5G與WiFi6的協(xié)同組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李沸樂/LI Feile，楊文聰/YANG Wencong，張雪貝/ZHANG Xuebei

（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院，中國(guó) 北京 100048）

長(zhǎng)期以來，蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WiFi是移動(dòng)設(shè)備的兩大主流技術(shù)。5G網(wǎng)絡(luò)有如下特點(diǎn)：傳輸速率高，理論帶寬是4G的100倍；容量大，可同時(shí)容納100萬設(shè)備；時(shí)延低，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延從4G的20 ms降至1 ms；可靠性增強(qiáng)，通過波束賦形技術(shù)，可支持在500 km/h的高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下的穩(wěn)定通信。但5G的應(yīng)用和完善也面臨著巨大挑戰(zhàn)：（1）中國(guó)5G主流的3.5 GHz頻段穿透能力較弱，信號(hào)在室內(nèi)折損較大，且基站覆蓋半徑小。相比于4G網(wǎng)絡(luò)，若要保證業(yè)務(wù)暢通，5G網(wǎng)絡(luò)需要部署大量的基站，這導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)5G信號(hào)覆蓋率在社區(qū)、樓宇或家庭的最后百米內(nèi)有所不足。（2）5G對(duì)終端設(shè)備的兼容性有一定要求，而各行業(yè)在用設(shè)備大多不具備5G接入能力，因此設(shè)備升級(jí)替換成本較高。（3）5G某些方面的能力離新場(chǎng)景下的新需求還有一定差距。例如，5G時(shí)代的個(gè)人業(yè)務(wù)由單向下載轉(zhuǎn)為主動(dòng)分享，行業(yè)業(yè)務(wù)需要大數(shù)據(jù)采集、智能監(jiān)控、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）/虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）視頻直播等海量高清視頻的并發(fā)回傳。這導(dǎo)致上行速率大幅增加，對(duì)5G小區(qū)的上行容量是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

影響WiFi速率的四大主要因素為空間流、子載波數(shù)量、信號(hào)傳輸時(shí)間和編碼方式。WiFi6在這些關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破性進(jìn)展，因此性能得到極大提升，主要包括最高9.6 Gbit/s的傳輸速率、更高的并發(fā)能力、更低的業(yè)務(wù)延時(shí)、更大的覆蓋范圍和更低的終端功耗等。相比于5G技術(shù)，WiFi6仍具有一些局限性：（1）平均時(shí)延較高。不同于5G網(wǎng)絡(luò)的端到端通信模式，WiFi6中間的傳輸環(huán)節(jié)更多一些，因此受設(shè)備數(shù)、節(jié)點(diǎn)的影響較大，遠(yuǎn)達(dá)不到5G在超可靠低時(shí)延通信（URLLC）場(chǎng)景下的低時(shí)延需求。（2）時(shí)鐘精度、時(shí)間精度不足。WiFi6雖然采用上行正交頻分多址（OFDMA）和多用戶-多輸入多輸出（MU-MIMO）等技術(shù)，提供了多用戶并發(fā)的能力，但和5G技術(shù)相比，它在時(shí)鐘精度、時(shí)間精度上仍有不足。（3）WiFi6移動(dòng)性相對(duì)較弱，跨區(qū)建立連接速度較慢，導(dǎo)致設(shè)備跨區(qū)網(wǎng)絡(luò)無縫切換效果不如5G技術(shù)。

WiFi6和5G在2019年上市，并在2020年基本部署到位。兩種技術(shù)將長(zhǎng)期共存。5G技術(shù)和WiFi6技術(shù)協(xié)同將組成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的融合網(wǎng)絡(luò)。

