3GPP R16 5G核心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

樊陸陸，郭 剛

（重慶市工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展研究中心（中國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院重慶分院），重慶 400707）

0 引 言

隨著通信技術(shù)的更新?lián)Q代以及人們對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求，5G核心網(wǎng)需要支持多樣的商業(yè)模式，提供靈活的按需業(yè)務(wù)，允許更加開放的服務(wù)生態(tài)，因此，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)很有必要進(jìn)行演進(jìn)。3GPP R15 5G核心網(wǎng)采用基于服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對(duì)5G核心網(wǎng)控制面各網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)施服務(wù)化定制，同時(shí)提供一系列基于服務(wù)的接口，使5G核心網(wǎng)的部署具備更強(qiáng)的彈性和可靠性。3GPP R16版本5G標(biāo)準(zhǔn)在R15的基礎(chǔ)上，對(duì)核心網(wǎng)架構(gòu)和能力進(jìn)行了進(jìn)一步增強(qiáng)。

1 5G標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)情況

5G業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求和新型信息通信使能技術(shù)是5G核心網(wǎng)不斷演進(jìn)的動(dòng)力。致力于5G核心網(wǎng)研究的最終目的是為了構(gòu)建高性能和靈活的5G全網(wǎng)絡(luò)，大幅度提高5G網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)能力。2018年6月，SA全會(huì)批準(zhǔn)凍結(jié)了3GPP R15版本5G標(biāo)準(zhǔn)。2019年，3GPP發(fā)布的R15第3個(gè)子階段標(biāo)準(zhǔn)完成除Option3和Option2外的更多基于5GC（5G核心網(wǎng)）組網(wǎng)架構(gòu)，支持4G基站接入5G核心網(wǎng)，能快速提供網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算等業(yè)務(wù)能力[1]。2020年7月，3GPP宣布凍結(jié)5G R16標(biāo)準(zhǔn)，R16標(biāo)準(zhǔn)對(duì)多進(jìn)多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）、車用無線通信（Vehicle to X，V2X）、雙連接以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)進(jìn)一步研究，也標(biāo)志著5G第一個(gè)演進(jìn)版本標(biāo)準(zhǔn)正式完成。根據(jù)3GPP發(fā)布的最新時(shí)間表，預(yù)計(jì)在2021年年底完成R17版本標(biāo)準(zhǔn)的凍結(jié)。相比R16標(biāo)準(zhǔn)，R17標(biāo)準(zhǔn)將具有更全面覆蓋垂直行業(yè)的能力，將對(duì)5G核心網(wǎng)技術(shù)如用戶面功能、邊緣計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)切片以及5GC的位置服務(wù)等能力做進(jìn)一步的增強(qiáng)，同時(shí)將提高用戶體驗(yàn)。

2 5G核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)新規(guī)范了網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)和協(xié)議模型，針對(duì)移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)服務(wù)提供優(yōu)化的用戶接入、會(huì)話管理、服務(wù)質(zhì)量、策略控制以及應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)交互能力等基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容，還標(biāo)準(zhǔn)化了端到端網(wǎng)絡(luò)切片以及豐富的邊緣計(jì)算應(yīng)用。

基于5G技術(shù)發(fā)展需要，3GPP R15標(biāo)準(zhǔn)定義了基于服務(wù)和基于參考點(diǎn)的兩種核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[2]?；诜?wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)面向原生云設(shè)計(jì)，借鑒了互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中面向服務(wù)的架構(gòu)、微服務(wù)架構(gòu)等成熟理念，并結(jié)合通信網(wǎng)現(xiàn)狀、特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)，以軟件服務(wù)的概念重構(gòu)5G核心網(wǎng)，對(duì)5G核心網(wǎng)控制面各網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)施服務(wù)化定義，同時(shí)提供一系列基于服務(wù)的接口，并可根據(jù)需求進(jìn)行靈活部署和擴(kuò)展?；趨⒖键c(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)表示在由任何兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)參考點(diǎn)描述的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)之間存在交互，側(cè)重于描述功能之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的交互。

