5G与Wi-Fi接入的网络融合发展分析

蒋一名，成刚

（1.上海诺基亚贝尔软件有限公司，上海 201206；2.上海诺基亚贝尔股份有限公司，上海 201206）

0 引言

2020 年是移动5G 在国内进入大规模部署的商用元年，三大运营商纷纷进行集采招标，5G 网络建设成为新型基础设施建设的热点。但相对于原来的4G LTE 工作在2.4 GHz 左右的频段，中国5G 主流的3.5 GHz 频段的穿透能力较弱，通过墙壁的时候可能有20 dB 的损耗，使得5G 信号在室内的实际覆盖率受到影响，例如参考文献[1] 对5G 室内覆盖规模部署进行了讨论与研究。从5G 基站部署的目标来看，5G 基站的信号覆盖范围将可能从4G的数百米减小到数十米，在保证业务顺利畅通的条件下，这就要求5G 基站的数量相比4G 有很大的增加。然而5G基站铺设和网络完善是长期的建设，在短时间内5G 信号覆盖率在社区、楼宇或家庭的最后百米内必然有所不足。

目前Wi-Fi 已经在室内得到广泛的应用，如果在户外通过5G 连接上网，到了室内之后自动切换到Wi-Fi 网络，即使室内5G 信号薄弱或甚至没有5G 信号覆盖，但仍然支持5G 终端在固定网络中被寻址访问和维持原有5G 下运行的业务，这种情况是固定无线网络融合技术发展的关键场景之一，核心问题在于如何把Wi-Fi 设备通过固定网络接入到移动核心网。

从2004 开始，3GPP 在R6 版本中就已经着实推动对移动网络与无线局域网融合架构的定义，允许运营商把移动网络中的流量通过室内的无线局域网进行传输。紧随R6 版本其后，3GPP在以后的版本一直保持着对规范的演进和增强[2]。

然而3GPP 的4G 标准对Wi-Fi 接入的集成并没有得到大规模商业部署，其主要原因是整体网络方案较为复杂[8]，对4G 核心网和无线接入网络节点（eNB）存在较大的耦合和依赖，核心网网络单元和无线接入网络节点需要进行复杂的功能扩展，并且需要开发终端UE 支持多种网络方案。因而网络投资的性价比得不到运营商和设备厂商的认可和支持。

本文分析3GPP R15 以及R16 关于5G 网络与Wi-Fi接入融合的标准演进和关键技术，接着对网络融合中的技术挑战进行了探讨和评估，并对最新的Wi-Fi 6 技术将给5G 带来的网络融合演进进行分析，最后对5G 与Wi-Fi网络融合的社会应用进行了前景展望。

1 5G移动网络的Wi-Fi接入的标准和演进

5G 中的Wi-Fi 网络融合的标准制定过程中借鉴了4G系统的经验。

首先5G 核心网络基于业务模块化架构和网络功能虚拟化技术，做到控制面和数据面分离、核心网络和接入网络分离。5G 网络架构定义了核心网和接入网之间的标准接口，支持不同种类接入网络的融合，包括3GPP 网络和非3GPP 网络。

如图1 所示，对于Wi-Fi 接入的支持，3GPP R15定义了不可信非3GPP 网络（Untrusted Non-3GPP Access）融合架构[5]，3GPP R16 中定义了可信非3GPP网络（Trusted Non-3GPP Access）融合架构[6]。

图1 移动5G的R15版本中的不可信非3GPP网络融合架构

3GPP R15 标准中关于不可信非3GPP 网络融合的关键定义与技术如下：

（1）网络架构的标准化：在原来的5G 网络拓扑中增加新的非3GPP 交互功能单元（N3IWF,Non-3GPP Interworking Function）。它的作用是处理来自终端UE设备的注册认证请求，建立数据通道来实现5G 核心网与Wi-Fi 无线局域网之间的业务转发。

