5G移動固定網(wǎng)絡(luò)融合的分析

【摘? 要】當(dāng)前移動接入與固定接入都發(fā)展迅速，從用戶需求和運營方便性來說，移動固定融合非常必要。分析了5G時代移動固定融合的業(yè)務(wù)場景和相關(guān)的技術(shù)手段，認(rèn)為5G的應(yīng)用場景和網(wǎng)絡(luò)云化必將促進移動固定融合，通過分析移動固定融合的技術(shù)方案及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提出了相應(yīng)的對策建議。

【關(guān)鍵詞】5GC;云網(wǎng)融合;移動固定融合

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.01.003? ? ? ? 中圖分類號：TN929.53

文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）01-0015-05

引用格式：孫震強. 5G移動固定網(wǎng)絡(luò)融合的分析[J]. 移動通信， 2019，43（1）： 15-19.

Analysis on 5G Mobile and Fixed Network Integration

SUN Zhenqiang

（China Telecom Corporation Limited Beijing Research Institute， Beijing 102209， China）

[Abstract]?At present， both mobile and fixed accesses are developing rapidly. Considering users requirements and operational convenience， the mobile and fixed integration is necessary. The business scenarios and technical means for the mobile and fixed integration in the 5G era are analyzed. The 5G application scenarios and network cloudization are bound to promote the mobile and fixed integration. By analyzing the technical solutions on the mobile and fixed integration and the related network architecture， the corresponding countermeasure and suggestion are presented.

[Key words]5GC; cloud and network integration; mobile and fixed network integration

1? ?引言

由于大視頻、云應(yīng)用和新型社交應(yīng)用的影響，2014年開始國內(nèi)移動寬帶用戶數(shù)增長迅猛，截至2018年6月底達到13.4億戶，同比增長14.5%，上半年凈增7 188萬戶。在降費政策的促進下，2018年10月當(dāng)月戶均使用移動互聯(lián)網(wǎng)流量為5.66 GB，比2017年同期增長151%，流量消費潛力保持高速釋放態(tài)勢。為了應(yīng)對容量的高速增長，ITU-R從2012年開始研究5G技術(shù)（IMT-2020），預(yù)計在2020年實現(xiàn)規(guī)模商用[1]。按照ITU的定義，5G需要具備比4G更高的性能，支持100 Mbit.s-1（熱點1 Gbit.s-1）的用戶體驗速率，毫秒級的端到端時延。同時，5G還需要大幅提高網(wǎng)絡(luò)部署和運營的效率。

另一方面，固定寬帶用戶增長也很快，截至2018年6月底達到3.78億戶，上半年凈增2 974萬戶。在提速政策的促進下，國內(nèi)寬帶用戶持續(xù)向高速率遷移，到2018年10月底100 Mbit.s-1及以上固定互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入用戶總數(shù)達到2.43億戶，占總用戶數(shù)的61.4%，戶均流量增長都在30%以上。

移動接入與固定接入的迅速發(fā)展都是順應(yīng)了以用戶為中心的服務(wù)理念。用戶的需求千變?nèi)f化，多種接入方式的發(fā)展使得用戶可以跨越時間、空間和接入方式的限制使用多種多樣的電信業(yè)務(wù)，不可能用一種技術(shù)包辦全部，移動和固定接入技術(shù)應(yīng)該并存。考慮到5G的接入速率達到了100 Mbit.s-1（熱點1 Gbit.s-1），而現(xiàn)在的固定寬帶接入也逐步以50 Mbit.s-1～100 Mbit.s-1

以上為主，多個城市的寬帶進入千兆接入時代，10GPON逐漸成為PON網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)，由于接入速率具有很強的相似性，這使得5G核心網(wǎng)絡(luò)（5GC）能夠更好地支持移動固定融合。同時，IP技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得固定和移動通信網(wǎng)絡(luò)正在逐步向分層化、全IP化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進，相似的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和接口協(xié)議為固定通信網(wǎng)絡(luò)和移動通信網(wǎng)絡(luò)的融合（FMC）奠定了基礎(chǔ)。此外，5G網(wǎng)絡(luò)采用了最新的SDN、NFV和云計算技術(shù)，實現(xiàn)了IT技術(shù)為基礎(chǔ)的云化架構(gòu)的5GC，最大限度地減少對接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的依賴以應(yīng)對熱點區(qū)域的流量暴增和易于整合未來的新興服務(wù)[2]。

