基于5G技术的卫星端到端网络切片技术

魏 肖， 张 景， 成俊峰， 刘哲铭， 冯 旭

(中国电子科学研究院, 北京 100041)

0 引 言

卫星通信作为地面通信的延伸与补充，具有全球覆盖、随遇接入、容量大且不受地理环境限制等通信优势，可以有效克服地面通信的不足[1]。因此，受到学术界和工业界的广泛关注和研究。然而，随着社会进步和经济发展，新兴的通信场景越来越丰富，人类对通信的需求也越来越高，差异性也越来越大。以传输速率和时延指标为例，在无缝覆盖的场景中，卫星通信需要随时随地向包括边远地区在内的用户提供无缝连接的较高数据速率的服务；在需要大量广泛的低功耗节点连接的场景中，卫星网络需要在低功耗和低成本的限制下连接数百万个设备；面向车联网、工业控制等垂直行业对实时、可靠通信的性能要求，卫星网络需要提供低时延和高可靠性的通信服务。然而，传统卫星通信无法为多样化的应用提供不同的服务，难以在一个网络下同时满足上述要求。

本文对基于5G技术的卫星端到端网络切片，包括卫星网络切片体系结构的设计和网络切片的关键技术等内容进行了研究。主要的创新点有以下几项：

1)提出了一种新的卫星端到端网络切片结构，基于卫星网络资源有限和卫星信道特性开展了切片管理域和业务域的详细设计。

2)在业务域，为支持端到端网络切片，适应性的分析并研究了基于5G技术的卫星通信接入网子切片和核心网子切片技术。

3)在管理域，对卫星通信的切片关键绩效指标(KPI)设计、切片部署和切片管理等关键技术进行了研究，并在卫星网络资源有限的情况下设计了卫星网络切片实例创建流程。

1 网络切片技术及应用

5G网络切片通过将一个物理网络分片成多个逻辑网络，可以使用同一个物理网络同时支持不同应用场景的按需定制服务。在网络切片的支持下，网络资源可以根据相应的服务质量(QoS)需求动态高效地分配到逻辑网络切片[2]。因此，本文将卫星通信与5G网络切片相结合，在满足多样化应用需求的同时，实现不同服务器间的隔离，提高卫星通信系统的灵活性和有效性。

鉴于5G网络切片在应对未来差异化网络需求方面的优势，近年来引起了广泛的研究[2-6]。例如，文献[2]中作者提供了一份关于5G网络切片的调研，回顾了5G网络切片的现状，并给出了一个汇总和讨论现有工作的框架。文献[3]提出了基于软件定义网络(SDN)的以用户为中心的服务分层策略，并设计了一种基于资源池的虚拟化无线资源管理优化遗传算法。近年来，3GPP标准和学术论文中提出了应用于卫星网络的网络切片概念。其中，文献[7-8]提出了一个可扩展的卫星网络切片框架，用于卫星与5G的集成，但并未专注于卫星网络切片的设计和部署，端到端网络切片技术在卫星系统中还没有得到很好的应用。基于此，本文对卫星网络切片进行了全面研究和设计。然而，在5G网络中，切片资源的动态变化主要受用户行为的影响，而卫星网络中切片资源的动态变化也受卫星星座网络行为的影响。由于低轨卫星星座的不断运动，世界不同地区的卫星信道资源也不尽相同。因此，地面业务模型和卫星业务模型有很大的不同。对于单个卫星，虽然存在资源需求的潮汐效应，但可知的卫星星历信息依然能够为资源需求预测和资源配置提供良好的依据。基于此，我们参考5G网络切片来开展卫星网络切片的设计，但卫星网络切片还要考虑卫星网络资源有限、网络拓扑变化快、应用多样化等特点。

2 卫星网络使用5G网络切片技术的可行性

传统的卫星接入网络管理侧重于终端管理、波束资源分配、自适应编码和调制(ACM)资源调度等，由于LEO卫星处于不断运动中，全球不同区域上空的信道资源不同，卫星处理的业务和流量模型可能相差很大，单颗卫星资源需求存在潮汐效应，为每一种业务都预留足够的卫星接入网络资资源是很不经济的做法，网络切片的设计思想将是解决资源共享、隔离和管控问题的关键。

