5G核心网技术基础自学系列 | 网络切片选择的框架

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书籍来源：《5G核心网 赋能数字化时代》

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11.3.1 引言

为灵活选择网络切片， 3GPP开发了一个框架。本节介绍了网络切片选择的机制以及使用的标识符。

11.3.2 标识符

如第3章所述，网络切片或网络切片实例由一个叫“单一网络切片选择辅助信息”(S-NSSAI) 的参数来标识。S-NSSAI的格式如图11.4所示。

S-NSSAI的SST部分是强制性的， 指示网络切片的特征类型。SST值范围包括标准化部分(有关最新标准化值， 请参见图11.4和3GPP TS 23.501的表5.15.2.2-1) ， 以及运营商定义的部分(即非标准化值范围)。SD部分是可选的，可区分不同用户(例如不同企业用户)的不同网络切片，或区分不同的网络切片实例。

国11.4 单一网格切片选择辅助信息(S-NSSAI) 的格式

S-NSSAI是在移动网络所用的PLMN的范围内定义的， 但如果S-NSSAI只包括标准的SST部分， 那么任何移动网络都可以识别这样的S-NSSAI。

在UE访问网络切片之前，UE需要通过注册流程在移动网络上对网络切片的信息进行注册。针对同一个UE，为支持多个网络切片，UE要能够同时向网络发送一个或多个S-NSSAI， 网络也要能够同时向UE发送一个或多个S-NSSAI。因此， 一个NSSAI要能够包括一个或多个S-NSSAI。S-NSSAI和网络切片的相关信息可用于5G系统中的不同信元中，表11.1总结了这些信元的用途。

需要注意的是， 当表中提到服务的PLMN时， 可以是归属网络HPLMN(即非漫游地)或访问网络VPLMN。

表11.1 网络切片选择框架中使用的网络切片信息的概述

11.3.3 网络切片的可用性

网络切片可以在整个PLMN中可用， 或在PLMN的一个或多个跟踪区域内可用， 这里的网络切片可用是指所涉及的网络功能(NF) 都能支持S-NSSAI。适用于所有UE的网络切片可用信息在配置阶段完成配置，若有更改，则要更新配置，这些配置针对每个UE独立进行。

当一个特定的UE注册时，应用到UE的策略可以根据每个UE的情况来定，例如由UE的HPLMN来决定， 这种基于PLMN的策略可以在AMF或NSSF中配置。

单独从UE来看，网络切片在哪里可用可以由O&Ｍ(操作和维护)进行配置，也可以由互连的节点通过信令相互传递，如图11.5所示。

图11.5 配置阶段网络切片可用信息的信令

在NSSF上由O&M配置网络切片在哪里可用，在5G-AN上由O&M配置在每个TA内网络切片的可用性，这些网络切片的可用信息通过N22、N2和Xn传递给相连的节点，如图11.5所示。

  • 在N2接口(参见3GPP TS 38.413)， 当5G-AN节点通过N2建立(N2 Setup) 消息建立N2连接时， 或者通过RAN配置更新(RAN Configuration Update) 消息或AMF配置更新(AMF Configuration Update)消息更新N2连接时；

    • AMF得知5G-AN在每个TA内支持的S-NSSAI。
    • 5G-AN得知AMF在每个PLMN ID支持的S-NSSAI。
  • 每个AMF集合中的一个或所有AMF给NSSF提供并更新每个TA支持的S-NSSAI。
  • NSSF在网络建立或更新时向AMF提供每个TA内被限制的S-NSSAI。有关NSSF服务， 请参见3GPP TS 23.502。
  • 在Xn连接建立和NG-RAN节点更新配置时， 5G-AN节点间相互交换每个TA支持的S-NSSAI。有关Xn流程， 请参见3GPP TS 38.423。

11.3.4 网络切片的选择

UE的网络切片的相关信息可以通过URSP规则(参见第10章) 来配置， 也可以本地配置。UE根据这些配置的信息发出请求，网络基于UE的请求选择一个或多个网络切片。网络根据签约信息、网络策略、服务级别协议、网络切片可用性以及UE请求的NSSAI来决定要使用的一个或多个网络切片。

