5G 物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析及建網(wǎng)實踐

程靜雄

中國移動通信集團廣東有限公司

0 引言

隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，當前移動物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了低速、中速、高速協(xié)同發(fā)展的生態(tài)體系，包括低速率應(yīng)用的NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）、中速率應(yīng)用的4G（LTE-Cat1）、5G Redcap、以及面向高速率和低時延應(yīng)用的5G ToB 技術(shù)。NBIoT 隨著4G 的發(fā)展而來，采用200kHz 帶寬能和任何制式共同部署；5G 時代來臨后，NB-IoT 已正式納入ITU 5G 標準，成為5G mMTC 的重要組成部分，為低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展提供了有效支撐。當前存量2G 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)正在向NB-IoT、4G 和5G 網(wǎng)絡(luò)遷移，基于移動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與演進，移動物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)正在發(fā)生新的變革，推動傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)向云化物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

1 當前物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)現(xiàn)狀

經(jīng)過多期物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)工程建設(shè)，當前物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)主要承載2G、NBIOT、4G 及5G 業(yè)務(wù)。2G、NBIOT、4G 業(yè)務(wù)承載在傳統(tǒng)物理網(wǎng)元，業(yè)務(wù)通過人網(wǎng)SGSN/MME/SGW 和大區(qū)集中建設(shè)的物理網(wǎng)元HLR/HSS、PGW/GGSN（含CG）、PCRF/SPR、SMSC 進行業(yè)務(wù)承載。5G ToB 業(yè)務(wù)則通過邏輯分省獨立建設(shè)的5G SA 網(wǎng)絡(luò)進行業(yè)務(wù)承載，部分與人網(wǎng)共用網(wǎng)元全國集中部署，主要網(wǎng)元包括NSSF、NRF、PCF、AMF、SMF、CHF、UDM、專線UPF、邊緣UPF/I 型UPF 和邊緣增強UPF/L 型UPF 等。

當前物聯(lián)網(wǎng)全融合云化核心網(wǎng)絡(luò)，基于切片標準進行目標網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，NSSF/NRF 等網(wǎng)元與ToC 共享，ToB 切片獨享AMF/SMF/UPF 網(wǎng)元，大區(qū)物理集中邏輯分省。無線NR 共享，通過切片ID 選擇不同的ToB 網(wǎng)絡(luò)。資源池則是全網(wǎng)“大區(qū)建設(shè)”，大區(qū)內(nèi)ToB 網(wǎng)元和ToC 網(wǎng)元同廠家共享資源池。ToB核心網(wǎng)用戶面下沉省份，優(yōu)化S1/N2切換對用戶面時延的影響。5G 全融合物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 5G 融合物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

為進一步融合2G、NBIOT、4G 及5G ToB 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，依據(jù)云化核心網(wǎng)邏輯架構(gòu)及云化網(wǎng)元的功能，對物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)整體架構(gòu)進行重新構(gòu)建，將整個物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)2G/NBIOT/4G/5G 進行融合，如圖2 所示。整體核心網(wǎng)網(wǎng)元劃分為用戶數(shù)據(jù)層、策略控制層、接入與會話層（含會話管理和接入管理層）、5G 專用網(wǎng)元層。

圖2 云化物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)邏輯架構(gòu)

其中用戶數(shù)據(jù)層包括四融合AUSF/UDM/HSS/HLR、策略數(shù)據(jù)層包括二融合數(shù)據(jù)PCF/PCRF，會話層包括SMF/SAEGW-C/BSF、CHF、專線UPF/SAEGW-U，接入層包括AMF/MME，5G 專用網(wǎng)元層包括NSSF、sNRF、bNRF。同時5G 專用網(wǎng)元層、語音PCF 等為2B 網(wǎng)絡(luò)與2C 網(wǎng)絡(luò)共用，無線基站層兩者獨立設(shè)置。

對于2G 和4G 業(yè)務(wù)，與基站接入相關(guān)的網(wǎng)元共用2C 網(wǎng)絡(luò)的SGSN、MME、SGW-C、SGW-U 或SGW 功能網(wǎng)元，僅使用2B 融合網(wǎng)元SMF/SAEGW-C(PGW-C)、專線UPF/SAEGWU(PGW-U)功能或傳統(tǒng)PGW/GGSN 功能。

