5G與Wi-Fi接入的網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展分析

蔣一名，成剛

（1.上海諾基亞貝爾軟件有限公司，上海 201206；2.上海諾基亞貝爾股份有限公司，上海 201206）

0 引言

2020 年是移動5G 在國內(nèi)進入大規(guī)模部署的商用元年，三大運營商紛紛進行集采招標，5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成為新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的熱點。但相對于原來的4G LTE 工作在2.4 GHz 左右的頻段，中國5G 主流的3.5 GHz 頻段的穿透能力較弱，通過墻壁的時候可能有20 dB 的損耗，使得5G 信號在室內(nèi)的實際覆蓋率受到影響，例如參考文獻[1] 對5G 室內(nèi)覆蓋規(guī)模部署進行了討論與研究。從5G 基站部署的目標來看，5G 基站的信號覆蓋范圍將可能從4G的數(shù)百米減小到數(shù)十米，在保證業(yè)務(wù)順利暢通的條件下，這就要求5G 基站的數(shù)量相比4G 有很大的增加。然而5G基站鋪設(shè)和網(wǎng)絡(luò)完善是長期的建設(shè)，在短時間內(nèi)5G 信號覆蓋率在社區(qū)、樓宇或家庭的最后百米內(nèi)必然有所不足。

目前Wi-Fi 已經(jīng)在室內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，如果在戶外通過5G 連接上網(wǎng)，到了室內(nèi)之后自動切換到Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)，即使室內(nèi)5G 信號薄弱或甚至沒有5G 信號覆蓋，但仍然支持5G 終端在固定網(wǎng)絡(luò)中被尋址訪問和維持原有5G 下運行的業(yè)務(wù)，這種情況是固定無線網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵場景之一，核心問題在于如何把Wi-Fi 設(shè)備通過固定網(wǎng)絡(luò)接入到移動核心網(wǎng)。

從2004 開始，3GPP 在R6 版本中就已經(jīng)著實推動對移動網(wǎng)絡(luò)與無線局域網(wǎng)融合架構(gòu)的定義，允許運營商把移動網(wǎng)絡(luò)中的流量通過室內(nèi)的無線局域網(wǎng)進行傳輸。緊隨R6 版本其后，3GPP在以后的版本一直保持著對規(guī)范的演進和增強[2]。

然而3GPP 的4G 標準對Wi-Fi 接入的集成并沒有得到大規(guī)模商業(yè)部署，其主要原因是整體網(wǎng)絡(luò)方案較為復(fù)雜[8]，對4G 核心網(wǎng)和無線接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（eNB）存在較大的耦合和依賴，核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)單元和無線接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點需要進行復(fù)雜的功能擴展，并且需要開發(fā)終端UE 支持多種網(wǎng)絡(luò)方案。因而網(wǎng)絡(luò)投資的性價比得不到運營商和設(shè)備廠商的認可和支持。

本文分析3GPP R15 以及R16 關(guān)于5G 網(wǎng)絡(luò)與Wi-Fi接入融合的標準演進和關(guān)鍵技術(shù)，接著對網(wǎng)絡(luò)融合中的技術(shù)挑戰(zhàn)進行了探討和評估，并對最新的Wi-Fi 6 技術(shù)將給5G 帶來的網(wǎng)絡(luò)融合演進進行分析，最后對5G 與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)融合的社會應(yīng)用進行了前景展望。

1 5G移動網(wǎng)絡(luò)的Wi-Fi接入的標準和演進

5G 中的Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)融合的標準制定過程中借鑒了4G系統(tǒng)的經(jīng)驗。

首先5G 核心網(wǎng)絡(luò)基于業(yè)務(wù)模塊化架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)，做到控制面和數(shù)據(jù)面分離、核心網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)分離。5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)定義了核心網(wǎng)和接入網(wǎng)之間的標準接口，支持不同種類接入網(wǎng)絡(luò)的融合，包括3GPP 網(wǎng)絡(luò)和非3GPP 網(wǎng)絡(luò)。

