无线切片能力验证及应用探讨.pdf

2024/01/DTPT收稿日期：2023-12-201 概述5G时代业务丰富多彩，eMBB、uRLLC、mMTC三大应用场景对网络的需求各不相同，5G网络需要同时满足差异化、多元化的业务需求。切片能够将网络资源灵活分配，将网络能力灵活组合，可以基于5G网络虚拟出多个具备不同特征的逻辑子网，提供面向不同场景的按需定制网络服务，网络切片是5G满足业务差异化需求的保证。网络切片具有端到端的属性，一个切片业务会从无线侧到核心网实现端到端的资源隔离，在无线侧、传输侧、核心网侧都有相应的实现方式。本文主要关注无线侧切片的实现，首先介绍无线侧切片的几种实现机制，然后通过现网的切片试验验证切片的网络能力，最后在能力验证的基础上给出切片的应用建议。2 无线侧切片的实现机制2.1 基于QoS的切片实现5G QoS通过定义 QoS策略进行差异化的网络质量保障，通过分级的方式满足不同用户或业务的需无线切片能力验证及应用探讨Wireless Slicing Capability Verification and Application Discussion关键词：切片；差异化；资源预留；QoSdoi：10.12045/j.issn.1007-3043.2024.01.003文章编号：1007-3043（2024）01-0010-05中图分类号：TN929.5文献标识码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：摘要：切片能够将网络资源灵活分配，将网络能力灵活组合。介绍了切片在无线侧的3种实现机制：基于QoS、基于RB资源预留、基于载波隔离。对切片和切片组的网络性能进行了验证。结果显示，切片功能可以实现差异化的服务质量和业务体验，在网络资源分配和资源保障方面具有独特的优势，在5G网络运营中将会有广泛的应用。Abstract：Network slicing can flexibly allocate network resources and flexibly combine network capabilities.It introduceds three imple-mentation mechanisms of slicing on the wireless side：QoS based，RB based resource reservation，and carrier isolation.Slicinghas three implementation mechanisms on the wireless side：QoS based，RB resource reservation and carrier isolation.Thenetwork performance of slicing and slicing groups is verified，and the results shows that the slicing function can achieve differ-entiated service quality and business experience，and has unique advantages in network resource allocation and resourceguarantee.It will be widely applied in 5G network operation.Keywords：Slicing；Differentiation；Resource reservation；QoS张斌1，王哲2，龙青良3，陈任翔1（1.中讯邮电咨询设计院有限公司郑州分公司，河南 郑州 450007；2.中国铁塔广东分公司，广东 广州 510000；3.中国联合网络通信集团有限公司，北京 100033）Zhang Bin1，Wang Zhe2，Long Qingliang3，Chen Renxiang1（1.China Information Technology Designing&Consulting Institute Co.，Ltd.Zhengzhou Branch，Zhengzhou 450007，China；2.China Tower Co.，Ltd.Guangdong Branch，Guangzhou 510000；3.China United NetworkCommunications Group Co.，Ltd.，Beijing 100033，China）张斌，王哲，龙青良，陈任翔无线切片能力验证及应用探讨关键技术Key Technologies引用格式：张斌，王哲，龙青良，等.无线切片能力验证及应用探讨 J.