3GPP R16 5G核心網(wǎng)絡技術研究

樊陸陸，郭 剛

（重慶市工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展研究中心（中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院重慶分院），重慶 400707）

0 引 言

隨著通信技術的更新?lián)Q代以及人們對業(yè)務應用的需求，5G核心網(wǎng)需要支持多樣的商業(yè)模式，提供靈活的按需業(yè)務，允許更加開放的服務生態(tài)，因此，傳統(tǒng)網(wǎng)絡很有必要進行演進。3GPP R15 5G核心網(wǎng)采用基于服務的網(wǎng)絡架構，對5G核心網(wǎng)控制面各網(wǎng)絡功能實施服務化定制，同時提供一系列基于服務的接口，使5G核心網(wǎng)的部署具備更強的彈性和可靠性。3GPP R16版本5G標準在R15的基礎上，對核心網(wǎng)架構和能力進行了進一步增強。

1 5G標準演進情況

5G業(yè)務場景需求和新型信息通信使能技術是5G核心網(wǎng)不斷演進的動力。致力于5G核心網(wǎng)研究的最終目的是為了構建高性能和靈活的5G全網(wǎng)絡，大幅度提高5G網(wǎng)絡的運營能力。2018年6月，SA全會批準凍結了3GPP R15版本5G標準。2019年，3GPP發(fā)布的R15第3個子階段標準完成除Option3和Option2外的更多基于5GC（5G核心網(wǎng)）組網(wǎng)架構，支持4G基站接入5G核心網(wǎng)，能快速提供網(wǎng)絡切片、邊緣計算等業(yè)務能力[1]。2020年7月，3GPP宣布凍結5G R16標準，R16標準對多進多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）、車用無線通信（Vehicle to X，V2X）、雙連接以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等技術進一步研究，也標志著5G第一個演進版本標準正式完成。根據(jù)3GPP發(fā)布的最新時間表，預計在2021年年底完成R17版本標準的凍結。相比R16標準，R17標準將具有更全面覆蓋垂直行業(yè)的能力，將對5G核心網(wǎng)技術如用戶面功能、邊緣計算、網(wǎng)絡切片以及5GC的位置服務等能力做進一步的增強，同時將提高用戶體驗。

2 5G核心網(wǎng)絡架構

5G核心網(wǎng)標準新規(guī)范了網(wǎng)絡總體架構和協(xié)議模型，針對移動寬帶數(shù)據(jù)服務提供優(yōu)化的用戶接入、會話管理、服務質(zhì)量、策略控制以及應用與網(wǎng)絡交互能力等基礎網(wǎng)絡內(nèi)容，還標準化了端到端網(wǎng)絡切片以及豐富的邊緣計算應用。

基于5G技術發(fā)展需要，3GPP R15標準定義了基于服務和基于參考點的兩種核心網(wǎng)絡架構[2]。基于服務的網(wǎng)絡架構面向原生云設計，借鑒了互聯(lián)網(wǎng)領域中面向服務的架構、微服務架構等成熟理念，并結合通信網(wǎng)現(xiàn)狀、特點及發(fā)展趨勢，以軟件服務的概念重構5G核心網(wǎng)，對5G核心網(wǎng)控制面各網(wǎng)絡功能實施服務化定義，同時提供一系列基于服務的接口，并可根據(jù)需求進行靈活部署和擴展。基于參考點的網(wǎng)絡架構表示在由任何兩個網(wǎng)絡功能之間的點對點參考點描述的網(wǎng)絡功能服務之間存在交互，側重于描述功能之間的點對點的交互。

3GPP R16版本對5G核心網(wǎng)功能進行了增強，非漫游基于服務的核心網(wǎng)架構在原R15版本基礎上主要新增了NSSAAF網(wǎng)元、Nnssaaf接口和N9參考點，如圖1所示，基于參考點的核心網(wǎng)絡架構主要新增NSSAAF網(wǎng)元、N58及N59參考點[2]。

圖1 非漫游基于服務的5G核心網(wǎng)架構

3 5G核心網(wǎng)新增關鍵技術

3GPP R16標準相比R15有了很大的變化，真正實現(xiàn)了5G標準從“能用”到“好用”的飛躍[3]，特別是針對垂直行業(yè)做了擴展。對垂直行業(yè)的擴展以及功能的增強主要包括5G TSN、5G V2X、5G IBA、5G LAN、NR定位以及uRLLC增強等。下面將重點介紹5G TSN、5G V2X以及5G IBA技術。

3.1 5G TSN

時間敏感網(wǎng)絡（Time Sensitive Network，TSN）技術并不是一項新技術，早在2012年，IEEE 802.1工作組就開始了時間敏感以太網(wǎng)的標準化工作。該標準主要定義了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間敏感機制，確保以太網(wǎng)關鍵數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性[4]。5G網(wǎng)絡低時延、高可靠性的特點能賦能千行百 業(yè)，特別是5G TSN技術能助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展[5]。

