5G网络切片跨域生态系统中可用功能和技术特性的现状

美洲5G组织日前发布《商业化5G网络切片》白皮书，其中分析介绍了5G网络切片跨域生态系统中可用功能和技术特性的现状。

1、无线接入网（RAN）切片现状

评估RAN在支持引入基于切片的服务的能力方面的状态，必须明确区分专门处理所需的功能（例如改善时延或吞吐量的功能）和可以提供的功能，其中这种专门的处理只针对单个切片或一组切片。后者通常被命名为“服务感知”，因为它们可以根据它们要区分的服务来启用。如果没有服务感知功能，运营商将无法根据新服务的需要有选择地提供增强功能，因此无法将其货币化甚至部署。如果不深入讨论与“专门处理”类型的特征相关的技术细节，它们中的大多数将属于无线电资源管理、可观察性、移动性管理、传输差异化等领域。

RAN资源管理（RRM）能够以一种可以保证SLA（服务质量协议）的实现这一方式对RAN资源和QoS策略进行编排，同时保持对不同服务类别的可用资源的访问。这是通过在链路自适应、调度器配置、无线电资源划分和准入控制中提供切片感知来实现的。

服务感知调度器优先级可以根据标准化的5G QoS标识符（5QI）和NSSAI分配特定的调度权重，这是设计不同服务所需的不同特殊处理的强大工具。例如，在使用NSSAI区分提供视频优先级类型的服务时，运营商可以为视频数据包配置特定的优先级，以提高流媒体性能。其他可以减少上行链路时延的技术，例如预调度或无授权，也可以被特定NSSAI启用以实现相同目的。

无线电资源划分（RRP）是属于上述两个类别的功能之一，因为它通过分离资源提供专门的处理，并根据NSSAI进行不同的分配。使RRM切片感知允许RAN域创建逻辑和虚拟无线电，这些无线电可以在流量争用时被隔离，但在使用率低时也可以被共享。

在图1所示的示例中，此功能可以解决专用网络用例需求。传统上，小型企业提出的增加其场所网络容量/覆盖范围的请求是由运营商通过部署专用无线网络来解决的。借助RRP，如果现有站点已经覆盖了业务场所，则可以为客户提供专用和隔离的资源，并在需要时提供额外的回传安全性。这将是一个虚拟专用无线网络，但可以在企业不使用它时与公网用户共享。

图1 无线电资源划分的简化图

RAN切片的可观察性提供对相关性能测量的监控和每个切片的KPI计算，这对于为每个网络切片的租户提供洞察力和保证至关重要。它还有助于RRM在不同的流量和无线电条件下优化服务切片的RAN资源。可观察性应该可以用多个标准过滤以获得良好的观察。一些示例标准是每个S-NSSAI（每个切片）、PLMN ID和QoS（5QI）的计数器。

基于服务感知的移动性在网络切片中很重要，因为用户需要其切片具有移动性的服务连续性。RAN供应商在该领域提供的一些功能包括服务感知切换，它允许不具有相同NSSAI支持的节点之间的切换仅接受支持NSSAI的承载，以及服务感知流量工程，运营商可以使用在空闲或连接模式下触发特定NSSAI到所需层的移动性。作为网络切片框架的一部分，相邻的RAN节点向彼此发送每个跟踪区域支持的网络切片集的信号，并且该信息可用于将用户引导至支持终端所使用的切片的小区。除了无线电条件和负载之外，移动性管理功能在分配候选目标小区时还会考虑支持的网络切片。需要注意的是，切片信息不能在RAT（无线接入技术）间从5G SA传输到4G。

在传输域中，RAN可以提供特定的虚拟局域网（VLAN）甚至特定端口以用于所配置的切片，以及在切片的基础上启用IPsec，从而在回传上提供具有增强安全性的服务。

与安全性相关的另一个方面是通过无线电资源划分进行切片隔离，从而确保防止DOS（拒绝服务）攻击以及资源耗尽。网络切片面临的其他安全威胁包括监控、流量注入和模拟攻击。RAN在适当的警报生成以及根因分析方面提供可观察性。安全功能基于安全分析检测网络异常，并通过将分析循环策略自动化来提供自适应安全。

