5G核心網(wǎng)面向3GPP R16演進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)及引入策略

楊旭，肖子玉，張明，邵永平

（1.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080； 2.中國(guó)移動(dòng)通信采購(gòu)共享服務(wù)中心，北京 100053）

1 引言

3GPP R15標(biāo)準(zhǔn)主要聚焦增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB），可以滿足大帶寬及部分低時(shí)延場(chǎng)景要求，3GPP R16聚焦三大業(yè)務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行功能增強(qiáng)，并已于2020年年中凍結(jié)，3GPP R17主要聚焦大連接物聯(lián)網(wǎng)（massive machine type communication，mMTC）場(chǎng)景，目前正在方案研究階段，計(jì)劃于 2021年第三季度凍結(jié)。

根據(jù)3GPP R15端到端產(chǎn)業(yè)鏈成熟周期預(yù)判，端到端產(chǎn)業(yè)鏈成熟滯后標(biāo)準(zhǔn)一年半以上，預(yù)計(jì)3GPP R16產(chǎn)業(yè)鏈將在2022年第一季度左右逐步成熟。3GPP標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)進(jìn)展分析如圖1所示。

圖1 3GPP標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)進(jìn)展分析

本文基于3GPP R16標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展及主要研究方向，對(duì)于其中優(yōu)先級(jí)相對(duì)高的部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)介紹，給出部署分析和引入策略的初步建議。

2 3GPP R16的主要研究方向

3GPP R15階段主要面向eMBB場(chǎng)景，并定義了基本的超可靠低時(shí)延通信（ultra reliable low latency communication，uRLLC）架構(gòu)，3GPP R16標(biāo)準(zhǔn)主要對(duì)于eMBB進(jìn)一步增強(qiáng)，并針對(duì)垂直行業(yè)進(jìn)行增強(qiáng)，滿足5G全部場(chǎng)景的業(yè)務(wù)需求，主要研究課題研究?jī)?nèi)容見(jiàn)表1。

表1 3GPP R16主要研究課題方向

3 3GPP R16關(guān)鍵技術(shù)研究及部署策略分析

本文主要就3GPP R16標(biāo)準(zhǔn)中后續(xù)商用優(yōu)先級(jí)高的部分課題進(jìn)行研究分析，主要包括eSBA、uRLLC、5G LAN、TSN、eNA等。

3.1 eSBA

3GPP R16基于R15 SBA架構(gòu)進(jìn)一步完善和架構(gòu)增強(qiáng)，包括框架的改進(jìn)、可靠性的改進(jìn)等。為5G 系統(tǒng)提供更高的靈活性和更好的模塊化，更容易地定義不同的網(wǎng)絡(luò)切片并更好地重用已定義的服務(wù)，更好地支持網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)的自動(dòng)化和高可靠性。

高可靠性實(shí)現(xiàn)主要引入NF set（集合）以及NF service set，一個(gè)NF set內(nèi)的NF實(shí)例，在功能上完全相同、可以互相替換、共享上下文；負(fù)載均衡和容災(zāi)機(jī)制借鑒AMF（access and mobility management function）set的機(jī)制：當(dāng)相關(guān)實(shí)體出現(xiàn)故障時(shí)，選擇其他的等價(jià)實(shí)體。

3GPP R16 23.501系統(tǒng)架構(gòu)中已經(jīng)定義了4種模式：R15 NF 之間互通模式采用模式A/B，即直連模式；3GPP R16引入模式C/D，引入SCP，由SCP負(fù)責(zé)NF之間的非直連通訊路由。SCP作用類似于service mesh，標(biāo)準(zhǔn)未定義SCP具體實(shí)現(xiàn)方式。option C（SCP無(wú)代理服務(wù)發(fā)現(xiàn)）NRF（network repository function）負(fù)責(zé)服務(wù)發(fā)現(xiàn)，SCP負(fù)責(zé)非直連通信路由。option D（SCP代理服務(wù)發(fā)現(xiàn)）NF不進(jìn)行服務(wù)發(fā)現(xiàn)，SCP向NRF進(jìn)行代理服務(wù)發(fā)現(xiàn)，并負(fù)責(zé)路由非直連通信。SCP組網(wǎng)方式如圖2所示。

