摘要：为满足千行百业的多种业务场景服务和消费者应用体验的差异化需求，5G 引入了网络切片技术。针对无线切片的3种技术：QoS调度、资源预留和载波隔离进行了深入研究，详细介绍了不同技术的实现原理。根据产业链成熟度，分3个阶段制定无线切片的部署策略。并基于3个阶段，制定共建共享网络下不同的无线部署建议，在保障用户差异化感知的基础上实现电联资源对等公平。
前 言
移动通信发展到 5G时代，将通过驱动未来的创新和经济增长，带来比以往任何一代移动通信技术更大的社会效益，促进新的数字服务和商业模式蓬勃发展[1]。5G网络面向行业用户、个人用户提供了大带宽、低时延、多连接等种类丰富的5G业务，不同的业务对带宽、时延及可靠性的要求千差万别。为满足多种业务场景服务和消费者应用体验的差异化需求，5G 引入了网络切片技术[2]。
5G网络切片是指在同一网络基础设施上，将5G SA(Stand-Alone Architecture)架构的物理网络划分为多个端到端、虚拟的、隔离的（物理隔离/逻辑隔离）、按需定制的专用逻辑网络，每个虚拟网络具备不同的功能特点[3]。网络切片为端到端的概念，运营商若要实现网络切片功能，需要对网络的每一个环节进行研究与管理。切片无线切片技术作为其中的重要一环，其实现方式、资源管理方式都是本文探讨的内容。
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切片基础知识
5G中的一种或一类业务对应一个网络切片[4]。
1.1 网络切片标识
网络切片在5G网络中由单个网络切片选择辅助信息（Single Network Slice Selection Assistance Information，S-NSSAI）标识。S-NSSAI标识特定的网络切片，在PLMN内不重复，其由切片/业务类型（Slice/Service type，SST）和切片区分符号（Slice Differentiator，SD）组成[5]。
图1 S-NSSAI标识a) SST描述了切片/业务类型，表征在特征和业务方面的预期网络切片行为，长度为8位。目前标准上定义了4个SST取值，包括增强移动宽带 (Enhance Moblie BroadBoand，eMBB)、超可靠低时延通信 (Ultra Reliable Low Latency Communication，URLLC)、海量物联网 (Massive Internet of Things，MIoT)、车联网(Vihicle to everything，V2X)。
b) SD是用于区分同一个SST的多个网络切片，长度为24位。SD前2个比特用于区分是人网还是物网，后续6个比特用于分配给集团全国性业务及省份。
1.2 切片的端到端流程
一个S-NSSAI和一个数据网络名称 (Data Network Name，DNN)确定唯一UE的一个协议数据单元 (Protocol Data Unit，PDU)会话[6]。UE激活切片时，策略控制功能 (Protocol Control Function，PCF)把UE路由选择策略通过接入和移动性管理功能 (Access and Mobility Management Function，AMF)发给UE,UE用它来关联应用 (Application，APP) ID和S-NSSAI。UE创建PDU会话时，根据URSP选择APP对应的S-NSSAI，会话管理功能 (Session Management Function，SMF)分配对应的用户面功能 (The User Plane Function，UPF)，同时gNB根据配置将S-NSSAI映射到不同的虚拟局域网 (Virtual Local Area Network，VLAN) ID。不同的VLAN ID在传输网绑定不同的分片虚拟专用网络 (Virtual Private Network，VPN)，然后VPN绑定隧道。传输网和核心网侧的互通流程也类似，从而实现切片的端到端互通。端到端切片流程如图2所示。
图2 端到端切片流程切片生命周期中，核心网进行用户开户、配置切片信息并定义切片组。传输网给不同的切片组提供独立的VLAN。无线网依据SLA配置切片组，分配各种无线资源，并映射至VLAN端口。
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无线切片技术
对于无线网络来说，不同的网络切片主要体现在网络选择、资源分配与调度和接纳控制上的差异[7]。
2.1 AMF选择
UE在注册或发起业务时，5G基站会根据UE发送的RRCSetupComplete消息内容来选择AMF[8]。
