5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)增強(qiáng)研究

張晶 徐菲

【摘? 要】網(wǎng)絡(luò)切片作為5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，不僅服務(wù)于個人用戶，還需要滿足各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求，因此需要提供差異化的能力滿足不同的體驗要求。從網(wǎng)絡(luò)切片的技術(shù)演進(jìn)角度分析網(wǎng)絡(luò)切片在3GPP標(biāo)準(zhǔn)中的最新進(jìn)展，包括R15版本定義的網(wǎng)絡(luò)切片的整體架構(gòu)及基礎(chǔ)業(yè)務(wù)流程、R16版本網(wǎng)絡(luò)切片特定鑒權(quán)授權(quán)關(guān)鍵流程、R17版本正在研究的網(wǎng)絡(luò)切片屬性定義等關(guān)鍵問題，并簡要分析端到端網(wǎng)絡(luò)切片當(dāng)前面臨的問題。

【關(guān)鍵詞】 5G;網(wǎng)絡(luò)切片;3GPP

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.008? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）04-0037-04

引用格式：張晶，徐菲. 5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)增強(qiáng)研究[J]. 移動通信， 2020，44（4）： 37-40.

Research on Technology Enhancement of 5G Network Slice

ZHANG Jing， XU Fei

（China Academy of Information and Communications Technology， Beijing 100191， China）

[Abstract]

As one of the key technologies of 5G network， network slicing serves individual users， and also meets the requirements of digital transformation for various industries. Therefore， it is necessary to provide diversified capability to meet different experience requirements. This paper analyzes the latest development of network slicing in 3GPP standard from the perspective of technology evolution， including the overall architecture and fundamental process of network slicing defined by R15， key flow of specific authentication and authorization of network slice in R16， and network slicing attributes definition under R17 study， and then the current problems of end-to-end network slicing are also briefly discussed.

[Key words] 5G; network slicing; 3GPP

0? ? 引言

5G作為數(shù)字化社會的基礎(chǔ)關(guān)鍵設(shè)施，不僅服務(wù)于個人用戶，還需要滿足各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求。對于5G的eMBB、URLLC、mMTC三大典型場景，網(wǎng)絡(luò)需要提供差異化的能力來滿足不同的體驗要求。網(wǎng)絡(luò)切片已成為5G解決這個問題的關(guān)鍵特性。3GPP/IETF/ITU-T/ETSI等多個標(biāo)準(zhǔn)化組織都先后開展了網(wǎng)絡(luò)切片相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，5G網(wǎng)絡(luò)切片的具體標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容主要由3GPP制定。

3GPP標(biāo)準(zhǔn)中，網(wǎng)絡(luò)切片經(jīng)歷了從最早在R14版本提出、到R15版本正式寫入標(biāo)準(zhǔn)、到R16版本的功能增強(qiáng)，以及R17版本和GSMA定義的網(wǎng)絡(luò)切片屬性對齊的課題研究。在標(biāo)準(zhǔn)層面對網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)進(jìn)行了完整的標(biāo)準(zhǔn)化，為商用奠定了良好的基礎(chǔ)。本文重點對3GPP網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)行詳細(xì)介紹與分析。具體內(nèi)容涵蓋3GPP R15、R16及R17三個版本。

1? ? 核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)

1.1? 3GPP R15版本

網(wǎng)絡(luò)切片作為5G的重要技術(shù)，最早在R14階段由SA1的TR 22.864[1]研究報告提出了具體需求。隨后SA2在TR 23.799[2]中對網(wǎng)絡(luò)切片方案進(jìn)行了初步研究，并在R15階段正式把網(wǎng)絡(luò)切片寫入了標(biāo)準(zhǔn)。

R15版本網(wǎng)絡(luò)切片的標(biāo)準(zhǔn)主要在TS 23.501[3]和TS 23.502[4]中定義，包括網(wǎng)絡(luò)切片的基本架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)識和網(wǎng)絡(luò)切片基本操作等[5]。

