5G切片5G RAN 和 5GC 的切片信令分析

Posted 2022-08-30 从善若水

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本人就职于国际知名终端厂商，负责modem芯片研发。
在5G早期负责终端数据业务层、核心网相关的开发工作，目前牵头6G算力网络技术标准研究。


博客内容主要围绕：
       5G/6G协议讲解
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5G RAN 和 5GC 的切片信令分析

关于 5G 切片的关键知识点

关于5G切片相关的介绍，同学们可以参考我之前发的博文《【5GC】什么是5G切片？5G切片如何工作？》

简单介绍一下，网络切片（Network Slicing）被3GPP认为是5G网络的关键特征之一。网络切片可以看作是动态创建的端到端的逻辑网络。终端可以通过同一个gNB访问多个切片。每个切片可以根据服务水平协议（SLA）提供特定的服务类型。

• 网络切片是定义在一个PLMN范围中的，包括5G核心网、5G RAN网络控制平面和用户平面网络；
• 网络切片是通过Single Network Slice Selection Assistance Information（S-NSSAI）进行标识的，其中NSSAI是S-NSSAI的集合；
• 当前3GPP允许一个NSSAI中最多有8个S-NSSAI在终端和网络之间发送信令消息，这意味着单个终端同一时间内最多可以由8个网络切片为其提供服务；
• 由UE向网络发出的S-NSSAI信令，帮助网络为终端选择一个特定的网络切片实例；
• TS 23.501 中有一些关于网络切片的定义：
  • Network Function：由3GPP接受或者定义的网络中的处理功能，处理功能中包括了特定功能行为和3GPP相关的接口。（注意：Network Function 既可以作为专用硬件上的网络实例实现，也可以作为在通用平台（如云基础设施）上实例化的虚拟功能实现。）；
  • Network Slice： 提供特定网络功能和网络特征的逻辑网络；
  • Network Slice instance：一组Network Function实例和所需的资源（如计算、存储和网络资源），组成一个已经部署的网络切片。
• 网络切片分为硬切片和软切片。在硬切片中，网络中的各个切片之间必须是完全隔离的，而在软切片中，网络中的各个切片可以共享一定的网络资源。

切片身份管理

       S-NSSAI是跨5GC、5G-RAN和UE的网络切片的标识符。S-NSSAI可能与PLMN（例如，PLMN ID）相关联，具有网络特定值或者标准化的值。S-NSSAI是UE在接入网中使用的。S-NSSAI由Slice/Service type (SST)和Slice Differentiator (SD)两部分组成。

• SST：从功能和服务方面描述了网络切片的行为；
• Slice Differentiator (SD)：它是一个可选信息，用于补充描述SST，以区分相同SST的多个网络切片。

SST ID为必选参数，长度为8位。SD为可选，用于区分相同SST的切片，总长度为24位。标准S-NSSAI只有SST，没有SD，而非标准S-NSSAI可以被定义为单独SST（非标准）或SST + SD格式。

• 标准化的SST
  这些标准化的SST值解决了5G的三个主要用例（eMBB、URLCC和mMTC）。由于SST的长度是8位，所以它可以提供2^8= 256个SST值。3GPP为标准SST保留0~127范围内的值。非标准化的值也可以用于SST。非标准化值允许操作人员引入他们客制化的网络切片。3GPP为非标准化SST保留了128~255范围内的值。
  
• NSSAIs 类型
  • Subscribed S-NSSAIs：它存储在UDM中，当UE没有发送Requested NSSAI时，5GC将其作为默认值；
  • Configured NSSAI：PLMN可以为一个UE配置1个或多个Configured NSSAI，该Configured NSSAI为UE的默认NSSAI。它可以和Subscribed S-NSSAIs是一样的。一个Configured NSSAI中最多可以包含16个S-NSSAI。AMF使用 NAS:Registration Accept 或 NAS:Configuration Update Command 消息，将Configured NSSAI发送到UE；
  • Allowed NSSAI：这个值由5GC和有效的Registration Area，或者由给定接入类型下的PLMN分配：
    • 一个Allowed NSSAI中最多可以包含8个网络切片，即一个UE最多可以包含8个网络切片；
    • 使用所有8个网络片将需要UE建立8个PDU会话；
    • 与Configured NSSAI类似，AMF使用 NAS:Registration Accept 或 NAS:Configuration Update Command 消息向终端发送Allowed NSSAI；
    • Allowed NSSAI也会使用 NGAP Initial Context Setup Request 向gNB发送通知。基站在为终端分配资源时可以使用这些信息。
  • Requested NSSAI：可以是Configured NSSAI、Allowed NSSAI或者二者的组合：
    • UE在 RRC Setup Complete 和 NAS Registration Request 中发送Requested NSSAI；
    • 在获得Allowed NSSAI之前，gNB使用这个参数来选择AMF和做一些临时处理；
    • 5GC使用这个参数来完成切片的选择、验证等工作，并返回Allowed NSSAI。
  • Rejected NSSAI：它会在整个PLMN的Registration Area内被拒绝。UE不应该在该RA或PLMN中再次尝试接入NSSAI。

下面的呼叫流程描述了涉及网络切片的信令过程：

RAN切片和AMF选择

• 在gNB和AMF1和AMF2的NG建立过程中，gNB和AMFs之间会通过NG Setup Request 和 NG Setup Response 消息交换它们支持的NSSAI lists，
  • gNB —> NSSAIs per Tracking Area Code (TAC)；
  • AMF —> NSSAIs in the PLMN。
• 在 RRC Setup Complete 消息中，UE可选地提供Requested NSSAI以及要建立的PDU会话。临时的RAN切片选择和AMF选择在此基础上完成；
• gNB将 NAS Registration Request 消息转发到选定的AMF实例，AMF使用Subscribed NSSAI验证Requested NSSAI。

切片相关的NGAP信令

• 初始UE消息或者注册请求中 Requested NSSAI
  
• Initial Context Setup Request 消息中的Allowed NSSAI
  
  
  

5GS中的端到端网络切片——高层架构

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