1 協(xié)同組網(wǎng)的必要性和可行性

1.1 必要性分析

當(dāng)前，WiFi6網(wǎng)絡(luò)與5G網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用領(lǐng)域和場(chǎng)景各有側(cè)重。WiFi6終端的連接范圍有限，主要的應(yīng)用領(lǐng)域是局域網(wǎng)，多部署于室內(nèi)場(chǎng)所，如小區(qū)、家庭等生活場(chǎng)景，園區(qū)、大廈等辦公場(chǎng)景，車站、機(jī)場(chǎng)等交通樞紐場(chǎng)景，商場(chǎng)、銀行等商業(yè)場(chǎng)景。5G是廣域網(wǎng)技術(shù)，目前主要以室外覆蓋為主，兼顧部分室內(nèi)淺層覆蓋，同時(shí)支持終端大規(guī)模的移動(dòng)以及全球漫游和設(shè)備安全保障。5G與WiFi技術(shù)融合后，二者在覆蓋能力上形成互補(bǔ)，將模糊無線和蜂窩連接之間的邊界，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，減少甚至消除覆蓋盲區(qū)。同時(shí)，建設(shè)支持WiFi接入的移動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)的完整方案，是提升公共熱點(diǎn)服務(wù)質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵舉措。該方案可通過5G新口空（NR）來保障關(guān)鍵人員和任務(wù)。作為補(bǔ)充，WiFi接入可以協(xié)助5G網(wǎng)絡(luò)滿足熱點(diǎn)區(qū)域密集的終端設(shè)備通信需求。終端在5G和WiFi6網(wǎng)絡(luò)中切換時(shí)，無須反復(fù)登錄認(rèn)證或中斷業(yè)務(wù)，通過公共WiFi進(jìn)行身份驗(yàn)證后便可連接到5G服務(wù)，從而支持公共WiFi熱點(diǎn)與5G網(wǎng)絡(luò)之間的設(shè)備移動(dòng)性和服務(wù)連續(xù)性。

5G+WiFi6協(xié)同網(wǎng)絡(luò)還能為覆蓋區(qū)內(nèi)包含多種不同場(chǎng)景和應(yīng)用需求的區(qū)域提供多層次的業(yè)務(wù)覆蓋。一方面，利用5G網(wǎng)絡(luò)的mMTC、URLLC能力，可以為具有海量機(jī)器類通信及低延遲高可靠性能要求的應(yīng)用提供更出色的帶寬體驗(yàn)和更好的無線連接，滿足個(gè)人用戶和行業(yè)用戶的通信需求；另一方面，同時(shí)使用5G頻段和WiFi頻段兩部分頻率資源，可以提高流量分擔(dān)和無線資源使用的靈活性，例如可以在5G原有上下行容量基礎(chǔ)上，利用WiFi6頻段上的帶寬容量能力作為上行補(bǔ)充。

5G網(wǎng)絡(luò)一直主打面向個(gè)人（ToC）宏網(wǎng)和面向企業(yè)（ToB）專網(wǎng)業(yè)務(wù)，缺乏對(duì)家庭業(yè)務(wù)的支持，如交互式網(wǎng)絡(luò)電視（IPTV）等。WiFi6在網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)功能上也有所缺失，如互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）多媒體系統(tǒng)（IMS）電話業(yè)務(wù)等。而5G+WiFi協(xié)同網(wǎng)絡(luò)則可憑借優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)豐富的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)功能，從而滿足用戶的網(wǎng)絡(luò)需求。

