网络融合深化使能5G全场景多维度服务

（中国移动研究院网络与IT技术研究所，北京 100053）

(Institute of Network and IT Technology, China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China)

1 在5G 独立组网（SA）商用元年审视5G发展的走向

移动通信技术发展的魅力是其代际的更替。10年一代的蜂窝网“摩尔定律”让从事移动通信技术的研发人员无法停下前进的脚步。思考5G技术发展的过程，同时展望后5G技术的演进将具有重要的意义。这对指导我们实践5G应用以及拓展5G技术的边界至关重要。

2020年是5G独立组网商用的元年。中国、韩国等国家的运营商都已经表示将在2020年进行5G SA网络的商用。作为产业链中特别重要的一环，5G SA能力的终端也将更加丰富多样。5G网络可以避免对4G的强依赖，提供端到端更高性能及更灵活的连接服务。

5G技术从被提出以来就一路坎坷。技术标准的分歧、架构的多样、非技术因素的干扰，甚至2020年爆发的新冠疫情都使得5G的发展命途多舛；然而，好的技术不会被埋没，这些困难并不能阻碍5G的发展。作为全球5G的排头兵，中国运营商在过去几年通过建设全球最大规模的4G网络带来了巨大红利。相信5G的新发展必将为我们的生产生活带来翻天覆地的变化[1]。

2 从融合的角度分析5G架构的演进

网络的融合是移动通信技术一直追求的重要主题。标准化组织3GPP在3G时代就开始对融合的网络架构进行标准化，对3GPP标准定义的蜂窝网（简称3GPP网络）和非3GPP定义的网络[简称非3GPP网络，如码分多址（CDMA）、无线局域网（WLAN）等]进行了融合的架构设计。在4G时期，网络的融合架构更加全面，既考虑了可信和非可信的接入类型，也考虑了实现融合所采用的不同技术，如基于终端的协议和基于网络的协议[2]。以T-Mobile USA为代表的运营商在其网络中部署了对非可信WLAN接入支持的能力，实现了基于Wi-Fi的语音通话的业务[3]；然而，由于不可信的融合方案需要终端与网络建立IPSec安全隧道，对终端能力的要求高，导致产业支持度一直不好。Apple公司在2013年的iOS7系统中引入了对多路径传输控制协议（MPTCP）的支持[4]，用以提升其Siri应用识别话音的业务体验。这是4G时代又一个网络融合与协同的标志性进展，它不仅提升了网络对应用的响应速度，还能辅助用户在蜂窝网和Wi-Fi网络平滑灵活地切换。随后几年，Apple公司把MPTCP扩展到其他应用中，例如Apple Map等。

网络融合是5G发展的内在需求，在后5G阶段将持续深化。5G网络架构的融合设计来自3个主要驱动力：

1）增强网络接入带宽。以多接入能力、4G/5G融合为代表，“网络总是拥塞的”在任何时代都是成立的。新冠肺炎（COVID-19）在欧洲爆发后，YouTube将欧盟和英国的视频降为标清，以避免成千上万的欧洲人在家工作导致网络崩溃。此前，Netflix也宣布降低在欧洲播出的一切流媒体视频质量和大小。4G/5G/Wi-Fi/固网仍然是提升带宽最直接的手段，因此，这些网络的融合与协同仍然非常重要。

2）提升运维管理效率。对于提供固网和移动网的全业务运营商来说，依托蜂窝网在接入管理、控制、计费等一系列的优势，实现统一运维是降本增效的重要手段。此外，统一运营也有利于实现用户业务体验的一致性和综合网络服务能力，从而增强用户粘性。

3）扩展网络服务的场景。5G最主要的特征是服务垂直行业能力的扩展，这也体现在网络架构的融合上。从地面接入为主到融合卫星接入，从面向为人服务为主扩展到面向生产和制造的服务。这就需要网络支持生产制造场景下的数据传输类型及特有的场景。本文中，我们对扩展的网络服务场景进行了分析和介绍。

3 网络架构深化融合促进5G服务能力扩展

3.1 在能力三角的基础上继续提升网络能力

从2016年开始，3GPP定义了R15和R16两个5G国际标准的版本，用接近5年的时间完成了5G面向3大典型业务场景的技术研究及标准化。在这个过程中，5G网络一直将网络融合作为重要的特性在不断增强和发展。

3.2 固定移动融合

“内生的融合”是5G系统设计之初的目标[5]。5G设计之初，宽带论坛（BBF）与3GPP SA2（系统架构组）在2017年2月召开了联合会议。运营商希望5G具备统一接入的能力，实现“接入无关性”。这就要求不同的接入方式统一使用3GPP的接入标准：终端采用N1（5G NAS）协议，接入网采用3GPP定义的N2（控制面）和N3（用户面）接口。在具体方案设计时，考虑到现有旧的设备（如固网的家庭网关）难以升级，3GPP进行了折中的架构设计。