2、核心网切片现状

核心网络上的切片特征集大致可以分为三类：提供切片、切片感知策略/功能、管理和编排。

需要基于静态要求（例如，高吞吐量、低时延）使用新的切片ID和DNN（数据网络名称）更新配置文件的切片用例的配置是最容易实现和操作的（例如，基于订阅的切片）。这些用例可以通过核心网上的标准功能集得到支持，因为它不需要在应用程序级别进行流量分类和切片选择。供应工作通常需要一次性更新订户配置文件和网络配置。这种架构模型非常适合全国和区域范围的用例。假设“尽力而为”流量属于默认切片（切片/服务类型1，切片区分器1），两个新切片设计用于高吞吐量（切片/服务类型1，切片区分器2）和低延迟（切片/服务类型1，切片区分器3），可以通过网络配置和用户配置文件相应地启用。

图2 网络切片类型示例

基于策略/应用程序的切片用例的配置需要与策略控制功能（PCF）和更新用户配置文件和网络配置的运营商配置工具紧密交互。该框架支持更高级的切片用例，需要在应用程序、位置和时间粒度上进行切片。这是通过向设备提供和传送UE路由选择策略（URSP）规则来实现的。URSP规则分别包含表1和表2中列出的流量描述符和路由选择描述符组件。流量描述符确定规则何时适用，而路由选择描述符提供启动切片请求所需的参数。

表1 URSP规则-流量描述符

表2 URSP规则路由选择描述符

例如，考虑一款智能手机，其应用要求包括尽力而为的流量（例如常规互联网）、高吞吐量和低时延（例如AR/VR）。为了支持这些，PCF可以提供三个URSP规则，每个规则都指示流量描述符和路由切片选择参数，如表1和表2所示。一旦UE检测到新应用程序，UE将按照规则优先级的顺序评估URSP规则并确定任何URSP规则的流量描述符是否与应用程序匹配。如果URSP规则适用于应用程序，则UE在该URSP规则中按照路由选择描述符优先级的顺序确定适当的路由选择描述符。

基于切片的策略和部署模型

除了图3中突出显示的与配置相关的功能外，核心网络在支持需要流量隔离、安全性和时延的切片用例方面发挥着至关重要的作用。通过部署特定于切片的专用5G核心节点，可以支持流量隔离、安全性和时延相关用例。尽管3GPP标准支持在切片级别部署5GC节点，但从实际实施的角度来看，专用分组核心节点（例如SMF/UPF/AMF）将满足大部分切片要求。例如，可以通过在边缘部署专用UPF来支持低时延切片，同时将所有其他控制平面功能保留在共享环境的集中位置。

图3 使用URSP的多个切片示例

网络功能是5GC网络中的云原生功能，因此在跨各种用例进行扩展时，作为切片生命周期管理的一部分，创建或删除它们是一个简单的过程。一个具有成本效益的选择是仅针对定制的用户平面要求创建/删除UPF，例如部署在本地设施/数据中心时的安全性和时延，同时可以重复使用控制功能。仅在冗余或客户需要更多隔离时才需要对控制平面应用相同的方法。对于5GC，接入和移动功能（AMF）、会话管理功能（SMF）、用户平面功能（UPF）和策略控制功能（PCF）等网络功能可以按切片专用或共享，如图4所示。如果切片由运营商拥有，而不是在多运营商核心网络（MOCN）或多运营商无线接入网络（MORAN）类型的架构中，可以假设部署将具有专用的网络功能，而用户配置文件数据库是共享的。

图4 共享或专用的核心网资源

3、传输网切片现状

在网络切片的端到端方案中，传输网在满足终端客户切片需求方面起着关键作用。3GPP切片标识符的范围没有扩展到IP域，这使得很难以与5G核心或无线网络相同的粒度对传输资源进行切片。但是，可以使用底层和覆盖层中可用的IP流量管理解决方案来满足必要的切片要求。传送网要为网络切片提供充足的传输，需要具备以下功能：域间包映射、传输资源划分、资源隔离、最优路径选择和质量保证。

