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3GPP解读5G第一阶段里程碑：系统架构
作者：Frank Mademann 责任编辑：甄清岚 2018.01.09 07:15 来源：LAB说5G
2017年12月21日
3GPP SA2 主席Frank Mademann
经过两年的时间，3GPP 5G架构标准完成了从2016年的研究到Stage 2[0]规范交付的过程。3GPP Release 15所达成的这一里程碑完成了5G系统架构的定义——这将提供5G商用系统部署所需的一系列特性和功能。3GPP架构工作组SA2现在已经定义了整个5G系统架构、详细的特性、功能和业务，包括由信令流所定义的动态行为。
本文对5G系统架构进行简要介绍，突出其主要特点。完整的描述可参考发布的三个标准TS 23.501、TS 23.502和TS23.503。
5G Stage 2规范包括总体架构模型和原则、eMBB数据服务、用户认证和业务使用授权、一般的应用支持，还特别针对靠近无线网的应用对边缘计算进行了标准化。支持IMS而且也包括对紧急业务和监管业务的支持。更进一步，5G系统架构模型一开始就实现了支持不同的接入系统，如固网接入或WLAN来实现一致的用户业务体验能力。该系统架构也支持与4G的互通、从4G演进、网络能力开放和众多其他功能。
服务化架构（SBA：Service Based Architecture）
与前几代相比，3GPP 5G系统架构是基于服务的。这意味着在任何合适的地方，系统架构中的元素被定义为一些由服务组成的网络功能。这些功能通过统一框架的接口为任何许可的网络功能提供其服务。网络功能库（NRF）允许每个网络功能发现其它网络功能提供的服务。选择这种架构模式，其采用模块化、可重用性和自包含原则来构建网络功能，使运营商部署网络时能充分利用最新的虚拟化和软件技术。标准中相关的服务化架构图展示了这些服务化设计原则，可看到网络功能（主要是核心网功能）与系统其余部分通过单个连接互通。Stage 2规范还提供了基于参考点的系统架构图，其更注重描述实现系统功能时网络功能间的交互关系及网络功能间跨PLMN时的交互关系。各种架构图可以在[1]中找到。
下图显示了其中一个服务化架构，它描述的是本地路由的漫游场景，即漫游UE在拜访网络（VPLMN）中连接数据网络（DN），由归属网络（HPLMN）提供其签约信息（UDM）、用户认证（AUSF）和该UE特定的策略（PCF）。VPLMN提供网络切片选择（NSSF）、接入控制和移动性管理（AMF）、数据业务管理（SMF）和应用功能（AF）。用户面（UPF）按照类似于最新的3GPP4G标准中引入的控制和用户面分离的模型进行管理。安全代理（SEPP）保护PLMN之间的交互。更多描述和其他场景请参见[1]。
在本地路由场景中，UE通常完全从服务运营商的管理域接收PLMN的服务。把数据业务路由回归属网是漫游场景的另一种方式，其也具有来自归属运营商管理域的网络功能，并且UE在HPLMN中连接DN。
基于服务的原则适用于核心网中的控制面网络功能。 此外，5G系统架构允许网络功能将其上下文存储在数据存储功能（DSF）中。一个UE的“接入网——核心网”传输与某AMF的耦连释放并与另一个AMF重新绑定的功能，使得AMF也可以实现这种分离数据存储的能力。 较早的系统架构中具有更持久的UE特定的传输关联，这使得更改UE的服务节点和AMF机制相比很复杂。新功能简化了更改为UE服务的AMF实例的机制。它还增强了AMF的弹性和负载平衡能力，因为为同一网络切片部署的一组AMF中的每个AMF都可以处理由该组AMF服务的任何UE的信令流程。
统一的核心网络
通用化的功能设计和前向兼容的“接入网络——核心网”接口使得通用化的5G核心网络能够与不同的接入网络一起工作。在3GPP第15版标准中包含了3GPP定义的NG-RAN和3GPP定义的不可信WLAN接入。在已经开始的后续标准版本中，已在研究其它可能的接入网系统。5G系统架构允许通过相同的AMF为两个接入网提供服务，使得UE可以在3GPP接入和非3GPP接入之间实现无缝的移动性。分离的认证功能与统一的认证框架一起允许根据不同的使用场景（如，不同的网络切片）的需要来定制用户认证。本文介绍的大多数其他5G系统架构功能对于不同的接入网络都是通用的。某些功能提供了更适合特定接入网络的变体，例如稍后描述的某些QoS功能。
网络切片
5G系统架构和前几代移动通信系统相比最显著的关键区别就是网络切片。4G网络某种程度通过“专有核心网”的特性支持网络切片。对比而言，5G网络切片是一个更强大的概念，它包括整个PLMN。在3GPP 5G系统架构的范围内，网络切片是指一组3GPP定义的特征和功能，它们一起组成向UE提供服务的一个完整PLMN网络。网络切片允许根据控制按需的把网络功能组成PLMN，这些网络功能根据特定应用场景提供其功能及所定义的服务。
前几代的移动通信系统架构支持的是一个PLMN中通过单一、通用的部署提供所有的特性、能力和业务，满足所有业务场景。然而，PLMN中的用户/UE往往只需要这个单一、通用化部署网络所提供的许多功能和特性的一个子集。网络切片使得网络运营商能够部署多个独立的PLMN，其中每个PLMN切片只需实例化这个用户/UE子集或相关商业客户所需的特性、功能和业务。
