CN117769889A - 在第一无线电单元与第一分布式单元之间通信的方法 - Google Patents
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Abstract
本公开描述了工业设施中在运行无线网络的第一无线电单元与第一分布式单元之间通信的方法。该方法包括提供与第一无线电单元相关联的专用无线子网络,从用户设备接收至少一个数据包,其中该至少一个数据包与第一用户面和具有该运行无线网络的第一控制面中的一者相关联,并且经由专用无线子网络的第二用户面将该至少一个数据包传输至第一分布式单元。该专用无线子网络包括连接至第一无线电单元的专用用户设备和包括连接至专用用户设备的专用无线电单元的专用基站。第二用户面的配置不同于第一用户面的配置。
Description
技术领域
本公开涉及工业无线网络,并且更尤其涉及工业设施中的分布式基站的无线电单元与分布式单元之间的连接。由于工业应用的特点,相关联的通信基础设施必须能够提供低延迟和高数据速率的连接。
背景技术
本公开涉及工业无线网络,并且更尤其涉及工业自动化中蜂窝网络中的分布式基站。在工业设施中,经常需要无线通信网络来连接远程位置,电缆或光纤可能无法到达这些远程位置。目前,这种连接使用各种无线电技术来实现。
例如,当前的无线网络基于第四代移动技术并且可被5G技术取代。5G网络部署将使用分布式基站,并且相应地将分布式单元和中央单元与多个无线电单元一起使用。5G网络的无线电单元(也称为RU)将位于工业设施中的远程位置并且必须连接至5G分布式单元(DU)。连接它们的网络需要支持5G前传网路(即,在分散单元与无线电单元之间的网络侧)的延迟和数据速率,其可以超过10Gbps并且需要小于1ms的端到端延迟。通常,这已经使用无线电单元与分布式单元之间的有线连接来实现。然而,在电缆或光纤无法到达的远程位置,有线连接无法用于将这些位置处的无线电单元连接至对应分布式单元。因此,需要一种解决上述问题的方法和设备。
发明内容
因此,本公开描述了解决上述问题的根据权利要求1的方法、根据权利要求7的专用基站以及根据权利要求8的专用子网络。
本公开描述了工业设施中在运行无线网络的第一无线电单元与第一分布式单元之间通信的方法。该方法包括提供与第一无线电单元相关联的专用无线子网络,从用户设备接收至少一个数据包,其中,该至少一个数据包与该运行无线网络的第一用户面和第一控制面中的一者相关联,并且经由该专用无线子网络的第二用户面将该至少一个数据包传输至第一分布式单元。专用无线子网络包括连接至第一无线电单元的专用用户设备和连接至专用用户设备的包括专用无线电单元的专用基站。此外,专用无线子网络包括第二用户面和第二控制面,其中,第二用户面的配置不同于第一用户面的配置,并且第二控制面的配置不同于第一控制面的配置。
因此,本公开描述了上述方法,其中,位于远程位置的无线电单元可经由专用无线子网络连接至分布式单元。子网络基于已经存在于工业设施中的无线蜂窝架构,因此,现有无线网络的资源可被用于创建和运行无线子网络。另外,由于专用子网络专用于将数据包从无线电单元传输至分布式单元,因此子网络可被配置为用于低延迟通信。
在一个示例中,专用用户设备固定于第一无线电单元附近的预定义位置。因此,专用用户设备可被有线或无线地连接至第一无线电单元。
在一个示例中,运行无线网络包括与第一用户面和第一控制面相关联的第一网络切片,以及与第二用户面和第二控制面相关联的第二网络切片。因此,通过使用两个单独的网络切片,运行网络和专用子网络的配置可以单独进行。此外,自定义网络功能可被专用子网络使用以在不影响运行网络的情况下优化专用子网络的实体的行为。
在一个示例中,专用用户设备包括第一接口,该第一接口被配置为将与第一用户面和第一控制面相关联的一个或多个协议映射至第二用户面的一个或多个协议。因此,专用用户设备被配置为从第一无线电设备接收一个或多个数据包,并且通过使用第一接口执行适当的数据包封装和协议转换在该专用子网络的第二用户面上封装或隧道传输数据包。在一个示例中,该方法还包括经由专用无线子网络从第一分布式单元接收至少一个其他数据包,该至少一个其他数据包与第一用户面和第一控制面中的一者相关联。
