5G网络无线切片技术研究

胡煜华 蔡月清 黎 越 李 贝 沈文超

1.中国联合网络通信有限公司浙江省分公司；2.中国联合网络通信有限公司江苏省分公司；3.中国联合网络通信有限公司研究院；4.中国联合网络通信有限公司杭州分公司

0 引言

随着5G网络商用的普及，5G支持的新业务不断进入人们的日常生活和社会活动。不同业务存在不同的功能需求（例如用户标识管理、策略控制、移动性及位置管理等），不同性能要求（例如时延、移动性、速率等），不同网络安全、可靠性要求（例如可靠性、快速恢复、可隔离等）。针对业务场景差异性的需求，运营商需提供一类解决方案技术，通过功能、性能、隔离、运维等多方面的灵活设计，缩短业务上市时间，增强创新能力。5G网络引入了网络切片技术，在统一的基础设施上分离出多个虚拟的端到端网，不同连接能力的服务部署在不同的网络切片上，技术上解耦，不同切片满足不同场景对网络差异化功能的需求。

1 5G切片特点和标识

5G网络切片（Network Slicing）是指在同一网络基础设施上，将5G独立组网（Standalone，SA）架构的物理网络划分为多个端到端、虚拟的、隔离的（物理隔离或者逻辑隔离）、按需定制的专用逻辑网络，每个虚拟网络具备不同的功能特点，以满足不同行业客户对网络能力的不同要求，如时延、带宽、连接数等。5G切片可以嵌套，切片中可以进一步划分子切片。5G切片为对应的业务提供必要的网络处理，从而减少资源消耗。

1.1 网络切片特点

通过切片技术，物理网络虚拟出多个逻辑网络，适配不同行业客户对网络能力的服务需求。网络切片特点如下：（1）按需提供切片生命周期、分布式部署，提供容量和网络服务，对网络功能可定制编辑。（2）端到端网络，包括无线接入网、传输网和核心网等，需要跨域的切片管理系统。（3）切片网络资源、安全隔离，以及操作、管理和维护隔离，不同区域可以采用不同隔离技术，不同切片网络互不干扰，从而增强整体网络以及切片网络的健壮性和可靠性。

1.2 网络切片标识

单个网络切片选择辅助信息业务切片标识（Single Network Slice Selection Assistance Information，S-NSSAI）标识一个网络切片，一个S-NSSAI可以关联一个或多个网络切片实例。S-NSSAI分为两部分，由切片/业务类型（Slice/Service Type，SST）和切片区分器（Service Differentiator，SD）组成。SST长度8bit，当前已定义SST见表1。SD是补充SST的可选信息，以区分相同SST的多个网络切片，长度24bit。

表1 3GPP已定义SST

类型 取值 描述大规模机器类通信（Massive Machine Type Communication/ Internet of Things，MIoT/mMTC）3 适用于处理大规模物联网通信。车对外界的信息交换（Vehicle To Everything ，V2X） 4 适用于处理5G车联网通信。

2 端到端切片框架

5G端到端网络切片框架如图1所示，分为网络切片管理域和网络切片业务域。网络切片管理域包括通信服务管理功能（Communication Service Management Function，CSMF）、网络切片管理功能（Network Slice Management Function，NSMF）、网络切片子网管理功能（Network Slice Subnet Management Function，NSSMF）等部分。网络切片业务域需要终端（User Equipment，UE）、无线网（Radio Access Network，RAN）、承载网（Transport Network，TN）、核心网（Core Network，CN）、数据网（Data Network，DN）等协同，共同实现端到端能力拉通。

图1 网络切片框架

网络切片管理域完成用户切片业务需求分解和处理，并转换为网络切片服务等级保障（Service Level Assurance，SLA）需求，实现网络端到端编排、配置、监控。网络切片业务域中各网元通过Uu等接口相连发挥不同作用，核心网采用虚拟化技术，支持各种类型切片的构建和部署。承载网向切片组提供承载侧信息，设置虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）。无线网完成签约切片标识与VLAN和业务场景对应跟踪区域码（Tracking Area Code，TAC）的绑定，进行切片解决方案选择和无线资源分配。