根据安全程度、接入类型、终端能力这3个维度，固定移动融合分成多种接入架构。3GPP在R15定义了非可信接入的场景，在R16进行扩展支持了可信接入及固网接入的场景。

1）从安全程度来看，分可信接入及非可信接入，如图1所示。可信接入是指该接入网与运营商的网络同属于一个安全域，终端通过可信接入网关（TNGF）后能直接接入5G核心网（5GC）。在非可信接入场景下，接入网需要通过“互通功能”（N3IWF）后再接入5GC。

图1 可信及非可信非3GPP接入架构

2）从接入类型看，分无线接入（如Wi-Fi）和固定接入（固定宽带接入，如家庭网关）。蜂窝网和Wi-Fi网络的融合能力是相对完善的，也是最主要的场景。随着Wi-Fi 6能力的引入和北美对非授权频段的支持，我们可以预见，Wi-Fi与5G的融合仍将是最重要的融合能力。在对Wi-Fi融合接入支持的基础上，3GPP在R16定义了固定接入（家庭网关）接入5G核心网的架构[2]。

3）从终端能力来看，终端通过非3GPP接入5GC时，又分为具备或不具备5G 信令（NAS）能力两种类型，如图2所示。5G家庭网关（5G-RG）是一类新的终端，具备5G NAS（N1接口）信令能力，能接入5G核心网，对5G网络来说可以被看作一个5G终端。固网家庭网关（FN-RG）代表一类旧的、非原生5G接入的终端，本身不支持5G信令，需要通过有线接入网关（W-AGF）的5G信令接入5G核心网。

在网络融合接入中，终端具有很大的主动性。终端将根据诸如设备配置、用户偏好、历史记录、当前可用的网络信息等因素选择是通过可信还是非可信的方式接入网络。不论终端选择了可信还是非可信的接入，终端的接入和移动性管理功能（AMF）仍然是唯一的。虽然终端和网络的信令参考点N1是两个（非3GPP的N1连接与3GPP的N1连接），但是只要公用陆用移动网（PLMN）是同一个。

终端无感知的网络融合方式仍将是后续技术发展的方向。从3G/4G的网络融合的应用来看，终端的数量大、种类多、能力参差不齐等因素往往是制约网络融合统一的关键；因此，尽可能降低对终端的影响、降低用户使用的难度、避免业务体验的影响，往往是运营商选择融合方案实施的主要考量之一。

3.3 空天地一体化融合

4G引入的“永远在线”是指终端开机即完成注册认证、地址分配、连接建立的过程，以便于快速地发起数据业务；然而，在偏远地区、海上、沙漠/草原等特殊环境下，缺少了基站的覆盖，这种“永远在线”也不复存在。卫星接入可以让5G终端解决这些场景下的接入问题。

卫星接入与5G的融合在3GPP进行5G设计之初就受到了很高的关注。众多卫星公司如休斯公司等，都已积极参与到3GPP的5G系统设计工作中，在R15的周期内研究了卫星接入的空口信道[6]，并在R16周期内对卫星接入的网络融合架构进行了研究[7]。卫星接入正式的标准制订已在R17启动。这既涉及接入网的工作，也涉及核心网架构的工作。

卫星网络主要通过两种方式和地面移动网络进行融合，即卫星作为非3GPP无线接技术（RAT）或3GPP RAT接入到5G核心网。卫星作为非3GPP RAT接入时，可参考3.2节所讨论的方式。卫星作为3GPP RAT接入时，如图3所示，卫星的空口采用3GPP增强协议，基站的部分或全部功能部署在卫星上。5G核心网对功能、接口进行增强和优化以适应卫星接入的特点。卫星作为3GPP RAT接入5G核心网时，存在如下3种可能的组网方案[7]。

方案1：卫星作为基站的射频拉远单元，透明传输地面基站和终端之间的无线信号。卫星和终端以及卫星和基站之间采用3GPP的空口；

方案2：分布式单元（DU）和集中式单元（CU）间的前传接口通过卫星无线空口（SRI）传输，卫星具备基站的部分功能，5G基站的DU部分部署在卫星上，卫星和地面基站的核心网共用，但需要进行移动性管理、会话管理等功能增强；

