5G網絡能力開放功能和應用研究

林 琳 朱 斌 王光全

中國聯通研究院 北京 100048

引言

隨著網絡和技術的發展，5G網絡架構和網元持續服務化、開放化、白盒化發展為網絡能力開放的應用提供了培育土壤。

本文聚焦5G核心網能力開放功能和應用開展研究，首先針對5G核心網網絡能力需求場景進行了分析；其次介紹5G網絡能力開放網絡架構及5G核心網標準網元NEF功能；再次，系統性梳理和論述3GPP R15～R16版本網絡能力功能演進；最后，本文列舉了5G網絡能力開放應用方案，其中部分案例來源于中國聯通5G能力開放應用探索。通過本文深入探討5G時代在哪些場景可提供哪些核心網能力，分析R15～R16版本網絡能力演進趨勢，探討如何轉化為面向需求方開放的業務/應用，期望為5G核心網能力的應用及部署提供相關參考和建議。

1 5G核心網能力及需求場景分析

5G業務需求主要包括毫秒級低時延、高帶寬傳輸、海量大連接等，典型業務場景包括AR/VR、云游戲、物聯網、車聯網、網絡切片等。基于上述基本業務需求及業務場景，5G核心網能力需求及需求場景分析如表1所示[1]。

表1 5G核心網能力需求及需求場景列舉

2 5G核心網能力網絡架構

5G核心網能力的提供和實現主要基于3GPP制定的能力開放架構[2]及5G核心網標準網元NEF(Network Exposure Function，網絡開放功能)[2]實現。本節將重點基于5G核心網能力方案涉及的架構、功能實現等角度進行介紹。

2.1 5G系統網絡架構

5G網絡具有更高的速率、更低的時延、支持更高的移動性和更大的連接數等特性。從圖1所示的5G系統架構圖中可以看出，5G網絡采用基于服務的云化架構SBA(Service Based Architecture，基于服務的架構)[2-3]，將傳統的網元轉換為NF(Network Function，網絡功能)。相比4G封閉的網絡架構，SBA架構為5G能力開放提供了天然的網絡條件。

2.2 5G核心網能力開放網絡架構

5G核心能力的提供依賴于5GC網絡能力開放架構與能力提供5G核心網標準網元NEF(Network Exposure Function，網絡開放功能)[2-3]。

在5G網絡下，5G核心網能力開放架構基于NEF為開放錨點，通過NEF北向N33接口與可信或非可信AF(Application Function，應用功能)相連，南向通過服務化架構以總線方式與所有NF(Netwok Function，網絡功能)相連，如圖2所示。

NEF屬于5G核心網標準化網元，是5G核心網對外開放和應用的錨點[4-5]。對于NEF具體實現的開放功能，由于5G總線化架構，NEF開放的能力可以分為外部和內部能力開放兩類。

1)外部開放，即對外對接AF對內對接NF，負責內外部處理信息的傳遞和翻譯，完成外部請求到內部網絡資源的調用。

外部開放分為監控能力、參數配置能力和策略/計費能力開放。監控能力用于監控UE(User Equipment，用戶設備)在5G系統中的特定事件，并通過NEF將這些監控信息向外部開放；參數配置能力允許外部第三方應用提供在5G系統中用于UE的信息；策略/計費能力用于根據第三方應用請求執行UE的QoS(Quality of Service，服務質量)和計費策略。

2)內部開放，即完成運營商內部網元功能NF信息的交互，同時通過UDR(Unified Data Repository，統一數據存儲)完成不同網元功能的相關信息的存儲訪問。例如AMF(Access and Mobility Management Function，接入和移動性管理功能)提供移動性相關的事件給各NF，例如，在注冊過程中，當AMF改變，新AMF通知每個SMF(Session Management Function，會話管理功能)UE可達狀態。

