5G 物聯網核心網關鍵技術分析及建網實踐

程靜雄

中國移動通信集團廣東有限公司

0 引言

隨著移動通信技術的發展，當前移動物聯網網絡構建了低速、中速、高速協同發展的生態體系，包括低速率應用的NB-IoT（窄帶物聯網）、中速率應用的4G（LTE-Cat1）、5G Redcap、以及面向高速率和低時延應用的5G ToB 技術。NBIoT 隨著4G 的發展而來，采用200kHz 帶寬能和任何制式共同部署；5G 時代來臨后，NB-IoT 已正式納入ITU 5G 標準，成為5G mMTC 的重要組成部分，為低功耗廣域物聯網應用發展提供了有效支撐。當前存量2G 物聯網業務正在向NB-IoT、4G 和5G 網絡遷移，基于移動物聯網技術的發展與演進，移動物聯網的網絡架構正在發生新的變革，推動傳統物聯網絡向云化物聯網絡的發展。

1 當前物聯網組網現狀

經過多期物聯網核心網工程建設，當前物聯網核心網主要承載2G、NBIOT、4G 及5G 業務。2G、NBIOT、4G 業務承載在傳統物理網元，業務通過人網SGSN/MME/SGW 和大區集中建設的物理網元HLR/HSS、PGW/GGSN（含CG）、PCRF/SPR、SMSC 進行業務承載。5G ToB 業務則通過邏輯分省獨立建設的5G SA 網絡進行業務承載，部分與人網共用網元全國集中部署，主要網元包括NSSF、NRF、PCF、AMF、SMF、CHF、UDM、專線UPF、邊緣UPF/I 型UPF 和邊緣增強UPF/L 型UPF 等。

當前物聯網全融合云化核心網絡，基于切片標準進行目標網絡建設，NSSF/NRF 等網元與ToC 共享，ToB 切片獨享AMF/SMF/UPF 網元，大區物理集中邏輯分省。無線NR 共享，通過切片ID 選擇不同的ToB 網絡。資源池則是全網“大區建設”，大區內ToB 網元和ToC 網元同廠家共享資源池。ToB核心網用戶面下沉省份，優化S1/N2切換對用戶面時延的影響。5G 全融合物聯網核心網網絡架構如圖1 所示。

圖1 5G 融合物聯網核心網網絡架構圖

為進一步融合2G、NBIOT、4G 及5G ToB 物聯網業務，依據云化核心網邏輯架構及云化網元的功能，對物聯網核心網整體架構進行重新構建，將整個物聯網核心網2G/NBIOT/4G/5G 進行融合，如圖2 所示。整體核心網網元劃分為用戶數據層、策略控制層、接入與會話層（含會話管理和接入管理層）、5G 專用網元層。

圖2 云化物聯網核心網邏輯架構

其中用戶數據層包括四融合AUSF/UDM/HSS/HLR、策略數據層包括二融合數據PCF/PCRF，會話層包括SMF/SAEGW-C/BSF、CHF、專線UPF/SAEGW-U，接入層包括AMF/MME，5G 專用網元層包括NSSF、sNRF、bNRF。同時5G 專用網元層、語音PCF 等為2B 網絡與2C 網絡共用，無線基站層兩者獨立設置。

對于2G 和4G 業務，與基站接入相關的網元共用2C 網絡的SGSN、MME、SGW-C、SGW-U 或SGW 功能網元，僅使用2B 融合網元SMF/SAEGW-C(PGW-C)、專線UPF/SAEGWU(PGW-U)功能或傳統PGW/GGSN 功能。

為支撐物聯網業務的進一步發展，構建差異化核心網絡競爭能力，物聯網整體組網的目標是構建一張全云化、全融合的物聯網核心網，承載4/5G/NB 業務，為此在5G SA ToB 網絡基礎上，對5G SA ToB 網絡進行4/5G/NB 融合功能重構部署，服務4/5G/NB用戶，達到簡化架構、共享資源、提升體驗的目的。為此，對傳統物聯網核心網專網進行云化遷移工作，逐步實現物聯網4/5G/NB 網絡全融合的云化核心網網絡。