圖2 3GPP R16引入option C/option D兩種SCP組網(wǎng)方式

5G SA建網(wǎng)初期，NF數(shù)量不多、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小、NRF處理能力不受限，且在R16標(biāo)準(zhǔn)中引入的SCP信令網(wǎng)元標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范尚未成熟，信令網(wǎng)組網(wǎng)建議采用 NRF獨(dú)立組網(wǎng)方案。待后續(xù)SCP標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品成熟后、5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)模逐步擴(kuò)大，NRF和SCP協(xié)同完成5G信令路由功能，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化組網(wǎng)、負(fù)載均衡等功能，降低對(duì)NRF的性能消耗。初步建議號(hào)段相關(guān)網(wǎng)元優(yōu)選option D，統(tǒng)籌考慮與DRA（diameter routing agent）融合演進(jìn)至4G/5G融合信令網(wǎng)，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)及路由架構(gòu)，具體如下：

（1）無(wú)用戶號(hào)碼歸屬關(guān)系的服務(wù)采用NRF尋址，如AMF尋址SMF，類似于4G網(wǎng)絡(luò)的DNS；

（2）有用戶號(hào)碼歸屬關(guān)系的服務(wù)采用SCP尋址，如AMF尋址UDM（unified data management）/PCF（policy control function）、SMF 尋址UDM/PCF/OCS。

3.2 uRLLC

超高可靠和超低時(shí)延是uRLLC的主要特征，主要滿足自動(dòng)駕駛、工業(yè)控制等業(yè)務(wù)需求。

（1）關(guān)鍵技術(shù)方案

超高可靠：主要通過(guò)用戶面冗余傳輸機(jī)制滿足uRLLC業(yè)務(wù)超高可靠性，3GPP R16標(biāo)準(zhǔn)定義了E2E冗余方案和N3/N9雙通道冗余方案，保證99.999%的可靠性。

其中，uRLLC端到端冗余方案架構(gòu)如圖3所示。

圖3 端到端冗余方案架構(gòu)

其中，uRLLC N3/N9雙通道冗余方案架構(gòu)如圖4所示。

圖4 N3/N9冗余方案架構(gòu)

QoS監(jiān)控：通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)包采樣支持對(duì)流級(jí) 別的E2E（空口+N3/N9）時(shí)延的檢測(cè)和上報(bào)，AF（application function）可以實(shí)時(shí)獲取網(wǎng)絡(luò)QoS時(shí)延的情況，適配調(diào)整應(yīng)用流。

超低時(shí)延：主要通過(guò)3GPP R16無(wú)線空口技術(shù)實(shí)現(xiàn)，另外，在核心網(wǎng)側(cè)可通過(guò)將UPF等設(shè)備部署在邊緣，進(jìn)一步降低時(shí)延。

（2）現(xiàn)網(wǎng)引入分析

·終端需要支持與uRLLC相關(guān)無(wú)線、核心網(wǎng)的特性，E2E冗余方案需要UE支持雙連接方案，預(yù)計(jì)2021年年底有測(cè)試模組，模組需要一定的量產(chǎn)和規(guī)模應(yīng)用周期。

·基站需要升級(jí)支持與uRLLC相關(guān)無(wú)線特性，E2E冗余方案需要基站支持雙連接方案，N3/N9冗余方案需要基站支持包復(fù)制和包去重，涉及的升級(jí)規(guī)模范圍較廣。

·N3/N9冗余方案需要UPF支持包復(fù)制和包去重，QoS監(jiān)控方案需要核心網(wǎng)部署NEF網(wǎng)元，PDU的連接數(shù)成倍增加。

（3）部署策略及建議

·uRLLC對(duì)UE、無(wú)線、核心網(wǎng)和業(yè)務(wù)平臺(tái)都有新的功能要求，涉及面較廣，產(chǎn)業(yè)成熟度還比較低，近期還不具備規(guī)模部署條件。

·考慮uRLLC是5G網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)的主要差異特性之一，在車聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)控制領(lǐng)域有較大的業(yè)務(wù)需求，未來(lái)可能有較大的價(jià)值空間，建議積極關(guān)注標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)進(jìn)展，適當(dāng)超前部署小規(guī)模試驗(yàn)網(wǎng)，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展并推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈成熟。