如圖1 所示，對于Wi-Fi 接入的支持，3GPP R15定義了不可信非3GPP 網(wǎng)絡(luò)（Untrusted Non-3GPP Access）融合架構(gòu)[5]，3GPP R16 中定義了可信非3GPP網(wǎng)絡(luò)（Trusted Non-3GPP Access）融合架構(gòu)[6]。

圖1 移動5G的R15版本中的不可信非3GPP網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)

3GPP R15 標準中關(guān)于不可信非3GPP 網(wǎng)絡(luò)融合的關(guān)鍵定義與技術(shù)如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的標準化：在原來的5G 網(wǎng)絡(luò)拓撲中增加新的非3GPP 交互功能單元（N3IWF,Non-3GPP Interworking Function）。它的作用是處理來自終端UE設(shè)備的注冊認證請求，建立數(shù)據(jù)通道來實現(xiàn)5G 核心網(wǎng)與Wi-Fi 無線局域網(wǎng)之間的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）UE 終端設(shè)備的兼容性：UE 終端設(shè)備的硬件不需要變更，只需軟件升級支持N3IWF 網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)與IPsec 安全通道能力即可支持3GPP R15 標準中定義的網(wǎng)絡(luò)融合業(yè)務(wù)。

（3）傳輸通道的可靠性：終端UE 與N3IWF 之間的信令和數(shù)據(jù)都是通過IPsec 隧道方式來進行轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)終端通過Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)完成向5G 核心網(wǎng)絡(luò)的認證和注冊后，系統(tǒng)將在終端UE 與N3IWF 之間建立IPsec 隧道來傳輸后續(xù)的信令消息，以及為數(shù)據(jù)傳輸創(chuàng)建一個或多個IPsec的子通道安全關(guān)聯(lián)。

3GPP R16 標準在2020 年7 月最終確定。如圖2 所示，在R15 的基礎(chǔ)上，考慮到無線局域網(wǎng)絡(luò)融合應(yīng)用的不同場景，R16 繼續(xù)對5G 核心網(wǎng)絡(luò)與Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的集成與融合進行拓展和完善。它的主要變化是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的標準拓展，即支持兩種Wi-Fi接入的部署模型，可信非3GPP的Wi-Fi接入，以及駐地網(wǎng)關(guān)（RG,Residential Gateway）或電纜調(diào)制解調(diào)器（CM,Cable Modem）下的Wi-Fi 接入?？尚欧?GPP接入是通過新增加的可信非3GPP 網(wǎng)關(guān)功能單元（TNGF,Trusted Non-3GPP Gateway Function）[6]來實現(xiàn)Wi-Fi 接入，TNGF 替代了R15 中的N3IWF 的功能。而RG 或CM 則是通過另一個新增加的固定接入網(wǎng)關(guān)功能單元（FAGF,Fixed Access Gateway Function）來實現(xiàn)Wi-Fi 接入。

圖2 移動5G的R16版本中的可信非3GPP網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)

2 5G與Wi-Fi接入的網(wǎng)絡(luò)融合的關(guān)鍵技術(shù)分析

非3GPP 的Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)通過3GPP 的移動網(wǎng)絡(luò)進行業(yè)務(wù)通信，在整個數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)過程中，涉及到的網(wǎng)絡(luò)融合相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)包括Wi-Fi 終端設(shè)備對移動網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)現(xiàn)和注冊認證、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的安全性、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的QoS 保證、移動網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi 接入之間的漫游等技術(shù)。參考表1 所列出的主要關(guān)鍵技術(shù)的比較。

表1 不同網(wǎng)絡(luò)與Wi-Fi接入融合的關(guān)鍵技術(shù)[3-6]

（1）Wi-Fi 終端設(shè)備對移動網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)現(xiàn)和注冊認證

