5G 与Wi-Fi 接入网络融合下的切片方案分析*

成 刚，蒋一名

（上海诺基亚贝尔股份有限公司，上海 201206）

0 引言

随着5G 网络商业部署的展开，5G 新特性在不同场景的应用得到越来愈多的关注。其中，5G 网络切片功能是5G 的基本能力，使得5G 端到端方案可适用于不同的场景需求。行业应用中的不同客户或者公共区域不同场景的部署，对于优先级、计费、策略管理、安全、移动性以及传输性能等有不同需求。在相同的5G 物理网络上，需要通过5G 网络切片技术区分多个互相独立的端到端的逻辑网络来支撑这些不同需求的应用。

5G 网络切片方案涵盖了5G 无线接入网络（Radio Access Network，RAN）切片、核心网和终端设备的支持。其中，5G 无线接入网络的切片是利用物理接入的无线频谱资源和硬件来实现不同的软件逻辑的接入功能，通过软件定义RAN 切片中的控制功能，实现不同切片对无线频谱资源的共享。

5G 网络在全面部署过程中将与已有的本地Wi-Fi 无线接入网络进行融合，终端通过Wi-Fi 接入到5G 网络。如果要实现5G 网络切片的端到端方案，则Wi-Fi 接入网络在管理配置和业务运行上支持网络切片是其中的一个重要环节。从Wi-Fi 已有技术来看，Wi-Fi 可以支持5G 网络切片的部分规范，或者需要设计新的Wi-Fi 技术方案来实现其他部分的规范。

本文简要概述5G网络切片的规范定义和需求，分析目前Wi-Fi 网络支持切片的可行性和技术方案，介绍Wi-Fi 接入与5G 网络融合在切片方案下的应用场景。

1 5G 网络切片的规范和技术要求

3GPP 对5G 切片的标准化工作进行了多方面讨论和内容制定。如表1 所示，TS 22.261[1]定义了切片的需求框架。从网络设备与切片定义的关系来看，它可以分为网络切片中的设备关联和管理、网络切片的管理、业务与网络切片关联、设备与多个网络切片的关联方式，从而满足优先级、计费、策略管理、安全、移动性以及传输性能等的不同需求。

表1 5G 网络切片的需求列表

在3GPP TR23.799[2]中提出了3 个网络切片场景，即对核心网所有功能切片，包括用户面和控制面切片；核心网的控制面部分共享功能不切片，但用户面及不适合共享的控制面进行功能切片；核心网的控制面不做切片，仅需要用户面切片。可见，3 个场景中用户面都需要切片，在Wi-Fi 接入网络与移动网络融合时，Wi-Fi 接入网络的切片需求会很快受到重点关注。

3GPP TS23.501[3]对切片的选择和实现等功能进行规则定义。例如，网络切片是包含接入网和核心网的逻辑网络，通过切片的形式提供相关的通信业务和网络能力；终端通过提供网络切片选择辅助信息（Network Slice Selection Assistance Information，NSSAI）来选择和组建切片相关的实例。每一条网络切片选择辅助信息对应一个网络切片。用户设备可以通过一个无线网络同时接入多个核心网切片等。Wi-Fi 接入网络如何支持设备与多个网络切片关联的方案尚不清楚，而其他规则不影响Wi-Fi 接入融合的网络部署。

2 Wi-Fi 网络支持切片的可行性和技术特点

对于Wi-Fi 接入网络与移动网络的融合，3GPP R15 定义了不可信非3GPP 网络（Untrusted Non-3GPP Access）融合架构[3]，3GPP R16 中定义了可信非3GPP 网络（Trusted Non-3GPP Access）融合架构[4]。实现网络融合是Wi-Fi 支持5G 网络切片功能的前提。在Wi-Fi接入与5G网络融合的情况下，本文针对Wi-Fi技术如何支持5G网络切片进行分析。

3GPP TR28.801[5]定义了网络切片管理和操作的框架，包含通信业务管理功能（Communication Service Management Function，CSMF）、网络切片管理功能（Network Slice Management Function，NSMF）、网络切片实例（Network Slice Instance，NSI）、网络切片子网管理功能（Network Slice Subnet Management Function，NSSMF）、网络切片子网实例（Network Slice Subnet Instance，NSSI）等定义。网络切片框架中尚未包含非3GPP 网络的切片管理。图1 是把TR 28.801 的网络切片管理与Wi-Fi 接入放在一起，构成5G 网络管理非3GPP 接入的统一框架。文献[6]列出了3GPP 和其他标准组织关于网络切片的研究或标准化工作。