UE选择的S-NSSAI包括在请求NSSAI中， 方法如下：

  • UE决定要启用的应用，如何启用、何时启用由UE的实现决定。

  • 如果URSP规则可用， 那么UE使用URSP规则选择包括在请求NSSAI中的S-NSSAI。UE按优先顺序将其想要启用的应用与URSP规则进行匹配， 可能从路由选择组件中获取包含S-NSSAI(例如S-NSSAI-a) 的匹配规则， 见图11.6。

    •   图11.6 为请求NSSAI选择S-NSSAI
  • 匹配的URSP规则的路由选择组件中的S-NSSAI对应UE签约S-NSSAI中的HPLMN S-NSSAI值， 并且对应5GC提供给UE的网络切片信息(比如允许NSSAI)中的HPLMN值。每个拒绝的S-NSSAI、允许NSSAI或配置NSSAI， 如果是映射过过来的S-NSSAI， 那么映射过来的S-NSSAI包括HPLMN的S-NSSAI。如果不是映射过来的S-NSSAI，则提供服务PLMN的S-NSSAI值与HPLMN的S-NSSAI值相同。
  • UE首先通过检查URSP规则中的S-NSSAI是否与任何从拒绝的S-NSSAI、允许NSSAI和配置NSSAI映射过来的S-NSSAI相匹配， 来获取能包括在请求NSSAI中用于服务PLMN的S-NSSAI。如果找到了匹配， 则UE使用图11.6右边一列中与服务PLMN值相对应的S-NSSAI值。
  • 如果S-NSSAI与拒绝的S-NSSAI中的S-NSSAI相匹配， 并且是被当前注册区拒绝的， 那么UE不允许在该注册区使用拒绝的S-NSSAI， 如果是被PLMN拒绝的， 那么UE不允许在该PLMN使用拒绝的S-NSSAI。在这种情况下，UE尝试为该应用找到另一个匹配的URSP规则。
  • 如果URSP规则中的SSSAI和HPLMN的允许NSSAI或配置NSSAI中的任何值匹配， UE将这些匹配的S-NSSAI值作为生成服务PLMN的请求NSSAI的输入。
  • 如果UE没有找到这样的匹配， 并且UE有默认配置NSSAI， 则UE使用默认配置NSSAI中的S-NSSAI作为生成请求NSSAI的输入。
  • 最后， 如果没有默认配置NSSAI可用， 则UE在为该应用发起PDU会话时， 请求NSSAI中不包括任何S-NSSAI， 但是UE从EPS移动到5GS时是个例外， 请参见11.3.5节。
  • UE将其想要启用的所有应用与URSP规则进行匹配， 如果除了具有“全匹配”业务描述符的URSP规则外， 没有找到和应用匹配的URSP规则：如果有可用的本地配置， 那么UE可以使用本地配置来确定S-NSSAI； 如果没有可用的本地配置， 如果有“全匹配”URSP规则， 那么UE使用该规则。
  • 如果没有信息可用来确定请求NSSAI中的S-NSSAI， 那么UE不包括请求NSSAI。当UE找到了和所有应用匹配的URSP规则， 并获取了服务PLMN的S-NSSAI作为生成请求NSSAI的输入时， UE还要检查是否要包括PLMN的“NSSAI包含模式”： 如果UE没有为当前PLMN和接入类型存储NSSAI包含模式， 那么对当前PLMN下的3GPP接入，UE将以NSSAI包含模式D运行， 而对于非3GPP接入，UE则以NSSAI包含模式Ｃ运行。“NSSAI包含模式”控制了UE如何在较低层(即， 3GPP接入的RRC层和非3GPP接入的EAP消息) 提供请求NSSAI。引入“NSSAI包含模式”的目的是保护用户隐私。由于UE在RRC-IDLE态发送的RRC消息不加密， 因此任何能够读取RRC消息的人都将能够得出UE想要注册在哪个网络切片。对于非3GPP接入， 接入信令已加密， 因此UE可以包括请求NSSAI，这样5G-AN能从AMF集中选择一个支持请求NSSAI的AMF。 5G-AN主要使用UE提供的GUAMI(或5G-S-TMSI) 选择AMF， 但如果UE没有GUAMI或5G-AN无法使用它们， 那么5G-AN使用请求NSSAI用于选择AMF。当5G-AN无法使用GUAMI并且没有从UE获得任何请求的NSSAI时， 5G-AN选择默认的AMF， 然后通常在NSSF的帮助下为UE选择合适的网络切片和AMF。

