王丹　孙滔　段晓东　李永竞　刘棠青

【摘  要】为更好服务垂直行业，5G核心网在R16阶段开展包括5G LAN、URLLC、5G TSN和5G-V2X在内的多项关键技术研究，不断提升5G网络硬核能力。通过对这四个技术的应用场景和关键能力进行分析，明确5G核心网演进方向，即打造具有按需开放、低时延、高可靠、确定性的高性能5G网络，成为赋能垂直行业发展的新动力。

【关键词】5G核心网;5G LAN;URLLC;TSN;V2X

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.01.002        中图分类号：TN919.8

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）01-0008-06

引用格式：王丹，孙滔，段晓东，等. 面向垂直行业的5G核心网关键技术演进分析[J]. 移动通信， 2020，44（1）： 8-13.

0   引言

5G第一阶段标准（R15）版本在2018年6月顺利完成。在第一版标准中，5G SA架构的设计理念主要体现在三个方面：1）服务化架构（Service Based Architecture，SBA）设计，网络功能拆解为更细粒度的网络服务，服务间可灵活组合充分满足eMBB、URLLC、mMTC三大场景需求;2）先进性，5G SBA架构基于微服务设计理念，可与云化基础设施和云计算充分融合，使5G核心网的部署具备更强的弹性和可靠性[1];3）多样性，以网络切片和边缘计算为基本服务框架，具备赋能垂直行业的能力，可极大拓展5G网络能力和适用场景。

第一版5G标准已提供灵活的架构和服务垂直行业的基本框架，但在面向垂直行业的具体网络能力上，仍有待深入研究。因此在R16阶段，5G核心网亟需基于典型行业场景，提出针对性解决方案，真正满足行业诉求，使得5G网络成为赋能千行百业的基石。

本文通过对5G LAN（Local Area Network）、URLLC

（Ultra high-Reliability and Ultra Low-Latency）、TSN（Time Sensitive Network）和5G-V2X这四个关键技术的应用场景和能力进行分析，明确5G核心网下一步演进方向，即打造具有按需开放、低时延、高可靠、确定性的高性能5G网络。

1   面向垂直行业的5G核心网关键技术介绍

1.1  5G LAN技术

从2G到4G，移动网络提供的是统一的接入和一致的终端管理。5G时代到来，行业客户希望5G网络在提供大连接、高带宽、低时延的同时，也能像自建的局域网那样，自己实现对终端的灵活管理。例如行业客户指定终端的IP地址、要求终端只能与特定的终端通信、授权终端属于特定群组并动态加入和删除等。5G LAN技术的出现，正是为了满足行业客户这一诉求。

5G LAN技术首次在移动网络中引入终端组管理的概念，支持组内终端直接通信。该技术共有以下三个特征。

（1）特征1：动态的群组管理。UDM维护一个组内终端的所有签约信息，行业客户可通过能力开放接口，将一个终端从群组内动态的加入或删除。

（2）特征2：指定终端的IP地址。行业客户可通过能力开放接口，将指定的IP地址段配置到UDM中。当终端使用5G LAN DNN创建会话时，5G网络将采用静态IP地址分配的方式，将UDM中存储的指定IP地址分配给组内终端。这样达到行业终端使用行业内网IP地址的效果，从而使得通过5G接入的终端可以无缝地与行业内网中的应用服务器或终端互通，构建行业专属的广域“局域网”。

（3）特征3：通过UPF直接通信。一个组内终端相互发送的数据，可经过5G网关UPF进行直接转发，不需要经过N6口;一个组内的终端接入多个UPF时，这些UPF之间将构建直连隧道，保障直接通信。这样的设计使得5G UPF具备了类似路由器一样的直接轉发功能，不再需要N6口上路由器或应用服务器的介入，缩短了数据转发路径。5G LAN支持终端之间通过UPF直接通信如图1所示：

5G LAN技术还可与SD-WAN相结合，在UPF集成或外设SD-WAN路由器，构建从5G网络到行业内网的专属通道，借助5G强大的覆盖能力，支持行业终端可以随时随地无缝接入行业内网。

1.2  URLLC技术

URLLC（Ultra-Reliable and Low Latency Communi-cation）是3GPP定义的5G三大应用场景之一。典型场景如：

◆工业控制：时延5～20 ms，可靠性5个9;

◆智能电网差动保护：时延15 ms，可靠性5个9;

◆远程手术：时延≤20 ms，可靠性5个9;

◆自动驾驶：时延3～100 ms，可靠性5个9或更高。

URLLC网络要求能够为用户提供毫秒级的端到端时延和接近5个9的业务可靠性保证。为满足这一要求，5G网络通过构建冗余链路和端到端时延监控来保障URLLC业务体验。