為支撐物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的進一步發(fā)展，構(gòu)建差異化核心網(wǎng)絡(luò)競爭能力，物聯(lián)網(wǎng)整體組網(wǎng)的目標是構(gòu)建一張全云化、全融合的物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)，承載4/5G/NB 業(yè)務(wù)，為此在5G SA ToB 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，對5G SA ToB 網(wǎng)絡(luò)進行4/5G/NB 融合功能重構(gòu)部署，服務(wù)4/5G/NB用戶，達到簡化架構(gòu)、共享資源、提升體驗的目的。為此，對傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)專網(wǎng)進行云化遷移工作，逐步實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)4/5G/NB 網(wǎng)絡(luò)全融合的云化核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

2 云化5G 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 5GC 網(wǎng)絡(luò)切片

為滿足不同的網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)需求，3GPP 中針對5G 網(wǎng)絡(luò)提出了網(wǎng)絡(luò)切片（Network Slice，簡稱切片）的概念。網(wǎng)絡(luò)切片是一個端到端的邏輯網(wǎng)絡(luò)，目前由核心網(wǎng)子切片、IP 承載網(wǎng)子切片和無線接入網(wǎng)子切片組成，未來可能會把更多的資源放進切片，例如終端、管理網(wǎng)元以及ISP 服務(wù)站點等。從編排部署的角度看，切片的編排部署，就是每個子切片的編排部署以及子切片之間網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系的部署。

在網(wǎng)絡(luò)切片的基礎(chǔ)上，運營商可以靈活并且快速地定義和區(qū)分不同邏輯網(wǎng)絡(luò)，從而滿足不同行業(yè)用戶及不同應(yīng)用場景對網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的特性化需求，進一步給運營商提供了網(wǎng)絡(luò)管理運維和網(wǎng)絡(luò)營收的創(chuàng)新方式。

目前標準針對5G 網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用場景，定義了eMBB、URLLC、mMTC 三種切片類型。在實際使用中，即使是同一種切片類型，也可以針對不同的業(yè)務(wù)以及不同的用戶，定義和提供不同的切片。例如：mMTC 類型的應(yīng)用，對智能抄表和智能停車兩種業(yè)務(wù)可以定義不同的切片，對智能停車的不同城區(qū)或運營公司也可以定義不同的切片。

2.2 eLCS-5G 高精度定位功能

eLCS 系統(tǒng)主要是完成用戶在5G 網(wǎng)絡(luò)中位置的確定，并可以將位置結(jié)果開放給定位應(yīng)用，相較于4G 的蜂窩定位，受4G 信號帶寬、同步以及網(wǎng)絡(luò)的影響，定位精度一般在幾十米左右，而隨著5G 的大規(guī)模商用，在大帶寬、多天線以及高精度同步技術(shù)等的支撐下，使5G 的定位精度有較大的提高，在測試場景下，室內(nèi)定位可達米級，可在室內(nèi)及隧道環(huán)境下彌補衛(wèi)星定位的不足。

對比與普通4G 的LCS 定位，eLCS 其主要引入的核心網(wǎng)元為GMLC 和LMF，整體組網(wǎng)架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 eLCS-5G 定位組網(wǎng)架構(gòu)

eLCS-5G 主要擴展了LCS 架構(gòu)，GMLC 引入服務(wù)化接口，同時支持3GPP R16 高精度定位方法，優(yōu)選UTDOA，及支持商業(yè)定位流程，包括5GC-MT-LR、5GC-MO-LR、Deferred 5GC-MT-LR、隱私保護增強等。

UL-TDOA 通過終端發(fā)送上行定位參考信號到基站，并利用至少三個QCell 測量得到的上行時間差確定兩條雙曲線，其交點即為終端位置。eLCS-5G 高精度定位系統(tǒng)為后繼物聯(lián)網(wǎng)各種定位應(yīng)用提供了極高的應(yīng)用價值。

