網絡切片的演進及應用研究

吳 瓊，任 馳（中國聯通研究院，北京 100048）

0 引言

5G是具有高速率、低時延和大連接特點的新一代寬帶移動通信技術，為了支持各行各業的業務，就需要靈活的網絡資源分配，以滿足不同業務的差異化需求。5G網絡之所以能夠支持這些應用場景，開展行業合作，網絡切片發揮了重要的作用。

網絡切片是指利用虛擬化編排等技術，在邏輯上由5G SA 網絡的網元和網絡資源組成，一起提供所需的網絡能力。計算資源、存儲資源、傳輸網絡帶寬、網絡功能資源和無線資源等可以由運營商根據需要進行專用分配或共享分配。例如，可以將網絡功能資源進行專用分配，以避免其他網絡服務功能受到擁塞或故障的影響。

1 網絡切片概述

2017 年8 月，3GPP 在R15 階段首次提出了網絡切片的概念。5G 網絡切片是指將網絡資源靈活分配，網絡能力按需組合，基于一個5G網絡虛擬出多個具備不同特性的邏輯子網。每個端到端切片均由核心網、無線網、傳輸網子切片組合而成，并通過端到端切片管理系統進行統一管理。網絡切片行業用戶可以通過運營商提供的切片商城來創建和修改網絡切片（見圖1）。

圖1 端到端網絡切片架構

GSMA 的網絡切片工作組考慮到識別關鍵垂直領域的需求并映射到切片屬性中，制定了NG.116規范對切片的模板進行了定義，同時還有網絡切片類型（Net?work Slice Type，NEST）。通用網絡片模板（GST）是一組可以表征網絡片/服務類型的屬性。GST 是通用的，不依賴于任何特定的網絡部署。GSMA 在NG.116 中提出了網絡切片的35 類屬性，基本涵蓋了5G 網絡切片能夠提供的各種網絡特性的集合，切片行業用戶可選擇進行組合以滿足應用需求（見圖2）。

圖2 網絡切片生命周期上下文中的GST和NEST

2 網絡切片的增強

雖然網絡切片是為了5G 的應用提出來的，但R15的解決方案只解決了5G 系統內的切片部署問題。而在實際現網部署中4G 網絡和5G 網絡互連，存在互操作的問題。因此，需要考慮4G和5G的聯動，研究網絡切片的互操作。3GPP R16 階段提出了增強的網絡切片（enhanced Network Slice，eNS），主要從切片的4G/5G互操作和二次鑒權2個方面對網絡切片進行增強功能的研究。

2.1 網絡切片的4G/5G互操作

3GPP R16 完善了用戶攜帶切片的4G/5G 互操作流程，確保用戶從不支持切片的網絡移動到支持切片網絡的業務連續性，尤其是終端同時具備多個切片的場景。3GPP R16 版本對5GC 網絡切片與EPC 網絡互通做了如下增強。

a）對于空閑態UE，當UE 從EPS 移動到5GS 時，AMF推導出該PLMN的S-NSSAI并確定是否可以服務該UE。如果該AMF不能為該UE服務，會觸發AMF重定向流程。對于每個PDU 會話，AMF 確定是否需要重新選擇V-SMF，如果需要重新選擇V-SMF，則會觸發V-SMF重定向流程。

b）對于連接態UE，當UE 從EPS 切換到5GS 時，基于接收到的S-NSSAI，AMF 提取該PLMN 的S-NS?SAI，如果需要則會重新選擇目標AMF 并觸發AMF 重定向流程。對于每個PDU 會話，基于關聯的S-NS?SAI，如果V-SMF 需要重定向時，最終的目標AMF 會觸發V-SMF重定向流程。

圖3給出了4G到5G的切換信令流程。

a）用戶在4G EPC建立PDN的連接。

b）P-GW-C+SMF 將PDU Session ID 和相關的SNSSAI發送給AMF。

c）基于從PGW-C+SMF 收到的S-NSSAI，初始AMF可以重新選擇一個目標AMF。

d）目標AMF 向NG-RAN 發送切換請求，包含允許的S-NSSAI。

e）目標AMF 向SMF發送一個Nsmf_PDUSes?sion_UpdateSMContext Request 消息，用于更新N3 隧道信息。

f）如果NG-RAN 接受了N2 切換，PGW-C+SMF將N3 用戶面的地址和NG-RAN 的Tunnel ID 指示給UPF進行N2切換的準備工作。

g）目標AMF發送消息Forward Relocation Re?sponse 給4G 的MME。確認路徑的變化和相應的資源分配。

h）終端發起移動性注冊流程，終端切換到5G 網絡。

2.2 網絡切片特定的認證與授權

5G 網絡更多地為垂直行業提供服務，垂直行業也對5G 網絡提出了更多的要求，R16版本主要增加了網絡切片特定鑒權與授權功能。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即二次認證才能使用。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，從而提升對業務系統的保護。R16賦予了垂直行業客戶靈活控制切片訪問的權限，一是可以提升2B切片業務開展的靈活性，提升行業客戶的業務規劃自主性，二是避免由于行業客戶業務變更，頻繁修改運營商的簽約數據。