（1）构建冗余传输链路，支持高可靠数据传输

为了满足URLLC的可靠性要求，5G网络支持构建端到端的冗余传输链路或N3隧道的冗余传输链路。

为尽量减少无线信道波动影响，5G网络通过建立两条端到端会话的方式来提升整体的可靠性。如图2所示，端到端的会话由UE发起，通过两个NG-RAN建立两条会话连接到相同的数据网络（DN），这两个会话的传输路径不相交。在该机制中，终端和基站都需要支持双连接。

此外，5G网络还引入N3冗余隧道机制，增强传输链路的可靠性。如图3所示，这两个N3隧道建立在相同的RAN和UPF之间，但底层传输链路不相交。为了实现该方案，NG-RAN和UPF需根据控制面要求在正常建立PDU会话时构建两条N3隧道，NG-RAN和UPF需要支持对上下行数据包的复制和去重。

（2）QoS监控支持实现5G网络低时延

通过实时测量，5G控制面能及时掌握当前端到端时延情况，辅助网络拓扑调整（例如UPF重选）或QoS策略调整，从而满足低时延业务要求。时延监控可以基于QoS流粒度，也可以基于节点粒度。

基于QoS流粒度的时延监控。SMF根据业务需求，在PDU会话建立或修改过程中，触发端到端时延测量。SMF分别向RAN和UPF发送时延测量请求，其中RAN负责测量空口时延并上报给UPF。当整个5G系统保持时间同步时，UPF发送携带时间戳的下行数据包，RAN收到这个测量数据包，并根据其本地时间计算出RAN与UPF之间的下行链路传输时延。RAN负责构建一个携带时间戳的假的上行数据包并发送给UPF，根据时间戳和到达时间，UPF可计算出上行链路传输时延。当整个5G系统没有时间同步时，默认RAN与UPF之间的上下行时延一致。UPF在下行数据包的GTP-U头中添加时间戳T1，RAN收到这个报文为T2，RAN开始进行空口的时延测量并收到终端反馈为时间戳T5，UPF收到RAN上报的单向空口时延测量结果L，并标识收到包时的时间为T6。那么据此可推算出5G单向端到端时延为：（T2+T6-T1-T5）/2+L。

基于节点粒度的时延监控。GTP-U节点通过周期性发送Echo报文来测量RAN和UPF之间的节点粒度时延。

1.3  5G TSN技术

相比URLLC技术在可靠性和时延方面的保障，TSN技术进一步的在时延抖动和时间同步方面对5G网络进行增强。5G确定性网络是指基于移动网络，为特定应用提供确定性传输，即有界时延、低抖动、极高可靠性，以及端到端的高精度时间同步[2]。

如图4所示，5G系统在R16阶段已扩展为支持IEEE 802.1AS时钟同步机制、802.1Qbv[3]门限控制机制和802.1Qcc[4] TSN配置机制等协议，从而构建端到端的时间敏感网络。

架构增强：如图4所示，5G系统作为一个TSN桥集成在TSN系统中。此“逻辑”TSN桥包括TSN转换器，用于TSN系统和5G系统之间用户面的交互。5GS TSN转换器功能由终端侧TSN转换器（DS-TT）和网络侧TSN转换器（NW-TT）组成。

时间同步：为了实现TSN同步机制，整个端到端5G系统可看作是一个IEEE 802.1AS时间感知系统。如图4所示，有两个时间同步域，分别为5G时间域和TSN时间域。在5G系统内部，5G GM（5G内部主时钟）实现与UE、gNB、UPF、NW-TT和DS-TT的时间同步;只有5G系统边缘的TSN转换器（TT）才需要支持IEEE 802.1AS的相关功能，例如：支持（g）PTP、时间戳和最佳主时钟算法（BMCA）等。

时间敏感通信（TSC）QoS控制：首先5G系统与TSN系统协商好每一个TSN业务流的QoS需求，如带宽要求、时延要求等。5G系统中的DS-TT和NW-TT支持802.1Qbv的存储转发机制。在5G系统内部，TSN业务流将采用时延敏感GBR来保障。在每一个周期内，TSC QoS流被要求只能传输一个突发数据块，这个突发数据块的大小被用来设置QoS参数中的MDBV（Maximum Data Burst Volume）。QoS参数中的PDB（Packet Delay Budget）来自于TSN业务要求，PCF会按照网络时延测量的结果，将PDB分解为CN-PDB和AN-PDB，其中AN-PDB被用来指导无线处理时延。在QoS的GBR机制保障下，5G系统虽然对TSN系统是透明的，但是也可以按时完成TSN系统要求的数据流调度传输。

