3GPP R17垂直行業(yè)應(yīng)用關(guān)鍵特性綜述

李曉華 宋得龍 高嫻

(1.浪潮通信技術(shù)有限公司，北京 100094；2.中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所，北京 100191；3.山東浪潮科學(xué)研究院有限公司先進通信研究所，山東 250101)

0 引言

3GPP R17標(biāo)準(zhǔn)于2022年3月完成系統(tǒng)設(shè)計，于2022年6月完成ASN.1協(xié)議凍結(jié)。目前，各特性的主要內(nèi)容已基本完善，在前續(xù)兩個版本的基礎(chǔ)上，圍繞著網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)增強、應(yīng)用能力拓展、垂直行業(yè)能力增強、覆蓋與性能提升等方面向“更強”“更優(yōu)”“更專”的方向演進，并對人工智能技術(shù)展開了初步的探索。R17深度賦能垂直行業(yè)，支持更多的垂直領(lǐng)域，加速5G行業(yè)落地。本文將對R17網(wǎng)絡(luò)側(cè)和垂直行業(yè)應(yīng)用相關(guān)的特性進行研究，幫助行業(yè)用戶更好地了解相關(guān)功能、技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化最新進展。

1 非公共網(wǎng)絡(luò)增強

非公共網(wǎng)絡(luò)(Non-Public Networks，NPN)是3GPP R16引入的一個特性，為垂直行業(yè)提供專屬網(wǎng)絡(luò)。NPN分為獨立組網(wǎng)的獨立的非公共網(wǎng)絡(luò)(Stand-alone Non-Public Network，SNPN)和與PLMN集成的公共網(wǎng)絡(luò)集成NPN(Public Network Integrated Non-Public Network，PNI-NPN)，前者由SNPN運營商獨立運營且不依賴于PLMN網(wǎng)絡(luò)，不支持與EPS互通；后者依賴于PLMN網(wǎng)絡(luò)，使用封閉接入組(Closed Access Group，CAG)進行接入控制，通過CAG List+網(wǎng)絡(luò)切片可以實現(xiàn)端到端的資源專用。

R17主要增強了SNPN支持獨立第三方憑證持有者(Credentials Holder，CH)的憑證以及UE入網(wǎng)和遠程配置的架構(gòu)和流程[1]。其中，CH可以是SNPN或者PLMN，CH網(wǎng)絡(luò)只提供主認(rèn)證和授權(quán)，不提供任何其他服務(wù)。在具體部署上，CH可以提供AUSF+UDM完成認(rèn)證，此時簽約數(shù)據(jù)(包括移動性管理簽約和會話管理簽約)駐留在CH；CH也可以提供AAA服務(wù)器，此時簽約駐留在SNPN的UDM，UDM向AUSF指示需要AAA服務(wù)器的主認(rèn)證，SNPN使用NSSAAF支持SNPN UE的主認(rèn)證和授權(quán)，NSSAAF將EAP消息轉(zhuǎn)發(fā)給AAA服務(wù)器，該過程中用戶標(biāo)識使用和SNPN內(nèi)相同的SUPI。為了支持獨立第三方憑證，在SNPN的系統(tǒng)信息廣播中引入了支持使用CH憑證接入的指示，使UE確定是否可以使用UE配置的任何憑證訪問當(dāng)前SNPN，也可以阻止R17使用CH憑證的UE嘗試向R16 SNPN注冊[2]。此外，還支持網(wǎng)絡(luò)選擇的組ID(Group ID for Network Selection，GIN)列表，即每個SNPN支持的網(wǎng)絡(luò)選擇Group ID列表，這種情況下UE可以使用GIN組內(nèi)任意成員的憑證接入SNPN，好處是當(dāng)前SNPN不需要廣播GIN組里的所有SNPN的標(biāo)識，而只需廣播組的標(biāo)識。

對于UE入網(wǎng)(Onboarding)和遠程配置功能，當(dāng)UE初始不具備簽約網(wǎng)絡(luò)的憑證時，入網(wǎng)流程使配置了默認(rèn)憑證的UE可以接入一個配置網(wǎng)絡(luò)(Onboarding Network，ONN)，默認(rèn)憑證可由設(shè)備制造商為UE配置，ONN可以是SNPN或者PLMN。UE獲得與ONN的網(wǎng)絡(luò)連接后，可以通過配置服務(wù)器(Provisioning Server，PVS)獲取UE簽約的SNPN(SO-SNPN)的簽約憑證和配置。配置網(wǎng)絡(luò)是SNPN(ON-SNPN)時，NG-RAN節(jié)點將額外廣播一個SNPN當(dāng)前是否支持入網(wǎng)的指示，UE使用專門的Onboarding注冊類型，網(wǎng)絡(luò)不需要簽約檢查。UE通過和默認(rèn)憑證服務(wù)器(Default Credentials Server，DCS)之間的認(rèn)證后獲得到配置網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)連接，此時建立UE到PVS的受限PDU會話，以僅允許來自/去往PVS的流量。對于某個特定UE而言，ON-SNPN和SO-SNPN可以是同一個網(wǎng)絡(luò)；如果配置網(wǎng)絡(luò)是PLMN，則使用正常注冊流程，無入網(wǎng)指示，由UDM進行正常的簽約檢查。