3 无线网切片方案

无线网对网络切片的无线资源管理和准入控制管理来满足不同业务的SLA需求，保障用户体验。

3.1 无线网络切片感知

UE激活切片时，路由选择策略通过接入和移动性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）发给UE，UE用它来关联S-NSSAI。注册过程中，无线网络对于切片的感知主要体现在AMF选择流程。UE可以在RRC Setup Complete消息中提供网络切片选择辅助信息业务切片标识（Network Slice Selection Assistance Information，NSSAI）或者临时标识（Temp ID）。

（1）如果初始附着时UE提供NSSAI，基站使用NSSAI信息选择AMF。

（2）如果UE未提供NSSAI信息，则基站向默认的AMF发送NAS信令，默认的AMF选择合适的服务AMF，服务AMF通过注册接收（Registration Accept）消息给UE下发Temp ID和NSSAI信息（其中包括允许的NSSAI、配置的NSSAI等多种网络切片信息）。

（3）对于后续的注册请求，UE使用5G全球唯一临时UE标 识 符5G-GUTI（5G Globally Unique Temporary UE Identifier）的短形式Temp ID，以实现更高效的无线信令过程进行AMF选择，Temp ID可以唯一标识AMF。

UE的一个协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）会话由S-NSSAI和数据网络名称（Data Net work Name，DNN）确定。UE在PDU会话建立时，基站会根据建立请求携带的S-NSSAI与基站配置的S-NSSAI进行比较，如果gNodeB配置的S-NSSAI包含PDU会话建立请求携带的S-NSSAI，则允许用户建立PDU会话。如果不包含则拒绝。

当终端在小区间切换时，源小区考虑目标小区的切片支持情况，分三种场景：

（1）测量报告（Measurement Report，MR）中上报的所有邻区，均不支持UE正在进行的任一切片业务，则源小区不发起切换请求。

（2）MR中上报的邻区中，有的邻区支持UE正在进行的所有切片业务，有的邻区支持UE正在进行的部分切片业务，则源小区向支持所有切片业务的邻区中信号最强的邻区发起切换请求。

（3）MR中上报的邻区中，所有邻区均支持UE正在进行的部分切片业务。若一些邻区支持的切片数量较高，一些邻区支持的切片数量较低，则源小区向支持切片数量最高的邻区中信号最强的邻区发起切换请求。若所有邻区支持的切片数量相同，则源小区向信号最强的邻区发起切换请求。

3.2 无线网络资源管理

无线网络支持三种方案，实现灵活的资源调度和隔离，分别为基于QoS调度、基于RB资源预留、基于载波隔离。

3.2.1 基于QoS调度

基于QoS调度下，不同的网络切片共享小区RB资源，占用RB资源的优先级由QoS优先级决定，在资源拥塞时，高优先级QoS业务也可能受影响。包括基于5G QoS标识符（5G QoS Identifier，5QI）的调度和基于切片ID+5QI的调度。

（1）基于5QI的调度，同一业务使用相同5QI，映射到同一类型的数据无线承载（Data Radio Bearer，DRB）上。当多个用户使用同一业务时，一旦资源受限时，则无法保障哪个用户优先调度。

（2）基于切片ID+5QI的调度，通过在5QI的基础上叠加切片的方式，映射到不同种类型的DRB，将高优先级用户放到高优先级切片中，从而确保该用户优先调度。

调度优先级和相对调度权重是最重要的QoS调度参数。调度优先级影响承载调度优先顺序，该值越小优先级越高。信令数据放置到最高优先级，数据业务的重传数据放置到次一级，保证速率（Guaranteed Bit Rate，GBR）业务的调度队列一般优先于非保证速率（Non-GBR）业务；相对调度比例是根据相对调度权重配置，调度相同优先级下不同Non-GBR承载间的速率比例，对Non-GBR承载生效。