1.4  5G-V2X技术

车联网V2X（Vehicle to Everything）是指通过信息和通信技術，实现车与车、车与人、车与路和车与网的全方位网络连接，是推动自动驾驶和智能交通发展的重要基础。自动驾驶分级制度由国际自动机工程师学会（SAE）提出，分为L0～L5共六个等级[5]。LTE-V2X目前只能支撑L2级别的辅助驾驶，5G V2X有望完成L3/L4的系统研发和市场部署，最终实现自动驾驶。3GPP在R16阶段，开展基于5G系统的V2X技术研究。与LTE-V2X相比，5G-V2X主要有以下四个技术特征。

（1）特征1：图5为5G-V2X基本架构，其中PCF成为V2X控制功能。5G网络将从LTE-V2X时代引入的VCF（V2X Control Function）功能合并到PCF中，实现V2X服务/策略参数制定、QoS参数下发，并对终端进行V2X服务授权和PC5通信配置。

（2）特征2：NR-PC5支持组播与单播通信。组播通信方式下，V2X应用层通过终端的ID和组播群组的大小来识别组播的对象。单播通信方式分为两种，一种是面向特定终端建立单播链路，另一种是面向特定业务建立单播链路。单播链路建立前，发起方终端和接收方终端会先进行地址信息交互、QoS协商和安全连接建立。

（3）特征3：NR-PC5支持QoS控制。NR-PC5 QoS控制复用5QI参数，并定义了PC5 QoS模型。在终端层面PC5 QoS参数新增UE PC5 AMBR来指示每个终端PC5的最大聚合比特率，RANGE限定了PC5组播通信时QoS参数的应用范围;在会话层面PC5 Link MABR限制了每个PC5单播连路能提供的期望的聚合比特率。NR-PC5支持QoS控制使得5G网络可以满足更多高服务质量要求的V2X应用。

NR-PC5 QoS和Uu QoS对比如表1所示：

（4）特征4：Uu口支持多等级QoS机制。车联网业务可预先在5G网络中配置多等级QoS，当基站由于资源受限无法满足当前QoS要求时，5G网络将通过自动降低QoS等级的操作，尽可能保持车联网业务的连续性，同时基站将新的QoS等级通知车联网业务和终端。

2   技术应用分析

（1）5G LAN，构建广覆盖的5G“局域网”

5G LAN技术支持行业客户对终端的群组管理，包括指定终端的IP地址、动态加入一个群组或删除等，一个组内的终端具有相同的地址段，可在一个“局域网”内相互通信。该技术具备广阔的应用前景，例如在海量物联网终端接入的情况下，5G LAN技术能轻松定位到某行业客户的终端群组，并支持客户自主对终端进行配置。在工业场景下，可通过构建不同的5G LAN群组，实现不同等级终端之间的安全隔离。

2019年4月，中国移动联合华为、百度首次成功验证了5G LAN的能力，实现百度云对一个组内的摄像头进行动态的IP地址配置，初步验证了终端组管理的能力。在随后的百度云智峰会上，中国移动携手华为和百度，首次展示基于5G LAN技术的8K视频直播，8K摄像头通过5G网络接入，并与百度云服务器通信，摄像头与服务器同属一个局域网。

5G LAN技术对终端和基站无影响，仅需核心网改造升级，可作为5G网络增强技术在垂直行业网络中优先引入。

（2）URLLC，支持更可靠的传输和更低时延

通过冗余传输和周期性数据包测量，5G网络能够基本满足URLLC的业务诉求。但该技术的引入，需要终端及应用层根据冗余传输机制进行改造，终端和基站需要支持双连接，基站需配置灵活帧结构从而实现1 ms单向空口时延，周期性数据包检测也将大量消耗网络资源。但不可否认的是，URLLC技术带来的超低时延、超高可靠特性将为远程手术、工业控制等场景带来革命性的改变，其将成为5G服务垂直行业的真正的高价值技术。

（3）5G TSN，构建端到端的5G确定性网络

5G系统在R16阶段基本完成与IEEE802.1主流TSN协议族的适配和对接工作，支持在MAC层实现确定性数据传输。但由于IEEE TSN协议本身的复杂性和多样性，3GPP在进行5G TSN技术标准化时遇到一定困难，5G TSN标准工作推进缓慢。因此3GPP计划在R17启动面向移动网络所特有的确定性机制研究。

