网络切片标准分析与发展现状

魏垚 谢沛荣

【摘  要】网络切片技术是5G的关键技术之一，它能够通过对网络端到端的配置，使得用户按需接入到最合适的网络，增加网络资源的灵活度。介绍了网络切片的最新3GPP标准进展情况，包括切片架构、切片标识、操作流程、无线网切片等关键标准技术方案，并对网络切片Rel.16版本的标准动向和未来的技术发展方向进行了展望。

【关键词】网络切片;5G;3GPP标准进展

中图分类号：TN929.5

文献标志码：A      文章编号：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   标准进展

网络切片就是以端到端、按需定制和隔离为特征的逻辑网络，其通过对功能、性能、连接关系、运维等的灵活设计，可以为不同的业务或用户群提供差异化的网络服务。网络切片最重要的特征就是端到端、按需定制与隔离性。端到端是指网络切片不仅需要核心网，还要包括接入网、传输网、管理网络等;按需定制是指可按需定制网络切片的业务、功能、容量、服务质量与连接关系，同时还可以按需进行切片的生命周期管理;隔離性则包括了安全隔离、资源隔离与操作维护隔离等。

从2015年开始，3GPP启动了5G相关的标准研究和制定工作，并计划在Rel.14～Rel.16这3个大版本中完成相关标准的制定。网络切片作为5G的重要技术，3GPP最早在R14阶段由SA1的TR 22.864[1]报告中提出了网络切片的需求，随后SA2在TR 23.799[2]中对网络切片方案进行了初步研究，在R15阶段SA2正式把切片的相关概念、方案写入了TS 23.501[3]中。SA5对于切片管理进行了研究并进行了网管设备的标准化，SA3则负责研究切片的安全方面的问题。此外RAN接入网对网络切片技术也进行了研究和探讨，并最终在RAN侧支持网络切片功能，实现端到端的切片。

除了3GPP，目前ITU、MGMN、ETSI等主要标准组织都先后开展了网络切片的标准化研究，但目前这些组织对于切片的研究主要还是停留在架构、需求等较高的层次，具体切片的实现等较具体的内容目前主要还是由3GPP负责制定。

2   核心网网络切片

Rel.15阶段网络切片的标准主要制定了包括切片架构、切片标识、切片操作和切片管理等相关内容。虽然切片技术是一种端到端的实现，但在实际标准中大部分工作是在核心网侧实现，接入网仅需要配合核心网的网络切片指示进行核心网的匹配以及信令的交互。

2.1  切片总体架构

在TR23.799中，根据网络切片控制面功能的共享情况，网络切片可以有3种不同的组网架构，如图1所示。

（1）Group A：完全不共享。每个切片完全独立，分别拥有各自完整的控制面与用户面功能实体。此架构的切片隔离性最好，但用户在同一时间只能接入一个网络切片。

（2）Group B：控制面功能部分共享。部分控制面功能（如移动性管理、鉴权功能）在切片间共享，其余的控制面功能（如会话管理）与用户面功能则是各切片专用的。此架构支持用户在同一时间接入控制面功能部分共享的多个网络切片。

（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，只有用户面功能是各切片专用。此架构的隔离性最差，只在用户面实现了隔离，此架构也支持用户在同一时间接入控制面功能完全共享的多个网络切片。

R15阶段的切片标准化工作主要针对Group B开展。目前达成共识的切片总体架构如图2所示：

一个完整的核心网切片包括公共控制部分（Common CP NF， CCNF）与切片专用部分（Slice Specific Core Network Function， SSNF）。CCNF是被UE可同时接入的多个切片所共享的，CCNF目前确定的是包括AMF;PCF根据实际网络策略或业务需要，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的会话管理策略）部署在SSNF中。一般来说NSSF、UDM、AUSF是所有切片共享，对于特殊要求的切片，AUSF、UDM也可以部署在CCNF或SSNF内。