（1）網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)基于TR 23.799研究的控制面功能部分共享的組網(wǎng)架構(gòu)，即部分控制面功能在切片間共享（如移動性管理、鑒權(quán)功能），其他控制面功能（如會話管理）及用戶面功能各切片專用。

（2）網(wǎng)絡(luò)切片支持eMBB、URLLC和eMTC三種類型，支持運(yùn)營商自定義切片類型，支持區(qū)分相同切片類型下的不同切片。

（3）網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)識（S-NSSAI）唯一標(biāo)識一個網(wǎng)絡(luò)切片，NSSAI代表一組網(wǎng)絡(luò)切片，在切片選擇過程中，根據(jù)存儲位置和使用的不同，分為配置的NSSAI、簽約的NSSAI、請求的NSSAI、允許的NSSAI和拒絕的NSSAI。

（4）網(wǎng)絡(luò)切片操作包括：支持網(wǎng)絡(luò)切片的AMF選擇、服務(wù)AMF的重分配、切片內(nèi)創(chuàng)建PDU會話、網(wǎng)絡(luò)切片的配置及配置更新、修改允許UE接入的網(wǎng)絡(luò)切片等。

（5）支持網(wǎng)絡(luò)切片漫游、網(wǎng)絡(luò)切片與EPC的互通等。

1.2? 3GPP R16版本

在R15版本定義的網(wǎng)絡(luò)切片基本框架的基礎(chǔ)上，R16版本主要增加了網(wǎng)絡(luò)切片特定鑒權(quán)與授權(quán)功能[6]。對于某些特殊的網(wǎng)絡(luò)切片，如車聯(lián)網(wǎng)切片、智慧醫(yī)療切片、工業(yè)制造切片等場景，可能會需要在UE主鑒權(quán)完成后仍需網(wǎng)絡(luò)切片特定鑒權(quán)與授權(quán)才能使用。R16版本定義了該場景下UE和網(wǎng)絡(luò)如何獲知網(wǎng)絡(luò)切片需要額外的鑒權(quán)與授權(quán)，以及特定鑒權(quán)授權(quán)如何觸發(fā)和執(zhí)行。

下面從網(wǎng)元和流程增強(qiáng)的角度進(jìn)行詳細(xì)分析。

（1）網(wǎng)絡(luò)切片特定鑒權(quán)與授權(quán)對UE和NF的功能增強(qiáng)

網(wǎng)絡(luò)切片特定鑒權(quán)與授權(quán)功能需要UE和網(wǎng)絡(luò)配合實現(xiàn)，對UE和網(wǎng)絡(luò)均有新增的功能要求。主要涉及以下幾點：

1）UE

UE在注冊消息中會攜帶UE支持的網(wǎng)絡(luò)能力，通過UE MM Core Network Capability攜帶。TS 23.501 R16版本在該信元中增加了是否支持網(wǎng)絡(luò)切片特定鑒權(quán)與授權(quán)的指示Network Slice-Specific Authentication and Authorization。同時，UE需具備提供網(wǎng)絡(luò)切片特定鑒權(quán)與授權(quán)使用的User ID和證書。

2）AMF

AMF保存UE在注冊消息中攜帶的UE MM Core Network Capability，并根據(jù)信元中Network Slice-Specific Authentication and Authorization的取值判定是否需要執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)切片特定鑒權(quán)與授權(quán)流程。對于R15版本之前的UE，在注冊消息中不攜帶網(wǎng)絡(luò)切片特定鑒權(quán)與授權(quán)指示，AMF不允許其接入需要網(wǎng)絡(luò)切片特定鑒權(quán)與授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)切片。

3）UDM

UDM在簽約數(shù)據(jù)中支持S-NSSAI標(biāo)識的網(wǎng)絡(luò)切片是否需要網(wǎng)絡(luò)切片特定鑒權(quán)與授權(quán)的標(biāo)識。TS 29.503[7] R16版本的UDM簽約數(shù)據(jù)增加了新的類型AdditionalSnssaiData，其中屬性requiredAuthnAuthz標(biāo)識S-NSSAI代表的網(wǎng)絡(luò)切片是否需要網(wǎng)絡(luò)切片特有的鑒權(quán)與授權(quán)。該新增的數(shù)據(jù)類型作為已有的數(shù)據(jù)類型NSSAI的屬性進(jìn)行引用。

