多接入、無線、有線融合架構演進及流量調度機制

時書鋒，于游洋

（1. 華為技術有限公司西安研究所，陜西 西安 710077；2. 華為技術有限公司上海研究所，上海 201206）

0 引言

3GPP（the Third Generation Partnership Project）標準從3GPP Rel-15開始正式進入5G網絡架構標準與研究階段。5GC（5G core）網絡架構實現(xiàn)了控制面與用戶面分離、服務化接口以及支持3GPP與非3GPP多種接入技術。尤其針對3GPP與非3GPP接入技術，5GC網絡架構實現(xiàn)了統(tǒng)一的鑒權認證、統(tǒng)一的接入與會話管理以及統(tǒng)一的策略控制。5GC對多種接入技術的支持可以滿足人們對網絡廣覆蓋、高質量的需求，并在用戶移動過程中實現(xiàn)不同接入技術之間的無縫切換，提升了用戶體驗。3GPP Rel-15版本中，5GC支持的非3GPP接入技術主要為非可信WLAN接入技術。隨著網絡的不斷演進，3GPP Rel-16中5GC增強了對其他非3GPP接入技術的支持（如有線接入技術），并且增強支持了在多種接入技術可用的場景下，實現(xiàn)業(yè)務流在不同接入技術間的智能選路、多種接入技術的帶寬資源共享等。

有線接入技術（如光纖接入）是當前家庭寬帶網絡使用的主要接入技術。將家庭網關通過有線技術原生接入5GC網絡，從而實現(xiàn)了有線與無線融合的網絡架構，即固移融合網絡架構。并且在此融合網絡架構的基礎上，支持了多接入流量調度機制。上述機制不僅可以支持蜂窩與Wi-Fi的多接入傳輸，也可以支持蜂窩與有線的多接入傳輸。本文主要就上述兩部分內容進行論述，即5GC架構增強支持有線技術原生接入5GC，以及在融合網絡架構基礎上實現(xiàn)多接入流量調度機制，以提升網絡可靠性與網絡帶寬。

1 功能描述

1.1 固網移動融合架構與價值場景

業(yè)界在很早之前就已經提出固移融合的概念，3GPP與BBF（Broadband Forum）等標準組織也進行過相應的標準化工作。以3GPP為例，在4G時代就有固移融合專項課題——BBAI（3GPP system-fixed broadband access network interworking），并發(fā)布了相關的協(xié)議標準3GPP TS 23.139。上述標準主要解決移動終端如何通過固定傳輸網絡接入4G移動核心網，實現(xiàn)固移網絡之間的策略協(xié)同，支持端到端的QoS（quality of service）保障。上述標準架構保持了固定網絡與移動網絡相互獨立，本質上仍然是兩張網絡，并未實現(xiàn)固移系統(tǒng)級融合。直到3GPP Rel-16，以5GC網絡架構為基礎，實現(xiàn)了真正意義上的固網和移動網絡的系統(tǒng)級融合。圖1是3GPP定義的5G新型家庭網關接入5GC的融合網絡架構。其中5G-RG（residential gateway）是具有5GC接入能力的新型家庭網關，支持SIM（subscriber identity module）卡與NAS（non-access stratum）模塊，支持有線接入技術，同時也支持無線蜂窩接入技術；W-AGF（wireline-access gateway function）為有線接入網關功能，只為了支持新型家庭網關（5G-RG）接入5GC新增的網元。其中，AMF（access and mobility management function）主要完成對無線蜂窩接入和有線接入的接入和移動性管理，SMF（session management function）完成對UE從無線蜂窩接入和有線接入進行數(shù)據(jù)業(yè)務的PDU會話從建立、修改，到釋放的管理功能，UPF（user plane function）是UE（user equipment）從無線蜂窩接入和有線接入進行數(shù)據(jù)業(yè)務的用戶面處理功能。該架構實現(xiàn)了5GC和UE/5G-RG之間的N1接口、5GC和接入網關（W-AGF）之間的N2和N3接口與無線蜂窩接入接口的統(tǒng)一。鑒權和認證架構上也統(tǒng)一到共用UDM（unified data management）和AUSF（authentication server function）實現(xiàn)對3GPP接入及非3GPP接入的統(tǒng)一鑒權和認證，從而實現(xiàn)了UE/5G-RG通過3GPP接入和非3GPP接入網絡的注冊、鑒權、認證、會話各項業(yè)務和流程的統(tǒng)一。