在一个示例中,第一网络切片被配置为在TSN网络中作为TSN网桥来运行,第一网络切片被配置为接收与时间敏感网络(TSN)相关联的一个或多个要求并且针对与专用子网络相关联的第二网络切片转换该一个或多个要求。因此,专用子网络可以根据TSN要求来配置,确保无线电单元和分布式单元之间的适当延迟和服务质量(QoS)。
另一方面,本公开描述了用于在工业设施中连接运行无线网络的第一无线电单元和第一分布式单元的专用基站。该专用基站包括专用无线电单元,该专用无线电单元能够无线连接至与第一无线电单元相关联的专用用户设备;以及专用分布式单元,该专用分布式单元通信地连接至专用无线电单元和第一分布式单元。该专用基站被配置为进行以下各项之一:经由专用用户设备在第二用户面上从第一无线电单元接收一个或多个数据包以及向第一无线电单元传输一个或多个数据包,其中一个或多个数据包与第一用户面和第一控制面中的一者相关联。
又一方面,本公开描述了一种专用无线子网络,用于在工业设施中连接运行无线网络的第一无线电单元和第一分布式单元。专用无线子网络包括:专用用户设备,该专用用户设备被固定于第一无线电单元附近的预定义位置,并且通信地耦合至第一无线电单元;专用基站,包括能够无线地连接至与第一无线电单元相关联的专用用户设备的专用无线电单元和通信地连接至专用无线电单元和第一分布式单元的专用分布式单元;以及专用用户面,用于在专用用户设备与专用基站之间传输数据包,其中该专用用户面被配置为对与第一控制面和第一数据面中的一个相关联的数据包进行隧道传输,第一控制面和第一数据面与第一无线电单元和第一分布式单元相关联。该方法的优点适用于专用基站和专用无线子网络。进一步参见图1-图3进行解释。
具体实施方式
图1示出了工业设施中的无线网络100。这里的工业设施指的是可以进行一个或多个工业过程(例如,制造、精炼、熔炼或装备组装)的任意环境。这包括加工厂、炼油厂、汽车厂、发电厂、仓库等。工业设施包括多个工业设备,包括控制设备、现场设备、移动设备、操作员站等。控制设备包括过程控制器、可编程逻辑控制器、监督控制器、自动导引车、机器人、操作员设备等。一个或多个控制设备连接至多个现场设备(图中未示出),例如,用于监测和控制工业设施中的各种工业过程的致动器和传感器设备。这些现场设备可以包括流量计、数值致动器、温度传感器、压力传感器等。此外,工业设施包括多个移动设备,多个移动设备包括在工业设施中的用于执行多个操作(例如,焊接及零件组装)的一个或多个机器人;用于运输和处理材料的一个或多个自动引导车;在传送带上具有RFID标签的一个或多个资产等。此外,工厂设施可以包括操作员站,用于向操作员显示工业设施的状态并且允许操作员定义用于控制设施中工业过程的KPI。所有工业设备可经由工厂网络(通过有线和无线技术实现)彼此连接。
上述工厂网络中的通信通过有线和无线手段或技术实现。因此,工业设施包括用于实现工业设施各个设备之间通信的无线网络100。无线网络100基于蜂窝技术并且包括多个网关设备。这里的网关设备是指能够将用户设备连接至无线网络的一个或多个网络设备。网关设备的示例包括基站、路由器、交换机、中继器、接入点等。该多个网关设备可以包括多个固定式网关设备,这些固定式网关设备可被固定于工业设施中的多个位置。设施中的多个用户设备连接至一个或多个工业网关设备以连接至无线网络100并且用于与工业设施中的其他设备和系统进行信息通信。这里的用户设备是指能够经由网关设备连接至无线网络的工业设备。用户设备包括能够处理来自其他工业设备的数据的一个或多个工业应用程序。
这样的示例网关设备包括如图100所示的分布式基站。分布式基站包括无线电单元120(也称为RU 120)以及分布式和中央单元(130)。虽然分布式单元和中央单元在图中示出为一个单一设备,但是分布式单元和中央单元也可以在两个单独的设备上实现。分布式基站连接至无线网络的用户面功能140,用于从连接至无线电单元120的一个或多个用户设备(在图中示出为用户设备110)传输数据包。无线电单元120经由专用无线子网络105连接至分布式和中央单元130。专用无线子网络105基于蜂窝技术并且包括专用基站165、用户设备115(也称为专用用户设备115)和用户面功能145。专用无线子网络可以在微波频率(例如,毫米波频段中的5G FR2)以及在相同的sub-6GHz 5G频段或者在用于公用事业的任何其它频段进行工作。