該組網(wǎng)架構(gòu)下各網(wǎng)元及接口描述如表1 所述。

表1 高精度定位eLCS-5G 網(wǎng)元接口協(xié)議

2.3 PNI-NPN 功能

NPN 是滿足企業(yè)需求的私有網(wǎng)絡(luò)，非公共網(wǎng)絡(luò)NPN 可以和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)進行很好地融合，PNI-NPN（基于運營商PLMN網(wǎng)絡(luò)部署的Public Network Integrated NPN）可以實現(xiàn)端到端的資源隔離，為垂直行業(yè)提供專屬接入網(wǎng)絡(luò)，限制非垂直行業(yè)終端嘗試接入專屬基站或頻段，保障垂直行業(yè)客戶資源獨享，同時可以為局域網(wǎng)服務(wù)提供支持，可以滿足一些企業(yè)，住宅，學(xué)校等對于可靠且穩(wěn)定的私有網(wǎng)絡(luò)的需求。

PNI-NPN 是運營商擁有私網(wǎng)所有權(quán)并進行私網(wǎng)運營的NPN。實現(xiàn)方式為“公網(wǎng)切片+CAG 基站”，有兩種實現(xiàn)方式：基于網(wǎng)絡(luò)切片進行資源隔離，行業(yè)終端專屬基站或者頻段，資源獨享。

通過CAG 機制，基站廣播PLMN+CAG ID，RAN/AMF基于CAG 進行網(wǎng)絡(luò)/小區(qū)選擇和接入控制和移動性管理，UE 簽約CAG，UE 配置CAG 信息，基站小區(qū)廣播CAG 指示和支持的CAG ID 列表，AMF 根據(jù)小區(qū)CAG 能力和UE 的CAG 簽約來判斷UE 接入控制和移動性管理。

引入CAG，通過AMF 配置區(qū)域限制CAG，不在這個區(qū)域的終端無法接入，比如工廠范圍附近基站廣播CAG，工廠用戶簽約CAG。通過PLMN 網(wǎng)絡(luò)來提供NPN 服務(wù)，為NPN分配一個或多個網(wǎng)絡(luò)切片實體來實現(xiàn)非公共網(wǎng)絡(luò)功能，由于網(wǎng)絡(luò)切片不能限制終端在其未授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)切片區(qū)域中嘗試接入網(wǎng)絡(luò)，因此可以選擇閉合接入組（CAG，Cell Access Group）用于接入控制，僅允許正常的網(wǎng)絡(luò)切片終端進行網(wǎng)絡(luò)接入，滿足企業(yè)需求的私有網(wǎng)絡(luò)。

2.4 5G LAN 功能

5G LAN 業(yè)務(wù)是基于5G 終端連接能力和5G 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（如高帶寬、低時延、遠程接入、移動性和安全性），提供私有定制的移動局域網(wǎng)服務(wù)，允許限定的終端組基于Ethernet 或IP的端到端通信，支持工業(yè)Ethernet、企業(yè)辦公等場景。

5G LAN 為特定5G 虛擬網(wǎng)絡(luò)組提供Ethernet 類型或者IP類型的通信服務(wù)，此通信可以發(fā)生在組成員之間，或者組成員和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器之間。5G LAN 是5G 和LAN 技術(shù)的結(jié)合，具有5G 網(wǎng)絡(luò)的高帶寬、低時延和高可靠性的特點，同時兼具LAN 的組網(wǎng)簡單、全互聯(lián)互通和易于維護的優(yōu)點。5G LAN 和4G 傳統(tǒng)方案的對比如圖4 和表2 所示。

表2 傳統(tǒng)VPN 與5G LAN 整體對比

圖4 傳統(tǒng)VPN 與5G LAN 組網(wǎng)對比

整體分析，5G LAN 可以隨時隨地為用戶提供LAN 服務(wù)，能夠替代有線LAN 和WLAN，應(yīng)用到企業(yè)、家居和工業(yè)等場景。例如在工業(yè)場景，5G 本地局域網(wǎng)類型服務(wù)不僅能夠減少線纜的部署，簡化作業(yè)環(huán)境，還支持以太類型的單播、組播和廣播通信。