1.2 可行性分析

5G協(xié)議框架已經(jīng)將異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的接入作為設(shè)計(jì)要點(diǎn)，第3代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）R15定義了不授信非3GPP網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)。無線局域網(wǎng)（WLAN）部署在不受運(yùn)營(yíng)商控制和管理的非信任域，例如公共熱點(diǎn)、家庭WiFi和企業(yè)WiFi等。用戶終端（UE）連接到不受信任的非3GPP接入網(wǎng)絡(luò)后再接入運(yùn)營(yíng)商的非3GPP互通功能（N3IWF）安全網(wǎng)關(guān)，之后分別通過N2和N3接口連接5G核心網(wǎng)控制面和用戶面功能。3GPP R16中定義了授信非3GPP網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)。其中，信任域中WLAN的部署意味著運(yùn)營(yíng)商還負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)和管理非3GPP接入。按終端設(shè)備是否具備5G接入能力（5GCEnable）來劃分，此架構(gòu)又分為授信Non-3GPP接入網(wǎng)絡(luò)（TNAN）和授信Non-3GPP WiFi接入網(wǎng)絡(luò)（TWAN）。5GCEnable終端連接到信任域的非3GPP接入網(wǎng)后，通過TNAN模塊接入5G核心網(wǎng)。TNAN分為兩部分：授信非3GPP接入點(diǎn)功能（TNAP）和授信非3GPP網(wǎng)關(guān)功能（TNGF）。除了使用不加密的IPSec隧道以降低UE的中央處理器（CPU）負(fù)載，并強(qiáng)制執(zhí)行低層的WLAN安全機(jī)制以外，TNGF的功能類似于N3IWF。而信任域的非3GPP接入網(wǎng)內(nèi)不支持接入常規(guī)WLAN終端，TNAP和TNGF的角色被授信WLAN接入點(diǎn)（TWAP）和授信WLAN互通功能（TWIF）所取代。3GPP同時(shí)還定義了一系列標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議：3GPP 22.234協(xié)議定義了WiFi與3GPP網(wǎng)絡(luò)融合的一些功能需求，例如，支持網(wǎng)絡(luò)接入標(biāo)識(shí)（NAI）和地址分配，支持全球用戶身份模塊（USIM）和用戶身份模塊（SIM）的身份識(shí)別，支持漫游、計(jì)費(fèi)、訂閱、緊急呼叫和WiFi和3GPP網(wǎng)絡(luò)互連等功能。3GPP 33.234協(xié)議為3GPP 23.234協(xié)議中的I-WLAN系統(tǒng)定義了安全性要求，主要包括認(rèn)證安全、機(jī)密性保護(hù)、完整性保護(hù)等內(nèi)容。雖然許多細(xì)節(jié)和機(jī)制流程未定義，但這些標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議為5G+WiFi協(xié)同產(chǎn)品的研發(fā)部署提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4G網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)和無線接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（eNB）存在較大的耦合性和依賴性，需要開發(fā)UE以支持多種網(wǎng)絡(luò)方案，因此3GPP中4G對(duì)WiFi接入的集成標(biāo)準(zhǔn)并沒有得到大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。得益于核心網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)模塊化架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)，5G已做到控制面和數(shù)據(jù)面分離、核心網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)分離。相比于4G，5G與WiFi協(xié)同組網(wǎng)對(duì)接入終端的適配難度變低，而且核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)單元和無線接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)無須進(jìn)行復(fù)雜的功能擴(kuò)展，因此更有可能為運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備廠商提供高性價(jià)比的5G與WiFi協(xié)同網(wǎng)絡(luò)投資方案。

2 協(xié)同組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

3GPP的TWAN方案尚存在不少需要優(yōu)化和細(xì)化的問題，例如，未充分考慮多WiFi接入網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，系統(tǒng)架構(gòu)中只有接入點(diǎn)（AP）沒有接入控制器（AC），無法實(shí)現(xiàn)WiFi6接入網(wǎng)絡(luò)間的無縫漫游；TWAN接入終端必須有客戶識(shí)別模塊（SIM）卡，但現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中有絕大多數(shù)WiFi終端設(shè)備并不支持SIM卡，這導(dǎo)致WiFi設(shè)備接入局限性大；TWAN現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)方案未涉及異構(gòu)接入的5G LAN組管理、融合網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）管理功能。本文中，我們?cè)谧裱?GPP標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)這些問題進(jìn)行創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了一種5G與WiFi6協(xié)同組網(wǎng)方案，具體包括：引入授信WLAN接入控制器（TWAC）并通過無線接入點(diǎn)的控制和配置協(xié)議（CAPWAP）管理下掛的多個(gè)AP，以實(shí)現(xiàn)大型商用WiFi組網(wǎng)；額外提供無SIM卡終端的接入與鑒權(quán)功能；支持WiFi6終端與5G終端進(jìn)行統(tǒng)一虛擬網(wǎng)絡(luò)（VN）組的劃分及管理，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同；TWIF增加QoS功能，支持5GC統(tǒng)一QoS管理，并實(shí)現(xiàn)對(duì)WiFi終端的帶寬管理。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