3GPP R16版本對(duì)5G核心網(wǎng)功能進(jìn)行了增強(qiáng)，非漫游基于服務(wù)的核心網(wǎng)架構(gòu)在原R15版本基礎(chǔ)上主要新增了NSSAAF網(wǎng)元、Nnssaaf接口和N9參考點(diǎn)，如圖1所示，基于參考點(diǎn)的核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要新增NSSAAF網(wǎng)元、N58及N59參考點(diǎn)[2]。

圖1 非漫游基于服務(wù)的5G核心網(wǎng)架構(gòu)

3 5G核心網(wǎng)新增關(guān)鍵技術(shù)

3GPP R16標(biāo)準(zhǔn)相比R15有了很大的變化，真正實(shí)現(xiàn)了5G標(biāo)準(zhǔn)從“能用”到“好用”的飛躍[3]，特別是針對(duì)垂直行業(yè)做了擴(kuò)展。對(duì)垂直行業(yè)的擴(kuò)展以及功能的增強(qiáng)主要包括5G TSN、5G V2X、5G IBA、5G LAN、NR定位以及uRLLC增強(qiáng)等。下面將重點(diǎn)介紹5G TSN、5G V2X以及5G IBA技術(shù)。

3.1 5G TSN

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Network，TSN）技術(shù)并不是一項(xiàng)新技術(shù)，早在2012年，IEEE 802.1工作組就開始了時(shí)間敏感以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。該標(biāo)準(zhǔn)主要定義了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間敏感機(jī)制，確保以太網(wǎng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性[4]。5G網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延、高可靠性的特點(diǎn)能賦能千行百 業(yè)，特別是5G TSN技術(shù)能助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展[5]。

3GPP R16對(duì)5G TSN的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了擴(kuò)展，典型應(yīng)用場(chǎng)景包括運(yùn)動(dòng)控制、有線到無線鏈接替換、智能搬運(yùn)、移動(dòng)機(jī)器人以及控制到控制通信等[6]，這些應(yīng)用擴(kuò)大了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。5G TSN的關(guān)鍵技術(shù)包括低時(shí)延低抖動(dòng)敏感通信、5G TSN融合的時(shí)鐘同步以及5G TSN中用戶設(shè)備間的通信。其中，5G TSN融合的時(shí)鐘同步技術(shù)是指5G TSN技術(shù)能實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)鐘同步。5GS與外部網(wǎng)絡(luò)集成為TSN橋，通過TSN橋來實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)和TSN的同步。圖2展示了通過5GS的5G和TSN GM時(shí)鐘分配模型[3]。

圖2 5G TSN和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)鐘分配模型

3.2 5G V2X

2017年，3GPP發(fā)布了LTE-V2X第1版標(biāo)準(zhǔn)。2018年，3GPP發(fā)布了增強(qiáng)版的LTE-eV2X標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)主要對(duì)PC5接口進(jìn)行了增強(qiáng)。為了滿足更高級(jí)輔助駕駛以及部分自動(dòng)駕駛業(yè)務(wù)的需求，2020年，3GPP發(fā)布了第1版5G-V2X（R16）標(biāo)準(zhǔn)，5G R16版本標(biāo)準(zhǔn)支持V2V、V2I等多種V2X服務(wù)，通過引入組播和廣播等各種通信方式，能支持更高級(jí)的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

