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从R18进展看5G-A架构演进

技术趋势6个月前发布 管理员
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本文简要介绍了3GPP在Rel-18开展的网络架构演进标准,总结了5G-A架构演进的趋势,对后续R19发展的四个技术方向进行了分析。

5G商用三年半,部署和应用都在稳步发展。

截至2022年11月末,中国5G基站总数达228.7万个。中国信通院预计到2025年5G个人用户普及率将超过60%,同时在大型工业企业的5G应用渗透率也超过50%。以中国移动为例,到2022年12月已经建设了1.6万个5G行业商用案例,超过4400个5G精品专网项目,1200多家5G智慧工厂。

R18进展情况

两年发布一版5G技术标准(如图1所示),似乎成为3GPP的固定节拍。5G的国际标准从R15以来,总体延续两年一个版本的节奏发布,期间每个版本时间计划的讨论总是会因为新增特性的数量和体量的问题,进行反复斟酌讨论。这个节奏也受到疫情的明显影响,Rel-17就是在疫情期间,完全依赖线上会议制定的一版标准。在2022年12月进行的3GPP SA全会上,3GPP对Rel-18的完成时间进行了微调。受制于以系统架构组(SA2)为代表的、对一些功能定义需进一步完善的需求,3GPP将Rel-18的完成时间事实上推迟了3个月:在2023年6月完成功能架构的标准化,在2024年的3月完成协议设计,并随后在2024 年6月发布其Open API及ASN.1,作为厂家开发的指导。

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图1 3GPP的5G标准各版本发布时间表

Rel-18作为5G-A(5G-Advanced)的第一个版本,具有承上启下的作用。其中的一些特性反应了现网部署的需求,也有一些则起到5G向6G演进的指向作用,引发业界广泛的关注。

R18架构及代表性技术

1. 面向行业:进一步完善本地组网能力

5G商用以来,边缘计算可以说是最为成功的面向垂直行业的网络能力。对行业应用的调研发现,有超过80%的企业需求场景都和边缘计算相关。这得益于其部署简单、增益明显(本地业务访问)的特点。而与之相关的5G LAN也成为Rel-16中最为看好的现网引入特性之一。Rel-18完善了边缘计算支持终端漫游接入、跨运营商的边缘计算服务器访问、共同边缘业务服务器选择等问题。可以说是持续解决边缘计算在部署和场景扩展中的难题。

NPN(行业专网:Non-Public Network),存在两种NPN的类型:1)S-NPN,即独立行业专网,功能更加全面,更像一个功能完备的专网,如增加了空闲态、连接态的移动性能力,增加了本地非3GPP网络(如WLAN)的访问能力等。2)对于PNI-NPN,即基于公众网络的非独立专网,则靠增强网络切片来完善其能力。

Rel-18对网络切片又有进一步增强。提升了网络切片的开放能力,可基于切片最大接入数、负载预测、时间等方面对第三方使用切片进行定制。和前几个版本网络切片得到的高度关注相比,各公司对网络切片的关注度有所下降。其主要原因是网络切片的部署数量还不够大,目前在切片的管理、漫游支持等方面的方案也过于复杂。因此,简化网络切片的部署和实施方式,仍然有待进一步研究。

2. 面向个人:系统性的对XR沉浸式多媒体通信的支持

Rel-18从接入网、系统架构、编解码等方面开展了系统性的支持XR多媒体沉浸式通信的工作,包括RAN和SA的多个工作组进行了端到端XR及多媒体增强标准体系的构建。

RAN在R18同步进行XR研究,从流特征、终端节电、容量提升等方面开展工作:

1) 接入网业务感知增强:感知上下行XR业务特征、应用层特征参数辅助RAN调度。

2) XR业务节电研究:考虑数据特征如周期性、高可靠要求。

3) 容量提升:针对XR业务的资源分配和调度优化,用来支持多流传输并降低抖动。

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图2 引入PDU Set的QOS机制

在系统架构方面,从支持XR及触感业务多流协同传输、支持5GS与应用交互的网络开放、QoS 和策略增强、终端节电等几方面展开工作。尤其值得关注的是对多流的协同和新的QoS机制。