5G和WiFi6協(xié)同組網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 5G和WiFi6協(xié)同組網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

相比于5G UE，無5G接入能力的WLAN（N5CW）為普通的WiFi終端設(shè)備，不支持在無線局域網(wǎng)（WLAN）承載5GC NAS信令消息。5G UE和N5CW分別通過無線接入網(wǎng)（RAN）和TWAN接入5GC控制面和用戶面。TWAN包括WiFi6和TWIF兩部分。WiFi6部分主要負(fù)責(zé)WiFi網(wǎng)絡(luò)的接入，除了標(biāo)準(zhǔn)的TWAP負(fù)責(zé)提供WiFi接入錨點(diǎn)外，本方案還增加了TWAC模塊。TWAC作為無線局域網(wǎng)接入控制設(shè)備統(tǒng)一管理接入的多個(gè)TWAP，同時(shí)還增加了與TWIF交互的功能。通過3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義的N1/N2和N3接口，TWIF可與接入和移動(dòng)性管理功能（AMF）、用戶平面功能（UPF）進(jìn)行交互。TWIF是將N5CW終端接入5GC的網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

2.2 網(wǎng)元軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

5G與WiFi6協(xié)同組網(wǎng)方案中的融合核心網(wǎng)由TWAC與TWIF網(wǎng)元和標(biāo)準(zhǔn)5GC組成。TWIF和TWAC網(wǎng)元的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 授信無線局域網(wǎng)互通功能網(wǎng)元軟件架構(gòu)

（1）TWIF

TWIF網(wǎng)元分為TWIF控制面（TWIF-CP）和TWIF用戶面（TWIF-UP）兩部分。TWIF-CP作為TWIF控制面，用于處理控制面的信令流程和用戶信息管理，由8個(gè)模塊組成：Yw模塊用來處理與TWAC的Yw接口消息，不同的Yw消息可以觸發(fā)不同的業(yè)務(wù)流程；Radius server模塊用于收發(fā)、處理和TWAP之間的Radius消息，在接收到鑒權(quán)請(qǐng)求消息時(shí)，將Radius消息解碼后調(diào)用Registration Workflow模塊進(jìn)行用戶注冊(cè)流程；動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（DHCP）server模塊用于處理TWAP透?jìng)鬟^來的DHCP消息，在收到DHCP請(qǐng)求后調(diào)用Session Workflow模塊進(jìn)行會(huì)話創(chuàng)建流程，核心網(wǎng)創(chuàng)建完會(huì)話后，將分配的IP傳給DHCP模塊，DHCP模塊再使用核心網(wǎng)分配的UE IP回復(fù)DHCP響應(yīng)；Registration Workflow模塊用于處理與注冊(cè)相關(guān)的流程，調(diào)用非接入層/下一代應(yīng)用協(xié)議（NAS/NGAP）模塊和流控制傳輸協(xié)議（SCTP）client模塊的發(fā)送消息給認(rèn)證管理功能（AMF）網(wǎng)元；Session Workflow模塊用于處理會(huì)話相關(guān)的流程，在DHCP server模塊收到DHCP請(qǐng)求后被調(diào)用，運(yùn)行會(huì)話創(chuàng)建流程，再調(diào)用NAS/NGAP模塊和SCTP模塊發(fā)送消息給AMF；PFCP WF模塊用于處理和TWIF-UP之間的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)控制協(xié)議（PFCP）消息，通過PFCP消息為TWIP-CP創(chuàng)建會(huì)話；NAS/NGAP模塊用于NAS/NGAP消息的編解碼和收發(fā)處理；SCTP client模塊用于處理和AMF之間的SCTP消息，創(chuàng)建SCTP鏈接，保持心跳和SCTP消息收發(fā)處理。TWIF-UP通過N3接口完成分組數(shù)據(jù)報(bào)文的封裝（GTPU）協(xié)議與UPF進(jìn)行用戶面數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，與TWIF-CP通過PFCP消息進(jìn)行交互。TWIF-UP在收到上行業(yè)務(wù)包后根據(jù)UE IP匹配會(huì)話，并根據(jù)會(huì)話信息添加對(duì)應(yīng)的GTPU頭，再通過N3口發(fā)送給UPF。TWIF-UP收到下行包后根據(jù)隧道匹配會(huì)話，并根據(jù)會(huì)話信息去掉GTPU頭，配置默認(rèn)路由到TWAP上，進(jìn)而完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）TWAC

