5G网络下的无线切片技术研究

王静奕

（武汉信息传播职业技术学院，湖北 武汉 430223）

5G 时代的移动通信将使数字服务以及商业模式得到强而有力的发展，其所带来的社会效益将会远超以往移动通信技术。5G 网络所提供的5G 业务具有延迟较低、连接较多等特点，但业务不同时对网络延迟和可靠度等也会有不同的要求，为确保各种业务场景和消费者差异化体验要求可以得到满足，将网络切片技术引入到5G 网络中。所谓5G 网络切片是指在网络基础设施中以多个端到端、定制化等特点划分5GSA 架构的物理网络，确保各个虚拟网络功能特点不同。若要使网络切片功能得以有效实现，根据其端与端的理念需研究和管理好网络中的各个环节，作为其中的关键一环，无限切片技术的实现和管理是本文重点探讨的对象。

一个网络切片与一个种类的业务相对应。

在5G 网络的网络切片技术中，由单个网络切片选择辅助信息（S-NSSAI）进行标识。网络切片由S-NSSAI 进行特定标识之后，就不会在PLMN 中重复，其组成原件包括切片/业务类型（SST）和相应的区分符号（SD）。具体如图1所示。

图1 S-NSSAI 标识

（1）SST 在关于切片/业务类型中的描述上指出预期网络切片在基于特征和业务上的行为有8 bit 的长度。当前关于SST 取值标准有4 个定义，分别为车联网、移动宽度增强、低延迟通信和海量物联网。

（2）SD 的功能在于对同个SST 的多个网络切片进行区分，有24 bit 的长度。前面2 个bit 主要用于对人网和物网的区分，后续6 个bit 主要分配给全国性业务。

UE 特定的一个协议数据单元会话由一个S-NSSAI 以及数据网络共同确定。当切片被UE 激活之后，在策略控制功能的管理下，接入和移动性管理功能将会把UE 路由选择策略输送到UE 中，UE 将通过它对应用ID 和S-NSSAI进行关联。UE 在进行PDU 会话的创建时将会基于URSP来选取与应用相对应的S-NSSAI，会话管理功能将会对用户面功能进行分配，以确保相互对应，此时，GNB 会根据不同的配置将S-NSSAI 映射到各自的虚拟局域网ID 中。在传输网里，不同的虚拟局域网与不同的分片虚拟专用网络进行绑定，再将分片虚拟专用网络与隧道绑定起来。传输网与核心网侧有相似的互通方式，进而确保网络切片端与端之间得以有效互通。切片的端到端运行流程如图2所示。

图2 网络切片端到端的运行流程

在切片网络的运行过程中，核心网的作用在于开户、切片信息的配置以及切片组的定义。传输网的作用在于提供独立的虚拟局域网给不同的切片组。根据服务等级协议的不同无线网会相应做出切片组和无线资源的分配，并将其映射到虚拟局域网端口中。

在无线网络中，网络切片的不同主要表现在所选择的网络、分配的资源和调度、控制接纳等的差异性。

5G 基站会根据用户在进行注册或者办理业务时所发出的消息内容选取接入和移动性管理功能。第一步：先基于GUTI 选取核心网。若用户发送的消息内容里面含有“RegisteredAMF”IE 或“5G S-TMSI”IE，则根据该种信息元素，5G 基站会在其中根据GUTI 进行AMF 的选取；若用户发送的消息不含有上述信息元素，则5G 基站将会进行到第二步。第二步：基于切片标识进行核心网的选取。若用户所发送的信息内容中包含有“S-NSSAI List”IE，则5G 基站会根据该List 去和各个AMF 信息中存有的S-NSSAI List 匹配，在其中选取可以支持List 的有着最多S-NSSAI 数量的AMF 当作候选AMF；若用户发送的信息内容不包括“S-NSSAI List”IE，或未能找到可以支持List 中的S-NSSAI的AMF，则5G 基站将会进行第3 步操作。第三步：选取缺省AMF，若缺省AMF 有较多个，则基于各个缺省AMF 中的“Relative AMF Capacity”对权重进行计算，并根据加权平均算法对缺省AMF 进行选择。