在多流协同方面,其解决的问题是单个UE(终端)的多业务流(视频、音频、触感)之间的应用层同步和QoS策略协调;多个UE之间的业务流的QoS策略协同控制增强,以及应用之间的协调处理;多UE之间QoS策略协调是否需要及如何实现应用和5GC间交互。对同一XR业务的多个不同重要性、内容相似度数据包进行标记,以及对多流(视频、音频、触感)实现一致性的网络策略保障机制

针对XR及多媒体服务,当前网络以流粒度进行QoS保障,以PDU(Packet Data Unit)为粒度进行数据传输。这无法匹配视频服务帧级别的质量保障,具体说来,B、P帧的解析依赖I帧的正确传输,网络需考虑如何保障帧粒度完整性传输。为此,3GPP引入PDU set概念,提供组包粒度QoS保障,保障帧完整性传输(如图2所示)。

基于上述工作基础,GSMA有望为XR及多媒体通信引入单独的切片需求。相应的,在3GPP标准中将标准化XR切片的类型。

3. AI在网络中的应用仍在探索中

在系统架构领域,Rel-18有两个项目涉及AI在网络中的应用。一个项目是网络数据分析功能(NWDAF)的增强:通过联邦学习与移动通信技术结合,构建面向商用的数据隐私保护方案,从而充分利用电信网的海量数据;在模型训练及推理阶段,通过考虑执行结果作为模型的输入数据,使模型可以基于结果进行优化来提升模型分析准确性;与网管域智能化分析网元MDAF联动,利用网管侧的智能化分析结果,增加网络侧分析输入信息,从而提高分析准确性。另一个项目是5G系统对AI和机器学习服务的支持:5G辅助提供AI和机器学习的模型分发、传递、训练,服务于多样化的应用,如视频和语音的识别、机器人的控制;为AI和机器学习应用开放网络信息,并相应对QoS和策略增强(如图3所示)。

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图3 AI模型在端、边、云分布的图示

虽然NWDAF功能在Rel-15即予以定义,但该新的代表性的功能尚未在网络中部署。如何有效的利用网络的数据,将AI与5G结合起来显著的为网络或用户带来收益,仍值得探索。

4. 空天地一体化通信的深化

基于5G的新型卫星网络通信体制的研究和标准化是近年业界关注的热点,卫星网络的标准在3GPP、ITU-T、IETF都有讨论。3GPP统称为NTN(Non Terrestrial Network),即所有涉及飞行物体所涉及的网络总称,包括卫星通信网络、高空平台系统、空对地网络以及无人飞行器等,具有距离远、移动快、覆盖广等特点。

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图4 同步轨道卫星支持UPF星上组网

在组网架构上,Rel-18支持了UPF星上部署实现卫星边缘计算(如图4所示)。定义了两种卫星本地交换(Local Switch)模式:单SMF,星上UPF作为 ULCL/BP或本地PSA UPF(SMF建立N9隧道);星上UPF作为PSA UPF(SMF配置UPF的N4规则)。

采用3GPP蜂窝网协议和标准可以有效利用5G产业链与用户群,快速扩大天基网络的用户群体,从而摊薄天地一体化网络建设、维护、推广的成本。网络的融合涉及到产业链的融合,既要有技术支撑也要有产业的动力,目前技术的融合从透明转发、基站上星、用户面上星逐渐深化。一些架构性的变化已有初步讨论,但还局限在同步轨道卫星部署的场景下。在低轨卫星场景下的移动性,以及网络功能的融合会带来拓扑的变化,可能到6G的时间窗去讨论。

3GPP在Rel-19对卫星通信也有新的场景需求,包括用于不连续链路存储和转发的物联网应用、独立运行的GNSS、卫星接入的定位增强、同卫星下的UE组间通信等。手机直连卫星是传达给用户最直接的感受,为实现这个目标,已经有相关原型验证。从商用化终端来看,2022年以来多家手机厂商发布支持卫星通信功能的手机产品,在业界都引发了广泛的关注,尽管其应用场景往往局限在紧急救援的情况下。