邮电设计技术，2024（1）：10-14.10邮电设计技术/2024/01求，可以认为5G QoS是在一张网络内基于用户或业务的逻辑“切片”技术，因为没有物理资源的隔离，基于QoS的切片实现也被业界称为“软切片”。基于QoS的切片实现有2种方式，即基于5QI的切片实现方式和基于切片ID+5QI的切片实现方式。基于5QI的切片实现方式即所有用户共享空口的RB资源，依据用户的QoS配置进行差异化调度，相同的5QI调度优先级一致，分配的网络资源一致，网络的服务质量也一致，如图1所示。与之相对的是基于切片ID+5QI的切片实现方式，网络依据切片ID+5QI进行差异化调度，可能出现相同的5QI对应的QoS配置不同，调度优先级不同，网络服务质量也不同的情况。2.2 基于RB资源预留的切片实现基于 RB 资源预留的切片实现属于硬切片的范畴，真正实现了资源的隔离，RB资源预留都是针对切片组的，因此首先需要根据切片ID设定切片组，如设定2B切片组=2B切片ID1+2B切片ID2，基于RB资源预留的切片实现如图2所示。切片组划分完成后，基站可针对切片组进行资源分配，分配的资源包括切片专用资源、优先资源和最大资源。专用资源即该切片组专享资源，非本切片组用户不能使用；优先资源为本切片组用户优先使用的资源，当本切片组用户不使用时其他用户可以使用；最大资源是针对该切片组的一个资源限制，即该切片组最多使用的资源不能超过此门限。2.3 基于载波隔离的切片实现基于载波隔离的切片实现是要求不同切片（主要是2C切片和2B切片）承载在不同的频段上，可以实现空口资源的彻底隔离，如图3所示。载波隔离的关键是接入控制，目前的接入控制主要有基于PLMN、基于NPN等方案。基于PLMN的载波隔离主要实现方式是不同的载波广播不同PLMN，UE依据自己的签约PLMN信息选择相应的驻留载波。但由于PLMN资源有限且申请困难，很难大规模应用。为此，3GPP在R16中提出了NPN的解决方案，根据与运营商网络的关联程度，分为独立NPN（SNPN）和非独立NPN（PNI-NPN）2种模式。SNPN模式下，网络图1基于5QI的切片实现图2基于RB资源预留的切片实现RB资源5QI排序2B用户 切片信息（2B切片）5QI信息（高优先级）2C用户 切片信息（eMBB切片）5QI信息（默认承载）共享 2B切片组=2B切片1+2B切片2GBR切片组优先资源eMBBeMBB2B切片12B 切片22B 切片组非切片组用户非切片组QoS统一QoS非切片组QoS切片组QoS切片组QoS非切片组资源GBR切片组最大使用资源GBR切片组专用资源专用资源门限优先资源门限最大资源门限张斌，王哲，龙青良，陈任翔无线切片能力验证及应用探讨关键技术Key Technologies112024/01/DTPT通过 PLMN+NID 来标识，可以不依赖于运营商建网，PLMN取值可为999，配置为SNPN access mode的用户只能通过SNPN接入网络。PNI-NPN模式，通过PLMN网络来提供NPN服务，通过PLMN ID和CAG ID来确定一个 CAG，启用了 CAG 的小区只允许签约 CAG 用户接入，CAG用户可以选择接入或不接入公网。3 无线切片能力验证3.1 切片的网络性能验证切片的网络性能验证主要测试基于5QI和切片ID+5QI 2种实现方式，切片的性能保障能力。3.1.1 测试的预置条件本测试需4部测试终端，分别签约切片ID1、ID2、ID3、ID4，其中切片ID1、ID2使用5QI9作为默认承载，切片 ID3、UE4 使用 5QI4 作为承载；5QI4 对应的下行GFBR=400 Mbit/s，MFBR=600 Mbit/s。基站及核心网均支持测试用例中所涉及的切片功能。3.1.2 测试步骤本测试的测试步骤如下。a）将UE1、UE2、UE3和UE4放置在测试小区的好点，开启飞行模式。b）UE1、UE2 解锁飞行模式，发起满 buffer 下行FTP业务。待速率稳定后，连续测试3 min，记录UE1和UE2的下行平均速率等指标。c）保持UE1和UE2下载业务。解锁UE3飞行模式，发起大包灌包的下行 UDP 业务（灌包速率为 600Mbit/s）。待 UE3 速率稳定后，连续测试 3 min，记录UE1、UE2和UE3的下行平均速率等指标。d）保持UE1、UE2和UE3的下载业务。解锁UE4飞行模式，发起大包灌包的下行UDP业务（灌包速率为600 Mbit/s）。待UE4速率稳定后，连续测试3 min，记录UE1、UE2、UE3和UE4的下行平均速率等指标。e）基站维持切片ID1的5QI9的相对调度权重X，设定切片ID2的5QI9的相对调度权重是2X；基站维持切片ID3的5QI4的绝对调度优先级Y，设定切片ID4的5QI4的绝对调度优先级为Z，且需满足YZ。重复步骤a）d）。