5G网络能力开放功能和应用研究

林 琳 朱 斌 王光全

中国联通研究院 北京 100048

引言

随着网络和技术的发展，5G网络架构和网元持续服务化、开放化、白盒化发展为网络能力开放的应用提供了培育土壤。

本文聚焦5G核心网能力开放功能和应用开展研究，首先针对5G核心网网络能力需求场景进行了分析；其次介绍5G网络能力开放网络架构及5G核心网标准网元NEF功能；再次，系统性梳理和论述3GPP R15～R16版本网络能力功能演进；最后，本文列举了5G网络能力开放应用方案，其中部分案例来源于中国联通5G能力开放应用探索。通过本文深入探讨5G时代在哪些场景可提供哪些核心网能力，分析R15～R16版本网络能力演进趋势，探讨如何转化为面向需求方开放的业务/应用，期望为5G核心网能力的应用及部署提供相关参考和建议。

1 5G核心网能力及需求场景分析

5G业务需求主要包括毫秒级低时延、高带宽传输、海量大连接等，典型业务场景包括AR/VR、云游戏、物联网、车联网、网络切片等。基于上述基本业务需求及业务场景，5G核心网能力需求及需求场景分析如表1所示[1]。

表1 5G核心网能力需求及需求场景列举

2 5G核心网能力网络架构

5G核心网能力的提供和实现主要基于3GPP制定的能力开放架构[2]及5G核心网标准网元NEF(Network Exposure Function，网络开放功能)[2]实现。本节将重点基于5G核心网能力方案涉及的架构、功能实现等角度进行介绍。

2.1 5G系统网络架构

5G网络具有更高的速率、更低的时延、支持更高的移动性和更大的连接数等特性。从图1所示的5G系统架构图中可以看出，5G网络采用基于服务的云化架构SBA(Service Based Architecture，基于服务的架构)[2-3]，将传统的网元转换为NF(Network Function，网络功能)。相比4G封闭的网络架构，SBA架构为5G能力开放提供了天然的网络条件。

2.2 5G核心网能力开放网络架构

5G核心能力的提供依赖于5GC网络能力开放架构与能力提供5G核心网标准网元NEF(Network Exposure Function，网络开放功能)[2-3]。

在5G网络下，5G核心网能力开放架构基于NEF为开放锚点，通过NEF北向N33接口与可信或非可信AF(Application Function，应用功能)相连，南向通过服务化架构以总线方式与所有NF(Netwok Function，网络功能)相连，如图2所示。

NEF属于5G核心网标准化网元，是5G核心网对外开放和应用的锚点[4-5]。对于NEF具体实现的开放功能，由于5G总线化架构，NEF开放的能力可以分为外部和内部能力开放两类。

1)外部开放，即对外对接AF对内对接NF，负责内外部处理信息的传递和翻译，完成外部请求到内部网络资源的调用。

外部开放分为监控能力、参数配置能力和策略/计费能力开放。监控能力用于监控UE(User Equipment，用户设备)在5G系统中的特定事件，并通过NEF将这些监控信息向外部开放；参数配置能力允许外部第三方应用提供在5G系统中用于UE的信息；策略/计费能力用于根据第三方应用请求执行UE的QoS(Quality of Service，服务质量)和计费策略。

2)内部开放，即完成运营商内部网元功能NF信息的交互，同时通过UDR(Unified Data Repository，统一数据存储)完成不同网元功能的相关信息的存储访问。例如AMF(Access and Mobility Management Function，接入和移动性管理功能)提供移动性相关的事件给各NF，例如，在注册过程中，当AMF改变，新AMF通知每个SMF(Session Management Function，会话管理功能)UE可达状态。