第1步：根据GUTI来选择核心网。如果RRCSetupComplete消息里包含”RegisteredAMF” IE或者”5G-S-TMSI” IE，5G基站根据上述信元提取GUTI来选择AMF；如果不包含上述信元，5G基站执行第2步。
第2步：根据切片标识来选择核心网。如果“S-NSSAI List” IE存在，5G基站用这个List去匹配每个AMF信息里保存的S-NSSAI List，选择能支持List里S-NSSAI数量最多的AMF作为候选AMF；如果“S-NSSAI List” IE不存在，或者没有任何一个AMF支持List里的任何一个S-NSSAI，5G基站执行第3步。
第3步：选择缺省AMF。如果有多个缺省AMF，根据每个缺省AMF的“Relative AMF Capacity”来计算权重，按加权平均算法选择缺省AMF。
2.2 资源分配与调度
如图3所示，5G基站包含3种类型的切片机制：服务质量 (QoS of Quality，QoS)调度、资源预留和载波隔离[9]。QoS调度是指该类切片共享无线侧公共资源，调度根据5G QoS标识 (5G QoS Identifier，5QI)的优先级进行。资源预留是在小区内针对切片预留单独的资源，用于安全要求级别较低但对业务感知保障要求高的切片。载波隔离是指基站上一个载波的软硬件资源为该切片专用，适用于安全要求级别较高或带宽要求较大的切片。
图3 无线切片3种技术2.2.1 QoS调度
基于QoS调度时，网络不为切片预留无线资源。但在资源受限时，高优先级业务能够优先调度空口的资源，在资源拥塞时，高优先级业务也可能受影响[10]。这种机制适用于通用行业、企业宽带等对隔离和保障能力要求不高的业务。基于QoS的调度包括基于5QI的调度和基于切片ID+5QI的调度。通过5QI调度时，不同的切片，如果5QI相同，就会映射到无线侧同一种类型的数据无线承载 (Data Radio Bearer，DRB)上，享有同样的调度策略。通过切片ID+5QI调度时，不同的切片，即使5QI相同，也可以映射到无线侧不同种类型的DRB上，享有不同的调度策略。
不同类型的DRB，主要通过配置不同的媒体接入控制 (Medium Access Control，MAC)层、 无线链路控制(Radio Link Control，RLC)层和分组数据协议 (Packet Data Convergence Protocol，PDCP)层参数实现差异化调度。其中，最重要的QoS调度参数是调度优先级和相对调度权重。
a) 调度优先级。
调度优先级是影响承载调度优先顺序的重要参数[11]。该值设置越小，优先级越高。最高优先级的DRB承载数据优先分配在MAC PDU中，接着是次高优先级的DRB承载数据。
网络中，一般将信令数据放置到最高优先级调度队列中，数据业务的重传数据放置到次一级的调度队列中。其他保证速率 (Guaranteed Bit Rate，GBR)业务和非保证速率(Non-GBR)业务也按照配置的5QI放置到对应的调度队列中。GBR业务的调度队列一般优先于Non-GBR业务。
b) 相对调度权重
相对调度权重针对相同调度优先级的non-GBR承载生效。该参数直接影响同调度优先级下不同Non-GBR承载间的速率比例[12]。
假设A用户使用5QI6承载，B用户使用5QI8承载，C用户使用5QI9承载，且5QI6：5QI8：5QI9的相对调度权重比例配置为X1:X2:X3，那么当A、B、C 3个用户进行相同类型的业务是，速率比例基本也为X1:X2:X3。
2.2.2 资源预留
5G网络可以将一个切片或多个切片划分成一个切片组，并基于切片组实现对无线资源（如RRC用户数、DRB数、PRB数）的管理，使得无线资源在切片之间能灵活的隔离和共享，满足无线资源的切片级保障要求。资源预留包括接纳控制和PRB预留2种方式[13]。
2.2.2.1 接纳控制
接纳控制包括基于用户数的接纳控制、基于DRB数的接纳控制和基于PRB的接纳控制。
a) 基于用户数的接纳控制：对于不同的切片组可分配不同的用户数资源，当建立某个切片用户业务时，如果当前该切片所在切片组的用户数未达到该切片组分配的用户数资源门限，则允许该用户建立该切片；否则，不允许该用户建立该切片。
b)基于DRB数的接纳控制：对于不同的切片组可分配不同的DRB数资源，当用户建立某个切片业务时，如果当前该切片所在切片组的DRB数未达到该切片组分配的DRB数资源门限，则允许该用户建立该切片；否则，不允许该用户建立该切片。
