網(wǎng)絡融合深化使能5G全場景多維度服務

（中國移動研究院網(wǎng)絡與IT技術(shù)研究所，北京 100053）

(Institute of Network and IT Technology, China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China)

1 在5G 獨立組網(wǎng)（SA）商用元年審視5G發(fā)展的走向

移動通信技術(shù)發(fā)展的魅力是其代際的更替。10年一代的蜂窩網(wǎng)“摩爾定律”讓從事移動通信技術(shù)的研發(fā)人員無法停下前進的腳步。思考5G技術(shù)發(fā)展的過程，同時展望后5G技術(shù)的演進將具有重要的意義。這對指導我們實踐5G應用以及拓展5G技術(shù)的邊界至關(guān)重要。

2020年是5G獨立組網(wǎng)商用的元年。中國、韓國等國家的運營商都已經(jīng)表示將在2020年進行5G SA網(wǎng)絡的商用。作為產(chǎn)業(yè)鏈中特別重要的一環(huán)，5G SA能力的終端也將更加豐富多樣。5G網(wǎng)絡可以避免對4G的強依賴，提供端到端更高性能及更靈活的連接服務。

5G技術(shù)從被提出以來就一路坎坷。技術(shù)標準的分歧、架構(gòu)的多樣、非技術(shù)因素的干擾，甚至2020年爆發(fā)的新冠疫情都使得5G的發(fā)展命途多舛；然而，好的技術(shù)不會被埋沒，這些困難并不能阻礙5G的發(fā)展。作為全球5G的排頭兵，中國運營商在過去幾年通過建設全球最大規(guī)模的4G網(wǎng)絡帶來了巨大紅利。相信5G的新發(fā)展必將為我們的生產(chǎn)生活帶來翻天覆地的變化[1]。

2 從融合的角度分析5G架構(gòu)的演進

網(wǎng)絡的融合是移動通信技術(shù)一直追求的重要主題。標準化組織3GPP在3G時代就開始對融合的網(wǎng)絡架構(gòu)進行標準化，對3GPP標準定義的蜂窩網(wǎng)（簡稱3GPP網(wǎng)絡）和非3GPP定義的網(wǎng)絡[簡稱非3GPP網(wǎng)絡，如碼分多址（CDMA）、無線局域網(wǎng)（WLAN）等]進行了融合的架構(gòu)設計。在4G時期，網(wǎng)絡的融合架構(gòu)更加全面，既考慮了可信和非可信的接入類型，也考慮了實現(xiàn)融合所采用的不同技術(shù)，如基于終端的協(xié)議和基于網(wǎng)絡的協(xié)議[2]。以T-Mobile USA為代表的運營商在其網(wǎng)絡中部署了對非可信WLAN接入支持的能力，實現(xiàn)了基于Wi-Fi的語音通話的業(yè)務[3]；然而，由于不可信的融合方案需要終端與網(wǎng)絡建立IPSec安全隧道，對終端能力的要求高，導致產(chǎn)業(yè)支持度一直不好。Apple公司在2013年的iOS7系統(tǒng)中引入了對多路徑傳輸控制協(xié)議（MPTCP）的支持[4]，用以提升其Siri應用識別話音的業(yè)務體驗。這是4G時代又一個網(wǎng)絡融合與協(xié)同的標志性進展，它不僅提升了網(wǎng)絡對應用的響應速度，還能輔助用戶在蜂窩網(wǎng)和Wi-Fi網(wǎng)絡平滑靈活地切換。隨后幾年，Apple公司把MPTCP擴展到其他應用中，例如Apple Map等。

網(wǎng)絡融合是5G發(fā)展的內(nèi)在需求，在后5G階段將持續(xù)深化。5G網(wǎng)絡架構(gòu)的融合設計來自3個主要驅(qū)動力：

1）增強網(wǎng)絡接入帶寬。以多接入能力、4G/5G融合為代表，“網(wǎng)絡總是擁塞的”在任何時代都是成立的。新冠肺炎（COVID-19）在歐洲爆發(fā)后，YouTube將歐盟和英國的視頻降為標清，以避免成千上萬的歐洲人在家工作導致網(wǎng)絡崩潰。此前，Netflix也宣布降低在歐洲播出的一切流媒體視頻質(zhì)量和大小。4G/5G/Wi-Fi/固網(wǎng)仍然是提升帶寬最直接的手段，因此，這些網(wǎng)絡的融合與協(xié)同仍然非常重要。

2）提升運維管理效率。對于提供固網(wǎng)和移動網(wǎng)的全業(yè)務運營商來說，依托蜂窩網(wǎng)在接入管理、控制、計費等一系列的優(yōu)勢，實現(xiàn)統(tǒng)一運維是降本增效的重要手段。此外，統(tǒng)一運營也有利于實現(xiàn)用戶業(yè)務體驗的一致性和綜合網(wǎng)絡服務能力，從而增強用戶粘性。

