智慧融合異質通訊技術　雲端虛擬化重塑5G網路架構

本文將從存取、核心網路(Core Network, CN)和資料分析融合的角度提出下一代5G網路的演進過程，包括實現有效的流量引導，並朝向以企業為中心的5G專網部署模式發展。此外，本文也提出在不同類型的網路存取技術間(Wi-Fi、LoRA-WAN、5G、SatCom等)進行切換的新機制，並說明融合資料分析將如何協助實現端到端的用例優化。

電信業，尤其涉及蜂巢式網路，是一個快速變化的產業，必須時刻準備迎合不斷變化世界的需求。隨著無線電、傳輸、資料中心技術的進步，網路設計者和電信業者有許多增強網路架構的機會和方式，可提高每使用者平均收入，並減少整體的資本支出(CAPEX)和營運成本(OPEX)。

隨著大量消費者和工業物聯網(IIoT)應用出現，雲端託管平台提供建構網路的全新機會，即由企業消費者和網路營運商合作管理和營運的模式，與公私合營(PPP)模式非常相似。本文將根據網路功能(NF)的託管和管理方式，討論5G專網部署的具體用例。

NF供應商和電信業者使用多種可用的虛擬化方法對虛擬化網路功能(VNF)進行倉促的調整，創造一個VNF、雲端原生網路(CNF)和網路功能虛擬化基礎設施(NFVI)效率低下的生態系統，難以整合和管理。這些生態系統無法滿足對電信雲端的基本要求，而電信雲端要求營運效率的提升。本文討論此類解決方案的水平和垂直雲端實施方法，並討論朝單一NFVI堆疊融合以支援不同虛擬化NF的必要性。

部署5G專網的可能性出現，為Wi-Fi(主要用於企業網路)與5G無線電存取網路的融合創造機會。這種融合為網路營運商提供新機會，能夠將資料流量卸載到Wi-Fi存取網路上，減少授權無線電頻譜的頻寬壓力。本文將討論異質無線存取網路共存可能提高頻譜效率的一些新想法，也將討論在RAN和核心網路融合使用資料科學工具如分析、人工智慧/機器學習(AI/ML)，來構建智慧控制以實現端到端用例(如尋呼(Paging)、網路切片)效率的創新方式，在以前無法實現。

融合的無線電存取和5G核網的發展允許核心網路的融合，以減少行動無線網路架構的複雜性。這也是建立5G成為未來所有新興應用統一的行動基礎設施/平台的當務之急。本文主要關注三個重要領域：5G核網NF的優化和互通、使用者/資料平面功能的統一，以及語音基礎設施的融合。

本文其他內容可分為以下幾個部分，分別為5G公網和專網的深入解析、無線電網路融合和技術演進的實際情況，以及融合核心架構和各區域融合的討論。

5G專網興起

傳統的行動網路主要由服務供應商或電信營運商進行部署。與前幾代專網(如LTE和Wi-Fi)相比，5G專網具有超低延遲、更高的頻寬、可控的存取權限等優點，將用於更大範圍的企業用例和應用。

在公用行動網路中，頻譜通常由行動網路營運商所有，核心網路、服務和管理也通常由行動網路營運商負責。公網的覆蓋廣大，旨在供公眾使用，這種網路通常有數以億計的使用者。另一方面，專網是一種非公用網路，提供單一企業或組織使用，通常在一個較小的區域提供服務，有時是單一的場所。5G專網將由企業或組織進行部署，在大學校園、醫院、製造設施、國防基地、機場、體育場、物流收發中心和其他具有關鍵基礎設施或關鍵任務的地方提供網路服務。這些5G專網可部署為獨立或非獨立(Dependant)網路。

在獨立的網路中，企業或組織需要選擇專網所使用的頻譜(授權、非授權或共享頻譜)，接著以採購或租賃的方式取得頻譜，再安裝網路解決方案(無線存取網路和核網)，管理使用者，並進行網路維護。企業可以選擇與內部IT團隊一同擁有並運作5G專網，或是和系統整合商及管理服務供應商合作部署並管理其5G專網。無論選擇哪種方式，因為所有的資料皆留在企業端，企業資料都將獲得一層額外的保護。此外，企業可以控制他們的網路設置，如利用超可靠、低延遲通訊(URLLC)進行商業應用，包括控制自動駕駛汽車或工業自動化，以及工廠的高精度定位。

