5G移动固定网络融合的分析

【摘  要】当前移动接入与固定接入都发展迅速，从用户需求和运营方便性来说，移动固定融合非常必要。分析了5G时代移动固定融合的业务场景和相关的技术手段，认为5G的应用场景和网络云化必将促进移动固定融合，通过分析移动固定融合的技术方案及相应的网络架构，提出了相应的对策建议。

【关键词】5GC;云网融合;移动固定融合

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.01.003        中图分类号：TN929.53

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2019）01-0015-05

引用格式：孙震强. 5G移动固定网络融合的分析[J]. 移动通信， 2019，43（1）： 15-19.

Analysis on 5G Mobile and Fixed Network Integration

SUN Zhenqiang

（China Telecom Corporation Limited Beijing Research Institute， Beijing 102209， China）

[Abstract] At present， both mobile and fixed accesses are developing rapidly. Considering users requirements and operational convenience， the mobile and fixed integration is necessary. The business scenarios and technical means for the mobile and fixed integration in the 5G era are analyzed. The 5G application scenarios and network cloudization are bound to promote the mobile and fixed integration. By analyzing the technical solutions on the mobile and fixed integration and the related network architecture， the corresponding countermeasure and suggestion are presented.

[Key words]5GC; cloud and network integration; mobile and fixed network integration

1   引言

由于大视频、云应用和新型社交应用的影响，2014年开始国内移动宽带用户数增长迅猛，截至2018年6月底达到13.4亿户，同比增长14.5%，上半年净增7 188万户。在降费政策的促进下，2018年10月当月户均使用移动互联网流量为5.66 GB，比2017年同期增长151%，流量消费潜力保持高速释放态势。为了应对容量的高速增长，ITU-R从2012年开始研究5G技术（IMT-2020），预计在2020年实现规模商用[1]。按照ITU的定义，5G需要具备比4G更高的性能，支持100 Mbit.s-1（热点1 Gbit.s-1）的用户体验速率，毫秒级的端到端时延。同时，5G还需要大幅提高网络部署和运营的效率。

另一方面，固定宽带用户增长也很快，截至2018年6月底达到3.78亿户，上半年净增2 974万户。在提速政策的促进下，国内宽带用户持续向高速率迁移，到2018年10月底100 Mbit.s-1及以上固定互联网宽带接入用户总数达到2.43亿户，占总用户数的61.4%，户均流量增长都在30%以上。

移动接入与固定接入的迅速发展都是顺应了以用户为中心的服务理念。用户的需求千变万化，多种接入方式的发展使得用户可以跨越时间、空间和接入方式的限制使用多种多样的电信业务，不可能用一种技术包办全部，移动和固定接入技术应该并存。考虑到5G的接入速率达到了100 Mbit.s-1（热点1 Gbit.s-1），而现在的固定宽带接入也逐步以50 Mbit.s-1～100 Mbit.s-1

以上为主，多个城市的宽带进入千兆接入时代，10GPON逐渐成为PON网络的主流技术，由于接入速率具有很强的相似性，这使得5G核心网络（5GC）能够更好地支持移动固定融合。同时，IP技术的广泛应用使得固定和移動通信网络正在逐步向分层化、全IP化的网络架构演进，相似的网络结构和接口协议为固定通信网络和移动通信网络的融合（FMC）奠定了基础。此外，5G网络采用了最新的SDN、NFV和云计算技术，实现了IT技术为基础的云化架构的5GC，最大限度地减少对接入网络技术的依赖以应对热点区域的流量暴增和易于整合未来的新兴服务[2]。

目前，国际上许多标准化组织都纷纷提出对5G时代FMC（Fixed Mobile Convergence，移动固定融合）的看法，并着手制定一些基于固定和移动融合的标准。ITU非常看重FMC，在ITU-T Y.3130中将FMC看做是5G的必选项[3-4]。2016年，BBF向3GPP发起联络函，联合3GPP共同推动FMC的研究。2017年6月份的3GPP SA全会上已经立项相关研究课题[5]。BBF的5G FMC方案包括一个5GC网络，并增强了支持有线接入的能力[6]。