用户设备115有线或无线地连接至无线电单元120,并且被配置为从无线电单元120接收数据包。然后,用户设备115被配置为将这些数据包无线地传输至专用基站165的无线电单元125,以经由专用基站165和用户面功能145传输至分布式和中央单元130。专用用户设备115被固定于第一无线电单元附近的预定义位置。因此,专用无线子网络充当运行网络100的分布式基站的无线电单元120与分布式和中央单元之间的隧道或网桥。另外,无线网络100包括第一网络切片150(也称为运行切片150)和第二网络切片155(也称为链路切片155)。运行切片150用于配置和控制包括运行无线网络的第一用户和控制面的无线网络的网络设备,并且链路切片155用于配置和控制包括无线子网络105的第二用户和控制面的专用无线子网络105的网络设备。因此,与运行切片相比,链路切片155可具有不同的网络特性,以实现专用无线子网络105的作为无线电单元120与分布式和中央单元130之间的隧道或信道的适当功能。专用无线子网络105的这个方面和其他方面在以下图2的描述中进行解释。
图2示出了工业设施在无线网络100(也称为运行无线网络100)的无线电单元120(也称为第一无线电单元120)与分布式单元130(也称为第一分布式单元130)之间通信的方法200。在一个示例中,方法200由运行无线网络100的分布式基站的无线电单元120执行。
在步骤210,提供与第一无线电单元120相关联的专用无线子网络105。虽然专用无线子网络105与第一无线电单元120相关联,但是专用无线子网络105还可以与运行无线网络100的更多无线电单元相关联。如前所提及,专用无线子网络105包括连接至第一无线电单元120的专用用户设备115。用户设备115经由有线或无线手段连接至第一无线电单元。在一个示例中,经由基于以太网的连接或经由短程无线连接来连接用户设备115。用户设备115能够连接至基站165的专用无线电单元125。用户设备115的行为不同于运行无线网络100的用户设备(例如,用户设备110)的行为,这是因为用户设备115被固定于预定义位置并且永久地连接至无线电单元125,而不是从一个无线电单元切换到另一个无线电单元。类似地,无线电单元125的行为不同于运行无线网络100的无线电单元(例如,第一无线电单元120)的行为。在步骤220,第一无线电单元120从用户设备110接收至少一个数据包。至少一个数据包与运行无线网络100的第一用户面和第一控制面中的一者相关联。这里的用户面是指网络的设备上的一个或多个协议或协议栈,与数据的传输相关。这里的控制面是指网络设备上的协议或协议栈,与网络连接建立、接口网络管理、移动性管理等相关。相应地,该至少一个数据包包括待传输的数据或与运行网络100的网络设备相关联的配置相关的数据。
在一个示例中,至少一个数据包由在用户设备110上运行的工业应用程序生成,并且相应地通过与运行无线网络100相关联的第一用户面被传输至第一无线电单元120。然后,在步骤230,第一无线电单元120经由专用无线子网络105的用户面将至少一个数据包传输至第一分布式单元(130)。该传输经由用户设备115、专用无线子网络105的专用基站165和用户面功能145执行。因此,在接收到至少一个数据包之后,第一无线电单元120将该至少一个数据包传输到用户设备115。用户设备115然后将至少一个数据包传输到专用基站165的无线电单元125,该无线电单元然后将至少一个数据包传输到用户面功能145。该传输在专用无线子网络105的第二用户面上进行。当在无线电单元125处接收到至少一个数据包时,无线电单元125将至少一个数据包传输至专用基站165的分布式和中央单元135,该分布式和中央单元135转而将数据包传输至专用无线子网络105的用户面功能145。最后,至少一个数据包经由用户面功能145传输至第一分布式单元130。因此,至少一个数据包从无线电单元120传输至第一分布式单元130。
如前所提及,为了确保上述传输以低延迟和高可靠性进行,专用无线子网络105的元件其次被适当地配置为充当第一无线电单元120与第一分布式单元130之间的网桥。因此,专用无线子网络105的第二用户面的配置不同于运行无线网络100的第一用户面的配置,并且专用无线子网络105的第二控制面的配置不同于运行无线网络100的第一控制面。下面通过示例进一步说明这一点。