3.3 5G LAN

傳統(tǒng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提供的是統(tǒng)一的接入和一致的終端管理，5G LAN作為3GPP R16階段最具市場(chǎng)前景的技術(shù)之一，主要面向企業(yè)辦公、智能制造等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)終端的靈活組管理。5G LAN虛擬專網(wǎng)基于5G網(wǎng)絡(luò)能力，面向垂直行業(yè)通信需求，充分利用5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為垂直行業(yè)提供使能技術(shù)，靈活便捷的支持虛擬專網(wǎng)通信，擴(kuò)展行業(yè)應(yīng)用解決方案，提升5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。5G LAN邏輯組網(wǎng)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 5G LAN邏輯組網(wǎng)架構(gòu)示意圖

（1）關(guān)鍵技術(shù)方案

5G LAN支持以下3種用戶面轉(zhuǎn)發(fā)方案。

·基于N6接口：用于5G LAN虛擬網(wǎng)絡(luò)通信的上下行業(yè)務(wù)流量被轉(zhuǎn)發(fā)到DN，或通過(guò)DN轉(zhuǎn)發(fā)。適用于統(tǒng)一的專網(wǎng)業(yè)務(wù)平臺(tái)訪問(wèn)、通過(guò)專用服務(wù)器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的P2P、P2M、M2M通信。

·基于N19接口：用于5G LAN虛擬網(wǎng)絡(luò)的通信的上/下行業(yè)務(wù)流量通過(guò)N19接口在不同PDU會(huì)話的PSA UPF之間轉(zhuǎn)發(fā)。適用于不在同一UPF管理區(qū)域內(nèi)的UE之間通信。

·基于本地交換：用于5G LAN虛擬網(wǎng)絡(luò)的通信的上/下行業(yè)務(wù)流量由單個(gè)UPF本地轉(zhuǎn)發(fā)。適用于該UPF的是同一5G LAN虛擬網(wǎng)絡(luò)組的不同PDU會(huì)話的公共PSA UPF。

5G LAN技術(shù)在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中引入終端組管理的概念，支持組內(nèi)終端直接通信。主要有以下3個(gè)特征。

· 動(dòng)態(tài)群組管理：UDM維護(hù)一個(gè)組內(nèi)終端的所有簽約信息；行業(yè)客戶可通過(guò)能力開(kāi)放接口，將一個(gè)終端從群組內(nèi)動(dòng)態(tài)地加入或刪除。

· 終端靜態(tài)地址：5G網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)UDM配置，在創(chuàng)建5G LAN會(huì)話時(shí)為5G行業(yè)終端分配指定的靜態(tài)IP地址；行業(yè)客戶可通過(guò)能力開(kāi)放接口配置群組內(nèi)靜態(tài)IP地址段。

· 用戶面直接通信：一個(gè)組內(nèi)終端相互發(fā)送的數(shù)據(jù)，可經(jīng)過(guò)UPF進(jìn)行直接轉(zhuǎn)發(fā)，多個(gè)UPF之間可構(gòu)建直連隧道，保障直接通信；UPF具備直接轉(zhuǎn)發(fā)功能，縮短數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

（2）部署分析及引入策略

·5G LAN技術(shù)部署對(duì)5GC的影響和改造要求：基站支持以太網(wǎng)類型的PDU會(huì)話；NEF/UDM的服務(wù)增強(qiáng)，以支持動(dòng)態(tài)組管理；SMF/UPF的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)處理增強(qiáng)，以增強(qiáng)本地交換和跨UPF通信。

·5G LAN技術(shù)引入策略分析：該技術(shù)在行業(yè)通信領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用前景，可作為5G網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)技術(shù)在垂直行業(yè)2B網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)先引入，核心網(wǎng)廠商預(yù)計(jì)2021年可具備現(xiàn)網(wǎng)部署條件。

3.4 TSN

與uRLLC技術(shù)在可靠性和時(shí)延方面的保障相比，TSN技術(shù)進(jìn)一步地在時(shí)延抖動(dòng)和時(shí)間同步方面對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行增強(qiáng)。應(yīng)用場(chǎng)景包括工業(yè)控制、機(jī)器制造等，5GS作為一個(gè)TSN節(jié)點(diǎn)與傳統(tǒng)的TSN系統(tǒng)對(duì)接，使5G系統(tǒng)可替換TSN系統(tǒng)中的固定網(wǎng)絡(luò)部分。

