3GPP R16 5G核心網(wǎng)技術(shù)綜述

黃震寧，李愛華，張昊，吳玲，董嘉

（中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

0 引言

3GPP 按照不同版本來規(guī)劃每個階段的標準，R16 是5G 的第一個演進版本標準，已經(jīng)于2020 年6 月正式凍結(jié)。本文面向R16 核心網(wǎng)標準功能的引入，首先總結(jié)了標準的整體情況，接著針對基礎(chǔ)能力拓展優(yōu)化、垂直行業(yè)能力增強、網(wǎng)絡(luò)智能化提升三個方面進行了分析，為產(chǎn)業(yè)界就R16 相關(guān)能力的引入和優(yōu)化，以及與行業(yè)客戶需求的進一步結(jié)合提供參考，最后對R16 能力的實際部署進行了展望。

1 3GPP R16核心網(wǎng)標準概覽

R16 標準主要從三個方向?qū)?G SA 系統(tǒng)進行增強：一是面向基礎(chǔ)能力進行擴展優(yōu)化，R16 標準首先圍繞R15 已經(jīng)定義的業(yè)務(wù)能力，針對運營商在實際部署網(wǎng)絡(luò)過程中遇到的省級漫游、容災(zāi)等問題提供了豐富的解決方案，增強了運營商部署5G 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)能力穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)魯棒性；二是面向垂直行業(yè)能力進行了增強，R16 標準圍繞5G 獨立部署 架構(gòu)的eMBB（Enhanced Mobile Broadband，增強版的移動寬帶）、URLLC（Ultra Reliable Low Latency Communications，高可靠低時延通信）、mMTC（massive Machine Type Communications，大規(guī)模機器通信）三大場景，引入NPN（Non-public Network，非公用網(wǎng)絡(luò)）、5G LAN、TSN（Time-Sensitive Network，時間敏感網(wǎng)絡(luò)）等特性，豐富了5G 網(wǎng)絡(luò)使能垂直行業(yè)的能力；三是面向網(wǎng)絡(luò)智能化進行能力提升，R16 標準將智能化原生地植入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，對提升網(wǎng)絡(luò)管理效率、增強網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力、保障用戶體驗具有非常重要的意義。

2 面向基礎(chǔ)能力拓展優(yōu)化

2.1 ETSUN

ETSUN（Enhancing Topology of SMF and UPF in 5G Networks，5G 網(wǎng)絡(luò)的SMF 和UPF 拓撲增強）是R16 中最早啟動研究的課題之一，主要引入了基于I-SMF 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及流程，定義了UPF 分配UE IP 地址等技術(shù)方案。

I-SMF 技術(shù)方案通過插入I-SMF、I-UPF 連接錨點SMF 和UPF，用于解決跨SMF 服務(wù)區(qū)的業(yè)務(wù)訪問問題，如圖1 所示。當前國內(nèi)運營商的5G 網(wǎng)絡(luò)控制面多以省/大區(qū)為單位集中部署，因此當用戶在業(yè)務(wù)進行中跨省/ 大區(qū)移動或訪問跨SMF Pool 的區(qū)域性業(yè)務(wù)（業(yè)務(wù)出口只部署在某一SMF Pool 服務(wù)區(qū)域）時，需基于用戶位置和切片選擇并插入I-SMF 保持業(yè)務(wù)連續(xù)性或業(yè)務(wù)可達。

圖1 跨SMF服務(wù)區(qū)的業(yè)務(wù)訪問示例圖

UPF 分配IP 地址可減少UPF 新上線時SMF 地址池配置頻繁更改，有利于邊緣UPF 的快速部署，但其并未解決SMF 對端接口地址、UPF 選擇策略等信息的配置，各運營商可按需部署。

2.2 LCOC

LC（Load Control，負載控制）和OC（Overload Control，過載控制）面向服務(wù)化架構(gòu)，增強基于HTTP協(xié)議的5G 核心網(wǎng)可靠性。