3）擴展網(wǎng)絡服務的場景。5G最主要的特征是服務垂直行業(yè)能力的擴展，這也體現(xiàn)在網(wǎng)絡架構(gòu)的融合上。從地面接入為主到融合衛(wèi)星接入，從面向為人服務為主擴展到面向生產(chǎn)和制造的服務。這就需要網(wǎng)絡支持生產(chǎn)制造場景下的數(shù)據(jù)傳輸類型及特有的場景。本文中，我們對擴展的網(wǎng)絡服務場景進行了分析和介紹。

3 網(wǎng)絡架構(gòu)深化融合促進5G服務能力擴展

3.1 在能力三角的基礎上繼續(xù)提升網(wǎng)絡能力

從2016年開始，3GPP定義了R15和R16兩個5G國際標準的版本，用接近5年的時間完成了5G面向3大典型業(yè)務場景的技術(shù)研究及標準化。在這個過程中，5G網(wǎng)絡一直將網(wǎng)絡融合作為重要的特性在不斷增強和發(fā)展。

3.2 固定移動融合

“內(nèi)生的融合”是5G系統(tǒng)設計之初的目標[5]。5G設計之初，寬帶論壇（BBF）與3GPP SA2（系統(tǒng)架構(gòu)組）在2017年2月召開了聯(lián)合會議。運營商希望5G具備統(tǒng)一接入的能力，實現(xiàn)“接入無關(guān)性”。這就要求不同的接入方式統(tǒng)一使用3GPP的接入標準：終端采用N1（5G NAS）協(xié)議，接入網(wǎng)采用3GPP定義的N2（控制面）和N3（用戶面）接口。在具體方案設計時，考慮到現(xiàn)有舊的設備（如固網(wǎng)的家庭網(wǎng)關(guān)）難以升級，3GPP進行了折中的架構(gòu)設計。

根據(jù)安全程度、接入類型、終端能力這3個維度，固定移動融合分成多種接入架構(gòu)。3GPP在R15定義了非可信接入的場景，在R16進行擴展支持了可信接入及固網(wǎng)接入的場景。

1）從安全程度來看，分可信接入及非可信接入，如圖1所示?？尚沤尤胧侵冈摻尤刖W(wǎng)與運營商的網(wǎng)絡同屬于一個安全域，終端通過可信接入網(wǎng)關(guān)（TNGF）后能直接接入5G核心網(wǎng)（5GC）。在非可信接入場景下，接入網(wǎng)需要通過“互通功能”（N3IWF）后再接入5GC。

圖1 可信及非可信非3GPP接入架構(gòu)

2）從接入類型看，分無線接入（如Wi-Fi）和固定接入（固定寬帶接入，如家庭網(wǎng)關(guān)）。蜂窩網(wǎng)和Wi-Fi網(wǎng)絡的融合能力是相對完善的，也是最主要的場景。隨著Wi-Fi 6能力的引入和北美對非授權(quán)頻段的支持，我們可以預見，Wi-Fi與5G的融合仍將是最重要的融合能力。在對Wi-Fi融合接入支持的基礎上，3GPP在R16定義了固定接入（家庭網(wǎng)關(guān)）接入5G核心網(wǎng)的架構(gòu)[2]。

3）從終端能力來看，終端通過非3GPP接入5GC時，又分為具備或不具備5G 信令（NAS）能力兩種類型，如圖2所示。5G家庭網(wǎng)關(guān)（5G-RG）是一類新的終端，具備5G NAS（N1接口）信令能力，能接入5G核心網(wǎng)，對5G網(wǎng)絡來說可以被看作一個5G終端。固網(wǎng)家庭網(wǎng)關(guān)（FN-RG）代表一類舊的、非原生5G接入的終端，本身不支持5G信令，需要通過有線接入網(wǎng)關(guān)（W-AGF）的5G信令接入5G核心網(wǎng)。

在網(wǎng)絡融合接入中，終端具有很大的主動性。終端將根據(jù)諸如設備配置、用戶偏好、歷史記錄、當前可用的網(wǎng)絡信息等因素選擇是通過可信還是非可信的方式接入網(wǎng)絡。不論終端選擇了可信還是非可信的接入，終端的接入和移動性管理功能（AMF）仍然是唯一的。雖然終端和網(wǎng)絡的信令參考點N1是兩個（非3GPP的N1連接與3GPP的N1連接），但是只要公用陸用移動網(wǎng)（PLMN）是同一個。