3 5G核心網能力開放功能演進

在5G核心網能力開放架構的基礎上，本節重點介紹基于5G核心網能力開放架構可提供的相關能力方案。3GPP R15版本主要聚焦eMBB(enhanced Mobile Broad Band，增強移動寬帶)場景，包括切片選擇/切片管理、MEC(Multiple-access Edge Computing，移動邊緣計算)等網絡功能特性。3GPP R16在此基礎上，進一步滿足URLLC(Ultra Reliable Low Latency Communication，超高可靠超低時延通信)、mMTC(massive Machine Type of Communication，海量機器類通信)場景，是5GC部署的成熟版本，是主流運營商的長期基礎版本。

在R15 版本中，5GC中通過5G核心網能力開放架構及NEF功能網元能夠提供的主要能力和主要API(Application Program Interface，應用程序接口)共7個，其主要能力及應用場景匯總如表2所示。

表2 R15 5G核心網可提供的主要能力列表

隨著網絡演進及能力豐富，R16版本支持的5G網絡能力面向垂直行業、專網、智能分析等方向擴展及演進，其主要能力及應用場景匯總列舉如表3所示。

表3 R16 5G核心網可提供的主要能力列表

4 5G核心網能力開放應用方案

本節主要介紹5G核心網能力開放應用案例，包括5G差異化保障能力、5G背景流量能力、5G位置能力等，以此說明5G核心網能力的實際應用方案，為5G網絡能力開放面向市場轉化為相關產品或業務提供參考方案。本節部分應用方案來源于中國聯通5G能力開放應用探索[8]。

4.1 5G差異化保障能力應用

5G差異化保障能力應用方案為運營商針對特定客戶或垂直行業(如政企、醫療、金融、證券等)和特定應用(如直播、游戲等)，提供基于5G QoS的差異化網絡資源(如時延、帶寬等)調度服務的業務和產品[7]。第三方可根據需求調用移動運營商的5G QoS保障能力，面向行業、企業特定應用或客戶提供基于5G網絡的流量加速服務，適用于云游戲、視頻會議、手機直播等場景，保證優質的業務體驗。

如圖2所示，某OTT(Over The Top，跨域中間環節)用戶訪問OTT應用后，OTT服務器通過5G能力開放平臺(或5G流量加速平臺)為該用戶申請流量加速服務。5G能力開放平臺(或5G流量加速平臺)將流量加速服務申請消息發送至5GC網元PCF(Policy Control Function，策略控制功能)，PCF選擇服務匹配的QoS保障策略模板。隨后，PCF協調5GC及接入網元根據該QoS保障策略模板，為該應用建立QoS保障專用通道，提供流量加速服務。

4.2 5G背景流量能力應用

5G背景流量應用方案為運營商在特定區域內為其移動用戶提供推送背景流量業務，如智能手機的軟件升級服務或者是音樂、視頻的推送，可在多個時間窗(對應最大聚合比特率、費率)內發起背景流量傳送。該方案尤其適用于車聯網等海量數據傳輸場景[9]。

如圖3所示，某車聯網業務服務商與運營商簽訂在特定區域內、特定事件內為某用戶提供海量數據傳輸服務。基于海量數據傳輸Web或API，用戶發起該服務請求，車聯網業務服務上經由Web或API申請業務開通，實現在特定區域內為其移動用戶提供推送背景流量業務。

4.3 5G位置能力應用

5G位置能力應用是將網絡中的終端位置信息等以WEB或API方式開放給客戶，可用于實時監控、精準定位、智能跟蹤、用戶使用行為分析、故障預警和定位等[10]。

1)智能可穿戴設備定位：通過運營商提供的可穿戴終端實時位置信息，可對可穿戴終端的位置進行實時精確定位，并結合通話、報警等功能，從而降低可穿戴設備佩戴人或物如老人、兒童、寵物等的安全隱患，如圖4所示。

2)智能物流跟蹤：通過運營商提供的物流實時位置信息，能夠對物流進行實時監控及定位，并將信息記錄及上傳，從而實現對物流行駛軌跡進行實時跟蹤、查詢，如圖5所示。

5 結束語

5G網絡能力開放是5G時代重要的商業模式之一。本文探討5G時代在哪些場景可提供哪些核心網能力，如何轉化為面向需求方開放的業務/應用以及網絡能力的演進方向，期望通過此文研究為運營商5G核心網能力的應用及部署提供相關參考和建議。