3.1.3 测试结果测试结果如表1所示。从表1可知，基于5QI的切片实现方式下，相同5QI对应的服务质量和业务体验基本一致；基于切片ID+5QI的切片实现方式下，相同5QI对应的服务质量和业务体验会随调度权重和调度优先级不同而不同。3.2 切片组的网络性能验证3.2.1 测试的预置条件本测试需要6部终端，签约信息如表2所示，5QI4对应的下行 GFBR=400 Mbit/s，MFBR=600 Mbit/s。基站及核心网均支持测试用例中所涉及的切片功能。基站配置切片组1，切片组1包括2C切片ID1和切片ID2。切片组1的下行专用资源比例是20%，下行优先资源比例是40%，下行最大资源比例是60%。3.2.2 测试步骤本测试的测试步骤如下。a）将UE1、UE2、UE3、UE4、UE5和UE6放置在测试小区好点，开启飞行模式。表1基于5QI/切片+5QI的调度测试结果图3基于载波隔离的切片实现表2切片组测试终端签约信息策略基于5QI切片+5QI步骤步骤b）步骤c）步骤d）步骤b）步骤c）步骤d）下行平均速率/（Mbit/s）UE1330.634.90.0221.635.90.1UE2366.337.80.0461.171.50.0UE3-604.8395.1-607.5369.7UE4-400.9-413.2终端UE1UE2UE3UE4UE5UE6切片默认切片默认切片默认切片ID1ID1ID2QoS5QI95QI95QI45QI95QI95QI4切片组-切片组1切片组1切片组12C用户2B用户2C用户F1F0F22B用户张斌，王哲，龙青良，陈任翔无线切片能力验证及应用探讨关键技术Key Technologies12邮电设计技术/2024/01b）UE1解锁飞行模式，发起满 buffer下行 FTP业务。待UE1速率稳定后，记录UE1下行平均速率、下行平均占用PRB个数等指标。c）保持UE1下载业务，解锁UE4飞行模式，发起满 buffer下行 FTP业务。待 UE4速率稳定后，连续测试3 min，记录UE1和UE4的下行平均速率、下行平均占用PRB个数等指标。d）保持UE1和UE4下载业务。解锁UE5飞行模式，发起满buffer下行FTP业务，待UE5速率稳定后，连续测试3 min，记录UE1、UE4、UE5的下行平均速率、下行平均占用PRB个数等指标。e）保持UE1、UE4和UE5下载业务。解锁UE2飞行模式，发起满buffer下行FTP业务，待UE2速率稳定后，连续测试3 min，记录UE1、UE2、UE4、UE5的下行平均速率、下行平均占用PRB个数等指标。f）保持UE1、UE4、UE5和UE2的下载业务。解锁UE3飞行模式，发起满buffer下行FTP业务，待UE3速率稳定后，连续测试3 min，记录UE1、UE2、UE3、UE4、UE5 的下行平均速率、下行平均占用 PRB 个数等指标。g）保持 UE1、UE2、UE3、UE4 和 UE5 下载业务。解锁 UE6飞行模式，发起满 buffer下行 FTP业务。待UE4 速率稳定后，连续测试 3 min，记录 UE1、UE2、UE3、UE4、UE5和 UE6的下行平均速率、下行平均占用PRB个数等指标。3.2.3 测试结果测试结果如表 3所示。由步骤 b）的测试结果可知，切片组的专用资源是刚性保障的，无论切片组用户是否使用，其他用户都不能占用，在切片组用户无业务时，非切片组用户可以使用优先资源；由步骤c）g）的测试结果可知，在切片组用户有业务时，优先资源全部由切片组用户使用，非切片组用户和切片组用户根据调度优先级分享其他资源，但是切片组用户使用资源不能超过最大资源门限，如图4所示。4 切片业务应用探讨根据前面章节的分析可知，切片可以为不同用户提供差异化的业务保障，同时为运营商进行切片运营提供了可能，运营商的商业模式也将从原来向消费者“卖流量”扩展为向各行各业“卖网络能力”和“卖服务”，从而可实现网络价值最大化。本文从 2C、2B、2B2C等3种业务模式对切片应用进行简单的探讨。4.1 2C应用重点人群业务保障对于地铁、演唱会等特殊场景，业务量大，基站利用率高，容易出现网络拥塞，需要对现场工作人员、秩序维护人员进行特殊通信保障。可以采用RB资源预留的方式对覆盖区的基站基于切片组进行资源预留，现场工作人员的终端签约切片，成为切片组用户，当网络业务超忙时，普通用户可能出现业务质量下降，切片组用户可以利用切片组的专用资源和优先资源实现正常通信。4.2 2B应用车联网/自动驾驶业务保障对于车联网、自动驾驶等业务，需要网络具备高可靠、低时延的能力，5G网络除了要uRLLC升级外，还需使用切片功能对该类业务做重点保障。首先对行车路线上的基站进行切片组配置，车联网终端签约2B切片，成为切片组用户，车联网业务可以专享切片组的专用资源并优先享用切片组的优先资源。