固定移动融合的驱动力包括业务层面和网络层面的需求，业务层面的驱动力主要是统一用户帐号和认证、统一计费、业务连续性保障以及业务体验一致性等，网络的驱动力包括统一网络架构下的网络建设与运维成本降低。本文从FMC的业务场景入手，按照5G网络的云化架构分析5G移动固定网络融合的4个层面，给出FMC的网络架构和相关建议。

2   移动固定融合的业务场景

4G时代，通过接入统一的EPC融合核心网，实现了Wi-Fi与LTE之间的互操作。但是实际部署的运营商很少，主要应用场景是提供VoWi-Fi，为用户提供语音业务在LTE和Wi-Fi之间的移动性。

在5G时代，扩大了固定接入的范围。除了传统意义上的Wi-Fi接入，还包括了其他固定接入方式。上述接入通过融合5GC实现移动固定融合，融合5GC支持切片、支持服务化/虚拟化，也为今后支持FMC提供了极大的网络部署灵活性。在这种集成模型中，融合5GC用于提供传统上由有线核心网络提供的功能。下面将介绍两种采用融合5GC的FMC业务场景。

（1）经过固定或/和移动接入的固定业务

固定宽带服务的终端（如用户终端设备（CPE， Customer Premise Equipment）、家庭網关（RG， Residential Gateway Gorup））可由融合5GC进行全域控制，并可通过固定和移动接入进行上网和上云。支持固定接入的CPE终端类型包括单纯固定接入CPE、单纯移动接入CPE（5G+Wi-Fi）、多接入CPE（固定+5G+Wi-Fi）。RG则在有线接入网络和融合5GC之间引入了新的中介功能，称为5G访问网关功能。

采用5GC的FMC固定业务如图1所示：

比如，用户可以有一个便携式RG，在家的时候，用户可以接入固定的宽带服务。出去的时候，用户可以带着这个RG，并可以通过移动接入连接网络。用户可以使用相同的身份连接到RG创建的Wi-Fi热点的终端上网，RG可以访问同一运营商提供的5GC网络，得到统一的账单。

还有一种情况是连接到固定宽带线路的RG同时在家中提供有线LAN和Wi-Fi连接。用户正在看电视，电视通过有线LAN接口连接到RG，同时通过Wi-Fi用手机在IMS的基础上进行语音通话。如果5G网络检测到此RG的固定接入网提供的带宽不足以支持电视服务和语音呼叫服务，在5GC的控制下，RG同时通过移动设备打开移动接入网（不释放已退出的固定连接），以扩大带宽，从而满足其所提供的服务的要求。

（2）经过固定或/和移动接入的移动业务

移动宽带服务的终端（如手机）可由融合5G进行全域控制，并可通过固定和移动接入融合5GC上网和上云。

采用5GC的FMC移动业务如图2所示：

比如，移动宽带服务的用户正在通过5GC基于IMS进行语音呼叫。当用户走进他的房子时，手机覆盖太弱，无法为这个电话提供足够的带宽。融合5G检测到这种情况，可以将移动设备无缝切换到RG在家中提供的Wi-Fi热点。语音呼叫仍在继续，此对话的所有数据包都不会丢失。

还有一个例子，用户可以通过移动宽带访问多种类型的服务（例如数据服务和语音服务）。当用户启动语音呼叫时，将选择移动连接并将其用于语音服务。同时当用户启动视频文件下载时，将选择固定连接并将其用于数据下载流量。

3   5GC的云化架构与网络切片

5G时代，云网融合已经成为网络和应用的基础，其中网络是连接各种移动和固定终端和各种应用云的通道，包括接入网、城域网、骨干网络和专用承载网等;云则是IT资源的提供者，向应用提供计算、存储和网络三种能力。通过构建“云网”的一体化基础设施，可以用5G网络的能力支撑云计算的发展，同时用云计算的理念优化5G网络资源，促使各种资源能够按照用户的需求，动态、弹性地调度和分配。