c)基于PRB的接纳控制：对于不同的切片组可分配不同的PRB资源，当建立某个切片时，如果当前该切片所在切片组的PRB资源未达到该切片分配的PRB资源门限，则允许该用户建立该切片；否则，不允许建立该切片。
2.2.2.2 RB预留
5G基站可以为不同的切片组分配不同的PRB资源份额，基站调度器根据分配的份额进行资源的调度，保证一个切片组的资源紧缺不会影响另外一个切片组的业务质量，从而达到一定的资源隔离度，隔离效果折衷，成本也适中。网络可通过最大RB资源比例、专用RB资源比例、最小RB资源比例对切片组占用资源进行预留[14]。基于切片组的RB预留如图4所示。
图4 基于切片组的RB预留a)最大RB资源比例：网络为切片组分配的最大无线资源比例。即使切片组所需资源大于最大RB资源比例，也不再为切片组分配额外资源。
b)专用RB资源比例：网络为切片组分配的最小资源比例。该参数配置比例范围内的RB资源仅供切片组内用户使用。即使切片组所需资源小于专用RB资源，网络也为切片组保留专用RB资源，其他切片组用户不能占用。
c)最小RB资源比例：专用RB资源比例与最小RB资源比例之间的资源为切片组优先资源。切片组内用户对优先资源有优先使用权。如果该范围内有未被该切片组用户使用的RB资源，则可继续供非该切片组内的用户使用。如果切片组所需资源大于该比例，网络仍能为切片组分配资源，但不再优先调度。
2.2.3 载波隔离
载波隔离指不同种类用户/业务使用不同的载波小区[15]。载波间隔离的技术方案包含基于公用陆地移动网 (Public Lands Mobile Network，PLMN )的载波隔离、基于跟踪区域码 (Tracking Area Code，TAC)+切片的载波隔离、基于TAC+国际移动用户识别码 ( International Mobile Subscriber Identity，IMSI)的载波隔离、基于封闭式接入组 ( Closed Access Group，CAG)的非公共网络 (Non-Public Network，NPN)的载波隔离和基于通用接入控制 (Unified access control，UAC)的载波隔离。载波间隔离技术需要核心网和无线侧协同配置，实现对不同种类用户/业务的使用资源隔离。
a)基于PLMN的载波隔离。用户在核心网签约各自的PLMN，基站通过系统消息广播各载波支持的PLMN，用户只能接入签约的PLMN，并配合公共频率优先级实现用户基于PLMN的载波隔离。
b)基于TAC+切片的载波隔离。大网用户和专网用户使用不同的载波，且不同载波对应的小区划分成不同的TAC。核心网以TAC为粒度配置支持的切片列表，当大网用户进入专网载波对应的TAC时，核心网拒绝其接入；当专网用户进入专网载波对应的TAC时，核心网允许其接入。同时，5G基站针对不同类型用户配置移动性策略，引导大网用户优先接入大网载波，专网用户优先接入专网载波。
c) 基于TAC+IMSI的载波隔离。大网用户和专网用户使用不同的载波，且不同载波对应的小区划分成不同的TAC。核心网以TAC为粒度配置黑白名单IMSI列表，当大网用户进入专网载波对应的TAC，核心网拒绝其接入；当专网用户进入专网载波对应的TAC，核心网允许其接入。同时，5G基站针对不同类型用户配置移动性策略，引导大网用户优先接入大网载波，专网用户优先接入专网载波。
d) 基于NPN的载波隔离。基于NPN的载波隔离主要指基于公共网络接口 (Public Network Interface，PNI)-NPN的载波隔离，是PLMN和CAG ID配合使用的载波隔离方案。PNI-NPN由一个公共网络和一个或多个非公共网络子网组成，PLMN和CAG ID均在系统广播消息中下发，广播消息同时下发cellReservedForOtherUse配置，对于能够识别CAG的终端，根据其自身支持的PLMN+CAG ID选择合适的小区接入，对于不能识别CAG的老终端，需核查cellReservedForOtherUse配置，若配置为true,则终端可以接入小区，否则终端不能接入小区。同时，当连接态切换时，终端只能向相同PLMN+CAG ID的小区切换成功。
e) 基于UAC的载波隔离。该方案仅用于接入控制，无法进行移动性控制。uac-BarringFactor参数用于配置UAC功能中的禁止接入概率因子，如果UE生成的随机数小于该参数，则允许接入，否则禁止接入。该参数由配置PLMN下的Access Identities和Access Categories共同决定，控制空闲态终端接入小区。无线侧可将每个PLMN下的uac-BarringFactor参数通过SIB1在小区广播。
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无线切片部署策略