在第一示例中,专用无线子网络105具有静态配置以提供最佳性能,即,用于在第一无线电单元120与第一分布式单元130之间传输数据包的超低延迟。因此,对于这个低延迟,用户设备115被配置为使得用户设备115仅向无线电单元125认证其自身一次,然后用户设备115保持在始终开启状态(即,在“始终连接状态”)。这允许用户设备115和无线电单元125之间建立快速呼叫以实现非常低的延迟。这通过专用无线子网络的第二数据和第二控制面的配置来实现。此外,专用无线子网络105具有固定配置以确保可能的最低延迟。因此,专用无线子网络105的设备使用可能的子载波间隔(5G的最高参数集)并且利用根据3GPP规范的自包含和最小时隙。在另一示例中,专用无线子网络105的行为是动态的,并且在接收到来自用户设备115的具对应QoS的每个请求时分配资源。当需要不同服务等级的传输时,实施示例中的该方法。这是使用转换服务等级请求QoS的特定功能执行的。链路切片155基于该请求分配必要的资源。
在一个示例中,专用用户设备115包括第一接口,该第一接口被配置为将与第一用户面和第一控制面相关联的一个或多个协议映射至第二用户面的一个或多个协议。通常,不同的前传协议可以在RU 120与DU 130之间使用,这取决于用于协议栈的逻辑拆分选项,例如,eCPRI或nFAPI。因此,UE或用户设备115包括接口,该接口能够将在运行网络100的RU120和DU 130之间使用的前传协议(例如,eCPRI)封装到用于在无线子网络105内通信的IP协议(或标准5G协议)中。类似地,子网络105的UPF 145包括接口(也称为接口功能),该接口从用于子网络105的IP传输层提取前传协议,并且将对应数据包(例如,eCPRI)传递至DU130。当数据包在下行链路中从DU 130发送到RU 120时,前传协议的封装以相反的方式进行。前传协议将子网络105的UPF 145封装到在无线子网络105上传输的数据包的IP层中,然后由用户设备115的第一接口解封装以将eCPRI数据包传递至RU 120。
本领域技术人员应当注意,虽然上述方法是针对从无线电单元120到分布式单元130的传输来解释的,但是可以理解的是,上述方法和专用子网络也可以用于数据包从分布式单元到无线电单元的传输。专用子网络可用于双向通信。
因此,本公开通过引入专用无线子网络解决运行无线网络的远程无线电单元与分布式单元之间的传输问题,该专用无线子网络基于与运行无线网络相同的技术和架构,并且因此可使用与运行无线网络相同的核心网络。因此,专用无线子网络可视为充当运行无线网络的一个或多个网络设备之间的网桥的嵌套子网络。在一个示例中,运行无线网络用作TSN网络中的虚拟TSN网桥。这在图3中进一步示出。
图3示出了充当两个TSN站310和320之间的虚拟TSN网桥的无线网络。无线网络基于如前所描述的无线网络100。除了前面提到的元件或设备之外,TSN网络还包括TSN控制器335,该TSN控制器负责与TSN站310和320相关的定时同步和流量调度。类似地,TSN网络包括用于将TSN站310连接至无线网络的TSN网桥330。TSN站310和320之间的通信经由无线网络进行,尤其是经由用户设备110和分布式单元130以及UPF 140进行。因此,TSN通信经由专用无线子网络105进行。因此,为了确保TSN通信符合TSN要求而进行,TSN控制器335、运行切片150和链路切片155在链路切片155的配置期间相互协作。在TSN站310和TSN站320之间建立通信流的所有TSN相关的控制信息都从TSN控制器335发送到运行切片150。在两个核心网络切片150和155之间引入被称为TSN_IWF(图中未示出)的新互通功能。TSN_IWF将运行切片150的TSN流要求转换到链路切片155,以保证在专用无线子网络105中建立的通信流(或隧道)满足与TSN站310和320相关联的所需服务质量。这样,专用子网络被配置为支持TSN网络的要求。此外,专用子网络105的用户设备和运行无线子网络的无线电单元的映射由运行切片150保持,并且该映射信息与来自TSN控制器335的延迟要求、优先级类别和QoS一起由TSN_IWF使用。