3 云化5GC 物聯(lián)網(wǎng)融合核心網(wǎng)建網(wǎng)實踐

3.1 PV 融合組網(wǎng)方案承載業(yè)務(wù)

物聯(lián)網(wǎng)云化組網(wǎng)后，為滿足NB、4G、5G 統(tǒng)一進行業(yè)務(wù)承載，需要現(xiàn)網(wǎng)傳統(tǒng)PGW 與云化 SMF(PGW-C)/專線UPF(PGW-U)共同組Pool，承載NB、4G 及5G 業(yè)務(wù)。融合組網(wǎng)后業(yè)務(wù)承載方式如圖5 所示。

圖5 PV 組網(wǎng)業(yè)務(wù)流向圖示

對于不同業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)流根據(jù)組網(wǎng)主要流向如下：

（1）4G 接入：云化 SMF(PGW-C)/專線UPF(PGW-U)與大區(qū)PGW，進行PV 組網(wǎng)，接入本地市MME，同時選擇本地市SGW，DNS 根據(jù)APN 及權(quán)重為MME 選擇物聯(lián)網(wǎng)大區(qū)PGW 或SMF(PGW-C)/專線UPF(PGW-U)。實現(xiàn)PV 負荷分擔(dān)。通用DNN 通過PV 組網(wǎng)進行業(yè)務(wù)承載，專用DNN 不進行PV組網(wǎng)。

（2）5G 接入：保持不變，5G ToB 通用業(yè)務(wù)由云化AMF/SMF、專線UPF 進行承載。

（3）NB 接入：NB 用戶接入本省2B AMF/MME，選擇本省融合SGW-C（SMF）及SGW-U（專線U），查詢DNS（APN及網(wǎng)絡(luò)拓撲）選擇本省融合PGW-C（SMF）及PGW-U（專線U）。

3.2 融合PCF/UDR 數(shù)據(jù)遷移實施

PCF 作為策略控制單元，為核心網(wǎng)提供差異化、管道化、智能化等增值服務(wù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展，需要大量部署PCC 策略用于發(fā)展業(yè)務(wù)，但是老舊設(shè)備容量告急，嚴重影響業(yè)務(wù)發(fā)展，急需云化PCF 進行業(yè)務(wù)承載?？紤]PCC 策略的繼承性，需要將老舊設(shè)備上的業(yè)務(wù)遷移至云化PCF/UDR 網(wǎng)元，涉及海量用戶PCC/UDR 策略數(shù)據(jù)遷移。

為滿足數(shù)據(jù)遷移的需要，通過工具保證數(shù)據(jù)遷移的準確性、完整性及高效性。主要數(shù)據(jù)遷移涉及用戶簽約數(shù)據(jù)的遷移及用戶策略數(shù)據(jù)的遷移。

（1）將融合SPR 的用戶簽約數(shù)據(jù)按照邏輯分省的策略割接至各省云化UDR

該方式由現(xiàn)網(wǎng)SPR 導(dǎo)出數(shù)據(jù)，進行格式轉(zhuǎn)換后再將用戶數(shù)據(jù)導(dǎo)入新建PUDR。同時遷移過程中需BOSS、DRA 及現(xiàn)網(wǎng)廠家密切配合。如異廠家割接，考慮到數(shù)據(jù)格式存差異，PUDR 建設(shè)廠家需提前分析現(xiàn)網(wǎng)SPR 廠家的數(shù)據(jù)導(dǎo)出格式，并提前進行割接工具開發(fā)。

（2）PCRF 用戶策略數(shù)據(jù)按照邏輯分省的策略割接至各省云化PCF

物聯(lián)網(wǎng)PCRF 由大區(qū)統(tǒng)一維護，PCC 策略管理流程較為規(guī)范，可以根據(jù)工單直接篩選出省份PCC 策略。PCF 建設(shè)廠家根據(jù)統(tǒng)一提供的省份PCC 策略工單進行策略配置和測試驗證。如同廠家新建PCF，可以考慮以現(xiàn)網(wǎng)PCRF 策略導(dǎo)出為主，再結(jié)合工單進行策略篩選后再導(dǎo)入PCF。

