5G移動固定網絡融合的分析

【摘? 要】當前移動接入與固定接入都發展迅速，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務場景和相關的技術手段，認為5G的應用場景和網絡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方案及相應的網絡架構，提出了相應的對策建議。

【關鍵詞】5GC;云網融合;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移動固定網絡融合的分析[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、云應用和新型社交應用的影響，2014年開始國內移動寬帶用戶數增長迅猛，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月當月戶均使用移動互聯網流量為5.66 GB，比2017年同期增長151%，流量消費潛力保持高速釋放態勢。為了應對容量的高速增長，ITU-R從2012年開始研究5G技術（IMT-2020），預計在2020年實現規模商用[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還需要大幅提高網絡部署和運營的效率。

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，國內寬帶用戶持續向高速率遷移，到2018年10月底100 Mbit.s-1及以上固定互聯網寬帶接入用戶總數達到2.43億戶，占總用戶數的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展都是順應了以用戶為中心的服務理念。用戶的需求千變萬化，多種接入方式的發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務，不可能用一種技術包辦全部，移動和固定接入技術應該并存。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網絡的主流技術，由于接入速率具有很強的相似性，這使得5G核心網絡（5GC）能夠更好地支持移動固定融合。同時，IP技術的廣泛應用使得固定和移動通信網絡正在逐步向分層化、全IP化的網絡架構演進，相似的網絡結構和接口協議為固定通信網絡和移動通信網絡的融合（FMC）奠定了基礎。此外，5G網絡采用了最新的SDN、NFV和云計算技術，實現了IT技術為基礎的云化架構的5GC，最大限度地減少對接入網絡技術的依賴以應對熱點區域的流量暴增和易于整合未來的新興服務[2]。

目前，國際上許多標準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準。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發起聯絡函，聯合3GPP共同推動FMC的研究。2017年6月份的3GPP SA全會上已經立項相關研究課題[5]。BBF的5G FMC方案包括一個5GC網絡，并增強了支持有線接入的能力[6]。

固定移動融合的驅動力包括業務層面和網絡層面的需求，業務層面的驅動力主要是統一用戶帳號和認證、統一計費、業務連續性保障以及業務體驗一致性等，網絡的驅動力包括統一網絡架構下的網絡建設與運維成本降低。本文從FMC的業務場景入手，按照5G網絡的云化架構分析5G移動固定網絡融合的4個層面，給出FMC的網絡架構和相關建議。

2? ?移動固定融合的業務場景

4G時代，通過接入統一的EPC融合核心網，實現了Wi-Fi與LTE之間的互操作。但是實際部署的運營商很少，主要應用場景是提供VoWi-Fi，為用戶提供語音業務在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實現移動固定融合，融合5GC支持切片、支持服務化/虛擬化，也為今后支持FMC提供了極大的網絡部署靈活性。在這種集成模型中，融合5GC用于提供傳統上由有線核心網絡提供的功能。下面將介紹兩種采用融合5GC的FMC業務場景。

（1）經過固定或/和移動接入的固定業務

固定寬帶服務的終端（如用戶終端設備（CPE， Customer Premise Equipment）、家庭網關（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則在有線接入網絡和融合5GC之間引入了新的中介功能，稱為5G訪問網關功能。

采用5GC的FMC固定業務如圖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。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絡。用戶可以使用相同的身份連接到RG創建的Wi-Fi熱點的終端上網，RG可以訪問同一運營商提供的5GC網絡，得到統一的賬單。

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的基礎上進行語音通話。如果5G網絡檢測到此RG的固定接入網提供的帶寬不足以支持電視服務和語音呼叫服務，在5GC的控制下，RG同時通過移動設備打開移動接入網（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的要求。

（2）經過固定或/和移動接入的移動業務

移動寬帶服務的終端（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上網和上云。

采用5GC的FMC移動業務如圖2所示：

比如，移動寬帶服務的用戶正在通過5GC基于IMS進行語音呼叫。當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，此對話的所有數據包都不會丟失。

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（例如數據服務和語音服務）。當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。同時當用戶啟動視頻文件下載時，將選擇固定連接并將其用于數據下載流量。

3? ?5GC的云化架構與網絡切片

5G時代，云網融合已經成為網絡和應用的基礎，其中網絡是連接各種移動和固定終端和各種應用云的通道，包括接入網、城域網、骨干網絡和專用承載網等;云則是IT資源的提供者，向應用提供計算、存儲和網絡三種能力。通過構建“云網”的一體化基礎設施，可以用5G網絡的能力支撐云計算的發展，同時用云計算的理念優化5G網絡資源，促使各種資源能夠按照用戶的需求，動態、彈性地調度和分配。

SDN和NFV是網絡云化的關鍵技術。SDN是將網絡的控制平面與數據轉發平面進行分離，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軟件定義的網絡架構。NFV是指利用虛擬化技術，采用標準化的通用IT設備來實現各種專用的網絡功能，目標是替代通信網中私有和封閉的網元，實現統一的硬件平臺加業務邏輯軟件的開放架構。使用NFV/SDN等新技術，網絡具備編程能力，資源具備彈性可伸縮能力，可以主動適應各種互聯網和物聯網應用所需。

通過引入SDN/NFV技術，5G核心網采用服務化架構進行了云化部署，包含了轉發平面和控制平面，其中控制平面實現網絡控制功能集中，網元功能虛擬化、軟件化、可重構，支持網絡能力開放。轉發平面實現剝離控制功能，其轉發功能緊靠近基站，支持業務能力與轉發能力融合。以適當的方式應對各種甚至相互沖突的服務要求，而不是要求為每個特定服務部署單獨的專用網絡。