（2）UE 终端设备的兼容性：UE 终端设备的硬件不需要变更，只需软件升级支持N3IWF 网络发现与IPsec 安全通道能力即可支持3GPP R15 标准中定义的网络融合业务。

（3）传输通道的可靠性：终端UE 与N3IWF 之间的信令和数据都是通过IPsec 隧道方式来进行转发。当终端通过Wi-Fi 网络完成向5G 核心网络的认证和注册后，系统将在终端UE 与N3IWF 之间建立IPsec 隧道来传输后续的信令消息，以及为数据传输创建一个或多个IPsec的子通道安全关联。

3GPP R16 标准在2020 年7 月最终确定。如图2 所示，在R15 的基础上，考虑到无线局域网络融合应用的不同场景，R16 继续对5G 核心网络与Wi-Fi 网络的集成与融合进行拓展和完善。它的主要变化是网络架构的标准拓展，即支持两种Wi-Fi接入的部署模型，可信非3GPP的Wi-Fi接入，以及驻地网关（RG,Residential Gateway）或电缆调制解调器（CM,Cable Modem）下的Wi-Fi 接入。可信非3GPP接入是通过新增加的可信非3GPP 网关功能单元（TNGF,Trusted Non-3GPP Gateway Function）[6]来实现Wi-Fi 接入，TNGF 替代了R15 中的N3IWF 的功能。而RG 或CM 则是通过另一个新增加的固定接入网关功能单元（FAGF,Fixed Access Gateway Function）来实现Wi-Fi 接入。

图2 移动5G的R16版本中的可信非3GPP网络融合架构

2 5G与Wi-Fi接入的网络融合的关键技术分析

非3GPP 的Wi-Fi 网络通过3GPP 的移动网络进行业务通信，在整个数据流转发过程中，涉及到的网络融合相关的关键技术包括Wi-Fi 终端设备对移动网络中的发现和注册认证、数据转发的安全性、数据业务的QoS 保证、移动网络和Wi-Fi 接入之间的漫游等技术。参考表1 所列出的主要关键技术的比较。

表1 不同网络与Wi-Fi接入融合的关键技术[3-6]

（1）Wi-Fi 终端设备对移动网络中的发现和注册认证

5G 网络主要根据终端UE 的USIM 卡信息提供EAPAKA 和5G-AKA 的接入认证方式，并提供基于NAS 信令的5G 网络注册和业务管理。针对不支持NAS 信令的纯Wi-Fi 终端设备连接可信非3GPP 网络并接入5G 核心网的场景，3GPP 规范定义了相应的方案，由纯Wi-Fi 终端设备基于非3GPP 的EAP-TLS 和EAP-TTLS 认证方式完成认证，由可信非3GPP 网关功能单元代理完成5G 网络的注册和业务管理[5]。

（2）融合网络中数据流转发的安全性

3GPP 规范针对可信和不可信非3GPP 网络接入使用相同的IPsec 安全网络连接，以及基于Wi-Fi 安全连接和认证的二层链路。针对非可信非3GPP 网络接入，终端和5G 核心网认证服务功能单元之间基于EAP 协议完成认证和密钥交换后，UE 和N3IWF 之间用匹配的密钥建立加密的IPSec 隧道。针对可信非3GPP 网络接入，依赖于终端和Wi-Fi 接入之间的可信安全二层链路，在其上建立空加密的IPSec 隧道，保证数据转发安全性的同时，也保证与非可信非3GPP 网络接入相同的数据转发协议。

（3）融合网络中数据业务的QoS 保证

5G 空口规范要求支持10 Gbit/s 的用户接入速率和超低时延毫秒级的延迟，而室内常用的Wi-Fi 接入只有数百兆的连接速率和数十毫秒的延迟。当移动终端从5G 网络切换到Wi-Fi 网络的时候，不可避免地降低了原先在5G 网络中业务的QoS 和用户体验。