5G/6G时代，网络切片技术支持为每种特殊需求的业务定制专用虚拟网络(即一个网络切片)，特定需求包括功能需求(如优先级、策略控制、移动性等)、性能需求(如时延、可靠性、速率等)、服务对象(宽带业务、高可靠业务、物联业务)等，参考地面5G/6G网络切片的卫星接入网切片涉及到基础设施资源虚拟化、网络功能设计与部署、运维编排管理等多个维度的挑战。

1)在基础设施资源虚拟化方面，地面基础设施通常采用虚拟机和容器的方式，多个切片可运行在共享物理设施上。开放的、灵活的、可编程的，虚拟化基础平台是构建网络切片的第一步。在卫星网络中，基于有宿主操作系统的地面基础设施资源虚拟化技术面临可靠性无法保证，虚拟化资源效率低等问题。需要研究异构资源虚拟化、基于裸机的轻量化虚拟化/容器部署技术等高效资源虚拟化技术。

2)在微服务化协议设计方面，核心网的微服务技术比较成熟，但是仍然需要针对卫星环境进行轻量化设计和网元部署研究以适应低轨星座高动态环境；接入网侧需将传统接入网协议栈功能的粒度细化，打破接入网协议栈的层级关系，将各层相似功能按照微服务的方式进行重新封装，从而实现无线接入网的服务化设计，接入网微服务技术预计还需要较长的研究周期，在短期内可考虑采用部分带宽(BWP)信道资源处理预留的方式，兼顾灵活性和信道资源隔离度以支持接入网切片部署。

3)在智能化运维编排方面，端到端的网络切片设计包含星地无线网子切片，星间链路、馈电链路、地面微波光纤等承载网子切片，星地部署的核心网子切片，涉及到接入、传输、交换制式选择、网络架构、频率协调等多个要素，目前人工智能技术尚不足以支持如此复杂的智能化运维编排，尚需要深入的研究，现阶段可以考虑采用子切片模板映射的方式，简化天地一体网络切片的智能化运维编排。

从上述的关键技术分析看，尽管网络切片技术的应用是卫星网络的未来发展趋势，但是距离技术产业成熟尚需多年投入，相关支撑技术成熟度评估如图1所示。

图1 卫星接入网切片技术成熟度预计

为了将网络切片技术应用到某网络系统实现地面与天基的连接，应当借鉴地面网络切片的发展经验，在以下相关支撑技术方面形成突破。

1)在基础设施资源虚拟化方面，利用低成本高性能的工业级的计算处理器件，研究基于裸机的轻量化虚拟化/容器技术、空间容错计算、异构计算技术等资源虚拟化技术研究，构建具有CPU/GPU/FPGA/DSP异构计算处理、适应能源受限部署以及空间单粒子效应环境的天基计算处理基础平台设施。

2)在服务化网络协议架构方面，根据技术实现难易程度，按照先核心交换网元，再无线接入网元的顺序，逐步研究开展服务化/微服务化的网络协议切片设计，实现端到端网络切片(核心交换+无线接入)基本能力，确保天基信息服务提供端到端网络切片条件。

3)在网络智能运维编排方面，可按照先采用切片模板映射+弱人工智能辅助管理的方式，逐步引入人工智能，最终实现跨域自主运维、智能感知与切片编排，确保星地一体宽带移动接入、天基物联、低时延高可靠无人平台通信业务在共享基础设施上的高隔离部署，资源共享调度、干扰协调抑制。

3 卫星端到端网络切片架构设计

端到端网络切片都可以提供一个完整网络的功能，包括接入网、传输网和核心网[9]。卫星端到端网络切片架构包括网络切片管理域和网络切片业务域两部分，如图2所示。本文重点针对无线接入网元和核心网元提出卫星网络切片机制，支持卫星和地面之间不同功能网元的灵活部署。

图2 卫星接入网切片架构

所设计的网络切片管理域包括通信服务管理功能(CSMF)、网络切片管理功能(NSMF)和网络切片子网管理功能(NSSMF)。其中，NSSMF包括接入网子切片管理功能(AN-NSSMF)和核心交换子切片管理功能(CN-NSSMF)，以及部署在各个卫星节点，用于采集分析网络数据，并向各个功能网元提供分析信息的网络数据分析功能网元(S-NWDAF)。