UE完成入網(wǎng)注冊(配置網(wǎng)絡(luò)是SNPN)或者正常注冊(配置網(wǎng)絡(luò)是PLMN)后，通過用戶平面遠程配置UE以獲取簽約網(wǎng)絡(luò)的憑證，然后UE從配置網(wǎng)絡(luò)注銷，使用簽約網(wǎng)絡(luò)的憑證注冊到簽約網(wǎng)絡(luò)以獲取服務(wù)。配置網(wǎng)絡(luò)是SNPN時的高層相關(guān)流程如圖1所示。

圖1 配置網(wǎng)絡(luò)是SNPN時獲取簽約網(wǎng)絡(luò)憑證并接入的高層流程

2 5G多播廣播

R17在5G中提供多播廣播服務(wù)，支持下行點到多點傳輸以節(jié)省空口資源，應(yīng)用場景包括公共安全、V2X、IPTV、廣告推送、實況直播等，定義了多播廣播的基本架構(gòu)以及網(wǎng)元功能，通過對現(xiàn)有網(wǎng)元功能增強，實現(xiàn)多播廣播業(yè)務(wù)的基本能力，并可根據(jù)實時網(wǎng)絡(luò)條件在單播和廣播/組播間動態(tài)切換。

對于廣播，覆蓋區(qū)域內(nèi)的所有UE都被授權(quán)接收數(shù)據(jù)，UE無反饋，內(nèi)容提供商和網(wǎng)絡(luò)不清楚UE是否實際上在接收數(shù)據(jù)廣播。多播是向一組專門的UE同時提供相同的業(yè)務(wù)和相同的特定內(nèi)容數(shù)據(jù)，UE通過加入或離開的信令進行反饋，內(nèi)容提供商和網(wǎng)絡(luò)知道UE是否實際正在接收數(shù)據(jù)。多播會話可以預(yù)先配置臨時移動組標(biāo)識(Temporary Mobile Group Identity，TMGI)、QoS信息等會話屬性，但不在NG-RAN上預(yù)留用戶面資源，在第一個UE加入會話時觸發(fā)會話建立，在最后一個UE離開后，會話釋放[3]。

5MBS架構(gòu)上增加了MB-SMF、MB-UPF，其中MB-UPF是多播業(yè)務(wù)的信令面錨點，支持多播會話管理和分配/回收TMGI，根據(jù)PCF網(wǎng)元或本地確定的MBS策略配置MB-UPF，以及與SMF交互以向其提供MBS會話上下文信息。MB-UPF用于向RAN節(jié)點發(fā)送多播廣播數(shù)據(jù)。核心網(wǎng)支持5MBS數(shù)據(jù)的5GC共享傳輸和獨立傳輸，采用5GC共享傳輸模式時用戶面從MB-UPF到RAN，采用5GC獨立傳輸模式時用戶面路徑為MB-UPF→UPF→RAN。而5GC共享傳輸和獨立傳輸又支持多播和單播方式，單播方式使用隧道的TEID，多播方式則把相關(guān)節(jié)點加入多播分發(fā)中。

空口NG-RAN支持采用PTM/PTP方式向UE發(fā)送數(shù)據(jù)包，可以控制UE在PTM/PTP兩種方式間進行切換，支持基于Xn接口/N2接口切換的業(yè)務(wù)連續(xù)性。

3 面向垂直行業(yè)的服務(wù)使能架構(gòu)層增強

面向垂直行業(yè)的服務(wù)使能架構(gòu)層(Service Enabler Architecture Layer for Verticals，SEAL)由一組通用的服務(wù)(如位置管理、組管理、配置管理、身份/密鑰管理、網(wǎng)絡(luò)資源管理)和接口組成，提供應(yīng)用層功能和接口，以API形式向一個或多個垂直行業(yè)提供服務(wù)，允許跨不同垂直行業(yè)使用通用功能/服務(wù)。

