技术与标准丨3GPP R17垂直行业应用关键特性综述

作者简介

李晓华 

浪潮通信技术有限公司高级工程师，长期从事4G/5G核心网架构演进和端到端流程设计等相关研究工作。

宋得龙  

中国信息通信研究院技术与标准研究所高级工程师，长期从事宽带集群通信技术标准制定和测试工作。

高娴 

山东浪潮科学研究院有限公司先进通信研究所副所长，主要从事5G和下一代通信技术预研和标准化工作，研究领域涵盖3/4/5G通信网、网络管理技术、边缘计算等。

论文引用格式：

李晓华, 宋得龙, 高娴. 3GPP R17垂直行业应用关键特性综述[J]. 信息通信技术与政策, 2022,48(6):91-96.

3GPP R17垂直行业应用关键特性综述

李晓华1  宋得龙2  高娴3

（1.浪潮通信技术有限公司，北京 100094；2.中国信息通信研究院技术与标准研究所，北京 100191；3.山东浪潮科学研究院有限公司先进通信研究所，济南 250101）

摘要：根据3GPP R17标准，介绍了和系统架构相关的垂直行业应用关键特性和增强技术，包括非公共网络增强、5G多播广播、面向垂直行业的服务使能架构层增强、工业物联网增强、铁路移动通信系统应用架构增强、无人机系统、多媒体优先级服务、5G中的MSG、5G ProSe等，为后续运营商和设备商ToB网络的研发、演进和部署提供参考。

关键词：R17；垂直领域；关键特性

中图分类号：TN929.5              文献标志码：A

引用格式：李晓华, 宋得龙, 高娴. 3GPP R17垂直行业应用关键特性综述[J]. 信息通信技术与政策, 2022,48(6):91-96.

DOI：10.12267/j.issn.2096-5931.2022.06.016

0  引言

3GPP R17标准于2022年3月完成系统设计，于2022年6月完成ASN.1协议冻结。目前，各特性的主要内容已基本完善，在前续两个版本的基础上，围绕着网络架构增强、应用能力拓展、垂直行业能力增强、覆盖与性能提升等方面向“更强”“更优”“更专”的方向演进，并对人工智能技术展开了初步的探索。R17深度赋能垂直行业，支持更多的垂直领域，加速5G行业落地。本文将对R17网络侧和垂直行业应用相关的特性进行研究，帮助行业用户更好地了解相关功能、技术和标准化最新进展。

1  非公共网络增强

非公共网络（Non-Public Networks，NPN）是3GPP R16引入的一个特性,为垂直行业提供专属网络。NPN分为独立组网的独立的非公共网络（Stand-alone Non-Public Network，SNPN）和与PLMN集成的公共网络集成NPN（Public Network Integrated Non-Public Network，PNI-NPN），前者由SNPN运营商独立运营且不依赖于PLMN网络，不支持与EPS互通；后者依赖于PLMN网络，使用封闭接入组（Closed Access Group，CAG）进行接入控制，通过CAG List+网络切片可以实现端到端的资源专用。

R17主要增强了SNPN支持独立第三方凭证持有者（Credentials Holder，CH）的凭证以及UE入网和远程配置的架构和流程[1]。其中，CH可以是SNPN或者PLMN，CH网络只提供主认证和授权，不提供任何其他服务。在具体部署上，CH可以提供AUSF+UDM完成认证，此时签约数据（包括移动性管理签约和会话管理签约）驻留在CH；CH也可以提供AAA服务器，此时签约驻留在SNPN的UDM，UDM向AUSF指示需要AAA服务器的主认证，SNPN使用NSSAAF支持SNPN UE的主认证和授权，NSSAAF将EAP消息转发给AAA服务器，该过程中用户标识使用和SNPN内相同的SUPI。为了支持独立第三方凭证，在SNPN的系统信息广播中引入了支持使用CH凭证接入的指示，使UE确定是否可以使用UE配置的任何凭证访问当前SNPN，也可以阻止R17使用CH凭证的UE尝试向R16 SNPN注册[2]。此外，还支持网络选择的组ID（Group ID for Network Selection，GIN）列表，即每个SNPN支持的网络选择Group ID列表，这种情况下UE可以使用GIN组内任意成员的凭证接入SNPN，好处是当前SNPN不需要广播GIN组里的所有SNPN的标识，而只需广播组的标识。