2 云化5G 物聯網關鍵技術

2.1 5GC 網絡切片

為滿足不同的網絡及業務需求，3GPP 中針對5G 網絡提出了網絡切片（Network Slice，簡稱切片）的概念。網絡切片是一個端到端的邏輯網絡，目前由核心網子切片、IP 承載網子切片和無線接入網子切片組成，未來可能會把更多的資源放進切片，例如終端、管理網元以及ISP 服務站點等。從編排部署的角度看，切片的編排部署，就是每個子切片的編排部署以及子切片之間網絡連接關系的部署。

在網絡切片的基礎上，運營商可以靈活并且快速地定義和區分不同邏輯網絡，從而滿足不同行業用戶及不同應用場景對網絡和業務的特性化需求，進一步給運營商提供了網絡管理運維和網絡營收的創新方式。

目前標準針對5G 網絡的典型應用場景，定義了eMBB、URLLC、mMTC 三種切片類型。在實際使用中，即使是同一種切片類型，也可以針對不同的業務以及不同的用戶，定義和提供不同的切片。例如：mMTC 類型的應用，對智能抄表和智能停車兩種業務可以定義不同的切片，對智能停車的不同城區或運營公司也可以定義不同的切片。

2.2 eLCS-5G 高精度定位功能

eLCS 系統主要是完成用戶在5G 網絡中位置的確定，并可以將位置結果開放給定位應用，相較于4G 的蜂窩定位，受4G 信號帶寬、同步以及網絡的影響，定位精度一般在幾十米左右，而隨著5G 的大規模商用，在大帶寬、多天線以及高精度同步技術等的支撐下，使5G 的定位精度有較大的提高，在測試場景下，室內定位可達米級，可在室內及隧道環境下彌補衛星定位的不足。

對比與普通4G 的LCS 定位，eLCS 其主要引入的核心網元為GMLC 和LMF，整體組網架構如圖3 所示。

圖3 eLCS-5G 定位組網架構

eLCS-5G 主要擴展了LCS 架構，GMLC 引入服務化接口，同時支持3GPP R16 高精度定位方法，優選UTDOA，及支持商業定位流程，包括5GC-MT-LR、5GC-MO-LR、Deferred 5GC-MT-LR、隱私保護增強等。

UL-TDOA 通過終端發送上行定位參考信號到基站，并利用至少三個QCell 測量得到的上行時間差確定兩條雙曲線，其交點即為終端位置。eLCS-5G 高精度定位系統為后繼物聯網各種定位應用提供了極高的應用價值。

該組網架構下各網元及接口描述如表1 所述。

表1 高精度定位eLCS-5G 網元接口協議

2.3 PNI-NPN 功能

NPN 是滿足企業需求的私有網絡，非公共網絡NPN 可以和工業互聯網進行很好地融合，PNI-NPN（基于運營商PLMN網絡部署的Public Network Integrated NPN）可以實現端到端的資源隔離，為垂直行業提供專屬接入網絡，限制非垂直行業終端嘗試接入專屬基站或頻段，保障垂直行業客戶資源獨享，同時可以為局域網服務提供支持，可以滿足一些企業，住宅，學校等對于可靠且穩定的私有網絡的需求。

PNI-NPN 是運營商擁有私網所有權并進行私網運營的NPN。實現方式為“公網切片+CAG 基站”，有兩種實現方式：基于網絡切片進行資源隔離，行業終端專屬基站或者頻段，資源獨享。

通過CAG 機制，基站廣播PLMN+CAG ID，RAN/AMF基于CAG 進行網絡/小區選擇和接入控制和移動性管理，UE 簽約CAG，UE 配置CAG 信息，基站小區廣播CAG 指示和支持的CAG ID 列表，AMF 根據小區CAG 能力和UE 的CAG 簽約來判斷UE 接入控制和移動性管理。