目前，國際上許多標(biāo)準(zhǔn)化組織都紛紛提出對5G時代FMC（Fixed Mobile Convergence，移動固定融合）的看法，并著手制定一些基于固定和移動融合的標(biāo)準(zhǔn)。ITU非常看重FMC，在ITU-T Y.3130中將FMC看做是5G的必選項[3-4]。2016年，BBF向3GPP發(fā)起聯(lián)絡(luò)函，聯(lián)合3GPP共同推動FMC的研究。2017年6月份的3GPP SA全會上已經(jīng)立項相關(guān)研究課題[5]。BBF的5G FMC方案包括一個5GC網(wǎng)絡(luò)，并增強了支持有線接入的能力[6]。

固定移動融合的驅(qū)動力包括業(yè)務(wù)層面和網(wǎng)絡(luò)層面的需求，業(yè)務(wù)層面的驅(qū)動力主要是統(tǒng)一用戶帳號和認(rèn)證、統(tǒng)一計費、業(yè)務(wù)連續(xù)性保障以及業(yè)務(wù)體驗一致性等，網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動力包括統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與運維成本降低。本文從FMC的業(yè)務(wù)場景入手，按照5G網(wǎng)絡(luò)的云化架構(gòu)分析5G移動固定網(wǎng)絡(luò)融合的4個層面，給出FMC的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和相關(guān)建議。

2? ?移動固定融合的業(yè)務(wù)場景

4G時代，通過接入統(tǒng)一的EPC融合核心網(wǎng)，實現(xiàn)了Wi-Fi與LTE之間的互操作。但是實際部署的運營商很少，主要應(yīng)用場景是提供VoWi-Fi，為用戶提供語音業(yè)務(wù)在LTE和Wi-Fi之間的移動性。

在5G時代，擴大了固定接入的范圍。除了傳統(tǒng)意義上的Wi-Fi接入，還包括了其他固定接入方式。上述接入通過融合5GC實現(xiàn)移動固定融合，融合5GC支持切片、支持服務(wù)化/虛擬化，也為今后支持FMC提供了極大的網(wǎng)絡(luò)部署靈活性。在這種集成模型中，融合5GC用于提供傳統(tǒng)上由有線核心網(wǎng)絡(luò)提供的功能。下面將介紹兩種采用融合5GC的FMC業(yè)務(wù)場景。

（1）經(jīng)過固定或/和移動接入的固定業(yè)務(wù)

固定寬帶服務(wù)的終端（如用戶終端設(shè)備（CPE， Customer Premise Equipment）、家庭網(wǎng)關(guān)（RG， Residential Gateway Gorup））可由融合5GC進行全域控制，并可通過固定和移動接入進行上網(wǎng)和上云。支持固定接入的CPE終端類型包括單純固定接入CPE、單純移動接入CPE（5G+Wi-Fi）、多接入CPE（固定+5G+Wi-Fi）。RG則在有線接入網(wǎng)絡(luò)和融合5GC之間引入了新的中介功能，稱為5G訪問網(wǎng)關(guān)功能。

采用5GC的FMC固定業(yè)務(wù)如圖1所示：

比如，用戶可以有一個便攜式RG，在家的時候，用戶可以接入固定的寬帶服務(wù)。出去的時候，用戶可以帶著這個RG，并可以通過移動接入連接網(wǎng)絡(luò)。用戶可以使用相同的身份連接到RG創(chuàng)建的Wi-Fi熱點的終端上網(wǎng)，RG可以訪問同一運營商提供的5GC網(wǎng)絡(luò)，得到統(tǒng)一的賬單。

還有一種情況是連接到固定寬帶線路的RG同時在家中提供有線LAN和Wi-Fi連接。用戶正在看電視，電視通過有線LAN接口連接到RG，同時通過Wi-Fi用手機在IMS的基礎(chǔ)上進行語音通話。如果5G網(wǎng)絡(luò)檢測到此RG的固定接入網(wǎng)提供的帶寬不足以支持電視服務(wù)和語音呼叫服務(wù)，在5GC的控制下，RG同時通過移動設(shè)備打開移動接入網(wǎng)（不釋放已退出的固定連接），以擴大帶寬，從而滿足其所提供的服務(wù)的要求。

（2）經(jīng)過固定或/和移動接入的移動業(yè)務(wù)

移動寬帶服務(wù)的終端（如手機）可由融合5G進行全域控制，并可通過固定和移動接入融合5GC上網(wǎng)和上云。

采用5GC的FMC移動業(yè)務(wù)如圖2所示：

比如，移動寬帶服務(wù)的用戶正在通過5GC基于IMS進行語音呼叫。當(dāng)用戶走進他的房子時，手機覆蓋太弱，無法為這個電話提供足夠的帶寬。融合5G檢測到這種情況，可以將移動設(shè)備無縫切換到RG在家中提供的Wi-Fi熱點。語音呼叫仍在繼續(xù)，此對話的所有數(shù)據(jù)包都不會丟失。