3GPP R16對5G TSN的應用場景進行了擴展，典型應用場景包括運動控制、有線到無線鏈接替換、智能搬運、移動機器人以及控制到控制通信等[6]，這些應用擴大了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用場景。5G TSN的關鍵技術包括低時延低抖動敏感通信、5G TSN融合的時鐘同步以及5G TSN中用戶設備間的通信。其中，5G TSN融合的時鐘同步技術是指5G TSN技術能實現(xiàn)5G網(wǎng)絡和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的時鐘同步。5GS與外部網(wǎng)絡集成為TSN橋，通過TSN橋來實現(xiàn)5G網(wǎng)絡和TSN的同步。圖2展示了通過5GS的5G和TSN GM時鐘分配模型[3]。

圖2 5G TSN和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的時鐘分配模型

3.2 5G V2X

2017年，3GPP發(fā)布了LTE-V2X第1版標準。2018年，3GPP發(fā)布了增強版的LTE-eV2X標準，該標準主要對PC5接口進行了增強。為了滿足更高級輔助駕駛以及部分自動駕駛業(yè)務的需求，2020年，3GPP發(fā)布了第1版5G-V2X（R16）標準，5G R16版本標準支持V2V、V2I等多種V2X服務，通過引入組播和廣播等各種通信方式，能支持更高級的車聯(lián)網(wǎng)應用。

5G R16版標準23.287[7]條目規(guī)范了5GS支持的V2X服務的相關內(nèi)容。用于通過PC5和Uu參考點進行V2X通信的非漫游5G系統(tǒng)架構的高級視圖如圖3所示。在原有的5G系統(tǒng)架構中增加了V2X通信相關的網(wǎng)元，以進一步增強V2X服務。5G R16版本標準還規(guī)范了V2X通信內(nèi)容，通信方式包括通過PC5參考點進行V2X通信、通過Uu參考點進行V2X通信以及通過PC5或Uu參考點進行V2X通信。

圖3 通過PC5和Uu參考點進行V2X通信的非漫游5G系統(tǒng)架構

圖3 中，Data Network即 數(shù) 據(jù) 網(wǎng) 絡，V2X Application Sever為車聯(lián)網(wǎng)應用服務器，V2X Application即車聯(lián)網(wǎng)應用。

3.3 5G IBA

3GPP R16版本標準引入了集成訪問和回程（Integrated Access Backhaul，IAB）技術[3]。該技術被業(yè)界認為是普及5G的重要支撐技術，它能夠在高山、海島、人煙稀少的地方或者不適合鋪設光纖的地方以低成本和便捷的方式來實現(xiàn)5G信號的覆蓋，同時減少鋪設線路所帶來的施工成本和對環(huán)境的破壞。

集成訪問和回程（IAB）技術支持通過NR Uu回程鏈路對NR Uu接入流量進行無線帶內(nèi)和帶外中繼，Uu回程鏈接可以在IAB-node和IABdonor或者另外一個IAB-node之間存在。圖4給出了當連接到5GC時具有兩個回程躍點的IAB參考體系結構。該架構包含gNB、IAB-donor、IABnode以及IAB-UE等節(jié)點。IAB-donor包含IABdonor-CU和IAB-donor-DU，IAB-node包含IABUE和gNB-DU，其中，gNB-DU負責提供對UE和子IAB-node的NR Uu訪問。相應的gNB-CU功能駐留在IAB供體gNB上，該IAB供體gNB通過F1接口控制IAB節(jié)點gNB-DU。IAB-node對UE和其他IAB節(jié)點而言是普通的gNB，并允許它們連接到5GC。

圖4 用于5GS的IAB體系結構

集成訪問和回程（IAB）技術具有以下特征：IAB使用TS 38.401[8]定義的CU/DU體系結構，并且通過F1進行的IAB操作（在IAB-donor和IAB-node之間）對5GC是不可見的；IAB在第2層執(zhí)行中繼，因此不需要本地UPF；IAB支持多跳回傳；IAB支持動態(tài)拓撲更新，即IAB節(jié)點可以更改父節(jié)點。

4 結 語

5G作為通信行業(yè)下一個十年全新的競技場，帷幕已經(jīng)拉開。無論是在技術主導、設備還是5G產(chǎn)業(yè)規(guī)劃等方面的競爭都已經(jīng)進入白熱化狀態(tài)。R16的凍結更加劇了競爭，5G功能的增加，使得5G可以進一步走入各行各業(yè)并催生新的數(shù)字生態(tài)產(chǎn)業(yè)。因此很有必要對5G核心網(wǎng)進行研究。本文主要介紹了5G標準演進情況、5G核心網(wǎng)絡架構以及5G新增核心網(wǎng)關鍵技術如5G TSN、5G V2X以及5G IAB，希望能給讀者提供參考。