5G核心网面向3GPP R16演进关键技术及引入策略

杨旭，肖子玉，张明，邵永平

（1.中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080； 2.中国移动通信采购共享服务中心，北京 100053）

1 引言

3GPP R15标准主要聚焦增强型移动宽带（enhanced mobile broadband，eMBB），可以满足大带宽及部分低时延场景要求，3GPP R16聚焦三大业务场景进行功能增强，并已于2020年年中冻结，3GPP R17主要聚焦大连接物联网（massive machine type communication，mMTC）场景，目前正在方案研究阶段，计划于 2021年第三季度冻结。

根据3GPP R15端到端产业链成熟周期预判，端到端产业链成熟滞后标准一年半以上，预计3GPP R16产业链将在2022年第一季度左右逐步成熟。3GPP标准及产业进展分析如图1所示。

图1 3GPP标准及产业进展分析

本文基于3GPP R16标准进展及主要研究方向，对于其中优先级相对高的部分关键技术进行重点介绍，给出部署分析和引入策略的初步建议。

2 3GPP R16的主要研究方向

3GPP R15阶段主要面向eMBB场景，并定义了基本的超可靠低时延通信（ultra reliable low latency communication，uRLLC）架构，3GPP R16标准主要对于eMBB进一步增强，并针对垂直行业进行增强，满足5G全部场景的业务需求，主要研究课题研究内容见表1。

表1 3GPP R16主要研究课题方向

3 3GPP R16关键技术研究及部署策略分析

本文主要就3GPP R16标准中后续商用优先级高的部分课题进行研究分析，主要包括eSBA、uRLLC、5G LAN、TSN、eNA等。

3.1 eSBA

3GPP R16基于R15 SBA架构进一步完善和架构增强，包括框架的改进、可靠性的改进等。为5G 系统提供更高的灵活性和更好的模块化，更容易地定义不同的网络切片并更好地重用已定义的服务，更好地支持网络功能服务的自动化和高可靠性。

高可靠性实现主要引入NF set（集合）以及NF service set，一个NF set内的NF实例，在功能上完全相同、可以互相替换、共享上下文；负载均衡和容灾机制借鉴AMF（access and mobility management function）set的机制：当相关实体出现故障时，选择其他的等价实体。

3GPP R16 23.501系统架构中已经定义了4种模式：R15 NF 之间互通模式采用模式A/B，即直连模式；3GPP R16引入模式C/D，引入SCP，由SCP负责NF之间的非直连通讯路由。SCP作用类似于service mesh，标准未定义SCP具体实现方式。option C（SCP无代理服务发现）NRF（network repository function）负责服务发现，SCP负责非直连通信路由。option D（SCP代理服务发现）NF不进行服务发现，SCP向NRF进行代理服务发现，并负责路由非直连通信。SCP组网方式如图2所示。

图2 3GPP R16引入option C/option D两种SCP组网方式

5G SA建网初期，NF数量不多、网络规模较小、NRF处理能力不受限，且在R16标准中引入的SCP信令网元标准规范尚未成熟，信令网组网建议采用 NRF独立组网方案。待后续SCP标准及产品成熟后、5G网络规模逐步扩大，NRF和SCP协同完成5G信令路由功能，实现简化组网、负载均衡等功能，降低对NRF的性能消耗。初步建议号段相关网元优选option D，统筹考虑与DRA（diameter routing agent）融合演进至4G/5G融合信令网，简化网络及路由架构，具体如下：

（1）无用户号码归属关系的服务采用NRF寻址，如AMF寻址SMF，类似于4G网络的DNS；

（2）有用户号码归属关系的服务采用SCP寻址，如AMF寻址UDM（unified data management）/PCF（policy control function）、SMF 寻址UDM/PCF/OCS。

3.2 uRLLC

超高可靠和超低时延是uRLLC的主要特征，主要满足自动驾驶、工业控制等业务需求。

（1）关键技术方案

超高可靠：主要通过用户面冗余传输机制满足uRLLC业务超高可靠性，3GPP R16标准定义了E2E冗余方案和N3/N9双通道冗余方案，保证99.999%的可靠性。

其中，uRLLC端到端冗余方案架构如图3所示。

图3 端到端冗余方案架构

其中，uRLLC N3/N9双通道冗余方案架构如图4所示。

图4 N3/N9冗余方案架构

QoS监控：通过实际数据包采样支持对流级 别的E2E（空口+N3/N9）时延的检测和上报，AF（application function）可以实时获取网络QoS时延的情况，适配调整应用流。