图1 3GPP 网络切片的管理架构

在共同的Wi-Fi 物理网络上支持不同的用户场景已经普及。例如，很多企业在一个平台上同时支持企业用户和访客，或者在相同的Wi-Fi 网络上支持公共Wi-Fi 业务和家庭用户接入，具有完全不同的安全、移动型、计费和运行策略。因此，Wi-Fi接入网络已经支持5G 网络所需切片方案的部分功能。目前，Wi-Fi 支持网络切片的基本分析如表2所示。

表2 Wi-Fi 支持网络切片的可行性

2.1 Wi-Fi 支持5G 网络切片中的已有技术和新开发技术分析

2.1.1 对网络切片中的设备关联和设备管理进行分析

在Wi-Fi 接入网络中，在同一个BSSID 情况下，已有的VLAN 端口绑定技术可以实现Wi-Fi AP 上的数据流的分类，从而支持同一个物理网络上不同设备的数据流在逻辑上独立转发，实现网络切片对设备管理的需求。不同的VLAN 对应不同的切片，关联不同的Wi-Fi 终端设备使得设备工作在不同的切片中[7]。

Wi-Fi AP 也可以通过支持多个BSSID 和SSID来实现多个网络切片[7]。通常1 个SSID 对应1 个BSSID。不同的Wi-Fi 终端关联不同的BSSID，不同的BSSID 有不同的业务需求、桥接或路由模式、地址转换方式等，从而使对应的网络切片实现对设备管理的需求，如图2 所示。

图2 Wi-Fi 接入网络的切片方案

2.1.2 对网络切片管理和运行的分析

基于VLAN、SSID 及BSSID 的切片可以在AP 上被创建和维护，支持流量或业务相互隔离，以满足3GPP 中所定义的基本切片管理和逻辑隔离的需求。

但是，Wi-Fi 没有已知的标准或规范来支持网络切片需求中的切片资源、优先级和切片差异化功能，其中一个主要因素是基于空口资源平等竞争的Wi-Fi 技术并没有包含对多条数据流发送和接收进行权重优先级调度的机制。尽管Wi-Fi 联盟在Wi-Fi 多媒体（Wi-Fi Multimedia，WMM）功能中定义了语音、视频、尽力而为的数据报文和背景数据流的4 种优先级，但对于切片管理所需要的各种数据流的资源分配和优先级调度的能力还不充分。Wi-Fi AP 设备厂家需要在自己的软件系统中定义和设计各自的方案，如在AP 上为不同Wi-Fi 终端连接定义不同的空口资源、在AP 转发数据流时设置不同优先级以及定义不同的流量限速规则。

2.1.3 对网络切片中的业务关联的分析

Wi-Fi 规范关注的是数据流转发，而不识别数据流所承载的业务类型。如果需要把业务关联到网络切片，则Wi-Fi AP 设备厂家需要开发软件功能，从而识别业务类型和切片关联。

2.1.4 对设备关联到多切片支持的分析

目前，Wi-Fi 技术还不能支持终端设备关联到多个网络切片，如Wi-Fi 终端所发送的数据流不能同时支持多个VLAN、SSID 或BSSID，且暂时也没有看到这个需求的应用场景。

2.2 Wi-Fi 6 对网络切片支持的分析

最新的Wi-Fi 6（802.11ax）[8]标准除了支持网络切片可行性的表2 中的前4 条，Wi-Fi 6 具有更灵活的切片资源管理、优先级分配和差异化管理，即表2 的第5、6、7 条。Wi-Fi 6 物理层支持正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）技术，把子载波分成多个组，每个组作为独立的资源单元（Resource Unit，RU）进行数据传输。作为新的切片资源管理方式，Wi-Fi AP 可以组合相关的资源单元，构成资源集合，然后分给不同的无线终端。无线终端关联到切片后，通过指定的资源单元与Wi-Fi6 AP 进行数据传输。

目前，厂家在Wi-Fi AP 上实现的切片资源分配或优先级调度主要是在下行方向。但是，对于Wi-Fi 6 技术，在上行多用户传送过程中，AP 可以负责协调各个无线终端的数据发送，实现切片资源的上行管理，如图3 所示。

图3 Wi-Fi 6 网络的切片方案

根据相关切片的要求，AP 向各个终端发送一个新的控制帧类型（Trigger Frame）。它定义了上行多用户传输的参数，如持续时间、保护间隔（Guard Interval，GI）、终端所分配的RU 资源以及终端的MCS 传输参数等。后面终端可以根据AP trigger frame 的要求进行上行数据传送，实现所属切片的上行资源分配要求，如表3 所示。

