切片大概是5G里被讲得最玄的词——“一网千面”“网中网”“把一张网切成N张网”。这些说法都对,但都避开了最要命的问题:核心网可以复制虚拟机,承载网可以划分管道,可基站就一座,天线就一副,频谱就那么一段,你拿什么去“切”?
这篇文章就回答这个问题:切片到了无线侧,资源到底怎么分。看完你会明白三件事——基站靠什么认出“这条流属于哪张切片”、两把不同层级的“刀”是怎么配合分蛋糕的、以及为什么运营商宁可用“软划界”也不肯“硬砌墙”。
先看其他网段是怎么切的:
而空口呢?频谱牌照就那段,不可能临时买一段;一个基站一毫秒能调度的时频资源(也就是那一堆PRB,物理资源块)是个固定的数,谁也变不出来。学术界说得更直接:蜂窝网络里RAN(无线接入网)通常就是那个瓶颈段,所以切片在RAN侧的研究和实现,重心全在“怎么把有限的物理层资源在基站上分给不同租户”。
更麻烦的是,空口的“地力”还不稳定。有线链路的管道容量基本恒定,而无线信道随用户位置、遮挡、干扰时刻在变——同样一块时频资源,今天肥、明天瘦。所以无线切片的本质不是“建几套设备”,而是一个高频问题:每一个调度周期(毫秒级),这批PRB怎么分?
分蛋糕之前,得先知道站在面前的是哪位客人。
5G给每张切片发了一个身份牌,叫S-NSSAI,它由两部分拼成:
这个身份牌是怎么送到基站手里的?路径很短:终端发起会话建立,核心网在发给基站的会话资源请求消息里带上这条会话的S-NSSAI,基站由此知道“这条PDU会话属于哪张切片”,把它挂到对应切片的账户下——后面这个切片的准入检查、资源配额,都记在这本账上。
注意一个容易忽略的点:切片的归属单位是PDU会话,不是终端。一部手机可以同时维持多个会话,一个走大带宽切片刷视频,另一个走低时延切片连工业网关。基站看到的不是“这台手机属于哪个切片”,而是“这条会话属于哪个切片”。
基站的调度器要同时回答两个粒度的问题:切片之间怎么分?切片内部谁先用?于是现代基站的调度器普遍设计成两层:
flowchart TD
GNB["基站 gNB"]
UE1["大带宽手机"] --> GNB
UE2["工业终端"] --> GNB
UE3["海量电表"] --> GNB
GNB --> S1["切片A 资源组"]
GNB --> S2["切片B 资源组"]
GNB --> S3["切片C 资源组"]
S1 --> T1["承载VPN A"]
S2 --> T2["承载VPN B"]
S3 --> T3["承载VPN C"]
S1 --> C1["UPF一号"]
S2 --> C2["UPF二号"]
S3 --> C3["UPF三号"]
有研究5G RAN切片的论文把这个结构描述得很清楚:切片间调度器先把资源块在各切片间划分,每个切片再以信道感知的方式把分到的资源给自己的用户——两层各司其职。
这就像一家公司:董事会先切年度预算(切片级),各部门经理再在预算内发工资、评绩效(流级)。经理权力再大,也只能在部门预算内折腾;跨部门的贫富差距,是董事会定的。
用公式表达第一层的约束:若切片 $i$ 的权重是 $w_i$,全网共 $n$ 个切片,那么资源紧张时,切片 $i$ 能保证拿到的资源份额满足
$$g_i \;\ge\; \frac{w_i}{\sum_{j=1}^{n} w_j}$$
比如三个切片权重配成 4 : 4 : 2,那么拥塞时三家的保底份额就是 40%、40%、20%。注意关键词:保底。这个式子是下界,不是上限——这正是下一节的关键。
很多人第一次看切片权重配置,会本能地理解为“限速”:权重40%是不是意味着这个切片最多用40%资源?恰恰相反。
权重的真实语义是:资源紧张时的下限保证,而非任何时刻的上限约束。轻载时,一个切片的业务用不满自己的份额,剩下的资源完全可以让给忙碌的邻居切片用;只有当总需求超过总供给、大家开始抢的时候,权重才出场,按比例划出各家的保底地盘。