5G 網(wǎng)絡(luò)主要根據(jù)終端UE 的USIM 卡信息提供EAPAKA 和5G-AKA 的接入認證方式，并提供基于NAS 信令的5G 網(wǎng)絡(luò)注冊和業(yè)務(wù)管理。針對不支持NAS 信令的純Wi-Fi 終端設(shè)備連接可信非3GPP 網(wǎng)絡(luò)并接入5G 核心網(wǎng)的場景，3GPP 規(guī)范定義了相應(yīng)的方案，由純Wi-Fi 終端設(shè)備基于非3GPP 的EAP-TLS 和EAP-TTLS 認證方式完成認證，由可信非3GPP 網(wǎng)關(guān)功能單元代理完成5G 網(wǎng)絡(luò)的注冊和業(yè)務(wù)管理[5]。

（2）融合網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)的安全性

3GPP 規(guī)范針對可信和不可信非3GPP 網(wǎng)絡(luò)接入使用相同的IPsec 安全網(wǎng)絡(luò)連接，以及基于Wi-Fi 安全連接和認證的二層鏈路。針對非可信非3GPP 網(wǎng)絡(luò)接入，終端和5G 核心網(wǎng)認證服務(wù)功能單元之間基于EAP 協(xié)議完成認證和密鑰交換后，UE 和N3IWF 之間用匹配的密鑰建立加密的IPSec 隧道。針對可信非3GPP 網(wǎng)絡(luò)接入，依賴于終端和Wi-Fi 接入之間的可信安全二層鏈路，在其上建立空加密的IPSec 隧道，保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)安全性的同時，也保證與非可信非3GPP 網(wǎng)絡(luò)接入相同的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議。

（3）融合網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的QoS 保證

5G 空口規(guī)范要求支持10 Gbit/s 的用戶接入速率和超低時延毫秒級的延遲，而室內(nèi)常用的Wi-Fi 接入只有數(shù)百兆的連接速率和數(shù)十毫秒的延遲。當(dāng)移動終端從5G 網(wǎng)絡(luò)切換到Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的時候，不可避免地降低了原先在5G 網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)的QoS 和用戶體驗。

2020 年商業(yè)化的新一代Wi-Fi 6[7]技術(shù)為5G 業(yè)務(wù)切換提供了技術(shù)支撐。從表2 中可以看到，5G 網(wǎng)絡(luò)的接入融合通過Wi-Fi 6 技術(shù)可以達到更好的性能適配效果?？梢灶A(yù)見通過Wi-Fi 6 來實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流量旁路和確保5G 業(yè)務(wù)的QoS 是固定無線網(wǎng)絡(luò)融合的一個重要技術(shù)發(fā)展趨勢。

表2 5G網(wǎng)絡(luò)指標與Wi-Fi性能比較

（4）5G 網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)之間的漫游技術(shù)

在支持Wi-Fi 接入的5G 網(wǎng)絡(luò)的融合演進中，終端設(shè)備在5G 移動網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)之間的漫游是提高用戶體驗的關(guān)鍵技術(shù)之一。漫游可以從終端側(cè)觸發(fā)，終端側(cè)通?；跓o線網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計信息的比較來決定，包括無線信號質(zhì)量、Wi-Fi 無線帶寬信息和業(yè)務(wù)QoS 需求等。此外，5G 網(wǎng)絡(luò)可為UE 提供網(wǎng)絡(luò)策略信息，包括網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)和選擇策略及路由選擇策略，以支持UE 基于用戶配置和網(wǎng)絡(luò)策略進行不同接入網(wǎng)絡(luò)的選擇。3GPP 規(guī)范定義了5G 網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)之間漫游切換的交互過程。核心網(wǎng)絡(luò)功能單元共享當(dāng)前在5G 網(wǎng)絡(luò)接入下建立的認證狀態(tài)以及用戶平面數(shù)據(jù)通道信息，保證漫游時業(yè)務(wù)連續(xù)性。

3 5G與Wi-Fi接入的網(wǎng)絡(luò)融合的場景分析

支持Wi-Fi接入的5G移動網(wǎng)絡(luò)在智慧城市、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、酒店公寓、企業(yè)辦公、智慧家庭等很多場所都有應(yīng)用的需求。根據(jù)前面討論的5G 網(wǎng)絡(luò)與Wi-Fi 關(guān)鍵技術(shù)分析，表3 是5G網(wǎng)絡(luò)在Wi-Fi 接入融合上的典型場景分析。不同場景有不同的性能指標需求，對應(yīng)不同的場景方案及關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計。