2.2  网络切片标识

网络切片标识是网络切片技术中最重要的参数。S-NSSAI（Single Network Slice Selection Assistance Information，单一网络切片选择辅助信息）唯一标识一个网络切片，而NSSAI是S-NSSAI的集合，标识一组网络切片。NSSAI在切片选择过程中起到很重要的作用，根据其存储位置及作用的不同，NSSAI可以分为如下：

（1）Configured NSSAI：预先配置在UE中的NSSAI，此NSSAI也可由NSSF或AMF生成并下发UE，主要用于生成初始注册时使用的Requested NSSAI。

（2）Subscribed（签约的）NSSAI：存储在UDM（统一数据管理功能）中的用户签约的NSSAI信息。

（3）Allowed NSSAI：允许UE在当前注册区接入的NSSAI。由NSSF（切片选择功能）根据Requested NSSAI、Subscribed NSSAI及相关策略计算生成后传送给AMF与UE（某些场景也可由AMF直接生成），并保存在UE与AMF中。

（4）Rejected NSSAI：拒绝UE接入的切片。对于PLMN不支持的切片，UE在该PLMN下不能再接入;对于当前注册区不支持的切片，UE在移出该注册区前不能再接入。

（5）Requested NSSAI：由UE根据Configured NSSAI与Allowed NSSAI生成，可携带在初始注册消息的RRC与NAS层消息中，表示UE在本次注册中请求使用的NSSAI。

需要注意的是：

（1）每一个S-NSSAI标识一个网络切片，一个网络切片可以对应多个网络切片实例（Network Slice Instance， NSI）。在某些场景下一个网络切片实例又可以同时为多个网络切片提供服务，即网络切片与切片实例是M：N的对应关系。

（2）UE的Subscribed NSSAI可以包含多于8个的S-NSSAI，但最多只有8个S-NSSAI被设置为缺省S-NSSAI。当UE发起注册时未携带Requested NSSAI、AMF、NSSF就会使用缺省S-NSSAI来生成Allowed NSSAI。

（3）对于特定一种接入方式，UE在Requested NSSAI中最多只能包含8个S-NSSAI。因此如果UE只从一种接入方式接入5G核心网，UE理论上最多只能并发接入8个切片。但如果UE同时通过3GPP（NR）与非3GPP（如WLAN）两种方式接入，则UE理论上最多并发接入的切片數将达到16个。

2.3  网络切片操作

5GC为切片选择专门引入了网络切片选择功能NSSF实体，其功能主要包括：为UE选择网络切片实例集合、确定Allowed NSSAI和确定为UE服务的AMF集合（AMF set）、候选AMF列表。

用户的切片操作主要包含两部分，一个是用户初始注册时，选择合适的AMF，并在此过程中获得Allowed NSSAI;另一个是用户在切片内建立PDU会话。

（1）支持网络切片的AMF选择

用户初始注册时的支持网络切片功能的AMF选择流程示意如图3所示：

3   无线网络切片

为了实现端到端的网络切片，不仅涉及核心网，同时还包括了无线接入网（RAN）、传输网和终端。3GPP R15版本标准提出NG-RAN侧支持网络切片的主要原则和要求，包括切片的感知、RAN侧网络切片选择、RAN对CN实体的选择、RAN侧支持切片间的资源隔离和切片的资源管理、切片对QoS支持、切片的粒度、UE对多切片的支持和UE的切片准入验证。

RAN的网络切片研究最早出现在5G研究报告TR 38.801[5]、TR 38.804[6]中，对RAN实现网络切片的关键原则和需求进行了阐述，后续标准TS 38.300[7]继承了主要结论，对于5G的RAN支持的网络切片的原则和要求具体包括：