从整个产业链发展的角度来看，QoS调度的支持度是最成熟最完善的，终端、无线网、核心网均支持。资源预留是在R15中引入，但在R16中正式完成方案确定，终端虽支持资源预留，但对于切片并发的支持度较低；无线网只有部分厂家已经支持，但有部分厂家在2021年底才会支持；核心网已支持资源预留。载波隔离的目标方案是PIN-NPN，对于终端，该方案是R16的可选功能，现网支持度较低；无线网厂家对于该方案的支持计划为2022年；核心网也暂不支持PIN-NPN方案。
基于产业链成熟度，无线切片部署可分为如下几个阶段：
第1阶段：无线针对不同切片只基于QoS调度实现切片的差异化感知保障。此时网络可面向5G普通或VIP公众用户、5G普通行业用户提供无资源独占需求的普通或增值服务。
第2阶段：无线针对不同切片可基于资源预留和QoS调度实现切片的差异化感知保障。此时除第一阶段的业务外，网络还可面向5G VIP行业用户提供部分资源可独占的增值服务。
第3阶段：无线针对不同切片可基于载波隔离、资源预留和QoS调度实现切片的差异化感知保障。此时除第一阶段和第二阶段的业务外，网络还可面向5G行业特需用户，提供全部资源独占的增值服务。
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共建共享网络下的无线部署方案
中国电信、中国联通5G采用共建共享方式部署，在保障不同用户/业务差异化感知的基础上，还需考虑双方无线资源使用的公平性。下面分3个阶段分别介绍无线网络方案。
4.1 第1阶段网络方案
第一阶段无线网络只基于5QI进行差异化资源分配与调度，此时中国电信、中国联通双方一方面需要无线统一不同5QI下QoS参数的配置规范，另一方面还要业务部门就增值用户/业务比例达成一致。
a）Non-GBR承载网络方案。对于5QI6、8、9等Non-GBR承载，无线侧采用相对调度比例方式进行调度，推荐配置比例为4∶3∶2。由于5QI6、5QI8承载的相对调度比例高于5QI9，在资源占用上有一定优势。若5QI6和5QI8用户比例过高，会影响现网5QI9用户感知，严重时导致用户投诉；若双方5QI6、5QI8用户比例差距较大，会影响双方无线资源对等公平。建议中国电信、中国联通双方业务部门就5QI6、5QI8承载对应的用户/业务类型以及该类型下用户/业务最高比例达成一致。
b）GBR承载网络方案。对于5QI3、4、71、83等GBR专载，无线侧在调度时会优先调度，保证专载的保证流量比特率 (Guaranteed Flow Bit Rate，GFBR)速率。对于GFBR到最大流量比特率 (Maximum Flow Bit Rate，MFBR)部分，当前厂家也都采用比默认承载优先保障的方式。无线侧当前没有有效手段控制一个小区某些GBR专载占用的资源情况，所以当一个小区内专载业务聚集，会影响小区内的大网用户感知，严重时可能导致用户投诉。若中国电信、中国联通双方对于同一承载的GFBR/MFBR设置不统一，会导致中国电信、中国联通用户在做同一种承载业务时的感知不一致。建议中国电信、中国联通双方业务部分慎重发展此类业务，并慎重设置此类业务的GFBR和MFBR，并对同一种承载配置的GFBR/MFBR达成一致，同时对该类业务发展的用户数限制达成一致。
4.2 第2阶段网络方案
第2阶段引入了资源预留技术，需要中国电信、中国联通双方考虑资源预留的公平性。
4.2.1 基于PLMN的特有业务组资源管理算法
当前资源管理都是基于切片组开展，即使小区有多个切片组，也是每个切片组分开进行资源管理。对于共建共享小区，如果只有基于切片组的资源管理而没有基于PLMN的资源管理，若想达到共享双方运营商资源使用的公平性，则任一方开通新切片组业务时，双方都要进行资源协商，极大地增加了业务开通的复杂性；若共享双方开通业务之前不进行资源协商，一方面无法保障共享双方运营商资源对等，另一方面只有该运营商承建区域可开通此资源，该运营商共享区域可能无法开通此资源。
本论文提出一种基于PLMN的特有业务组资源管理方法，即首先将小区业务分成3类，一类为非切片组业务，一类为中国电信特有业务组，一类为中国联通特有业务组。其中，双方运营商非切片组业务采用资源完全共享方式进行。运营商特有业务组可以包含该运营商下的多个切片组，同时，可以通过针对不同特有业务组设置总专用资源比例Dedicated_Resourcetotal、总最小资源比例Min_Resourcetotal和总最大资源比例Max_Resourcetotal，以及准入相关参数（比如PRB_Acesstotal、RRC_Acesstotal、DRB_Acesstotal）进行某一运营商特有业务组的资源管理。以上参数需满足如下要求：