負載控制方面，在EPC 及R15 5G 標準基于優(yōu)先級和靜態(tài)權(quán)重進行網(wǎng)元選擇機制的基礎(chǔ)上，新增了NRF 通知、客戶端與服務(wù)端在隨路消息中直接傳送兩種動態(tài)負載通知機制，使客戶端可基于服務(wù)端的動態(tài)負載調(diào)整新業(yè)務(wù)分發(fā)，實現(xiàn)負載控制、負載均衡的效果，該特性主要適用于采用負載均衡方式部署的網(wǎng)元，避免單網(wǎng)元過載。運營商在引入該功能時，仍需綜合考慮靜態(tài)權(quán)重和動態(tài)負載的網(wǎng)元選擇平衡，避免出現(xiàn)單服務(wù)節(jié)點過載后業(yè)務(wù)量驟降、其他服務(wù)節(jié)點業(yè)務(wù)量激增的乒乓效應(yīng)。

過載控制方面，R16 標準定義了基于HTTP 響應(yīng)碼進行過載控制、客戶端與服務(wù)端在隨路消息中直接傳送過載信息兩種過載控制機制。隨路方式增加了過載控制比例的指示，增加了過載控制的準確性，但需要客戶端和服務(wù)端計算流控比例，實現(xiàn)上需要更多開銷，在引入該功能時需要在業(yè)務(wù)開銷和過載控制目標之間找到一個平衡。

除此之外，在引入上述功能時還需限定能力的生效范圍，如網(wǎng)元級、服務(wù)級、網(wǎng)元組級和服務(wù)組級。

2.3 eSBA

eSBA（enhanced SBA，增強的服務(wù)化架構(gòu)）提供了一種無狀態(tài)的備份容災(zāi)機制和引入SCP（Service Communication Proxy，服務(wù)通信代理）作為服務(wù)化網(wǎng)元間互通的橋梁。

無狀態(tài)機制包括網(wǎng)元集合和服務(wù)集合兩種，集合內(nèi)網(wǎng)元/服務(wù)完全等價、數(shù)據(jù)完全共享，集合內(nèi)任意網(wǎng)元/服務(wù)異常，集合內(nèi)其他網(wǎng)元/服務(wù)均可接管業(yè)務(wù)，利于快速業(yè)務(wù)遷移和恢復，提高系統(tǒng)可靠性。其核心是數(shù)據(jù)共享，可以考慮兩種方式，第一種是UDR/UDSF 集中存儲數(shù)據(jù)，UDM、AUSF、PCF、NEF 將數(shù)據(jù)存儲到UDR，其他類型NF 將數(shù)據(jù)存儲到UDSF；第二種是集合內(nèi)數(shù)據(jù)共享，例如鏈式備份等。運營商可基于已部署的主備、池組等容災(zāi)備份機制，按照網(wǎng)絡(luò)可靠性需求，區(qū)分網(wǎng)元類型逐步引入。

SCP 可提供新的信令尋址和路由方案，支持網(wǎng)元間準直連和代理發(fā)現(xiàn)兩種方式。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷增加導致直連組網(wǎng)的連接管理復雜度隨之增加，運營商如難以通過NF 連接管理能力提升快速有效解決連接數(shù)及連接靈活適配需求，需要考慮引入SCP 實現(xiàn)連接匯聚。

2.4 eLCS

eLCS（enhanced LoCation Services，增強的位置服務(wù)）賦予5G 網(wǎng)絡(luò)更多的位置服務(wù)能力，運營商可根據(jù)本地化的定位平臺部署情況按需引入。R16 標準定義了基于服務(wù)化的5G 定位能力架構(gòu)，如圖2 所示[1]，增強定義了定位能力開放和用戶定位隱私保護兩大新特性。

圖2 5G eLCS定位架構(gòu)

定位能力開放方面，GMLC 可通過NEF（能力開放服務(wù)）將米級定位服務(wù)提供給外部AF 或者客戶端，支持網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)的定位請求流程、用戶終止定位請求流程和用戶發(fā)起的定位請求流程；用戶定位隱私保護增強方面，定位服務(wù)執(zhí)行流程中GMLC 需要獲取的用戶定位隱私要求，在用戶簽約允許的情況下才能獲得定位服務(wù)，同時，eLCS 定位服務(wù)還支持在定位流程中通知UE，在獲取用戶的再次許可后完成定位。

