5G網(wǎng)絡(luò)能力開放功能和應(yīng)用研究

林 琳 朱 斌 王光全

中國(guó)聯(lián)通研究院 北京 100048

引言

隨著網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)的發(fā)展，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和網(wǎng)元持續(xù)服務(wù)化、開放化、白盒化發(fā)展為網(wǎng)絡(luò)能力開放的應(yīng)用提供了培育土壤。

本文聚焦5G核心網(wǎng)能力開放功能和應(yīng)用開展研究，首先針對(duì)5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)能力需求場(chǎng)景進(jìn)行了分析；其次介紹5G網(wǎng)絡(luò)能力開放網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及5G核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)元NEF功能；再次，系統(tǒng)性梳理和論述3GPP R15～R16版本網(wǎng)絡(luò)能力功能演進(jìn)；最后，本文列舉了5G網(wǎng)絡(luò)能力開放應(yīng)用方案，其中部分案例來(lái)源于中國(guó)聯(lián)通5G能力開放應(yīng)用探索。通過(guò)本文深入探討5G時(shí)代在哪些場(chǎng)景可提供哪些核心網(wǎng)能力，分析R15～R16版本網(wǎng)絡(luò)能力演進(jìn)趨勢(shì)，探討如何轉(zhuǎn)化為面向需求方開放的業(yè)務(wù)/應(yīng)用，期望為5G核心網(wǎng)能力的應(yīng)用及部署提供相關(guān)參考和建議。

1 5G核心網(wǎng)能力及需求場(chǎng)景分析

5G業(yè)務(wù)需求主要包括毫秒級(jí)低時(shí)延、高帶寬傳輸、海量大連接等，典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景包括AR/VR、云游戲、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)切片等?；谏鲜龌緲I(yè)務(wù)需求及業(yè)務(wù)場(chǎng)景，5G核心網(wǎng)能力需求及需求場(chǎng)景分析如表1所示[1]。

表1 5G核心網(wǎng)能力需求及需求場(chǎng)景列舉

2 5G核心網(wǎng)能力網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G核心網(wǎng)能力的提供和實(shí)現(xiàn)主要基于3GPP制定的能力開放架構(gòu)[2]及5G核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)元NEF(Network Exposure Function，網(wǎng)絡(luò)開放功能)[2]實(shí)現(xiàn)。本節(jié)將重點(diǎn)基于5G核心網(wǎng)能力方案涉及的架構(gòu)、功能實(shí)現(xiàn)等角度進(jìn)行介紹。

2.1 5G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)具有更高的速率、更低的時(shí)延、支持更高的移動(dòng)性和更大的連接數(shù)等特性。從圖1所示的5G系統(tǒng)架構(gòu)圖中可以看出，5G網(wǎng)絡(luò)采用基于服務(wù)的云化架構(gòu)SBA(Service Based Architecture，基于服務(wù)的架構(gòu))[2-3]，將傳統(tǒng)的網(wǎng)元轉(zhuǎn)換為NF(Network Function，網(wǎng)絡(luò)功能)。相比4G封閉的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，SBA架構(gòu)為5G能力開放提供了天然的網(wǎng)絡(luò)條件。

2.2 5G核心網(wǎng)能力開放網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G核心能力的提供依賴于5GC網(wǎng)絡(luò)能力開放架構(gòu)與能力提供5G核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)元NEF(Network Exposure Function，網(wǎng)絡(luò)開放功能)[2-3]。

在5G網(wǎng)絡(luò)下，5G核心網(wǎng)能力開放架構(gòu)基于NEF為開放錨點(diǎn)，通過(guò)NEF北向N33接口與可信或非可信AF(Application Function，應(yīng)用功能)相連，南向通過(guò)服務(wù)化架構(gòu)以總線方式與所有NF(Netwok Function，網(wǎng)絡(luò)功能)相連，如圖2所示。

NEF屬于5G核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)元，是5G核心網(wǎng)對(duì)外開放和應(yīng)用的錨點(diǎn)[4-5]。對(duì)于NEF具體實(shí)現(xiàn)的開放功能，由于5G總線化架構(gòu)，NEF開放的能力可以分為外部和內(nèi)部能力開放兩類。

