5G 物联网核心网关键技术分析及建网实践

程静雄

中国移动通信集团广东有限公司

0 引言

随着移动通信技术的发展，当前移动物联网网络构建了低速、中速、高速协同发展的生态体系，包括低速率应用的NB-IoT（窄带物联网）、中速率应用的4G（LTE-Cat1）、5G Redcap、以及面向高速率和低时延应用的5G ToB 技术。NBIoT 随着4G 的发展而来，采用200kHz 带宽能和任何制式共同部署；5G 时代来临后，NB-IoT 已正式纳入ITU 5G 标准，成为5G mMTC 的重要组成部分，为低功耗广域物联网应用发展提供了有效支撑。当前存量2G 物联网业务正在向NB-IoT、4G 和5G 网络迁移，基于移动物联网技术的发展与演进，移动物联网的网络架构正在发生新的变革，推动传统物联网络向云化物联网络的发展。

1 当前物联网组网现状

经过多期物联网核心网工程建设，当前物联网核心网主要承载2G、NBIOT、4G 及5G 业务。2G、NBIOT、4G 业务承载在传统物理网元，业务通过人网SGSN/MME/SGW 和大区集中建设的物理网元HLR/HSS、PGW/GGSN（含CG）、PCRF/SPR、SMSC 进行业务承载。5G ToB 业务则通过逻辑分省独立建设的5G SA 网络进行业务承载，部分与人网共用网元全国集中部署，主要网元包括NSSF、NRF、PCF、AMF、SMF、CHF、UDM、专线UPF、边缘UPF/I 型UPF 和边缘增强UPF/L 型UPF 等。

当前物联网全融合云化核心网络，基于切片标准进行目标网络建设，NSSF/NRF 等网元与ToC 共享，ToB 切片独享AMF/SMF/UPF 网元，大区物理集中逻辑分省。无线NR 共享，通过切片ID 选择不同的ToB 网络。资源池则是全网“大区建设”，大区内ToB 网元和ToC 网元同厂家共享资源池。ToB核心网用户面下沉省份，优化S1/N2切换对用户面时延的影响。5G 全融合物联网核心网网络架构如图1 所示。

图1 5G 融合物联网核心网网络架构图

为进一步融合2G、NBIOT、4G 及5G ToB 物联网业务，依据云化核心网逻辑架构及云化网元的功能，对物联网核心网整体架构进行重新构建，将整个物联网核心网2G/NBIOT/4G/5G 进行融合，如图2 所示。整体核心网网元划分为用户数据层、策略控制层、接入与会话层（含会话管理和接入管理层）、5G 专用网元层。

图2 云化物联网核心网逻辑架构

其中用户数据层包括四融合AUSF/UDM/HSS/HLR、策略数据层包括二融合数据PCF/PCRF，会话层包括SMF/SAEGW-C/BSF、CHF、专线UPF/SAEGW-U，接入层包括AMF/MME，5G 专用网元层包括NSSF、sNRF、bNRF。同时5G 专用网元层、语音PCF 等为2B 网络与2C 网络共用，无线基站层两者独立设置。

对于2G 和4G 业务，与基站接入相关的网元共用2C 网络的SGSN、MME、SGW-C、SGW-U 或SGW 功能网元，仅使用2B 融合网元SMF/SAEGW-C(PGW-C)、专线UPF/SAEGWU(PGW-U)功能或传统PGW/GGSN 功能。

为支撑物联网业务的进一步发展，构建差异化核心网络竞争能力，物联网整体组网的目标是构建一张全云化、全融合的物联网核心网，承载4/5G/NB 业务，为此在5G SA ToB 网络基础上，对5G SA ToB 网络进行4/5G/NB 融合功能重构部署，服务4/5G/NB用户，达到简化架构、共享资源、提升体验的目的。为此，对传统物联网核心网专网进行云化迁移工作，逐步实现物联网4/5G/NB 网络全融合的云化核心网网络。

2 云化5G 物联网关键技术

2.1 5GC 网络切片

为满足不同的网络及业务需求，3GPP 中针对5G 网络提出了网络切片（Network Slice，简称切片）的概念。网络切片是一个端到端的逻辑网络，目前由核心网子切片、IP 承载网子切片和无线接入网子切片组成，未来可能会把更多的资源放进切片，例如终端、管理网元以及ISP 服务站点等。从编排部署的角度看，切片的编排部署，就是每个子切片的编排部署以及子切片之间网络连接关系的部署。

在网络切片的基础上，运营商可以灵活并且快速地定义和区分不同逻辑网络，从而满足不同行业用户及不同应用场景对网络和业务的特性化需求，进一步给运营商提供了网络管理运维和网络营收的创新方式。

目前标准针对5G 网络的典型应用场景，定义了eMBB、URLLC、mMTC 三种切片类型。在实际使用中，即使是同一种切片类型，也可以针对不同的业务以及不同的用户，定义和提供不同的切片。例如：mMTC 类型的应用，对智能抄表和智能停车两种业务可以定义不同的切片，对智能停车的不同城区或运营公司也可以定义不同的切片。

