5G網(wǎng)絡下的無線切片技術研究

王靜奕

（武漢信息傳播職業(yè)技術學院，湖北 武漢 430223）

0 引 言

5G 時代的移動通信將使數(shù)字服務以及商業(yè)模式得到強而有力的發(fā)展，其所帶來的社會效益將會遠超以往移動通信技術。5G 網(wǎng)絡所提供的5G 業(yè)務具有延遲較低、連接較多等特點，但業(yè)務不同時對網(wǎng)絡延遲和可靠度等也會有不同的要求，為確保各種業(yè)務場景和消費者差異化體驗要求可以得到滿足，將網(wǎng)絡切片技術引入到5G 網(wǎng)絡中。所謂5G 網(wǎng)絡切片是指在網(wǎng)絡基礎設施中以多個端到端、定制化等特點劃分5GSA 架構的物理網(wǎng)絡，確保各個虛擬網(wǎng)絡功能特點不同。若要使網(wǎng)絡切片功能得以有效實現(xiàn)，根據(jù)其端與端的理念需研究和管理好網(wǎng)絡中的各個環(huán)節(jié)，作為其中的關鍵一環(huán)，無限切片技術的實現(xiàn)和管理是本文重點探討的對象。

1 切片基礎知識

一個網(wǎng)絡切片與一個種類的業(yè)務相對應。

1.1 網(wǎng)絡切片標識

在5G 網(wǎng)絡的網(wǎng)絡切片技術中，由單個網(wǎng)絡切片選擇輔助信息（S-NSSAI）進行標識。網(wǎng)絡切片由S-NSSAI 進行特定標識之后，就不會在PLMN 中重復，其組成原件包括切片/業(yè)務類型（SST）和相應的區(qū)分符號（SD）。具體如圖1所示。

圖1 S-NSSAI 標識

（1）SST 在關于切片/業(yè)務類型中的描述上指出預期網(wǎng)絡切片在基于特征和業(yè)務上的行為有8 bit 的長度。當前關于SST 取值標準有4 個定義，分別為車聯(lián)網(wǎng)、移動寬度增強、低延遲通信和海量物聯(lián)網(wǎng)。

（2）SD 的功能在于對同個SST 的多個網(wǎng)絡切片進行區(qū)分，有24 bit 的長度。前面2 個bit 主要用于對人網(wǎng)和物網(wǎng)的區(qū)分，后續(xù)6 個bit 主要分配給全國性業(yè)務。

1.2 切片的端到端流程

UE 特定的一個協(xié)議數(shù)據(jù)單元會話由一個S-NSSAI 以及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡共同確定。當切片被UE 激活之后，在策略控制功能的管理下，接入和移動性管理功能將會把UE 路由選擇策略輸送到UE 中，UE 將通過它對應用ID 和S-NSSAI進行關聯(lián)。UE 在進行PDU 會話的創(chuàng)建時將會基于URSP來選取與應用相對應的S-NSSAI，會話管理功能將會對用戶面功能進行分配，以確保相互對應，此時，GNB 會根據(jù)不同的配置將S-NSSAI 映射到各自的虛擬局域網(wǎng)ID 中。在傳輸網(wǎng)里，不同的虛擬局域網(wǎng)與不同的分片虛擬專用網(wǎng)絡進行綁定，再將分片虛擬專用網(wǎng)絡與隧道綁定起來。傳輸網(wǎng)與核心網(wǎng)側有相似的互通方式，進而確保網(wǎng)絡切片端與端之間得以有效互通。切片的端到端運行流程如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡切片端到端的運行流程

在切片網(wǎng)絡的運行過程中，核心網(wǎng)的作用在于開戶、切片信息的配置以及切片組的定義。傳輸網(wǎng)的作用在于提供獨立的虛擬局域網(wǎng)給不同的切片組。根據(jù)服務等級協(xié)議的不同無線網(wǎng)會相應做出切片組和無線資源的分配，并將其映射到虛擬局域網(wǎng)端口中。

