5G核心网标准化进展及B5G演进初探

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　　【摘  要】为了给后续B5G核心网技术研究和标准化提供思路，首先介绍了5G核心网的服务化架构，描述了网络切片、边缘计算等关键技术;然后介绍了3GPP R15核心网标准化成果，提出了5G核心网系统架构，并介绍了R16在固移融合、5G LAN、TSN等方向的核心网标准化进展;其次介绍了ITU IMT-2020核心网标准化进展，包括IMT-2020核心网架构，给出了B5G核心网演进思路分析，提出网络极简化、行业专网增强、网络智能化、uRLLC、mMTC、天地一体化等5G核心网演进方向，并提供了3GPP、ITU的B5G核心网标准化最新进展;最后提出B5G核心网技术方案研究和标准化应覆盖全部的主流技术方向，面向未来做好技术能力储备。
　　【关键词】5G;B5G;核心网;标准化;网络演进
　　doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.01.001        中图分类号：TN929.5
　　文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）01-0002-06
　　引用格式：施南翔，宋月，刘景磊，等. 5G核心网标准化进展及B5G演进初探[J]. 移动通信， 2020，44（1）： 2-7.
　　1    5G核心网技术概述
　　1.1  5G核心网架构
　　5G面向万物互联，覆盖eMBB（enhanced Mobile Broad
　　Band，增强移动宽带）、uRLLC（ultra Reability Low Latency
　　Communication，高可靠低时延通信）、mMTC（massive Machine Type Communication，大规模机器通信）三大场景，5G核心网实现了以服务化和云化为主要特征的技术革新，使能了网络切片、边缘计算等新能力和AR（Augmented Reality，增强现实）/VR（Virtual Reality，虚拟现实）、超高清视频、云游戏、工业控制、智能电网、智慧家庭等新业务，相比4G核心网实现了换代技术演进。
　　5G核心网革新性地将服务化架构作为网络基础架构，控制面网络功能基于模块化拆解，解耦的网络功能可独立扩容、独立演进、按需部署，针对每个网络功能定义服务，实现整网功能的按需定制，灵活支持不同的业务场景和需求。5G核心网服务化架构如图1所示[1]：
　　在功能架构革新的同时，5G核心网实现了基础设施的云化革新，全面引入NFV（Network Function Virtualization，网络功能虚拟化）网络云架构。5G核心网网元作为虚拟化网元，部署于虚拟平台之上，实现与硬件解耦。
　　1.2  5G核心网关键技术
　　基于服务化和云化的5G核心网架构，孵化了以网络切片、边缘计算等为代表的5G新能力，其关键技术简要介绍如下。
　　（1）网络切片
　　网络切片是提供特定网络能力的、端到端的逻辑专用网络。一个网络切片实例是由网络功能和所需的物理/虚拟资源的集合，可分为无线网、传输网、核心网三部分。
　　1）5G无线网切片在原有QoS机制以用户粒度调度的基础上，增强基于网络切片相关标识（例如网络切片优先级）的无线资源分配机制，实现无线侧可以按照网络切片的粒度满足用户不同的服务质量需求。
　　2）5G传输网切片提供硬隔离和软隔离两种方案，可以适配不同业务需求，包括带宽、时延、抖动、安全性等，通过传输网和无线网、核心网的切片映射（切片ID到VLAN或IP映射），形成端到端的切片映射方案。
　　3）5G核心网切片基于服务化架构实现，引入独立的NSSF（Network Slice Selection Function，网络切片选择功能），当用户初次在网络中注册时，携带相应的NSSAI（Network Slice Selection Assistance Information，網络切片标识）请求NSSF获取接入的网络切片选择信息。5G核心网支持网络切片标识的签约和管理，支持网络切片网元选择和更新流程。
　　端到端切片管理编排提供网络切片设计、网络切片配置及质量管理、切片生命周期管理、网络切片监控及运维等功能。
　　（2）边缘计算
　　5G边缘计算功能由5G UPF（User Plane Function，用户面功能）、边缘计算平台以及边缘计算应用构成。5G核心网SMF（Session Management Function，会话管理功能）就近选择UPF，实现本地路由建立和数据分流。5G本地分流方式共有三种，分别是：UL-CL（Uplink Classifier，上行分类器）方式、分支点方式以及LADN（Local Area Data Network，本地数据网络）方式。PCF（Policy Control Function，策略控制功能）为本地数据提供QoS控制策略和计费策略。不同SSC（Session and Service Continuity，会话和服务连续性）模式的引入，满足应用的业务连续性需求。AF（Application Function，应用功能）通过PCF或NEF（Network Exposure Function，网络开放功能）来影响UPF路径的选择和重选。