5GC網絡部署在基于云的網絡基礎架構上，以支持靈活和自動的網絡部署、擴展和可擴展性。基于云的5G網絡基礎架構是一組相互關聯的多層數據中心（例如邊緣數據中心、核心數據中心），可采用通用標準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計的網絡功能。

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，這就帶來了網絡切片能力，也就是提供特定網絡功能和網絡特征的邏輯網絡能力。網絡切片可以部署在統一的底層物理設施上，不同切片承載不同網絡服務，而底層資源共享網絡切片。不同網絡切片可以進行功能定制：為不同的垂直行業提供差異化SLA，例如不同的QoS和安全級別等。顯然，固定業務能力可以看做5GC的一種網絡切片。網絡切片從5GC開始實施，未來可以擴展至承載網絡和接入網絡[8]。

針對FMC的網絡切片如圖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體驗和無處不在的服務可用性，服務提供商可以為固定和移動接入網絡提供無縫的服務實現。如圖4所示，從5G云化架構來看，融合包括了控制平面、轉發平面、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網絡體系結構的關鍵設計原則，它將功能（例如服務網關（SGW）、寬帶遠程訪問服務器（BRAS）等）分離為控制平面功能和用戶平面功能。控制平面執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的控制與轉發分離便于移動固定融合場景的部署，控制面的3A認證、QoS控制、計費和移動性管理等機制可以進行融合的嘗試。

（2）轉發面的融合

用戶數據存儲的位置和結構在不同的接入網中有所不同。例如，固定用戶數據存儲在固定網絡的身份驗證、授權、記帳（AAA）服務器中，而移動用戶數據存儲在4G網絡的主用戶服務器（HSS）中。這種數據分離會導致數據冗余和服務開發困難等幾個缺點。因此，統一的數據庫可以降低維護成本，為服務開發和數據分析提供條件。

FMC的用戶數據管理要求如下：

1）需要一個5G FMC網絡來支持單一的集中用戶數據存儲，以便最終用戶使用固定和移動接入技術訪問5GC網絡;

2）5G FMC網絡需要支持用戶數據存儲中的統一訪問機制。

（3）網絡能力開放接口的融合

為了使第三方能夠訪問有關5G網絡提供的功能信息（例如連接、QoS和移動性信息），并在規定的范圍內動態自定義針對各種用例的網絡功能，5G網絡運營商應提供API向第三方公開網絡功能和相關信息。網絡功能公開啟用的示例方案包括對網絡切片管理的第三方訪問和在網絡邊緣安裝第三方應用程序等。5G FMC網絡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，網絡能力開放包含監控能力、提供能力、策略控制和計費能力等方面，5G網絡通過網絡能力開放功能（NEF，Network Exposure Function）對外提供網絡能力開放服務，NEF提供對外的接入點，通過服務化SBI接口與網絡中其它NF交互。

5? ?5G移動固定融合的網絡架構

（1）支持FMC的5G核心網絡

在以前的移動網絡中，在引入無線新技術的同時，還推出一種新型的核心網絡，因此，新的核心網絡和遺留核心網絡之間需要進行交互一直是一種技術挑戰。5G網絡架構則被設計為與接入網絡無關，5G核心網絡具有與接入網絡技術無關的共同控制機制（如網絡連接和認證機制），通過多接入網的多連接可以提高網絡的魯棒性和吞吐量性能。5G網絡需要支持新的5G接入、傳統的4G/3G接入、Wi-Fi接入網絡和固定寬帶接入網絡，可以分別采用獨立的核心網切片來支持這些不同的接入方式。

支持FMC的5G核心網絡如圖5所示：

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

（2）支持FMC的5G業務網絡

對于語音業務，IMS業務網絡可以統一為移動和固定用戶服務，提供類似于4G階段的移動固定融合業務VoWi-Fi。對于視頻業務（IPTV等），目前固定接入網絡已經成熟地提供IPTV等大視頻業務，但是移動網絡尚未提供IPTV等業務，5G網絡具備大帶寬能力，5G時代的移動固定融合的IPTV業務網絡成為可能。

對于側重于本地化的邊緣計算業務，5GC天然支持。當固定接入也通過5GC來實現時，則技術上也能為固定用戶提供邊緣計算業務。

（3）支持FMC的5G接入網絡

除了通過5GC進行FMC以外，可以通過無線網進行移動固定融合，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化、資源分配、基站的組網方案等。

另外，移動接入網絡、固定接入網絡可以考慮在承載方面進行一定程度的融合。

6? ?結束語

以前FMC的業務需求主要是基于OSS/BSS等運營系統等實現的，而不對網絡架構進行大的融合調整。在5G階段，網絡層面的融合方案主要聚焦基于5GC的融合。

根據ITU對5G技術的初步期望，5G網絡主要在室內和熱點區域提供覆蓋，這就與固定接入應用場景有了極大重合。5G階段給用戶提供的數據速率可以和固定寬帶相比擬，通過核心網用戶面的進一步下沉，FMC將會有更多的應用場景。

目前5G階段FMC網絡層面的研究處于起步階段，建議進一步推動FMC，給用戶提供統一的認證、統一計費、保持業務連續性以及一致的業務體驗等，為新型的移動固定融合業務產品的設計開拓空間，提高運營商的競爭力。

參考文獻：

[1] IMT-2020（5G）推進組. PG-5G網絡架構設計白皮書[EB/OL]. [2019-01-03]. http：//www.imt-2020.org.cn.

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

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[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網絡軟件化的分析[J]. 移動通信， 2016，40（19）： 76-80.