http://www.cww.net.cn/article?id=425728
3GPP解讀5G第一階段里程碑：系統架構
作者：Frank Mademann 責任編輯：甄清嵐 2018.01.09 07:15 來源：LAB說5G
2017年12月21日
3GPP SA2 主席Frank Mademann
經過兩年的時間，3GPP 5G架構標準完成了從2016年的研究到Stage 2[0]規範交付的過程。3GPP Release 15所達成的這一里程碑完成了5G系統架構的定義——這將提供5G商用系統部署所需的一系列特性和功能。3GPP架構工作組SA2現在已經定義了整個5G系統架構、詳細的特性、功能和業務，包括由信令流所定義的動態行爲。
本文對5G系統架構進行簡要介紹，突出其主要特點。完整的描述可參考發佈的三個標準TS 23.501、TS 23.502和TS23.503。
5G Stage 2規範包括總體架構模型和原則、eMBB數據服務、用戶認證和業務使用授權、一般的應用支持，還特別針對靠近無線網的應用對邊緣計算進行了標準化。支持IMS而且也包括對緊急業務和監管業務的支持。更進一步，5G系統架構模型一開始就實現了支持不同的接入系統，如固網接入或WLAN來實現一致的用戶業務體驗能力。該系統架構也支持與4G的互通、從4G演進、網絡能力開放和衆多其他功能。
服務化架構（SBA：Service Based Architecture）
與前幾代相比，3GPP 5G系統架構是基於服務的。這意味着在任何合適的地方，系統架構中的元素被定義爲一些由服務組成的網絡功能。這些功能通過統一框架的接口爲任何許可的網絡功能提供其服務。網絡功能庫（NRF）允許每個網絡功能發現其它網絡功能提供的服務。選擇這種架構模式，其採用模塊化、可重用性和自包含原則來構建網絡功能，使運營商部署網絡時能充分利用最新的虛擬化和軟件技術。標準中相關的服務化架構圖展示了這些服務化設計原則，可看到網絡功能（主要是核心網功能）與系統其餘部分通過單個連接互通。Stage 2規範還提供了基於參考點的系統架構圖，其更注重描述實現系統功能時網絡功能間的交互關係及網絡功能間跨PLMN時的交互關係。各種架構圖可以在[1]中找到。
下圖顯示了其中一個服務化架構，它描述的是本地路由的漫遊場景，即漫遊UE在拜訪網絡（VPLMN）中連接數據網絡（DN），由歸屬網絡（HPLMN）提供其簽約信息（UDM）、用戶認證（AUSF）和該UE特定的策略（PCF）。VPLMN提供網絡切片選擇（NSSF）、接入控制和移動性管理（AMF）、數據業務管理（SMF）和應用功能（AF）。用戶面（UPF）按照類似於最新的3GPP4G標準中引入的控制和用戶面分離的模型進行管理。安全代理（SEPP）保護PLMN之間的交互。更多描述和其他場景請參見[1]。
在本地路由場景中，UE通常完全從服務運營商的管理域接收PLMN的服務。把數據業務路由迴歸屬網是漫遊場景的另一種方式，其也具有來自歸屬運營商管理域的網絡功能，並且UE在HPLMN中連接DN。
基於服務的原則適用於核心網中的控制面網絡功能。 此外，5G系統架構允許網絡功能將其上下文存儲在數據存儲功能（DSF）中。一個UE的“接入網——核心網”傳輸與某AMF的耦連釋放並與另一個AMF重新綁定的功能，使得AMF也可以實現這種分離數據存儲的能力。 較早的系統架構中具有更持久的UE特定的傳輸關聯，這使得更改UE的服務節點和AMF機制相比很複雜。新功能簡化了更改爲UE服務的AMF實例的機制。它還增強了AMF的彈性和負載平衡能力，因爲爲同一網絡切片部署的一組AMF中的每個AMF都可以處理由該組AMF服務的任何UE的信令流程。
統一的核心網絡
通用化的功能設計和前向兼容的“接入網絡——核心網”接口使得通用化的5G核心網絡能夠與不同的接入網絡一起工作。在3GPP第15版標準中包含了3GPP定義的NG-RAN和3GPP定義的不可信WLAN接入。在已經開始的後續標準版本中，已在研究其它可能的接入網系統。5G系統架構允許通過相同的AMF爲兩個接入網提供服務，使得UE可以在3GPP接入和非3GPP接入之間實現無縫的移動性。分離的認證功能與統一的認證框架一起允許根據不同的使用場景（如，不同的網絡切片）的需要來定製用戶認證。本文介紹的大多數其他5G系統架構功能對於不同的接入網絡都是通用的。某些功能提供了更適合特定接入網絡的變體，例如稍後描述的某些QoS功能。
網絡切片
5G系統架構和前幾代移動通信系統相比最顯著的關鍵區別就是網絡切片。4G網絡某種程度通過“專有核心網”的特性支持網絡切片。對比而言，5G網絡切片是一個更強大的概念，它包括整個PLMN。在3GPP 5G系統架構的範圍內，網絡切片是指一組3GPP定義的特徵和功能，它們一起組成向UE提供服務的一個完整PLMN網絡。網絡切片允許根據控制按需的把網絡功能組成PLMN，這些網絡功能根據特定應用場景提供其功能及所定義的服務。
前幾代的移動通信系統架構支持的是一個PLMN中通過單一、通用的部署提供所有的特性、能力和業務，滿足所有業務場景。然而，PLMN中的用戶/UE往往只需要這個單一、通用化部署網絡所提供的許多功能和特性的一個子集。網絡切片使得網絡運營商能夠部署多個獨立的PLMN，其中每個PLMN切片只需實例化這個用戶/UE子集或相關商業客戶所需的特性、功能和業務。