非獨立的5G專網由行動網路營運商建立和維護。營運商可以將完整頻譜提供給企業，也可以使用網路切片(Network Slicing)技術。網路切片是一種先進的技術，可在單一5G網路中分割出多個虛擬網路。非獨立5G專網由行動網路營運商負責架設和維護，並根據雙方商定的商業模式管理使用者存取。雖然資料並不總是保存在企業端，企業的掌控權也可能很小，但營運商持有並運作的5G專網依舊為企業帶來許多好處。在部署完全專有的網路或完全仰賴營運商提供的網路這兩個極端間，出現了5G as a Service(5GaaS)供應商的概念。

5G網路功能雲端部署策略

5GaaS供應商可為企業處理5G專網的部署和管理，部署和管理網路的責任由此轉移給5GaaS供應商。這符合企業利益，如此一來，企業便不需要雇用經過專門培訓的IT團隊以運行並維護5G專網。這些5G NF部署的選項取決於企業的具體需求，會因為NF是否在企業端內部(On-premises)而有所不同。圖1提出了可能的5GaaS部署方案，這些方案介於完全依賴和完全獨立網路這兩個極端之間。

3GPP將5G系統定義為基於服務的架構(Service Based Architecture, SBA)，其中網路功能之間的互動以基於服務的方式表示。這種架構帶來更高的靈活性，可適應新技術並加快設計和部署網路功能的速度。每個網路功能服務皆透過一個基於服務的接口(SBI)展現其功能，該接口使用HTTP2定義良好的REST接口。這是3GPP首次以SBA的形式努力實現虛擬化，讓NF在市面標準規格硬體上以虛擬化軟體的形式運行。軟體實作甚至可以執行多個這樣的NF並提供多種服務。由於這是朝雲端架構的轉移，SBA將受益於雲端架構的基本特性，即可擴展性、可靠性、模組化、更快的上市時間和較低的成本。

部署這些NF時，網路營運商有許多可能的雲端架構可供遵循，並將同時使用各種虛擬化技術。網路營運商在開發NF的軟體實作時，會根據軟體團隊的能力和對這些技術的傾向性，從許多成熟的技術中選擇其一。這將為基於SBA的5G系統中的各種NF創造各種虛擬機器(Virtual Machine)和容器化架構的混合體。

這項挑戰同樣適用於RAN網路、IP核心和網路的其他部分，如安全功能、自動化功能和資料中心。企業可以選擇部署完全在企業內部的網路、完全基於雲端的網路或其他組合，如圖1中的方案A、方案B和方案C。這些基於服務的部署方案在商用標規硬體上運行，虛擬化或容器化將進一步透過為NFVI、VNF、CNF層提供實作選擇，增加部署模式的複雜性。

垂直/水平雲端部署方式

網路營運商可以根據目前的基礎設施、NF的可用性、上市時間要求和其他挑戰，採取不同方式進行網路功能部署。若將這些方式排列於光譜，兩端分別為垂直和水平雲端，兩者主要差異為不同網路功能在雲端整合的方式。

．垂直雲端

在這種方式中，每個供應商都為其網路功能部署帶來特定的雲端解決方案。該解決方案通常著重於用例，每個NF的解決方案皆由供應商預先整合、測試和驗證，具有單一所有權(Single Point of Ownership)。採用此方法，上市時間更快，更容易除錯、監測和部署。然而，這種方法導致了多個孤島，由於平台架構不一致，平台間的融合在未來可能極具挑戰性。從長遠角度來看，由於缺乏彈性，這並非實用的部署方式。

．水平雲端

在這種方式中，平台通常由服務供應商進行管理，對所有供應商來說是通用的平台，不同供應商將在提供給他們的基礎設施上啟動他們的CNF/VNF。採用通用平台策略，可以實現平台融合，並可協助營運商建立一個監測、協調(Orchestration)和保證(Assurance)的通用模型，實現符合成本效益的解決方案。