对于UE入网（Onboarding）和远程配置功能，当UE初始不具备签约网络的凭证时，入网流程使配置了默认凭证的UE可以接入一个配置网络（onboarding Network，ONN），默认凭证可由设备制造商为UE配置，ONN可以是SNPN或者PLMN。UE获得与ONN的网络连接后，可以通过配置服务器（Provisioning Server，PVS）获取UE签约的SNPN（SO-SNPN）的签约凭证和配置。配置网络是SNPN（ON-SNPN）时，NG-RAN节点将额外广播一个SNPN当前是否支持入网的指示，UE使用专门的Onboarding注册类型，网络不需要签约检查。UE通过和默认凭证服务器（Default Credentials Server，DCS）之间的认证后获得到配置网络的网络连接，此时建立UE到PVS的受限PDU会话，以仅允许来自/去往PVS的流量。对于某个特定UE而言，ON-SNPN和SO-SNPN可以是同一个网络；如果配置网络是PLMN，则使用正常注册流程，无入网指示，由UDM进行正常的签约检查。

UE完成入网注册（配置网络是SNPN）或者正常注册（配置网络是PLMN）后，通过用户平面远程配置UE以获取签约网络的凭证，然后UE从配置网络注销，使用签约网络的凭证注册到签约网络以获取服务。配置网络是SNPN时的高层相关流程如图1所示。