圖1 5G新型家庭網關接入5GC融合網絡架構

1.1.1 混合接入場景

針對新型家庭網關，固移融合網絡架構支持無線蜂窩與有線同時接入的混合接入場景，以提高網絡帶寬、提高鏈路可靠性，從而提升運營商競爭力與業(yè)務拓展能力。

（1）提高網絡帶寬

隨著互動游戲、超高清視頻、VR/AR（virtual reality/augmented reality）等新興業(yè)務廣泛應用于家庭網絡，用戶對網絡帶寬的需求增長速度越來越快。雖然光纖與傳統(tǒng)的xDSL（x digital subscriber line）技術相比，在帶寬提升方面有顯著提高，但光纖網絡的再提速仍然需要新鋪設光纜、擴容光接入設備等，投資巨大，且升級周期長?；旌辖尤敕桨缚梢跃酆蠠o線蜂窩與有線資源，尤其在夜晚蜂窩流量明顯處于低谷期間，或者對網絡大帶寬需求呈現(xiàn)脈沖式動態(tài)變化期間，利用無線蜂窩補充有線，按需進行資源調配，可以節(jié)省擴容成本，既滿足大帶寬業(yè)務需求，又充分利用現(xiàn)網資源，便于運營商快速擴展新業(yè)務。

（2）提高網絡可靠性

混合接入模式的另一優(yōu)勢是提高鏈路可靠性。無線蜂窩與有線傳輸可以互為備份，當一條鏈路發(fā)生故障或擁塞時，可以將業(yè)務流遷移到另一條鏈路。業(yè)務遷移過程中，混合接入方案可以保證業(yè)務的連續(xù)性，做到用戶無感知，從而提升用戶業(yè)務體驗。例如，有線傳輸路徑中任一傳輸節(jié)點故障或擁塞都可能導致此鏈路故障，此時觸發(fā)業(yè)務流遷移過程，可以有效避免故障鏈路對業(yè)務和服務質量產生的影響。

1.1.2 非直接接入場景

針對新型家庭網關或傳統(tǒng)家庭網關，固移融合網絡也支持上述家庭網關背后的末端用戶設備接入，此場景稱為非直接接入場景。末端設備接入過程中，家庭網關作為中繼設備，通過Wi-Fi或有線連接末端用戶設備。例如，IPTV機頂盒通過有線與家庭網關建立連接，智能終端通過Wi-Fi與家庭網關建立連接，智能終端背后還可能有其他第三方設備通過藍牙等接入技術與智能終端建立連接。因此非直接接入場景可能存在多個層級，末端設備基于其能力差異也包含了多種類型，如支持5GC接入的智能手機，或不支持5GC接入的第三方設備等。傳統(tǒng)核心網絡側很難對多層級末端用戶設備進行識別與管理，而固移融合網絡架構方案使其成為可能。

（1）保證業(yè)務連續(xù)性

當末端用戶設備為具備5GC接入能力的終端設備（如智能手機）時，非直接接入方案支持業(yè)務流從室內家庭網絡平滑切換到室外蜂窩網絡。例如，用戶在家中使用手機通過家庭寬帶進行某項業(yè)務，后續(xù)用戶可能移動到室外，為了保持手機上正在進行的業(yè)務不受用戶位置移動的影響，業(yè)務流可以無縫地從家庭寬帶接入切換到無線蜂窩接入，保障業(yè)務連續(xù)性。