当然，切片业务是一个端到端的流程，在实际应用中还需要配合传输切片、核心网切片共同完成。4.3 2B2C应用游戏加速应用对于“氪金”游戏玩家，追求极致的游戏体验，但是游戏运营平台只能提供游戏内容服务，无法提供网络质量保障，因此需要向运营商订购游戏专属切片。图4切片组用户及非切片组用户PRB资源占比表3切片组的调度测试结果步骤步骤b）步骤c）步骤d）步骤e）步骤f）步骤g）下行PRB利用率/%UE177.322.421.113.50.10.2UE4-59.430.331.519.90.3UE5-29.628.320.00.4UE2-13.70.10.2UE3-53.635.6UE6-59.1切片组-59.459.959.839.959.8非切片组77.322.421.127.253.836.0120百分比/%100806040200b）切片组非切片组c）d）e）f）g）测试步骤张斌，王哲，龙青良，陈任翔无线切片能力验证及应用探讨关键技术Key Technologies132024/01/DTPT运营商需要为该款游戏分配切片ID，并按切片+5QI的方式提供切片服务，保障定购加速包的游戏玩家的网络体验。具体的业务流程如图5所示，首先游戏厂商向运营商订购游戏加速切片，运营商为该款游戏分配切片ID，并配置相应的服务等级；其次游戏玩家向游戏厂商订购游戏加速业务，游戏厂商向运营商提出增加切片成员，运营商通过URSP协议告知玩家该款游戏关联的切片ID；此后游戏玩家再启动游戏即可享受切片ID+5QI方式的业务保障。图52B2C模式切片业务流程5 结束语切片是5G最具特色的功能，通过切片技术运营商可快速、灵活地部署满足行业需求的逻辑专网，满足不同业务差异化的网络需求。由切片能力验证可知，切片在网络资源分配，资源保障方面具有独特的优势，未来在5G网络运营方面将有广泛的应用。当然，切片作为一个全新的技术与业务模式，在业务质量保障、商业模式探索、产业链引导等方面仍然有大量的工作要做，需要端、网、业全产业链的共同努力。参考文献：1 刘亨.5G网络端到端切片技术应用研究 J.物联网技术，2021，11（8）：35-36.2 马腾滕.虚拟无线接入网资源分配技术研究 D.北京：北京邮电大学，2021.3 李一，田元兵，龙青良，等.5G共建共享网络下的无线切片技术研究 J.邮电设计技术，2021（11）：16-22.4 平军磊，刘扬，罗君，等.5G SA 2B网络部署方案及切片应用策略研究 J.邮电设计技术，2020（9）：1-6.5 伍嘉，王志会，刘凡栋，等.5G端到端切片技术实现探讨 J.邮电设计技术，2020（9）：12-17.6 魏延南.基于网络切片的在线无线资源管理技术研究 D.重庆：重庆邮电大学，2020.7 刘珊，韩潇，黄蓉.面向5G的无线侧网络切片发展与研究 J.邮电设计技术，2020（1）：45-49.83GPP.NR；Radio Resource Control（RRC）；Protocol specification：3GPP TS 38.331 S/OL.2023-02-16.ftp：/ftp.3gpp.org/Specs/.9 丁焓.面向5G网络切片的无线资源调度算法研究 D.西安：西安电子科技大学，2018.10 杨磊，闫宁.5G 移动网络切片技术实现方案 J.中国新通信，2019，21（9）：15-17.11杨立，李大鹏.网络切片在5G无线接入侧的动态实现和发展趋势J.中兴通讯技术，2019，25（6）：11.12董秋丽，李静，韩潇，等.5G无线网络切片增强技术标准化进展研究 J.电子技术应用，2020，46（9）：5.13杨燕玲，李华.基于垂直行业应用需求的5G无线网络切片设计方案研究 J.广东通信技术，2019，39（7）：4.作者简介：张斌，高级工程师，主要从事无线新技术研究、无线网络规划设计工作；王哲，工程师，主要从事网络运营管理、移动网络规划建设、网络优化提质等工作；龙青良，高级工程师，主要从事无线新技术研究、网络评估与优化技术研究及5G共建共享工作；陈任翔，高级工程师，主要从事无线通信网络规划、无线新技术研究等工作。终端用户IMSI-1游戏厂商应用DefaultAPP ID切片标识默认切片ID切片ID1应用Default切片标识S-NSSAI-O订购MBB套餐IMSI-1Default：默认切片ID更新用户签约信息发送URSP运营商APP ID，切片ID1URSPIMSI-1APP ID：切片ID1Default：默认切片IDURSP订购游戏加速切片增加切片成员开发游戏APP租户切片实例化分配切片标识更新用户签约信息发送URSP订购游戏加速安装游戏APP张斌，王哲，龙青良，陈任翔无线切片能力验证及应用探讨关键技术Key Technologies14