引入CAG，通過AMF 配置區域限制CAG，不在這個區域的終端無法接入，比如工廠范圍附近基站廣播CAG，工廠用戶簽約CAG。通過PLMN 網絡來提供NPN 服務，為NPN分配一個或多個網絡切片實體來實現非公共網絡功能，由于網絡切片不能限制終端在其未授權的網絡切片區域中嘗試接入網絡，因此可以選擇閉合接入組（CAG，Cell Access Group）用于接入控制，僅允許正常的網絡切片終端進行網絡接入，滿足企業需求的私有網絡。

2.4 5G LAN 功能

5G LAN 業務是基于5G 終端連接能力和5G 網絡服務（如高帶寬、低時延、遠程接入、移動性和安全性），提供私有定制的移動局域網服務，允許限定的終端組基于Ethernet 或IP的端到端通信，支持工業Ethernet、企業辦公等場景。

5G LAN 為特定5G 虛擬網絡組提供Ethernet 類型或者IP類型的通信服務，此通信可以發生在組成員之間，或者組成員和數據網絡中的服務器之間。5G LAN 是5G 和LAN 技術的結合，具有5G 網絡的高帶寬、低時延和高可靠性的特點，同時兼具LAN 的組網簡單、全互聯互通和易于維護的優點。5G LAN 和4G 傳統方案的對比如圖4 和表2 所示。

表2 傳統VPN 與5G LAN 整體對比

圖4 傳統VPN 與5G LAN 組網對比

整體分析，5G LAN 可以隨時隨地為用戶提供LAN 服務，能夠替代有線LAN 和WLAN，應用到企業、家居和工業等場景。例如在工業場景，5G 本地局域網類型服務不僅能夠減少線纜的部署，簡化作業環境，還支持以太類型的單播、組播和廣播通信。

3 云化5GC 物聯網融合核心網建網實踐

3.1 PV 融合組網方案承載業務

物聯網云化組網后，為滿足NB、4G、5G 統一進行業務承載，需要現網傳統PGW 與云化 SMF(PGW-C)/專線UPF(PGW-U)共同組Pool，承載NB、4G 及5G 業務。融合組網后業務承載方式如圖5 所示。

圖5 PV 組網業務流向圖示

對于不同業務的業務流根據組網主要流向如下：

（1）4G 接入：云化 SMF(PGW-C)/專線UPF(PGW-U)與大區PGW，進行PV 組網，接入本地市MME，同時選擇本地市SGW，DNS 根據APN 及權重為MME 選擇物聯網大區PGW 或SMF(PGW-C)/專線UPF(PGW-U)。實現PV 負荷分擔。通用DNN 通過PV 組網進行業務承載，專用DNN 不進行PV組網。

（2）5G 接入：保持不變，5G ToB 通用業務由云化AMF/SMF、專線UPF 進行承載。

（3）NB 接入：NB 用戶接入本省2B AMF/MME，選擇本省融合SGW-C（SMF）及SGW-U（專線U），查詢DNS（APN及網絡拓撲）選擇本省融合PGW-C（SMF）及PGW-U（專線U）。

3.2 融合PCF/UDR 數據遷移實施

PCF 作為策略控制單元，為核心網提供差異化、管道化、智能化等增值服務。隨著物聯網業務發展，需要大量部署PCC 策略用于發展業務，但是老舊設備容量告急，嚴重影響業務發展，急需云化PCF 進行業務承載。考慮PCC 策略的繼承性，需要將老舊設備上的業務遷移至云化PCF/UDR 網元，涉及海量用戶PCC/UDR 策略數據遷移。