（1）RAN对切片的感知

NG-RAN支持为已预配置的不同网络切片提供差异化的处理能力。

（2）RAN侧网络切片的选择

NG-RAN通过UE提供的辅助信息或者通过5GC在PLMN里明确地提前定义的一个或多个网络切片的选择，来实现RAN侧的网络切片选择。

（3）切片间的资源管理

NG-RAN支持根据不同切片间的服务级别协议（Service Level Agreement， SLA）执行相应的资源管理策略。单个NG-RAN节点具备支持多个切片的能力。NG-RAN应该能够自由地针对不同的服务等级协议应用最优的RRM策略。

（4）QoS支持能力

NG-RAN在一个切片内支持不同的QoS。

（5）RAN对CN实体选择

对于初始接入，UE需要提供辅助信息以支持AMF的选择。如果可能的话，NG-RAN通过这个信息来获得初始的NAS到AMF的路由;如果UE没有提供辅助信息，则NG-RAN将NAS消息路由到默认的AMF。

对于后续的接入，UE提供临时ID（如5G-S-TMSI），这个ID由5GC分配给UE用于NG-RAN将NAS消息路由到合适的AMF。否则，采用上述初始接入的方法。

（6）切片间资源隔离

NG-RAN支持不同切片间的资源隔离。NG-RAN资源隔离可以通过无线资源管理策略和相应的保护机制来保障，在某个切片共享资源紧缺时不破坏其它切片的服务等级。NG-RAN可为一个确定的切片分配所有资源。NG-RAN如何支持资源隔离取决于具体实现。

（7）切片可用性

某些切片可能只在网络局部可用。NG-RAN支持由OAM配置S-NSSAI（s）。假设UE在注册区域内切片的可用性不变，小区感知其邻区所支持的切片，有利于连接态的异频移动性。

在指定区域内，与一个业务请求相关的切片是否可用，由NG-RAN和5GC负责判断并做相应处理。一个切片接入的准入和拒绝，取决于多方面的因素，例如NG-RAN是否支持相應切片、资源是否可用、是否支持相应的业务等。

（8）支持UE与多个网络切片同时关联

在UE同时关联多个网络切片时，只能存在一个信令连接。对同频小区重选，UE总是尝试驻留在最佳小区。对异频小区重选，可用专用优先级控制UE驻留的频率。

（9）切片感知的粒度

在所有包含PDU会话资源信息的信令中，会指示与PDU会话相关的S-NSSAI，NG-RAN的切片感知为PDU会话级别。

（10）UE接入网络切片的准入验证

5GC负责认证UE是否具有接入网络切片的权限。在接收到初始上下文建立请求消息之前，NG-RAN可以基于UE请求的切片，执行一些临时或本地的策略。在初始上下文建立过程中，网络切片所需资源请求将通知NG-RAN。

TS 38.300指出：RAN可以通过调度或者提供不同L1/L2配置实现不同网络切片，但截至到2018年6月，相关组织并没有对标准进行进一步明确;当前3GPP R15的无线接入网关于网络切片的标准，主要是配合核心网的网络切片指示进行核心网的匹配以及信令的交互，因为RAN并不具备切片的差异处理能力;根据R16版本的立项情况来看，RAN1/2/3工作组确定不会在RAN侧进行进一步的切片增强讨论。

4   结束语

网络切片经历了Rel.14和Rel.15两个版本的完善，已经初步具备可使用的基础能力，尤其是对5GC的切片，规范了包括切片选择、切片接入、切片内PDU会话建立等在内的操作流程，同时对于切片管理进行了初步的标准化。在Rel.16阶段，重点需要完善切片编排管理的标准化，同时对于4G与5G的切片互操作增强、切片接入授权增强等问题进行了研究。但同时从目前标准的发展看，所谓“端到端”的切片并没有将无线资源、承载资源也进行切片，用具备“支持”能力更为贴切。但无论如何，网络切片作为5G网络为适配不同的业务需求进行的灵活配置，必将带来技术实现、商业模式、运营模式的重大变革。

参考文献：

[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.