2.5 計費

在R15 的基礎(chǔ)上，R16 標準進一步增強了計費架構(gòu)并完善計費能力，主要包括以下三類增強點：

一是在R15 標準基礎(chǔ)上完善計費能力，定義了ETSUN計費流程，明確數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)計費信息由SMF 網(wǎng)元統(tǒng)一提供，同時優(yōu)化了5GC 和EPC 互操作的計費流程，有效保障了省際漫游和國際漫游場景下運營商內(nèi)部和運營商之間的對賬需求。

二是增強網(wǎng)絡(luò)切片計費能力，當前運營商僅能具備基于切片的打包計費能力，R16 標準引入切片性能、統(tǒng)計、管理計費維度，可實現(xiàn)基于切片SLA 性能指標的計費。

三是豐富多場景下的計費能力，引入AMF、NEF 和SCEF 等作為計費服務(wù)的使用者，提供UE 的注冊/去注冊信息、N2 連接狀態(tài)、API 接口的調(diào)用/通知次數(shù)等作為可計費信息，助力運營商構(gòu)建多量綱、多維度的計費體系。

R16 計費能力的增強也使得計費架構(gòu)、流程、話單格式等復雜化，運營商實際網(wǎng)絡(luò)部署時應(yīng)當根據(jù)自身組網(wǎng)模式、部署方案、市場需求等按需引入相關(guān)功能要求。

3 面向垂直行業(yè)能力增強

3.1 NPN

NPN（Non-Public Network，非公共網(wǎng)絡(luò)）主要滿足行業(yè)客戶構(gòu)建企業(yè)局域?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)的訴求。該技術(shù)可以將無線覆蓋網(wǎng)絡(luò)分別標識成獨立的區(qū)域，并控制5G 終端根據(jù)其所配置的標識接入到對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，進而實現(xiàn)一個相對封閉的局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

R16 標準定義了SNPN（Stand-alone NPN，獨立NPN）和PNI-NPN（Public network integrated NPN，公共網(wǎng)絡(luò)集成NPN）兩種組網(wǎng)模式，分別支持構(gòu)建一套與運營商網(wǎng)絡(luò)相獨立的5G 通信系統(tǒng)，以及通過CAG（Closed Access Group，封閉接入組）在運營商自有網(wǎng)絡(luò)增加一個相對獨立的網(wǎng)絡(luò)。

當采用PNI-NPN 時，運營商可依托公網(wǎng)覆蓋和運維優(yōu)勢，為專網(wǎng)用戶提供數(shù)據(jù)互通、語音互通、容災(zāi)備份等增值保障服務(wù)。

3.2 5G LAN

5G LAN 主要針對行業(yè)網(wǎng)客戶提供安全高質(zhì)量的私有移動局域網(wǎng)服務(wù)，實現(xiàn)本地或跨域互聯(lián)，同時5G LAN支持指定的終端組基于Ethernet 或IP 進行點對點通信，滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)辦公、車聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)需求。

運營商對5G LAN 的網(wǎng)絡(luò)部署，建議優(yōu)先滿足固定園區(qū)場景的需求，采用專用UPF 通過本地交換能力完成用戶數(shù)據(jù)的本地交換；若園區(qū)分布在多地，可選擇基于N19 的用戶面組網(wǎng)方式，實現(xiàn)跨園區(qū)多UPF 之間的互通。

當前標準中僅考慮了一個虛擬網(wǎng)絡(luò)組只使用同一個SMF 進行管理的方案，一定程度上影響了虛擬網(wǎng)絡(luò)組的服務(wù)范圍，后續(xù)標準化需進一步研究和優(yōu)化多SMF 管理虛擬網(wǎng)絡(luò)組、虛擬網(wǎng)絡(luò)組播組加入管理等方案。

3.3 TSN

圖3 SNPN組網(wǎng)架構(gòu)

圖4 PNI-NPN組網(wǎng)架構(gòu)

3GPP 在R16 引入了5G 與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互通架構(gòu)TSC（Time-Sensitive Communication，時間敏感通信），如圖5所示[2]，TSC 將5G 系統(tǒng)作為一個TSN 網(wǎng)橋集成在TSN 系統(tǒng)中，通過高精度時間同步、確定性轉(zhuǎn)發(fā)、TSN 管理協(xié)同及網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)現(xiàn)等能力，在固網(wǎng)覆蓋困難或存在移動性要求的業(yè)務(wù)場景輔助TSN 網(wǎng)絡(luò)，提供確定性網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)。

