5G网络切片技术增强研究

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　　【摘  要】网络切片作为5G网络的关键技术之一，不仅服务于个人用户，还需要满足各行各业的数字化转型需求，因此需要提供差异化的能力满足不同的体验要求。从网络切片的技术演进角度分析网络切片在3GPP标准中的最新进展，包括R15版本定义的网络切片的整体架构及基础业务流程、R16版本网络切片特定鉴权授权关键流程、R17版本正在研究的网络切片属性定义等关键问题，并简要分析端到端网络切片当前面临的问题。
　　【关键词】 5G;网络切片;3GPP
　　doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.008      中图分类号：TN929.5
　　文献标志码：A      文章编号：1006-1010（2020）04-0037-04
　　引用格式：张晶，徐菲. 5G网络切片技术增强研究[J]. 移动通信， 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作為数字化社会的基础关键设施，不仅服务于个人用户，还需要满足各行各业的数字化转型需求。对于5G的eMBB、URLLC、mMTC三大典型场景，网络需要提供差异化的能力来满足不同的体验要求。网络切片已成为5G解决这个问题的关键特性。3GPP/IETF/ITU-T/ETSI等多个标准化组织都先后开展了网络切片相关的标准化工作，5G网络切片的具体标准化内容主要由3GPP制定。
　　3GPP标准中，网络切片经历了从最早在R14版本提出、到R15版本正式写入标准、到R16版本的功能增强，以及R17版本和GSMA定义的网络切片属性对齐的课题研究。在标准层面对网络切片技术进行了完整的标准化，为商用奠定了良好的基础。本文重点对3GPP网络切片标准化工作进行详细介绍与分析。具体内容涵盖3GPP R15、R16及R17三个版本。
　　1    核心网网络切片标准增强
　　1.1  3GPP R15版本
　　网络切片作为5G的重要技术，最早在R14阶段由SA1的TR 22.864[1]研究报告提出了具体需求。随后SA2在TR 23.799[2]中对网络切片方案进行了初步研究，并在R15阶段正式把网络切片写入了标准。
　　R15版本网络切片的标准主要在TS 23.501[3]和TS 23.502[4]中定义，包括网络切片的基本架构、网络切片标识和网络切片基本操作等[5]。
　　（1）网络切片架构基于TR 23.799研究的控制面功能部分共享的组网架构，即部分控制面功能在切片间共享（如移动性管理、鉴权功能），其他控制面功能（如会话管理）及用户面功能各切片专用。
　　（2）网络切片支持eMBB、URLLC和eMTC三种类型，支持运营商自定义切片类型，支持区分相同切片类型下的不同切片。
　　（3）网络切片标识（S-NSSAI）唯一标识一个网络切片，NSSAI代表一组网络切片，在切片选择过程中，根据存储位置和使用的不同，分为配置的NSSAI、签约的NSSAI、请求的NSSAI、允许的NSSAI和拒绝的NSSAI。
　　（4）网络切片操作包括：支持网络切片的AMF选择、服务AMF的重分配、切片内创建PDU会话、网络切片的配置及配置更新、修改允许UE接入的网络切片等。
　　（5）支持网络切片漫游、网络切片与EPC的互通等。
　　1.2  3GPP R16版本 　　在R15版本定义的网络切片基本框架的基础上，R16版本主要增加了网络切片特定鉴权与授权功能[6]。对于某些特殊的网络切片，如车联网切片、智慧医疗切片、工业制造切片等场景，可能会需要在UE主鉴权完成后仍需网络切片特定鉴权与授权才能使用。R16版本定义了该场景下UE和网络如何获知网络切片需要额外的鉴权与授权，以及特定鉴权授权如何触发和执行。
　　下面从网元和流程增强的角度进行详细分析。
　　（1）网络切片特定鉴权与授权对UE和NF的功能增强
　　网络切片特定鉴权与授权功能需要UE和网络配合实现，对UE和网络均有新增的功能要求。主要涉及以下几点：
　　1）UE
　　UE在注册消息中会携带UE支持的网络能力，通过UE MM Core Network Capability攜带。TS 23.501 R16版本在该信元中增加了是否支持网络切片特定鉴权与授权的指示Network Slice-Specific Authentication and Authorization。同时，UE需具备提供网络切片特定鉴权与授权使用的User ID和证书。
　　2）AMF
　　AMF保存UE在注册消息中携带的UE MM Core Network Capability，并根据信元中Network Slice-Specific Authentication and Authorization的取值判定是否需要执行网络切片特定鉴权与授权流程。对于R15版本之前的UE，在注册消息中不携带网络切片特定鉴权与授权指示，AMF不允许其接入需要网络切片特定鉴权与授权的网络切片。