（2）網(wǎng)絡(luò)切片特定鑒權(quán)與授權(quán)對業(yè)務(wù)流程的影響

UE和網(wǎng)絡(luò)功能具備支持網(wǎng)絡(luò)切片特定鑒權(quán)與授權(quán)的功能后，需要在注冊流程中進(jìn)行相應(yīng)的增強(qiáng)，對網(wǎng)絡(luò)切片特定鑒權(quán)與授權(quán)進(jìn)行使能。網(wǎng)絡(luò)切片特定鑒權(quán)與授權(quán)的基本流程為：

1）服務(wù)PLMN基于簽約信息為HPLMN的S-NSSAI執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)切片特有的鑒權(quán)和授權(quán)。

2）UE在注冊請求消息中的UE 5GMM Core Network Capability中指示是否支持這個特性。

◆如果UE不支持該特性，當(dāng)UE請求需要網(wǎng)絡(luò)切片特有的鑒權(quán)和授權(quán)的S-NSSAI時，AMF不應(yīng)為UE觸發(fā)相應(yīng)流程。

◆如果UE配置了需要網(wǎng)絡(luò)切片特有的鑒權(quán)和授權(quán)的S-NSSAI，UE需保存S-NSSAI和相應(yīng)證書的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3）為了執(zhí)行S-NSSAI的網(wǎng)絡(luò)切片特有的鑒權(quán)和授權(quán)，AMF發(fā)起基于EAP方式的網(wǎng)絡(luò)切片特有鑒權(quán)流程。

AMF可在以下三種場景針對UE發(fā)起網(wǎng)絡(luò)切片的網(wǎng)絡(luò)切片特定鑒權(quán)與授權(quán)流程：

1）UE注冊到AMF，并且映射到Requested NSSAI的HPLMN的一個S-NSSAI需要網(wǎng)絡(luò)切片特有鑒權(quán)和授權(quán)時，針對該S-NSSAI的網(wǎng)絡(luò)切片進(jìn)行特有的鑒權(quán)和授權(quán)，成功后，AMF將該S-NSSAI加入到Allowed NSSAI。

2）網(wǎng)絡(luò)切片特有的AAA服務(wù)器觸發(fā)針對S-NSSAI的UE重鑒權(quán)和重認(rèn)證。

3）AMF基于運(yùn)營商策略或簽約數(shù)據(jù)的變更，決定針對之前已授權(quán)的特定S-NSSAI發(fā)起網(wǎng)絡(luò)切片特有的鑒權(quán)和授權(quán)流程。

對于上述的重鑒權(quán)和重認(rèn)證場景，需遵循以下幾點：

◆如果需要網(wǎng)絡(luò)切片特有鑒權(quán)和授權(quán)的S-NSSAI在每種接入類型的Allowed NSSAI中都包含，AMF基于網(wǎng)絡(luò)策略選擇一種接入類型的網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)切片特有的鑒權(quán)和授權(quán)流程。

◆如果Allowed NSSAI中的某些S-NSSAI的網(wǎng)絡(luò)切片特有鑒權(quán)和授權(quán)不成功，AMF應(yīng)通過UE Configuration Update流程更新每種接入類型的Allowed NSSAI。

◆如果Allowed NSSAI中所有S-NSSAI的網(wǎng)絡(luò)切片特有鑒權(quán)和認(rèn)證均失敗，AMF應(yīng)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)側(cè)注銷流程，并在注銷請求消息中包含拒絕的S-NSSAI列表及拒絕原因。