Rel-19的四大看点

5G-A的第二个版本(Rel-19)将持续探索网络新的服务能力。当前, 3GPP的架构及业务需求工作组(SA1)已经立项约13个项目展开需求和场景研究的工作,计划在2023年11月完成需求标准的定义。在这些项目中,新的特性,如通感一体、元宇宙等进入了视野。

1. 5G XR多媒体通信进一步增强,向支持元宇宙迈进。Rel-18的XR多媒体增强项目的来源是3GPP SA1定义的“触感、多模态通信”项目。当初一些看似超前的需求,当元宇宙的热潮出现后就变得更加容易被标准组织接受。SA1的本地移动元宇宙项目(如图5所示), 包括:向附近或远程用户提供基于本地内容和服务的共享和交互式用户体验;支持同一位置多用户共享的互动性XR业务;识别元宇宙业务中用户的身份以及其他相关的数字化证明;获取、使用和公开本地的元宇宙业务相关物理或数字信息等。这些将助力构建元宇宙虚实融合的新一代信息基础设施。

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图5 支持沉浸式游戏和直播的移动元宇宙

2. “通感一体”是6G技术5G化的代表。该技术方向在中国IMT-2030(6G)推进组、IMT-2020(5G)推进组都有相关的研究项目。中国公司是产业界中积极推动该技术方向的重要力量。然而,作为一种新的网络能力,其应用场景、关键技术、隐私安全等涉及多个方面,都需要长期的积累。从技术上,这有赖于无线接入网技术的提升,还需要克服一些技术难题,比如高频感知精度高但覆盖差,低频覆盖好但感知精度低等核心技术问题。当然,由于其对网络、设备、终端都颇具吸引力,因此上述问题不妨碍其成为热点技术。

3. 系统性的低碳设计。另一个值得关注的是节能。系统化的设计将打破传统终端节电、无线网络节能等领域单独设计的考虑,从整体上研究整个通信系统节能的能力。此外,网络中使用的能量的信息(如绿色的太阳能或是化石电能等)也对业务的使用具有指导作用,如引导网络在系统能量成本低时进行高耗电的业务。无源物联网和环境供电物联网(Ambient IoT)则是在终端的低功耗上追求极致。其特点是从周围环境(例如,无线电波、太阳能、风力、振动、热量)获取电力,使得物联网设备可以不使用电池或有限的存储。在有些场景下,如火灾发生时,能跟踪人员,而不担心用电、充电的困扰。2030年是碳达峰之年,5G-A和6G系统的能耗将成为可持续发展的核心。

4. 计算如何与5G-A融合,成为“移动算力网络”?算力能否像网络连接一样,成为运营商提供的一种服务,成为运营增长的第二曲线,关乎到运营商能否从“通信服务提供商”向“信息服务提供商”的转变。“算力网络”这两年已经成为国内通信行业的热点,得到国内运营商的重视,也被中国移动上升为公司战略的高度。这需要网络架构的革新,也需要计算技术的进一步发展,如算力的度量、算力任务的拆解等。

总结和展望

移动通信从5G开始,发生了从信息通信向信息服务的转变,这既是行业发展的内在动力,也是全社会数字化发展的外在需求。Rel-18作为5G-A的第一个版本,既兼顾了现网部署的反馈,也为未来网络的演进谱写了序章。由于Rel-18的项目很多,仅3GPP SA2系统架构组即有28个项目,本文并未对所有项目进行总结和归纳。这也暴露出了标准化有待改进的地方:在有限的时间和人力的情况下,如何有效的管理项目的规模、数量和质量?这个问题已经引起了标准组织中各公司专家的重视,并在Rel-19的时间和项目操作方式上进行了充分的讨论,相信该问题能在Rel-19有所改善。

文/中国移动研究院首席专家、3GPP SA2副主席 孙滔

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