（1）關(guān)鍵技術(shù)方案

5G系統(tǒng)擴(kuò)展支持IEEE 802.1AS時(shí)鐘同步機(jī)制、IEEE 802.1Qbv門限控制機(jī)制和802.1Qcc TSN配置機(jī)制等協(xié)議，從而構(gòu)建端到端的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)。5G TSN提供保障確定性網(wǎng)絡(luò)通信的機(jī)制，主要包括授時(shí)和時(shí)間同步、QoS映射和保障?；?GS時(shí)鐘的TSN架構(gòu)如圖6所示。

圖6 基于5GS時(shí)鐘的TSN架構(gòu)

·架構(gòu)增強(qiáng)：5G系統(tǒng)作為一個(gè)TSN橋集成在TSN系統(tǒng)中，5GS TSN轉(zhuǎn)換器功能由終端側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器（DS-TT）和網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器（NW-TT）組成。5GS通過(guò)IEEE 802.1管理接口將TSN橋的信息報(bào)告給TSN系統(tǒng)，同時(shí)映射并實(shí)施TSN系統(tǒng)發(fā)起的QoS調(diào)度請(qǐng)求，TSN系統(tǒng)控制器通過(guò)TSN AF與5GC交互控制信息。

·時(shí)間同步：為了實(shí)現(xiàn)TSN同步機(jī)制，整個(gè)端到端5G系統(tǒng)可看作一個(gè)IEEE 802.1AS時(shí)間感知系統(tǒng)，分為5G時(shí)間域和TSN時(shí)間域。在5G系統(tǒng)內(nèi)部，5G GM實(shí)現(xiàn)與UE、gNB、UPF、NW-TT和DS-TT的時(shí)間同步；只有5G系統(tǒng)邊緣的TSN轉(zhuǎn)換器（TT）才需要支持IEEE 802.1AS的相關(guān)功能。

·QoS控制：5G系統(tǒng)與TSN系統(tǒng)協(xié)商好每一個(gè)TSN業(yè)務(wù)流的QoS需求（如帶寬、時(shí)延要求等）。5G系統(tǒng)中的DS-TT和NW-TT支持IEEE 802.1Qbv的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。在5G系統(tǒng)內(nèi)部，TSN業(yè)務(wù)流將采用時(shí)延敏感GBR來(lái)保障。為了控制網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)亩秳?dòng)，UE/UPF提供了保持和前向緩沖機(jī)制，支持IEEE 802.1Qbv調(diào)度機(jī)制。該調(diào)度基于包延遲預(yù)算（packet delay budget，PDB）進(jìn)行5GS QoS保障，保證分組在其預(yù)定傳輸時(shí)間之前到達(dá)NW-TT或DS-TT出口。

（2）現(xiàn)網(wǎng)引入影響

5G TSN技術(shù)對(duì)終端、基站、傳輸和核心網(wǎng)均有改造要求，5G核心網(wǎng)還需要實(shí)現(xiàn)與傳輸網(wǎng)和基站的5G主時(shí)鐘同步；終端和UPF需要支持TT（TSN translator）功能；核心網(wǎng)AF/PCF需支持與TSN系統(tǒng)控制面（CNC集中網(wǎng)絡(luò)配置/CUC集中用戶配置）進(jìn)行對(duì)接并完成協(xié)議解讀和參數(shù)映射；核心網(wǎng)定義新的QoS模型支持TSN。

（3）部署策略及建議

雖然5G網(wǎng)絡(luò)引入TSN的代價(jià)較高，但可以預(yù)見(jiàn)5G TSN技術(shù)將廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、機(jī)器制造等領(lǐng)域。具備TSN屬性的5G網(wǎng)絡(luò)將真正成為具有確定時(shí)延、低抖動(dòng)、高可靠的5G確定性網(wǎng)絡(luò)，為垂直行業(yè)提供真正的SLA保障。隨著標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步成熟，探索引入TSN的局面將更加積極。

3.5 eNA

3GPP R15定義了NWDAF支持切片負(fù)載相關(guān)統(tǒng)計(jì)，主要用于網(wǎng)絡(luò)策略調(diào)整和切片選擇。3GPP R16增強(qiáng)了NWDAF進(jìn)一步使能網(wǎng)絡(luò)管控自動(dòng)化。

