3GPP R16 5G核心網技術綜述

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 按照不同版本來規劃每個階段的標準，R16 是5G 的第一個演進版本標準，已經于2020 年6 月正式凍結。本文面向R16 核心網標準功能的引入，首先總結了標準的整體情況，接著針對基礎能力拓展優化、垂直行業能力增強、網絡智能化提升三個方面進行了分析，為產業界就R16 相關能力的引入和優化，以及與行業客戶需求的進一步結合提供參考，最后對R16 能力的實際部署進行了展望。

1 3GPP R16核心網標準概覽

R16 標準主要從三個方向對5G SA 系統進行增強：一是面向基礎能力進行擴展優化，R16 標準首先圍繞R15 已經定義的業務能力，針對運營商在實際部署網絡過程中遇到的省級漫游、容災等問題提供了豐富的解決方案，增強了運營商部署5G 網絡的基礎能力穩定性和網絡魯棒性；二是面向垂直行業能力進行了增強，R16 標準圍繞5G 獨立部署 架構的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，大規模機器通信）三大場景，引入NPN（Non-public Network，非公用網絡）、5G LAN、TSN（Time-Sensitive Network，時間敏感網絡）等特性，豐富了5G 網絡使能垂直行業的能力；三是面向網絡智能化進行能力提升，R16 標準將智能化原生地植入現有網絡系統架構，對提升網絡管理效率、增強網絡服務能力、保障用戶體驗具有非常重要的意義。

2 面向基礎能力拓展優化

2.1 ETSUN

ETSUN（Enhancing Topology of SMF and UPF in 5G Networks，5G 網絡的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 的網絡架構及流程，定義了UPF 分配UE IP 地址等技術方案。

I-SMF 技術方案通過插入I-SMF、I-UPF 連接錨點SMF 和UPF，用于解決跨SMF 服務區的業務訪問問題，如圖1 所示。當前國內運營商的5G 網絡控制面多以省/大區為單位集中部署，因此當用戶在業務進行中跨省/ 大區移動或訪問跨SMF Pool 的區域性業務（業務出口只部署在某一SMF Pool 服務區域）時，需基于用戶位置和切片選擇并插入I-SMF 保持業務連續性或業務可達。

圖1 跨SMF服務區的業務訪問示例圖

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）面向服務化架構，增強基于HTTP協議的5G 核心網可靠性。

負載控制方面，在EPC 及R15 5G 標準基于優先級和靜態權重進行網元選擇機制的基礎上，新增了NRF 通知、客戶端與服務端在隨路消息中直接傳送兩種動態負載通知機制，使客戶端可基于服務端的動態負載調整新業務分發，實現負載控制、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元，避免單網元過載。運營商在引入該功能時，仍需綜合考慮靜態權重和動態負載的網元選擇平衡，避免出現單服務節點過載后業務量驟降、其他服務節點業務量激增的乒乓效應。

過載控制方面，R16 標準定義了基于HTTP 響應碼進行過載控制、客戶端與服務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端計算流控比例，實現上需要更多開銷，在引入該功能時需要在業務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，如網元級、服務級、網元組級和服務組級。

2.3 eSBA

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

無狀態機制包括網元集合和服務集合兩種，集合內網元/服務完全等價、數據完全共享，集合內任意網元/服務異常，集合內其他網元/服務均可接管業務，利于快速業務遷移和恢復，提高系統可靠性。其核心是數據共享，可以考慮兩種方式，第一種是UDR/UDSF 集中存儲數據，UDM、AUSF、PCF、NEF 將數據存儲到UDR，其他類型NF 將數據存儲到UDSF；第二種是集合內數據共享，例如鏈式備份等。運營商可基于已部署的主備、池組等容災備份機制，按照網絡可靠性需求，區分網元類型逐步引入。

SCP 可提供新的信令尋址和路由方案，支持網元間準直連和代理發現兩種方式。網絡規模不斷增加導致直連組網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及連接靈活適配需求，需要考慮引入SCP 實現連接匯聚。