UE和服務(wù)器分為VAL層和SEAL層，SEAL功能實體分別是SEAL客戶端和SEAL服務(wù)器，SEAL客戶端通過SEAL-UU接口與SEAL服務(wù)器通信，通過SEAL-C接口向VAL客戶端提供服務(wù)使能層支持功能。VAL服務(wù)器通過SEAL-S接口與SEAL服務(wù)器通信，這些都是應(yīng)用平面接口，SEAL服務(wù)器可以使用3GPP接口與底層3GPP網(wǎng)絡(luò)進行通信[4]。

R16主要面向V2X應(yīng)用，R17在應(yīng)用層支持更多垂直領(lǐng)域，如UAS、未來工廠、TSN等，定義了時間敏感的VAL流標(biāo)識等新標(biāo)識，并對位置管理、組管理、網(wǎng)絡(luò)資源管理等功能進行了增強，如支持由于用戶移入或移出位置而導(dǎo)致的組更新、離線支持等。

位置管理功能的增強包括獲取某一給定區(qū)域內(nèi)UE的位置信息、監(jiān)控UE位置以在UE移入或移出區(qū)域時通知VAL Server、監(jiān)控定位區(qū)域獲取移入或移出某一地理區(qū)域/相距某個參考UE多少距離的UE列表。

組管理增加了支持臨時組創(chuàng)建以合并兩個組、獲取UE所屬組信息提供給客戶端、實現(xiàn)基于位置的組更新，即根據(jù)位置管理服務(wù)器提供的UE移入/移出位置信息更新組成員、支持授權(quán)UE請求的組刪除。

網(wǎng)絡(luò)資源管理增加了支持NRM服務(wù)器向NEF訂閱單播QoS監(jiān)測、支持網(wǎng)絡(luò)輔助的UE-UE端到端QoS協(xié)同管理以滿足端到端時延要求(如在其中一條鏈路降級時進行QoS參數(shù)調(diào)整)、確定給定流的時間敏感通信(Time Sensitive Communication，TSC)通信的可用性等。

4 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)增強

R17工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)特性主要體現(xiàn)在時間敏感網(wǎng)絡(luò)(Time Sensitive Networking，TSN)增強，R16中TSN是將5G網(wǎng)絡(luò)作為一個傳輸節(jié)點嵌入現(xiàn)有的TSN系統(tǒng)中，初步實現(xiàn)有界時延、低抖動、高可靠性的確定性傳輸[5]。R17進一步完善并增強了5G網(wǎng)絡(luò)對IEEE TSN協(xié)議的支持程度，5G系統(tǒng)可獨立支持確定性網(wǎng)絡(luò)機制，而不依賴于外部TSN網(wǎng)絡(luò)，在支持以太報文傳輸?shù)幕A(chǔ)上，還支持IP報文的確定性傳輸，可承載更廣泛的時延敏感業(yè)務(wù)。

R17對TSN架構(gòu)進行了增強，增加了TSCTSF，其可以通過交換端口管理信息和用戶面節(jié)點管理信息確定終端側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器(Device-Side TSN Translator，DS-TT)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器(Network-Side TSN Translator，NW-TT)支持的精確時鐘同步(Precision Time Protocol，PTP)功能并對其進行管理。TSCTSF檢測PCF報告的以太網(wǎng)和IP類型PDU會話的網(wǎng)橋信息的可用性，還通過從NEF/AF提供的請求的5GS延遲中減去UE-DS-TT駐留時間來確定請求的包延遲預(yù)算(Packet Delay Budget，PDB)，并將確定的請求的PDB提供給PCF用于生成PCC規(guī)則。

R17版本中5G網(wǎng)絡(luò)支持5GS同步和(g)PTP域同步兩種同步方法，5GS和PTP主時鐘的分發(fā)如圖2所示，并支持TSCTSF直接或通過NEF向AF開放這兩種時間同步服務(wù)，AF在發(fā)送時間同步服務(wù)請求前可以先獲取5GS的時間同步能力。其中，5GS同步用于NG-RAN同步，也應(yīng)用于UE；(g)PTP同步則為(g)PTP網(wǎng)絡(luò)提供時間同步服務(wù)，5GS系統(tǒng)配置為時間感知系統(tǒng)或邊界時鐘運行時可以充當(dāng)(g)PTP域的主時鐘，支持通過最佳主時鐘算法(Best Master Clock Algorithm，BMCA)過程或者本地配置確定主時鐘PTP實例和時間同步生成樹。