2 無線切片技術

在無線網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡切片的不同主要表現(xiàn)在所選擇的網(wǎng)絡、分配的資源和調度、控制接納等的差異性。

2.1 接入和移動性管理功能的選擇（AMF）

5G 基站會根據(jù)用戶在進行注冊或者辦理業(yè)務時所發(fā)出的消息內容選取接入和移動性管理功能。第一步：先基于GUTI 選取核心網(wǎng)。若用戶發(fā)送的消息內容里面含有“RegisteredAMF”IE 或“5G S-TMSI”IE，則根據(jù)該種信息元素，5G 基站會在其中根據(jù)GUTI 進行AMF 的選取；若用戶發(fā)送的消息不含有上述信息元素，則5G 基站將會進行到第二步。第二步：基于切片標識進行核心網(wǎng)的選取。若用戶所發(fā)送的信息內容中包含有“S-NSSAI List”IE，則5G 基站會根據(jù)該List 去和各個AMF 信息中存有的S-NSSAI List 匹配，在其中選取可以支持List 的有著最多S-NSSAI 數(shù)量的AMF 當作候選AMF；若用戶發(fā)送的信息內容不包括“S-NSSAI List”IE，或未能找到可以支持List 中的S-NSSAI的AMF，則5G 基站將會進行第3 步操作。第三步：選取缺省AMF，若缺省AMF 有較多個，則基于各個缺省AMF 中的“Relative AMF Capacity”對權重進行計算，并根據(jù)加權平均算法對缺省AMF 進行選擇。

2.2 資源分配與調度

5G 基站的切片機制共有三種類型，分別是服務質量調度（QoS）、資源預留以及載波隔離。所謂QoS 調度指該種類型的切片對無線側公共資源是共享的，基于5G QoS 標識優(yōu)先級開展調度工作。資源預留是在某個范圍內將單獨資源預留給較低安全級別要求但有較高業(yè)務感知保障的切片。載波隔離指基站上個載波中的資源為下一個切片使用，主要應用于有著較高安全級別要求或較大帶寬要求的切片。

2.2.1 QoS 調度

在QoS 調度中，網(wǎng)絡不會預留無線資源給切片。但受限于資源時，優(yōu)先級較高的業(yè)務相比于空口資源可以得到優(yōu)先的調度，若資源出現(xiàn)擁堵，優(yōu)先級較高的業(yè)務也會遭到一定的影響。在通用行業(yè)或企業(yè)寬帶等僅有較低隔離以及保障能力要求的業(yè)務中適合采用QoS 調度。QoS 調度的類型分為5QI 以及ID+5QI 兩種。在5QI 調度類型中，即使切片類型有所不同，若有著相同的5QI，都可以在同一類型的無線側數(shù)據(jù)無線承載（DRB）上進行映射，使它們的擁有相同的調度策略。在ID+5QI 的調度類型中，切片不同的情況下即使有相同的5QI，也可在無線側類型不同的DRB 中進行映射，使它們具有不相同的調度策略。類型不同的DRB 進行差異化調度的關鍵在于配置各自相應的媒體接入、無線鏈路以及分組數(shù)據(jù)協(xié)議層的參數(shù)。

2.2.2 資源預留

在5G 網(wǎng)絡中，切片被劃分成切片組，而基于切片組可以有效管理無線資源，確保切片間可以有效隔離和共享無線資源。資源預留有兩種方式，分別為接納控制和PRB 預留。

2.2.3 載波隔離

載波隔離是指在用戶/業(yè)務種類不同時采用不同的載波小區(qū)。載波隔離技術需協(xié)同配置核心網(wǎng)以及無線側，確保有效隔離種類不同的用戶/業(yè)務的使用資源。

2.3 無線切片部署策略

基于產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的角度進行分析可知，QoS 調度有著最為成熟的支持度。雖然在R15 中有將資源預留引入，但在R16 中才正式確定方案，雖然終端可以對資源預留進行支持，但切片并發(fā)仍然較低的支持度；在無線網(wǎng)資源預留中，僅有部分廠家支持，核心網(wǎng)中已經(jīng)支持該種技術。PNI-NPN 是載波隔離的最終目標，在R16 終端中該種方案屬于可選功能，當前僅有較低的支持度。從產(chǎn)業(yè)鏈成熟度上看，關于無線切片的部署具體可以劃分為如下幾個階段：