SDN和NFV是网络云化的关键技术。SDN是将网络的控制平面与数据转发平面进行分离，采用集中控制替代原有分布式控制，并通过开放和可编程接口实现软件定义的网络架构。NFV是指利用虚拟化技术，采用标准化的通用IT设备来实现各种专用的网络功能，目标是替代通信网中私有和封闭的网元，实现统一的硬件平台加业务逻辑软件的开放架构。使用NFV/SDN等新技术，网络具备编程能力，资源具备弹性可伸缩能力，可以主动适应各种互联网和物联网应用所需。

通过引入SDN/NFV技术，5G核心网采用服务化架构进行了云化部署，包含了转发平面和控制平面，其中控制平面实现网络控制功能集中，网元功能虚拟化、软件化、可重构，支持网络能力开放。转发平面实现剥离控制功能，其转发功能紧靠近基站，支持业务能力与转发能力融合。以适当的方式应对各种甚至相互冲突的服务要求，而不是要求为每个特定服务部署单独的专用网络。

5GC网络部署在基于云的网络基础架构上，以支持灵活和自动的网络部署、扩展和可扩展性。基于云的5G网络基础架构是一组相互关联的多层数据中心（例如边缘数据中心、核心数据中心），可采用通用标准化硬件进行集中式管理和编排。5GC可以支持以云原生方式设计的网络功能。

为了提高资源的利用效率和方便管理，5G云化采用虚拟化来实现，这就带来了网络切片能力，也就是提供特定网络功能和网络特征的逻辑网络能力。网络切片可以部署在统一的底层物理设施上，不同切片承载不同网络服务，而底层资源共享网络切片。不同网络切片可以进行功能定制：为不同的垂直行业提供差异化SLA，例如不同的QoS和安全级别等。显然，固定业务能力可以看做5GC的一种网络切片。网络切片从5GC开始实施，未来可以扩展至承载网络和接入网络[8]。

针对FMC的网络切片如图3所示：

4   融合5GC的3个层面

通过5GC提供的FMC，最终用户可以享受无缝的服务体验和无处不在的服务可用性，服务提供商可以为固定和移动接入网络提供无缝的服务实现。如图4所示，从5G云化架构来看，融合包括了控制平面、转发平面、能力开放接口的融合。

（1）控制面融合

用户平面和控制平面的分离是5G网络体系结构的关键设计原则，它将功能（例如服务网关（SGW）、宽带远程访问服务器（BRAS）等）分离为控制平面功能和用户平面功能。控制平面执行大部分的控制逻辑，用户平面主要在控制平面的指示下提供分组交换。

5GC的控制与转发分离便于移动固定融合场景的部署，控制面的3A认证、QoS控制、计费和移动性管理等机制可以进行融合的尝试。

（2）转发面的融合

用户数据存储的位置和结构在不同的接入网中有所不同。例如，固定用户数据存储在固定网络的身份验证、授权、记帐（AAA）服务器中，而移动用户数据存储在4G网络的主用户服务器（HSS）中。这种数据分离会导致数据冗余和服务开发困难等几个缺点。因此，统一的数据库可以降低维护成本，为服务开发和数据分析提供条件。

FMC的用户数据管理要求如下：

1）需要一个5G FMC网络来支持单一的集中用户数据存储，以便最终用户使用固定和移动接入技术访问5GC网络;

2）5G FMC网络需要支持用户数据存储中的统一访问机制。

（3）网络能力开放接口的融合

为了使第三方能够访问有关5G网络提供的功能信息（例如连接、QoS和移動性信息），并在规定的范围内动态自定义针对各种用例的网络功能，5G网络运营商应提供API向第三方公开网络功能和相关信息。网络功能公开启用的示例方案包括对网络切片管理的第三方访问和在网络边缘安装第三方应用程序等。5G FMC网络支持最终用户访问类型的开放，包括单次（固定或移动）访问类型，以及可供第三方访问的同步（固定和移动）访问类型。按照3GPP的定义，网络能力开放包含监控能力、提供能力、策略控制和计费能力等方面，5G网络通过网络能力开放功能（NEF，Network Exposure Function）对外提供网络能力开放服务，NEF提供对外的接入点，通过服务化SBI接口与网络中其它NF交互。