图1  配置网络是SNPN时获取签约网络凭证并接入的高层流程

2  5G多播广播
R17在5G中提供多播广播服务，支持下行点到多点传输以节省空口资源，应用场景包括公共安全、V2X、IPTV、广告推送、实况直播等，定义了多播广播的基本架构以及网元功能，通过对现有网元功能增强，实现多播广播业务的基本能力，并可根据实时网络条件在单播和广播/组播间动态切换。
对于广播，覆盖区域内的所有UE都被授权接收数据，UE无反馈，内容提供商和网络不清楚UE是否实际上在接收数据广播。多播是向一组专门的UE同时提供相同的业务和相同的特定内容数据，UE通过加入或离开的信令进行反馈，内容提供商和网络知道UE是否实际正在接收数据。多播会话可以预先配置临时移动组标识（Temporary Mobile Group Identity，TMGI）、QoS信息等会话属性，但不在NG-RAN上预留用户面资源，在第一个UE加入会话时触发会话建立，在最后一个UE离开后，会话释放[3]。
5MBS架构上增加了MB-SMF、MB-UPF，其中MB-UPF是多播业务的信令面锚点，支持多播会话管理和分配/回收TMGI，根据PCF网元或本地确定的MBS策略配置MB-UPF，以及与SMF交互以向其提供MBS会话上下文信息。MB-UPF用于向RAN节点发送多播广播数据。核心网支持5MBS数据的5GC共享传输和独立传输，采用5GC共享传输模式时用户面从MB-UPF到RAN，采用5GC独立传输模式时用户面路径为MB-UPF→UPF→RAN。而5GC共享传输和独立传输又支持多播和单播方式，单播方式使用隧道的TEID，多播方式则把相关节点加入多播分发中。
空口NG-RAN支持采用PTM/PTP方式向UE发送数据包，可以控制UE在PTM/PTP两种方式间进行切换，支持基于Xn接口/N2接口切换的业务连续性。
3  面向垂直行业的服务使能架构层增强
面向垂直行业的服务使能架构层（Service Enabler Architecture Layer for Verticals，SEAL）由一组通用的服务（如位置管理、组管理、配置管理、身份/密钥管理、网络资源管理）和接口组成，提供应用层功能和接口，以API形式向一个或多个垂直行业提供服务,允许跨不同垂直行业使用通用功能/服务。
UE和服务器分为VAL层和SEAL层，SEAL功能实体分别是SEAL客户端和SEAL服务器，SEAL客户端通过SEAL-UU接口与SEAL服务器通信，通过SEAL-C接口向VAL客户端提供服务使能层支持功能。VAL服务器通过SEAL-S接口与SEAL服务器通信，这些都是应用平面接口，SEAL服务器可以使用3GPP接口与底层3GPP网络进行通信[4]。
R16主要面向V2X应用，R17在应用层支持更多垂直领域，如UAS、未来工厂、TSN等，定义了时间敏感的VAL流标识等新标识，并对位置管理、组管理、网络资源管理等功能进行了增强，如支持由于用户移入或移出位置而导致的组更新、离线支持等。
位置管理功能的增强包括获取某一给定区域内UE的位置信息、监控UE位置以在UE移入或移出区域时通知VAL Server、监控定位区域获取移入或移出某一地理区域/相距某个参考UE多少距离的UE列表。
组管理增加了支持临时组创建以合并两个组、获取UE所属组信息提供给客户端、实现基于位置的组更新，即根据位置管理服务器提供的UE移入/移出位置信息更新组成员、支持授权UE请求的组删除。
网络资源管理增加了支持NRM服务器向NEF订阅单播QoS监测、支持网络辅助的UE-UE端到端QoS协同管理以满足端到端时延要求（如在其中一条链路降级时进行QoS参数调整）、确定给定流的时间敏感通信（Time Sensitive Communication，TSC）通信的可用性等。
4  工业物联网增强
R17工业物联网特性主要体现在时间敏感网络（Time Sensitive Networking，TSN）增强，R16中TSN是将5G网络作为一个传输节点嵌入现有的TSN系统中，初步实现有界时延、低抖动、高可靠性的确定性传输[5]。R17进一步完善并增强了5G网络对IEEE TSN协议的支持程度，5G系统可独立支持确定性网络机制，而不依赖于外部TSN网络，在支持以太报文传输的基础上，还支持IP报文的确定性传输，可承载更广泛的时延敏感业务。
R17对TSN架构进行了增强，增加了TSCTSF，其可以通过交换端口管理信息和用户面节点管理信息确定终端侧TSN转换器（Device-Side TSN Translator，DS-TT）和网络侧TSN转换器（Network-Side TSN Translator，NW-TT）支持的精确时钟同步（Precision Time Protocol，PTP）功能并对其进行管理。TSCTSF检测PCF报告的以太网和IP类型PDU会话的网桥信息的可用性，还通过从NEF/AF提供的请求的5GS延迟中减去UE-DS-TT驻留时间来确定请求的包延迟预算（Packet Delay Budget，PDB），并将确定的请求的PDB提供给PCF用于生成PCC规则。
R17版本中5G网络支持5GS同步和(g)PTP域同步两种同步方法，5GS和PTP主时钟的分发如图2所示，并支持TSCTSF直接或通过NEF向AF开放这两种时间同步服务，AF在发送时间同步服务请求前可以先获取5GS的时间同步能力。其中，5GS同步用于NG-RAN同步，也应用于UE；(g)PTP同步则为(g)PTP网络提供时间同步服务，5GS系统配置为时间感知系统或边界时钟运行时可以充当(g)PTP域的主时钟，支持通过最佳主时钟算法（Best Master Clock Algorithm，BMCA）过程或者本地配置确定主时钟PTP实例和时间同步生成树。