通常，数据包从RAN核心域映射到传输域。这可以基于VLAN ID、目标IP地址或来自RAN节点的物理端口在上行链路中完成，并且可以在基于源或目标IP地址的下行链路中完成。对传输流量进行优先级排序的标准做法是根据流量服务要求使用不同的DSCP（差分服务点代码）值标记数据包。如果一个切片或一组切片具有多个对传输特性有单独要求的流量，则在切片和5QI粒度上扩展DSCP将提供对该切片流量进行适当处理的能力。5QI到DSCP和802.1p的映射可以在每个切片或切片组中单独完成。对于隔离和质量保证，可以使用VPN、IPsec、GRE、Segment Routing、MPLS。

在当今的网络切片生态系统中，行业主要集中在RAN和核心网领域，同时依靠DSCP在传输上区分网络切片。然而，未来很可能需要新的能力来改进传输中的最佳路径选择和质量保证。例如，会产生这种需求的领域包括远程检查甚至远程手术。解决这一挑战的一个可能方向是使用SDN（软件定义网络）/SD-WAN（软件定义广域网）技术，这些技术可以提供更好的管理时延，更适合此类未来用例。可能需要将中央SDN/SD-WAN控制器与网络切片编排管理集成，以实现更精细的端到端切片协调。当需要此类用例时，可能会审查和讨论其他可能的传输增强功能。

4、终端切片现状

为了实现5G网络切片，终端在端到端（E2E）架构中扮演着非常重要的角色。终端负责在满足条件时创建新的网络切片连接，例如发起新的DNN连接，或者启动指定的应用程序。终端切片架构一般可以分为以操作系统（OS）为中心或以调制解调器为中心。

以调制解调器为中心的架构适用于不依赖OS而是在调制解调器和应用程序之间进行接口的5G终端。例如，物联网终端可能有一个应用程序通过命令直接与调制解调器通信。根据设备上预定义的、SIM中提供的或在5G注册期间由网络提供的切片信息，调制解调器将确定应用流量和切片映射。对于不需要支持多个切片的用例，这是相对简单的架构和部署。

以OS为中心的架构适用于依赖OS在调制解调器和应用程序之间进行网络连接的5G终端。智能手机Android和iOS上的应用程序不会直接与调制解调器通信以请求网络连接。操作系统管理不同应用程序的所有连接请求，并操纵每个网络切片上的数据流。在以操作系统为中心的架构中，操作系统负责将数据流从应用程序映射到相应的切片NSSAI，它收集策略信息（URSP）和其他相关信息，例如由移动终端管理等受信任实体提供的指定应用程序（MDM）并确定切片和应用程序映射。

URSP对于基于应用程序的切片至关重要，因为URSP中的流量描述符定义了将应用程序或应用程序类别与特定网络切片匹配的规则。操作系统通过API从调制解调器获取URSP策略，并将其用于流量控制。URSP中的其他流量描述符（例如目标完全限定域名（FQDN）和IP地址）可用于FWA（固定无线接入）和IoT（物联网）应用程序中的域特定用例。

当前的终端生态系统已经有几代支持5G的芯片组，从切片支持的角度来看，这里有一个总结：

• 所有支持5G SA的终端都可以在基于订阅的切片用例中使用。NSSAI对设备是透明的，因为它是基于每个DNN的UDM（统一数据管理）配置文件应用的，缺点是这限制了切片的“粒度”，即所有具有特定DNN的流量都将使用相同的NSSAI。

• 目前几乎所有的5G SA智能手机都支持基于策略的切片，但由于尚未推出任何商业服务，因此保守的假设是仅支持基本流量描述符（如DNN、appID+Osid等），需要对基于位置（TAC、Cellid）的规则等高级功能进行测试。

• 企业切片允许采用MDM系统以特定的appID+Osid标签标记某些应用程序，该标签可用于URSP规则以将它们与不同的NSSAI相关联，但使用移动终端设备管理（MDM）通常与非消费电子终端相关联，例如由企业拥有和控制的终端。

• 基于应用的切片仍需操作系统厂商和CSP合作，2023年之前可能无法实现商业化。

审核编辑 ：李倩