5G 基站的切片机制共有三种类型，分别是服务质量调度（QoS）、资源预留以及载波隔离。所谓QoS 调度指该种类型的切片对无线侧公共资源是共享的，基于5G QoS 标识优先级开展调度工作。资源预留是在某个范围内将单独资源预留给较低安全级别要求但有较高业务感知保障的切片。载波隔离指基站上个载波中的资源为下一个切片使用，主要应用于有着较高安全级别要求或较大带宽要求的切片。

2.2.1 QoS 调度

在QoS 调度中，网络不会预留无线资源给切片。但受限于资源时，优先级较高的业务相比于空口资源可以得到优先的调度，若资源出现拥堵，优先级较高的业务也会遭到一定的影响。在通用行业或企业宽带等仅有较低隔离以及保障能力要求的业务中适合采用QoS 调度。QoS 调度的类型分为5QI 以及ID+5QI 两种。在5QI 调度类型中，即使切片类型有所不同，若有着相同的5QI，都可以在同一类型的无线侧数据无线承载（DRB）上进行映射，使它们的拥有相同的调度策略。在ID+5QI 的调度类型中，切片不同的情况下即使有相同的5QI，也可在无线侧类型不同的DRB 中进行映射，使它们具有不相同的调度策略。类型不同的DRB 进行差异化调度的关键在于配置各自相应的媒体接入、无线链路以及分组数据协议层的参数。

2.2.2 资源预留

在5G 网络中，切片被划分成切片组，而基于切片组可以有效管理无线资源，确保切片间可以有效隔离和共享无线资源。资源预留有两种方式，分别为接纳控制和PRB 预留。

2.2.3 载波隔离

载波隔离是指在用户/业务种类不同时采用不同的载波小区。载波隔离技术需协同配置核心网以及无线侧，确保有效隔离种类不同的用户/业务的使用资源。

基于产业链发展的角度进行分析可知，QoS 调度有着最为成熟的支持度。虽然在R15 中有将资源预留引入，但在R16 中才正式确定方案，虽然终端可以对资源预留进行支持，但切片并发仍然较低的支持度；在无线网资源预留中，仅有部分厂家支持，核心网中已经支持该种技术。PNI-NPN 是载波隔离的最终目标，在R16 终端中该种方案属于可选功能，当前仅有较低的支持度。从产业链成熟度上看，关于无线切片的部署具体可以划分为如下几个阶段：

（1）仅依靠QoS 调度完成无线侧不同切片的差异化感知。该种情况下网络可将无资源独占需求的服务提供给5G 用户。

（2）通过资源预留以及QoS 调度确保无线实现不同切片的差异化感知。该种情况下，网络除去可以实现第一个阶段的业务之外，还可将部分资源可独占的服务提供给5G VIP 用户。

（3）通过QoS、资源预留以及载波隔离三种方式确保无线可以实现对不同切片的差异化感知。该种情况下，网络除了可以满足第一和第二阶段所使用的业务之外，还可将全部资源独占的服务提供给5G 特需用户。

当前，使用共建共享的方式部署5G 网络时，除了需要保障用户/业务不同时各自差异化感知，还需确保使用无线资源时双方的公平性。针对无线网络方案，下面将其划分为三个阶段：

在该阶段中，无线网络只通过5QI 分配和调度差异化资源，此时两个营业商不仅需要进行不同5QI 下QoS 参数配置规范的统一，还需确保增值用户/业务具有相同的比例。

3.1.1 Non-GBR 承载网络方案

无线侧通过调整相对调度比例的方法对5QI6、8、9 等Non-GBR 承载进行调度，推荐以4：3：2 作为其配置比例。相比于5QI9 而言，5QI6 和8 承载有着相对较高的调度比例，因此在占用资源上具有一定优势。若5QI6 和8 有较高的用户比例，将会导致5QI9 现网用户的感知受到影响；若5QI6和8 有较大的用户比例差距，会导致使用无线资源的双方对等公平性受到影响。建议营业商双方业务部门针对5QI6 和8 在用户/业务类型及其最高比例进行协商以确保一致。