圖2 5G時鐘同步和g(PTP)域時鐘同步

TSC輔助信息(TSC Assistance Information，TSCAI)描述TSN業(yè)務(wù)的流量特征，包括流方向、突發(fā)到達時間、最大突發(fā)大小、周期性等，使基站可以通過配置授權(quán)、半靜態(tài)調(diào)度、動態(tài)授權(quán)等方式為周期性的確定性業(yè)務(wù)預(yù)先準(zhǔn)備通信資源，當(dāng)TSN數(shù)據(jù)包到達時不需要通過調(diào)度請求以降低等待時間。R17對TSCAI進行了增強，TSCAI引入了生存時間，該參數(shù)提供使用通信服務(wù)的應(yīng)用程序可以在沒有預(yù)期消息的情況下繼續(xù)運行的時間(周期性確定性通信業(yè)務(wù)在性能上對生存時間提出了需求，具體見TS 22.104[6])。TSCTSF或者TSN AF根據(jù)來自AF的信息創(chuàng)建TSC輔助容器并將其提供給PCF，PCF將其作為PCC規(guī)則的一部分轉(zhuǎn)發(fā)給SMF，SMF從TSC輔助容器推導(dǎo)出TSCAI，并將相關(guān)時間映射為5GS時鐘發(fā)送給NG-RAN。

5 鐵路移動通信系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)增強

針對國際鐵路聯(lián)盟UIC的未來鐵路移動通信系統(tǒng)功能工作組提出的需求，R17對R16中未完成的部分進行了對齊分析，相關(guān)功能在應(yīng)用層實現(xiàn)，相關(guān)協(xié)議修改見MCPTT系列。

R17對功能號進行了增強，支持對MC Video和MC Data業(yè)務(wù)使用功能號，由MC Video Server/MC Data Server對被叫/短數(shù)據(jù)接收方的功能號進行解析，返回對應(yīng)的MC Video ID/MC Data ID。還支持多個MCS用戶使用同一個功能號，此時MCS Server可以根據(jù)位置、時間等信息解析出一個單呼被叫MCS ID，比如鐵路上基于位置的呼叫，在某段行車區(qū)間呼叫對應(yīng)的管理員。此外還支持Client發(fā)起的組功能號的綁定與解綁。

R17還增強了單呼的呼叫轉(zhuǎn)接和呼叫轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)接支持MCPTT被叫方將單呼重定位到另一個MCPTT用戶，包括直轉(zhuǎn)和選擇轉(zhuǎn)。呼叫轉(zhuǎn)移則支持在單呼呼叫轉(zhuǎn)移過程中取消呼叫。

還有一個增強是支持離線MC Video通信中使用ProSe功能，對于離線MC Video組通信，MC Video客戶端獲取配置數(shù)據(jù)，主叫在發(fā)起組呼前，可以發(fā)起組成員發(fā)現(xiàn)過程，以識別其他組成員是否在附近。對于離線MC Video一對一通信，MC Video客戶端從MC Video用戶配置文件的“MC Video可呼叫列表”獲取目標(biāo)用戶的相關(guān)配置數(shù)據(jù)。

6 無人機系統(tǒng)

無人機的典型場景包括：實時高分辨率視頻廣播，基于無人機搭載360°球面攝像機系統(tǒng)，通過3GPP系統(tǒng)實時上傳到云端；機載無人機充當(dāng)無線接入節(jié)點，增強對緊急情況、臨時覆蓋和熱點事件等各種場景的覆蓋；無人機指揮與控制通信，通過保證C2通信的QoS來提供UAS服務(wù)等。

R17可由NEF支持UAS NF功能，用于向UAS服務(wù)提供商(UAS Service Supplier，USS)開放服務(wù)。UAS NF支持無人機認(rèn)證/授權(quán)、無人機飛行授權(quán)、無人機—無人機控制器配對授權(quán)。其中，認(rèn)證/授權(quán)可以在注冊時進行，或者在UAS業(yè)務(wù)的PDU會話建立時進行；無人機飛行授權(quán)、無人機—無人機控制器配對授權(quán)在PDU會話/PDN連接建立/修改過程中執(zhí)行。支持3種無人機跟蹤模式，即位置上報、存在監(jiān)測、獲取地理區(qū)域內(nèi)的空中 UE 列表[7]。

無人機標(biāo)識包括民航局CAA級UAV ID和3GPP系統(tǒng)中由MNO分配的3GPP UAV ID，其中CAA級UAV ID支持USS分配和3GPP輔助分配，3GPP UAV ID使用外部標(biāo)識符格式的GPSI，USS和3GPP系統(tǒng)分別使用CAA級UAV ID和3GPP UAV ID 標(biāo)識無人機，USS存儲這兩個標(biāo)識的關(guān)聯(lián)。無人機需要在UDM中具備空中簽約數(shù)據(jù)，包括空中UE指示、用作3GPP UAV ID的GPSI、指示需使用基于API的機制完成認(rèn)證和授權(quán)的SM數(shù)據(jù)。

