5G核心網標準化進展及B5G演進初探

2020-02-22 12:25:59 移動通信 2020年1期

施南翔 宋月 劉景磊 張昊

【摘? 要】為了給后續B5G核心網技術研究和標準化提供思路,首先介紹了5G核心網的服務化架構,描述了網絡切片、邊緣計算等關鍵技術;然后介紹了3GPP R15核心網標準化成果,提出了5G核心網系統架構,并介紹了R16在固移融合、5G LAN、TSN等方向的核心網標準化進展;其次介紹了ITU IMT-2020核心網標準化進展,包括IMT-2020核心網架構,給出了B5G核心網演進思路分析,提出網絡極簡化、行業專網增強、網絡智能化、uRLLC、mMTC、天地一體化等5G核心網演進方向,并提供了3GPP、ITU的B5G核心網標準化最新進展;最后提出B5G核心網技術方案研究和標準化應覆蓋全部的主流技術方向,面向未來做好技術能力儲備。

【關鍵詞】5G;B5G;核心網;標準化;網絡演進

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.01.001? ? ? ? 中圖分類號:TN929.5

文獻標志碼:A? ? ? ? 文章編號:1006-1010(2020)01-0002-06

引用格式:施南翔,宋月,劉景磊,等. 5G核心網標準化進展及B5G演進初探[J]. 移動通信, 2020,44(1): 2-7.

1? ? 5G核心網技術概述

1.1? 5G核心網架構

5G面向萬物互聯,覆蓋eMBB(enhanced Mobile Broad

Band,增強移動寬帶)、uRLLC(ultra Reability Low Latency

Communication,高可靠低時延通信)、mMTC(massive Machine Type Communication,大規模機器通信)三大場景,5G核心網實現了以服務化和云化為主要特征的技術革新,使能了網絡切片、邊緣計算等新能力和AR(Augmented Reality,增強現實)/VR(Virtual Reality,虛擬現實)、超高清視頻、云游戲、工業控制、智能電網、智慧家庭等新業務,相比4G核心網實現了換代技術演進。

5G核心網革新性地將服務化架構作為網絡基礎架構,控制面網絡功能基于模塊化拆解,解耦的網絡功能可獨立擴容、獨立演進、按需部署,針對每個網絡功能定義服務,實現整網功能的按需定制,靈活支持不同的業務場景和需求。5G核心網服務化架構如圖1所示[1]:

在功能架構革新的同時,5G核心網實現了基礎設施的云化革新,全面引入NFV(Network Function Virtualization,網絡功能虛擬化)網絡云架構。5G核心網網元作為虛擬化網元,部署于虛擬平臺之上,實現與硬件解耦。

1.2? 5G核心網關鍵技術

基于服務化和云化的5G核心網架構,孵化了以網絡切片、邊緣計算等為代表的5G新能力,其關鍵技術簡要介紹如下。

(1)網絡切片

網絡切片是提供特定網絡能力的、端到端的邏輯專用網絡。一個網絡切片實例是由網絡功能和所需的物理/虛擬資源的集合,可分為無線網、傳輸網、核心網三部分。

1)5G無線網切片在原有QoS機制以用戶粒度調度的基礎上,增強基于網絡切片相關標識(例如網絡切片優先級)的無線資源分配機制,實現無線側可以按照網絡切片的粒度滿足用戶不同的服務質量需求。

2)5G傳輸網切片提供硬隔離和軟隔離兩種方案,可以適配不同業務需求,包括帶寬、時延、抖動、安全性等,通過傳輸網和無線網、核心網的切片映射(切片ID到VLAN或IP映射),形成端到端的切片映射方案。

3)5G核心網切片基于服務化架構實現,引入獨立的NSSF(Network Slice Selection Function,網絡切片選擇功能),當用戶初次在網絡中注冊時,攜帶相應的NSSAI(Network Slice Selection Assistance Information,網絡切片標識)請求NSSF獲取接入的網絡切片選擇信息。5G核心網支持網絡切片標識的簽約和管理,支持網絡切片網元選擇和更新流程。