方案3：基站与核心网间的接口（N2/N3接口）通过卫星空口传输。卫星具备5G基站的全部功能，DU、CU均部署在卫星上，卫星和地面基站的核心网共用。

图2 不同能力的家庭网关接入5G核心网的架构

图3 卫星作为3GPP RAT和移动网络融合架构

除了卫星接入的融合，5G为空中无人机的接入及管理也提供了基础手段。美国联邦航天管理局（FAA）在2019年12月[8]发布了对航空飞行器的监管要求，要求在美国的无人机飞行器都能对其标识进行辨识、对飞行器的飞行进行跟踪。3GPP在R17也启动了无人机控制的项目（UAS），通过设计无人机管理架构来实现对无人机飞行器的连接、标识和跟踪。

3.4 面向工业互联网的通信技术（CT）与运营技术（OT）融合

工业互联网越来越被认为是5G的重要应用场景之一，这在5G标准的后续版本中得到了充分体现。例如，5G局域网（5G LAN，R16）和工业互联网（IIoT，R17）在3GPP得到了产业界众多公司的支持。这是CT网络与OT网络的融合在5G网络上最直观的反映。

对工业互联网的支持需要5G能够为多种工业场景下的数据传输提供通道。事实上，5G在第一个版本（R15）中就提供了以太网的支持[9]。ETSI在2020年4月也成立了非IP网络（NIN）的工作组[10]，其目的是为5G的应用场景研究比IP更适合的协议。在这之前，ETSI已经完成了“下一代协议（NGP）”的研究工作。NIN指出，在70年代IP协议被用来固定网络传输文本，在5G时代需要研究非IP技术来应对诸如降低音视频及体感网的时延、现场对海量接收者的直播、网络服务可持续保障、更高效的频谱和处理能力的使用等。

图4 卫星作为3GPP RAT和移动网络融合架构

3GPP在R16引入了对时间敏感网络（TSN）的支持，如图4所示。5G系统对外表现为TSN“逻辑桥”，即作为一个黑盒呈现。在控制面，AF作为翻译器，用于适配5G系统接口和TSN协议及参数。在用户面，5G系统通过TSN的翻译器（终端翻译器DSTT和网络翻译器NWTT）向TSN网络提供TSN端口特性。在实现方式上，NWTT和转发面网元（UPF）合一部署，DSTT和终端合一或者独立部署。

需要指出的是，3GPP R16对TSN的支持仍然非常有限。3GPP从IEEE的约26个TSN典型协议中选择支持最基本、相对简单的5个协议：IEEE 802.1Qbv(出口门控列表)、802.1AS(时间同步）、802.1Qci(入口的流过滤）、802.1AB(网络拓扑发现）、802.1Qcc（网络管理模型）[9]。

以TSN为代表的CT与OT融合技术将是一个长期的过程。TSN的技术本身仍在发展中：IEEE在2018年以来陆续发布相关技术标准并将继续丰富完善；相关产业发展仍有较长的路要走，TSN控制器的实现复杂性高。在应用时，考虑到时间同步、时延、维护业务转发状态等方面的要求[11]，TSN初期应用在小范围网络中。5G对以TSN为代表的行业应用的支持仍在继续增强。R17的IIoT项目研究者将对支持TSN的上行时间同步、多时钟域、终端直接通信（通过用户面网关）、对时间同步及确定性业务能力的开放等方面开展进一步研究工作。

4 结束语

网络融合是移动通信实现接入能力兼容并包、技术变革升级的重要途径。5G在网络融合的道路上有了更深入的发展，未来网络的应用也必将证明这一点。蜂窝网络的演进，特别是网络架构的演进，总是不断借鉴IP、IT、OT等领域的新技术。除了上述列举的例子，我们可以从众多其他例子中看到端倪，如3GPP在R16中所引入的5G LAN技术就是对WLAN网络的本地组网、灵活易用能力的借鉴。

通过技术融合，移动通信也将代际更迭的红利带给相关技术领域。移动通信在兼容新的网络技术时也促进了相关领域技术的革新。例如，4G时代蜂窝网与Wi-Fi的融合对Wi-Fi的无感知认证、Wi-Fi电话等技术起到促进作用。

应用与实践是检验网络融合成功与否的最重要标准。这不仅涉及到网络的支持，也涉及到终端、接入网、承载网的支持。系统融合的技术瓶颈往往不是网络，而是数量更多、更靠近用户的终端。网络融合技术的复杂性和融合的深度有关，即是达到业务逻辑统一的深度融合，还是仅实现系统间互通的简单融合。需要指出的是，技术并不是决定性因素，网络融合所带来的管理组织结构的融合、产业链的融合发展影响更深刻。“求其上者得其中”，我们不能因为网络融合复杂而放弃技术和应用的融会贯通。