電信水平雲端解決方案，特別是5G，可透過減少多個雲端堆疊的管理需求，提供更低的總體擁有成本(TCO)，並且在跨資料中心搬遷工作負載時提升靈活性，更容易除錯，並具有高效的協調、自動化、管理和監控能力。即使垂直堆疊解決方案的早期技術採用者可能會覺得轉向水平方式具有一定挑戰性，但克服挑戰、轉向更開放和協作的架構確實有其價值。

儘管水平雲端解決方案受益於較低的總體擁有成本，卻可能無法在上市時間框架內使所有NF供應商就共同的NFV達成共識，企業可能會選擇採用混合方法，即盡可能將NF以共同NFV架構進行部署，而其他離群的NF則使用自己的NFV，或者，如果這些NF共享類似的NFV，則將其歸入特定NFV，並計畫在不久的將來將其整合或遷移至共同的NFV架構。三種部署模式如圖2所示。

無線電融合共存

隨著5G頻寬需求增加，5G使用者，尤其是5.925~6.425GHz頻段的使用者，很有可能與不同無線電存取技術(RAT)的使用者共存，如Wi-Fi、固定衛星服務、固定寬頻服務。研究顯示，只要設備在室內以非常低的有效各向同性輻射功率(EIRP)(如24dBm)運行，對固定服務接收器造成干擾的風險極低，代表非授權RAT和固定網路服務之間的頻譜共享具可行性。 此外，有跡象表示，只要在戶外運行的非授權設備不超過5%，固定衛星服務和非授權設備便可共享頻譜。這將導致以下在不久的將來可能出現的新場景。

多RAT融合潛力架構

此概念中，可以使用不同RAT進行通訊的設備在同一頻譜內的上行/下行鏈路(UL/DL)中，具有各種資料傳輸選項。例如，在5G中，無線電單元(RU)可以利用NR及NR-U的各種功能分割(Functional Split)。另外，Wi-Fi存取點(AP)和各種物聯網協定也可以單獨或同時存在。藉由使用軟體定義的RAN為室內環境中的使用者智慧配置RU，可以進一步提升使用者體驗(UX)。為了實現這一目標，可以參考使用者採用不同RAT將獲得的體驗品質(QoE)預估結果，由一個共同的無線電智慧控制器(RIC)單元集中進行控制和分析。

如圖3所示，每個RU都有一個預先配置的無線電類型，即5G、Wi-Fi 6、LoRA-WAN等，它們共享頻譜。要讓這個概念成為可行方案，關鍵為跨通訊技術共同的RIC。RIC在不同RAT節點收到的指標，將決定在5G和Wi-Fi 6之間切換RU的傳輸協定。

為了切換RU的無線通訊協定，需要使用5G RAN的「網路聆聽(Network-listen)功能，以便確定每個無線電單元附近的Wi-Fi用戶端活動。此外，此概念也提出透過5G RAN將以下指標傳遞給RIC：

．當下網路使用者資訊

．PRB使用率

．服務品質(QoS)和延遲表現

．鄰近基地台覆蓋範圍的重疊/干擾情形

同樣地，若Wi-Fi覆蓋範圍重疊，Wi-Fi存取點也可以將使用率指標傳遞給SD-RIC。利用這些資訊，RIC將判斷5G RAN任何次級基地台在需要時是否可能轉為Wi-Fi無線電，並在確認下列檢查項目後，將RU標記為Wi-Fi的潛在Host端：

．某一RU的次載波是否已被使用，或僅為輕度使用？

．若將此次級無線電切換至Wi-Fi，是否將產生覆蓋漏洞？

．是否將影響進行中會話(Session)的服務品質/延遲/可靠性/流通量(Throughput)表現？

接著，RIC應能在上述參數資料的幫助下，決定是否設置Wi-Fi。一旦計數器達到配置的最大值，D-RIC將向5G RU發出命令，將次級無線電運作切換至Wi-Fi。這個過程包括以下操作：