運營商在引入TSN 時需考慮技術(shù)成熟度、部署難度和產(chǎn)業(yè)支持情況。在技術(shù)層方面，需統(tǒng)一規(guī)范TSN-AF和CNC 之間的接口，進一步完善無線針對TSCAI 的定義，另外，TSN 技術(shù)目標是逐流狀態(tài)維護，對于局域網(wǎng)維護開銷尚可接受，但對于城域網(wǎng)需平衡維護開銷；在部署層面，TSN 技術(shù)強依賴時間同步，在廣域場景下需解決大規(guī)模、遠距離傳輸、復雜組網(wǎng)等問題，為滿足TSN 的時延要求，用戶面需下沉至現(xiàn)場，對運營商組網(wǎng)和成本均帶來較大挑戰(zhàn)；在產(chǎn)業(yè)支持方面，需產(chǎn)業(yè)界共同推動工業(yè)網(wǎng)絡(luò)支持TSN 以及終端、芯片的成熟。

3.4 URLLC

R16 的URLLC 在核心網(wǎng)層面新引入了核心網(wǎng)多路冗余傳輸和QoS 監(jiān)控技術(shù)，以滿足業(yè)務(wù)對可靠性和極低時延的業(yè)務(wù)需求。

依據(jù)冗余資源數(shù)量越多，可靠性越高的原理，如圖6所示，URLLC 可通過端到端采用雙連接雙鏈路雙網(wǎng)元，滿足行業(yè)超高可靠需求。但冗余度越高，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開銷越高，運營商在部署時需要平衡新增投資成本和帶來的業(yè)務(wù)增益。

此外，核心網(wǎng)新增單UE 單QoS 流和GTP-U 路徑兩種QoS 監(jiān)控機制，增強時延測量能力。單UE 單QoS 流方案中UPF 通過RTT 機制獲取單用戶的時延，并上報檢測結(jié)果；GTP-U路徑是通過重用路徑間的Echo消息來獲取端點間時延。

3.5 mMTC

mMTC 主要定義并支持NB-IoT/eMTC 空口技術(shù)接入到5GC 架構(gòu)，涵蓋繼承功能、增強功能及新增功能的三大類能力，包括5G 控制面優(yōu)化及擁塞控制、覆蓋增強簽約限制、跨RAT 的空閑態(tài)移動性等繼承功能，過載控制、NB-IoT QoS、節(jié)電、高延遲通信等增強功能，以及用戶選擇核心網(wǎng)的接入類型、EPC-5GC 互操作的通用北向APIs 等新功能。

R16 mMTC 與NB-IoT 在空口能力上基本一致，但對現(xiàn)有NB-IoT 終端、無線及5GC 有新的功能要求；R16 mMTC采用5GC 架構(gòu)，具備切片、邊緣計算等5G 特色能力，可以滿足物聯(lián)網(wǎng)差異化需求，運營商需綜合考慮NB-IoT 現(xiàn)網(wǎng)部署情況以及mMTC 產(chǎn)業(yè)支持能力，適時向mMTC 演進。

3.6 eNS

eNS（enhanced Network Slice，增強的網(wǎng)絡(luò)切片）主要從互操作和二次鑒權(quán)兩方面增強了網(wǎng)絡(luò)切片的功能。針對互操作完善了用戶攜帶切片的4G/5G 互操作流程，確保用戶從不支持切片的網(wǎng)絡(luò)移動到支持切片網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)連續(xù)性，尤其是終端同時具備多個切片的場景。針對二次鑒權(quán)賦予垂直行業(yè)客戶靈活控制切片訪問的權(quán)限，一是可以提升2B 切片業(yè)務(wù)開展的靈活性，提升行業(yè)客戶的業(yè)務(wù)規(guī)劃自主性，二是避免由于行業(yè)客戶業(yè)務(wù)變更，頻繁修改運營商設(shè)備的簽約數(shù)據(jù)。

圖5 5G系統(tǒng)嵌入TSN架構(gòu)

圖6 多路冗余方案

切片二次鑒權(quán)需新增NSSAAF 和AAA-P 網(wǎng)元，并改造AMF、UDM、NRF 等網(wǎng)元，運營商在引入該功能之前需要衡量投入與產(chǎn)出比。