下圖用一個十分抽象的方式顯示了一個部署了四個網絡切片的PLMN示例。每一個切片都包含了構成一個完整的PLMN所需的一切。用於智能手機的兩個網絡切片證明運營商可以部署具有完全相同的系統特性、能力和業務的多個網絡切片，但是服務於不同的業務，每個切片可根據UE的數量和數據業務提供不同的容量。其他切片表明，還可以通過所提供的系統特性、能力和業務來區分網絡切片。例如，M2M網絡切片可以提供不適用於智能手機切片的UE電池省電特性，因爲這種特性會導致典型的智能手機應用無法接受的時延。
基於服務的架構與軟件化和虛擬化相結合，爲運營商快速響應客戶需求提供了靈活性。專用和定製的網絡切片可根據需要部署功能、特性、可用性和容量。通常，這樣的部署將基於SLA（服務級別協議）。此外，運營商可以受益於部署通用的虛擬化、平臺和管理基礎設施來實現3GPP定義的功能和非3GPP定義、但是運營商需要部署在網絡或管理域中的功能。這樣就可以靈活地按需求和優先級分配相同的資源。
不論是部署狹義的3GPP定義的功能，還是廣義的運營商管理域內的所有功能都被統稱爲“網絡”。由於這種模糊性，並且由於術語“切片”在工業界和學術界被用於對幾乎任何種類的（網絡）資源進行虛擬化的“分片”，所以有必要強調3GPP系統架構規範所定義的網絡切片僅用於3GPP所規定的資源，也就是那些具體構成PLMN的資源。但這不妨礙一個PLMN網絡切片部署中使用其它領域，如傳輸網絡的切片資源。但是請注意，後者完全獨立於3GPP系統架構描述的範圍。進一步說明這個例子，PLMN切片的部署可以使用也可以不使用傳輸網絡的切片資源。
下圖展示了3GPP網絡切片的更多細節。在該圖中，網絡切片＃3是直接部署，其中所有網絡功能僅服務於單個網絡切片。該圖還展示了一個UE如何從多個網絡切片＃1和＃2獲得服務。在這樣的部署中，一組切片可以共享一些網絡功能，包括AMF、相關的策略控制（PCF）以及網絡功能庫（NRF）。這是因爲每個UE有一個訪問控制和移動性管理實例負責UE的所有服務。用戶面業務，特別是數據業務，可以通過多個獨立的網絡切片獲得。在該圖中，切片＃1向UE提供訪問數據網絡＃1的服務，切片＃2向UE提供訪問數據網絡＃2的服務。除了用戶/UE所有業務共同使用的接入和移動性控制（AMF）的交互之外，這些切片和數據業務彼此獨立。這使得可以爲每個切片定製例如不同的QoS數據業務或不同的應用功能，全部通過策略控制框架來確定。
應用支持
應用程序支持的基礎是數據業務。與前幾代通信網絡相比，它提供了明顯更多的定製靈活性。其中的一個主要部分是3GPP 5G系統架構的新QoS模型（如下圖所示），它使不同的數據服務能夠有效利用無線資源，以支持各種應用需求。此外，它被設計爲可以支持不同的接入網絡，包括不需要額外QoS信令的固定接入。標準的數據包標籤通知執行功能來提供那種QoS而無需任何QoS信令。不過QoS的信令機制還是提供了更多的靈活性和QoS粒度。此外，新引入的映射式QoS（ReflectiveQoS）以最小的控制平面信令來支持下行鏈路和上行鏈路上的對稱QoS。
數據連接的很大部分的功能可用來支持靈活的應用功能在網絡拓撲中按需的部署來實現邊緣計算（Edge Computing）。這是由不同的會話和業務連續性（SSC）模式或由用戶面的上行分類器和分支點來實現的。
SSC模式包括傳統的模式（SSC 1），即在UE位置變化時仍然維持IP矛盾穩定來持續支持應用並維護到UE的路徑。新的模式允許IP矛盾的重置。這又有兩種方式，make-before-break先建後斷(SSC mode 3) 和 break-before-make先斷後建(SSC mode 2)。這種架構使得應用可以影響合適的數據業務特性和SSC模式的選擇。
由於5G網絡部署預計將服務於海量的移動數據流量，因此高效的用戶面路徑管理至關重要。除了SSC模式之外，系統架構還定義了上行鏈路分類器和分支點的功能，以允許在IP錨點之前在用戶面路徑上有選擇性地卸載和插入數據流。而且，在策略允許時，應用功能可提供優化數據流路由相關的信息實現和網絡協調，或者向5G系統訂閱可能與應用相關的事件。
後續工作
已完成的Stage2的系列規範從整體架構的角度定義了3GPP 5G系統。在RAN、安全、OAM和CT工作組將繼續進行一些具體的Stage 2層面的相關工作，並且在2018年6月之前完成Stage 3層面的規範。
本文重點介紹了5G階段一引入的3GPP系統架構的一些最重要的進展。 進一步的進展和增強將在後續版本中引入。有關5G階段二的研究將於2018年第一季度開始。
參考
[0] 譯者：3GPP對規範的分類Stage1：需求，Stage 2架構和流程，Stage 3進一步的協議等
[1] TS 23.501 – System Architecture for the 5G System;Stage 2
TS 23.502 – Procedures for the 5G System; Stage 2
TS 23.503 – Policy and Charging Control Framework forthe 5G System; Stage 2
注：本文由3GPP官方及作者授權中國移動研究院5G網絡架構項目組翻譯，歡迎轉載，轉載請註明原始鏈接：http://www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1930-sys_architecture