．若次載波配置為常規基地台，可平穩地將使用者交遞(Handover)至主載波。

．針對次載波為輔助載波的使用者，不進行載波聚合(Carrier Aggregation)。

．針對位於同個RU的雙連接會話(主+次載波)，將次級連接的次級基地台群組(Secondary Cell Group, SCG)移動至鄰近主要或次級無線電RU。

．關閉基地台並重新將其配置為Wi-Fi無線電。

不過，這樣的做法需要解決下列挑戰：

．不同RAT之間的時間同步。

．RAT間需要處理的干擾情形。

．對於延遲敏感型應用，尚須考慮轉換RAT所需的時間。

RIC/NWDAF合作潛力

開放式vRAN架構和RIC為營運商提供控制的靈活性，並在RIC非即時和即時統計分析的幫助下，將智慧流量引導帶進RAN的分散式元件(即無線電單元(RU)、分散單元(DU)和中央單元(CU))。

下面討論一個新穎的做法，讓RAN統計分析不僅能影響RAN層面的流量引導，也能夠同時應用在核心網路層面，實現優化的端到端用例。例如，與4G相比，5G的尋呼可能要麻煩得多，因為5G所引入的基地台和設備數量龐大。無線電通訊的壅塞情形可能發生於CU，以及DU或RU層級。

如今，大多數尋呼演算法從存取和移動管理功能(Access and Mobility Management Function, AMF)的角度考慮優化方式，引入智慧分析以確保有最小數量的5G基地台(gNB)受到使用者設備(UE)/裝置的尋呼程序所影響。目前尚未出現因為考慮到無線電部分的壅塞情形，而試著優化尋呼程序的演算法。

為了實現尋呼優化，RIC需要：

．識別即將發生壅塞情形的vDU和vCU，讓尋呼訊息繞過這些vDU和vCU。

．可協助RIC偵測壅塞情形並迴避的演算法。

．RIC通知vCU繞過vDU進行尋呼。

．RIC通知AMF繞過vCU進行尋呼。

．AMF智慧排除壅塞的vCU，並在非語音/IMS流量的尋呼響應失敗時重新嘗試這些vCU。

．vCU智慧排除壅塞的vCU，並在非語音/IMS流量的尋呼響應失敗時重新嘗試這些vCU。

RIC控制器的整體結構以及與封包核心網路(Packet Core)的整合如圖4所示。

此方式需要解決下列挑戰：

．RIC和NWDAF之間的通訊需要在跨域層面的架構上進行協調。

．必須明確識別用例(例如端到端和非即時)，兩者之間將交換某些關鍵KPI。

存取技術引導/切換/分割

除了RU融合，了解5G核心網路的能力和Release-16的部分5G功能也十分重要，這些功能支援來自不同存取類型(即3GPP和非3GPP網路存取類型)的流量在核心網路的融合，並在UL和DL方向引導流量。圖5進一步提供詳細說明。

存取技術引導、切換及分割(Access Technology Steering, Switching, and Splitting, ATSSS)定義了流量轉向功能，允許定義不同的轉向政策(Policy)，如主動-待機、最小延遲、負載平衡、基於優先級等，同時規範允許這些規則由使用者設備端的本地政策所操作。

當PDU會話被創建或被SMF/PCF更新時，ATSSS規則隨NAS訊息發送到使用者設備。同樣地，當PDU會話被創建或被SMF/PCF更新時，資料封包檢測規則將發送至UPF。PDU會話建立以後，當兩個存取網路皆具有使用者平面(User-plane)資源時，使用者設備採用網路提供的政策(即ATSSS規則)並考慮在地條件，如網路介面可用性、訊號損失條件、使用者偏好等，以決定如何在兩個存取網路之間分配上行流量。核心網路能夠管理來自不同存取技術的多個會話。