这就是“软切片”的全部秘密,也回答了开头的问题——为什么运营商不把空口硬切成几块各过各的?算一笔账就明白:
flowchart TD
PRB["空口时频资源"] --> W1["切片A 权重40%"]
PRB --> W2["切片B 权重40%"]
PRB --> W3["切片C 权重20%"]
W1 --> F1["GBR流 保速率"]
W1 --> F2["Non-GBR 尽力"]
W2 --> F3["低时延 高优先"]
W2 --> F4["普通流"]
W3 --> F5["物联小包"]
设三个切片各自的业务峰值需求是 $P_1$、$P_2$、$P_3$。硬分区时,为了谁也不挤谁,每块都要按峰值预留,总容量得备:
$$C_{hard} = P_1 + P_2 + P_3$$
而三个切片的峰值很少同时出现(企业办公白天忙、视频夜间忙、抄表集中在凌晨),软共享下总容量只需接近最大那个峰值再加一点余量:
$$C_{soft} \approx \max_i P_i + \varepsilon$$
峰值错峰越明显,省下的就越多——这就是统计复用红利,和传送网从硬管道走向软切片是同一个经济学逻辑,只不过空口这边省的是最贵的频谱。
| 维度 | 硬隔离(静态预留) | 软共享(权重划界) |
|---|---|---|
| 资源划分方式 | 固定挖走一块,永久独占 | 只约定拥塞时的保底份额 |
| 轻载时段 | 空着也占着,邻居用不了 | 闲置资源可被其他切片借用 |
| 保证强度 | 绝对隔离,互不干扰 | 拥塞时保证权重下限 |
| 资源利用率 | 低(按峰值预留) | 高(统计复用) |
| 适用场景 | 安全与隔离要求极高的行业专网 | 绝大多数商业切片 |
当然,软共享的代价是隔离是概率意义上的,不是物理意义上的——一个切片里突发的恶意流量洪峰,理论上可以短暂借走大量共享资源。所以对隔离等级有硬性要求的行业客户,空口侧可以进一步配置更强的隔离手段(标准允许灵活实现,具体能力以各厂家官方文档为准)。
权重管的是“进门之后怎么分”,准入管的是“让不让你进门”。这是切片在无线侧的第二套机制。
当核心网带着S-NSSAI来建会话时,基站会先查这本切片自己的账:
flowchart TD
A["PDU会话建立请求"] --> B{"会话携带S-NSSAI"}
B --> C{"查切片准入账户"}
C -->|余量充足| D["接纳 会话入切片"]
C -->|余量不足| E["拒绝本次请求"]
E --> F{"核心网有备选吗"}
F -->|有| G["改用其他切片重试"]
F -->|无| H["会话建立失败"]
基站检查的维度通常不止一个:这个切片的PRB预算还够吗?接入的用户数超没超容量上限?新会话要建的GBR承载还有预留空间吗?任何一个维度爆表,都可以拒绝。学术界做切片研究时,准入控制和容量规划(dimensioning)通常是一对搭档——先按SLA算好每张切片该配多少资源,运行时再按资源余量决定接不接新客。
这里有个和流级准入的重要区别:切片准入拒绝的是整条会话,流级准入拒绝的是单条承载。而且拒绝后的去向也讲究——核心网侧可以引导终端改用其他允许的切片重试,这在行业专网场景里是个常用的兜底手段。
把前面散落的概念归拢成一张对照表,这是理解整个体系最有效的一步:
| 维度 | 切片级(粗粒度) | 流级(细粒度) |
|---|---|---|
| 管理对象 | 一整类业务群体 | 单条QoS流 |
| 典型参数 | 资源类型(如PRB)、权重、容量上限、切片优先级 | 5QI、保障速率、最大速率、ARP |
| 配置来源 | 管理面预配置或按需下发 | 会话建立时逐流携带 |
| 生效位置 | 切片间调度层 | 切片内调度层 |
| 何时显效 | 资源紧张时才出手 | 每个调度周期都在起作用 |