图2  5G时钟同步和g(PTP)域时钟同步

TSC辅助信息（TSC Assistance Information，TSCAI）描述TSN业务的流量特征，包括流方向、突发到达时间、最大突发大小、周期性等，使基站可以通过配置授权、半静态调度、动态授权等方式为周期性的确定性业务预先准备通信资源，当TSN数据包到达时不需要通过调度请求以降低等待时间。R17对TSCAI进行了增强，TSCAI引入了生存时间，该参数提供使用通信服务的应用程序可以在没有预期消息的情况下继续运行的时间（周期性确定性通信业务在性能上对生存时间提出了需求，具体见TS 22.104[6]）。TSCTSF或者TSN AF根据来自AF的信息创建TSC辅助容器并将其提供给PCF，PCF将其作为PCC规则的一部分转发给SMF，SMF从TSC辅助容器推导出TSCAI，并将相关时间映射为5GS时钟发送给NG-RAN。
5  铁路移动通信系统应用架构增强
针对国际铁路联盟UIC的未来铁路移动通信系统功能工作组提出的需求，R17对R16中未完成的部分进行了对齐分析，相关功能在应用层实现，相关协议修改见MCPTT系列。
R17对功能号进行了增强，支持对MC Video和MC Data业务使用功能号，由MC Video Server/MC Data Server对被叫/短数据接收方的功能号进行解析，返回对应的MC Video ID/MC Data ID。还支持多个MCS用户使用同一个功能号，此时MCS Server可以根据位置、时间等信息解析出一个单呼被叫MCS ID，比如铁路上基于位置的呼叫，在某段行车区间呼叫对应的管理员。此外还支持Client发起的组功能号的绑定与解绑。
R17还增强了单呼的呼叫转接和呼叫转移。转接支持MCPTT被叫方将单呼重定位到另一个MCPTT用户，包括直转和选择转。呼叫转移则支持在单呼呼叫转移过程中取消呼叫。
还有一个增强是支持离线MC Video通信中使用ProSe功能，对于离线MC Video组通信，MC Video客户端获取配置数据，主叫在发起组呼前，可以发起组成员发现过程，以识别其他组成员是否在附近。对于离线MC Video一对一通信，MC Video客户端从MCVideo用户配置文件的“MC Video可呼叫列表”获取目标用户的相关配置数据。
6  无人机系统
无人机的典型场景包括：实时高分辨率视频广播，基于无人机搭载360°球面摄像机系统，通过3GPP系统实时上传到云端；机载无人机充当无线接入节点，增强对紧急情况、临时覆盖和热点事件等各种场景的覆盖；无人机指挥与控制通信，通过保证C2通信的QoS来提供UAS服务等。
R17可由NEF支持UAS NF功能，用于向UAS服务提供商（UAS Service Supplier，USS）开放服务。UAS NF支持无人机认证/授权、无人机飞行授权、无人机—无人机控制器配对授权。其中，认证/授权可以在注册时进行，或者在UAS业务的PDU会话建立时进行；无人机飞行授权、无人机—无人机控制器配对授权在PDU会话/PDN连接建立/修改过程中执行。支持3种无人机跟踪模式，即位置上报、存在监测、获取地理区域内的空中 UE 列表[7]。
无人机标识包括民航局CAA级UAV ID和3GPP系统中由MNO分配的3GPP UAV ID，其中CAA级UAV ID支持USS分配和3GPP辅助分配，3GPP UAV ID使用外部标识符格式的GPSI，USS和3GPP系统分别使用CAA级UAV ID和3GPP UAV ID 标识无人机，USS存储这两个标识的关联。无人机需要在UDM中具备空中签约数据，包括空中UE指示、用作3GPP UAV ID的GPSI、指示需使用基于API的机制完成认证和授权的SM数据。R17增强的SEAL服务，如位置管理、组管理、网络资源管理也可用于无人机系统。
7  其他垂直行业特性
R17还提供了多媒体优先级业务（Multimedia Priority Service，MPS）增强、5G消息业务（MSGin5G）、5G邻近服务（Proximity based Services in 5GS，5G ProSe）等垂直行业相关特性。其中，MPS允许服务用户（如政府授权官员、应急管理人员等特定用户）在网络发生拥塞期间等情况下优先接入系统资源，对MPS调用和会话建立应用某种形式的优先级处理。R16及之前版本主要面向语音优先，R17增强了数据通信优先能力，支持不同类型的UE，包括没有签约MPS的公网UE，并可以将已建立的呼叫/会话升级为MPS状态。
MSGin5G是针对包括物物通信和人物通信在内的海量物联网设备通信而设计和优化的消息服务，可用于点到点消息、应用到点消息、群组消息和广播消息场景，组管理功能和配置管理功能可由SEAL提供。支持的终端类型包括：支持MSGin5G客户端的MSGin5G UE、不支持MSGin5G客户端但支持SMS/NIDD等3GPP定义的消息传递机制的Legacy 3GPP UE以及支持RCS/LwM2M等非3GPP消息传递机制的非3GPP UE。MSGin5G UE可以是传感器、执行器等轻量级受限设备，或者是洗衣机、微型烤箱等具有高级功能的不受限设备。MSGin5G服务器通过非3GPP消息网关与非3GPP消息服务互通，通过Legacy 3GPP消息网关与Legacy 3GPP消息服务互通[8]。为MSGin5G服务的所有UE分配一个应用层标识符MSGin5G Service ID，UE向MSGin5G服务器注册其MSGin5G Service ID，如果是不支持MSGin5G 的UE，则由对应的消息网关代表其向MSGin5G服务器进行注册。发送方直接或通过消息网关将消息发给MSGin5G服务器，MSGin5G服务器解析消息接收方确定消息是传递给UE（MSGin5G UE、Legacy 3GPP UE、非3GPP UE）、应用服务器还是消息网关。
