林 琳 朱 斌 王光全

中國聯(lián)通研究院 北京 100048

引言

隨著網(wǎng)絡和技術的發(fā)展，5G網(wǎng)絡架構(gòu)和網(wǎng)元持續(xù)服務化、開放化、白盒化發(fā)展為網(wǎng)絡能力開放的應用提供了培育土壤。

本文聚焦5G核心網(wǎng)能力開放功能和應用開展研究，首先針對5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡能力需求場景進行了分析；其次介紹5G網(wǎng)絡能力開放網(wǎng)絡架構(gòu)及5G核心網(wǎng)標準網(wǎng)元NEF功能；再次，系統(tǒng)性梳理和論述3GPP R15～R16版本網(wǎng)絡能力功能演進；最后，本文列舉了5G網(wǎng)絡能力開放應用方案，其中部分案例來源于中國聯(lián)通5G能力開放應用探索。通過本文深入探討5G時代在哪些場景可提供哪些核心網(wǎng)能力，分析R15～R16版本網(wǎng)絡能力演進趨勢，探討如何轉(zhuǎn)化為面向需求方開放的業(yè)務/應用，期望為5G核心網(wǎng)能力的應用及部署提供相關參考和建議。

1 5G核心網(wǎng)能力及需求場景分析

5G業(yè)務需求主要包括毫秒級低時延、高帶寬傳輸、海量大連接等，典型業(yè)務場景包括AR/VR、云游戲、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡切片等?；谏鲜龌緲I(yè)務需求及業(yè)務場景，5G核心網(wǎng)能力需求及需求場景分析如表1所示[1]。

表1 5G核心網(wǎng)能力需求及需求場景列舉

2 5G核心網(wǎng)能力網(wǎng)絡架構(gòu)

5G核心網(wǎng)能力的提供和實現(xiàn)主要基于3GPP制定的能力開放架構(gòu)[2]及5G核心網(wǎng)標準網(wǎng)元NEF(Network Exposure Function，網(wǎng)絡開放功能)[2]實現(xiàn)。本節(jié)將重點基于5G核心網(wǎng)能力方案涉及的架構(gòu)、功能實現(xiàn)等角度進行介紹。

2.1 5G系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)

5G網(wǎng)絡具有更高的速率、更低的時延、支持更高的移動性和更大的連接數(shù)等特性。從圖1所示的5G系統(tǒng)架構(gòu)圖中可以看出，5G網(wǎng)絡采用基于服務的云化架構(gòu)SBA(Service Based Architecture，基于服務的架構(gòu))[2-3]，將傳統(tǒng)的網(wǎng)元轉(zhuǎn)換為NF(Network Function，網(wǎng)絡功能)。相比4G封閉的網(wǎng)絡架構(gòu)，SBA架構(gòu)為5G能力開放提供了天然的網(wǎng)絡條件。

2.2 5G核心網(wǎng)能力開放網(wǎng)絡架構(gòu)

5G核心能力的提供依賴于5GC網(wǎng)絡能力開放架構(gòu)與能力提供5G核心網(wǎng)標準網(wǎng)元NEF(Network Exposure Function，網(wǎng)絡開放功能)[2-3]。

在5G網(wǎng)絡下，5G核心網(wǎng)能力開放架構(gòu)基于NEF為開放錨點，通過NEF北向N33接口與可信或非可信AF(Application Function，應用功能)相連，南向通過服務化架構(gòu)以總線方式與所有NF(Netwok Function，網(wǎng)絡功能)相連，如圖2所示。

NEF屬于5G核心網(wǎng)標準化網(wǎng)元，是5G核心網(wǎng)對外開放和應用的錨點[4-5]。對于NEF具體實現(xiàn)的開放功能，由于5G總線化架構(gòu)，NEF開放的能力可以分為外部和內(nèi)部能力開放兩類。

1)外部開放，即對外對接AF對內(nèi)對接NF，負責內(nèi)外部處理信息的傳遞和翻譯，完成外部請求到內(nèi)部網(wǎng)絡資源的調(diào)用。

外部開放分為監(jiān)控能力、參數(shù)配置能力和策略/計費能力開放。監(jiān)控能力用于監(jiān)控UE(User Equipment，用戶設備)在5G系統(tǒng)中的特定事件，并通過NEF將這些監(jiān)控信息向外部開放；參數(shù)配置能力允許外部第三方應用提供在5G系統(tǒng)中用于UE的信息；策略/計費能力用于根據(jù)第三方應用請求執(zhí)行UE的QoS(Quality of Service，服務質(zhì)量)和計費策略。

2)內(nèi)部開放，即完成運營商內(nèi)部網(wǎng)元功能NF信息的交互，同時通過UDR(Unified Data Repository，統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲)完成不同網(wǎng)元功能的相關信息的存儲訪問。例如AMF(Access and Mobility Management Function，接入和移動性管理功能)提供移動性相關的事件給各NF，例如，在注冊過程中，當AMF改變，新AMF通知每個SMF(Session Management Function，會話管理功能)UE可達狀態(tài)。