2.2 eLCS-5G 高精度定位功能

eLCS 系统主要是完成用户在5G 网络中位置的确定，并可以将位置结果开放给定位应用，相较于4G 的蜂窝定位，受4G 信号带宽、同步以及网络的影响，定位精度一般在几十米左右，而随着5G 的大规模商用，在大带宽、多天线以及高精度同步技术等的支撑下，使5G 的定位精度有较大的提高，在测试场景下，室内定位可达米级，可在室内及隧道环境下弥补卫星定位的不足。

对比与普通4G 的LCS 定位，eLCS 其主要引入的核心网元为GMLC 和LMF，整体组网架构如图3 所示。

图3 eLCS-5G 定位组网架构

eLCS-5G 主要扩展了LCS 架构，GMLC 引入服务化接口，同时支持3GPP R16 高精度定位方法，优选UTDOA，及支持商业定位流程，包括5GC-MT-LR、5GC-MO-LR、Deferred 5GC-MT-LR、隐私保护增强等。

UL-TDOA 通过终端发送上行定位参考信号到基站，并利用至少三个QCell 测量得到的上行时间差确定两条双曲线，其交点即为终端位置。eLCS-5G 高精度定位系统为后继物联网各种定位应用提供了极高的应用价值。

该组网架构下各网元及接口描述如表1 所述。

表1 高精度定位eLCS-5G 网元接口协议

2.3 PNI-NPN 功能

NPN 是满足企业需求的私有网络，非公共网络NPN 可以和工业互联网进行很好地融合，PNI-NPN（基于运营商PLMN网络部署的Public Network Integrated NPN）可以实现端到端的资源隔离，为垂直行业提供专属接入网络，限制非垂直行业终端尝试接入专属基站或频段，保障垂直行业客户资源独享，同时可以为局域网服务提供支持，可以满足一些企业，住宅，学校等对于可靠且稳定的私有网络的需求。

PNI-NPN 是运营商拥有私网所有权并进行私网运营的NPN。实现方式为“公网切片+CAG 基站”，有两种实现方式：基于网络切片进行资源隔离，行业终端专属基站或者频段，资源独享。

通过CAG 机制，基站广播PLMN+CAG ID，RAN/AMF基于CAG 进行网络/小区选择和接入控制和移动性管理，UE 签约CAG，UE 配置CAG 信息，基站小区广播CAG 指示和支持的CAG ID 列表，AMF 根据小区CAG 能力和UE 的CAG 签约来判断UE 接入控制和移动性管理。

引入CAG，通过AMF 配置区域限制CAG，不在这个区域的终端无法接入，比如工厂范围附近基站广播CAG，工厂用户签约CAG。通过PLMN 网络来提供NPN 服务，为NPN分配一个或多个网络切片实体来实现非公共网络功能，由于网络切片不能限制终端在其未授权的网络切片区域中尝试接入网络，因此可以选择闭合接入组（CAG，Cell Access Group）用于接入控制，仅允许正常的网络切片终端进行网络接入，满足企业需求的私有网络。

2.4 5G LAN 功能

5G LAN 业务是基于5G 终端连接能力和5G 网络服务（如高带宽、低时延、远程接入、移动性和安全性），提供私有定制的移动局域网服务，允许限定的终端组基于Ethernet 或IP的端到端通信，支持工业Ethernet、企业办公等场景。

5G LAN 为特定5G 虚拟网络组提供Ethernet 类型或者IP类型的通信服务，此通信可以发生在组成员之间，或者组成员和数据网络中的服务器之间。5G LAN 是5G 和LAN 技术的结合，具有5G 网络的高带宽、低时延和高可靠性的特点，同时兼具LAN 的组网简单、全互联互通和易于维护的优点。5G LAN 和4G 传统方案的对比如图4 和表2 所示。

表2 传统VPN 与5G LAN 整体对比

图4 传统VPN 与5G LAN 组网对比

整体分析，5G LAN 可以随时随地为用户提供LAN 服务，能够替代有线LAN 和WLAN，应用到企业、家居和工业等场景。例如在工业场景，5G 本地局域网类型服务不仅能够减少线缆的部署，简化作业环境，还支持以太类型的单播、组播和广播通信。

3 云化5GC 物联网融合核心网建网实践

3.1 PV 融合组网方案承载业务

物联网云化组网后，为满足NB、4G、5G 统一进行业务承载，需要现网传统PGW 与云化 SMF(PGW-C)/专线UPF(PGW-U)共同组Pool，承载NB、4G 及5G 业务。融合组网后业务承载方式如图5 所示。

图5 PV 组网业务流向图示

对于不同业务的业务流根据组网主要流向如下：

（1）4G 接入：云化 SMF(PGW-C)/专线UPF(PGW-U)与大区PGW，进行PV 组网，接入本地市MME，同时选择本地市SGW，DNS 根据APN 及权重为MME 选择物联网大区PGW 或SMF(PGW-C)/专线UPF(PGW-U)。实现PV 负荷分担。通用DNN 通过PV 组网进行业务承载，专用DNN 不进行PV组网。

