Network Slicing - ianchen0119/Introduce-to-5GC GitHub Wiki

網路切片概念

Network Slicing（網路切片）是 5G 網路推出的全新概念，5G 核心網路能夠利用切片滿足不同的場景的需求，根據不同的應用服務提供特製的連線管道，例如：

  • VR 或是 8K 影片需要很大的 Throughput，但是對 latency 的需求相對不嚴格
  • 車載網路、視訊傳流等場景需要非常低的延遲
  • ...

要做到以上功能，會涉及到終端裝置到應用服務之間的所有領域，包含：RAN、Core Network 以及 5G Transport Network。

1. RAN Domain

要做到 Network Slicing，RAN 必須能夠讓使用者的終端裝置以各種不同的接入技術存取應運商的網路，5G 提出的 NR-RAN（Next Generation RAN）由多個 gNB 組成，它們提供了終端裝置到核心網路的連結性（也就是所謂的 5G NR 技術）。 在最新的規格書中提出了全新的 RAN 架構，它將 gNB 的邏輯分成三大類，分別是：

  • radio unit (RU)
  • distributed unit (DU)
  • centralized unit (CU)

3GPP TR 38.801 規格書提到 RAN 應在 5G 系統上實作功能拆分：

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上圖取自：https://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_RAN_Architecture.html

根據上圖所示，3GPP 允許 RAN 將 PDCP 以及更高層的網路協定駐留在 CU，而其他下層協定則遷移至 DU，CU 與 DU 之間使用 F1 interface 進行溝通，CU 與 CU 之間則是使用 E1 interface 進行溝通：

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上圖取自：https://moniem-tech.com/2021/12/10/functional-decomposition-of-the-5g-ran-split-architecture/

2. Core Network Domain

對於核心網路來說，為了支援上述功能，它需要有能力針對不同的切片服務，將屬於不同切片的 session 交由不同的 SMF 以及 UPF 處理（或是一個 SMF 對應多個 UPF）。

3. Transport Network Domain

TN 負責提供 RU 與 DN 之間的連結，為了能夠區隔多變的使用場境，TN 必須將不同切片的連線通道以實體分割的方式分離，其中包含了：

  • 前段 RU 與 DU 的連結（實作 O-RAN fronthaul interface）。
  • 中段為 DU 與 CU 之間的 data path，這個部分定義在 3GPP F1 interface（spilt 2）中，也就是剛剛在 RAN Domain 提出的網路子層分層。
  • 後段為 CU 與 UPF 之間的通道，這部分包含了 3GPP 的 N3 Interface 與 N9 Interface，前者是 RAN 接入至 UPF 的接口，後者為 UPF 與 UPF 傳送 user plane 封包的接口。
  • DN 段，UPF 透過 3GPP 的 N6 接口將 uplink data flow 傳送至 Data Network（DN）。

系統架構

上圖取自論文：On the Rollout of Network Slicing in Carrier Networks: A Technology Radar

上圖提供了 OSS layer 以及 Network layer 的架構，我們可以根據架構圖知道每一個部分分別負責哪些工作，像是：

  • RU 負責 RAN 的管理（包含切片管理），相關內容定義在 3GPP TS 28.5xx [31/32/45/50]
  • Core Network 的切片功能則由多個 NF 合作（AMF、SMF、PCF、UPF、NSSF）

此外，圖中列舉了三個不同的切片，分別是：

  1. mIoT
  2. eMBB
  3. uRLLC

這三個切片的 control plane signaling 皆由同一個 CU 負責（RRC protocol），而網路切片最大的特色（根據不同的應用服務提供特製的連線管道）則是利用多個獨立的 CU-UP 負責個別的 user plane data flow，這些資料流會進入到不同的 UPF，每一個切片的 session 也都由不同的 SMF 進行管理（policy decision 交給共同的 PCF）。

Slice 實體管理

網路切片最初在 3GPP release 15 時提出，網路切片這項功能除了 NG-RAN 的演進，更需要核心網路的支持，在 5G 系統中使用 S-NSSAI（ Single Network Slice Selection Assistance Information）以及 NSSAI（Network Slice Selection Assistance Information）進行切片的管理。 如果讀者已經閱讀過之前的文章，或許會記得一個 S-NSSAI 是由兩個 feild 所組成的：

  • SST（Slice/Service Type），不同的 SST 表示著不同的應用場景，像是 1 為 eMBB、2 表示 uRLLC、3 表示 mIoT、4 表示車載網路以及 5 表示 HMTC（High-Performance Machine-Type Communications）。
  • SD（Slice Differentiator）用來細分同一個場景下的功能，包含：移動網路或是固定的無線存取網路、計費、切片優先權、tenancy。

NSSAI 為 S-NSSAI 的集合，在 5G 網路中定義了多種不同的 NSSAI，分別是：

  • Subscribed NSSAI，儲存在 UDM 之中（包含在 subscriber information 裡面）。
  • Configured NSSAI，儲存在 UE 內。
  • Requested NSSAI，在 UE 對核心網路註冊時，可以根據不同需求從 Configured NSSAI 希望使用的切片，並且將這個訊息夾帶在 registration request 內。
  • Allowed NSSAI，核網會根據 UDM 之中的資訊來決定 UE 完成註冊後可以在哪些切片上建立 PDU Session，決定後核心網路會將 Allowed NSSAI 放入回覆 UE 註冊成功的消息。

上圖取自論文：On the Rollout of Network Slicing in Carrier Networks: A Technology Radar

上圖清楚的表示在核心網路運作時，不同的 Network Function 是如何參與網路切片功能的運作、分別持有哪一些 NSSAI。

References