另外，無論UE網(wǎng)絡(luò)切片特有的鑒權(quán)與授權(quán)是否成功，當(dāng)UE在PLMN中仍為注冊狀態(tài)時，AMF在UE的上下文中保存該UE相關(guān)特有S-NSSAI的鑒權(quán)授權(quán)狀態(tài)，以便AMF不需要在每次周期性注冊或移動性注冊流程中都執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)切片特有的鑒權(quán)與授權(quán)。

網(wǎng)絡(luò)切片特有的AAA server可以隨時撤回授權(quán)或發(fā)起鑒權(quán)與授權(quán)流程。當(dāng)在某種接入類型網(wǎng)絡(luò)中，針對當(dāng)前Allowed NSSAI中的一個S-NSSAI撤銷鑒權(quán)時，AMF應(yīng)給UE提供新的Allowed NSSAI并釋放該接入網(wǎng)絡(luò)類型中和該S-NSSAI關(guān)聯(lián)的所有PDU會話。

最后需要強(qiáng)調(diào)的是，基于SUPI的UE主鑒權(quán)與授權(quán)獲得成功是網(wǎng)絡(luò)切片特定鑒權(quán)與授權(quán)的基礎(chǔ)，如果SUPI授權(quán)被撤回，網(wǎng)絡(luò)切片特有的授權(quán)也被撤回。

1.3? 3GPP R17版本

GSMA于2019年5月23日發(fā)布的NG.116[8]規(guī)范中包含了通用切片模板的概念，其中對和終端用戶業(yè)務(wù)綁定的屬性進(jìn)行了明確定義，如每個切片支持的PDU會話數(shù)、每切片支持的終端數(shù)、每切片支持的最大UL/DL速率等，這些能力在當(dāng)前的5G系統(tǒng)中尚未支持。

3GPP SA2 R17版本針對GSMA NG.116中定義的網(wǎng)絡(luò)切片屬性申請了立項，已確定在R17版本進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切片增強(qiáng)第二階段的研究。

當(dāng)前R17正處于研究階段，網(wǎng)絡(luò)切片增強(qiáng)課題已經(jīng)提出了8個需要研究的關(guān)鍵問題[9]，并開始討論針對這些問題的可選解決方案。課題研究的關(guān)鍵問題包括：

（1）如何支持網(wǎng)絡(luò)切片的最大終端數(shù)

需要解決的問題有5G系統(tǒng)如何獲取網(wǎng)絡(luò)切片支持的最大終端數(shù)、當(dāng)前已接入網(wǎng)絡(luò)切片的終端數(shù)以及5G系統(tǒng)如何使能網(wǎng)絡(luò)切片需要的配額。

（2）如何支持網(wǎng)絡(luò)切片的最大PDU會話數(shù)

需要解決問題有5G系統(tǒng)如何獲取網(wǎng)絡(luò)切片支持的最大PDU會話數(shù)、當(dāng)前已建立的PDU會話數(shù)、哪個NF有這些配額信息;以及如果網(wǎng)絡(luò)切片的PDU會話數(shù)已經(jīng)達(dá)到最大值，還有UE需要接入該如何處理。

（3）如何限制一個UE在網(wǎng)絡(luò)切片中的UL/DL速率

需研究如何限定UE在網(wǎng)絡(luò)切片中的速率，確保使用相同網(wǎng)絡(luò)切片的多個PDU會話的聚合速率滿足網(wǎng)絡(luò)切片的UL/DL速率限制。

（4）如何支持網(wǎng)絡(luò)切片配額事件通知

涉及上述提及的最大終端數(shù)、PDU會話數(shù)、UL/DL最大速率等配額，需研究AF如何從5GS進(jìn)行事件訂閱，5GS系統(tǒng)如何通知網(wǎng)絡(luò)切片配額相關(guān)的屬性。

（5）如何限制網(wǎng)絡(luò)切片UL/DL的速率

GSMA 5GJA NG.116中定義了網(wǎng)絡(luò)切片的UL/DL吞吐量，滿足不同的簽約服務(wù)要求。需研究如何調(diào)整UE的接入速率，以及網(wǎng)絡(luò)切片中的所有UE數(shù)量。與（3）不同，該屬性定義的是基于網(wǎng)絡(luò)切片粒度的速率，不區(qū)分用戶，而（3）中定義的是基于網(wǎng)絡(luò)切片內(nèi)UE粒度的速率。