（2）提高精細化業(yè)務管理能力

傳統(tǒng)家庭網絡，運營商只能看到家庭網關，對家庭網關進行粗粒度的QoS與計費策略控制。隨著用戶設備類型的不斷豐富、5G多樣性業(yè)務的快速發(fā)展，不同的終端類型或業(yè)務對QoS的需求有所不同。為了充分滿足業(yè)務的差異化管理，合理分配使用網絡資源以及提供豐富的計費策略，核心網絡側需要看到家庭網關背后的末端用戶設備，從而提升運營商對業(yè)務的感知管控能力、大數(shù)據(jù)分析能力以及拓展新業(yè)務的能力。尤其當末端用戶設備為第三方設備時，運營商建立與第三方業(yè)務平臺之間的聯(lián)系，可進一步擴大產業(yè)規(guī)模，催生新業(yè)務，增加產業(yè)收入。

下面將對上述兩個價值場景方案分別進行論述，具體包括混合接入分流調度方案與非直接接入末端設備識別管理方案。

1.2 混合接入分流調度

3GPP定義了ATSSS（access traffic steering，switching，splitting）多接入分流調度特性，可以用于上述的固網移動混合接入場景，也可以用于Wi-Fi和蜂窩多接入場景。ATSSS定義了多種分流功能、多種分流模式、性能測量功能等，實現(xiàn)用戶通過一個UE或者一個5G-RG同時使用固網、Wi-Fi和蜂窩接入進行業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸，增加帶寬和業(yè)務傳輸?shù)目煽啃裕瑫r充分利用現(xiàn)有的網絡，加快新業(yè)務部署和商用。

當一個終端同時通過3GPP蜂窩和Wi-Fi或者固網接入5GC時，如果有業(yè)務流需要傳輸且終端支持ATSSS多接入分流調度，網絡側會根據(jù)業(yè)務流特征及網絡狀態(tài)制定相應的策略，確定如何在兩條路徑上對該業(yè)務流進行傳輸，或者如何在傳輸過程中切換路徑。

ATSSS定義了兩種分流功能。一種是MPTCP（multi-path TCP protocol）功能，一種是ATSSS-LL（ATSSS low-layer）功能。

（1）MPTCP功能

非漫游架構下支持ATSSS示意圖如圖2所示，3GPP將MPTCP 代理功能部署在UPF中，和UE側支持的MPTCP功能配合，可以實現(xiàn)對TCP業(yè)務流的分流功能，也就是一條流可以同時在3GPP接入路徑和非3GPP接入路徑上進行傳輸，或實現(xiàn)傳輸過程中在兩條路徑間的無縫切換。

圖2 非漫游架構下支持ATSSS示意圖

（2）ATSSS-LL功能

ATSSS-LL功能也是在UE和UPF中實現(xiàn)的，分別支持對上行業(yè)務流和下行業(yè)務流的分流傳輸，可以用于IP、TCP、UDP和以太類型的業(yè)務流。ATSSS-LL功能與MPTCP代理功能最大的區(qū)別是：ATSSS-LL不支持單業(yè)務流（比如一個IP 5-tuple流）在3GPP和非3GPP接入路徑上的同時傳輸，或者說ATSSS-LL不支持包粒度分流。

3GPP的ATSSS特性定義了4種分流模式：主備模式、最小時延模式、優(yōu)先級模式和負載均衡模式。

（1）主備模式

一個業(yè)務流正常情況下是在主接入路徑上傳輸，當主接入路徑不可用時切換到備份接入路徑。

（2）最小時延模式

一個業(yè)務流總是在時延最小的接入路徑上傳輸。

（3）優(yōu)先級模式

一個業(yè)務流優(yōu)先在一個路徑上傳輸，當該路徑擁塞時，業(yè)務流可以同時在另外一個路徑上傳輸。

（4）負載均衡模式

一個業(yè)務流可以按固定的比例同時在兩個接入路徑上傳輸。

在負載均衡模式下，又定義了自主操作方式和UE輔助操作方式。自主操作方式是UE和UPF以最大帶寬為目的、可以自主調節(jié)兩條接入路徑上的業(yè)務分流比例；UE輔助操作方式是UE根據(jù)功耗等內在狀態(tài)自行確定上行分流比例，同時通知UPF，UPF可以據(jù)此調節(jié)下行在兩條接入路徑上的分流比例。