端到端切片管理編排提供網絡切片設計、網絡切片配置及質量管理、切片生命周期管理、網絡切片監控及運維等功能。

(2)邊緣計算

5G邊緣計算功能由5G UPF(User Plane Function,用戶面功能)、邊緣計算平臺以及邊緣計算應用構成。5G核心網SMF(Session Management Function,會話管理功能)就近選擇UPF,實現本地路由建立和數據分流。5G本地分流方式共有三種,分別是:UL-CL(Uplink Classifier,上行分類器)方式、分支點方式以及LADN(Local Area Data Network,本地數據網絡)方式。PCF(Policy Control Function,策略控制功能)為本地數據提供QoS控制策略和計費策略。不同SSC(Session and Service Continuity,會話和服務連續性)模式的引入,滿足應用的業務連續性需求。AF(Application Function,應用功能)通過PCF或NEF(Network Exposure Function,網絡開放功能)來影響UPF路徑的選擇和重選。

2? ?5G核心網標準化進展

2.1 3GPP R15核心網標準化成果

3GPP是5G核心網標準化的核心組織,產出了5G網絡架構和核心網詳細設計的大部分標準。3GPP SA主要負責5G核心網的需求、架構、安全、電信管理等標準,包括《 TS 23.501 System architecture for the 5G System (5GS)》[1]、《TS 23.502 Procedures for the 5G System (5GS)》[2]、《TS 23.503 Policy and charging control framework for the 5G System (5GS); Stage 2》[3]等。3GPP CT主要負責5G核心網的協議、互操作、策略控制、能力開放、碼號、數據等標準,包括《TS 24.501 Non-Access-Stratum (NAS) protocol for 5G System (5GS); Stage 3》[4]、《TS 29.507 5G System; Access and Mobility Policy Control Service; Stage 3》[5]、《TS 29.509 5G System; Authentication Server Services; Stage 3》[6]等。3GPP R15核心網系列標準包括NSA(Non-Standalone,非獨立組網)技術路線和SA(Standalone,獨立組網)技術路線的一系列核心網相關標準,是3GPP 5G首個標準版本,已于2018年9月正式凍結。R15核心網標準成熟度已基本達到商用水平,為5G核心網技術體系的構建和完善奠定了標準基礎,為國內外運營商5G網絡發展提供了重要技術指導。

2.2? 3GPP R16核心網標準化進展

在R15標準的基礎上,3GPP R16核心網標準對5G核心網能力進行了全方位的增強和優化。R16核心網標準進展主要包括以下方面。

(1)固移融合:目標是以5G移動網絡架構為基礎,支持固網終端原生接入5G核心網,實現固網核心網與移動核心網的融合,為用戶提供一致性業務體驗。固移融合的控制面方案是統一鑒權認證,統一接入管理,統一策略控制;用戶面方案是固網/移動流量分開處理。

(2)5G LAN:提供私有定制的LAN服務,利用5G核心網在組網靈活性、可擴展性、覆蓋范圍/移動性、網絡容量、服務質量、部署成本、可控/安全/認證等方面的優勢,為垂直行業提供使能技術。5G LAN實現L2/L3數據本地交換,降低時延;實現跨UPF數據交換,提供廣域組網;支持移動場景下業務連續性機制;支持單播和廣播轉發。

(3)TSN(Time Sensitive Networking,時延敏感網絡):支持黑盒方案和集中式TSN網絡模型;支持time aware relay時間同步機制;定義由RAN執行的新QoS模型(流方向、周期、突發到達時間)以支持周期確定性QoS需求;實現5GS內的數據傳輸時延控制。

(4)NPN(Non-Public Network,非公共網絡):通過非授權頻譜或者授權頻譜創建專有網絡,以支持企業通信、工業以太網等,是網絡切片之外移動網絡拓展垂直行業的重要補充。

