5G核心網(wǎng)面向3GPP R16演進關鍵技術及引入策略

楊旭，肖子玉，張明，邵永平

（1.中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080； 2.中國移動通信采購共享服務中心，北京 100053）

1 引言

3GPP R15標準主要聚焦增強型移動寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB），可以滿足大帶寬及部分低時延場景要求，3GPP R16聚焦三大業(yè)務場景進行功能增強，并已于2020年年中凍結，3GPP R17主要聚焦大連接物聯(lián)網(wǎng)（massive machine type communication，mMTC）場景，目前正在方案研究階段，計劃于 2021年第三季度凍結。

根據(jù)3GPP R15端到端產(chǎn)業(yè)鏈成熟周期預判，端到端產(chǎn)業(yè)鏈成熟滯后標準一年半以上，預計3GPP R16產(chǎn)業(yè)鏈將在2022年第一季度左右逐步成熟。3GPP標準及產(chǎn)業(yè)進展分析如圖1所示。

圖1 3GPP標準及產(chǎn)業(yè)進展分析

本文基于3GPP R16標準進展及主要研究方向，對于其中優(yōu)先級相對高的部分關鍵技術進行重點介紹，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場景，并定義了基本的超可靠低時延通信（ultra reliable low latency communication，uRLLC）架構，3GPP R16標準主要對于eMBB進一步增強，并針對垂直行業(yè)進行增強，滿足5G全部場景的業(yè)務需求，主要研究課題研究內(nèi)容見表1。

表1 3GPP R16主要研究課題方向

3 3GPP R16關鍵技術研究及部署策略分析

本文主要就3GPP R16標準中后續(xù)商用優(yōu)先級高的部分課題進行研究分析，主要包括eSBA、uRLLC、5G LAN、TSN、eNA等。

3.1 eSBA

3GPP R16基于R15 SBA架構進一步完善和架構增強，包括框架的改進、可靠性的改進等。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)絡切片并更好地重用已定義的服務，更好地支持網(wǎng)絡功能服務的自動化和高可靠性。

高可靠性實現(xiàn)主要引入NF set（集合）以及NF service set，一個NF set內(nèi)的NF實例，在功能上完全相同、可以互相替換、共享上下文；負載均衡和容災機制借鑒AMF（access and mobility management function）set的機制：當相關實體出現(xiàn)故障時，選擇其他的等價實體。

3GPP R16 23.501系統(tǒng)架構中已經(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負責NF之間的非直連通訊路由。SCP作用類似于service mesh，標準未定義SCP具體實現(xiàn)方式。option C（SCP無代理服務發(fā)現(xiàn)）NRF（network repository function）負責服務發(fā)現(xiàn)，SCP負責非直連通信路由。option D（SCP代理服務發(fā)現(xiàn)）NF不進行服務發(fā)現(xiàn)，SCP向NRF進行代理服務發(fā)現(xiàn)，并負責路由非直連通信。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)絡規(guī)模較小、NRF處理能力不受限，且在R16標準中引入的SCP信令網(wǎng)元標準規(guī)范尚未成熟，信令網(wǎng)組網(wǎng)建議采用 NRF獨立組網(wǎng)方案。待后續(xù)SCP標準及產(chǎn)品成熟后、5G網(wǎng)絡規(guī)模逐步擴大，NRF和SCP協(xié)同完成5G信令路由功能，實現(xiàn)簡化組網(wǎng)、負載均衡等功能，降低對NRF的性能消耗。初步建議號段相關網(wǎng)元優(yōu)選option D，統(tǒng)籌考慮與DRA（diameter routing agent）融合演進至4G/5G融合信令網(wǎng)，簡化網(wǎng)絡及路由架構，具體如下：

（1）無用戶號碼歸屬關系的服務采用NRF尋址，如AMF尋址SMF，類似于4G網(wǎng)絡的DNS；

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

3.2 uRLLC

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

（1）關鍵技術方案

超高可靠：主要通過用戶面冗余傳輸機制滿足uRLLC業(yè)務超高可靠性，3GPP R16標準定義了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如圖3所示。

圖3 端到端冗余方案架構

其中，uRLLC N3/N9雙通道冗余方案架構如圖4所示。

圖4 N3/N9冗余方案架構

QoS監(jiān)控：通過實際數(shù)據(jù)包采樣支持對流級 別的E2E（空口+N3/N9）時延的檢測和上報，AF（application function）可以實時獲取網(wǎng)絡QoS時延的情況，適配調(diào)整應用流。

超低時延：主要通過3GPP R16無線空口技術實現(xiàn)，另外，在核心網(wǎng)側(cè)可通過將UPF等設備部署在邊緣，進一步降低時延。

（2）現(xiàn)網(wǎng)引入分析

·終端需要支持與uRLLC相關無線、核心網(wǎng)的特性，E2E冗余方案需要UE支持雙連接方案，預計2021年年底有測試模組，模組需要一定的量產(chǎn)和規(guī)模應用周期。