為了配合以上分流功能和分流模式的執(zhí)行，在UE和UPF上定義了PMF功能，可以對UE和UPF間每條接入路徑上的時延和丟包進行測量。UE和UPF可以據(jù)此執(zhí)行相應的分流模式。同時UE還可以在一條接入路徑不可用時通過PMF消息通知UPF。上面提到的UE輔助操作方式下UE也是通過PMF消息將上行分流比例傳遞給UPF的。PMF協(xié)議棧示意圖如圖3所示。

圖3 PMF協(xié)議棧示意圖

為了彌補在5G建網初期蜂窩覆蓋不足的缺陷，3GPP的ATSSS特性定義了一個業(yè)務流同時通過無線蜂窩接入4G EPC（evolved packet core）網絡和通過固網或者Wi-Fi接入5GC網絡進行數(shù)據(jù)傳輸或分流。蜂窩接入EPC和固網/Wi-Fi接入5GC分流示意圖如圖4所示，通過UE/5G-RG在EPC和5GC跨網絡建立多接入會話，實現(xiàn)同一個業(yè)務流通過4G EPC網絡的3GPP接入和5GC的非3GPP接入同時或分流傳輸。

圖4 蜂窩接入EPC和固網/Wi-Fi接入5GC分流示意圖

1.3 末端設備識別管理

基于3GPP Rel-16標準，當末端用戶設備為具有5GC接入能力的用戶設備（如智能手機）時，固移融合網絡可以實現(xiàn)對5GC capable UE（5GC能力用戶設備）的獨立鑒權認證、獨立接入與會話管理。5GC capable UE非直接接入方案如圖5所示。

圖5 5GC capable UE非直接接入方案

家庭網關首先通過有線或無線注冊到5GC網絡，并建立用戶面會話連接，獲取5GC分配的終端IP地址。然后，5GC capable UE通過Wi-Fi連接到家庭網關。當5GC capable UE申請UE IP地址時，家庭網關將其從5GC獲得的IP地址分配給5GC capable UE使用。5GC capable UE使用上述IP地址作為UE的源IP地址發(fā)起到非3GPP接入網關（N3IWF（non-3GPP interworking function）或TNGF（trusted non-3GPP gateway function））的連接。如果5GC capable UE選擇的是非可信非3GPP接入網關（即N3IWF），則上述連接需要加密。當5GC capable UE選擇的是可信非3GPP接入網關（即TNGF）時，上述連接無須加密。此方案中，5GC capable UE與非3GPP接入網關之間無論是信令面消息還是用戶面消息都通過家庭網關的PDU會話傳輸，因此是overlay方案。

2 5G-Advanced功能增強

2.1 混合接入方案增強

如前所述，當前3GPP標準已經支持了ATSSS多接入分流調度的基本特性，定義了MPTCP和ATSSS-LL兩種分流功能以及主備模式、最小時延模式、優(yōu)先級模式、負載均衡模式4種分流模式。基于MPTCP功能和負載均衡模式能夠為單TCP業(yè)務流提供在3GPP和非3GPP接入路徑上的同時傳輸，提升了網絡帶寬和業(yè)務體驗。也支持通過4G EPS的蜂窩和5GS的非3GPP接入跨網絡建立多接入會話，彌補在5G建網初期蜂窩覆蓋不足的問題，但是3GPP定義的ATSSS還存在以下不完善的地方。