（1）關(guān)鍵技術(shù)方案

·數(shù)據(jù)收集及分析：以NWDAF為數(shù)據(jù)采集中心，NWDAF通過(guò)從5GC NF、第三方AF、RAN、OAM等收集各種信息，包括從5G NF收集的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行數(shù)據(jù)、從OAM獲取網(wǎng)絡(luò)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、從第三方AF獲取的業(yè)務(wù)MOS數(shù)據(jù)等，引入人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，構(gòu)建業(yè)務(wù)MOS和網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)和模型。NWDAF數(shù)據(jù)收集架構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 NWDAF數(shù)據(jù)收集架構(gòu)示意圖

·分析結(jié)果反饋：5GC NF或者AF或者OAM可以通過(guò)“訂閱/通知”或者“請(qǐng)求/響應(yīng)”兩種服務(wù)從NWDAF網(wǎng)元獲取數(shù)據(jù)分析結(jié)果；利用分析結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，包括5G QoS增強(qiáng)、切片SLA保障、UPF選擇、mIoT終端監(jiān)管、定制化的移動(dòng)性管理、NF實(shí)例選擇等。

·基于service MOS的5G QoS增強(qiáng)：NWDAF從第三方AF獲取業(yè)務(wù)MOS值，進(jìn)行業(yè)務(wù)模型訓(xùn)練，NWDAF將分析結(jié)果反饋給PCF以便調(diào)整初始QoS參數(shù)?；趕ervice MOS的5G QoS增強(qiáng)示意圖如圖8所示。

圖8 基于service MOS的5G QoS增強(qiáng)示意圖

·基于service MOS的切片SLA保障：NWDAF分析切片SLA、QoE的情況，當(dāng)出現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量降級(jí)或者即將降級(jí)的時(shí)候，動(dòng)態(tài)的調(diào)整網(wǎng)絡(luò)切片的資源和參數(shù)配置。基于service MOS的切片SLA保障示意圖如圖9所示。

圖9 基于service MOS的切片SLA保障示意圖

（2）現(xiàn)網(wǎng)引入影響

現(xiàn)網(wǎng)需引入NWDAF新NF，同時(shí)新增NWDAF從5GC各個(gè)網(wǎng)元收集數(shù)據(jù)并反饋分析結(jié)果的接口。

（3）部署策略及建議

eNA主要引入NWDAF做網(wǎng)絡(luò)分析，可以輔助網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)以及網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)管控，屬于新的探索方向?？紤]目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不夠完善，遠(yuǎn)期待產(chǎn)品及生態(tài)成熟考慮現(xiàn)網(wǎng)引入部署。

3.6 后續(xù)部署建議小結(jié)

針對(duì)3GPP R16引入核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)業(yè)務(wù)需求、技術(shù)及產(chǎn)業(yè)成熟度、部署投資收益等多方面因素綜合考慮，建議分優(yōu)先級(jí)、按需逐步引入。

（1）近期：對(duì)于解決現(xiàn)網(wǎng)實(shí)際問(wèn)題且技術(shù)相對(duì)成熟的關(guān)鍵技術(shù)（如5G LAN等），建議優(yōu)先現(xiàn)網(wǎng)引入。

（2）中期：對(duì)于需求迫切、需進(jìn)一步推動(dòng)成熟的關(guān)鍵技術(shù)，建議優(yōu)先試點(diǎn)，如SCP、NPN、uRLLC、eLCS等。

（3）遠(yuǎn)期：對(duì)于技術(shù)及產(chǎn)業(yè)成熟度不高的關(guān)鍵技術(shù)，建議進(jìn)一步研究，包含TSN、eV2X、eNA等。

R16關(guān)鍵技術(shù)后續(xù)部署分析初步建議見(jiàn)表2。

表2 R16關(guān)鍵技術(shù)后續(xù)部署分析初步建議

4 結(jié)束語(yǔ)

3GPP R16 5G標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)針對(duì)垂直行業(yè)能力進(jìn)行增強(qiáng)，建議優(yōu)先推動(dòng)需求相對(duì)迫切的5G LAN等關(guān)鍵技術(shù)的試點(diǎn)驗(yàn)證，并以業(yè)務(wù)訴求驅(qū)動(dòng)技術(shù)落地。對(duì)于TSN、eNA以及車聯(lián)網(wǎng)等涉及端到端（無(wú)線、網(wǎng)絡(luò)、核心網(wǎng)）協(xié)同的新技術(shù)，需要結(jié)合技術(shù)成熟度及產(chǎn)業(yè)成熟度，積極跟蹤研究并按需推動(dòng)現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)及商用落地。