還有一個例子，用戶可以通過移動寬帶訪問多種類型的服務(wù)（例如數(shù)據(jù)服務(wù)和語音服務(wù)）。當(dāng)用戶啟動語音呼叫時，將選擇移動連接并將其用于語音服務(wù)。同時當(dāng)用戶啟動視頻文件下載時，將選擇固定連接并將其用于數(shù)據(jù)下載流量。

3? ?5GC的云化架構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)切片

5G時代，云網(wǎng)融合已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的基礎(chǔ)，其中網(wǎng)絡(luò)是連接各種移動和固定終端和各種應(yīng)用云的通道，包括接入網(wǎng)、城域網(wǎng)、骨干網(wǎng)絡(luò)和專用承載網(wǎng)等;云則是IT資源的提供者，向應(yīng)用提供計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)三種能力。通過構(gòu)建“云網(wǎng)”的一體化基礎(chǔ)設(shè)施，可以用5G網(wǎng)絡(luò)的能力支撐云計算的發(fā)展，同時用云計算的理念優(yōu)化5G網(wǎng)絡(luò)資源，促使各種資源能夠按照用戶的需求，動態(tài)、彈性地調(diào)度和分配。

SDN和NFV是網(wǎng)絡(luò)云化的關(guān)鍵技術(shù)。SDN是將網(wǎng)絡(luò)的控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面進行分離，采用集中控制替代原有分布式控制，并通過開放和可編程接口實現(xiàn)軟件定義的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。NFV是指利用虛擬化技術(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)化的通用IT設(shè)備來實現(xiàn)各種專用的網(wǎng)絡(luò)功能，目標(biāo)是替代通信網(wǎng)中私有和封閉的網(wǎng)元，實現(xiàn)統(tǒng)一的硬件平臺加業(yè)務(wù)邏輯軟件的開放架構(gòu)。使用NFV/SDN等新技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)具備編程能力，資源具備彈性可伸縮能力，可以主動適應(yīng)各種互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所需。

通過引入SDN/NFV技術(shù)，5G核心網(wǎng)采用服務(wù)化架構(gòu)進行了云化部署，包含了轉(zhuǎn)發(fā)平面和控制平面，其中控制平面實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制功能集中，網(wǎng)元功能虛擬化、軟件化、可重構(gòu)，支持網(wǎng)絡(luò)能力開放。轉(zhuǎn)發(fā)平面實現(xiàn)剝離控制功能，其轉(zhuǎn)發(fā)功能緊靠近基站，支持業(yè)務(wù)能力與轉(zhuǎn)發(fā)能力融合。以適當(dāng)?shù)姆绞綉?yīng)對各種甚至相互沖突的服務(wù)要求，而不是要求為每個特定服務(wù)部署單獨的專用網(wǎng)絡(luò)。

5GC網(wǎng)絡(luò)部署在基于云的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)上，以支持靈活和自動的網(wǎng)絡(luò)部署、擴展和可擴展性?；谠频?G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)是一組相互關(guān)聯(lián)的多層數(shù)據(jù)中心（例如邊緣數(shù)據(jù)中心、核心數(shù)據(jù)中心），可采用通用標(biāo)準(zhǔn)化硬件進行集中式管理和編排。5GC可以支持以云原生方式設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)功能。

為了提高資源的利用效率和方便管理，5G云化采用虛擬化來實現(xiàn)，這就帶來了網(wǎng)絡(luò)切片能力，也就是提供特定網(wǎng)絡(luò)功能和網(wǎng)絡(luò)特征的邏輯網(wǎng)絡(luò)能力。網(wǎng)絡(luò)切片可以部署在統(tǒng)一的底層物理設(shè)施上，不同切片承載不同網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，而底層資源共享網(wǎng)絡(luò)切片。不同網(wǎng)絡(luò)切片可以進行功能定制：為不同的垂直行業(yè)提供差異化SLA，例如不同的QoS和安全級別等。顯然，固定業(yè)務(wù)能力可以看做5GC的一種網(wǎng)絡(luò)切片。網(wǎng)絡(luò)切片從5GC開始實施，未來可以擴展至承載網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)[8]。