3.2.2 基于RB资源预留

允许多个切片共用同一个小区的RB资源，并为一个切片或一个切片组分配不同的PRB资源份额，来实现基于网络切片组的RB资源预留，见表2，包括最小RB资源比例、优先RB资源比例和最大RB资源比例三类并依次使用资源。

表2 基于RB资源预留三类方案

3.2.3 基于载波隔离

给每个网络切片分配独立载波，不同的网络切片占用不同的小区资源，每个网络切片仅使用本小区内的RB资源。基于载波隔离方式可以达成网络切片间的完全隔离。主要有基于公用陆地移动网（Public Lands Mobile Network，PLMN）、基于TAC及切片、基于TAC及国际移动用户识别码（International Mobile Subscriber Identity，IMSI）、基于封闭式接入组（Closed Access Group，CAG）的非公共网络（Non-Public Network，NPN）和基于通用接入控制（Unified Access Control，UAC）的载波隔离五种方案，见表3。

表3 基于载波隔离技术方案

方案 资源分配 特点TAC及IMSI 专网业务和公网业务对应的小区划分成不同的TAC，以TAC为粒度配置黑白名单IMSI列表。现网可行性大，可以限制IMSI粒度的用户接入。隔离性弱，专网用户在公网小区上的第一次注册拒绝无法避免；只能基于用户维度进行隔离。PIN-NPN PNI-NPN通过PLMN+CAG（closed access group）ID标识，RAN广播PLMN+CAG ID，基于CAG执行网络/小区选择和接入控制。隔离性好，可以针对小区粒度隔离。核心网、基站、终端都需要支持。UAC仅用于接入控制，配置UAC功能中的禁止接入概率因子，如果UE生成的随机数小于该参数，则允许接入，否则禁止接入。可以由UE控制是否发起访问，避免不必要的随机接入过程。参数取值有限；只用于接入控制，无法进行移动性控制。

3.2.4 无线切片方案对比及适用场景

基于QoS调度和基于RB资源预留为共用小区场景，基于载波隔离为不共用小区场景（分配独立载波）。三种方案对比见表4。5G公网业务或5G虚拟专网业务无线网适用基于QoS的调度方案实现。5G混合专网业务的独享基站场景无线网适用载波隔离方案实现。5G混合专网业务的共享基站场景无线网适用资源预留方案，同时辅以基于QoS的调度方案实现。

表4 无线切片三种方案比较

4 切片应用案例

某电力系统智能电网业务需求主要是安全隔离、生产控制业务高可靠性、低带宽、强保障、低时延。切片总体方案见如图2所示。具体如下：（1）生产1/2区各1个PRB资源预留切片实例，管理区1+1个QOS优先级切片实例，另外默认切片一个实例。（2）不同业务通过切片ID，经生产区、管理区以及及管理区下沉的不同UPF位置出口，流向不同DNN电力业务总站。（3）生产区1/2、管理区3/4、运营商大网默认切片5，相互之间业务逻辑隔离，无线网内按不同切片ID+5QI隔离，并由切片ID对应不同VLAN输出实现承载网VPN隔离。（4）生产区为PRB资源预留切片，可统计总的PRB资源数，也支持每个业务统计，以支持计费按实际用户用量，PRB资源分配最小1%，进一步扩展到1PRB。

图2 切片总体方案

方案实施后测试验证结果见表5，根据不同策略设置分别实现了切片隔离、业务隔离、电网切片可对空闲资源抢占。

表5 电力系统应用验证

5 结束语

3GPP R15架构基本完成定义eMBB类切片，R16中完成定义uRLLC类切片，R17版本定义mMTC类切片。R18版本网络切片架构将进一步通过增强工业互联网（Industrial Internet of Things，IIoT）网络能力，来使能更多的2B场景和业务，持续提升5G对工业互联网、uRLLC业务的支持能力，打开智能制造领域的新空间，提升工业物联网业务的空口容量，降低端到端时延。随着5G网络切片标准的完善，5G网络切片应用赋能千行百业，将更好地为5G垂直行业服务。