（1）僅依靠QoS 調度完成無線側不同切片的差異化感知。該種情況下網(wǎng)絡可將無資源獨占需求的服務提供給5G 用戶。

（2）通過資源預留以及QoS 調度確保無線實現(xiàn)不同切片的差異化感知。該種情況下，網(wǎng)絡除去可以實現(xiàn)第一個階段的業(yè)務之外，還可將部分資源可獨占的服務提供給5G VIP 用戶。

（3）通過QoS、資源預留以及載波隔離三種方式確保無線可以實現(xiàn)對不同切片的差異化感知。該種情況下，網(wǎng)絡除了可以滿足第一和第二階段所使用的業(yè)務之外，還可將全部資源獨占的服務提供給5G 特需用戶。

3 基于共建共享網(wǎng)絡下的無線部署方案

當前，使用共建共享的方式部署5G 網(wǎng)絡時，除了需要保障用戶/業(yè)務不同時各自差異化感知，還需確保使用無線資源時雙方的公平性。針對無線網(wǎng)絡方案，下面將其劃分為三個階段：

3.1 第一階段

在該階段中，無線網(wǎng)絡只通過5QI 分配和調度差異化資源，此時兩個營業(yè)商不僅需要進行不同5QI 下QoS 參數(shù)配置規(guī)范的統(tǒng)一，還需確保增值用戶/業(yè)務具有相同的比例。

3.1.1 Non-GBR 承載網(wǎng)絡方案

無線側通過調整相對調度比例的方法對5QI6、8、9 等Non-GBR 承載進行調度，推薦以4：3：2 作為其配置比例。相比于5QI9 而言，5QI6 和8 承載有著相對較高的調度比例，因此在占用資源上具有一定優(yōu)勢。若5QI6 和8 有較高的用戶比例，將會導致5QI9 現(xiàn)網(wǎng)用戶的感知受到影響；若5QI6和8 有較大的用戶比例差距，會導致使用無線資源的雙方對等公平性受到影響。建議營業(yè)商雙方業(yè)務部門針對5QI6 和8 在用戶/業(yè)務類型及其最高比例進行協(xié)商以確保一致。

3.1.2 CBR 承載網(wǎng)絡方案

無線側在5QI3、4、71 和83 等CBR 專載中會優(yōu)先進行調度以確保流量比特率（GFBR）速率。當前部分廠家針對GFBR 達到最大流量比特率的部分均使用優(yōu)先保障比默認承載的方式。當前，在無線側中還未有有效手段對一個小區(qū)資源被某些GBR 專載占用情況進行控制，因此若一個小區(qū)內有聚集的專載業(yè)務時，將會對小區(qū)中大網(wǎng)用戶的感知造成一定的影響。若營業(yè)商在相同承載的GFBR/MFBR 中有不統(tǒng)一的設置，將會使雙方用戶在進行相同承載業(yè)務的操作中有不同的感知。因此，建議營業(yè)商雙方仔細考慮該種業(yè)務的發(fā)展，并注意該種業(yè)務中CFBR 以及MFBR 的設置，確保承載配置相同的CFBR/MFBR 有相同的設置，并在限制該種業(yè)務發(fā)展的用戶數(shù)方面達成統(tǒng)一。

3.2 第二階段

將資源預留技術引入到第二階段中，該過程需要營業(yè)商雙方對資源預留公平性進行考慮。

3.2.1 基于PLMN 的特有業(yè)務組資源管理算法

當前多數(shù)是在切片組基礎上開展資源管理，即使小區(qū)切片組較多，也是分開各個切片組開展資源管理。在共建共享小區(qū)中，若資源管理僅基于切片組而未考慮PLMN，則運營商雙方若想要實現(xiàn)資源使用的公平性，那么其中任一方在進行新切片業(yè)務的開通時都需要雙方開展資源協(xié)商，對業(yè)務開通而言帶來了較多的復雜性。若雙方在業(yè)務開通之前不開展資源協(xié)商，不僅會造成運營商資源對等無法得到保障，還會使此資源僅能在運營商的承建范圍內開通，在共享區(qū)域內可能無法進行此資源的開通。