表3 5G與Wi-Fi接入的網(wǎng)絡(luò)融合的場景類型

下面以智慧城市的公共Wi-Fi 熱點服務(wù)、工業(yè)生產(chǎn)和智慧家庭為例子來說明。

（1）智慧城市的公共Wi-Fi 熱點服務(wù)

目前城市中很多場所已經(jīng)有非常普及的公共Wi-Fi 熱點服務(wù)，人們在移動終端登錄認證后可以享受互聯(lián)網(wǎng)接入，但移動網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸與Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)之間的切換需要人工干預(yù)，人們選擇可靠及安全的Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)沒有得到適當(dāng)?shù)恼_引導(dǎo)，無縫漫游的用戶體驗尚未得到充分的支持。

通過建設(shè)支持Wi-Fi 接入的移動5G 網(wǎng)絡(luò)的完整方案是提升公共Wi-Fi 熱點服務(wù)質(zhì)量的一個關(guān)鍵舉措[8]，例如方案中可以包括5G 網(wǎng)絡(luò)與公共Wi-Fi 熱點之間的策略設(shè)置，為移動用戶保留公共Wi-Fi 帶寬，實現(xiàn)不同場景和業(yè)務(wù)模式的應(yīng)用；允許設(shè)備通過公共Wi-Fi 進行身份驗證并連接到5G 服務(wù)，無需安裝SIM 卡認證；支持公共Wi-Fi熱點與5G 網(wǎng)絡(luò)之間的設(shè)備移動性和服務(wù)連續(xù)性等。

（2）工業(yè)生產(chǎn)中的5G 移動網(wǎng)絡(luò)與Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的融合[8]

工業(yè)4.0 的核心是工廠自動化，而工廠自動化的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)之一是通信的超低延遲和數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，例如工廠自動化與閉環(huán)控制應(yīng)用的通信必須具有嚴格的端到端延遲限制（例如1 ms）和高服務(wù)可用性（99.999 9%）要求。在實際工廠應(yīng)用的場景，機器人、傳感器、控制器、圖形操作設(shè)備、IT 系統(tǒng)等設(shè)備在可靠性、延遲等方面有不同的要求，如果能充分利用移動5G 或Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成不同應(yīng)用的無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，則可以實現(xiàn)高效的基礎(chǔ)設(shè)施投資和建設(shè)，滿足工廠各種場景需求和服務(wù)。例如，執(zhí)行關(guān)鍵生產(chǎn)任務(wù)的閉環(huán)控制，則可以利用5G 移動網(wǎng)絡(luò)的超可靠低延遲通信（URLLC,Ultra-Reliable Low Latency Communication），而對于非關(guān)鍵任務(wù)的操作，則可以通過Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。作為5G 移動網(wǎng)絡(luò)與Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)融合的應(yīng)用，工廠Wi-Fi 的設(shè)備可以與5G 設(shè)備進行直接通信，例如非實時性的傳感器數(shù)據(jù)通過Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)傳遞到移動網(wǎng)絡(luò)，然后通過5G 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到車間操作平臺上的機器人進行處理。

（3）智慧家庭中的5G 移動網(wǎng)絡(luò)與Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的融合

目前在家庭環(huán)境中，支持Wi-Fi 的終端設(shè)備通過Wi-Fi 路由器或者寬帶接入網(wǎng)關(guān)連接到固定網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)5G 移動設(shè)備進入室內(nèi)的時候，如果5G 信號變得較弱，移動設(shè)備可以自動切換到Wi-Fi 連接，在5G 網(wǎng)絡(luò)支持Wi-Fi 接入的融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的條件下，5G 終端仍能被尋址訪問和維持原有5G 下運行的業(yè)務(wù)。這種方案是通過Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)直接拓展了5G 在室內(nèi)的覆蓋，使得5G 流量通過Wi-Fi 旁路來轉(zhuǎn)發(fā)，彌補了5G 基站在基礎(chǔ)建設(shè)早期部署數(shù)量不多的情形。從技術(shù)角度來看，此時無縫切換無線連接的時間和保持原有業(yè)務(wù)的QoS 是關(guān)鍵的性能指標。