图11.7显示了注册过程中网络切片选择的简介。

图11.7 注册过程中的网络切片选择

1）UE在注册消息和5G-AN信令（比如RRC）中提供请求NSSAI。如果请求NSSAI是映射过来的，则UE在注册消息中提供该NSSAI。

2）如果UE在CM-CONNECTED态， 5G-AN利用UE的N2连接转发注册消息到AMF。如果UE在CM-IDLE态， 如果GUAMI或5G-S-TMSI可用， 那么5G-AN根据GUAMI或5G-S-TMSI选择AMF，如果GUAMI或5G-S-TMSI不可用，但AMF在N2建立或AMF配置更新时已经表示了AMF支持请求NSSAI中的S-NSSAI，那么5G-AN根据请求NSSAI选择AMF。如果5G-AN没有办法选择一个合适的AMF， 5G-AN将注册消息转发到默认的AMF。

  1. 5G-AN将注册消息转发到选择的AMF。

  2. 如果AMF没有UE的签约数据， 也无法从另一个AMF或UDSF获取， 那么AMF从UDM获取网络切片选择的签约信息， 即签约的S-NSSAI， 或者AMF获取接入和移动性相关的签约信息， 其中包括签约S-NSSAI。

  3. UDM根据AMF的请求提供签约信息， 包括适用于服务PLMN的签约S-NSSAI，和每个S-NSSAI是否也是默认S-NSSAI的指示。

UDM可能提供该UE的网络切片签约数据已经更新的指示。

AMF按如下方法检查是否能为UE提供服务：AMF检查请求NSSAI中的所有S-NSSAI是否都包括在签约S-NSSAI中。如果不是， 或者UE没有提供请求NSSAI， 那么AMF检查签约S-NSSAI是否都被标为默认S-NSSAI。如果UE提供了请求NSSAI的映射， 则AMF使用它来关联到签约S-NSSAI。

如果AMF支持请求NSSAI中的S-NSSAI， 那么这个AMF继续为这个UE服务， 忽略步骤6和7。

  1. 如果AMF不能为UE服务， 或AMF配置成由NSSF来执行网络切片的选择， 那么AMF将现有的S-NSSAI信息、SUPI的PLMN ID和UE当前所在的跟踪区提供给NSSF进行查询。