表3 Wi-Fi 6 的切片管理

2.3 Wi-Fi Mesh 下的切片方案

目前，家庭Wi-Fi Mesh 网络正在被运营商推广。Mesh 技术能拓展室内Wi-Fi 的覆盖，提升用户使用Wi-Fi 体验。如果要实现端到端的切片方案，则基于Wi-Fi Mesh 的网络切片将是其中的一个关键环节。除了支持网络切片可行性的表2 中的前4条，构建Mesh 网络切片的关键也在于切片资源管理、优先级分配和差异化管理，即表2 的第5、6、7 条。与单个Wi-Fi AP 支持切片的关键区别在于，如何对Wi-Fi AP 相互之间的连接通道即回程通道（Backhaul）实现切片。

与前面表2讨论的Wi-Fi支持切片的方式相同，回程通道上可以利用VLAN、SSID 及BSSID 来隔离不同的切片，同时回程通道两端的AP（或者AP 与网关）内部定义相应切片的独立缓冲区队列，赋予不同的优先级，从而实现切片资源分配和对应的优先级管理，如图4 和表4 所描述的内容。如果Wi-Fi Mesh 是基于Wi-Fi 6，则Wi-Fi 6 对应的OFDMA技术也同样可以应用在Mesh 组网的切片功能，使得Mesh 上下行的回程通道可以利用RU 进行数据流优先级传送。

表4 Wi-Fi Mesh 网络切片的支持

图4 Wi-Fi Mesh 网络的切片方案

3 Wi-Fi 接入与5G 网络在切片方案下的应用场景

如果Wi-Fi 接入与5G 基础设施建设过程中实现了网络融合[3-4]，且把5G 的网络切片功能拓展到Wi-Fi 网络，则Wi-Fi 接入网络需要支持切片管理和相应的业务运行。这种应用场景出现在移动网络与无线局域网一起构建通信或信息网络设施的区域。

例如，对于酒店或公寓的公共Wi-Fi 热点服务，人们携带移动终端从5G网络切换到Wi-Fi网络时，面临着Wi-Fi 接入是否能保持原先的带宽和服务质量，是否能有可靠的安全认证和数据加密保护，或者是否能获得Wi-Fi 网络下特定速率的服务等。如果需要在Wi-Fi 接入与5G 网络融合的情况下实现端到端的切片方案，则可以定义如表5 所示的不同的网络切片。

表5 应用场景的Wi-Fi 网络切片的例子

切片方案的可行性参考表2 所描述的内容，其中第1 项至第8 项可以通过已有技术或厂家自定义方案来实现，而第9 项关于终端设备关联到多个切片的功能则不需要在这个场景中实现。

4 结语

5G网络切片有助于5G业务在各行业广泛应用，而作为5G 网络与无线局域网融合方案的Wi-Fi 接入网络是端到端切片的关键环节。虽然3GPP 在R15 和R16 已经定义了Wi-Fi 接入网络融合的系统架构，但还没有对Wi-Fi 接入网络的切片支持给出明确的规范定义，3GPP 网络与Wi-Fi 接入网络之间的切片消息管理有待标准组织的讨论和完善。

从Wi-Fi 网络的技术可行性来看，设备关联、设备管理、切片管理和切片隔离可以由目前已知的Wi-Fi 技术实现。切片资源、优先级、差异化管理和业务关联则需要厂家定义自己的方案。目前，Wi-Fi 联盟等标准组织还没有把这样的技术讨论放到议事日程，而关于Wi-Fi 6 或Wi-Fi Mesh 所引起的网络切片相关的技术方案，将可能是Wi-Fi 接入网络在切片管理上的关键话题。Wi-Fi 终端设备同时关联到多个切片，目前还不清楚哪些应用场景需要这个功能，有待未来讨论。

虽然Wi-Fi 接入技术支持5G 网络切片还没有达到商业化的部署要求，但是随着5G 网络建设的推进，Wi-Fi 接入网络与5G 网络在各行业的深入融合，在商业园区、智慧小区、酒店公寓以及工业场所等很多区域都有可能出现Wi-Fi 接入网络支持5G 切片的应用场景和需求，实现多业务、多服务的端到端的解决方案，将为5G 网络作为基础设施建设发挥重要的应用价值和社会效益。