終端無感知的網(wǎng)絡融合方式仍將是后續(xù)技術(shù)發(fā)展的方向。從3G/4G的網(wǎng)絡融合的應用來看，終端的數(shù)量大、種類多、能力參差不齊等因素往往是制約網(wǎng)絡融合統(tǒng)一的關(guān)鍵；因此，盡可能降低對終端的影響、降低用戶使用的難度、避免業(yè)務體驗的影響，往往是運營商選擇融合方案實施的主要考量之一。

3.3 空天地一體化融合

4G引入的“永遠在線”是指終端開機即完成注冊認證、地址分配、連接建立的過程，以便于快速地發(fā)起數(shù)據(jù)業(yè)務；然而，在偏遠地區(qū)、海上、沙漠/草原等特殊環(huán)境下，缺少了基站的覆蓋，這種“永遠在線”也不復存在。衛(wèi)星接入可以讓5G終端解決這些場景下的接入問題。

衛(wèi)星接入與5G的融合在3GPP進行5G設計之初就受到了很高的關(guān)注。眾多衛(wèi)星公司如休斯公司等，都已積極參與到3GPP的5G系統(tǒng)設計工作中，在R15的周期內(nèi)研究了衛(wèi)星接入的空口信道[6]，并在R16周期內(nèi)對衛(wèi)星接入的網(wǎng)絡融合架構(gòu)進行了研究[7]。衛(wèi)星接入正式的標準制訂已在R17啟動。這既涉及接入網(wǎng)的工作，也涉及核心網(wǎng)架構(gòu)的工作。

衛(wèi)星網(wǎng)絡主要通過兩種方式和地面移動網(wǎng)絡進行融合，即衛(wèi)星作為非3GPP無線接技術(shù)（RAT）或3GPP RAT接入到5G核心網(wǎng)。衛(wèi)星作為非3GPP RAT接入時，可參考3.2節(jié)所討論的方式。衛(wèi)星作為3GPP RAT接入時，如圖3所示，衛(wèi)星的空口采用3GPP增強協(xié)議，基站的部分或全部功能部署在衛(wèi)星上。5G核心網(wǎng)對功能、接口進行增強和優(yōu)化以適應衛(wèi)星接入的特點。衛(wèi)星作為3GPP RAT接入5G核心網(wǎng)時，存在如下3種可能的組網(wǎng)方案[7]。

方案1：衛(wèi)星作為基站的射頻拉遠單元，透明傳輸?shù)孛婊竞徒K端之間的無線信號。衛(wèi)星和終端以及衛(wèi)星和基站之間采用3GPP的空口；

方案2：分布式單元（DU）和集中式單元（CU）間的前傳接口通過衛(wèi)星無線空口（SRI）傳輸，衛(wèi)星具備基站的部分功能，5G基站的DU部分部署在衛(wèi)星上，衛(wèi)星和地面基站的核心網(wǎng)共用，但需要進行移動性管理、會話管理等功能增強；

方案3：基站與核心網(wǎng)間的接口（N2/N3接口）通過衛(wèi)星空口傳輸。衛(wèi)星具備5G基站的全部功能，DU、CU均部署在衛(wèi)星上，衛(wèi)星和地面基站的核心網(wǎng)共用。

圖2 不同能力的家庭網(wǎng)關(guān)接入5G核心網(wǎng)的架構(gòu)

圖3 衛(wèi)星作為3GPP RAT和移動網(wǎng)絡融合架構(gòu)

除了衛(wèi)星接入的融合，5G為空中無人機的接入及管理也提供了基礎手段。美國聯(lián)邦航天管理局（FAA）在2019年12月[8]發(fā)布了對航空飛行器的監(jiān)管要求，要求在美國的無人機飛行器都能對其標識進行辨識、對飛行器的飛行進行跟蹤。3GPP在R17也啟動了無人機控制的項目（UAS），通過設計無人機管理架構(gòu)來實現(xiàn)對無人機飛行器的連接、標識和跟蹤。

3.4 面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的通信技術(shù)（CT）與運營技術(shù)（OT）融合

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)越來越被認為是5G的重要應用場景之一，這在5G標準的后續(xù)版本中得到了充分體現(xiàn)。例如，5G局域網(wǎng)（5G LAN，R16）和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（IIoT，R17）在3GPP得到了產(chǎn)業(yè)界眾多公司的支持。這是CT網(wǎng)絡與OT網(wǎng)絡的融合在5G網(wǎng)絡上最直觀的反映。