因此,本公开描述了专用无线子网络,该专用无线子网络用于使用与运行无线网络相同的网络技术和网络核心将运行无线网络的无线远程无线电单元连接至对应分布式单元。因此,使用专用无线子网络满足了运行无线网络的高性能要求,该专用无线子网络基于与运行无线子网络相同的底层技术。因此,这允许提供无线电单元与分布式单元之间的连接的有成本效益的方式,因为工业设施所有者能够利用运行无线网络的现有网络核心。
另一方面,本公开描述了用于在工业设施中将运行无线网络100的第一无线电单元120和第一分布式单元130连接的专用基站105。专用基站105包括:专用无线电单元125,能够无线地连接至与第一无线电单元120相关联的专用用户设备115;以及专用分布式单元135,通信地连接至专用无线电单元125和第一分布式单元130。专用基站105被配置为进行以下各项之一:经由专用用户设备115在第二用户面上从第一无线电单元120接收一个或多个数据包,并且向第一无线电单元120传输一个或多个数据包,其中一个或多个数据包与第一用户面和第一控制面中的一个相关联。
本领域技术人员可以注意到,上述网络设备和功能(即,用户设备110和115、无线电单元120和125、分布式单元130和165、用户面功能140和145以及网络切片150和155)可以被实现为独立的硬件设备或者设备中的软件。因而,网络设备的功能可以使用计算机程序产品来实现,该计算机程序产品包括可以从存储程序代码的计算机可用或计算机可读介质访问的程序模块,该程序代码由一个或多个计算机、处理单元或指令执行系统使用或关联。为了本说明书的目的,计算机可用或计算机可读非暂时性存储介质可以为任意装置,该装置可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备使用或关联。介质可以是电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统(或装置或设备)或传播介质,就其本身而言,其作为信号载体不包括在物理计算机可读介质的定义中,物理计算机可读介质包括半导体或固态存储器、磁带、可移动计算机磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬磁盘和光盘(比如只读光盘存储器(CD-ROM)、光盘读/写器和DVD)。如本领域技术人员已知的,用于实现本技术的各方面的处理单元和程序代码均可以是集中式的或分布式的(或其组合)。
虽然本公开参考少数工业设备来描述,但在本发明的背景下可以使用多个工业设备。此外,虽然本公开使用单个子网络来解释,但是在运行网络中可以使用多个子网络。类似地,虽然本公开描述了经由无线子网络105连接至分布式单元的单个无线电单元,但是无线子网络可以被用于将多个无线电单元连接至多个分布式单元。在这样的场景下,无线子网络的用户面可以被适当地配置以确保数据包根据与关联于数据包的无线电单元相关联的QoS来传输。此外,虽然本发明是使用数据包来解释的,但是其他这样的数据块比如数据报、数据帧也可以用于实现本发明。
虽然已经参考某些示例详细描述了本公开,但应该理解的是,本公开不仅限于这些示例。基于本公开,对于本领域技术人员来说,在不背离本公开的不同示例的范围的情况下,许多修改和变化将呈现自身,如本文所描述的。方法权利要求中要求保护的所有有利实施方案也可以应用于系统/装置权利要求。
Claims (11)
1.一种在工业设施中的运行无线网络(100)的第一无线电单元(120)与第一分布式单元(130)之间通信的方法(200),所述方法(200)包括:
a.提供与所述第一无线电单元(120)相关联的专用无线子网络(105),所述专用无线子网络(105)包括连接至所述第一无线电单元(120)的专用用户设备(115)、基站(165)的连接至所述专用用户设备(115)的专用无线电单元(125)以及连接至所述专用无线电单元(125)和所述第一分布式单元(130)的专用分布式单元(135);
b.由所述第一无线电单元(120)从用户设备(110)接收至少一个数据包,其中,所述至少一个数据包与所述运行无线网络(100)的第一用户面和第一控制面中的一者相关联;以及
c.由所述第一无线电单元(120)经由所述专用无线子网络(105)的第二用户面将所述至少一个数据包传输至所述第一分布式单元(130);