前文所述的R17增強的SEAL服務(wù)，如位置管理、組管理、網(wǎng)絡(luò)資源管理也可用于無人機系統(tǒng)。

7 其他垂直行業(yè)特性

R17還提供了多媒體優(yōu)先級業(yè)務(wù)(Multimedia Priority Service，MPS)增強、5G消息業(yè)務(wù)(MSGin5G)、5G鄰近服務(wù)(Proximity Based Services in 5GS，5G ProSe)等垂直行業(yè)相關(guān)特性。其中，MPS允許服務(wù)用戶(如政府授權(quán)官員、應(yīng)急管理人員等特定用戶)在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞期間等情況下優(yōu)先接入系統(tǒng)資源，對MPS調(diào)用和會話建立應(yīng)用某種形式的優(yōu)先級處理。R16及之前版本主要面向語音優(yōu)先，R17增強了數(shù)據(jù)通信優(yōu)先能力，支持不同類型的UE，包括沒有簽約MPS的公網(wǎng)UE，并可以將已建立的呼叫/會話升級為MPS狀態(tài)。

MSGin5G是針對包括物物通信和人物通信在內(nèi)的海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通信而設(shè)計和優(yōu)化的消息服務(wù)，可用于點到點消息、應(yīng)用到點消息、群組消息和廣播消息場景，組管理功能和配置管理功能可由SEAL提供。支持的終端類型包括：支持MSGin5G客戶端的MSGin5G UE、不支持MSGin5G客戶端但支持SMS/NIDD等3GPP定義的消息傳遞機制的Legacy 3GPP UE以及支持RCS/LwM2M等非3GPP消息傳遞機制的非3GPP UE。MSGin5G UE可以是傳感器、執(zhí)行器等輕量級受限設(shè)備，或者是洗衣機、微型烤箱等具有高級功能的不受限設(shè)備。MSGin5G服務(wù)器通過非3GPP消息網(wǎng)關(guān)與非3GPP消息服務(wù)互通，通過Legacy 3GPP消息網(wǎng)關(guān)與Legacy 3GPP消息服務(wù)互通[8]。為MSGin5G服務(wù)的所有UE分配一個應(yīng)用層標(biāo)識符MSGin5G Service ID，UE向MSGin5G服務(wù)器注冊其MSGin5G Service ID，如果是不支持MSGin5G 的UE，則由對應(yīng)的消息網(wǎng)關(guān)代表其向MSGin5G服務(wù)器進行注冊。發(fā)送方直接或通過消息網(wǎng)關(guān)將消息發(fā)給MSGin5G服務(wù)器，MSGin5G服務(wù)器解析消息接收方確定消息是傳遞給UE(MSGin5G UE、Legacy 3GPP UE、非3GPP UE)、應(yīng)用服務(wù)器還是消息網(wǎng)關(guān)。

在R17中，ProSe與5G技術(shù)首次結(jié)合，制定了5G支持Prose的架構(gòu)，使位置相鄰的終端用戶在網(wǎng)絡(luò)控制或不控制的情況下可以直接通信，UE可以充當(dāng)5G ProSe層二/層三UE-to-Network中繼、遠端UE，支持基于PC5的終端直接發(fā)現(xiàn)功能，以及單播、廣播和組級通信三種直接通信能力，同時支持通過終端到網(wǎng)絡(luò)的單跳中繼以及PC5/Uu路徑選擇策略[5]。架構(gòu)上定義了5G 5G直接發(fā)現(xiàn)命名管理功能實體(5G Direct Discovery Name Management Function，DDNMF)，類似4G的 ProSe Function，處理動態(tài) 5G ProSe直接發(fā)現(xiàn)所需的網(wǎng)絡(luò)相關(guān)操作的邏輯功能。

8 結(jié)束語

5G持續(xù)賦能千行百業(yè)，實現(xiàn)差異化服務(wù)能力及業(yè)務(wù)保障。垂直行業(yè)是5G商用和價值展現(xiàn)的重要目標(biāo)市場，本文根據(jù)3GPP R17系列規(guī)范，重點介紹了網(wǎng)絡(luò)側(cè)和垂直行業(yè)應(yīng)用相關(guān)的關(guān)鍵特性和增強功能，為行業(yè)用戶的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供助力。