在R17中，ProSe与5G技术首次结合，制定了5G支持Prose的架构，使位置相邻的终端用户在网络控制或不控制的情况下可以直接通信，UE可以充当5G ProSe层二/层三UE-to-Network中继、远端UE，支持基于PC5的终端直接发现功能，以及单播、广播和组级通信三种直接通信能力，同时支持通过终端到网络的单跳中继以及PC5/Uu路径选择策略[5]。架构上定义了5G 5G直接发现命名管理功能实体（5G Direct Discovery Name Management Function，DDNMF），类似4G的 ProSe Function，处理动态5G ProSe直接发现所需的网络相关操作的逻辑功能。
8  结束语
5G持续赋能千行百业，实现差异化服务能力及业务保障。垂直行业是5G商用和价值展现的重要目标市场，本文根据3GPP R17系列规范，重点介绍了网络侧和垂直行业应用相关的关键特性和增强功能，为行业用户的数字化转型提供助力。
参考文献
[1] 3GPP. System architecture for the 5G system[R], 2016.[2] 3GPP. Study on enhanced support of Non-public Networks (NPN)[R], 2019.[3] 3GPP. Architectural enhancements for 5G multicastbroadcast services[R], 2021.[4] 3GPP. Functional architecture and information flows[R],2018.[5] 秦鹏太, 李爱华, 姜怡, 等. 5G-Advanced 核心网技术综述[J]. 移动通信, 2022,46(1):58-66.[6] 3GPP. Service requirements for cyber-physical control applications in vertical domains[R], 2018.[7] 3GPP. Support of Uncrewed Aerial Systems (UAS)connectivity, identification and tracking[R], 2021.[8] 3GPP. Study on support of the 5G MSG (Message)service[R], 2019.
A survey on 3GPP R17 key features for applications in vertical domains
LI Xiaohua1, SONG Delong2, GAO Xian3
(1. INSPUR Communications Technology Co.,Ltd., Beijing 100094, China; 2. Technology and Standards Research Institute, China Academy of Information and Communications Technology,Beijing 100191, China; 3. Advanced Communication Research Institute,Shandong Inspur Science Research Institute Co., Ltd., Jinan 250101, China)
Abstract: According to the 3GPP R17 specifications, this article introduces the key features and enhanced technologies for vertical applications related to syetem architecture. These features include enhanced support of non-public networks, 5G multicast/broadcast service, Enhanced Service Enabler Architecture Layer for Verticals, support of enhanced lndustrial IoT, enhancements to application architecture for the mobile communication system for railways, Uncrewed Aerial Systems, multimedia priority service, support of the 5GMSG Service, proximity based services in 5GS, which provide a reference for the subsequent development, evolution and deployment of ToB networks for operators and vendors.Keywords: R17; vertical domain; key feature

本文刊于《信息通信技术与政策》2022年 第6期