其中,所述专用无线子网络(105)包括所述第二用户面和第二控制面,其中,所述第二用户面的配置不同于所述第一用户面的配置,并且所述第二控制面的配置不同于所述第一控制面的配置,并且其中,所述专用无线子网络(105)还包括用户面功能(145),所述用户面功能(145)用于将所述第一分布式单元(130)与所述专用分布式单元(135)连接。
2.根据权利要求1所述的方法(200),其中,所述专用用户设备(115)被固定于所述第一无线电单元(120)附近的预定义位置。
3.根据权利要求1所述的方法(200),其中,所述运行无线网络(100)包括与所述第一用户面和所述第一控制面相关联的第一网络切片(150),以及与所述第二用户面和所述第二控制面相关联的第二网络切片(155)。
4.根据权利要求1所述的方法(200),其中,所述专用用户设备(115)包括第一接口,所述第一接口被配置为将与所述第一用户面和所述第一控制面相关联的一个或多个协议映射至所述第二用户面的一个或多个协议。
5.根据权利要求1所述的方法(200),其中,所述方法(200)还包括:由所述第一无线电单元(120)经由所述专用无线子网络(105)从所述第一分布式单元(130)接收至少一个其他数据包,所述至少一个其他数据包与所述第一用户面和所述第一控制面中的一者相关联。
6.根据权利要求3所述的方法(200),其中,所述第一网络切片(150)被配置为在TSN网络中作为TSN网桥运行,并且其中,所述第一网络切片(150)被配置为接收与时间敏感网络(TSN)相关联的一个或多个要求并且针对所述第二网络切片(155)转换所述一个或多个要求。
7.一种用于在工业设施中连接运行无线网络(100)的第一无线电单元(120)和第一分布式单元(130)的专用基站(165),所述专用基站(105)包括:
a.专用无线电单元(125),能够无线地连接至与所述第一无线电单元(120)相关联的专用用户设备(115);以及
b.专用分布式单元(135),能够通信地连接至所述专用无线电单元(125)并且经由用户面功能(145)连接所述第一分布式单元(130);
其中,所述专用基站(165)被配置为进行以下各项之一:从所述第一无线电单元(120)接收一个或多个数据包,以及经由所述专用用户设备(115)在第二用户面上向所述第一无线电单元(120)传输一个或多个数据包,其中,所述一个或多个数据包与第一用户面和第一控制面中的一者相关联,所述第一用户面和所述第一控制面与所述第一无线电单元相关联。
8.一种专用无线子网络(105),用于使用根据权利要求7所述的专用基站(165)在工业设施中连接运行无线网络(100)的第一无线电单元(120)和第一分布式单元(130),所述专用无线子网络(105)包括:
a.专用用户设备(115),能够通信地耦合至所述第一无线电单元(120)并且通信地耦合至所述专用基站(165)的所述专用无线电单元(125);
b.所述用户面功能(145),能够连接至所述专用基站(165)的所述专用分布式单元(135)以及所述第一分布式单元(130);以及
c.专用用户面,用于在所述专用用户设备(115)与所述专用基站(165)之间传输数据包,其中,所述专用用户面被配置为对与第一控制面和第一数据面中的一个相关联的数据包进行隧道传输,所述第一控制面和所述第一数据面与所述第一无线电单元(120)和所述第一分布式单元(130)相关联。
9.根据权利要求8所述的专用无线子网络,其中,所述专用用户设备(115)包括第一接口,所述第一接口被配置为将与所述第一用户面和所述第一控制面相关联的一个或多个协议映射至所述专用用户面的一个或多个协议。
10.根据权利要求8所述的专用无线子网络,还包括:子网络切片(155),用于控制所述专用用户设备(115)和所述专用基站(165),所述子网络切片(155)通信地耦合至与所述第一无线电单元(120)和所述第一分布式单元(130)相关联的第一网络切片(150)。
11.根据权利要求10所述的专用无线子网络,其中,所述第一网络切片(150)被配置为在TSN网络中作为TSN网桥运行,并且其中,所述第一网络切片(150)被配置为接收与时间敏感网络(TSN)相关联的一个或多个要求,并且针对所述子网络切片(155)转换所述一个或多个要求。
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