（2）5G 接入：保持不变，5G ToB 通用业务由云化AMF/SMF、专线UPF 进行承载。

（3）NB 接入：NB 用户接入本省2B AMF/MME，选择本省融合SGW-C（SMF）及SGW-U（专线U），查询DNS（APN及网络拓扑）选择本省融合PGW-C（SMF）及PGW-U（专线U）。

3.2 融合PCF/UDR 数据迁移实施

PCF 作为策略控制单元，为核心网提供差异化、管道化、智能化等增值服务。随着物联网业务发展，需要大量部署PCC 策略用于发展业务，但是老旧设备容量告急，严重影响业务发展，急需云化PCF 进行业务承载。考虑PCC 策略的继承性，需要将老旧设备上的业务迁移至云化PCF/UDR 网元，涉及海量用户PCC/UDR 策略数据迁移。

为满足数据迁移的需要，通过工具保证数据迁移的准确性、完整性及高效性。主要数据迁移涉及用户签约数据的迁移及用户策略数据的迁移。

（1）将融合SPR 的用户签约数据按照逻辑分省的策略割接至各省云化UDR

该方式由现网SPR 导出数据，进行格式转换后再将用户数据导入新建PUDR。同时迁移过程中需BOSS、DRA 及现网厂家密切配合。如异厂家割接，考虑到数据格式存差异，PUDR 建设厂家需提前分析现网SPR 厂家的数据导出格式，并提前进行割接工具开发。

（2）PCRF 用户策略数据按照逻辑分省的策略割接至各省云化PCF

物联网PCRF 由大区统一维护，PCC 策略管理流程较为规范，可以根据工单直接筛选出省份PCC 策略。PCF 建设厂家根据统一提供的省份PCC 策略工单进行策略配置和测试验证。如同厂家新建PCF，可以考虑以现网PCRF 策略导出为主，再结合工单进行策略筛选后再导入PCF。

4 ToB 物联网网络演进分析

随着3GPP 整体标准的演进，R16 主要聚焦于eMBB 的增强、低时延、高可靠能力的完善，关注垂直行业应用及整体系统的提升，如面向智能汽车交通领域的5G V2X、面向lloT领域的时间敏感联网等5G NR 能力，以及定位、MIMO 增强、功耗改进等系统性的提升与增强。R17 协议在R16 的基础上，主要面向5GXR、新型物联网等新业务需求，重点引入了全新的特性和技术。R17 的演进，对当前的网络架构有一定的影响，主要影响如表3 所示。

表3 R17 演进对网络的影响

针对以上影响，相关技术架构组网主要影响如下：

4.1 NPN：架构组网影响分析

SNPN：SNPN 与PLMN 之间相互视对方为Untrusted Network，若要实现IP 互通，需部署N3IWF，R17 SNPN，需支持与第三方AAA/UDM/AUSF 对接。

PNI-NPN：对架构组网无特殊要求。

4.2 uRLLC：架构组网影响分析

R16 用户面冗余方法判断处理方法复杂且低效：SMF 根据 PCF 的策略、用户上报信息(S-NSSAI、DNN)、用户签约和本地策略配置，生成RSN 参数来区分冗余处理的PDU 会话，并将RSN 传递给NR 进行PDU 会话的冗余用户面处理。

R17 用户面冗余方法更加灵活高效：UE 可以在PDU 会话建立消息中携带PDU Session Pair ID 和/或 RSN 参数给SMF，通知网络这两个PDU 会话成对，SMF 判断处理后向NR 传递PDUSession PairID 和/或RSN 参数。

4.3 5G LAN：架构组网影响分析

5G LAN 业务是基于5G 终端连接能力和5G 网络服务（如高带宽、低时延、远程接入、移动性和安全性），提供私有定制的移动局域网服务，允许限定的终端组基于Ethernet 或IP的端到端通信，支持工业Ethernet、企业办公等场景。5G LAN为特定5G 虚拟网络组提供Ethernet 类型或者IP 类型的通信服务，此通信可以发生在组成员之间，或者组成员和数据网络中的服务器之间。5GLAN 是5G 和LAN 技术的结合，具有5G 网络高带宽、低时延和高可靠性的特点，同时兼具LAN的组网简单、全互联互通和易于维护的优点。R17 协议整体对UE-UE 终端互访，由SMF 管理VN Group 和组内用户通信，当前一个VN Group 只能被一个SMF 控制，当一个VN Group跨多个PSA UPF 时，SMF 需跨大区管理UPF，动态创建N19隧道。

5 结束语

物联网网络，承担的使命是使能千行百业。物联网业务需求的多样性、行业强定制和差异化决定了面向物联网的网络不能简单复用人网的网络。物联网业务创新主要聚焦在核心网，因此物联网5G 核心网需要根据物联网行业特性进行优化和增强，根据ToB 网络的标准演进，关注物联网行业的发展趋势，打造新的物联网网络并赋能新的行业商业。