2.4 eLCS

eLCS（enhanced LoCation Services，增強的位置服務）賦予5G 網絡更多的位置服務能力，運營商可根據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化的5G 定位能力架構，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

定位能力開放方面，GMLC 可通過NEF（能力開放服務）將米級定位服務提供給外部AF 或者客戶端，支持網絡觸發的定位請求流程、用戶終止定位請求流程和用戶發起的定位請求流程；用戶定位隱私保護增強方面，定位服務執行流程中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，同時，eLCS 定位服務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 的基礎上，R16 標準進一步增強了計費架構并完善計費能力，主要包括以下三類增強點：

一是在R15 標準基礎上完善計費能力，定義了ETSUN計費流程，明確數據業務計費信息由SMF 網元統一提供，同時優化了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部和運營商之間的對賬需求。

二是增強網絡切片計費能力，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、統計、管理計費維度，可實現基于切片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 等作為計費服務的使用者，提供UE 的注冊/去注冊信息、N2 連接狀態、API 接口的調用/通知次數等作為可計費信息，助力運營商構建多量綱、多維度的計費體系。

R16 計費能力的增強也使得計費架構、流程、話單格式等復雜化，運營商實際網絡部署時應當根據自身組網模式、部署方案、市場需求等按需引入相關功能要求。

3 面向垂直行業能力增強

3.1 NPN

NPN（Non-Public Network，非公共網絡）主要滿足行業客戶構建企業局域專用網絡的訴求。該技術可以將無線覆蓋網絡分別標識成獨立的區域，并控制5G 終端根據其所配置的標識接入到對應的網絡，進而實現一個相對封閉的局域網絡環境。

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

當采用PNI-NPN 時，運營商可依托公網覆蓋和運維優勢，為專網用戶提供數據互通、語音互通、容災備份等增值保障服務。

3.2 5G LAN

5G LAN 主要針對行業網客戶提供安全高質量的私有移動局域網服務，實現本地或跨域互聯，同時5G LAN支持指定的終端組基于Ethernet 或IP 進行點對點通信，滿足工業互聯網、企業辦公、車聯網等業務需求。

運營商對5G LAN 的網絡部署，建議優先滿足固定園區場景的需求，采用專用UPF 通過本地交換能力完成用戶數據的本地交換；若園區分布在多地，可選擇基于N19 的用戶面組網方式，實現跨園區多UPF 之間的互通。

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

3.3 TSN

圖3 SNPN組網架構

圖4 PNI-NPN組網架構

3GPP 在R16 引入了5G 與工業網絡互通架構TSC（Time-Sensitive Communication，時間敏感通信），如圖5所示[2]，TSC 將5G 系統作為一個TSN 網橋集成在TSN 系統中，通過高精度時間同步、確定性轉發、TSN 管理協同及網絡拓撲發現等能力，在固網覆蓋困難或存在移動性要求的業務場景輔助TSN 網絡，提供確定性網絡傳輸服務。

運營商在引入TSN 時需考慮技術成熟度、部署難度和產業支持情況。在技術層方面，需統一規范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 技術目標是逐流狀態維護，對于局域網維護開銷尚可接受，但對于城域網需平衡維護開銷；在部署層面，TSN 技術強依賴時間同步，在廣域場景下需解決大規模、遠距離傳輸、復雜組網等問題，為滿足TSN 的時延要求，用戶面需下沉至現場，對運營商組網和成本均帶來較大挑戰；在產業支持方面，需產業界共同推動工業網絡支持TSN 以及終端、芯片的成熟。

3.4 URLLC

R16 的URLLC 在核心網層面新引入了核心網多路冗余傳輸和QoS 監控技術，以滿足業務對可靠性和極低時延的業務需求。

依據冗余資源數量越多，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元，滿足行業超高可靠需求。但冗余度越高，網絡設備開銷越高，運營商在部署時需要平衡新增投資成本和帶來的業務增益。

