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5G网络切片功能详解

hotben
2021-12-12 / 0 评论 / 0 点赞 / 792 阅读 / 5,071 字

1、概述

5G网络是通信行业与垂直行业的融合,终极目标是使能全行业数字化。为了实现这一目标,5G网络需满足如下3大关键诉求:

  • 业务独立运营
  • 安全隔离
  • 可保障的SLA(Service Level Agreement)

传统的网络无法按照不同的业务需求进行独立运营和安全隔离,也无法为所有业务提供高效的SLA保障。基于此,业界提出了网络切片的概念。3GPP TS 38.300 V15.6.0中的16.3 Network Slicing章节定义了网络切片功能,网络切片功能可以将运营商的物理网络切分为多个逻辑网络,实现一网多用。网络切片使得运营商能够在一个物理网络上构建多个端到端的、虚拟的、隔离的、按需定制的专用逻辑网络,来满足不同行业客户对网络能力(时延、带宽、连接数、可靠性等)的不同要求。

5G网络切片基于SA架构实现,网络切片功能端到端包含:终端、无线接入网、传输网络和核心网,对接模型如下:
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网络切片功能通过S-NSSAI(Single Network Slice Selection Assistance Information)实现网络切片的端到端可识别。根据3GPP TS 23.501 V15.5.0中5.15.2 Identification and selection of a Network Slice: the S-NSSAI and the NSSAI章节的约定:每个网络切片由S-NSSAI唯一标识。S-NSSAI包含两部分:

  • SST(slice/service type),为必选字段,标识切片类型。由8bit组成,取值范围为0~255,其中:取值0~127为协议定义的标准SST,标准SST全网通用,当前协议中已定义了3种标准SST;取值128~255为运营商自定义SST,仅在本运营商网络下有效。

    类型取值描述
    eMBB1适用于处理5G增强型移动带宽通信。
    URLLC2适用于处理超高可靠性超低时延通信。
    MIoT3适用于处理大规模物联网通信。
  • SD (slice differentiator) ,为可选字段,用于区分具有相同SST字段的切片,由24bit组成,运营商可自定义。

下文为便于描述,统一用S-NSSAI来表示网络切片标识。

本文介绍无线接入网侧网络切片功能的实现,具体切片功能包括:网络切片的部署、准入控制、资源管理和状态管理。

2、 网络切片部署

网络切片的部署首先要完成在gNodeB的网络切片配置,再分别映射到TAC和NG口。网络切片部署完成后,gNodeB可以感知到核心网的网络切片。
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2.1、配置gNodeB网络切片

通过MO gNBNetworkSlice配置gNodeB网络切片,包括配置如下参数:

  • gNBNetworkSlice.OperatorId:表示运营商标识。
  • gNBNetworkSlice.SliceServiceType:表示切片业务类型。根据网络规划,可配置为协议定义的标准切片业务类型或自定义切片业务类型。
  • gNBNetworkSlice.SliceDifferentiator:表示切片区分标识。
  • gNBNetworkSlice.SliceDescription:表示描述切片的信息,运营商可自定义。

其中,参数gNBNetworkSlice.SliceServiceType和gNBNetworkSlice.SliceDifferentiator决定了1个网络切片标识,即S-NSSAI,当前1个gNodeB最多可配置18个S-NSSAI。不同gNBNetworkSlice.OperatorId下,如果S-NSSAI一致,也属于两个不同切片。

2.2、配置默认AMF和UPF

当网络切片用户初始接入并完成RRC建立流程后,gNodeB根据终端上报的Msg5消息中是否携带S-NSSAI或Temp ID(即TMSI号)进行AMF选择,具体包括如下场景:

  • 场景一:Msg5中仅携带了gNodeB支持的S-NSSAI,gNodeB将选择其网络切片关联的NG口所配置的AMF。
  • 场景二:Msg5中携带了Temp ID,gNodeB将选择Temp ID所关联的AMF。
  • 场景三:Msg5中未携带gNodeB支持的S-NSSAI且未携带Temp ID或携带的S-NSSAI和Temp ID均不可用,gNodeB选择当前网络已配置的NG口所关联的默认AMF。