　　2   5G核心网标准化进展
　　2.1 3GPP R15核心网标准化成果
　　3GPP是5G核心网标准化的核心组织，产出了5G网络架构和核心网详细设计的大部分标准。3GPP SA主要负责5G核心网的需求、架构、安全、电信管理等标准，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主要负责5G核心网的协议、互操作、策略控制、能力开放、码号、数据等标准，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核心网系列标准包括NSA（Non-Standalone，非独立组网）技术路线和SA（Standalone，独立组网）技术路线的一系列核心网相关标准，是3GPP 5G首个标准版本，已于2018年9月正式冻结。R15核心网标准成熟度已基本达到商用水平，为5G核心网技术体系的构建和完善奠定了标准基础，为国内外运营商5G网络发展提供了重要技术指导。 　　2.2  3GPP R16核心网标准化进展
　　在R15标准的基础上，3GPP R16核心网标准对5G核心网能力进行了全方位的增强和优化。R16核心网标准进展主要包括以下方面。
　　（1）固移融合：目标是以5G移动网络架构为基础，支持固网终端原生接入5G核心网，实现固网核心网与移动核心网的融合，为用户提供一致性业务体验。固移融合的控制面方案是统一鉴权认证，统一接入管理，统一策略控制;用户面方案是固网/移动流量分开处理。
　　（2）5G LAN：提供私有定制的LAN服务，利用5G核心网在组网灵活性、可扩展性、覆盖范围/移动性、网络容量、服务质量、部署成本、可控/安全/认证等方面的优势，为垂直行业提供使能技术。5G LAN实现L2/L3数据本地交换，降低时延;实现跨UPF数据交换，提供广域组网;支持移动场景下业务连续性机制;支持单播和广播转发。
　　（3）TSN（Time Sensitive Networking，时延敏感网络）：支持黑盒方案和集中式TSN网络模型;支持time aware relay时间同步机制;定义由RAN执行的新QoS模型（流方向、周期、突发到达时间）以支持周期确定性QoS需求;实现5GS内的数据传输时延控制。
　　（4）NPN（Non-Public Network，非公共网络）：通过非授权频谱或者授权频谱创建专有网络，以支持企业通信、工业以太网等，是网络切片之外移动网络拓展垂直行业的重要补充。
　　（5）uRLLC：目标是增强网络以支持超低时延超高可靠业务，实现方案除了网络切片之外，还包括用户面冗余传输机制，端到端的实时QoS Monitoring机制，业务连续性机制等。
　　（6）5G IoT：实现基于EPC的IoT特性到5G核心网的迁移和适配，以支持NB-IoT/eMTC终端接入5G核心网。实现小包传输、高延迟通信、低功耗优化、覆盖增强管理、小数据过载控制、网络参数配置、事件监测等主要IoT特性。
　　（7）卫星通信：接入侧采用3GPP 5G NR协议，卫星作为回传，或者作为基站的部分/全部功能，核心网的架构、功能、接口适配卫星通信特点进行优化，重点是移动性管理、会话管理、多连接管理。
　　2.3  ITU IMT-2020核心网标准化进展
　　ITU是IMT-2020/5G核心网标准化的重要组织，在IMT-2020/5G需求、架构和关键技术的标准化中起引领作用。ITU在2015年5月成立IMT-2020/5G焦点组，从5G新需求、新技术和未来网络设计入手，全面启动5G网络的标准化研究，于2016年底完成5G网络需求、5G网络框架、5G固移融合需求、5G网络管理需求、5G网络管理框架等5项技术标准，以及5G网络软化应用、固移融合统一网络集成云、5G信息中心网络应用等3项技术报告，形成全球首个5G网络标准体系。
　　在5G焦点组研究成果基础上，ITU 2017年在未来网络研究组设立了专门的IMT-2020/5G工作组，通过设立“5G网络需求和功能架构”、“软件定义网络、网络切片和编排”、“5G新兴网络技术”、“5G固移融合”、“5G网络服務质量”等5个课题组全面推进5G核心网标准研究。ITU的IMT-2020网络固移融合功能架构如图2所示。
　　面向IMT-2020/5G网络演进，ITU主要从新型网络架构、新型信令协议、网络智能化/机器学习、卫星通信、量子通信等领域引领技术创新和标准研究，服务面向未来的多元化通信和互联网业务需求。
　　3   B5G核心网演进思考及标准化进展
　　3.1  B5G核心网演进思路分析