此外，核心網新增單UE 單QoS 流和GTP-U 路徑兩種QoS 監控機制，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 空口技術接入到5GC 架構，涵蓋繼承功能、增強功能及新增功能的三大類能力，包括5G 控制面優化及擁塞控制、覆蓋增強簽約限制、跨RAT 的空閑態移動性等繼承功能，過載控制、NB-IoT QoS、節電、高延遲通信等增強功能，以及用戶選擇核心網的接入類型、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，但對現有NB-IoT 終端、無線及5GC 有新的功能要求；R16 mMTC采用5GC 架構，具備切片、邊緣計算等5G 特色能力，可以滿足物聯網差異化需求，運營商需綜合考慮NB-IoT 現網部署情況以及mMTC 產業支持能力，適時向mMTC 演進。

3.6 eNS

eNS（enhanced Network Slice，增強的網絡切片）主要從互操作和二次鑒權兩方面增強了網絡切片的功能。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絡移動到支持切片網絡的業務連續性，尤其是終端同時具備多個切片的場景。針對二次鑒權賦予垂直行業客戶靈活控制切片訪問的權限，一是可以提升2B 切片業務開展的靈活性，提升行業客戶的業務規劃自主性，二是避免由于行業客戶業務變更，頻繁修改運營商設備的簽約數據。

圖5 5G系統嵌入TSN架構

圖6 多路冗余方案

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

4 面向網絡智能化提升

4.1 網絡智能化的業務驅動

3GPP 在5G 標準制定之初，就考慮將人工智能與網絡大數據分析技術融合應用于5G 網絡，利用人工智能對海量移動通信數據進行挖掘和分析、推理、判斷以及預測，將人工智能與網絡運營、運維、策略管理等內容結合起來賦能網絡和業務，對提升網絡管理效率、提高網絡資源利用率、保障用戶體驗具有非常重要的意義。

NWDAF 作為5GC 中大數據采集和智能分析的獨立網元，是5GC 的“AI+大數據”引擎，具備能力標準化、匯聚網絡數據、實時性更高、支持閉環可控等特點。

4.2 基于NWDAF的網絡智能化提升

R16 eNA（enablers for Network Automation，網絡自動化）項目進一步增強了網絡智能化能力，NWDAF 不僅能夠從5GC NF、AF、以及OAM 收集數據，還具備將分析結果（統計和預測）輸出供消費者執行后續操作決策使用。NWDAF 在5GC 標準定義的非漫游網絡架構如圖7 所示[3]，控制面采用服務化接口。

圖7 NWDAF在5GC的非漫游網絡架構

當前基于NWDAF 的5G 智能架構已支持一個通用的數據采集、數據分析以及分析結果反饋的網絡技術體系和能力，并提供切片SLA 保障、邊緣計算智能協同、行業用戶管理和監測、背景流量傳輸等七類典型案例的解決方案，滿足2C 和2B 業務的不同需求。運營商可從網絡智能化的迫切應用場景入手，并統籌考慮產業進展，兼顧智能架構及功能演進，注重提升2B 垂直行業價值輸出，逐步采用由4G 網元AI 自治探索向5G 網絡AI 內生、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能力內生的網絡智能化提升

運營商在部署過程中，也可以將NWDAF 與某一網元進行融合，使該網元具備AI 能力，相較于把NWDAF 作為獨立網元在5GC 中部署為網絡提供智能分析，有利于減小對整個網絡環境的影響，僅對特定網元進行升級即可實現AI 能力內生。該網元可以針對其內部數據進行分析，無需進行二次傳輸從而節省帶寬，且該部署策略可滿足實時性、數據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絡節點可形成智能群體，將有價值的數據上行聚合并進行聯合建模，在保障更快速更安全的同時，更智能更普適。

5 結束語

本文主要針對3GPP R16 的標準內容在基礎能力拓展優化、垂直行業能力增強、網絡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 協同、車聯網等新能力。R16 能力將隨著運營商的服務能力演進逐步引入現網，R16 標準的凍結僅表示本階段能力定義的完成，運營商面向實際部署，結合行業客戶需求需進行大量的優化和定制化，需要產業鏈上下游間的通力協作，為5G 與千行百業融合融通以及業務創新奠定基礎。