(5)uRLLC:目標是增強網絡以支持超低時延超高可靠業務,實現方案除了網絡切片之外,還包括用戶面冗余傳輸機制,端到端的實時QoS Monitoring機制,業務連續性機制等。

(6)5G IoT:實現基于EPC的IoT特性到5G核心網的遷移和適配,以支持NB-IoT/eMTC終端接入5G核心網。實現小包傳輸、高延遲通信、低功耗優化、覆蓋增強管理、小數據過載控制、網絡參數配置、事件監測等主要IoT特性。

(7)衛星通信:接入側采用3GPP 5G NR協議,衛星作為回傳,或者作為基站的部分/全部功能,核心網的架構、功能、接口適配衛星通信特點進行優化,重點是移動性管理、會話管理、多連接管理。

2.3? ITU IMT-2020核心網標準化進展

ITU是IMT-2020/5G核心網標準化的重要組織,在IMT-2020/5G需求、架構和關鍵技術的標準化中起引領作用。ITU在2015年5月成立IMT-2020/5G焦點組,從5G新需求、新技術和未來網絡設計入手,全面啟動5G網絡的標準化研究,于2016年底完成5G網絡需求、5G網絡框架、5G固移融合需求、5G網絡管理需求、5G網絡管理框架等5項技術標準,以及5G網絡軟化應用、固移融合統一網絡集成云、5G信息中心網絡應用等3項技術報告,形成全球首個5G網絡標準體系。

在5G焦點組研究成果基礎上,ITU 2017年在未來網絡研究組設立了專門的IMT-2020/5G工作組,通過設立“5G網絡需求和功能架構”、“軟件定義網絡、網絡切片和編排”、“5G新興網絡技術”、“5G固移融合”、“5G網絡服務質量”等5個課題組全面推進5G核心網標準研究。ITU的IMT-2020網絡固移融合功能架構如圖2所示。

面向IMT-2020/5G網絡演進,ITU主要從新型網絡架構、新型信令協議、網絡智能化/機器學習、衛星通信、量子通信等領域引領技術創新和標準研究,服務面向未來的多元化通信和互聯網業務需求。

3? ?B5G核心網演進思考及標準化進展

3.1? B5G核心網演進思路分析

5G核心網架構及關鍵技術賦能了5G個人客戶業務和垂直行業類應用,為當前5G網絡的快速發展奠定了技術基礎,然而,面向未來通信網絡發展需要和創新業務應用需求,5G核心網架構及關鍵技術仍存在增強和優化空間,目前看主要包括以下方面。

(1)網絡極簡化:服務化架構是5G核心網的基礎架構,實現控制面網絡功能的模塊化解耦,靈活支持5G的豐富業務場景和需求。然而,引入服務化架構后,5G核心網控制面功能的復雜度有一定提高。面向中小型公眾網、行業專網等場景,在功能層面和部署層面,5G核心網控制面功能存在進一步整合和優化的空間。由于行業專網是5G的重點發展方向,網絡極簡化將成為5G核心網未來發展的重要方向,在B5G核心網架構演進中,應考慮從網絡架構、網元、接口和業務流程等維度出發,對控制面網絡功能進行融合和簡化。

(2)行業專網增強:萬物互聯是5G的重要標志,面向智慧城市、智慧工業、智慧教育、智慧交通、智慧醫療、智慧農業、智慧金融、智慧媒體等垂直行業應用的行業專網在5G時代飛速發展。然而,目前的5G核心網架構主要還是針對公眾網設計的,面向行業專網的高網絡性能、數據不出園區、高隔離安全、定制化業務和網絡、多量綱計費、批量開通運營等需求,需要增強在網絡架構、網絡功能、網絡組織、網絡性能等方面的差異化服務能力,構建可擴展性強、自適應、前后向兼容的B5G核心網,從而更好地滿足行業客戶的實際應用需求。