TWAC網(wǎng)元包括7個(gè)模塊，具體如圖3所示。AC_80211模塊負(fù)責(zé)處理802.11相關(guān)的無線協(xié)議棧。無線接入點(diǎn)的CAPWAP模塊負(fù)責(zé)處理CAPWAP協(xié)議，TWAC和TWAP之間使用標(biāo)準(zhǔn)CAPWAP協(xié)議。安全套接層協(xié)議（SSL）模塊負(fù)責(zé)管理SSL數(shù)字證書。AC_Radius模塊負(fù)責(zé)處理Radius消息協(xié)議棧。AC_YW模塊負(fù)責(zé)處理TWAC端YW消息。AC_Redis模塊負(fù)責(zé)處理本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)配置，實(shí)現(xiàn)與redis數(shù)據(jù)庫(kù)之間的交互，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)會(huì)通過AC_Redis模塊在本地redis數(shù)據(jù)庫(kù)中添加默認(rèn)配置，并可通過redis客戶端命令行或提供的配置頁(yè)面增加相應(yīng)的配置。業(yè)務(wù)模塊在業(yè)務(wù)處理過程中通過AC_Redis模塊讀取需要的配置信息，同時(shí)也會(huì)將一些AP信息、用戶信息和過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在redis數(shù)據(jù)庫(kù)中。AC引入redis數(shù)據(jù)庫(kù)主要是為了代替原有本地配置文件的配置方式。通過redis數(shù)據(jù)庫(kù)可以在標(biāo)準(zhǔn)化配置的同時(shí)提供遠(yuǎn)程配置能力。redis數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)大多是靜態(tài)的配置信息，因此只占用少量?jī)?nèi)存；對(duì)于一些動(dòng)態(tài)用戶信息，redis數(shù)據(jù)庫(kù)只存儲(chǔ)少量用戶標(biāo)志信息，用于查詢和觀測(cè)使用，動(dòng)態(tài)用戶信息的存儲(chǔ)空間有限制，超過存儲(chǔ)空間條數(shù)限制后，新的數(shù)據(jù)將覆蓋老的數(shù)據(jù)。內(nèi)核模塊（KMOD）負(fù)責(zé)處理內(nèi)核間通信。TWAC通過KMOD模塊在內(nèi)核中進(jìn)行消息接收：業(yè)務(wù)模塊將要發(fā)送的消息放進(jìn)KMOD的發(fā)送消息隊(duì)列中，KMOD將不同類型消息發(fā)送到不同處理模塊的消息隊(duì)列中，將802.11、CAPWAP、數(shù)據(jù)包傳輸層安全性協(xié)議（DTL）相關(guān)消息分別發(fā)送到AC_80211、CAPWAP、SSL模塊的消息隊(duì)列中。每個(gè)業(yè)務(wù)模塊擁有單獨(dú)的線程，每次從自己的消息隊(duì)列中取出一個(gè)消息進(jìn)行處理。

圖3 TWAC網(wǎng)元軟件架構(gòu)

2.3 增強(qiáng)功能設(shè)計(jì)