5G朝融合核網架構發展

行動封包核心網路部署從部署在實體設備上的應用到完全基於雲端原生的部署架構，經歷了多次轉變。傳統上，在每一代行動封包核心網路演進之後，3GPP都會為行動通訊營運商定義一個融合設計，以鞏固單一的架構。然而，由於平台層和應用層的技術演進，從4G過渡到5G對行動通訊營運商來說十分複雜。接下來，我們將定義營運商可以使用的各種融合設計，以便從4G遷移到5G，並擁有一個單一的融合架構，為終端用戶提供5G和4G的服務。大多數網路營運商遵循圖6的設計，選擇在現有的4G部署上增加5G服務。

大多數營運商將5G CNFS作為4G基於虛擬機器架構的疊加部署。在這個架構中，4G網路為基於VM的架構，5G網路則為雲端原生的架構。營運商希望將使用者平面的功能結合，並將控制節點的功能分開。

對於網路營運商來說，要轉向一個融合的單平台架構，4G功能必須被容器化，並與5G CNF功能相結合。在3GPP定義的架構上進一步優化，建議將SGW-C、PGW-C和SMF融合為一個CNF功能。使用者平面功能可以繼續作為虛擬機器/CNF部署存在。

棕地(Brownfield)5G SA網路架構的最終融合核心網路架構將如圖7所示，可同時服務於4G、5G和5G NSA使用者設備。 表1總結營運商在4G功能上部署5G的VNF/CNF/應用映射(Application Mapping)功能選項。

無線存取融合

在融合核心網路架構中，對非3GPP通訊協定互通進行優化，亦即對資料平面路徑的UPF節點進行優化。現有4G部署上的5G網路與非3GPP協定整合，將具有多個資料路徑。多條資料路徑如下：

．4G資料路徑－SGW-U+PGW-U

．5G資料路徑－UPF

．電纜資料路徑－AGF-UP

如圖8所示，上述這些資料路徑平面皆可合併至單一CN UPF，並為營運商帶來下列好處：

．與網際網路資料網路的單一分界線

．多RAT無線電存取技術中的無縫存取

．有效利用並擴大頻寬

4G/5G的融合VoWi-Fi ePDG

融合核心網路架構還需要優化非3GPP存取技術的核心網路功能。在4G非3GPP可信任存取中，VoWi-Fi的功能由ePDG節點提供，如圖9所示。

5G定義了新的N3IWF功能節點以提供5G-VoWi-Fi功能，N3IWF透過N2和N3介面與AMF和UPF進行通訊。N3IWF並非設計用來支援4G設備，因此，為擁有一個融合的VoWi-Fi網路，ePDG和N3IWF都需要在網路中進行部署。在單一節點上使用兩個不同的節點會帶來以下缺點：

．5G VoWi-Fi網路延遲推出，因為必須在網路中引入一個新的節點。

．必須考慮4G-5G VoWi-Fi服務的連續性。

．傳統的ePDG部署使用基於虛擬機器的架構，一個新的平台將被引入網路。

使用軟體更新來融合節點將有助於優化VoWi-Fi網路架構。建議營運商採用同時提供ePDG和N3IWF功能的單一節點，如圖10所示。

UPF和EPDG分別在IV-B和IV-C的融合為營運商提供靈活性，可以根據使用者存取情況定義具體的策略。5G提供先進的Release16功能，支援來自不同存取類型(即3GPP和非3GPP存取類型)的流量在核心網路的融合，並在UL和DL方向引導流量。

融合/統一打造下世代行動通訊

3GPP是一個世界性的聯盟，旨在推動5G網路設計的發展，以及5G網路與其他下一代無線系統中各種網路的相互協作。本文首先對雲端/虛擬化技術的整體進展進行介紹，包括如何使用這些技術開發一個可擴展、靈活、簡化且具備成本效益的行動網路架構。我們看到，為了建立一個真正經過優化的5G行動網路，融合和統一是網路架構各個層面的重點。本文也針對雲端原生模式如何作為催化劑來構建這樣的網路進行討論。為了減少無線網路的壅塞情形，需要智慧頻譜處理方案。這篇文章的目標是討論如何建立未來的融合式5G網路，希望能夠為該領域的進一步研究提供堅實基礎。

(本文由Cisco提供)