對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的支持需要5G能夠為多種工業(yè)場景下的數(shù)據(jù)傳輸提供通道。事實上，5G在第一個版本（R15）中就提供了以太網(wǎng)的支持[9]。ETSI在2020年4月也成立了非IP網(wǎng)絡（NIN）的工作組[10]，其目的是為5G的應用場景研究比IP更適合的協(xié)議。在這之前，ETSI已經(jīng)完成了“下一代協(xié)議（NGP）”的研究工作。NIN指出，在70年代IP協(xié)議被用來固定網(wǎng)絡傳輸文本，在5G時代需要研究非IP技術(shù)來應對諸如降低音視頻及體感網(wǎng)的時延、現(xiàn)場對海量接收者的直播、網(wǎng)絡服務可持續(xù)保障、更高效的頻譜和處理能力的使用等。

圖4 衛(wèi)星作為3GPP RAT和移動網(wǎng)絡融合架構(gòu)

3GPP在R16引入了對時間敏感網(wǎng)絡（TSN）的支持，如圖4所示。5G系統(tǒng)對外表現(xiàn)為TSN“邏輯橋”，即作為一個黑盒呈現(xiàn)。在控制面，AF作為翻譯器，用于適配5G系統(tǒng)接口和TSN協(xié)議及參數(shù)。在用戶面，5G系統(tǒng)通過TSN的翻譯器（終端翻譯器DSTT和網(wǎng)絡翻譯器NWTT）向TSN網(wǎng)絡提供TSN端口特性。在實現(xiàn)方式上，NWTT和轉(zhuǎn)發(fā)面網(wǎng)元（UPF）合一部署，DSTT和終端合一或者獨立部署。

需要指出的是，3GPP R16對TSN的支持仍然非常有限。3GPP從IEEE的約26個TSN典型協(xié)議中選擇支持最基本、相對簡單的5個協(xié)議：IEEE 802.1Qbv(出口門控列表)、802.1AS(時間同步）、802.1Qci(入口的流過濾）、802.1AB(網(wǎng)絡拓撲發(fā)現(xiàn)）、802.1Qcc（網(wǎng)絡管理模型）[9]。

以TSN為代表的CT與OT融合技術(shù)將是一個長期的過程。TSN的技術(shù)本身仍在發(fā)展中：IEEE在2018年以來陸續(xù)發(fā)布相關(guān)技術(shù)標準并將繼續(xù)豐富完善；相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍有較長的路要走，TSN控制器的實現(xiàn)復雜性高。在應用時，考慮到時間同步、時延、維護業(yè)務轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)等方面的要求[11]，TSN初期應用在小范圍網(wǎng)絡中。5G對以TSN為代表的行業(yè)應用的支持仍在繼續(xù)增強。R17的IIoT項目研究者將對支持TSN的上行時間同步、多時鐘域、終端直接通信（通過用戶面網(wǎng)關(guān)）、對時間同步及確定性業(yè)務能力的開放等方面開展進一步研究工作。

4 結(jié)束語

網(wǎng)絡融合是移動通信實現(xiàn)接入能力兼容并包、技術(shù)變革升級的重要途徑。5G在網(wǎng)絡融合的道路上有了更深入的發(fā)展，未來網(wǎng)絡的應用也必將證明這一點。蜂窩網(wǎng)絡的演進，特別是網(wǎng)絡架構(gòu)的演進，總是不斷借鑒IP、IT、OT等領域的新技術(shù)。除了上述列舉的例子，我們可以從眾多其他例子中看到端倪，如3GPP在R16中所引入的5G LAN技術(shù)就是對WLAN網(wǎng)絡的本地組網(wǎng)、靈活易用能力的借鑒。

通過技術(shù)融合，移動通信也將代際更迭的紅利帶給相關(guān)技術(shù)領域。移動通信在兼容新的網(wǎng)絡技術(shù)時也促進了相關(guān)領域技術(shù)的革新。例如，4G時代蜂窩網(wǎng)與Wi-Fi的融合對Wi-Fi的無感知認證、Wi-Fi電話等技術(shù)起到促進作用。

應用與實踐是檢驗網(wǎng)絡融合成功與否的最重要標準。這不僅涉及到網(wǎng)絡的支持，也涉及到終端、接入網(wǎng)、承載網(wǎng)的支持。系統(tǒng)融合的技術(shù)瓶頸往往不是網(wǎng)絡，而是數(shù)量更多、更靠近用戶的終端。網(wǎng)絡融合技術(shù)的復雜性和融合的深度有關(guān)，即是達到業(yè)務邏輯統(tǒng)一的深度融合，還是僅實現(xiàn)系統(tǒng)間互通的簡單融合。需要指出的是，技術(shù)并不是決定性因素，網(wǎng)絡融合所帶來的管理組織結(jié)構(gòu)的融合、產(chǎn)業(yè)鏈的融合發(fā)展影響更深刻。“求其上者得其中”，我們不能因為網(wǎng)絡融合復雜而放棄技術(shù)和應用的融會貫通。