此協(xié)同網(wǎng)絡(luò)除了支持5G UE的鑒權(quán)、VN組通信、流量管理等基本5G網(wǎng)絡(luò)能力外，同時(shí)還可利用TWAN模塊作為WLAN的代理節(jié)點(diǎn)，模擬5G UE在5GC的注冊(cè)接入，并模擬基站作為協(xié)議接口的端節(jié)點(diǎn)來完成N5CW設(shè)備的注冊(cè)、會(huì)話建立等。此外，為了提高網(wǎng)絡(luò)的融合能力，提升用戶使用體驗(yàn)，豐富網(wǎng)絡(luò)使用場(chǎng)景，該融合網(wǎng)絡(luò)還需實(shí)現(xiàn)5G+WiFi融合接入不同類型終端的統(tǒng)一鑒權(quán)管理、統(tǒng)一VN組管理和通信、統(tǒng)一流量管理等增強(qiáng)功能。下文中，我們將介紹該方案下融合核心網(wǎng)增強(qiáng)功能的實(shí)現(xiàn)邏輯。

（1）統(tǒng)一鑒權(quán)管理

各種N5CW終端將不再依靠WiFi接入點(diǎn)的認(rèn)證，而是由融合核心網(wǎng)統(tǒng)一完成安全加密鑒權(quán)，如圖4所示。

圖4 統(tǒng)一鑒權(quán)管理功能

插SIM卡的WiFi終端采用基于認(rèn)證和密鑰協(xié)商機(jī)制的可擴(kuò)展認(rèn)證協(xié)議（EAP-AKA’）鑒權(quán)，無須輸入TWAP接入的用戶認(rèn)證密碼即可直連5GC；無SIM卡終端采用設(shè)備標(biāo)識(shí)+5G AKA鑒權(quán)，接入TWAP后，無須輸入認(rèn)證密碼即可接入5GC。而園區(qū)訪客、訪問關(guān)鍵應(yīng)用域等場(chǎng)景，還可激活二次鑒權(quán)功能，并通過會(huì)話管理功能（SMF）和認(rèn)證、授權(quán)和計(jì)費(fèi)（AAA）二次鑒權(quán)來保障網(wǎng)絡(luò)安全可控。

（2）統(tǒng)一VN組管理和通信

該協(xié)同網(wǎng)絡(luò)支持局域網(wǎng)類型的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。融合核心網(wǎng)可管理基于WiFi6終端和5G終端的局域網(wǎng)（LAN）組網(wǎng)和VN組成員互訪，實(shí)現(xiàn)如圖5所示的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同。

圖5 統(tǒng)一VN組管理和通信

當(dāng)TWAP接入用戶和5G NR接入用戶完成LAN區(qū)域內(nèi)的L2/L3點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)，網(wǎng)絡(luò)管理員可以在統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能（UDM）上提前配置這些用戶所屬的VN組，并可按需創(chuàng)建、更新、刪除VN組和組成員。在會(huì)話創(chuàng)建過程中，融合核心網(wǎng)將根據(jù)用戶所屬VN組在UPF上創(chuàng)建5G LAN相關(guān)的會(huì)話。后續(xù)，一個(gè)VN組中的WiFi6終端和5G終端可進(jìn)行協(xié)同通信，組內(nèi)支持單播互訪和組播，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)無須經(jīng)由數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（DN），統(tǒng)一通過UPF以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)/點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)方式傳輸。

（3）統(tǒng)一流量管理

該融合核心網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)多接入?yún)f(xié)同網(wǎng)絡(luò)的帶寬控制管理能力，以及5G和WiFi業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)區(qū)分管理。

如圖6所示，5GC基于Yw接口，通過TWIF和TWAC的帶寬管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)WiFi終端的流量帶寬管理；通過標(biāo)準(zhǔn)3GPP QoS機(jī)制來實(shí)現(xiàn)對(duì)5G終端的流量帶寬控制以及關(guān)鍵任務(wù)的特殊保障。

圖6 統(tǒng)一流量管理

3 協(xié)同組網(wǎng)方案應(yīng)用

支持WiFi接入的5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)于公共服務(wù)、智慧家庭、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、視頻制播等多種場(chǎng)景。根據(jù)上述設(shè)計(jì)，基于5G與WiFi6協(xié)同網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，我們研發(fā)并實(shí)現(xiàn)了TWAN設(shè)備，在長(zhǎng)沙馬欄山文創(chuàng)產(chǎn)業(yè)園部署了節(jié)目錄制專網(wǎng)，組網(wǎng)架構(gòu)如圖7所示。