5   5G移动固定融合的网络架构

（1）支持FMC的5G核心网络

在以前的移动网络中，在引入无线新技术的同时，还推出一种新型的核心网络，因此，新的核心网络和遗留核心网络之间需要进行交互一直是一种技术挑战。5G网络架构则被设计为与接入网络无关，5G核心网络具有与接入网络技术无关的共同控制机制（如网络连接和认证机制），通过多接入网的多连接可以提高网络的鲁棒性和吞吐量性能。5G网络需要支持新的5G接入、传统的4G/3G接入、Wi-Fi接入网络和固定宽带接入网络，可以分别采用独立的核心网切片来支持这些不同的接入方式。

支持FMC的5G核心网络如图5所示：

考虑到5GC与现有有线核心网络共存仍然很重要，也可以采用互操作模型，在此模型中，有线核心网络继续提供用户管理和IP功能，但5G固定移动交互功能通过连接有线核心网络到融合的核心网络。这样可以尽量保护运营商的现有投资，对现网尤其是固网的改动最小，尤其是不用改动家庭网关。

（2）支持FMC的5G业务网络

对于语音业务，IMS业务网络可以统一为移动和固定用户服务，提供类似于4G阶段的移动固定融合业务VoWi-Fi。对于视频业务（IPTV等），目前固定接入网络已经成熟地提供IPTV等大视频业务，但是移动网络尚未提供IPTV等业务，5G网络具备大带宽能力，5G时代的移动固定融合的IPTV业务网络成为可能。

对于侧重于本地化的边缘计算业务，5GC天然支持。当固定接入也通过5GC来实现时，则技术上也能为固定用户提供边缘计算业务。

（3）支持FMC的5G接入网络

除了通过5GC进行FMC以外，可以通过无线网进行移动固定融合，一个是5G基站支持Wi-Fi接入，通过Wi-Fi实现分流;另一个是5G基站支持无线固定接入，通过无线方式为用户家庭的CPE设备提供宽带接入，包括频率选择策略、5G针对固定宽带接入的优化、资源分配、基站的组网方案等。

另外，移动接入网络、固定接入网络可以考虑在承载方面进行一定程度的融合。

6   结束语

以前FMC的业务需求主要是基于OSS/BSS等运营系统等实现的，而不对网络架构进行大的融合调整。在5G阶段，网络层面的融合方案主要聚焦基于5GC的融合。

根据ITU对5G技术的初步期望，5G网络主要在室内和热点区域提供覆盖，这就与固定接入应用场景有了极大重合。5G阶段给用户提供的数据速率可以和固定宽带相比拟，通过核心网用户面的进一步下沉，FMC将会有更多的应用场景。

目前5G阶段FMC网络层面的研究处于起步阶段，建议进一步推动FMC，给用户提供统一的认证、统一计费、保持业务连续性以及一致的业务体验等，为新型的移动固定融合业务产品的设计开拓空间，提高运营商的竞争力。

参考文献：

[1] IMT-2020（5G）推进组. PG-5G网络架构设计白皮书[EB/OL]. [2019-01-03]. http：//www.imt-2020.org.cn.

[2] IMT-2020（5G）推进组. PG -5G网络云化白皮书[EB/OL]. [2019-01-03]. http：//www.imt-2020.org.cn.

[3] Recommendation ITU-T Y.3101. Requirements of the IMT-2020 network[S]. 2018.

[4] Recommendation ITU-T Q.1762/Y.2802. Fixed-mobile convergence general requirements[S]. 2018.

[5] 3GPP TR 23.716 V0.1.0. Study on the Wireless and Wireline Convergence for the 5G system architecture[S]. 2017.

[6] BBF SD-407. 5G Fixed Mobile Convergence Study[Z]. 2017.

[7] 3GPP TS 23.501. System Architecture for the 5G System[S]. 2018.

[8] Huawei whitepaper. 5G service guaranteed network slicing[EB/OL]. [2019-01-03]. https：//www-file.huawei.com.

[9] X Xia. Future Mobile Network： A Framework for Enabling SDN in Mobile Operator Networks[C]//Proceedings of the Second International Conference on Signal Processing on Information， Network and Computers， ICSINC 2016. 2016： 29-30.

[10] 孙震强. 5G网络软件化的分析[J]. 移动通信， 2016，40（19）： 76-80.