5G核心網面向3GPP R16演進關鍵技術及引入策略

楊旭，肖子玉，張明，邵永平

（1.中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080； 2.中國移動通信采購共享服務中心，北京 100053）

1 引言

3GPP R15標準主要聚焦增強型移動寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB），可以滿足大帶寬及部分低時延場景要求，3GPP R16聚焦三大業務場景進行功能增強，并已于2020年年中凍結，3GPP R17主要聚焦大連接物聯網（massive machine type communication，mMTC）場景，目前正在方案研究階段，計劃于 2021年第三季度凍結。

根據3GPP R15端到端產業鏈成熟周期預判，端到端產業鏈成熟滯后標準一年半以上，預計3GPP R16產業鏈將在2022年第一季度左右逐步成熟。3GPP標準及產業進展分析如圖1所示。

圖1 3GPP標準及產業進展分析

本文基于3GPP R16標準進展及主要研究方向，對于其中優先級相對高的部分關鍵技術進行重點介紹，給出部署分析和引入策略的初步建議。

2 3GPP R16的主要研究方向

3GPP R15階段主要面向eMBB場景，并定義了基本的超可靠低時延通信（ultra reliable low latency communication，uRLLC）架構，3GPP R16標準主要對于eMBB進一步增強，并針對垂直行業進行增強，滿足5G全部場景的業務需求，主要研究課題研究內容見表1。

表1 3GPP R16主要研究課題方向

3 3GPP R16關鍵技術研究及部署策略分析

本文主要就3GPP R16標準中后續商用優先級高的部分課題進行研究分析，主要包括eSBA、uRLLC、5G LAN、TSN、eNA等。

3.1 eSBA

3GPP R16基于R15 SBA架構進一步完善和架構增強，包括框架的改進、可靠性的改進等。為5G 系統提供更高的靈活性和更好的模塊化，更容易地定義不同的網絡切片并更好地重用已定義的服務，更好地支持網絡功能服務的自動化和高可靠性。

高可靠性實現主要引入NF set（集合）以及NF service set，一個NF set內的NF實例，在功能上完全相同、可以互相替換、共享上下文；負載均衡和容災機制借鑒AMF（access and mobility management function）set的機制：當相關實體出現故障時，選擇其他的等價實體。

3GPP R16 23.501系統架構中已經定義了4種模式：R15 NF 之間互通模式采用模式A/B，即直連模式；3GPP R16引入模式C/D，引入SCP，由SCP負責NF之間的非直連通訊路由。SCP作用類似于service mesh，標準未定義SCP具體實現方式。option C（SCP無代理服務發現）NRF（network repository function）負責服務發現，SCP負責非直連通信路由。option D（SCP代理服務發現）NF不進行服務發現，SCP向NRF進行代理服務發現，并負責路由非直連通信。SCP組網方式如圖2所示。

圖2 3GPP R16引入option C/option D兩種SCP組網方式

5G SA建網初期，NF數量不多、網絡規模較小、NRF處理能力不受限，且在R16標準中引入的SCP信令網元標準規范尚未成熟，信令網組網建議采用 NRF獨立組網方案。待后續SCP標準及產品成熟后、5G網絡規模逐步擴大，NRF和SCP協同完成5G信令路由功能，實現簡化組網、負載均衡等功能，降低對NRF的性能消耗。初步建議號段相關網元優選option D，統籌考慮與DRA（diameter routing agent）融合演進至4G/5G融合信令網，簡化網絡及路由架構，具體如下：

（1）無用戶號碼歸屬關系的服務采用NRF尋址，如AMF尋址SMF，類似于4G網絡的DNS；

（2）有用戶號碼歸屬關系的服務采用SCP尋址，如AMF尋址UDM（unified data management）/PCF（policy control function）、SMF 尋址UDM/PCF/OCS。

3.2 uRLLC

超高可靠和超低時延是uRLLC的主要特征，主要滿足自動駕駛、工業控制等業務需求。

（1）關鍵技術方案

超高可靠：主要通過用戶面冗余傳輸機制滿足uRLLC業務超高可靠性，3GPP R16標準定義了E2E冗余方案和N3/N9雙通道冗余方案，保證99.999%的可靠性。

其中，uRLLC端到端冗余方案架構如圖3所示。

圖3 端到端冗余方案架構

其中，uRLLC N3/N9雙通道冗余方案架構如圖4所示。

圖4 N3/N9冗余方案架構

QoS監控：通過實際數據包采樣支持對流級 別的E2E（空口+N3/N9）時延的檢測和上報，AF（application function）可以實時獲取網絡QoS時延的情況，適配調整應用流。