5G TSN技术对终端、基站、传输和核心网均有改造要求，终端和UPF需要支持TT（TSN Translator）功能，核心网AF需支持与TSN系统控制面（CNC/CUC）进行对接并完成协议解读和参数映射，此外5G核心网还需要实现与传输网和基站的5G主时钟同步。虽然5G网络引入TSN代价较高，但可以预见的是，5G TSN技术将广泛应用于工业控制、机器制造、高清音视频传输等领域[6]。具备TSN属性的5G网络将真正成为具有确定时延、低抖动、高可靠的5G确定性网络，为垂直行业提供真正的SLA保障。

（4）5G-V2X，为自动驾驶构建可用的5G网络

车联网一直被认为是5G网络的杀手级业务，具备低时延（自动驾驶5 ms单向延迟[7]）、高带宽（高精度地图速率达到1 Gbit/s）和高可靠（5个9的可靠性[7]）要求。为满足智慧交通和自动驾驶的要求，5G网络需广泛结合5G-V2X技术、URLLC技术、TSN技术以及网络AI技术，构建一张真正的5G高性能车联网切片。此外5G V2X关键技术例如多等级QoS机制、PC5通信机制等也可以适用于除车联网外的，具有移动性、低时延、直连通信要求的业务，如云游戏、无人机等。

3   结束语

与垂直行业结合是5G发展的关键，为了实现赋能千行百业的目标，建议5G网络以网络切片和边缘计算为基本框架，根据行业需求有针对性的进行功能增强和性能优化。建议在工业制造和能源行业，优先进行5G LAN和TSN技术验证，满足其组管理、组通信和确定性网络要求。建议在医疗行业优先引入URLLC技术，满足远程手术等低时延高可靠业务要求。建议在5G车联网中优先引入5G-V2X和URLLC技术，满足自动驾驶场景下低时延、快速切换、业务连续的要求。加快推进5G硬核能力构建，打造具有按需开放、低时延、高可靠、确定性的高性能5G网络，使其真正具备服务垂直行业的关键能力，从而推动垂直行业技术发展和产业变革，实现5G改变社会的目标。

参考文献：

[1]     段晓东，孙滔，陈炜，等. 5G网络架构设计的5个重要问题[J]. 电信科学， 2014（10）： 129-133.

[2]     3GPP. 3GPP TS 23.501 V16.2.0： System Architecture for the 5G System[S]. 2019.

[3]     IEEE. IEEE 802.1Qbv-2015： IEEE Standard for Local and metropolitan area networks--Bridges and Bridged Networks - Amendment 25： Enhancements for Scheduled Traffic[S]. 2015.

[4]   IEEE. IEEE P802.1Qcc： Standard for Local and metropolitan area networks - Bridges and Bridged Networks-Amendment： Stream Reservation Protocol （SRP） Enhancements and Performance Improvements[S]. 2015.

[5]     SAE. SAE J3016： Surface vehicle recommended practice[S]. 2016.

[6]      3GPP. 3GPP TS 22.104 V17.1.0： Service requirements for cyber-physical control applications in vertical domains[S]. 2019.

[7]      3GPP. 3GPP TS 22.186 V16.2.0： Service requirements for enhanced V2X scenarios[S]. 2019.

作者簡介

王丹（orcid.org/0000-0003-2834-4545）：硕士毕业于北京大学通信与信息系统专业，现任职于中国移动通信有限公司研究院网络与IT技术研究所，从事移动网络核心网架构及关键技术研究工作，主要研究内容包括5G网络架构及关键技术、后5G及6G前沿网络技术等。

孙滔：高级工程师，博士毕业于清华大学，现任中国移动通信有限公司研究院主任研究员、网络与IT技术研究所网络创新实验室室经理、3GPP系统架构组（SA2）副主席，长期从事IPv6、移动网络架构演进、网络切片、网络融合等技术的研究和标准化工作。

段晓东：现任中国移动通信有限公司研究院网络技术研究所所长，OPEN-O开源社区董事会主席，多年从事IP承载网络、下一代互联网（CNGI）、数据业务管理及移动互联网、NFV/SDN驱动的电信网络演进、VoLTE、5G网络技术的研究开发工作，中国移动集团劳动模范，中国移动在IETF、ONF及OPEN-O参会团队的牵头人，曾先后获得国家科技进步特等奖、国家科技进步二等奖、CCSA科学技术奖、中国通信协会进步奖等省部级奖项十余次，多次获得中国移动通信集团公司科技进步奖，入选2019年国家百千万人才工程，被授予“有突出贡献中青年专家”、“中央企业劳动模范”荣誉称号。