針對FMC的網(wǎng)絡(luò)切片如圖3所示：

4? ?融合5GC的3個層面

通過5GC提供的FMC，最終用戶可以享受無縫的服務(wù)體驗和無處不在的服務(wù)可用性，服務(wù)提供商可以為固定和移動接入網(wǎng)絡(luò)提供無縫的服務(wù)實現(xiàn)。如圖4所示，從5G云化架構(gòu)來看，融合包括了控制平面、轉(zhuǎn)發(fā)平面、能力開放接口的融合。

（1）控制面融合

用戶平面和控制平面的分離是5G網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)計原則，它將功能（例如服務(wù)網(wǎng)關(guān)（SGW）、寬帶遠程訪問服務(wù)器（BRAS）等）分離為控制平面功能和用戶平面功能。控制平面執(zhí)行大部分的控制邏輯，用戶平面主要在控制平面的指示下提供分組交換。

5GC的控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離便于移動固定融合場景的部署，控制面的3A認(rèn)證、QoS控制、計費和移動性管理等機制可以進行融合的嘗試。

（2）轉(zhuǎn)發(fā)面的融合

用戶數(shù)據(jù)存儲的位置和結(jié)構(gòu)在不同的接入網(wǎng)中有所不同。例如，固定用戶數(shù)據(jù)存儲在固定網(wǎng)絡(luò)的身份驗證、授權(quán)、記帳（AAA）服務(wù)器中，而移動用戶數(shù)據(jù)存儲在4G網(wǎng)絡(luò)的主用戶服務(wù)器（HSS）中。這種數(shù)據(jù)分離會導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余和服務(wù)開發(fā)困難等幾個缺點。因此，統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫可以降低維護成本，為服務(wù)開發(fā)和數(shù)據(jù)分析提供條件。

FMC的用戶數(shù)據(jù)管理要求如下：

1）需要一個5G FMC網(wǎng)絡(luò)來支持單一的集中用戶數(shù)據(jù)存儲，以便最終用戶使用固定和移動接入技術(shù)訪問5GC網(wǎng)絡(luò);

2）5G FMC網(wǎng)絡(luò)需要支持用戶數(shù)據(jù)存儲中的統(tǒng)一訪問機制。

（3）網(wǎng)絡(luò)能力開放接口的融合

為了使第三方能夠訪問有關(guān)5G網(wǎng)絡(luò)提供的功能信息（例如連接、QoS和移動性信息），并在規(guī)定的范圍內(nèi)動態(tài)自定義針對各種用例的網(wǎng)絡(luò)功能，5G網(wǎng)絡(luò)運營商應(yīng)提供API向第三方公開網(wǎng)絡(luò)功能和相關(guān)信息。網(wǎng)絡(luò)功能公開啟用的示例方案包括對網(wǎng)絡(luò)切片管理的第三方訪問和在網(wǎng)絡(luò)邊緣安裝第三方應(yīng)用程序等。5G FMC網(wǎng)絡(luò)支持最終用戶訪問類型的開放，包括單次（固定或移動）訪問類型，以及可供第三方訪問的同步（固定和移動）訪問類型。按照3GPP的定義，網(wǎng)絡(luò)能力開放包含監(jiān)控能力、提供能力、策略控制和計費能力等方面，5G網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)絡(luò)能力開放功能（NEF，Network Exposure Function）對外提供網(wǎng)絡(luò)能力開放服務(wù)，NEF提供對外的接入點，通過服務(wù)化SBI接口與網(wǎng)絡(luò)中其它NF交互。

5? ?5G移動固定融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（1）支持FMC的5G核心網(wǎng)絡(luò)

在以前的移動網(wǎng)絡(luò)中，在引入無線新技術(shù)的同時，還推出一種新型的核心網(wǎng)絡(luò)，因此，新的核心網(wǎng)絡(luò)和遺留核心網(wǎng)絡(luò)之間需要進行交互一直是一種技術(shù)挑戰(zhàn)。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)則被設(shè)計為與接入網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，5G核心網(wǎng)絡(luò)具有與接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無關(guān)的共同控制機制（如網(wǎng)絡(luò)連接和認(rèn)證機制），通過多接入網(wǎng)的多連接可以提高網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和吞吐量性能。5G網(wǎng)絡(luò)需要支持新的5G接入、傳統(tǒng)的4G/3G接入、Wi-Fi接入網(wǎng)絡(luò)和固定寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，可以分別采用獨立的核心網(wǎng)切片來支持這些不同的接入方式。