网络切片业务域包括卫星无线接入网元子切片、核心交换网元子切片。其中，卫星接入网子切片包括分布式单元(Sat_DU)和集中式单元(Sat_CU)。Sat_DU完成RLC 层、MAC层、物理层的信号处理，Sat_CU完成接入网的无线高层协议处理。卫星核心交换网元采用微服务体系结构，将复杂的功能单元分解为解耦的微服务功能，主要网元包括接入和移动性管理功能网元(AMF)、会话管理功能网元(SMF)和用户平面功能网元(UPF)。针对无线接入网元与核心交换网元的特点，通常采用虚拟机/容器部署模式，支持不同场景下各功能网元在星地之间的灵活部署。

网络切片管理域可根据业务需求对网络功能进行定制裁剪和灵活组网，通过引入NWDAF实现在运行过程中实时性能监测与资源优化，在切片生命周期结束之后将资源释放，实现网络资源的动态按需分配，大幅提升资源利用率，同时隔离不同业务场景所需资源，确保某一切片发生故障不会影响到其他切片，满足差异化应用场景的不同需求。但切片管理也会带来一定的处理资源开销，需要优化设计。

4 基于5G的卫星子网切片技术

在如图3所示的天地一体接入网系统中，可以考虑采用主从卫星协同部署模式，其中只有少数主卫星部署无线接入集中式单元(CU)，而其他从卫星部署分布式单元(DU)，主从卫星之间的协作可以实现完整的无线接入协议功能。在核心交换网元部署方面，可以根据业务需求在卫星上部署一些用户需要频繁访问的核心网功能网元，如接入和移动性管理功能网元(AMF)、会话管理功能网元(SMF)和用户平面功能网元(UPF)，其他功能网元部署在地面，既能满足业务需求，又能节省卫星资源。值得注意的是，尽管借鉴了地面5G移动网络的切片管理及部署技术，但由于卫星和5G物理资源形态不同，使其分级和隔离技术差异较大，应根据实际需求进行适应性设计。

图3 天地一体接入网系统

4.1 卫星无线接入网元切片

卫星接入网子切片需要根据网络切片管理平台下发的不同业务场景的不同服务级别协议(SLA)需求，通过资源池预留和分配的方式进行灵活的子切片定制，实现无线资源的隔离，如图4所示。不同的卫星接入网子切片通过配置无线空口参数进行资源调度和传输参数设置，获得合理的吞吐量和传输时延性能[10]。

图4 卫星接入网子切片

在卫星接入网切片中，提出基于信道资源切片的部分带宽(BWP)子带滤波方法，兼顾灵活性和信道资源隔离度以支持接入网切片部署，支持不同子带配置不同的子载波间隔，为不同业务提供灵活的资源和速率映射，子带滤波还可以实现不同子带的资源隔离，有效降低切片间干扰；联合子带滤波和新波形设计，不同子带采用不同的波形参数配置，利用差异化波形实现对不同终端类型的支持，增强了系统的兼容性和灵活性。

4.2 卫星/地面核心网子切片

为实现核心网功能网元的星地按需部署，将传统的基于复杂单体核心网功能网元解耦成模块化微服务，部署在虚拟机或容器上，可以实现核心网元的隔离和快速部署，是实现网络切片的技术基础。用户利用部分星上核心网功能网元和部分地面核心网功能网元组合的方式切分出满足其SLA需求的卫星核心网子切片和地面核心网子切片。

得益于上述网络虚拟化和服务化架构[12-13]，核心网功能网元支持不同层级的按需隔离与共享，保证不同切片间的业务独立性，一个切片将由多个核心交换网络功能实例组成，但一些网络功能(实例)可能会被多个切片共享。核心网切片之间主要包括三种隔离方式：完全共享模式、完全独占模式、部分独占模式，如图5所示。完全共享模式是子切片共享所有功能网元,例如AUSF、AMF、NSSF、UDM、NEF等功能网元。完全独占模式中，每个子切片独享所有功能网元，例如SMF、UPF、PCF、AF等功能网元；对于UPF等需要硬件加速的核心交换功能网元，通常也可以采用资源预留、部分独占的方式，在隔离性需求和成本之间做到最佳平衡。