(3)網絡智能化:AI(Artificial Intelligence,人工智能)/ML(Machine Learning,機器學習)技術近年來發展迅速,已具備商用條件。網絡智能化能夠有效提升5G核心網的網絡效率,強化網絡管理和數據分析能力,使能智能化創新業務,已成為5G核心網的研究熱點的重點攻關方向。隨著AI/ML與移動通信結合相關技術的進一步發展,5G核心網的架構、功能、接口及流程將進行智能化演進和智能化改造,通過NWDAF(Network Data Analytics Function,網絡數據分析功能)等智能化功能和智能化技術,實現智能內生的B5G核心網。

(4)uRLLC:uRLLC是5G的三大場景之一,是行業專網的重要技術抓手,能夠為客戶提供時延和可靠性保障,對于垂直行業應用具有重要價值。隨著eMBB技術的逐漸成熟,uRLLC將成為5G核心網標準和技術方案的研究熱點。uRLLC除了應用冗余傳輸、網絡切片等成熟技術之外,還將對網絡協議棧的三層(路由層)和四層(傳送層)進行優化和增強,構建端到端的確定性網絡,從而提供超低時延、超高可靠性的B5G通信業務質量保證。

(5)mMTC:mMTC是5G的三大場景之一,是新型物聯網的重要技術抓手,能夠為客戶提供大規模、低成本的物聯網解決方案,對于垂直行業應用具有重要價值。目前eMTC和NB-IoT技術已基本成熟,eMTC和NB-IoT面向mMTC演進的方案和技術路線將成為5G核心網標準和技術方案的研究熱點。通過NR Lite等新技術的引入,面向超大連接、低功耗、低復雜度、低成本的eMTC技術將得到快速發展,滿足上行視頻監控、工業傳感器等垂直行業應用場景的需求。

(6)天地一體化:構建天地一體化網絡是B5G核心網甚至6G核心網的重要發展目標,天地一體化標準和技術方案也是目前業界的研究熱點,是實現5G通信服務泛在化的重要抓手。天地一體化發展的第一階段,衛星接入網絡為專網,地面接入網絡為公眾網,二者獨立建網,分別擁有不同的核心網,通過網關互通。衛星接入核心網的架構、功能、接口進行增強和優化,并提供增強的移動性管理、會話管理、多連接管理、廣播組播、業務連續性、業務調度等能力。天地一體化發展的第二階段,衛星接入網絡和地面接入網絡融合組網,二者的核心網融合,結合衛星接入的特點進行核心網的架構、功能、接口增強,在系統、網絡、業務、用戶層面實現協同和初步融合,為用戶提供全球全域無縫連接、業務連續性和通信服務保障。

3.2? B5G核心網標準化進展

目前3GPP、ITU等標準化組織已啟動B5G/IMT-2020 Advanced標準研究,在網絡極簡化、行業專網增強、網絡智能化、uRLLC、mMTC、天地一體化等演進方向上,取得了一系列標準化進展,為B5G核心網演進奠定了技術基礎。下面舉例介紹B5G核心網的標準化進展。

3GPP R17提出5G MBMS(Multimedia Broadcast Multicast Service,多媒體廣播多播業務)架構和關鍵技術,服務眾多垂直行業的群組通信需求。5G MBMS架構重用已有單播網元的功能,單播多播架構統一;業務和承載管理分離,實現按需部署。5G MBMS的核心網技術方案包括:在用戶面識別并處理多播數據;根據用戶設備的實際物理位置分布,動態進行數據分離和復用決策;核心網只維護單播承載,單播多播一體化;核心網到無線網只傳輸1份數據流,降低傳輸網負載。

3GPP R17提出NPN增強架構,實現NPN的快速部署(快速開戶、第三方認證鑒權)、網絡定制化、能力開放、與公眾網的無線資源共享、多業務類型支持。在網絡管理方面,實現NPN私網增強管理框架,通過使用運營商統一維護私網的運維架構,實現基于運營商的運維系統對NPN進行管理。