2020 年商业化的新一代Wi-Fi 6[7]技术为5G 业务切换提供了技术支撑。从表2 中可以看到，5G 网络的接入融合通过Wi-Fi 6 技术可以达到更好的性能适配效果。可以预见通过Wi-Fi 6 来实现5G 网络的业务流量旁路和确保5G 业务的QoS 是固定无线网络融合的一个重要技术发展趋势。

表2 5G网络指标与Wi-Fi性能比较

（4）5G 网络和Wi-Fi 网络之间的漫游技术

在支持Wi-Fi 接入的5G 网络的融合演进中，终端设备在5G 移动网络和Wi-Fi 无线网络之间的漫游是提高用户体验的关键技术之一。漫游可以从终端侧触发，终端侧通常基于无线网络统计信息的比较来决定，包括无线信号质量、Wi-Fi 无线带宽信息和业务QoS 需求等。此外，5G 网络可为UE 提供网络策略信息，包括网络发现和选择策略及路由选择策略，以支持UE 基于用户配置和网络策略进行不同接入网络的选择。3GPP 规范定义了5G 网络和Wi-Fi 网络之间漫游切换的交互过程。核心网络功能单元共享当前在5G 网络接入下建立的认证状态以及用户平面数据通道信息，保证漫游时业务连续性。

3 5G与Wi-Fi接入的网络融合的场景分析

支持Wi-Fi接入的5G移动网络在智慧城市、工业互联网、酒店公寓、企业办公、智慧家庭等很多场所都有应用的需求。根据前面讨论的5G 网络与Wi-Fi 关键技术分析，表3 是5G网络在Wi-Fi 接入融合上的典型场景分析。不同场景有不同的性能指标需求，对应不同的场景方案及关键技术设计。

表3 5G与Wi-Fi接入的网络融合的场景类型

下面以智慧城市的公共Wi-Fi 热点服务、工业生产和智慧家庭为例子来说明。

（1）智慧城市的公共Wi-Fi 热点服务

目前城市中很多场所已经有非常普及的公共Wi-Fi 热点服务，人们在移动终端登录认证后可以享受互联网接入，但移动网络的数据传输与Wi-Fi 网络之间的切换需要人工干预，人们选择可靠及安全的Wi-Fi 网络没有得到适当的正确引导，无缝漫游的用户体验尚未得到充分的支持。

通过建设支持Wi-Fi 接入的移动5G 网络的完整方案是提升公共Wi-Fi 热点服务质量的一个关键举措[8]，例如方案中可以包括5G 网络与公共Wi-Fi 热点之间的策略设置，为移动用户保留公共Wi-Fi 带宽，实现不同场景和业务模式的应用；允许设备通过公共Wi-Fi 进行身份验证并连接到5G 服务，无需安装SIM 卡认证；支持公共Wi-Fi热点与5G 网络之间的设备移动性和服务连续性等。

（2）工业生产中的5G 移动网络与Wi-Fi 网络的融合[8]

工业4.0 的核心是工厂自动化，而工厂自动化的关键基础技术之一是通信的超低延迟和数据传输的高可靠性，例如工厂自动化与闭环控制应用的通信必须具有严格的端到端延迟限制（例如1 ms）和高服务可用性（99.999 9%）要求。在实际工厂应用的场景，机器人、传感器、控制器、图形操作设备、IT 系统等设备在可靠性、延迟等方面有不同的要求，如果能充分利用移动5G 或Wi-Fi 网络构成不同应用的无线异构网络，则可以实现高效的基础设施投资和建设，满足工厂各种场景需求和服务。例如，执行关键生产任务的闭环控制，则可以利用5G 移动网络的超可靠低延迟通信（URLLC,Ultra-Reliable Low Latency Communication），而对于非关键任务的操作，则可以通过Wi-Fi 网络进行数据传输。作为5G 移动网络与Wi-Fi 网络融合的应用，工厂Wi-Fi 的设备可以与5G 设备进行直接通信，例如非实时性的传感器数据通过Wi-Fi 网络传递到移动网络，然后通过5G 网络转发到车间操作平台上的机器人进行处理。