　　5G核心网架构及关键技术赋能了5G个人客户业务和垂直行业类应用，为当前5G网络的快速发展奠定了技术基础，然而，面向未来通信网络发展需要和创新业务应用需求，5G核心网架构及关键技术仍存在增强和优化空间，目前看主要包括以下方面。
　　（1）网络极简化：服务化架构是5G核心网的基础架构，实现控制面网络功能的模块化解耦，灵活支持5G的丰富业务场景和需求。然而，引入服务化架构后，5G核心网控制面功能的复杂度有一定提高。面向中小型公众网、行业专网等场景，在功能层面和部署层面，5G核心网控制面功能存在进一步整合和优化的空间。由于行业专网是5G的重点发展方向，网络极简化将成为5G核心网未来发展的重要方向，在B5G核心网架构演进中，应考虑从网络架构、网元、接口和业务流程等维度出发，对控制面网络功能进行融合和简化。
　　（2）行业专网增强：万物互联是5G的重要标志，面向智慧城市、智慧工业、智慧教育、智慧交通、智慧医疗、智慧农业、智慧金融、智慧媒体等垂直行业应用的行业专网在5G时代飞速发展。然而，目前的5G核心网架构主要还是针对公众网设计的，面向行业专网的高网络性能、数据不出园区、高隔离安全、定制化业务和网络、多量纲计费、批量开通运营等需求，需要增强在网络架构、网络功能、网络组织、网络性能等方面的差异化服务能力，构建可扩展性强、自适应、前后向兼容的B5G核心网，从而更好地满足行业客户的实际应用需求。
　　（3）网络智能化：AI（Artificial Intelligence，人工智能）/ML（Machine Learning，机器学习）技术近年来发展迅速，已具备商用条件。网络智能化能够有效提升5G核心网的网络效率，强化网络管理和数据分析能力，使能智能化创新业务，已成为5G核心网的研究热点的重点攻关方向。随着AI/ML与移动通信结合相关技术的进一步发展，5G核心网的架构、功能、接口及流程将进行智能化演进和智能化改造，通过NWDAF（Network Data Analytics Function，网络数据分析功能）等智能化功能和智能化技术，实现智能内生的B5G核心网。 　　（4）uRLLC：uRLLC是5G的三大场景之一，是行业专网的重要技术抓手，能够为客户提供时延和可靠性保障，对于垂直行业应用具有重要价值。随着eMBB技术的逐渐成熟，uRLLC将成为5G核心网标准和技术方案的研究热点。uRLLC除了应用冗余传输、网络切片等成熟技术之外，还将对网络协议栈的三层（路由层）和四层（传送层）进行优化和增强，构建端到端的确定性网络，从而提供超低时延、超高可靠性的B5G通信业务质量保证。
　　（5）mMTC：mMTC是5G的三大场景之一，是新型物联网的重要技术抓手，能够为客户提供大规模、低成本的物联网解决方案，对于垂直行业应用具有重要价值。目前eMTC和NB-IoT技术已基本成熟，eMTC和NB-IoT面向mMTC演进的方案和技术路线将成为5G核心网标准和技术方案的研究热点。通过NR Lite等新技术的引入，面向超大连接、低功耗、低复杂度、低成本的eMTC技术将得到快速发展，满足上行视频监控、工业传感器等垂直行业应用场景的需求。
　　（6）天地一体化：构建天地一体化网络是B5G核心网甚至6G核心网的重要发展目标，天地一体化标准和技术方案也是目前业界的研究热点，是实现5G通信服务泛在化的重要抓手。天地一体化发展的第一阶段，卫星接入网络为专网，地面接入网络为公众网，二者独立建网，分别拥有不同的核心网，通过网关互通。卫星接入核心网的架构、功能、接口进行增强和优化，并提供增强的移动性管理、会话管理、多连接管理、广播组播、业务连续性、业务调度等能力。天地一体化发展的第二阶段，卫星接入网络和地面接入网络融合组网，二者的核心网融合，结合卫星接入的特点进行核心网的架构、功能、接口增强，在系统、网络、业务、用户层面实现协同和初步融合，为用户提供全球全域无缝连接、业务连续性和通信服务保障。
　　3.2  B5G核心网标准化进展
　　目前3GPP、ITU等标准化组织已启动B5G/IMT-2020 Advanced标准研究，在网络极简化、行业专网增强、网络智能化、uRLLC、mMTC、天地一体化等演进方向上，取得了一系列标准化进展，为B5G核心网演进奠定了技术基础。下面举例介绍B5G核心网的标准化进展。
　　3GPP R17提出5G MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service，多媒体广播多播业务）架构和关键技术，服务众多垂直行业的群组通信需求。5G MBMS架构重用已有单播网元的功能，单播多播架构统一;业务和承载管理分离，实现按需部署。5G MBMS的核心网技术方案包括：在用户面识别并处理多播数据;根据用户设备的实际物理位置分布，动态进行数据分离和复用决策;核心网只维护单播承载，单播多播一体化;核心网到无线网只传输1份数据流，降低传输网负载。