超低時延：主要通過3GPP R16無線空口技術實現，另外，在核心網側可通過將UPF等設備部署在邊緣，進一步降低時延。

（2）現網引入分析

·終端需要支持與uRLLC相關無線、核心網的特性，E2E冗余方案需要UE支持雙連接方案，預計2021年年底有測試模組，模組需要一定的量產和規模應用周期。

·基站需要升級支持與uRLLC相關無線特性，E2E冗余方案需要基站支持雙連接方案，N3/N9冗余方案需要基站支持包復制和包去重，涉及的升級規模范圍較廣。

·N3/N9冗余方案需要UPF支持包復制和包去重，QoS監控方案需要核心網部署NEF網元，PDU的連接數成倍增加。

（3）部署策略及建議

·uRLLC對UE、無線、核心網和業務平臺都有新的功能要求，涉及面較廣，產業成熟度還比較低，近期還不具備規模部署條件。

·考慮uRLLC是5G網絡與4G網絡的主要差異特性之一，在車聯網和工業控制領域有較大的業務需求，未來可能有較大的價值空間，建議積極關注標準和產業進展，適當超前部署小規模試驗網，引領產業發展并推動產業鏈成熟。

3.3 5G LAN

傳統移動網絡提供的是統一的接入和一致的終端管理，5G LAN作為3GPP R16階段最具市場前景的技術之一，主要面向企業辦公、智能制造等領域，實現終端的靈活組管理。5G LAN虛擬專網基于5G網絡能力，面向垂直行業通信需求，充分利用5G網絡技術優勢，為垂直行業提供使能技術，靈活便捷的支持虛擬專網通信，擴展行業應用解決方案，提升5G網絡對于傳統網絡的競爭優勢。5G LAN邏輯組網架構如圖5所示。

圖5 5G LAN邏輯組網架構示意圖

（1）關鍵技術方案

5G LAN支持以下3種用戶面轉發方案。

·基于N6接口：用于5G LAN虛擬網絡通信的上下行業務流量被轉發到DN，或通過DN轉發。適用于統一的專網業務平臺訪問、通過專用服務器進行轉發的P2P、P2M、M2M通信。

·基于N19接口：用于5G LAN虛擬網絡的通信的上/下行業務流量通過N19接口在不同PDU會話的PSA UPF之間轉發。適用于不在同一UPF管理區域內的UE之間通信。

·基于本地交換：用于5G LAN虛擬網絡的通信的上/下行業務流量由單個UPF本地轉發。適用于該UPF的是同一5G LAN虛擬網絡組的不同PDU會話的公共PSA UPF。

5G LAN技術在移動網絡中引入終端組管理的概念，支持組內終端直接通信。主要有以下3個特征。

· 動態群組管理：UDM維護一個組內終端的所有簽約信息；行業客戶可通過能力開放接口，將一個終端從群組內動態地加入或刪除。

· 終端靜態地址：5G網絡可根據UDM配置，在創建5G LAN會話時為5G行業終端分配指定的靜態IP地址；行業客戶可通過能力開放接口配置群組內靜態IP地址段。

· 用戶面直接通信：一個組內終端相互發送的數據，可經過UPF進行直接轉發，多個UPF之間可構建直連隧道，保障直接通信；UPF具備直接轉發功能，縮短數據轉發路徑。

（2）部署分析及引入策略

·5G LAN技術部署對5GC的影響和改造要求：基站支持以太網類型的PDU會話；NEF/UDM的服務增強，以支持動態組管理；SMF/UPF的數據轉發處理增強，以增強本地交換和跨UPF通信。

·5G LAN技術引入策略分析：該技術在行業通信領域具備廣闊的應用前景，可作為5G網絡增強技術在垂直行業2B網絡中優先引入，核心網廠商預計2021年可具備現網部署條件。

3.4 TSN

與uRLLC技術在可靠性和時延方面的保障相比，TSN技術進一步地在時延抖動和時間同步方面對5G網絡進行增強。應用場景包括工業控制、機器制造等，5GS作為一個TSN節點與傳統的TSN系統對接，使5G系統可替換TSN系統中的固定網絡部分。

（1）關鍵技術方案

5G系統擴展支持IEEE 802.1AS時鐘同步機制、IEEE 802.1Qbv門限控制機制和802.1Qcc TSN配置機制等協議，從而構建端到端的時間敏感網絡。5G TSN提供保障確定性網絡通信的機制，主要包括授時和時間同步、QoS映射和保障。基于5GS時鐘的TSN架構如圖6所示。

圖6 基于5GS時鐘的TSN架構

·架構增強：5G系統作為一個TSN橋集成在TSN系統中，5GS TSN轉換器功能由終端側TSN轉換器（DS-TT）和網絡側TSN轉換器（NW-TT）組成。5GS通過IEEE 802.1管理接口將TSN橋的信息報告給TSN系統，同時映射并實施TSN系統發起的QoS調度請求，TSN系統控制器通過TSN AF與5GC交互控制信息。