图5 核心网功能网元切片模式示意图

5 卫星端到端网络切片管理技术

卫星端到端网络切片管理主要包括网络切片设计、部署、生命周期和性能管理3个方面[9]。相比5G系统，卫星资源有限，因此需要更精细的资源管理，对切片管理技术的轻量级和资源管理的粒度提出了更高的要求；另一方面，卫星网络切片也有其天然优势，它可以基于星历信息实现网络切片资源的提前规划和部署，降低切片管理的资源开销。

5.1 卫星网络切片设计

广域宽带接入的大流量传输、物联网的海量接入以及应急通信的低时延传输等差异化场景，需要不同的切片支持，如图6所示。具体而言，在广域宽带接入场景具有大容量广域覆盖的需求，广域宽带接入典型业务主要包括高清视频、海量实时数据交互等。这些业务对切片的容量、速率都提出了较高要求，包括高传输速率、高峰值速率、大流量密度、业务连续性等。海量物联网业务主要包括智慧城市、环境监测等应用。这些应用覆盖领域广，接入设备数量巨大，在低功耗、海量连接方面有突出需求，对网络切片的覆盖范围、时延、卫星容量等KPI指标要求较高。卫星网络可快速部署的特性可以有效满足应急通信场景下的各类业务需求，提供高效可靠的信息传输通道，对网络切片的时延、速率、丢包率、单星容量、星座容量等KPI指标有一定需求。卫星网络切片设计需要根据差异化的业务需求设计网络切片KPI指标。

图6 基于业务需求的网络切片KPI指标示意图

5.2 卫星网络切片部署

卫星网络切片部署是将网络切片KPI指标分解至接入网及核心网各子切片，完成各子切片的网络参数配置。由于网络参数包括QoS相关参数(时延、速率、丢包率等)、容量相关参数(用户数、单星容量、星座容量)、业务相关参数(覆盖区域、应用场景)等较多内容，如何合理分解网络切片的KPI指标将直接影响切片能否满足业务需求。端到端卫星网络切片KPI分解示意图如图7所示，图中分别总结了接入网、传输及核心网各子切片相关的网络参数。

图7 端到端卫星网络切片KPI分解示意图

5.3 卫星网络切片管理

网络切片生命周期管理主要是完成网络切片实例的创建、更新、终止和查询等。NSMF根据接入网、传输及核心网切片部署需求，完成网络切片实例的新建。如图8所示，在卫星资源有限的情况下，设计了卫星网络切片实例创建的过程，并且简化了创建过程。具体而言，NSMF接收到创建网络切片的请求后NSMF分解卫星网络切片各子切片的KPI指标，并分配切片ID；然后，NSMF命令NSSMF创建网络子切片。

图8 卫星网络切片实例创建过程示意图

创建好子切片后，NSSMF返回子切片创建和切片创建的结果。用户携带网络切片标识NSSAI入网，星上AMF代理负责选择相应核心网和接入网资源切片完成用户数据传输、交换、处理。

NSMF接收到网络切片实例不再使用的指示后，则NSMF删除该网络切片实例。同时，NSMF支持根据S-NSSAI或NSI ID查询网络切片实例的信息，包括Service Profile，网络切片实例关联的NSSI信息等。

卫星网络切片的性能管理主要是依托NWDAF收集切片子网性能数据，并对各子域的性能数据进行分析，NSMF与Sat5GC_NF和AF网元可以订阅NWDAF的分析数据，检查当前切片是否满足用户性能需求。

图9 基于NWDAF的网络性能分析模式

如果未达到业务的性能需求，可以通过修改切片配置提升切片性能，NSMF在收到网络切片需求变更的请求后，生成切片实例变更需求，并触发修改，实现网络切片实例的更新。

6 结 语

本文研究提出了基于5G技术的支持多样化应用的定制服务的卫星端到端网络切片方案。这种通用的卫星端到端网络切片架构，支持星地网络功能的灵活和按需部署；并对基于5G技术的卫星接入网和核心网切片技术进行了分析和设计；进一步开展了卫星网络切片管理技术的研究，包括切片KPI设计、部署和管理，为卫星网络切片的研究提供了参考。