3GPP R17提出TSN增強架構,實現5G核心網架構增強,控制面設計支持TSN相關控制面功能;實現5G核心網確定性傳輸調度機制,而不依賴于外部TSN網絡;通過UPF增強實現終端間的確定性傳輸;實現可靠性保障增強;實現工業以太網協議對接;支持多時鐘源技術。

3GPP R17提出NWDAF預測用戶行為,包括第三方數據和用戶設備相關網絡數據(例如用戶設備軌跡、用戶設備業務調用、用戶設備優先級、用戶設備活動信息),輔助實現5G網管系統和無線網節能,例如關閉負載門限、關閉時間窗等操作。

ITU未來網絡研究組提出基于輕量核心網的專網需求和架構,研究面向5G及未來垂直行業專網的輕量核心網的需求、架構、參考點、業務流程,提出包括統一控制功能、統一數據功能、網絡智能功能、集中用戶功能、邊緣用戶功能的輕量核心網參考模型,是5G及未來垂直行業專網面向網絡極簡化的重要標準探索。5G輕量專網核心網架構如圖3所示。為降低核心網的復雜度(包括消息格式、信令交互和業務流程),提高網絡效率,提供性能優化空間,輕量核心網在網絡功能(統一控制功能、統一數據功能、網絡智能功能、集中用戶功能、邊緣用戶功能)的內部設計中允許采用黑盒模式,允許不采用服務化架構和服務化接口。而輕量核心網的業務調用接口、能力開放接口和智能化接口采用HTTP+TCP+IP協議棧和RESTful風格,以便引入第三方。

ITU未來網絡研究組在網絡智能化領域取得了重大進展。《AI集成跨域網絡架構》標準首次提出設計跨域智能化頂層架構及域間協同機制;《網絡智能化分級方法》標準提供IMT-2020及未來網絡的智能化水平的評估方法;《面向未來網絡包括IMT-2020的機器學習架構框架》標準提出了機器學習相關功能組件及與網絡的交互接口定義;《面向未來網絡包含IMT-2020中機器學習能力的數據處理框架》標準提供了面向5G及未來網絡中機器學習應用的數據處理需求、參考架構和功能及典型應用流程;《未來網絡包含IMT-2020中的機器學習用例》標準提供了二十余種網絡中機器學習應用用例,分析了其數據采集、存儲、處理需求和機器學習用例輸出的應用需求。以上標準均為B5G核心網智能化提供了重要的技術指引。

4? ?結束語

總結5G核心網的標準化和演進方向,可以得出,網絡服務化、個性化、融合化、智能化、泛在化是5G、B5G核心網的核心特征和發展方向。在可預見的未來,5G將孵化大量的創新個人客戶業務和垂直行業類應用,將對5G核心網提出豐富多樣的技術能力和業務能力要求。因此,B5G核心網技術方案研究和標準化應針對全部的主流技術方向進行全方位、遍歷式探索和研究,為B5G甚至6G核心網做好技術能力儲備,從而為未來B5G甚至6G的網絡演進和創新業務孵化奠定技術基礎。

參考文獻:

[1]? ? 3GPP. 3GPP TS 23.501: System architecture for the 5G System (5GS)[S]. 2019.

[2]? ? ?3GPP. 3GPP TS 23.502: Procedures for the 5G System?(5GS)[S]. 2019.

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作者簡介

施南翔(orcid.org/0000-0002-3528-5558):工程師,碩士畢業于北京航空航天大學,現任中國移動通信集團公司研究院高級研究員,研究方向包括5G、垂直行業。

宋月:工程師,碩士畢業于北京郵電大學,現任中國移動通信集團公司研究院高級研究員,研究方向包括5G、IMS。

劉景磊:高級工程師,碩士畢業于北京郵電大學,現任中國移動通信集團公司研究院主任研究員,研究方向包括5G、垂直行業。

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