·基站需要升級支持與uRLLC相關無線特性，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制和包去重，涉及的升級規(guī)模范圍較廣。

·N3/N9冗余方案需要UPF支持包復制和包去重，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UE、無線、核心網(wǎng)和業(yè)務平臺都有新的功能要求，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)絡與4G網(wǎng)絡的主要差異特性之一，在車聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)控制領域有較大的業(yè)務需求，未來可能有較大的價值空間，建議積極關注標準和產(chǎn)業(yè)進展，適當超前部署小規(guī)模試驗網(wǎng)，引領產(chǎn)業(yè)發(fā)展并推動產(chǎn)業(yè)鏈成熟。

3.3 5G LAN

傳統(tǒng)移動網(wǎng)絡提供的是統(tǒng)一的接入和一致的終端管理，5G LAN作為3GPP R16階段最具市場前景的技術之一，主要面向企業(yè)辦公、智能制造等領域，實現(xiàn)終端的靈活組管理。5G LAN虛擬專網(wǎng)基于5G網(wǎng)絡能力，面向垂直行業(yè)通信需求，充分利用5G網(wǎng)絡技術優(yōu)勢，為垂直行業(yè)提供使能技術，靈活便捷的支持虛擬專網(wǎng)通信，擴展行業(yè)應用解決方案，提升5G網(wǎng)絡對于傳統(tǒng)網(wǎng)絡的競爭優(yōu)勢。5G LAN邏輯組網(wǎng)架構如圖5所示。

圖5 5G LAN邏輯組網(wǎng)架構示意圖

（1）關鍵技術方案

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)絡通信的上下行業(yè)務流量被轉(zhuǎn)發(fā)到DN，或通過DN轉(zhuǎn)發(fā)。適用于統(tǒng)一的專網(wǎng)業(yè)務平臺訪問、通過專用服務器進行轉(zhuǎn)發(fā)的P2P、P2M、M2M通信。

·基于N19接口：用于5G LAN虛擬網(wǎng)絡的通信的上/下行業(yè)務流量通過N19接口在不同PDU會話的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)絡的通信的上/下行業(yè)務流量由單個UPF本地轉(zhuǎn)發(fā)。適用于該UPF的是同一5G LAN虛擬網(wǎng)絡組的不同PDU會話的公共PSA UPF。

5G LAN技術在移動網(wǎng)絡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個特征。

· 動態(tài)群組管理：UDM維護一個組內(nèi)終端的所有簽約信息；行業(yè)客戶可通過能力開放接口，將一個終端從群組內(nèi)動態(tài)地加入或刪除。

· 終端靜態(tài)地址：5G網(wǎng)絡可根據(jù)UDM配置，在創(chuàng)建5G LAN會話時為5G行業(yè)終端分配指定的靜態(tài)IP地址；行業(yè)客戶可通過能力開放接口配置群組內(nèi)靜態(tài)IP地址段。

· 用戶面直接通信：一個組內(nèi)終端相互發(fā)送的數(shù)據(jù)，可經(jīng)過UPF進行直接轉(zhuǎn)發(fā)，多個UPF之間可構建直連隧道，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技術部署對5GC的影響和改造要求：基站支持以太網(wǎng)類型的PDU會話；NEF/UDM的服務增強，以支持動態(tài)組管理；SMF/UPF的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)處理增強，以增強本地交換和跨UPF通信。

·5G LAN技術引入策略分析：該技術在行業(yè)通信領域具備廣闊的應用前景，可作為5G網(wǎng)絡增強技術在垂直行業(yè)2B網(wǎng)絡中優(yōu)先引入，核心網(wǎng)廠商預計2021年可具備現(xiàn)網(wǎng)部署條件。

3.4 TSN

與uRLLC技術在可靠性和時延方面的保障相比，TSN技術進一步地在時延抖動和時間同步方面對5G網(wǎng)絡進行增強。應用場景包括工業(yè)控制、機器制造等，5GS作為一個TSN節(jié)點與傳統(tǒng)的TSN系統(tǒng)對接，使5G系統(tǒng)可替換TSN系統(tǒng)中的固定網(wǎng)絡部分。

（1）關鍵技術方案

5G系統(tǒng)擴展支持IEEE 802.1AS時鐘同步機制、IEEE 802.1Qbv門限控制機制和802.1Qcc TSN配置機制等協(xié)議，從而構建端到端的時間敏感網(wǎng)絡。5G TSN提供保障確定性網(wǎng)絡通信的機制，主要包括授時和時間同步、QoS映射和保障。基于5GS時鐘的TSN架構如圖6所示。

圖6 基于5GS時鐘的TSN架構

·架構增強：5G系統(tǒng)作為一個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)絡側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器（NW-TT）組成。5GS通過IEEE 802.1管理接口將TSN橋的信息報告給TSN系統(tǒng)，同時映射并實施TSN系統(tǒng)發(fā)起的QoS調(diào)度請求，TSN系統(tǒng)控制器通過TSN AF與5GC交互控制信息。