圖7 節(jié)目錄制5G與WiFi6協(xié)同專網(wǎng)方案

融合核心網(wǎng)和多接入邊緣計(jì)算（MEC）平臺(tái)部署在聯(lián)通馬欄山研究院機(jī)房，TWAC采用虛機(jī)的方式部署在端計(jì)算盒子，TWIF、輕量化5GC采用虛機(jī)的方式分別部署在兩臺(tái)通用X86服務(wù)器上，WiFi6和5G無線網(wǎng)直接部署在拍攝地。節(jié)目拍攝現(xiàn)場(chǎng)部署兩臺(tái)TWAP以滿足WiFi6信號(hào)覆蓋，同時(shí)使用10臺(tái)移動(dòng)攝像機(jī)，通過接入融合核心網(wǎng)進(jìn)行傳輸。每臺(tái)攝像機(jī)接入一個(gè)專用視頻盒子后，無線實(shí)時(shí)回傳一路100 Mbit/s的超高清高碼率視頻、一路壓縮后的5 Mbit/s低碼率視頻。低碼流和高碼流分別選擇5G和WiFi接入網(wǎng)傳送，并匯集到融合核心網(wǎng)處。MEC平臺(tái)上部署了云監(jiān)看應(yīng)用，導(dǎo)演、編劇等可隨時(shí)隨地利用邊緣云上部署的云監(jiān)看軟件來監(jiān)看和編排拍攝情況。融合核心網(wǎng)連接了馬欄山核心制作云，云上運(yùn)營(yíng)了云收錄和云剪輯應(yīng)用，后期制作人員在云上對(duì)高碼流進(jìn)行收錄、存儲(chǔ)、文檔管理和視頻剪輯等。

節(jié)目拍攝前，工作人員對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行業(yè)務(wù)測(cè)試：每臺(tái)TWAP上行可支持800 Mbit/s的帶寬，視頻盒子到MEC平臺(tái)的平均時(shí)延為50 ms，平均丟包率不超過0.01%；基站上行可支持270 Mbit/s的帶寬，平均時(shí)延25 ms，平均丟包率不超過0.01%。該系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中，現(xiàn)場(chǎng)拍攝效果反饋良好，視頻畫質(zhì)清晰，時(shí)延可控，回傳穩(wěn)定。借助WiFi6技術(shù)和非授權(quán)頻段資源，網(wǎng)絡(luò)上行帶寬明顯大于純5G網(wǎng)絡(luò)，能滿足10路超高清視頻同時(shí)上傳所需的大帶寬。5G網(wǎng)絡(luò)還可滿足低碼流對(duì)端到端網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的高要求。本文提出的5G與WiFi6協(xié)同專網(wǎng)項(xiàng)目成功突破技術(shù)壁壘，在業(yè)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)多路視頻編碼無線回傳，可助力節(jié)目視頻內(nèi)容錄制生產(chǎn)模式的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，提升企業(yè)經(jīng)營(yíng)效率和競(jìng)爭(zhēng)力。

4 結(jié)束語(yǔ)

5G和WiFi6這兩種通信技術(shù)緊密融合后，其所具備的各種特性能優(yōu)化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信能力，更好地滿足新型業(yè)務(wù)需求。本文設(shè)計(jì)研發(fā)了TWAN設(shè)備和5G與WiFi6協(xié)同網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在5G專網(wǎng)中融合WiFi終端接入，使N5CW用戶統(tǒng)一認(rèn)證、管理、服務(wù)需求快速落地。同時(shí)，該系統(tǒng)還大幅提升了上行大帶寬，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和終端改造成本。但5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與WiFi6無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同在無縫漫游、網(wǎng)絡(luò)安全性保障等方面還需進(jìn)一步研討，相關(guān)規(guī)范也需要進(jìn)一步完善。未來，期待產(chǎn)業(yè)界各方一起，共同推進(jìn)5G與WiFi6協(xié)同組網(wǎng)的成熟完善。