3 5G核心網(wǎng)能力開放功能演進

在5G核心網(wǎng)能力開放架構(gòu)的基礎上，本節(jié)重點介紹基于5G核心網(wǎng)能力開放架構(gòu)可提供的相關能力方案。3GPP R15版本主要聚焦eMBB(enhanced Mobile Broad Band，增強移動寬帶)場景，包括切片選擇/切片管理、MEC(Multiple-access Edge Computing，移動邊緣計算)等網(wǎng)絡功能特性。3GPP R16在此基礎上，進一步滿足URLLC(Ultra Reliable Low Latency Communication，超高可靠超低時延通信)、mMTC(massive Machine Type of Communication，海量機器類通信)場景，是5GC部署的成熟版本，是主流運營商的長期基礎版本。

在R15 版本中，5GC中通過5G核心網(wǎng)能力開放架構(gòu)及NEF功能網(wǎng)元能夠提供的主要能力和主要API(Application Program Interface，應用程序接口)共7個，其主要能力及應用場景匯總?cè)绫?所示。

表2 R15 5G核心網(wǎng)可提供的主要能力列表

隨著網(wǎng)絡演進及能力豐富，R16版本支持的5G網(wǎng)絡能力面向垂直行業(yè)、專網(wǎng)、智能分析等方向擴展及演進，其主要能力及應用場景匯總列舉如表3所示。

表3 R16 5G核心網(wǎng)可提供的主要能力列表

4 5G核心網(wǎng)能力開放應用方案

本節(jié)主要介紹5G核心網(wǎng)能力開放應用案例，包括5G差異化保障能力、5G背景流量能力、5G位置能力等，以此說明5G核心網(wǎng)能力的實際應用方案，為5G網(wǎng)絡能力開放面向市場轉(zhuǎn)化為相關產(chǎn)品或業(yè)務提供參考方案。本節(jié)部分應用方案來源于中國聯(lián)通5G能力開放應用探索[8]。

4.1 5G差異化保障能力應用

5G差異化保障能力應用方案為運營商針對特定客戶或垂直行業(yè)(如政企、醫(yī)療、金融、證券等)和特定應用(如直播、游戲等)，提供基于5G QoS的差異化網(wǎng)絡資源(如時延、帶寬等)調(diào)度服務的業(yè)務和產(chǎn)品[7]。第三方可根據(jù)需求調(diào)用移動運營商的5G QoS保障能力，面向行業(yè)、企業(yè)特定應用或客戶提供基于5G網(wǎng)絡的流量加速服務，適用于云游戲、視頻會議、手機直播等場景，保證優(yōu)質(zhì)的業(yè)務體驗。

如圖2所示，某OTT(Over The Top，跨域中間環(huán)節(jié))用戶訪問OTT應用后，OTT服務器通過5G能力開放平臺(或5G流量加速平臺)為該用戶申請流量加速服務。5G能力開放平臺(或5G流量加速平臺)將流量加速服務申請消息發(fā)送至5GC網(wǎng)元PCF(Policy Control Function，策略控制功能)，PCF選擇服務匹配的QoS保障策略模板。隨后，PCF協(xié)調(diào)5GC及接入網(wǎng)元根據(jù)該QoS保障策略模板，為該應用建立QoS保障專用通道，提供流量加速服務。

4.2 5G背景流量能力應用

5G背景流量應用方案為運營商在特定區(qū)域內(nèi)為其移動用戶提供推送背景流量業(yè)務，如智能手機的軟件升級服務或者是音樂、視頻的推送，可在多個時間窗(對應最大聚合比特率、費率)內(nèi)發(fā)起背景流量傳送。該方案尤其適用于車聯(lián)網(wǎng)等海量數(shù)據(jù)傳輸場景[9]。

如圖3所示，某車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務服務商與運營商簽訂在特定區(qū)域內(nèi)、特定事件內(nèi)為某用戶提供海量數(shù)據(jù)傳輸服務?；诤Ａ繑?shù)據(jù)傳輸Web或API，用戶發(fā)起該服務請求，車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務服務上經(jīng)由Web或API申請業(yè)務開通，實現(xiàn)在特定區(qū)域內(nèi)為其移動用戶提供推送背景流量業(yè)務。

4.3 5G位置能力應用

5G位置能力應用是將網(wǎng)絡中的終端位置信息等以WEB或API方式開放給客戶，可用于實時監(jiān)控、精準定位、智能跟蹤、用戶使用行為分析、故障預警和定位等[10]。

1)智能可穿戴設備定位：通過運營商提供的可穿戴終端實時位置信息，可對可穿戴終端的位置進行實時精確定位，并結(jié)合通話、報警等功能，從而降低可穿戴設備佩戴人或物如老人、兒童、寵物等的安全隱患，如圖4所示。

2)智能物流跟蹤：通過運營商提供的物流實時位置信息，能夠?qū)ξ锪鬟M行實時監(jiān)控及定位，并將信息記錄及上傳，從而實現(xiàn)對物流行駛軌跡進行實時跟蹤、查詢，如圖5所示。

5 結(jié)束語

5G網(wǎng)絡能力開放是5G時代重要的商業(yè)模式之一。本文探討5G時代在哪些場景可提供哪些核心網(wǎng)能力，如何轉(zhuǎn)化為面向需求方開放的業(yè)務/應用以及網(wǎng)絡能力的演進方向，期望通過此文研究為運營商5G核心網(wǎng)能力的應用及部署提供相關參考和建議。