·時間同步：為了實現TSN同步機制，整個端到端5G系統可看作一個IEEE 802.1AS時間感知系統，分為5G時間域和TSN時間域。在5G系統內部，5G GM實現與UE、gNB、UPF、NW-TT和DS-TT的時間同步；只有5G系統邊緣的TSN轉換器（TT）才需要支持IEEE 802.1AS的相關功能。

·QoS控制：5G系統與TSN系統協商好每一個TSN業務流的QoS需求（如帶寬、時延要求等）。5G系統中的DS-TT和NW-TT支持IEEE 802.1Qbv的存儲轉發機制。在5G系統內部，TSN業務流將采用時延敏感GBR來保障。為了控制網絡傳輸的抖動，UE/UPF提供了保持和前向緩沖機制，支持IEEE 802.1Qbv調度機制。該調度基于包延遲預算（packet delay budget，PDB）進行5GS QoS保障，保證分組在其預定傳輸時間之前到達NW-TT或DS-TT出口。

（2）現網引入影響

5G TSN技術對終端、基站、傳輸和核心網均有改造要求，5G核心網還需要實現與傳輸網和基站的5G主時鐘同步；終端和UPF需要支持TT（TSN translator）功能；核心網AF/PCF需支持與TSN系統控制面（CNC集中網絡配置/CUC集中用戶配置）進行對接并完成協議解讀和參數映射；核心網定義新的QoS模型支持TSN。

（3）部署策略及建議

雖然5G網絡引入TSN的代價較高，但可以預見5G TSN技術將廣泛應用于工業控制、機器制造等領域。具備TSN屬性的5G網絡將真正成為具有確定時延、低抖動、高可靠的5G確定性網絡，為垂直行業提供真正的SLA保障。隨著標準及產業的進一步成熟，探索引入TSN的局面將更加積極。

3.5 eNA

3GPP R15定義了NWDAF支持切片負載相關統計，主要用于網絡策略調整和切片選擇。3GPP R16增強了NWDAF進一步使能網絡管控自動化。

（1）關鍵技術方案

·數據收集及分析：以NWDAF為數據采集中心，NWDAF通過從5GC NF、第三方AF、RAN、OAM等收集各種信息，包括從5G NF收集的網絡運行數據、從OAM獲取網絡相關統計數據、從第三方AF獲取的業務MOS數據等，引入人工智能和機器學習技術，構建業務MOS和網絡的關聯和模型。NWDAF數據收集架構示意圖如圖7所示。

圖7 NWDAF數據收集架構示意圖

·分析結果反饋：5GC NF或者AF或者OAM可以通過“訂閱/通知”或者“請求/響應”兩種服務從NWDAF網元獲取數據分析結果；利用分析結果進行網絡優化，包括5G QoS增強、切片SLA保障、UPF選擇、mIoT終端監管、定制化的移動性管理、NF實例選擇等。

·基于service MOS的5G QoS增強：NWDAF從第三方AF獲取業務MOS值，進行業務模型訓練，NWDAF將分析結果反饋給PCF以便調整初始QoS參數。基于service MOS的5G QoS增強示意圖如圖8所示。

圖8 基于service MOS的5G QoS增強示意圖

·基于service MOS的切片SLA保障：NWDAF分析切片SLA、QoE的情況，當出現服務質量降級或者即將降級的時候，動態的調整網絡切片的資源和參數配置。基于service MOS的切片SLA保障示意圖如圖9所示。

圖9 基于service MOS的切片SLA保障示意圖

（2）現網引入影響

現網需引入NWDAF新NF，同時新增NWDAF從5GC各個網元收集數據并反饋分析結果的接口。

（3）部署策略及建議

eNA主要引入NWDAF做網絡分析，可以輔助網絡運營以及網絡閉環管控，屬于新的探索方向。考慮目前相關標準不夠完善，遠期待產品及生態成熟考慮現網引入部署。

3.6 后續部署建議小結

針對3GPP R16引入核心網關鍵技術，根據業務需求、技術及產業成熟度、部署投資收益等多方面因素綜合考慮，建議分優先級、按需逐步引入。

（1）近期：對于解決現網實際問題且技術相對成熟的關鍵技術（如5G LAN等），建議優先現網引入。

（2）中期：對于需求迫切、需進一步推動成熟的關鍵技術，建議優先試點，如SCP、NPN、uRLLC、eLCS等。

（3）遠期：對于技術及產業成熟度不高的關鍵技術，建議進一步研究，包含TSN、eV2X、eNA等。

R16關鍵技術后續部署分析初步建議見表2。

表2 R16關鍵技術后續部署分析初步建議

4 結束語

3GPP R16 5G標準重點針對垂直行業能力進行增強，建議優先推動需求相對迫切的5G LAN等關鍵技術的試點驗證，并以業務訴求驅動技術落地。對于TSN、eNA以及車聯網等涉及端到端（無線、網絡、核心網）協同的新技術，需要結合技術成熟度及產業成熟度，積極跟蹤研究并按需推動現網試點及商用落地。