針對上述關于資源管理的分析，本文提出一種基于PLMN 的特有業(yè)務組作為管理方法。即以三種類型劃分小區(qū)業(yè)務，分別為非切片組和雙方各自特有的業(yè)務組。通過資源完全共享的方式設置非切片組業(yè)務。而運營商雙方各自特有的業(yè)務組則可含有各自的多個切片組，并且可根據(jù)各自特有的業(yè)務組設置總專用、總最小和總最大的資源比例及相關的準入?yún)?shù)進行各自特有業(yè)務組的資源管理。

3.2.2 網(wǎng)絡方案

因基于PLMN 的特有業(yè)務組的現(xiàn)有支持度較低，因此第二階段基于廠家是否支持的角度制訂網(wǎng)絡方案。

在廠家不支持的情況下：采用跟第一階段相同的Non-GBR 承載網(wǎng)絡方案設置第二階段的Non-GBR 承載；針對5QI3、4 等GBR 專載承載的業(yè)務和專用資源、優(yōu)先要求的業(yè)務均放置在營業(yè)商各自的切片組中。此時網(wǎng)絡的切片組僅有2 個，分別是營業(yè)商雙方各自的切片組。營業(yè)商雙方需要基于各自切片組的各項參數(shù)進行協(xié)商以確保統(tǒng)一。

在廠家支持的情況下：采用跟第一階段相同的Non-GBR 承載網(wǎng)絡方案設置第二階段的Non-GBR 承載；以同樣的方式設置營業(yè)商雙方各自的切片組，此時針對營業(yè)商各自的切片組，在各類參數(shù)比例中，可與之前各自進行資源限制的切片組比例進行對應。

3.3 第三階段

在各個載波隔離技術方案中，PLMN 方案中具有隔離度高的優(yōu)點以及PLMN 數(shù)目較少，較難申請的缺點；TAC+切片方案中具有較大的可行性，可對切片粒度用戶接入進行限制的優(yōu)點，TAC+IMSI 方案中具有較大可行性，且可以對IMSI 粒度用戶接入進行限制的優(yōu)點，但兩種方案均具有較弱隔離性，在公網(wǎng)小區(qū)上專用用戶進行第一次注冊時無法避免會被拒絕，僅可在較少TAC 場景上應用的缺點；PNINPN 方案中，具有較好專網(wǎng)隔離性，可隔離小區(qū)粒度的優(yōu)點，但有僅在終端R16 可運行的缺點；在UAC 方案中，具有可通過UE 對訪問是否發(fā)起進行控制，能夠有效避免隨機接入的優(yōu)點，但僅可在接入控制中使用，不能開展移動性控制。從產(chǎn)業(yè)鏈成熟度的角度上進行考慮，當前在將全部資源獨占的增值服務提供給5G 行業(yè)特需用戶時，建議使用TAC+切片或TAC+IMSI 方案。當PNI-NPN 技術得到終端、無線網(wǎng)等的支持后，再使用該種方案開展載波隔離服務。

4 結 論

在下一代網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡切片將會是其重要元素，也會是運營商為適應不同用戶和業(yè)務需求提供個性化服務的重要技術。要將網(wǎng)絡切片技術應用到5G 網(wǎng)絡中，除了包括端到端的網(wǎng)絡和管理模式上的改變之外，還為實現(xiàn)技術和商業(yè)運營方式帶來了較多挑戰(zhàn)。從各個運營商的前期組網(wǎng)方案中可以看出，他們已經(jīng)對如何應用網(wǎng)絡切片技術做出了詳細的考慮。從國內網(wǎng)絡切片技術的相關研究中也可以知道，中國5G 技術已經(jīng)位居世界前列，在國內普及使用網(wǎng)絡切片技術已經(jīng)指日可待。