· 當前互聯(lián)網很多需要大帶寬支持、對實時性要求高的應用（如XR業(yè)務），都是基于UDP進行傳輸?shù)?。而當?GPP定義的MPTCP功能無法支持單UDP業(yè)務流在3GPP和非3GPP接入路徑上的同時傳輸，需要定義新的機制。

· 當前定義的4種分流模式也不足以支持對可靠性和丟包率有很高要求的業(yè)務，如游戲、直播等，需要引入新的分流模式。

· 5GS規(guī)模部署以后，如何充分利用4G EPS時已經部署的非3GPP接入網絡為用戶提供多接入和跨網絡協(xié)同以提升網絡帶寬和增強業(yè)務體驗，也是需要考慮的。

為了解決以上這些問題，本文建議在5G-Advanced網絡中對現(xiàn)有5G中的ATSSS特性做如下增強。

（1）在當前兩種MPTCP分流功能和ATSSS-LL分流功能之外，定義一種新的基于MPQUIC（multipath extension for QUIC）的分流功能，以實現(xiàn)對UDP單業(yè)務流在3GPP和非3GPP接入路徑上的同時傳輸。

方案的核心點是：基于MPQUIC支持ATSSS的示意圖如圖6所示，類似于MPTCP分流功能，將MPQUIC分流功能部署在UPF中，和UE側支持的MPQUIC功能配合，可以實現(xiàn)對UDP業(yè)務流的分流功能，即一條業(yè)務流可以同時在3GPP接入路徑和非3GPP接入路徑上進行傳輸，或實現(xiàn)傳輸過程中的無縫切換。

另外，IETF制定了一種適用于多鏈路傳輸?shù)腗PDCCP（multipath DCCP），該協(xié)議也可以以類似于圖6所示的MPQUIC的方式，來支持在UE和UPF間實現(xiàn)單UDP業(yè)務流的分流功能。

圖6 基于MPQUIC支持ATSSS的示意圖

（2）在當前的4種分流模式基礎上，為了提高業(yè)務流傳輸可靠性及實現(xiàn)業(yè)務流在兩條路徑間的無縫切換，建議增加一種新的冗余傳輸模式。也就是一個業(yè)務流同時在兩個接入路徑上進行冗余傳輸。

該方案的核心點是：冗余傳輸模式示意圖如圖7所示，發(fā)送端對數(shù)據(jù)包進行復制，為每個數(shù)據(jù)包打上相同的序列號，同時發(fā)送到兩個接入路徑上，接收端從兩個路徑上收到具有相同序列號的數(shù)據(jù)包后進行包去重。冗余傳輸模式可以在數(shù)據(jù)包正常傳輸時就啟動，提高可靠性；也可以在數(shù)據(jù)包從一條傳輸路徑切到另一條傳輸路徑時再啟動，進行冗余傳輸，減少切換時延并可以防止切換過程中丟包；也可以在網絡狀態(tài)達到某些設定條件時啟動，比如丟包率超出了某個閾值時啟動。

圖7 冗余傳輸模式示意圖

（3）在當前支持通過蜂窩接入4G EPC網絡和通過固網、Wi-Fi接入5GC跨網絡業(yè)務分流傳輸?shù)幕A上，增加通過非3GPP接入4G EPC網絡和通過蜂窩接入5GC跨網絡的業(yè)務分流傳輸方式，以更好地利用現(xiàn)有4G EPS網絡的存量非3GPP接入資源。固網、Wi-Fi接入EPC和蜂窩接入5GC分流示意圖如圖8所示，通過UE/5G-RG建立多接入會話，實現(xiàn)同一個業(yè)務流通過4G EPC網絡的非3GPP接入和5GC的3GPP接入同時傳輸或分流傳輸。