下图用一个十分抽象的方式显示了一个部署了四个网络切片的PLMN示例。每一个切片都包含了构成一个完整的PLMN所需的一切。用于智能手机的两个网络切片证明运营商可以部署具有完全相同的系统特性、能力和业务的多个网络切片，但是服务于不同的业务，每个切片可根据UE的数量和数据业务提供不同的容量。其他切片表明，还可以通过所提供的系统特性、能力和业务来区分网络切片。例如，M2M网络切片可以提供不适用于智能手机切片的UE电池省电特性，因为这种特性会导致典型的智能手机应用无法接受的时延。
基于服务的架构与软件化和虚拟化相结合，为运营商快速响应客户需求提供了灵活性。专用和定制的网络切片可根据需要部署功能、特性、可用性和容量。通常，这样的部署将基于SLA（服务级别协议）。此外，运营商可以受益于部署通用的虚拟化、平台和管理基础设施来实现3GPP定义的功能和非3GPP定义、但是运营商需要部署在网络或管理域中的功能。这样就可以灵活地按需求和优先级分配相同的资源。
不论是部署狭义的3GPP定义的功能，还是广义的运营商管理域内的所有功能都被统称为“网络”。由于这种模糊性，并且由于术语“切片”在工业界和学术界被用于对几乎任何种类的（网络）资源进行虚拟化的“分片”，所以有必要强调3GPP系统架构规范所定义的网络切片仅用于3GPP所规定的资源，也就是那些具体构成PLMN的资源。但这不妨碍一个PLMN网络切片部署中使用其它领域，如传输网络的切片资源。但是请注意，后者完全独立于3GPP系统架构描述的范围。进一步说明这个例子，PLMN切片的部署可以使用也可以不使用传输网络的切片资源。
下图展示了3GPP网络切片的更多细节。在该图中，网络切片＃3是直接部署，其中所有网络功能仅服务于单个网络切片。该图还展示了一个UE如何从多个网络切片＃1和＃2获得服务。在这样的部署中，一组切片可以共享一些网络功能，包括AMF、相关的策略控制（PCF）以及网络功能库（NRF）。这是因为每个UE有一个访问控制和移动性管理实例负责UE的所有服务。用户面业务，特别是数据业务，可以通过多个独立的网络切片获得。在该图中，切片＃1向UE提供访问数据网络＃1的服务，切片＃2向UE提供访问数据网络＃2的服务。除了用户/UE所有业务共同使用的接入和移动性控制（AMF）的交互之外，这些切片和数据业务彼此独立。这使得可以为每个切片定制例如不同的QoS数据业务或不同的应用功能，全部通过策略控制框架来确定。
应用支持
应用程序支持的基础是数据业务。与前几代通信网络相比，它提供了明显更多的定制灵活性。其中的一个主要部分是3GPP 5G系统架构的新QoS模型（如下图所示），它使不同的数据服务能够有效利用无线资源，以支持各种应用需求。此外，它被设计为可以支持不同的接入网络，包括不需要额外QoS信令的固定接入。标准的数据包标签通知执行功能来提供那种QoS而无需任何QoS信令。不过QoS的信令机制还是提供了更多的灵活性和QoS粒度。此外，新引入的映射式QoS（ReflectiveQoS）以最小的控制平面信令来支持下行链路和上行链路上的对称QoS。
数据连接的很大部分的功能可用来支持灵活的应用功能在网络拓扑中按需的部署来实现边缘计算（Edge Computing）。这是由不同的会话和业务连续性（SSC）模式或由用户面的上行分类器和分支点来实现的。
SSC模式包括传统的模式（SSC 1），即在UE位置变化时仍然维持IP矛盾稳定来持续支持应用并维护到UE的路径。新的模式允许IP矛盾的重置。这又有两种方式，make-before-break先建后断(SSC mode 3) 和 break-before-make先断后建(SSC mode 2)。这种架构使得应用可以影响合适的数据业务特性和SSC模式的选择。
由于5G网络部署预计将服务于海量的移动数据流量，因此高效的用户面路径管理至关重要。除了SSC模式之外，系统架构还定义了上行链路分类器和分支点的功能，以允许在IP锚点之前在用户面路径上有选择性地卸载和插入数据流。而且，在策略允许时，应用功能可提供优化数据流路由相关的信息实现和网络协调，或者向5G系统订阅可能与应用相关的事件。
后续工作
已完成的Stage2的系列规范从整体架构的角度定义了3GPP 5G系统。在RAN、安全、OAM和CT工作组将继续进行一些具体的Stage 2层面的相关工作，并且在2018年6月之前完成Stage 3层面的规范。
本文重点介绍了5G阶段一引入的3GPP系统架构的一些最重要的进展。 进一步的进展和增强将在后续版本中引入。有关5G阶段二的研究将于2018年第一季度开始。
参考
[0] 译者：3GPP对规范的分类Stage1：需求，Stage 2架构和流程，Stage 3进一步的协议等
[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官方及作者授权中国移动研究院5G网络架构项目组翻译，欢迎转载，转载请注明原始链接：http://www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1930-sys_architecture