  2. NSSF根据从AMF收到的信息、运营商策略(包括漫游时和HPLMN签署的服务水平协议) 和当前跟踪区内网络切片实例是否可用， NSSF进行网络切片的选择。NSSF可能返回如下信息：

a.允许NSSAI和从允许NSSAI的每个S-NSSAI到HPLMN S-NSSAI的映射。

b.目标AMF集， 基于配置的候选AMF列表。

c.一个或多个NRF：用来选择已选网络切片实例中的NF/ 服务， 以及哪个NRF是用来决定AMF集中的候选AMF列表的。

d.一个或多个NSI ID， 与对应于某些S-NSSAI的网络切片实例关联。

e.一个或多个拒绝的S-NSSAI。

f.服务PLMN的配置NSSAI， 以及从配置NSSAI到HPLMN S-NSSAI的映射。

  1. AMF可能执行以下的某一选项：

a.如果AMF能够为UE提供服务， AMF接受从UE收到的注册消息， 并向UE提供以下信息：

i.允许NSSAI和从允许NSSAI的每个S-NSSAI到HPLMN S-NSSAI的映射(如果有)。

ii.一个或多个拒绝的S-NSSAI(如果有) 。

iii.服务PLMN的配置NSSAI， 以及从配置NSSAI到HPLMN S-NSSAI的映射(如果有)。

iv.注册区(RA)，包括当前的跟踪区(TA)，根据网络切片的可用性，可能添加跟踪区， 同时确保整个注册区对S-NSSAI的支持是同步的。

v.UE的网络切片的签约数据是否已经更新的指示。

b.如果要通过直接转发来重新分配另一个AMF， 则AMF会将从UE收到的NAS消息转发到目标AMF， 并将UE的SUPI和MM上下文(如果有) 以及步骤7中NSSF提供的信息(AMF集或AMF地址列表) 转发给目标AMF。

c.如果AMF决定通过5G-AN将从UE收到的NAS消息转发到目标AMF， 则AMF将向5G-AN发送重路由NAS(Reroute NAS) 消息。重路由NAS消息包括目标AMF的信息和注册请求(Registration Request) 消息。如果AMF已从NSSF获得过相关信息， 则该信息也包括在重路由NAS中。5G-AN将收到的信息发送到目标AMF， 并指示重新路由是由于网络切片选择所致， 这样目标AMF不再进行又一次的网络切片选择。

d.目标AMF将自己的N2端接点信息更新给5G-AN。目标AMF提供给UE的信息，如步骤8所描述的。目标AMF也将允许NSSAI发送给5G-AN。

  1. 5G-AN将注册接受(Registration Accept) 消息转发给UE。

UE存储收到的信息。如果AMF告诉UE网络切片的签约数据已经更新了， 那么UE将删除存储的有关其他PLMN的网络切片的信息， 默认配置NSSAI除外。

在UE可以使用S-NSSAI提供的业务之前， UE首先必须注册到该S-NSSAI。因此，UE在注册后，才可以使用允许NSSAI中的一个S-NSSAI，比如建立PDU会话。PDU会话建立过程中5GC部分的选择如图11.8所示。

图11.8 PDU会话建立时的网络切片选择

  1. UE发送PDU会话建立请求(PDU Session Establishment request消息)， 包括：

a.当前接入类型的允许NSSAI中的一个S-NSSAI，是UE根据URSP规则或本地配置得到的。

i.如果根据URSP规则和本地配置， UE无法确定可以用于某应用的S-NSSAI， 那么UE不会在PDU会话建立过程中指示任何S-NSSAI。

b.UE提供允许NSSAI的S-NSSAI和允许NSSAI的映射中对应的S-NSSAI(即HPLMN的S-NSSAI) ， 前提是允许NSSAI的映射已经提供给UE。

  1. 如果PDU会话建立请求消息不包括任何S-NSSAI， AMF确定一个默认S-NSSAI用于PDU会话建立：如果UE签约数据只包括一个默认S-NSSAI， 那么AMF就用这个S-NSSAI； 如果UE签约数据包括多个默认S-NSSAI， 那么AMF根据运营商策略决定使用哪个S-NSSAI。