4 ToB 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)演進分析

隨著3GPP 整體標準的演進，R16 主要聚焦于eMBB 的增強、低時延、高可靠能力的完善，關(guān)注垂直行業(yè)應(yīng)用及整體系統(tǒng)的提升，如面向智能汽車交通領(lǐng)域的5G V2X、面向lloT領(lǐng)域的時間敏感聯(lián)網(wǎng)等5G NR 能力，以及定位、MIMO 增強、功耗改進等系統(tǒng)性的提升與增強。R17 協(xié)議在R16 的基礎(chǔ)上，主要面向5GXR、新型物聯(lián)網(wǎng)等新業(yè)務(wù)需求，重點引入了全新的特性和技術(shù)。R17 的演進，對當前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有一定的影響，主要影響如表3 所示。

表3 R17 演進對網(wǎng)絡(luò)的影響

針對以上影響，相關(guān)技術(shù)架構(gòu)組網(wǎng)主要影響如下：

4.1 NPN：架構(gòu)組網(wǎng)影響分析

SNPN：SNPN 與PLMN 之間相互視對方為Untrusted Network，若要實現(xiàn)IP 互通，需部署N3IWF，R17 SNPN，需支持與第三方AAA/UDM/AUSF 對接。

PNI-NPN：對架構(gòu)組網(wǎng)無特殊要求。

4.2 uRLLC：架構(gòu)組網(wǎng)影響分析

R16 用戶面冗余方法判斷處理方法復(fù)雜且低效：SMF 根據(jù) PCF 的策略、用戶上報信息(S-NSSAI、DNN)、用戶簽約和本地策略配置，生成RSN 參數(shù)來區(qū)分冗余處理的PDU 會話，并將RSN 傳遞給NR 進行PDU 會話的冗余用戶面處理。

R17 用戶面冗余方法更加靈活高效：UE 可以在PDU 會話建立消息中攜帶PDU Session Pair ID 和/或 RSN 參數(shù)給SMF，通知網(wǎng)絡(luò)這兩個PDU 會話成對，SMF 判斷處理后向NR 傳遞PDUSession PairID 和/或RSN 參數(shù)。

4.3 5G LAN：架構(gòu)組網(wǎng)影響分析

5G LAN 業(yè)務(wù)是基于5G 終端連接能力和5G 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（如高帶寬、低時延、遠程接入、移動性和安全性），提供私有定制的移動局域網(wǎng)服務(wù)，允許限定的終端組基于Ethernet 或IP的端到端通信，支持工業(yè)Ethernet、企業(yè)辦公等場景。5G LAN為特定5G 虛擬網(wǎng)絡(luò)組提供Ethernet 類型或者IP 類型的通信服務(wù)，此通信可以發(fā)生在組成員之間，或者組成員和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器之間。5GLAN 是5G 和LAN 技術(shù)的結(jié)合，具有5G 網(wǎng)絡(luò)高帶寬、低時延和高可靠性的特點，同時兼具LAN的組網(wǎng)簡單、全互聯(lián)互通和易于維護的優(yōu)點。R17 協(xié)議整體對UE-UE 終端互訪，由SMF 管理VN Group 和組內(nèi)用戶通信，當前一個VN Group 只能被一個SMF 控制，當一個VN Group跨多個PSA UPF 時，SMF 需跨大區(qū)管理UPF，動態(tài)創(chuàng)建N19隧道。

5 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)的使命是使能千行百業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求的多樣性、行業(yè)強定制和差異化決定了面向物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)不能簡單復(fù)用人網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)創(chuàng)新主要聚焦在核心網(wǎng)，因此物聯(lián)網(wǎng)5G 核心網(wǎng)需要根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)特性進行優(yōu)化和增強，根據(jù)ToB 網(wǎng)絡(luò)的標準演進，關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展趨勢，打造新的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)并賦能新的行業(yè)商業(yè)。