超低时延：主要通过3GPP R16无线空口技术实现，另外，在核心网侧可通过将UPF等设备部署在边缘，进一步降低时延。

（2）现网引入分析

·终端需要支持与uRLLC相关无线、核心网的特性，E2E冗余方案需要UE支持双连接方案，预计2021年年底有测试模组，模组需要一定的量产和规模应用周期。

·基站需要升级支持与uRLLC相关无线特性，E2E冗余方案需要基站支持双连接方案，N3/N9冗余方案需要基站支持包复制和包去重，涉及的升级规模范围较广。

·N3/N9冗余方案需要UPF支持包复制和包去重，QoS监控方案需要核心网部署NEF网元，PDU的连接数成倍增加。

（3）部署策略及建议

·uRLLC对UE、无线、核心网和业务平台都有新的功能要求，涉及面较广，产业成熟度还比较低，近期还不具备规模部署条件。

·考虑uRLLC是5G网络与4G网络的主要差异特性之一，在车联网和工业控制领域有较大的业务需求，未来可能有较大的价值空间，建议积极关注标准和产业进展，适当超前部署小规模试验网，引领产业发展并推动产业链成熟。

3.3 5G LAN

传统移动网络提供的是统一的接入和一致的终端管理，5G LAN作为3GPP R16阶段最具市场前景的技术之一，主要面向企业办公、智能制造等领域，实现终端的灵活组管理。5G LAN虚拟专网基于5G网络能力，面向垂直行业通信需求，充分利用5G网络技术优势，为垂直行业提供使能技术，灵活便捷的支持虚拟专网通信，扩展行业应用解决方案，提升5G网络对于传统网络的竞争优势。5G LAN逻辑组网架构如图5所示。

图5 5G LAN逻辑组网架构示意图

（1）关键技术方案

5G LAN支持以下3种用户面转发方案。

·基于N6接口：用于5G LAN虚拟网络通信的上下行业务流量被转发到DN，或通过DN转发。适用于统一的专网业务平台访问、通过专用服务器进行转发的P2P、P2M、M2M通信。

·基于N19接口：用于5G LAN虚拟网络的通信的上/下行业务流量通过N19接口在不同PDU会话的PSA UPF之间转发。适用于不在同一UPF管理区域内的UE之间通信。

·基于本地交换：用于5G LAN虚拟网络的通信的上/下行业务流量由单个UPF本地转发。适用于该UPF的是同一5G LAN虚拟网络组的不同PDU会话的公共PSA UPF。

5G LAN技术在移动网络中引入终端组管理的概念，支持组内终端直接通信。主要有以下3个特征。

· 动态群组管理：UDM维护一个组内终端的所有签约信息；行业客户可通过能力开放接口，将一个终端从群组内动态地加入或删除。

· 终端静态地址：5G网络可根据UDM配置，在创建5G LAN会话时为5G行业终端分配指定的静态IP地址；行业客户可通过能力开放接口配置群组内静态IP地址段。

· 用户面直接通信：一个组内终端相互发送的数据，可经过UPF进行直接转发，多个UPF之间可构建直连隧道，保障直接通信；UPF具备直接转发功能，缩短数据转发路径。

（2）部署分析及引入策略

·5G LAN技术部署对5GC的影响和改造要求：基站支持以太网类型的PDU会话；NEF/UDM的服务增强，以支持动态组管理；SMF/UPF的数据转发处理增强，以增强本地交换和跨UPF通信。

·5G LAN技术引入策略分析：该技术在行业通信领域具备广阔的应用前景，可作为5G网络增强技术在垂直行业2B网络中优先引入，核心网厂商预计2021年可具备现网部署条件。

3.4 TSN

与uRLLC技术在可靠性和时延方面的保障相比，TSN技术进一步地在时延抖动和时间同步方面对5G网络进行增强。应用场景包括工业控制、机器制造等，5GS作为一个TSN节点与传统的TSN系统对接，使5G系统可替换TSN系统中的固定网络部分。

（1）关键技术方案

5G系统扩展支持IEEE 802.1AS时钟同步机制、IEEE 802.1Qbv门限控制机制和802.1Qcc TSN配置机制等协议，从而构建端到端的时间敏感网络。5G TSN提供保障确定性网络通信的机制，主要包括授时和时间同步、QoS映射和保障。基于5GS时钟的TSN架构如图6所示。

图6 基于5GS时钟的TSN架构

·架构增强：5G系统作为一个TSN桥集成在TSN系统中，5GS TSN转换器功能由终端侧TSN转换器（DS-TT）和网络侧TSN转换器（NW-TT）组成。5GS通过IEEE 802.1管理接口将TSN桥的信息报告给TSN系统，同时映射并实施TSN系统发起的QoS调度请求，TSN系统控制器通过TSN AF与5GC交互控制信息。