支持FMC的5G核心網(wǎng)絡(luò)如圖5所示：

考慮到5GC與現(xiàn)有有線核心網(wǎng)絡(luò)共存仍然很重要，也可以采用互操作模型，在此模型中，有線核心網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)提供用戶管理和IP功能，但5G固定移動交互功能通過連接有線核心網(wǎng)絡(luò)到融合的核心網(wǎng)絡(luò)。這樣可以盡量保護運營商的現(xiàn)有投資，對現(xiàn)網(wǎng)尤其是固網(wǎng)的改動最小，尤其是不用改動家庭網(wǎng)關(guān)。

（2）支持FMC的5G業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)

對于語音業(yè)務(wù)，IMS業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)可以統(tǒng)一為移動和固定用戶服務(wù)，提供類似于4G階段的移動固定融合業(yè)務(wù)VoWi-Fi。對于視頻業(yè)務(wù)（IPTV等），目前固定接入網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成熟地提供IPTV等大視頻業(yè)務(wù)，但是移動網(wǎng)絡(luò)尚未提供IPTV等業(yè)務(wù)，5G網(wǎng)絡(luò)具備大帶寬能力，5G時代的移動固定融合的IPTV業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)成為可能。

對于側(cè)重于本地化的邊緣計算業(yè)務(wù)，5GC天然支持。當(dāng)固定接入也通過5GC來實現(xiàn)時，則技術(shù)上也能為固定用戶提供邊緣計算業(yè)務(wù)。

（3）支持FMC的5G接入網(wǎng)絡(luò)

除了通過5GC進行FMC以外，可以通過無線網(wǎng)進行移動固定融合，一個是5G基站支持Wi-Fi接入，通過Wi-Fi實現(xiàn)分流;另一個是5G基站支持無線固定接入，通過無線方式為用戶家庭的CPE設(shè)備提供寬帶接入，包括頻率選擇策略、5G針對固定寬帶接入的優(yōu)化、資源分配、基站的組網(wǎng)方案等。

另外，移動接入網(wǎng)絡(luò)、固定接入網(wǎng)絡(luò)可以考慮在承載方面進行一定程度的融合。

6? ?結(jié)束語

以前FMC的業(yè)務(wù)需求主要是基于OSS/BSS等運營系統(tǒng)等實現(xiàn)的，而不對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行大的融合調(diào)整。在5G階段，網(wǎng)絡(luò)層面的融合方案主要聚焦基于5GC的融合。

根據(jù)ITU對5G技術(shù)的初步期望，5G網(wǎng)絡(luò)主要在室內(nèi)和熱點區(qū)域提供覆蓋，這就與固定接入應(yīng)用場景有了極大重合。5G階段給用戶提供的數(shù)據(jù)速率可以和固定寬帶相比擬，通過核心網(wǎng)用戶面的進一步下沉，F(xiàn)MC將會有更多的應(yīng)用場景。

目前5G階段FMC網(wǎng)絡(luò)層面的研究處于起步階段，建議進一步推動FMC，給用戶提供統(tǒng)一的認(rèn)證、統(tǒng)一計費、保持業(yè)務(wù)連續(xù)性以及一致的業(yè)務(wù)體驗等，為新型的移動固定融合業(yè)務(wù)產(chǎn)品的設(shè)計開拓空間，提高運營商的競爭力。

參考文獻：

[1] IMT-2020（5G）推進組. PG-5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計白皮書[EB/OL]. [2019-01-03]. http：//www.imt-2020.org.cn.

[2] IMT-2020（5G）推進組. PG -5G網(wǎng)絡(luò)云化白皮書[EB/OL]. [2019-01-03]. http：//www.imt-2020.org.cn.

[3] Recommendation ITU-T Y.3101. Requirements of the IMT-2020 network[S]. 2018.

[4] Recommendation ITU-T Q.1762/Y.2802. Fixed-mobile convergence general requirements[S]. 2018.

[5] 3GPP TR 23.716 V0.1.0. Study on the Wireless and Wireline Convergence for the 5G system architecture[S]. 2017.

[6] BBF SD-407. 5G Fixed Mobile Convergence Study[Z]. 2017.

[7] 3GPP TS 23.501. System Architecture for the 5G System[S]. 2018.

[8] Huawei whitepaper. 5G service guaranteed network slicing[EB/OL]. [2019-01-03]. https：//www-file.huawei.com.

[9] X Xia. Future Mobile Network： A Framework for Enabling SDN in Mobile Operator Networks[C]//Proceedings of the Second International Conference on Signal Processing on Information， Network and Computers， ICSINC 2016. 2016： 29-30.

[10] 孫震強. 5G網(wǎng)絡(luò)軟件化的分析[J]. 移動通信， 2016，40（19）： 76-80.