4 面向網(wǎng)絡(luò)智能化提升

4.1 網(wǎng)絡(luò)智能化的業(yè)務(wù)驅(qū)動

3GPP 在5G 標準制定之初，就考慮將人工智能與網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)融合應(yīng)用于5G 網(wǎng)絡(luò)，利用人工智能對海量移動通信數(shù)據(jù)進行挖掘和分析、推理、判斷以及預(yù)測，將人工智能與網(wǎng)絡(luò)運營、運維、策略管理等內(nèi)容結(jié)合起來賦能網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)，對提升網(wǎng)絡(luò)管理效率、提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率、保障用戶體驗具有非常重要的意義。

NWDAF 作為5GC 中大數(shù)據(jù)采集和智能分析的獨立網(wǎng)元，是5GC 的“AI+大數(shù)據(jù)”引擎，具備能力標準化、匯聚網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、實時性更高、支持閉環(huán)可控等特點。

4.2 基于NWDAF的網(wǎng)絡(luò)智能化提升

R16 eNA（enablers for Network Automation，網(wǎng)絡(luò)自動化）項目進一步增強了網(wǎng)絡(luò)智能化能力，NWDAF 不僅能夠從5GC NF、AF、以及OAM 收集數(shù)據(jù)，還具備將分析結(jié)果（統(tǒng)計和預(yù)測）輸出供消費者執(zhí)行后續(xù)操作決策使用。NWDAF 在5GC 標準定義的非漫游網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖7 所示[3]，控制面采用服務(wù)化接口。

圖7 NWDAF在5GC的非漫游網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

當前基于NWDAF 的5G 智能架構(gòu)已支持一個通用的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及分析結(jié)果反饋的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系和能力，并提供切片SLA 保障、邊緣計算智能協(xié)同、行業(yè)用戶管理和監(jiān)測、背景流量傳輸?shù)绕哳惖湫桶咐慕鉀Q方案，滿足2C 和2B 業(yè)務(wù)的不同需求。運營商可從網(wǎng)絡(luò)智能化的迫切應(yīng)用場景入手，并統(tǒng)籌考慮產(chǎn)業(yè)進展，兼顧智能架構(gòu)及功能演進，注重提升2B 垂直行業(yè)價值輸出，逐步采用由4G 網(wǎng)元AI 自治探索向5G 網(wǎng)絡(luò)AI 內(nèi)生、由AI集中部署向AI 分層分布式部署的引入策略。

4.3 基于AI能力內(nèi)生的網(wǎng)絡(luò)智能化提升

運營商在部署過程中，也可以將NWDAF 與某一網(wǎng)元進行融合，使該網(wǎng)元具備AI 能力，相較于把NWDAF 作為獨立網(wǎng)元在5GC 中部署為網(wǎng)絡(luò)提供智能分析，有利于減小對整個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的影響，僅對特定網(wǎng)元進行升級即可實現(xiàn)AI 能力內(nèi)生。該網(wǎng)元可以針對其內(nèi)部數(shù)據(jù)進行分析，無需進行二次傳輸從而節(jié)省帶寬，且該部署策略可滿足實時性、數(shù)據(jù)安全性要求更高的場景，例如5G 邊緣計算。此類具有智能化的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可形成智能群體，將有價值的數(shù)據(jù)上行聚合并進行聯(lián)合建模，在保障更快速更安全的同時，更智能更普適。

5 結(jié)束語

本文主要針對3GPP R16 的標準內(nèi)容在基礎(chǔ)能力拓展優(yōu)化、垂直行業(yè)能力增強、網(wǎng)絡(luò)智能化提升三個方向的增強進行了簡單探討，未再展開論述WLAN 和5G 協(xié)同、車聯(lián)網(wǎng)等新能力。R16 能力將隨著運營商的服務(wù)能力演進逐步引入現(xiàn)網(wǎng)，R16 標準的凍結(jié)僅表示本階段能力定義的完成，運營商面向?qū)嶋H部署，結(jié)合行業(yè)客戶需求需進行大量的優(yōu)化和定制化，需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游間的通力協(xié)作，為5G 與千行百業(yè)融合融通以及業(yè)務(wù)創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。