　　3GPP R17提出NPN增强架构，实现NPN的快速部署（快速开户、第三方认证鉴权）、网络定制化、能力开放、与公众网的无线资源共享、多业务类型支持。在网络管理方面，实现NPN私网增强管理框架，通过使用运营商统一维护私网的运维架构，实现基于运营商的运维系统对NPN进行管理。
　　3GPP R17提出TSN增强架构，实现5G核心网架构增强，控制面设计支持TSN相关控制面功能;實现5G核心网确定性传输调度机制，而不依赖于外部TSN网络;通过UPF增强实现终端间的确定性传输;实现可靠性保障增强;实现工业以太网协议对接;支持多时钟源技术。
　　3GPP R17提出NWDAF预测用户行为，包括第三方数据和用户设备相关网络数据（例如用户设备轨迹、用户设备业务调用、用户设备优先级、用户设备活动信息），辅助实现5G网管系统和无线网节能，例如关闭负载门限、关闭时间窗等操作。
　　ITU未来网络研究组提出基于轻量核心网的专网需求和架构，研究面向5G及未来垂直行业专网的轻量核心网的需求、架构、参考点、业务流程，提出包括统一控制功能、统一数据功能、网络智能功能、集中用户功能、边缘用户功能的轻量核心网参考模型，是5G及未来垂直行业专网面向网络极简化的重要标准探索。5G轻量专网核心网架构如图3所示。为降低核心网的复杂度（包括消息格式、信令交互和业务流程），提高网络效率，提供性能优化空间，轻量核心网在网络功能（统一控制功能、统一数据功能、网络智能功能、集中用户功能、边缘用户功能）的内部设计中允许采用黑盒模式，允许不采用服务化架构和服务化接口。而轻量核心网的业务调用接口、能力开放接口和智能化接口采用HTTP+TCP+IP协议栈和RESTful风格，以便引入第三方。
　　ITU未来网络研究组在网络智能化领域取得了重大进展。《AI集成跨域网络架构》标准首次提出设计跨域智能化顶层架构及域间协同机制;《网络智能化分级方法》标准提供IMT-2020及未来网络的智能化水平的评估方法;《面向未来网络包括IMT-2020的机器学习架构框架》标准提出了机器学习相关功能组件及与网络的交互接口定义;《面向未来网络包含IMT-2020中机器学习能力的数据处理框架》标准提供了面向5G及未来网络中机器学习应用的数据处理需求、参考架构和功能及典型应用流程;《未来网络包含IMT-2020中的机器学习用例》标准提供了二十余种网络中机器学习应用用例，分析了其数据采集、存储、处理需求和机器学习用例输出的应用需求。以上标准均为B5G核心网智能化提供了重要的技术指引。
　　4   结束语
　　总结5G核心网的标准化和演进方向，可以得出，网络服务化、个性化、融合化、智能化、泛在化是5G、B5G核心网的核心特征和发展方向。在可预见的未来，5G将孵化大量的创新个人客户业务和垂直行业类应用，将对5G核心网提出丰富多样的技术能力和业务能力要求。因此，B5G核心网技术方案研究和标准化应针对全部的主流技术方向进行全方位、遍历式探索和研究，为B5G甚至6G核心网做好技术能力储备，从而为未来B5G甚至6G的网络演进和创新业务孵化奠定技术基础。 　　参考文献：
　　[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.
　　[3]   3GPP. 3GPP TS 23.503： Policy and charging control framework for the 5G System （5GS）; Stage 2[S]. 2019.
　　[4]   3GPP. 3GPP TS 24.501： Non-Access-Stratum （NAS） protocol for 5G System （5GS）; Stage 3[S]. 2019.
　　[5]    3GPP. 3GPP TS 29.507： 5G System; Access and Mobility Policy Control Service; Stage 3[S]. 2019.
　　[6]     3GPP. 3GPP TS 29.509： 5G System; Authentication Server Services; Stage 3[S]. 2019.
　　[7]     ITU. ITU-T Y.3131： Functional architecture for supporting fixed mobile convergence in IMT-2020 networks[S]. 2019.
　　作者簡介
　　施南翔（orcid.org/0000-0002-3528-5558）：工程师，硕士毕业于北京航空航天大学，现任中国移动通信集团公司研究院高级研究员，研究方向包括5G、垂直行业。
　　宋月：工程师，硕士毕业于北京邮电大学，现任中国移动通信集团公司研究院高级研究员，研究方向包括5G、IMS。
　　刘景磊：高级工程师，硕士毕业于北京邮电大学，现任中国移动通信集团公司研究院主任研究员，研究方向包括5G、垂直行业。
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