·时间同步：为了实现TSN同步机制，整个端到端5G系统可看作一个IEEE 802.1AS时间感知系统，分为5G时间域和TSN时间域。在5G系统内部，5G GM实现与UE、gNB、UPF、NW-TT和DS-TT的时间同步；只有5G系统边缘的TSN转换器（TT）才需要支持IEEE 802.1AS的相关功能。

·QoS控制：5G系统与TSN系统协商好每一个TSN业务流的QoS需求（如带宽、时延要求等）。5G系统中的DS-TT和NW-TT支持IEEE 802.1Qbv的存储转发机制。在5G系统内部，TSN业务流将采用时延敏感GBR来保障。为了控制网络传输的抖动，UE/UPF提供了保持和前向缓冲机制，支持IEEE 802.1Qbv调度机制。该调度基于包延迟预算（packet delay budget，PDB）进行5GS QoS保障，保证分组在其预定传输时间之前到达NW-TT或DS-TT出口。

（2）现网引入影响

5G TSN技术对终端、基站、传输和核心网均有改造要求，5G核心网还需要实现与传输网和基站的5G主时钟同步；终端和UPF需要支持TT（TSN translator）功能；核心网AF/PCF需支持与TSN系统控制面（CNC集中网络配置/CUC集中用户配置）进行对接并完成协议解读和参数映射；核心网定义新的QoS模型支持TSN。

（3）部署策略及建议

虽然5G网络引入TSN的代价较高，但可以预见5G TSN技术将广泛应用于工业控制、机器制造等领域。具备TSN属性的5G网络将真正成为具有确定时延、低抖动、高可靠的5G确定性网络，为垂直行业提供真正的SLA保障。随着标准及产业的进一步成熟，探索引入TSN的局面将更加积极。

3.5 eNA

3GPP R15定义了NWDAF支持切片负载相关统计，主要用于网络策略调整和切片选择。3GPP R16增强了NWDAF进一步使能网络管控自动化。

（1）关键技术方案

·数据收集及分析：以NWDAF为数据采集中心，NWDAF通过从5GC NF、第三方AF、RAN、OAM等收集各种信息，包括从5G NF收集的网络运行数据、从OAM获取网络相关统计数据、从第三方AF获取的业务MOS数据等，引入人工智能和机器学习技术，构建业务MOS和网络的关联和模型。NWDAF数据收集架构示意图如图7所示。

图7 NWDAF数据收集架构示意图

·分析结果反馈：5GC NF或者AF或者OAM可以通过“订阅/通知”或者“请求/响应”两种服务从NWDAF网元获取数据分析结果；利用分析结果进行网络优化，包括5G QoS增强、切片SLA保障、UPF选择、mIoT终端监管、定制化的移动性管理、NF实例选择等。

·基于service MOS的5G QoS增强：NWDAF从第三方AF获取业务MOS值，进行业务模型训练，NWDAF将分析结果反馈给PCF以便调整初始QoS参数。基于service MOS的5G QoS增强示意图如图8所示。

图8 基于service MOS的5G QoS增强示意图

·基于service MOS的切片SLA保障：NWDAF分析切片SLA、QoE的情况，当出现服务质量降级或者即将降级的时候，动态的调整网络切片的资源和参数配置。基于service MOS的切片SLA保障示意图如图9所示。

图9 基于service MOS的切片SLA保障示意图

（2）现网引入影响

现网需引入NWDAF新NF，同时新增NWDAF从5GC各个网元收集数据并反馈分析结果的接口。

（3）部署策略及建议

eNA主要引入NWDAF做网络分析，可以辅助网络运营以及网络闭环管控，属于新的探索方向。考虑目前相关标准不够完善，远期待产品及生态成熟考虑现网引入部署。

3.6 后续部署建议小结

针对3GPP R16引入核心网关键技术，根据业务需求、技术及产业成熟度、部署投资收益等多方面因素综合考虑，建议分优先级、按需逐步引入。

（1）近期：对于解决现网实际问题且技术相对成熟的关键技术（如5G LAN等），建议优先现网引入。

（2）中期：对于需求迫切、需进一步推动成熟的关键技术，建议优先试点，如SCP、NPN、uRLLC、eLCS等。

（3）远期：对于技术及产业成熟度不高的关键技术，建议进一步研究，包含TSN、eV2X、eNA等。

R16关键技术后续部署分析初步建议见表2。

表2 R16关键技术后续部署分析初步建议

4 结束语

3GPP R16 5G标准重点针对垂直行业能力进行增强，建议优先推动需求相对迫切的5G LAN等关键技术的试点验证，并以业务诉求驱动技术落地。对于TSN、eNA以及车联网等涉及端到端（无线、网络、核心网）协同的新技术，需要结合技术成熟度及产业成熟度，积极跟踪研究并按需推动现网试点及商用落地。