Dedicated_Resourcetotal≥∑iDedicated_Resourcei （1）
Min_Resourcetotal≥∑iMin_Resourcei （2）
Max_Resourcetotal≥Max_Resourcei （3）
Max_Resourcetotal≥Min_Resourcetotal≥Dedicated_Resourcetotal （4）
PRB_Acesstotal≥∑iPRB_Acessi （5）
RRC_Acesstotal≥∑iRRC_Acessi （6）
DRB_Acesstotal≥∑iDRB_Acessi （7）
其中，Dedicated_Resourcei代表某运营商特有业务组下第i个切片组配置的专用资源比例，Min_Resourcei代表某运营商特有业务组下第i个切片组配置的最小资源比例，Max_Resourcei代表某运营商特有业务组下第i个切片组配置的最大资源比例，PRB_Acessi代表某运营商特有业务组下第i个切片组配置的PRB准入，RRC_Acessi代表某运营商特有业务组下第i个切片组配置的RRC准入，DRB_Acessi代表某运营商特有业务组下第i个切片组配置的DRB准入。
4.2.2 网络方案
由于基于PLMN的特有业务组资源管理算法厂家支持度不高，因此第2阶段根据厂家是否支持分两小阶段制定网络方案。
当厂家不支持基于PLMN进行切片组的资源限制时：
a) 对于Non-GBR承载，同第1阶段Non-GBR承载网络方案。
b)对于由5QI3、4、71、83等GBR专载承载的中国联通业务，以及对于资源有专用、优先需求的中国联通业务，均统一放置在中国联通切片组下；对于由5QI3、4、71、83等GBR专载承载的中国电信业务，以及对于资源有专用、优先需求的中国电信业务，均统一放置在中国电信切片组下。此时网络只有2个切片组，一个是中国联通切片组，一个是中国电信切片组。中国电信、中国联同双方需针对各自切片组的专用、最小、最大资源比例、PRB准入、RRC准入和DRB准入进行统一的协商。
当厂家支持基于PLMN进行切片组的资源限制时：
a)对于Non-GBR承载，同第1阶段Non-GBR承载网络方案。
b)对于由5QI3、4、71、83等GBR专载承载的中国联通业务，以及对于资源有专用、优先需求的中国联通业务，均统一放置在中国联通的一个切片组下或放置在中国联通不同的切片组下；对于由5QI3、4、71、83等GBR专载承载的中国电信业务，以及对于资源有专用、优先需求的中国电信业务，均统一放置在中国电信的一个切片组下或放置在中国电信不同的切片组下。此时网络可以有多个中国联通的切片组和多个中国电信的切片组。基于中国联通所有切片组占用的资源，可以配置专用、最小、最大资源比例、PRB准入、RRC准入和DRB准入，这些比例与之前采用一个中国联通切片组进行资源限制的比例一一对应；基于中国电信所有切片组占用的资源，可以配置专用、最小、最大资源比例、PRB准入、RRC准入和DRB准入，这些比例与之前采用一个中国电信切片组进行资源限制的比例一一对应。
4.3 第3阶段网络方案
各载波隔离技术方案优缺点对比如表1所示。
表1 各载波隔离技术方案优缺点对比
考虑产业链成熟度，当前面向5G行业特需用户提供全部资源独占的增值服务时，建议采用基于TAC+切片或基于TAC+IMSI的方案。当终端、无线网、核心网均支持PIN-NPN技术后，建议采用PIN-NPN方案提供载波隔离服务。
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结束语
本文针对无线切片的3种技术：QoS调度、资源预留和载波隔离进行了深入研究，详细介绍了不同技术的实现原理。根据产业链成熟度，分3个阶段制定无线切片的部署策略。并基于3个阶段，制定共建共享网络下不同的无线部署方案，在保障用户差异化感知的基础上实现电联资源对等公平。
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李一 北京邮电大学 硕士 现工作于中国联通研究院 网络智能与运营中心
龙青良 西安交通大学 硕士 现工作于中国联合网络通信集团有限公司 5G共建共享工作组
郑雨婷 马里兰大学帕克分校 硕士 现工作于中国联通研究院 网络智能与运营中心
朱小萌 北京科技大学 硕士 现工作于中国联通研究院 网络智能与运营中心
程新洲 北京邮电大学 硕士 现工作于中国联通研究院 网络智能与运营中心