為滿足數據遷移的需要，通過工具保證數據遷移的準確性、完整性及高效性。主要數據遷移涉及用戶簽約數據的遷移及用戶策略數據的遷移。

（1）將融合SPR 的用戶簽約數據按照邏輯分省的策略割接至各省云化UDR

該方式由現網SPR 導出數據，進行格式轉換后再將用戶數據導入新建PUDR。同時遷移過程中需BOSS、DRA 及現網廠家密切配合。如異廠家割接，考慮到數據格式存差異，PUDR 建設廠家需提前分析現網SPR 廠家的數據導出格式，并提前進行割接工具開發。

（2）PCRF 用戶策略數據按照邏輯分省的策略割接至各省云化PCF

物聯網PCRF 由大區統一維護，PCC 策略管理流程較為規范，可以根據工單直接篩選出省份PCC 策略。PCF 建設廠家根據統一提供的省份PCC 策略工單進行策略配置和測試驗證。如同廠家新建PCF，可以考慮以現網PCRF 策略導出為主，再結合工單進行策略篩選后再導入PCF。

4 ToB 物聯網網絡演進分析

隨著3GPP 整體標準的演進，R16 主要聚焦于eMBB 的增強、低時延、高可靠能力的完善，關注垂直行業應用及整體系統的提升，如面向智能汽車交通領域的5G V2X、面向lloT領域的時間敏感聯網等5G NR 能力，以及定位、MIMO 增強、功耗改進等系統性的提升與增強。R17 協議在R16 的基礎上，主要面向5GXR、新型物聯網等新業務需求，重點引入了全新的特性和技術。R17 的演進，對當前的網絡架構有一定的影響，主要影響如表3 所示。

表3 R17 演進對網絡的影響

針對以上影響，相關技術架構組網主要影響如下：

4.1 NPN：架構組網影響分析

SNPN：SNPN 與PLMN 之間相互視對方為Untrusted Network，若要實現IP 互通，需部署N3IWF，R17 SNPN，需支持與第三方AAA/UDM/AUSF 對接。

PNI-NPN：對架構組網無特殊要求。

4.2 uRLLC：架構組網影響分析

R16 用戶面冗余方法判斷處理方法復雜且低效：SMF 根據 PCF 的策略、用戶上報信息(S-NSSAI、DNN)、用戶簽約和本地策略配置，生成RSN 參數來區分冗余處理的PDU 會話，并將RSN 傳遞給NR 進行PDU 會話的冗余用戶面處理。

R17 用戶面冗余方法更加靈活高效：UE 可以在PDU 會話建立消息中攜帶PDU Session Pair ID 和/或 RSN 參數給SMF，通知網絡這兩個PDU 會話成對，SMF 判斷處理后向NR 傳遞PDUSession PairID 和/或RSN 參數。

4.3 5G LAN：架構組網影響分析

5G LAN 業務是基于5G 終端連接能力和5G 網絡服務（如高帶寬、低時延、遠程接入、移動性和安全性），提供私有定制的移動局域網服務，允許限定的終端組基于Ethernet 或IP的端到端通信，支持工業Ethernet、企業辦公等場景。5G LAN為特定5G 虛擬網絡組提供Ethernet 類型或者IP 類型的通信服務，此通信可以發生在組成員之間，或者組成員和數據網絡中的服務器之間。5GLAN 是5G 和LAN 技術的結合，具有5G 網絡高帶寬、低時延和高可靠性的特點，同時兼具LAN的組網簡單、全互聯互通和易于維護的優點。R17 協議整體對UE-UE 終端互訪，由SMF 管理VN Group 和組內用戶通信，當前一個VN Group 只能被一個SMF 控制，當一個VN Group跨多個PSA UPF 時，SMF 需跨大區管理UPF，動態創建N19隧道。

5 結束語

物聯網網絡，承擔的使命是使能千行百業。物聯網業務需求的多樣性、行業強定制和差異化決定了面向物聯網的網絡不能簡單復用人網的網絡。物聯網業務創新主要聚焦在核心網，因此物聯網5G 核心網需要根據物聯網行業特性進行優化和增強，根據ToB 網絡的標準演進，關注物聯網行業的發展趨勢，打造新的物聯網網絡并賦能新的行業商業。