详细请参见3GPP TS 38.300 V15.6.0中16.3.2.1 CN-RAN interaction and internal RAN aspects章节。

在场景一和场景二下,网络切片用户均可以接入到相应的AMF;而在场景三下,需要配置默认AMF来确保网络切片用户在未携带gNodeB支持的S-NSSAI且未携带Temp ID时,可以接入默认AMF。同时,为了确保网络切片用户可以正常进行业务,需要配置默认UPF。

2.3、配置gNodeB跟踪区域网络切片

由于核心网按照跟踪区域来配置网络切片,因此gNodeB需要配置跟踪区域网络切片。gNodeB通过MO gNBTaNs来配置跟踪区域网络切片,将gNodeB网络切片与跟踪区域关联。配置了gNodeB网络切片与跟踪区域的关系后,gNodeB会通过跟踪区域与小区的映射关系,将网络切片关联到跟踪区下的小区。

2.4、配置gNodeB CU NG网络切片

通过MO gNBCUNgNs配置gNodeB CU NG网络切片,将gNodeB网络切片与NG口关联。将gNodeB网络切片映射至对应NG口后,由于NG口配置中包含了控制面端节点和用户面端节点,因此gNodeB网络切片数据可路由至目标AMF或UPF;而NG接口配置中包含的传输网络的VLAN ID信息,可实现网络切片数据在传输网络中的隔离。

每个网络切片都需要关联NG口对应的控制面端节点资源组和用户面端节点资源组(通过MO gNBCUNg配置),否则会导致网络切片业务建立失败。

2.5、感知网络切片

gNodeB对核心网的网络切片的感知。
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UE向gNodeB发送携带S-NSSAI的NAS消息,gNodeB将NAS消息传递给核心网,核心网验证是否支持UE的网络切片,如果不支持,则返回所支持的网络切片信息;如果支持,则进行以下验证:

  1. 核心网向gNodeB发起PDU Session建立请求,发送给gNodeB的请求消息PDU SESSION RESOURCE SETUP REQUEST中携带核心网侧配置的S-NSSAI。每个PDU Session均对应1个S-NSSAI。
  2. gNodeB获取到核心网侧配置的S-NSSAI后,验证是否支持该网络切片,如果gNodeB支持,则向核心网发送消息PDU SESSION RESOURCE SETUP RESPONSE,消息中携带PDU Session建立成功的信息;如果gNodeB不支持,则向核心网发送消息PDU SESSION RESOURCE SETUP RESPONSE,消息中携带PDU Session建立失败的信息。

PDU Session建立时相关的消息以及信元的详细描述,请参见3GPP TS 38.413 V15.4.0中9.2.1.1 PDU SESSION RESOURCE SETUP REQUEST章节。

gNodeB感知到PDU Session的S-NSSAI后,根据PDU Session中的Radio Bearer和QoS Flow信息,得到每个Radio Bearer的网络切片信息和QoS信息,完成对不同Radio Bearer的差异化处理。
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3、 网络切片准入控制

网络切片部署后,gNodeB可根据用户的网络切片和网络切片组的RRC连接态用户数进行准入控制。
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3.1、基于网络切片的准入控制

本功能通过参数NRCellAlgoSwitch.NetworkSliceAlgoSwitch的子开关“ADMISSION_BASED_ON_NS_ID_SW”控制。包括如下场景:

  • PDU Session建立与修改、RRC恢复与重建场景:gNodeB会根据PDU Session建立请求携带的S-NSSAI与gNodeB配置的S-NSSAI进行比较,当gNodeB配置的S-NSSAI包含PDU Session建立请求携带的S-NSSAI时,允许用户建立该PDU Session;否则拒绝,即用户无法接入小区。

  • 站内切换、Xn切换场景:

    源小区可以获取目标小区的网络切片配置信息,因此源小区可以判断用户的网络切片与目标小区支持的网络切片是否有交集:如果无交集,则用户在源小区不发起切换请求流程;如果有交集,则用户在源小区发起切换请求流程,并在目标小区进行基于网络切片的准入控制:

    • 当用户的网络切片在目标小区中均支持时,执行切换流程。
    • 当用户的网络切片在目标小区中部分支持时,如果是必要类切换,则执行切换流程,并释放不支持的网络切片业务;如果是非必要类切换,则不执行切换流程。
  • NG切换场景:

    源小区无法获取目标小区的网络切片配置信息,因此用户在源小区直接发起切换请求流程,并在目标小区进行基于网络切片的准入控制:

    • 当用户的网络切片在目标小区中均支持时,执行切换流程。
    • 当用户的网络切片在目标小区中部分支持时,如果是必要类切换,则执行切换流程,并释放不支持的网络切片业务;如果是非必要类切换,则会执行切换流程,但目标小区向源小区反馈切换准备失败。
    • 当用户的网络切片在目标小区中均不支持时,目标小区向源小区反馈切换准备失败,终止切换流程。

在NG切换场景下,如果用户的网络切片在源小区中支持,但在目标小区中不支持,则该网络切片的所有用户在一段时间内将不执行向目标小区的切换流程,该段时间可以通过参数切片类型不支持定时器gNBMobilityCommParam*.**SliceNotSupportedTimer*来配置。

基于网络切片的准入控制开关须在网络切片部署后打开,否则不生效。

3.2、基于RRC连接态用户数的准入控制

当gNodeB通过S-NSSAI判断允许用户建立PDU Session后,还需判断RRC连接态用户数是否受限。网络切片功能支持基于网络切片组配置RRC连接态用户数规格,具体请参见4.1.3.1 NR小区网络切片资源管理。如果当前RRC连接态用户数不受限,则允许用户建立PDU Session;否则,拒绝该用户发起的PDU Session建立请求。

在切换场景下,gNodeB均在目标小区进行基于RRC连接态用户数的准入控制。如果网络切片用户因目标小区RRC连接态用户数受限而无法从源小区切换到该目标小区中,则该网络切片的所有用户在一段时间内将不执行向目标小区的切换流程,该段时间可以通过参数切片资源不可用定时器来控制。

4、 网络切片资源管理

网络切片资源管理包括NR小区资源管理与NR DU小区资源管理,其中,NR小区资源为RRC连接态用户数,NR DU小区资源为小区可用的PUSCH(排除PRACH和PUCCH)和PDSCH(排除SSB、SIB、Paging、RAR和msg4)的RB资源。通过网络切片的资源管理来控制网络切片所占用的资源,以此保障网络切片的SLA。网络切片资源管理功能通过打开参数NRCellAlgoSwitch.NetworkSliceAlgoSwitch的子开关“ENHANCED_NETWORKSLICE_SW”来支持。

4.1、 NR小区网络切片资源管理

NR小区网络切片资源为RRC连接态用户数,资源管理的配置包括:配置NR小区资源、配置网络切片组、配置网络切片组中的切片。
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一个小区最多支持6个网络切片组,配置到同一个网络切片组的网络切片必须属于同一个运营商。

4.2、 NR DU小区网络切片资源管理

NR DU小区网络切片资源为RB数,可通过打开参数NRDUCellAlgoSwitch.NetworkSliceAlgoSwitch的子开关“RB_DYNAMIC_CONTROL_SW”来对NR DU小区所占RB资源进行动态控制,即支持NR DU小区网络切片资源管理。资源管理的配置包括:配置网络切片组、配置网络切片组中的切片、配置NR DU小区资源(RB资源比例、RB资源起始位置、RB资源控制策略)。如图4-6所示。

图4-6 NR DU小区网络切片资源管理示意图
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4.3、配置NR DU小区资源

NR DU小区资源配置项包括最小RB资源比例及频域起始位置、平均RB资源比例、最大RB资源比例。网络切片组用户依次按照最小RB资源比例、平均RB资源比例、最大RB资源比例的优先级顺序来使用资源。

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NR DU小区资源配置的生效对象为网络切片组,与网络切片组内是否配置了网络切片以及网络切片的状态(锁定或解锁)无关。

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