4 5G與Wi-Fi接入的網(wǎng)絡(luò)融合的實際問題分析

雖然3GPP 對于Wi-Fi 接入的網(wǎng)絡(luò)融合的規(guī)范已經(jīng)有了全面定義和演進，但從實際網(wǎng)絡(luò)部署的角度來看，如何確保UE 或者純Wi-Fi 終端設(shè)備在3GPP 網(wǎng)絡(luò)與Wi-Fi 接入融合的網(wǎng)絡(luò)中端到端的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量、數(shù)據(jù)安全性、網(wǎng)絡(luò)運營維護等仍將是未來幾年關(guān)鍵的話題。

端到端的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量：在5G 規(guī)范中，3GPP 通過支持網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，作為端到端業(yè)務(wù)QoS 管理。但如何把Wi-Fi 接入網(wǎng)絡(luò)的操作納入網(wǎng)絡(luò)切片管理，目前還沒有定義詳細規(guī)范。Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的空口資源的優(yōu)先級定義、時延控制等都獨立于5G 網(wǎng)絡(luò)部署，如何統(tǒng)一管理5G 網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi 接入的QoS 參數(shù)是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合效果的技術(shù)挑戰(zhàn)。

數(shù)據(jù)安全性：Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)本身是免授權(quán)頻段的無線局域網(wǎng)絡(luò)，允許不同的終端同時接入到同一個Wi-Fi 網(wǎng)關(guān)或路由器。使用電信級移動網(wǎng)絡(luò)的5G 終端切換到普通的Wi-Fi 節(jié)點進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，在支持原先的5G 終端在新的融合網(wǎng)絡(luò)中被鑒權(quán)認證后正常運行業(yè)務(wù)的前提下，端到端的網(wǎng)絡(luò)安全性將需要重新審視和評估，但目前尚未有相關(guān)的研究和討論。

網(wǎng)絡(luò)運營維護：通常運營商對基于Wi-Fi 的寬帶接入網(wǎng)關(guān)的運營管理是聚焦在網(wǎng)絡(luò)接口側(cè)的參數(shù)，對于Wi-Fi 接入的性能和QoS 參數(shù)缺乏有效的管理手段。而當(dāng)5G 與Wi-Fi接入的網(wǎng)絡(luò)融合的時候，不僅需要有一個統(tǒng)一的運營網(wǎng)絡(luò)來管理，也需要加強UE 接入Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的維護和監(jiān)管，這是運營商與設(shè)備商為將來網(wǎng)絡(luò)融合要提前籌劃的方案。

5 結(jié)束語

移動網(wǎng)絡(luò)與Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)融合從2004 年就已經(jīng)開始討論，但基于4G 的Wi-Fi 接入的網(wǎng)絡(luò)融合方式相對復(fù)雜，并且缺乏用戶場景需求的支持，所以沒有得到充分發(fā)展。而3GPP在5G的R15和R16規(guī)范中對Wi-Fi接入進行了更充分的討論和方案的定義，使得基于移動5G 的Wi-Fi 接入的網(wǎng)絡(luò)融合將具有更多產(chǎn)業(yè)化的機會。

5G 室內(nèi)信號覆蓋率隨著5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模部署將逐漸成為關(guān)注的重點，有規(guī)劃地利用已經(jīng)廣泛部署的Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)設(shè)施作為5G 在室內(nèi)覆蓋的設(shè)施補充，將有可能有效降低5G 在初期的投資成本。另外，支持更高速率和更高密度用戶連接的Wi-Fi 6 技術(shù)在2020 年的商業(yè)化，它在性能指標與5G 規(guī)格接近，使得Wi-Fi 6 支持5G 流量旁路的QoS 更具有可行性。

雖然5G 移動網(wǎng)絡(luò)與Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)的融合還有若干關(guān)鍵技術(shù)需要有具體實現(xiàn)上的研討，標準組織也有繼續(xù)完善規(guī)范的空間，但在未來幾年兩者之間的融合發(fā)展是必然的趨勢。