两个层级之间有两条容易想当然的“直觉”,实际都不成立:
误解一:切片优先级高,里面的每条流就都横着走。 不对。层级是先算的——一个低权重切片里的高优先级流,在争抢时可能拿到的资源还不如高权重切片里的普通流。因为第一层先按权重把蛋糕切走了,第二层的优先级只在各家的盘子内有效。部门经理再强势,也争不过隔壁部门的预算。
误解二:GBR流在切片内永远有理。 GBR的确是预留制服务——进门就划走保底速率对应的资源,哪怕暂时没数据可发,坑也占着。正因如此,一个切片内GBR承载开得太多,预留就会吃光该切片的预算,同切片的Non-GBR业务会被活活饿死。GBR是“保证”,不是“免费”。
前面反复出现的“切片权重”“容量上限”,最终要以某种方式进到基站的调度器里。工程上的通路大致两条:一是开网时的网管预配置;二是管理面在切片生命周期里按需更新(比如行业客户临时要扩容,提高某切片的份额)。
这套配置在标准里被抽象为“RRM策略”一类的要素:资源类型(对什么计量,典型就是PRB,也可以是连接用户数等)、资源份额(权重或百分比)、容量上限、优先级。有意思的是,在开源的O-RAN研究实现里,这套策略甚至就是一个调度器周期性读取的配置文件——改几行JSON,基站的切片资源分配参数就变了;社区里还有按注水算法动态调节各切片PRB份额的闭环控制程序。这恰好把机制看得一清二楚:所谓切片资源隔离,落到实处就是调度器里几组参与计算的比例数字,以及更新它们的管理通道。
把原理翻译成排查动作。行业专网用户投诉“买了切片还卡”,按命中率排序:
调试思路上的一个总原则:切片级参数在拥塞时才显效,流级参数时刻生效。如果你在轻载时段做测试,看到各切片表现毫无差异,别急着怀疑配置错了——可能只是权重还没上班。
Q: 切片和QoS到底是什么关系?一层就够了吧,为什么要有两套? A: QoS管一条流的待遇,切片管一群流的预算包。只留QoS的话,所有业务混在一个大池子里按优先级排,无法给某类业务群体做“总量承诺”——优先级再高也架不住数量多;只留切片的话,切片内部又缺少区分单条流保障与需求差异的手段。两级各管一段:切片间按配额划界,切片内按5QI仲裁。
Q: 切片之间会互相抢资源吗?权重高的切片能抢光所有资源吗? A: 默认软共享下可以互相借用空闲资源,这正是设计意图。但权重高的切片也拿不走“别人的保底”:一旦低权重切片需要资源,高权重方最多用到让低权重方保住自己份额的程度。想彻底禁止借用,需要额外配置更强的隔离,代价是利用率下降。
Q: 为什么我的专网终端测速远低于切片宣传的指标? A: 最常见原因是会话根本没建在目标切片上(查S-NSSAI);其次是权重只在拥塞时生效,轻载时测速高低与切片无关,应该做满载测试;再其次查GBR预留占用和信道质量。切片保证的是“拥塞时的相对份额”,不是“任何时刻的绝对速率”。
Q: 切片准入被拒后,终端会看到什么现象? A: 典型表现是该会话建立失败,或核心网引导其改用其他允许的切片重试。因为拒绝发生在会话建立阶段,终端侧往往是“某些应用连不上”而非“信号差”,这是定位问题时一个有用的鉴别特征。
Q: 空口切片和核心网切片是绑死的吗? A: 不是完全一一对应。控制面网元(如AMF)经常被多个切片共享以减少信令开销,用户面网元(如UPF)则更常按切片独立部署。终端的每个会话绑定一个S-NSSAI,但一个终端可以同时跨多个切片持有会话。
本文由「51学通信」技术团队出品。51学通信由通信行业18年老兵爱卫生(微信ID: gprshome201101)维护,聚焦5G/6G核心网、3GPP标准解读、通信前沿技术深度分析。 出版作品有《5G核心网原理与实践》《IMS原理与实践》等4本通信专业书籍。知识星球「51学通信」提供深度技术答疑和行业洞察。
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