注的是各自領域內的功能定義，不涉及領域間的互通。因此，導致在異廠商設備互通、端到端網絡切片協調、端到端網絡切片自動化部署等方面因缺乏標準而不能完全實現，仍需進一步進行標準定義。

3? ?結束語

網絡切片經歷了R15版本的基本架構定義和R16版本的功能增強，已經具備了可使用的基礎能力，R17版本所研究問題的解決會使網絡切片在更細的粒度上進行控制，以滿足不同場景的使用。

端到端網絡切片方面，中國通信標準化協會（CCSA）

已成立“5G網絡端到端切片特設項目組”，其目標為支持5G商用部署和垂直行業應用，加快國際標準推進，總體規劃5G網絡端到端切片標準體系框架，梳理現有相關標準情況，組織開展共性標準研究，上述端到端網絡切片問題的解決指日可待。

參考文獻：

[1]? ? 3GPP. 3GPP TSG SA1 TR 22.864： Feasibility study on new services and markets technology enablers for network operation; Stage 1[R]. 2016.

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

[3]? ? 3GPP. 3GPP TSG SA2 TS 23.501： System Architecture for the 5G System; Stage 2[S]. 2019.

[4]? ? ?3GPP. 3GPP TSG SA2 TS 23.502： Procedures for the 5G System; Stage 2[S]. 2019.

[5]? ?魏垚. 網絡切片標準分析與發展現狀[J]. 移動通信， 2019，43（4）： 25-30.

[6]? ? 3GPP. 3GPP TSG SA2 TR 23.740： Study on Enhance-ment of Network Slicing[R]. 2018.

[7]? ? 3GPP. 3GPP TSG SA2 TS 29.503： 5G System; Unified Data Management Services; Stage 3[S]. 2019.

[8]? ? ?GSMA. Generic Network Slice Template[Z]. 2019.

[9]? ?3GPP. 3GPP TSG SA2 TR 23.700-40： Study on Enhancement of Network Slicing; Phase 2[R]. 2020.★

作者簡介

張晶（orcid.org/0000-0003-0014-1623）：工程師，碩士畢業于沈陽理工大學，現任職于中國信息通信研究院技術與標準研究所，主要研究方向為移動通信核心網標準與技術。

徐菲：高級工程師，碩士畢業于北京郵電大學，現任中國信息通信研究院技術與標準研究所副總工，主要研究方向為移動通信。