（3）智慧家庭中的5G 移动网络与Wi-Fi 网络的融合

目前在家庭环境中，支持Wi-Fi 的终端设备通过Wi-Fi 路由器或者宽带接入网关连接到固定网络中。当5G 移动设备进入室内的时候，如果5G 信号变得较弱，移动设备可以自动切换到Wi-Fi 连接，在5G 网络支持Wi-Fi 接入的融合网络架构的条件下，5G 终端仍能被寻址访问和维持原有5G 下运行的业务。这种方案是通过Wi-Fi 网络直接拓展了5G 在室内的覆盖，使得5G 流量通过Wi-Fi 旁路来转发，弥补了5G 基站在基础建设早期部署数量不多的情形。从技术角度来看，此时无缝切换无线连接的时间和保持原有业务的QoS 是关键的性能指标。

4 5G与Wi-Fi接入的网络融合的实际问题分析

虽然3GPP 对于Wi-Fi 接入的网络融合的规范已经有了全面定义和演进，但从实际网络部署的角度来看，如何确保UE 或者纯Wi-Fi 终端设备在3GPP 网络与Wi-Fi 接入融合的网络中端到端的业务转发质量、数据安全性、网络运营维护等仍将是未来几年关键的话题。

端到端的业务转发质量：在5G 规范中，3GPP 通过支持网络切片技术，作为端到端业务QoS 管理。但如何把Wi-Fi 接入网络的操作纳入网络切片管理，目前还没有定义详细规范。Wi-Fi 网络的空口资源的优先级定义、时延控制等都独立于5G 网络部署，如何统一管理5G 网络和Wi-Fi 接入的QoS 参数是实现网络融合效果的技术挑战。

数据安全性：Wi-Fi 网络本身是免授权频段的无线局域网络，允许不同的终端同时接入到同一个Wi-Fi 网关或路由器。使用电信级移动网络的5G 终端切换到普通的Wi-Fi 节点进行数据转发，在支持原先的5G 终端在新的融合网络中被鉴权认证后正常运行业务的前提下，端到端的网络安全性将需要重新审视和评估，但目前尚未有相关的研究和讨论。

网络运营维护：通常运营商对基于Wi-Fi 的宽带接入网关的运营管理是聚焦在网络接口侧的参数，对于Wi-Fi 接入的性能和QoS 参数缺乏有效的管理手段。而当5G 与Wi-Fi接入的网络融合的时候，不仅需要有一个统一的运营网络来管理，也需要加强UE 接入Wi-Fi 网络的维护和监管，这是运营商与设备商为将来网络融合要提前筹划的方案。

5 结束语

移动网络与Wi-Fi 无线网络融合从2004 年就已经开始讨论，但基于4G 的Wi-Fi 接入的网络融合方式相对复杂，并且缺乏用户场景需求的支持，所以没有得到充分发展。而3GPP在5G的R15和R16规范中对Wi-Fi接入进行了更充分的讨论和方案的定义，使得基于移动5G 的Wi-Fi 接入的网络融合将具有更多产业化的机会。

5G 室内信号覆盖率随着5G 网络规模部署将逐渐成为关注的重点，有规划地利用已经广泛部署的Wi-Fi 网络设施作为5G 在室内覆盖的设施补充，将有可能有效降低5G 在初期的投资成本。另外，支持更高速率和更高密度用户连接的Wi-Fi 6 技术在2020 年的商业化，它在性能指标与5G 规格接近，使得Wi-Fi 6 支持5G 流量旁路的QoS 更具有可行性。

虽然5G 移动网络与Wi-Fi 无线网络的融合还有若干关键技术需要有具体实现上的研讨，标准组织也有继续完善规范的空间，但在未来几年两者之间的融合发展是必然的趋势。