AMF根据服务PLMN的S-NSSAI选择SMF。在漫游场景下， 如果使用的是回归属地路由， 那么AMF根据HPLMN的S-NSSAI选择H-SMF。

  1. AMF将PDU会话建立请求消息转发至SMF， 包括：

a.允许NSSAI中的S-NSSAI。

b.如果漫游， HPLMN的S-NSSAI。

  1. 如果SUPI、DNN和S-NSSAI这个组合没有对应的会话管理签约数据， 那么SMF会从UDM获取， 和UDM交互用的是HPLMN的S-NSSAI。

  2. 到此， SMF创建一个SM上下文并回复AMF。SMF可能执行二次鉴权/授权以及PCF的选择， 但没有在信令流程中呈现。

然后， SMF使用包括S-NSSAI在内的多种信息选择一个或多个UPF。有关UPF选择的信息，请参见第6章。

  1. SMF向UE发送PDU会话建立接受(PDU Session Establishment Accept) 消息，以及向5G-AN发送N2 SM信息(包括服务PLMN的S-NSSAI) 。

  2. AMF将以上消息转发给UE和5G-AN。

  3. 5G-AN存储PDU会话的S-NSSAI， 将PDU会话建立接受消息转发给UE，必要时建立PDU会话的用户面。

11.3.5 与EPS互通时网络切片的选择

与EPS互通时遵循第7章描述的原则， 但为了更好地支持网络切片， 需要一些附加的功能。

3GPP Release 15支持EPS和5GS互通时的网络切片， 但是有一些限制条件， 比如，UE从EPS移动到5GS时， 网络会选择默认的AMF和默认的V-SMF， 但是3GPP Release 15没有定义CM-CONNECTED态下AMF和V-SMF的重分配流程。从3GPP Release 16开始， 这个限制得以解除。从EPS移动到5GS之后， 在CM-CONNECTED态下可以根据PDU会话的S-NSSAI进行AMF和V-SMF的重新分配。UE在空闲模式从EPS移动到5GS时， MME选择的AMF也可以根据PDU会话的S-NSSAI重分配。

为支持网络切片，互通过程中的附加功能按移动性过程的类型总结如下。

图11.9概述了从EPS到5GS的空闲模式移动期间的网络切片选择。

图11.9 空闲模式下EPS到5GS的移动性

针对空闲模式下从5GS到EPS的移动性， 以下附加原则适用于网络切片选择：

  • 在EPS中使用专用核心网的情况下(参见3GPP TS 23.401)，MME可以从由旧的AMF转移过来的UE MM上下文中获知UE使用类型(UE Usage Type) ， UE使用类型可能用于确定是否要重选MME。

  • 在EPS中， 建立到同一个APN的所有PDN连接应该使用相同的PGW。

    • 在分配EPS承载标识符(EBI) 时， 针对同一UE， 如果PGW-C+SMF为同一DNN但不同的S-NSSAI下的多个PDU会话服务， 那么SMF只为由共同的UPF (PSA) 服务的PDU会话申请EBI。如果多个PDU会话由不同的UPF(PSA) 提供服务， 那么SMF选择一个UPF(PSA) ， 并为由这个UPF服务的PDU会话申请EBI。
    • 如果已经有到同一个DNN的PDU会话存在， 但这个PDU会话由另一个SMF提供服务， AMF根据运营商策略决定是拒绝新的EBI分配请求， 还是从已有的到同一个DNN但由不同SMF提供服务的PDU会话中撤回EBI。
    • 针对支持与EPS互通的PDU会话， AMF将PDU会话的DNN和PGW-C+SMF存储到UDM。
    • 以上适用于多PDU会话的场景， 这些PDU会话使用同一DNN但不同的S-NSSAI。如果是到相同的DNN的PDU会话， 那么AMF会选择同一个SMF。

针对连接模式下从5GS到EPS的移动性， 以下附加原则适用于网络切片选择：

  • 连接模式下从5GS到EPS的移动性， 源MME根据目标的跟踪区标识(TAI) 和其他可用的本地信息(包括签约数据中可能有的UE使用类型(UE Usage Type) ) 选择目标AMF， 并将UE的上下文发送给AMF。
  • 在回归属地路由的漫游场景下， AMF根据与EPS互通使用的默认/特别的S-NSSAI来选择默认的V-SMF。
  • 在从EPS到5GS的切换准备阶段， PGW-C+SMF将PDU会话标识符(PDU Session ID) 和相关的S-NSSAI发送给AMF。
  • 如果互通的S-NSSAI和VPLMN使用的S-NSSAI不同， AMF将合适的VPLMN的S-NSSAI更新给默认的V-SMF， 然后V-SMF再更新到NG-RAN。
  • 切换完成时， UE执行注册(Registration) 流程。PGW-C+SMF在PDN连接建立时给UE的每个PDU会话提供的S-NSSAI将作为注册流程中的请求NSSAI。作为注册流程的一部分， UE从网络获得允许NSSAI。

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