1)外部開放，即對(duì)外對(duì)接AF對(duì)內(nèi)對(duì)接NF，負(fù)責(zé)內(nèi)外部處理信息的傳遞和翻譯，完成外部請(qǐng)求到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)用。

外部開放分為監(jiān)控能力、參數(shù)配置能力和策略/計(jì)費(fèi)能力開放。監(jiān)控能力用于監(jiān)控UE(User Equipment，用戶設(shè)備)在5G系統(tǒng)中的特定事件，并通過(guò)NEF將這些監(jiān)控信息向外部開放；參數(shù)配置能力允許外部第三方應(yīng)用提供在5G系統(tǒng)中用于UE的信息；策略/計(jì)費(fèi)能力用于根據(jù)第三方應(yīng)用請(qǐng)求執(zhí)行UE的QoS(Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量)和計(jì)費(fèi)策略。

2)內(nèi)部開放，即完成運(yùn)營(yíng)商內(nèi)部網(wǎng)元功能NF信息的交互，同時(shí)通過(guò)UDR(Unified Data Repository，統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ))完成不同網(wǎng)元功能的相關(guān)信息的存儲(chǔ)訪問(wèn)。例如AMF(Access and Mobility Management Function，接入和移動(dòng)性管理功能)提供移動(dòng)性相關(guān)的事件給各NF，例如，在注冊(cè)過(guò)程中，當(dāng)AMF改變，新AMF通知每個(gè)SMF(Session Management Function，會(huì)話管理功能)UE可達(dá)狀態(tài)。

3 5G核心網(wǎng)能力開放功能演進(jìn)

在5G核心網(wǎng)能力開放架構(gòu)的基礎(chǔ)上，本節(jié)重點(diǎn)介紹基于5G核心網(wǎng)能力開放架構(gòu)可提供的相關(guān)能力方案。3GPP R15版本主要聚焦eMBB(enhanced Mobile Broad Band，增強(qiáng)移動(dòng)寬帶)場(chǎng)景，包括切片選擇/切片管理、MEC(Multiple-access Edge Computing，移動(dòng)邊緣計(jì)算)等網(wǎng)絡(luò)功能特性。3GPP R16在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步滿足URLLC(Ultra Reliable Low Latency Communication，超高可靠超低時(shí)延通信)、mMTC(massive Machine Type of Communication，海量機(jī)器類通信)場(chǎng)景，是5GC部署的成熟版本，是主流運(yùn)營(yíng)商的長(zhǎng)期基礎(chǔ)版本。

在R15 版本中，5GC中通過(guò)5G核心網(wǎng)能力開放架構(gòu)及NEF功能網(wǎng)元能夠提供的主要能力和主要API(Application Program Interface，應(yīng)用程序接口)共7個(gè)，其主要能力及應(yīng)用場(chǎng)景匯總?cè)绫?所示。

表2 R15 5G核心網(wǎng)可提供的主要能力列表

隨著網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)及能力豐富，R16版本支持的5G網(wǎng)絡(luò)能力面向垂直行業(yè)、專網(wǎng)、智能分析等方向擴(kuò)展及演進(jìn)，其主要能力及應(yīng)用場(chǎng)景匯總列舉如表3所示。

表3 R16 5G核心網(wǎng)可提供的主要能力列表

4 5G核心網(wǎng)能力開放應(yīng)用方案

本節(jié)主要介紹5G核心網(wǎng)能力開放應(yīng)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(shuō)明5G核心網(wǎng)能力的實(shí)際應(yīng)用方案，為5G網(wǎng)絡(luò)能力開放面向市場(chǎng)轉(zhuǎn)化為相關(guān)產(chǎn)品或業(yè)務(wù)提供參考方案。本節(jié)部分應(yīng)用方案來(lái)源于中國(guó)聯(lián)通5G能力開放應(yīng)用探索[8]。