（6）多個網(wǎng)絡(luò)切片同時使用的限定

3GPP R15和R16的規(guī)范中沒有限制UE和網(wǎng)絡(luò)不能同時使用多個網(wǎng)絡(luò)切片。根據(jù)GSMA 5GJA NG.116中“網(wǎng)絡(luò)切片同時使用”屬性的定義，3GPP R17將研究如何限制在UE和網(wǎng)絡(luò)中不能同時使用多個網(wǎng)絡(luò)切片，包括漫游和非漫游兩種場景，并保證不影響R15版本和R16版本的部署。

（7）5GC協(xié)助接入網(wǎng)絡(luò)切片的小區(qū)選擇

GSMA 5GJA NG.116定義的“無線頻譜”屬性，定義了在哪些無線頻譜下可以接入網(wǎng)絡(luò)切片。當(dāng)前UE選擇5G接入網(wǎng)時不感知是哪個網(wǎng)絡(luò)切片，需要研究如何支持根據(jù)網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)識選擇5G接入網(wǎng)。

（8）業(yè)務(wù)區(qū)域，影響漫游PLMN的選擇

GSMA定義的區(qū)域業(yè)務(wù)，定義了拜訪國家的哪些PLMN支持歸屬地的網(wǎng)絡(luò)切片。當(dāng)前UE漫游選擇PLMN時不感知是哪個網(wǎng)絡(luò)切片，需要研究如何支持根據(jù)網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)識選擇漫游地的PLMN。

2? ?網(wǎng)絡(luò)切片面臨的問題

網(wǎng)絡(luò)切片達(dá)到商用水平，需要端到端網(wǎng)絡(luò)切片包括的無線子切片、傳輸子切片、核心網(wǎng)子切片及切片管理功能相互間的緊密配合。當(dāng)前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)組織定義端到端網(wǎng)絡(luò)切片的功能架構(gòu)及管理架構(gòu)。其中無線子切片、核心網(wǎng)子切片的業(yè)務(wù)功能及管理功能在3GPP SA2和SA5定義，而傳輸子切片的業(yè)務(wù)功能及管理在ITU-T和IETF定義。這些標(biāo)準(zhǔn)組織重點關(guān)注的是各自領(lǐng)域內(nèi)的功能定義，不涉及領(lǐng)域間的互通。因此，導(dǎo)致在異廠商設(shè)備互通、端到端網(wǎng)絡(luò)切片協(xié)調(diào)、端到端網(wǎng)絡(luò)切片自動化部署等方面因缺乏標(biāo)準(zhǔn)而不能完全實現(xiàn)，仍需進(jìn)一步進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)定義。

3? ?結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)切片經(jīng)歷了R15版本的基本架構(gòu)定義和R16版本的功能增強(qiáng)，已經(jīng)具備了可使用的基礎(chǔ)能力，R17版本所研究問題的解決會使網(wǎng)絡(luò)切片在更細(xì)的粒度上進(jìn)行控制，以滿足不同場景的使用。

端到端網(wǎng)絡(luò)切片方面，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）

已成立“5G網(wǎng)絡(luò)端到端切片特設(shè)項目組”，其目標(biāo)為支持5G商用部署和垂直行業(yè)應(yīng)用，加快國際標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)，總體規(guī)劃5G網(wǎng)絡(luò)端到端切片標(biāo)準(zhǔn)體系框架，梳理現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)情況，組織開展共性標(biāo)準(zhǔn)研究，上述端到端網(wǎng)絡(luò)切片問題的解決指日可待。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介

張晶（orcid.org/0000-0003-0014-1623）：工程師，碩士畢業(yè)于沈陽理工大學(xué)，現(xiàn)任職于中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所，主要研究方向為移動通信核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)。

徐菲：高級工程師，碩士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所副總工，主要研究方向為移動通信。