3.1.2 CBR 承载网络方案

无线侧在5QI3、4、71 和83 等CBR 专载中会优先进行调度以确保流量比特率（GFBR）速率。当前部分厂家针对GFBR 达到最大流量比特率的部分均使用优先保障比默认承载的方式。当前，在无线侧中还未有有效手段对一个小区资源被某些GBR 专载占用情况进行控制，因此若一个小区内有聚集的专载业务时，将会对小区中大网用户的感知造成一定的影响。若营业商在相同承载的GFBR/MFBR 中有不统一的设置，将会使双方用户在进行相同承载业务的操作中有不同的感知。因此，建议营业商双方仔细考虑该种业务的发展，并注意该种业务中CFBR 以及MFBR 的设置，确保承载配置相同的CFBR/MFBR 有相同的设置，并在限制该种业务发展的用户数方面达成统一。

将资源预留技术引入到第二阶段中，该过程需要营业商双方对资源预留公平性进行考虑。

3.2.1 基于PLMN 的特有业务组资源管理算法

当前多数是在切片组基础上开展资源管理，即使小区切片组较多，也是分开各个切片组开展资源管理。在共建共享小区中，若资源管理仅基于切片组而未考虑PLMN，则运营商双方若想要实现资源使用的公平性，那么其中任一方在进行新切片业务的开通时都需要双方开展资源协商，对业务开通而言带来了较多的复杂性。若双方在业务开通之前不开展资源协商，不仅会造成运营商资源对等无法得到保障，还会使此资源仅能在运营商的承建范围内开通，在共享区域内可能无法进行此资源的开通。

针对上述关于资源管理的分析，本文提出一种基于PLMN 的特有业务组作为管理方法。即以三种类型划分小区业务，分别为非切片组和双方各自特有的业务组。通过资源完全共享的方式设置非切片组业务。而运营商双方各自特有的业务组则可含有各自的多个切片组，并且可根据各自特有的业务组设置总专用、总最小和总最大的资源比例及相关的准入参数进行各自特有业务组的资源管理。

3.2.2 网络方案

因基于PLMN 的特有业务组的现有支持度较低，因此第二阶段基于厂家是否支持的角度制订网络方案。

在厂家不支持的情况下：采用跟第一阶段相同的Non-GBR 承载网络方案设置第二阶段的Non-GBR 承载；针对5QI3、4 等GBR 专载承载的业务和专用资源、优先要求的业务均放置在营业商各自的切片组中。此时网络的切片组仅有2 个，分别是营业商双方各自的切片组。营业商双方需要基于各自切片组的各项参数进行协商以确保统一。

在厂家支持的情况下：采用跟第一阶段相同的Non-GBR 承载网络方案设置第二阶段的Non-GBR 承载；以同样的方式设置营业商双方各自的切片组，此时针对营业商各自的切片组，在各类参数比例中，可与之前各自进行资源限制的切片组比例进行对应。

在各个载波隔离技术方案中，PLMN 方案中具有隔离度高的优点以及PLMN 数目较少，较难申请的缺点；TAC+切片方案中具有较大的可行性，可对切片粒度用户接入进行限制的优点，TAC+IMSI 方案中具有较大可行性，且可以对IMSI 粒度用户接入进行限制的优点，但两种方案均具有较弱隔离性，在公网小区上专用用户进行第一次注册时无法避免会被拒绝，仅可在较少TAC 场景上应用的缺点；PNINPN 方案中，具有较好专网隔离性，可隔离小区粒度的优点，但有仅在终端R16 可运行的缺点；在UAC 方案中，具有可通过UE 对访问是否发起进行控制，能够有效避免随机接入的优点，但仅可在接入控制中使用，不能开展移动性控制。从产业链成熟度的角度上进行考虑，当前在将全部资源独占的增值服务提供给5G 行业特需用户时，建议使用TAC+切片或TAC+IMSI 方案。当PNI-NPN 技术得到终端、无线网等的支持后，再使用该种方案开展载波隔离服务。

在下一代网络中，网络切片将会是其重要元素，也会是运营商为适应不同用户和业务需求提供个性化服务的重要技术。要将网络切片技术应用到5G 网络中，除了包括端到端的网络和管理模式上的改变之外，还为实现技术和商业运营方式带来了较多挑战。从各个运营商的前期组网方案中可以看出，他们已经对如何应用网络切片技术做出了详细的考虑。从国内网络切片技术的相关研究中也可以知道，中国5G 技术已经位居世界前列，在国内普及使用网络切片技术已经指日可待。