　　3）UDM
　　UDM在签约数据中支持S-NSSAI标识的网络切片是否需要网络切片特定鉴权与授权的标识。TS 29.503[7] R16版本的UDM签约数据增加了新的类型AdditionalSnssaiData，其中属性requiredAuthnAuthz标识S-NSSAI代表的网络切片是否需要网络切片特有的鉴权与授权。该新增的数据类型作为已有的数据类型NSSAI的属性进行引用。
　　（2）网络切片特定鉴权与授权对业务流程的影响
　　UE和网络功能具备支持网络切片特定鉴权与授权的功能后，需要在注册流程中进行相应的增强，对网络切片特定鉴权与授权进行使能。网络切片特定鉴权与授权的基本流程为：
　　1）服务PLMN基于签约信息为HPLMN的S-NSSAI执行网络切片特有的鉴权和授权。
　　2）UE在注册请求消息中的UE 5GMM Core Network Capability中指示是否支持这个特性。
　　◆如果UE不支持该特性，当UE请求需要网络切片特有的鉴权和授权的S-NSSAI时，AMF不应为UE触发相应流程。
　　◆如果UE配置了需要网络切片特有的鉴权和授权的S-NSSAI，UE需保存S-NSSAI和相应证书的关联关系。
　　3）为了执行S-NSSAI的网络切片特有的鉴权和授权，AMF发起基于EAP方式的网络切片特有鉴权流程。
　　AMF可在以下三种场景针对UE发起网络切片的网络切片特定鉴权与授权流程：
　　1）UE注册到AMF，并且映射到Requested NSSAI的HPLMN的一个S-NSSAI需要网络切片特有鉴权和授权时，针对该S-NSSAI的网络切片进行特有的鉴权和授权，成功后，AMF将该S-NSSAI加入到Allowed NSSAI。
　　2）网络切片特有的AAA服务器触发针对S-NSSAI的UE重鉴权和重认证。
　　3）AMF基于运营商策略或签约数据的变更，决定针对之前已授权的特定S-NSSAI发起网络切片特有的鉴权和授权流程。
　　对于上述的重鉴权和重认证场景，需遵循以下几点：
　　◆如果需要网络切片特有鉴权和授权的S-NSSAI在每种接入类型的Allowed NSSAI中都包含，AMF基于网络策略选择一种接入类型的网络执行网络切片特有的鉴权和授权流程。
　　◆如果Allowed NSSAI中的某些S-NSSAI的网络切片特有鉴权和授权不成功，AMF应通过UE Configuration Update流程更新每种接入类型的Allowed NSSAI。
　　◆如果Allowed NSSAI中所有S-NSSAI的网络切片特有鉴权和认证均失败，AMF应执行网络侧注销流程，并在注销请求消息中包含拒绝的S-NSSAI列表及拒绝原因。
　　另外，无论UE网络切片特有的鉴权与授权是否成功，当UE在PLMN中仍为注册状态时，AMF在UE的上下文中保存该UE相关特有S-NSSAI的鉴权授权状态，以便AMF不需要在每次周期性注册或移动性注册流程中都执行网络切片特有的鉴权与授权。
　　网络切片特有的AAA server可以随时撤回授权或发起鉴权与授权流程。当在某种接入类型网络中，针对当前Allowed NSSAI中的一个S-NSSAI撤销鉴权时，AMF应给UE提供新的Allowed NSSAI并释放该接入网络类型中和该S-NSSAI关联的所有PDU会话。
　　最后需要强调的是，基于SUPI的UE主鉴权与授权获得成功是网络切片特定鉴权与授权的基础，如果SUPI授权被撤回，网络切片特有的授权也被撤回。
　　1.3  3GPP R17版本
　　GSMA于2019年5月23日发布的NG.116[8]规范中包含了通用切片模板的概念，其中对和终端用户业务绑定的属性进行了明确定义，如每个切片支持的PDU会话数、每切片支持的终端数、每切片支持的最大UL/DL速率等，这些能力在当前的5G系统中尚未支持。
　　3GPP SA2 R17版本针对GSMA NG.116中定义的网络切片属性申请了立项，已确定在R17版本进行网络切片增强第二阶段的研究。 　　当前R17正处于研究阶段，网络切片增强课题已经提出了8个需要研究的关键问题[9]，并开始讨论针对这些问题的可选解决方案。课题研究的关键问题包括：
　　（1）如何支持网络切片的最大终端数
　　需要解决的问题有5G系统如何获取网络切片支持的最大终端数、当前已接入网络切片的终端数以及5G系统如何使能网络切片需要的配额。
　　（2）如何支持网络切片的最大PDU会话数
　　需要解决问题有5G系统如何获取网络切片支持的最大PDU会话数、当前已建立的PDU会话数、哪个NF有这些配额信息;以及如果网络切片的PDU会话数已经达到最大值，还有UE需要接入该如何处理。
　　（3）如何限制一个UE在网络切片中的UL/DL速率
　　需研究如何限定UE在网络切片中的速率，确保使用相同网络切片的多个PDU会话的聚合速率满足网络切片的UL/DL速率限制。
　　（4）如何支持網络切片配额事件通知
　　涉及上述提及的最大终端数、PDU会话数、UL/DL最大速率等配额，需研究AF如何从5GS进行事件订阅，5GS系统如何通知网络切片配额相关的属性。
