樊陆陆，郭 刚

（重庆市工业互联网发展研究中心（中国工业互联网研究院重庆分院），重庆 400707）

0 引 言

随着通信技术的更新换代以及人们对业务应用的需求，5G核心网需要支持多样的商业模式，提供灵活的按需业务，允许更加开放的服务生态，因此，传统网络很有必要进行演进。3GPP R15 5G核心网采用基于服务的网络架构，对5G核心网控制面各网络功能实施服务化定制，同时提供一系列基于服务的接口，使5G核心网的部署具备更强的弹性和可靠性。3GPP R16版本5G标准在R15的基础上，对核心网架构和能力进行了进一步增强。

1 5G标准演进情况

5G业务场景需求和新型信息通信使能技术是5G核心网不断演进的动力。致力于5G核心网研究的最终目的是为了构建高性能和灵活的5G全网络，大幅度提高5G网络的运营能力。2018年6月，SA全会批准冻结了3GPP R15版本5G标准。2019年，3GPP发布的R15第3个子阶段标准完成除Option3和Option2外的更多基于5GC（5G核心网）组网架构，支持4G基站接入5G核心网，能快速提供网络切片、边缘计算等业务能力[1]。2020年7月，3GPP宣布冻结5G R16标准，R16标准对多进多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）、车用无线通信（Vehicle to X，V2X）、双连接以及工业物联网等技术进一步研究，也标志着5G第一个演进版本标准正式完成。根据3GPP发布的最新时间表，预计在2021年年底完成R17版本标准的冻结。相比R16标准，R17标准将具有更全面覆盖垂直行业的能力，将对5G核心网技术如用户面功能、边缘计算、网络切片以及5GC的位置服务等能力做进一步的增强，同时将提高用户体验。

2 5G核心网络架构

5G核心网标准新规范了网络总体架构和协议模型，针对移动宽带数据服务提供优化的用户接入、会话管理、服务质量、策略控制以及应用与网络交互能力等基础网络内容，还标准化了端到端网络切片以及丰富的边缘计算应用。

基于5G技术发展需要，3GPP R15标准定义了基于服务和基于参考点的两种核心网络架构[2]。基于服务的网络架构面向原生云设计，借鉴了互联网领域中面向服务的架构、微服务架构等成熟理念，并结合通信网现状、特点及发展趋势，以软件服务的概念重构5G核心网，对5G核心网控制面各网络功能实施服务化定义，同时提供一系列基于服务的接口，并可根据需求进行灵活部署和扩展。基于参考点的网络架构表示在由任何两个网络功能之间的点对点参考点描述的网络功能服务之间存在交互，侧重于描述功能之间的点对点的交互。

3GPP R16版本对5G核心网功能进行了增强，非漫游基于服务的核心网架构在原R15版本基础上主要新增了NSSAAF网元、Nnssaaf接口和N9参考点，如图1所示，基于参考点的核心网络架构主要新增NSSAAF网元、N58及N59参考点[2]。

图1 非漫游基于服务的5G核心网架构

3 5G核心网新增关键技术

3GPP R16标准相比R15有了很大的变化，真正实现了5G标准从“能用”到“好用”的飞跃[3]，特别是针对垂直行业做了扩展。对垂直行业的扩展以及功能的增强主要包括5G TSN、5G V2X、5G IBA、5G LAN、NR定位以及uRLLC增强等。下面将重点介绍5G TSN、5G V2X以及5G IBA技术。

3.1 5G TSN

时间敏感网络（Time Sensitive Network，TSN）技术并不是一项新技术，早在2012年，IEEE 802.1工作组就开始了时间敏感以太网的标准化工作。该标准主要定义了以太网数据传输的时间敏感机制，确保以太网关键数据传输的稳定性和可靠性[4]。5G网络低时延、高可靠性的特点能赋能千行百 业，特别是5G TSN技术能助力工业互联网的快速发展[5]。