3 5G核心网能力开放功能演进

在5G核心网能力开放架构的基础上，本节重点介绍基于5G核心网能力开放架构可提供的相关能力方案。3GPP R15版本主要聚焦eMBB(enhanced Mobile Broad Band，增强移动宽带)场景，包括切片选择/切片管理、MEC(Multiple-access Edge Computing，移动边缘计算)等网络功能特性。3GPP R16在此基础上，进一步满足URLLC(Ultra Reliable Low Latency Communication，超高可靠超低时延通信)、mMTC(massive Machine Type of Communication，海量机器类通信)场景，是5GC部署的成熟版本，是主流运营商的长期基础版本。

在R15 版本中，5GC中通过5G核心网能力开放架构及NEF功能网元能够提供的主要能力和主要API(Application Program Interface，应用程序接口)共7个，其主要能力及应用场景汇总如表2所示。

表2 R15 5G核心网可提供的主要能力列表

随着网络演进及能力丰富，R16版本支持的5G网络能力面向垂直行业、专网、智能分析等方向扩展及演进，其主要能力及应用场景汇总列举如表3所示。

表3 R16 5G核心网可提供的主要能力列表

4 5G核心网能力开放应用方案

本节主要介绍5G核心网能力开放应用案例，包括5G差异化保障能力、5G背景流量能力、5G位置能力等，以此说明5G核心网能力的实际应用方案，为5G网络能力开放面向市场转化为相关产品或业务提供参考方案。本节部分应用方案来源于中国联通5G能力开放应用探索[8]。

4.1 5G差异化保障能力应用

5G差异化保障能力应用方案为运营商针对特定客户或垂直行业(如政企、医疗、金融、证券等)和特定应用(如直播、游戏等)，提供基于5G QoS的差异化网络资源(如时延、带宽等)调度服务的业务和产品[7]。第三方可根据需求调用移动运营商的5G QoS保障能力，面向行业、企业特定应用或客户提供基于5G网络的流量加速服务，适用于云游戏、视频会议、手机直播等场景，保证优质的业务体验。

如图2所示，某OTT(Over The Top，跨域中间环节)用户访问OTT应用后，OTT服务器通过5G能力开放平台(或5G流量加速平台)为该用户申请流量加速服务。5G能力开放平台(或5G流量加速平台)将流量加速服务申请消息发送至5GC网元PCF(Policy Control Function，策略控制功能)，PCF选择服务匹配的QoS保障策略模板。随后，PCF协调5GC及接入网元根据该QoS保障策略模板，为该应用建立QoS保障专用通道，提供流量加速服务。

4.2 5G背景流量能力应用

5G背景流量应用方案为运营商在特定区域内为其移动用户提供推送背景流量业务，如智能手机的软件升级服务或者是音乐、视频的推送，可在多个时间窗(对应最大聚合比特率、费率)内发起背景流量传送。该方案尤其适用于车联网等海量数据传输场景[9]。

如图3所示，某车联网业务服务商与运营商签订在特定区域内、特定事件内为某用户提供海量数据传输服务。基于海量数据传输Web或API，用户发起该服务请求，车联网业务服务上经由Web或API申请业务开通，实现在特定区域内为其移动用户提供推送背景流量业务。

4.3 5G位置能力应用

5G位置能力应用是将网络中的终端位置信息等以WEB或API方式开放给客户，可用于实时监控、精准定位、智能跟踪、用户使用行为分析、故障预警和定位等[10]。

1)智能可穿戴设备定位：通过运营商提供的可穿戴终端实时位置信息，可对可穿戴终端的位置进行实时精确定位，并结合通话、报警等功能，从而降低可穿戴设备佩戴人或物如老人、儿童、宠物等的安全隐患，如图4所示。

2)智能物流跟踪：通过运营商提供的物流实时位置信息，能够对物流进行实时监控及定位，并将信息记录及上传，从而实现对物流行驶轨迹进行实时跟踪、查询，如图5所示。

5 结束语

5G网络能力开放是5G时代重要的商业模式之一。本文探讨5G时代在哪些场景可提供哪些核心网能力，如何转化为面向需求方开放的业务/应用以及网络能力的演进方向，期望通过此文研究为运营商5G核心网能力的应用及部署提供相关参考和建议。