網絡融合深化使能5G全場景多維度服務

（中國移動研究院網絡與IT技術研究所，北京 100053）

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

1 在5G 獨立組網（SA）商用元年審視5G發展的走向

移動通信技術發展的魅力是其代際的更替。10年一代的蜂窩網“摩爾定律”讓從事移動通信技術的研發人員無法停下前進的腳步。思考5G技術發展的過程，同時展望后5G技術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技術的邊界至關重要。

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

5G技術從被提出以來就一路坎坷。技術標準的分歧、架構的多樣、非技術因素的干擾，甚至2020年爆發的新冠疫情都使得5G的發展命途多舛；然而，好的技術不會被埋沒，這些困難并不能阻礙5G的發展。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模的4G網絡帶來了巨大紅利。相信5G的新發展必將為我們的生產生活帶來翻天覆地的變化[1]。

2 從融合的角度分析5G架構的演進

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

網絡融合是5G發展的內在需求，在后5G階段將持續深化。5G網絡架構的融合設計來自3個主要驅動力：

1）增強網絡接入帶寬。以多接入能力、4G/5G融合為代表，“網絡總是擁塞的”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量和大小。4G/5G/Wi-Fi/固網仍然是提升帶寬最直接的手段，因此，這些網絡的融合與協同仍然非常重要。

2）提升運維管理效率。對于提供固網和移動網的全業務運營商來說，依托蜂窩網在接入管理、控制、計費等一系列的優勢，實現統一運維是降本增效的重要手段。此外，統一運營也有利于實現用戶業務體驗的一致性和綜合網絡服務能力，從而增強用戶粘性。

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

3 網絡架構深化融合促進5G服務能力擴展

3.1 在能力三角的基礎上繼續提升網絡能力

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大典型業務場景的技術研究及標準化。在這個過程中，5G網絡一直將網絡融合作為重要的特性在不斷增強和發展。

3.2 固定移動融合

“內生的融合”是5G系統設計之初的目標[5]。5G設計之初，寬帶論壇（BBF）與3GPP SA2（系統架構組）在2017年2月召開了聯合會議。運營商希望5G具備統一接入的能力，實現“接入無關性”。這就要求不同的接入方式統一使用3GPP的接入標準：終端采用N1（5G NAS）協議，接入網采用3GPP定義的N2（控制面）和N3（用戶面）接口。在具體方案設計時，考慮到現有舊的設備（如固網的家庭網關）難以升級，3GPP進行了折中的架構設計。

根據安全程度、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。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。可信接入是指該接入網與運營商的網絡同屬于一個安全域，終端通過可信接入網關（TNGF）后能直接接入5G核心網（5GC）。在非可信接入場景下，接入網需要通過“互通功能”（N3IWF）后再接入5GC。

圖1 可信及非可信非3GPP接入架構

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，如家庭網關）。蜂窩網和Wi-Fi網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（家庭網關）接入5G核心網的架構[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家庭網關（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，對5G網絡來說可以被看作一個5G終端。固網家庭網關（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關（W-AGF）的5G信令接入5G核心網。

在網絡融合接入中，終端具有很大的主動性。終端將根據諸如設備配置、用戶偏好、歷史記錄、當前可用的網絡信息等因素選擇是通過可信還是非可信的方式接入網絡。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（PLMN）是同一個。

終端無感知的網絡融合方式仍將是后續技術發展的方向。從3G/4G的網絡融合的應用來看，終端的數量大、種類多、能力參差不齊等因素往往是制約網絡融合統一的關鍵；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，以便于快速地發起數據業務；然而，在偏遠地區、海上、沙漠/草原等特殊環境下，缺少了基站的覆蓋，這種“永遠在線”也不復存在。衛星接入可以讓5G終端解決這些場景下的接入問題。

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

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

方案1：衛星作為基站的射頻拉遠單元，透明傳輸地面基站和終端之間的無線信號。衛星和終端以及衛星和基站之間采用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星無線空口（SRI）傳輸，衛星具備基站的部分功能，5G基站的DU部分部署在衛星上，衛星和地面基站的核心網共用，但需要進行移動性管理、會話管理等功能增強；

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

圖2 不同能力的家庭網關接入5G核心網的架構

圖3 衛星作為3GPP RAT和移動網絡融合架構

除了衛星接入的融合，5G為空中無人機的接入及管理也提供了基礎手段。美國聯邦航天管理局（FAA）在2019年12月[8]發布了對航空飛行器的監管要求，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來實現對無人機飛行器的連接、標識和跟蹤。

3.4 面向工業互聯網的通信技術（CT）與運營技術（OT）融合

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

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

圖4 衛星作為3GPP RAT和移動網絡融合架構

3GPP在R16引入了對時間敏感網絡（TSN）的支持，如圖4所示。5G系統對外表現為TSN“邏輯橋”，即作為一個黑盒呈現。在控制面，AF作為翻譯器，用于適配5G系統接口和TSN協議及參數。在用戶面，5G系統通過TSN的翻譯器（終端翻譯器DSTT和網絡翻譯器NWTT）向TSN網絡提供TSN端口特性。在實現方式上，NWTT和轉發面網元（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典型協議中選擇支持最基本、相對簡單的5個協議：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(網絡拓撲發現）、802.1Qcc（網絡管理模型）[9]。

以TSN為代表的CT與OT融合技術將是一個長期的過程。TSN的技術本身仍在發展中：IEEE在2018年以來陸續發布相關技術標準并將繼續豐富完善；相關產業發展仍有較長的路要走，TSN控制器的實現復雜性高。在應用時，考慮到時間同步、時延、維護業務轉發狀態等方面的要求[11]，TSN初期應用在小范圍網絡中。5G對以TSN為代表的行業應用的支持仍在繼續增強。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（通過用戶面網關）、對時間同步及確定性業務能力的開放等方面開展進一步研究工作。

4 結束語

網絡融合是移動通信實現接入能力兼容并包、技術變革升級的重要途徑。5G在網絡融合的道路上有了更深入的發展，未來網絡的應用也必將證明這一點。蜂窩網絡的演進，特別是網絡架構的演進，總是不斷借鑒IP、IT、OT等領域的新技術。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技術就是對WLAN網絡的本地組網、靈活易用能力的借鑒。

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

應用與實踐是檢驗網絡融合成功與否的最重要標準。這不僅涉及到網絡的支持，也涉及到終端、接入網、承載網的支持。系統融合的技術瓶頸往往不是網絡，而是數量更多、更靠近用戶的終端。網絡融合技術的復雜性和融合的深度有關，即是達到業務邏輯統一的深度融合，還是僅實現系統間互通的簡單融合。需要指出的是，技術并不是決定性因素，網絡融合所帶來的管理組織結構的融合、產業鏈的融合發展影響更深刻。“求其上者得其中”，我們不能因為網絡融合復雜而放棄技術和應用的融會貫通。