圖8 固網、Wi-Fi接入EPC和蜂窩接入5GC分流示意圖

方案的核心點是：UE在EPC建立會話連接時需要增強，包括以下幾點。

· 核心網能夠將ATSSS相關的分流策略通過4G的非3GPP接入網關ePDG（evolved packet data gateway）下發(fā)給UE。

· UE能夠通過ePDG將ATSSS相關的信息上報給核心網，比如UE支持ATSSS的能力，是否請求MA PDU（multi-access PDU）會話等。

· ePDG可以選擇到4G和5G合設的會話管理網元PGW-C（packet gateway-control）/SMF進行后續(xù)的多接入MA PDU會話的處理。

2.2 末端設備識別與管理增強

3GPP Rel-16定義了固移融合網絡具備末端設備識別與管理能力。在此基礎上，本文建議5G-Advanced網絡根據(jù)末端設備角色和業(yè)務流特征，進一步增強對末端設備業(yè)務流的差異化計費與服務質量管理。具體的，末端設備角色可以區(qū)分成員用戶（host user）與拜訪用戶（guest user）。家庭成員用戶末端設備與新型家庭網關設備屬于同一所有者，因此成員用戶的業(yè)務流計費管理與新型家庭網關統(tǒng)一。例如，為其提供最高優(yōu)先級的服務質量保證、以家庭為單位共有一張計費賬單等。拜訪用戶末端設備與新型家庭網關設備屬于不同所有者，因此在業(yè)務流服務質量方面可能低于成員用戶的業(yè)務流。尤其在網絡資源緊張的情況下，優(yōu)先滿足成員用戶的業(yè)務體驗。此外，計費方面，拜訪用戶的計費賬單與新型家庭網關計費賬單分開管理，基于獨立的流量統(tǒng)計與計費策略。

為實現(xiàn)上述5G-Advanced新的需求挑戰(zhàn)，本文建議增強5GC及新型家庭網關與接入網關TNGF之間的接口。具體增強步驟如下。

步驟1新型家庭網關將其標識信息發(fā)送給TNGF，TNGF通過EAP-5G消息轉發(fā)家庭網關的標識信息給末端設備。

步驟2末端設備通過新型家庭網關發(fā)起到5GC的連接建立過程，其中攜帶步驟1中從TNGF收到的新型家庭網關的標識信息。

步驟3末端設備接入的5GC可以基于新型家庭網關標識信息查找新型家庭網關注冊的AMF網元，從而獲得新型家庭網關簽約數(shù)據(jù)。在上述家庭網關簽約數(shù)據(jù)中，擴展包含其成員用戶列表信息，即 host user列表。網絡側可以基于家庭網關的成員用戶列表信息判斷接入的末端設備角色，例如是成員用戶，還是拜訪用戶。

步驟4末端設備接入5GC的AMF將用戶角色上報給SMF。可選的，SMF將此信息上報給策略控制網元PCF（policy control function）。策略控制網元或SMF可以基于末端設備角色、業(yè)務流特性等生成不同的服務質量參數(shù)。

步驟5末端設備接入的5GC為其建立不同業(yè)務流服務質量參數(shù)與末端設備的業(yè)務流IP數(shù)據(jù)包頭DSCP（differentiated services code point）值的對應關系。

步驟6當上述業(yè)務流通過接入網關（TNGF）發(fā)送給新型家庭網關的UPF時，接入網關基于策略設置IP包頭中DSCP值。

步驟7新型家庭網關的UPF基于DSCP值進行差異化的服務質量控制。當新型家庭網關與末端設備屬于不同運營商時，兩個運營商之間可以基于SLA確定DSCP值對應的具體服務質量參數(shù)。

3 結束語

本文提出的在5G-Advanced網絡中對混合接入分流調度能力以及末端設備識別管理能力的增強，不但可以進一步提升5G網絡通過3GPP接入和非3GPP接入雙通道為用戶提供大帶寬業(yè)務，提高可靠性，減少切換時延和丟包，也可以對末端設備進行差異化的服務質量控制，提升用戶體驗。同時利用現(xiàn)有4G EPC網絡的存量非3GPP接入和新部署的5GC的3GPP接入更好地服務于用戶的大帶寬業(yè)務（如VR業(yè)務）。