圖3 4G到5G的切換信令流程

網絡可在以下3 種場景針對UE 發起網絡切片特定的認證和授權（Network Slice-Specific Authentica?tion and Authorization，NSSAA）流程。

a）UE 注冊到AMF，并且映射到Requested NSSAI的HPLMN 的一個S-NSSAI 需要進行網絡切片的二次認證時，針對該S-NSSAI 的網絡切片進行特定的認證與授權，認證成功后，AMF 將該S-NSSAI 加入到Al?lowed NSSAI。

b）網絡切片特有的AAA 服務器觸發針對S-NS?SAI的UE重鑒權和重認證。

c）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 發起網絡切片的二次認證流程。

如圖4所示，在網絡切片二次認證流程中，AAA-S位于第三方或者行業客戶的網絡中。AMF 扮演EAP認證者的角色，并通過NSSAAF 與AAA-S 通信。如果AAA-S 屬于第三方或者行業客戶，NSSAAF 通過AAA-P（AAA 服務器代理）與AAA-S 通信。NSSAAF和AAA-P 同屬于運營商網絡，可以合設。圖5 給出了主認證與NSSAA的關系。

圖4 網絡切片二次授權認證組網架構

圖5 5G網絡主認證和NSSAA的關系

a）UE 發送一個包含S-NSSAI 列表的注冊請求。UE不應包括正在進行NSSAA流程的S-NSSAI。

b）對于初始注冊請求，AMF 應調用主認證流程。對于后續的注冊請求，如果終端已經通過身份驗證，且AMF 具有有效的安全上下文，則可以跳過主身份驗證。

c）AMF 應根據本地存儲或UDM 提供的信息，確定每個S-NSSAI是否需要NSSAA。

d）AMF向終端發送注冊接受消息。

e）如果每個S-NSSAI都需要進行基于EAP 的NS?SAA 認證，則AMF 發送“UE Configuration Update”，根據NSSAA結果更新請求的S-NSSAI狀態。

用戶發起NSSAA流程如圖6所示。

圖6 網絡切片特定認證和授權流程

a）對于需要NSSAA 的S-NSSAI，基于訂閱信息的變化，或由AAA-S 觸發的，AMF 可能觸發NSSAA 流程。

b）AMF 為包含S-NSSAI 的NAS MM 傳輸消息中的S-NSSAI請求UE用戶ID進行EAP認證（EAP ID）。

c）UE向AMF發送的NAS MM 傳輸消息中包含SNSSAI以及EAP ID。

d）AMF 通過Nnssaaf_NSSAA_Authenticate 請求將EAP ID發送給AAA接口所在的NSSAAF。

e）如果存在AAA-P，NSSAAF 將EAP ID Response消息轉發給AAA-P，否則，NSSAAF將消息直接轉發給AAA-S。

f）AAA-S和終端進行EAP交互。

g）EAP 認證完成。EAP-Success/Failure 消息與GPSI和S-NSSAI一起發送給NSSAAF/AAA-P。

h）NSSAAF 將Nnssaaf_NSSAA_Authenticate 響 應（EAP-Success/Failure，S-NSSAI，GPSI）發送給AMF。

i）AMF 向終端發送NAS MM 傳輸消息（EAP-Suc?cess/Failure）。

j）基于特定Slice 的認證結果（EAP-Success/Fail?ure），如果需要下發新的允許的NSSAI 或拒絕的NS?SAI，或者需要重新分配AMF，AMF 將啟動終端配置更新過程。

3 網絡切片的創新應用

3.1 網絡切片和NPN的聯合應用

3GPP R16 提出了NPN（Non-Public Network）、5G LAN 等一系列增強的新技術。網絡切片可以和NPN結合起來，聯合提供接入控制和邏輯上的資源隔離（見圖7）。對于簽約NPN 的行業用戶，可以統一分配專用的網絡切片。對于5G LAN 的用戶來說，可以基于用戶組進行網絡切片的分配。

圖7 網絡切片和NPN的聯合部署

NPN，包括專網專用和公網專用，本質是用戶分類接入控制，是針對5G切片無法獨立精準區分行業用戶而提出的5G 專用網絡架構。基于公網實現的PNINPN 可以和網絡切片配合使用，建立端到端的專網網絡。PNI-NPN 基于CAG 標識實現對行業用戶的接入控制，即對于PNI-NPN 小區只允許支持CAG標識的用戶接入。CAG 標識和切片標識沒有必然的對應關系，CAG 標識是接入層面，切片標識是會話層面。一個CAG 標識可以對應一個S-NSSAI，也可以對應多個SNSSAI。

從5G網絡的發展和廠家設備的支持情況來看，在SA建網初期，主要還是基于網絡切片的方案來實現專網的部署，但是網絡切片的虛擬專網的方式無法實現部分專網用戶獨享基站的要求。當PNI-NPN 成熟后，可以和網絡切片聯合進行部署實現端到端的專網專用。

3.2 共建共享的網絡切片

在實際的5G 網絡部署中存在無線網絡共建共享的場景。在共建共享的場景下，每個PLMN 都應定義和支持共享網絡下的網絡切片（見圖8）。一個網絡切片可以是在整個PLMN 下可用的，也可以是在一個PLMN 下的跟蹤區可用。共建共享場景下存在5G 共享網絡的建設方和5G共享網絡的共享方，其中網絡切片的提供商可以是5G 共享網絡的承建方也可以是5G共享網絡的共享方，雙方需要共同進行無線和承載切片的統一規劃和統一編排，雙方劃分管理和查看的權限，核心網切片則雙方獨立建設并分別管理。在共建共享的網絡場景下，切片整個生命周期的管理會比較復雜，而且運營商之間的溝通協調尤為重要。

圖8 共建共享下的網絡切片

4 總結

網絡切片的標準正在日趨發展完善。網絡切片的管理，4G 和5G 的切片互操作，行業客戶的特殊安全認證和切片模板等問題已經有了初步的解決方案。5G 網絡切片為運營商深入垂直行業開創了新的運營和收費模式，也是運營商賦能垂直行業的切入點。目前制約網絡切片發展的主要因素集中在現網部署過程中出現的切片規劃、自動配置、自動編排下發等亟待解決的實際問題，需要更加動態地完成服務的創建、實現和收費。