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

·QoS控制：5G系統(tǒng)與TSN系統(tǒng)協(xié)商好每一個TSN業(yè)務流的QoS需求（如帶寬、時延要求等）。5G系統(tǒng)中的DS-TT和NW-TT支持IEEE 802.1Qbv的存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制。在5G系統(tǒng)內(nèi)部，TSN業(yè)務流將采用時延敏感GBR來保障。為了控制網(wǎng)絡傳輸?shù)亩秳樱琔E/UPF提供了保持和前向緩沖機制，支持IEEE 802.1Qbv調(diào)度機制。該調(diào)度基于包延遲預算（packet delay budget，PDB）進行5GS QoS保障，保證分組在其預定傳輸時間之前到達NW-TT或DS-TT出口。

（2）現(xiàn)網(wǎng)引入影響

5G TSN技術對終端、基站、傳輸和核心網(wǎng)均有改造要求，5G核心網(wǎng)還需要實現(xiàn)與傳輸網(wǎng)和基站的5G主時鐘同步；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)絡配置/CUC集中用戶配置）進行對接并完成協(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)絡引入TSN的代價較高，但可以預見5G TSN技術將廣泛應用于工業(yè)控制、機器制造等領域。具備TSN屬性的5G網(wǎng)絡將真正成為具有確定時延、低抖動、高可靠的5G確定性網(wǎng)絡，為垂直行業(yè)提供真正的SLA保障。隨著標準及產(chǎn)業(yè)的進一步成熟，探索引入TSN的局面將更加積極。

3.5 eNA

3GPP R15定義了NWDAF支持切片負載相關統(tǒng)計，主要用于網(wǎng)絡策略調(diào)整和切片選擇。3GPP R16增強了NWDAF進一步使能網(wǎng)絡管控自動化。

（1）關鍵技術方案

·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)絡運行數(shù)據(jù)、從OAM獲取網(wǎng)絡相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)、從第三方AF獲取的業(yè)務MOS數(shù)據(jù)等，引入人工智能和機器學習技術，構建業(yè)務MOS和網(wǎng)絡的關聯(lián)和模型。NWDAF數(shù)據(jù)收集架構示意圖如圖7所示。

圖7 NWDAF數(shù)據(jù)收集架構示意圖

·分析結果反饋：5GC NF或者AF或者OAM可以通過“訂閱/通知”或者“請求/響應”兩種服務從NWDAF網(wǎng)元獲取數(shù)據(jù)分析結果；利用分析結果進行網(wǎng)絡優(yōu)化，包括5G QoS增強、切片SLA保障、UPF選擇、mIoT終端監(jiān)管、定制化的移動性管理、NF實例選擇等。

·基于service MOS的5G QoS增強：NWDAF從第三方AF獲取業(yè)務MOS值，進行業(yè)務模型訓練，NWDAF將分析結果反饋給PCF以便調(diào)整初始QoS參數(shù)。基于service MOS的5G QoS增強示意圖如圖8所示。

圖8 基于service MOS的5G QoS增強示意圖

·基于service MOS的切片SLA保障：NWDAF分析切片SLA、QoE的情況，當出現(xiàn)服務質(zhì)量降級或者即將降級的時候，動態(tài)的調(diào)整網(wǎng)絡切片的資源和參數(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，同時新增NWDAF從5GC各個網(wǎng)元收集數(shù)據(jù)并反饋分析結果的接口。

（3）部署策略及建議

eNA主要引入NWDAF做網(wǎng)絡分析，可以輔助網(wǎng)絡運營以及網(wǎng)絡閉環(huán)管控，屬于新的探索方向。考慮目前相關標準不夠完善，遠期待產(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

針對3GPP R16引入核心網(wǎng)關鍵技術，根據(jù)業(yè)務需求、技術及產(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、按需逐步引入。

（1）近期：對于解決現(xiàn)網(wǎng)實際問題且技術相對成熟的關鍵技術（如5G LAN等），建議優(yōu)先現(xiàn)網(wǎng)引入。

（2）中期：對于需求迫切、需進一步推動成熟的關鍵技術，建議優(yōu)先試點，如SCP、NPN、uRLLC、eLCS等。

（3）遠期：對于技術及產(chǎn)業(yè)成熟度不高的關鍵技術，建議進一步研究，包含TSN、eV2X、eNA等。

R16關鍵技術后續(xù)部署分析初步建議見表2。

表2 R16關鍵技術后續(xù)部署分析初步建議

4 結束語

3GPP R16 5G標準重點針對垂直行業(yè)能力進行增強，建議優(yōu)先推動需求相對迫切的5G LAN等關鍵技術的試點驗證，并以業(yè)務訴求驅(qū)動技術落地。對于TSN、eNA以及車聯(lián)網(wǎng)等涉及端到端（無線、網(wǎng)絡、核心網(wǎng)）協(xié)同的新技術，需要結合技術成熟度及產(chǎn)業(yè)成熟度，積極跟蹤研究并按需推動現(xiàn)網(wǎng)試點及商用落地。