4.1 5G差異化保障能力應(yīng)用

5G差異化保障能力應(yīng)用方案為運(yùn)營(yíng)商針對(duì)特定客戶或垂直行業(yè)(如政企、醫(yī)療、金融、證券等)和特定應(yīng)用(如直播、游戲等)，提供基于5G QoS的差異化網(wǎng)絡(luò)資源(如時(shí)延、帶寬等)調(diào)度服務(wù)的業(yè)務(wù)和產(chǎn)品[7]。第三方可根據(jù)需求調(diào)用移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的5G QoS保障能力，面向行業(yè)、企業(yè)特定應(yīng)用或客戶提供基于5G網(wǎng)絡(luò)的流量加速服務(wù)，適用于云游戲、視頻會(huì)議、手機(jī)直播等場(chǎng)景，保證優(yōu)質(zhì)的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

如圖2所示，某OTT(Over The Top，跨域中間環(huán)節(jié))用戶訪問(wèn)OTT應(yīng)用后，OTT服務(wù)器通過(guò)5G能力開放平臺(tái)(或5G流量加速平臺(tái))為該用戶申請(qǐng)流量加速服務(wù)。5G能力開放平臺(tái)(或5G流量加速平臺(tái))將流量加速服務(wù)申請(qǐng)消息發(fā)送至5GC網(wǎng)元PCF(Policy Control Function，策略控制功能)，PCF選擇服務(wù)匹配的QoS保障策略模板。隨后，PCF協(xié)調(diào)5GC及接入網(wǎng)元根據(jù)該QoS保障策略模板，為該應(yīng)用建立QoS保障專用通道，提供流量加速服務(wù)。

4.2 5G背景流量能力應(yīng)用

5G背景流量應(yīng)用方案為運(yùn)營(yíng)商在特定區(qū)域內(nèi)為其移動(dòng)用戶提供推送背景流量業(yè)務(wù)，如智能手機(jī)的軟件升級(jí)服務(wù)或者是音樂(lè)、視頻的推送，可在多個(gè)時(shí)間窗(對(duì)應(yīng)最大聚合比特率、費(fèi)率)內(nèi)發(fā)起背景流量傳送。該方案尤其適用于車聯(lián)網(wǎng)等海量數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景[9]。

如圖3所示，某車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)服務(wù)商與運(yùn)營(yíng)商簽訂在特定區(qū)域內(nèi)、特定事件內(nèi)為某用戶提供海量數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)?；诤Ａ繑?shù)據(jù)傳輸Web或API，用戶發(fā)起該服務(wù)請(qǐng)求，車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)服務(wù)上經(jīng)由Web或API申請(qǐng)業(yè)務(wù)開通，實(shí)現(xiàn)在特定區(qū)域內(nèi)為其移動(dòng)用戶提供推送背景流量業(yè)務(wù)。

4.3 5G位置能力應(yīng)用

5G位置能力應(yīng)用是將網(wǎng)絡(luò)中的終端位置信息等以WEB或API方式開放給客戶，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)控、精準(zhǔn)定位、智能跟蹤、用戶使用行為分析、故障預(yù)警和定位等[10]。

1)智能可穿戴設(shè)備定位：通過(guò)運(yùn)營(yíng)商提供的可穿戴終端實(shí)時(shí)位置信息，可對(duì)可穿戴終端的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)精確定位，并結(jié)合通話、報(bào)警等功能，從而降低可穿戴設(shè)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(guò)運(yùn)營(yíng)商提供的物流實(shí)時(shí)位置信息，能夠?qū)ξ锪鬟M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及定位，并將信息記錄及上傳，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物流行駛軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤、查詢，如圖5所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

5G網(wǎng)絡(luò)能力開放是5G時(shí)代重要的商業(yè)模式之一。本文探討5G時(shí)代在哪些場(chǎng)景可提供哪些核心網(wǎng)能力，如何轉(zhuǎn)化為面向需求方開放的業(yè)務(wù)/應(yīng)用以及網(wǎng)絡(luò)能力的演進(jìn)方向，期望通過(guò)此文研究為運(yùn)營(yíng)商5G核心網(wǎng)能力的應(yīng)用及部署提供相關(guān)參考和建議。