3GPP R16对5G TSN的应用场景进行了扩展，典型应用场景包括运动控制、有线到无线链接替换、智能搬运、移动机器人以及控制到控制通信等[6]，这些应用扩大了工业互联网应用场景。5G TSN的关键技术包括低时延低抖动敏感通信、5G TSN融合的时钟同步以及5G TSN中用户设备间的通信。其中，5G TSN融合的时钟同步技术是指5G TSN技术能实现5G网络和工业互联网的时钟同步。5GS与外部网络集成为TSN桥，通过TSN桥来实现5G网络和TSN的同步。图2展示了通过5GS的5G和TSN GM时钟分配模型[3]。

图2 5G TSN和工业互联网的时钟分配模型

3.2 5G V2X

2017年，3GPP发布了LTE-V2X第1版标准。2018年，3GPP发布了增强版的LTE-eV2X标准，该标准主要对PC5接口进行了增强。为了满足更高级辅助驾驶以及部分自动驾驶业务的需求，2020年，3GPP发布了第1版5G-V2X（R16）标准，5G R16版本标准支持V2V、V2I等多种V2X服务，通过引入组播和广播等各种通信方式，能支持更高级的车联网应用。

5G R16版标准23.287[7]条目规范了5GS支持的V2X服务的相关内容。用于通过PC5和Uu参考点进行V2X通信的非漫游5G系统架构的高级视图如图3所示。在原有的5G系统架构中增加了V2X通信相关的网元，以进一步增强V2X服务。5G R16版本标准还规范了V2X通信内容，通信方式包括通过PC5参考点进行V2X通信、通过Uu参考点进行V2X通信以及通过PC5或Uu参考点进行V2X通信。

图3 通过PC5和Uu参考点进行V2X通信的非漫游5G系统架构

图3 中，Data Network即 数 据 网 络，V2X Application Sever为车联网应用服务器，V2X Application即车联网应用。

3.3 5G IBA

3GPP R16版本标准引入了集成访问和回程（Integrated Access Backhaul，IAB）技术[3]。该技术被业界认为是普及5G的重要支撑技术，它能够在高山、海岛、人烟稀少的地方或者不适合铺设光纤的地方以低成本和便捷的方式来实现5G信号的覆盖，同时减少铺设线路所带来的施工成本和对环境的破坏。

集成访问和回程（IAB）技术支持通过NR Uu回程链路对NR Uu接入流量进行无线带内和带外中继，Uu回程链接可以在IAB-node和IABdonor或者另外一个IAB-node之间存在。图4给出了当连接到5GC时具有两个回程跃点的IAB参考体系结构。该架构包含gNB、IAB-donor、IABnode以及IAB-UE等节点。IAB-donor包含IABdonor-CU和IAB-donor-DU，IAB-node包含IABUE和gNB-DU，其中，gNB-DU负责提供对UE和子IAB-node的NR Uu访问。相应的gNB-CU功能驻留在IAB供体gNB上，该IAB供体gNB通过F1接口控制IAB节点gNB-DU。IAB-node对UE和其他IAB节点而言是普通的gNB，并允许它们连接到5GC。

图4 用于5GS的IAB体系结构

集成访问和回程（IAB）技术具有以下特征：IAB使用TS 38.401[8]定义的CU/DU体系结构，并且通过F1进行的IAB操作（在IAB-donor和IAB-node之间）对5GC是不可见的；IAB在第2层执行中继，因此不需要本地UPF；IAB支持多跳回传；IAB支持动态拓扑更新，即IAB节点可以更改父节点。

4 结 语

5G作为通信行业下一个十年全新的竞技场，帷幕已经拉开。无论是在技术主导、设备还是5G产业规划等方面的竞争都已经进入白热化状态。R16的冻结更加剧了竞争，5G功能的增加，使得5G可以进一步走入各行各业并催生新的数字生态产业。因此很有必要对5G核心网进行研究。本文主要介绍了5G标准演进情况、5G核心网络架构以及5G新增核心网关键技术如5G TSN、5G V2X以及5G IAB，希望能给读者提供参考。