　　（5）如何限制网络切片UL/DL的速率
　　GSMA 5GJA NG.116中定义了网络切片的UL/DL吞吐量，满足不同的签约服务要求。需研究如何调整UE的接入速率，以及网络切片中的所有UE数量。与（3）不同，该属性定义的是基于网络切片粒度的速率，不区分用户，而（3）中定义的是基于网络切片内UE粒度的速率。
　　（6）多个网络切片同时使用的限定
　　3GPP R15和R16的规范中没有限制UE和网络不能同时使用多个网络切片。根据GSMA 5GJA NG.116中“网络切片同时使用”属性的定义，3GPP R17将研究如何限制在UE和网络中不能同时使用多个网络切片，包括漫游和非漫游两种场景，并保证不影响R15版本和R16版本的部署。
　　（7）5GC协助接入网络切片的小区选择
　　GSMA 5GJA NG.116定义的“无线频谱”属性，定义了在哪些无线频谱下可以接入网络切片。当前UE选择5G接入网时不感知是哪个网络切片，需要研究如何支持根据网络切片标识选择5G接入网。
　　（8）业务区域，影响漫游PLMN的选择
　　GSMA定义的区域业务，定义了拜访国家的哪些PLMN支持归属地的网络切片。当前UE漫游选择PLMN时不感知是哪个网络切片，需要研究如何支持根据网络切片标识选择漫游地的PLMN。
　　2   网络切片面临的问题
　　网络切片达到商用水平，需要端到端网络切片包括的无线子切片、传输子切片、核心网子切片及切片管理功能相互间的紧密配合。当前没有统一的标准组织定义端到端网络切片的功能架构及管理架构。其中无线子切片、核心网子切片的业务功能及管理功能在3GPP SA2和SA5定义，而传输子切片的业务功能及管理在ITU-T和IETF定义。这些标准组织重点关注的是各自领域内的功能定义，不涉及领域间的互通。因此，导致在异厂商设备互通、端到端网络切片协调、端到端网络切片自动化部署等方面因缺乏标准而不能完全实现，仍需进一步进行标准定义。
　　3   结束语
　　网络切片经历了R15版本的基本架构定义和R16版本的功能增强，已经具备了可使用的基础能力，R17版本所研究问题的解决会使网络切片在更细的粒度上进行控制，以满足不同场景的使用。
　　端到端网络切片方面，中国通信标准化协会（CCSA）
　　已成立“5G网络端到端切片特设项目组”，其目标为支持5G商用部署和垂直行业应用，加快国际标准推进，总体规划5G网络端到端切片标准体系框架，梳理现有相关标准情况，组织开展共性标准研究，上述端到端网络切片问题的解决指日可待。
　　参考文献：
　　[1]    3GPP. 3GPP TSG SA1 TR 22.864： Feasibility study on new services and markets technology enablers for network operation; Stage 1[R]. 2016.
　　[2]     3GPP. 3GPP TSG SA2 TR 23.799： Study on Architecture for Next Generation System[R]. 2016.
　　[3]    3GPP. 3GPP TSG SA2 TS 23.501： System Architecture for the 5G System; Stage 2[S]. 2019.
　　[4]     3GPP. 3GPP TSG SA2 TS 23.502： Procedures for the 5G System; Stage 2[S]. 2019.
　　[5]   魏垚. 网络切片标准分析与发展现状[J]. 移动通信， 2019，43（4）： 25-30.
　　[6]    3GPP. 3GPP TSG SA2 TR 23.740： Study on Enhance-ment of Network Slicing[R]. 2018.
　　[7]    3GPP. 3GPP TSG SA2 TS 29.503： 5G System; Unified Data Management Services; Stage 3[S]. 2019.
　　[8]     GSMA. Generic Network Slice Template[Z]. 2019.
　　[9]   3GPP. 3GPP TSG SA2 TR 23.700-40： Study on Enhancement of Network Slicing; Phase 2[R]. 2020.★
　　作者简介
　　张晶（orcid.org/0000-0003-0014-1623）：工程师，硕士毕业于沈阳理工大学，现任职于中国信息通信研究院技术与标准研究所，主要研究方向为移动通信核心网标准与技术。
　　徐菲：高级工程师，硕士毕业于北京邮电大学，现任中国信息通信研究院技术与标准研究所副总工，主要研究方向为移动通信。
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