5G R16版標(biāo)準(zhǔn)23.287[7]條目規(guī)范了5GS支持的V2X服務(wù)的相關(guān)內(nèi)容。用于通過PC5和Uu參考點(diǎn)進(jìn)行V2X通信的非漫游5G系統(tǒng)架構(gòu)的高級(jí)視圖如圖3所示。在原有的5G系統(tǒng)架構(gòu)中增加了V2X通信相關(guān)的網(wǎng)元，以進(jìn)一步增強(qiáng)V2X服務(wù)。5G R16版本標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)范了V2X通信內(nèi)容，通信方式包括通過PC5參考點(diǎn)進(jìn)行V2X通信、通過Uu參考點(diǎn)進(jìn)行V2X通信以及通過PC5或Uu參考點(diǎn)進(jìn)行V2X通信。

圖3 通過PC5和Uu參考點(diǎn)進(jìn)行V2X通信的非漫游5G系統(tǒng)架構(gòu)

圖3 中，Data Network即 數(shù) 據(jù) 網(wǎng) 絡(luò)，V2X Application Sever為車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)器，V2X Application即車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

3.3 5G IBA

3GPP R16版本標(biāo)準(zhǔn)引入了集成訪問和回程（Integrated Access Backhaul，IAB）技術(shù)[3]。該技術(shù)被業(yè)界認(rèn)為是普及5G的重要支撐技術(shù)，它能夠在高山、海島、人煙稀少的地方或者不適合鋪設(shè)光纖的地方以低成本和便捷的方式來實(shí)現(xiàn)5G信號(hào)的覆蓋，同時(shí)減少鋪設(shè)線路所帶來的施工成本和對(duì)環(huán)境的破壞。

集成訪問和回程（IAB）技術(shù)支持通過NR Uu回程鏈路對(duì)NR Uu接入流量進(jìn)行無線帶內(nèi)和帶外中繼，Uu回程鏈接可以在IAB-node和IABdonor或者另外一個(gè)IAB-node之間存在。圖4給出了當(dāng)連接到5GC時(shí)具有兩個(gè)回程躍點(diǎn)的IAB參考體系結(jié)構(gòu)。該架構(gòu)包含gNB、IAB-donor、IABnode以及IAB-UE等節(jié)點(diǎn)。IAB-donor包含IABdonor-CU和IAB-donor-DU，IAB-node包含IABUE和gNB-DU，其中，gNB-DU負(fù)責(zé)提供對(duì)UE和子IAB-node的NR Uu訪問。相應(yīng)的gNB-CU功能駐留在IAB供體gNB上，該IAB供體gNB通過F1接口控制IAB節(jié)點(diǎn)gNB-DU。IAB-node對(duì)UE和其他IAB節(jié)點(diǎn)而言是普通的gNB，并允許它們連接到5GC。

圖4 用于5GS的IAB體系結(jié)構(gòu)

集成訪問和回程（IAB）技術(shù)具有以下特征：IAB使用TS 38.401[8]定義的CU/DU體系結(jié)構(gòu)，并且通過F1進(jìn)行的IAB操作（在IAB-donor和IAB-node之間）對(duì)5GC是不可見的；IAB在第2層執(zhí)行中繼，因此不需要本地UPF；IAB支持多跳回傳；IAB支持動(dòng)態(tài)拓?fù)涓?，即IAB節(jié)點(diǎn)可以更改父節(jié)點(diǎn)。

4 結(jié) 語

5G作為通信行業(yè)下一個(gè)十年全新的競(jìng)技場(chǎng)，帷幕已經(jīng)拉開。無論是在技術(shù)主導(dǎo)、設(shè)備還是5G產(chǎn)業(yè)規(guī)劃等方面的競(jìng)爭(zhēng)都已經(jīng)進(jìn)入白熱化狀態(tài)。R16的凍結(jié)更加劇了競(jìng)爭(zhēng)，5G功能的增加，使得5G可以進(jìn)一步走入各行各業(yè)并催生新的數(shù)字生態(tài)產(chǎn)業(yè)。因此很有必要對(duì)5G核心網(wǎng)進(jìn)行研究。本文主要介紹了5G標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)情況、5G核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及5G新增核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)如5G TSN、5G V2X以及5G IAB，希望能給讀者提供參考。