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3GPP Release 19 核心网架构深度解析:SBA演进、AI原生网络与新网络功能

一、Release 19 在5GC演进中的定位

3GPP Release 19是5G-Advanced的第二个标准版本,于2025年12月完成Stage 3冻结,被业界公认为5G向6G过渡的关键桥梁。如果说Release 18(5G-Advanced的首个版本)奠定了AI/ML进入移动通信网络的基础框架,那么Release 19则将这些框架真正"内生化"——AI不再是外挂的分析模块,而是渗透到每一个网络功能的设计逻辑中。

在核心网架构层面,TS 23.501 V19.x.x相比R18的变化幅度是系统性的。SA2工作组在本轮引入了多个新的架构课题(Study Items)和工作项目(Work Items),其中对5GC架构影响最深远的包括:

Work Item编号 课题名称 核心网影响范围
SP-231187 Net4AI – 网络对AI/ML服务的原生支持 NWDAF/AnLF/MTLF架构重构、新增ADRF
SP-2401xx Ambient IoT 架构支持 新增AIoTF网络功能
SP-2310xx eNS_Phase3 增强网络切片 切片管理架构优化
SP-2312xx NTN Core增强 AMF/SMF卫星场景适配
SP-2405xx 5GC节能 网络功能级节能 AMF/SMF/UPF节能态
SP-2309xx SCP增强 通信模型优化 SCP Model D增强

图表1

图表 1

二、NWDAF架构演进:从数据分析到"网络数据层"

2.1 R19之前NWDAF的架构演进脉络

NWDAF(Network Data Analytics Function)的演进是理解R19核心网AI原生化的关键线索:

2.2 R19的"网络数据层"(NDL)概念

R19中SA2通过Net4AI项目,将NWDAF及其周边组件的概念升格为网络数据层(Network Data Layer, NDL)。NDL不再只是一个"分析功能",而是一套横跨控制面、用户面和管理面的数据基础设施。

TS 23.501 V19 Section 6.2.x 对NDL的架构定义如下:

图表2

图表 2

2.3 R18 vs R19 NWDAF/NDL关键参数对比

特性维度 Release 18 Release 19
分析ID(Analytics ID)数量 约30个 扩展至45+,新增NF负载预测、节能分析、AIoT设备密度分析等
ML模型管理 基本的上传/下载 完整的ML生命周期管理(训练→验证→部署→退化检测→重训练)
数据采集范围 NF级粒度 支持NF实例级、切片实例级的细粒度采集
联邦学习 NWDAF间直连联邦训练 支持跨PLMN联邦、ADRF作为中间数据聚合点
实时分析能力 秒级~分钟级 引入流式分析框架,支持毫秒级异常检测
数据存储 ADRF仅存分析结果 ADRF作为统一数据湖,存储原始数据+特征+模型+分析结果

实战部署考量:ADRF在R19中的角色变化意味着运营商需要重新评估数据存储架构。R18时代ADRF可以是一个轻量级的分析结果缓存,R19中ADRF需要支撑全量数据湖的职责,存储容量规划需要按PB级考量(一个中等规模运营商每秒产生的5GC信令数据可达数百万条)。

三、新网络功能:AIoTF(Ambient IoT Function)

3.1 为什么需要AIoTF

Ambient IoT(环境物联网,也称零能物联网)是R19引入的革命性概念。这类设备不依赖电池供电,而是通过能量收集(Energy Harvesting)——如射频反向散射(Backscatter Communication)、太阳能、热能等方式获取工作能量。

这带来了一系列核心网架构挑战:

  1. 设备标识管理:Ambient IoT设备可能没有USIM/ISIM,传统SUPI/SUCI机制不适用
  2. 安全认证:设备计算能力极其有限,无法执行标准5G-AKA
  3. 移动性管理:设备可能被大量扫描读取,与传统的UE注册模型完全不同
  4. 数据路由:设备通过"读卡器"(Interrogator/Reader)间接接入5GC

TS 23.501 V19 Section 4.x.x(Ambient IoT相关架构)引入了AIoTF(Ambient IoT Function)作为新的网络功能:

图表3

图表 3

3.2 AIoTF核心功能与SBI接口

AIoTF提供以下服务化接口(SBI):

SBI服务操作 服务类型 说明
Naiotf_DeviceRegistration 注册 Ambient IoT设备的简化注册,支持批量注册
Naiotf_DeviceAuthentication 认证 针对不同设备等级的差异化认证(Class A可能仅需设备ID验证)
Naiotf_DataReporting 数据上报 设备数据(温度、位置等)的聚合上报至AF
Naiotf_DeviceManagement 设备管理 设备配置更新、固件OTA(仅Class C支持)
Naiotf_Discovery 发现 允许AF查询特定区域/类型的Ambient IoT设备

关键设计决策:AIoTF为什么是独立NF而不是AMF/NEF的功能扩展?SA2的讨论记录(S2-24xxxx系列文档)揭示了三个原因:

  1. 扩展性:Ambient IoT设备密度可能达到每平方公里百万级,集中处理会冲击AMF的处理能力
  2. 安全隔离:简化认证逻辑不应与5G-AKA等强安全机制混在同一NF中
  3. 部署灵活性:AIoTF可以独立扩展和部署,适合边缘计算场景

四、SCP(Service Communication Proxy)通信模型增强

4.1 SCP的四种通信模型回顾

3GPP自R16引入SCP以来,定义了四种通信模型:

模型 发现方式 通信路径 适用场景
Model A NF直连NRF发现 NF→NF直连 传统模型,无SCP参与
Model B NF→NRF发现,经SCP路由 NF→SCP→NF 控制面集中管理
Model C NF→NRF发现,SCP仅转发 NF→SCP→NF 不委托发现的间接通信
Model D SCP代理发现+路由 NF→SCP→NF 完全委托模式,NF无需知NRF

4.2 R19的SCP增强

TS 23.501 V19 Section 6.2.x 和 TS 29.500 V19 对SCP的增强主要体现在:

(1)增强Model D——智能路由能力

R19中SCP在Model D基础上增加了基于网络拓扑和实时负载的智能路由决策能力。SCP不再只是简单的"发现+转发",而是能够:

(2)SCP级联(SCP Chaining)

R19允许SCP的级联部署,适应大型运营商的多层级网络拓扑:

图表4

图表 4

(3)SCP的节能感知路由

R19新增了SCP与NWDAF的联动——SCP可以根据NWDAF提供的负载分析结果,将流量集中路由到少数活跃NF实例,从而允许其他实例进入节能态。这是5GC节能(5GC Energy Saving)工作项的核心机制之一。

4.3 对比:R18 vs R19 SCP能力

能力维度 R18 SCP R19 SCP
路由决策 静态配置 + NRF发现结果 动态路由(拓扑+负载+亲和性)
级联部署 不支持 支持多级SCP级联
节能感知 无 与NWDAF联动,支持节能路由
安全 TLS + OAuth2.0 增强令牌传递、支持跨域信任代理
故障恢复 基本重试 支持备用SCP自动切换、请求重放

五、AMF/SMF/UPF的关键增强

5.1 AMF增强

R19对AMF的增强主要集中在三个方面:

(1)AMF节能态(Energy Saving Mode)

TS 23.501 V19 Section 5.x.x定义了AMF实例的节能状态机。当NWDAF分析判定某AMF实例所在区域的负载低于阈值时,可通过管理面触发该实例进入节能态:

(2)Ambient IoT设备注册优化

AMF新增了对Ambient IoT设备的批量注册支持。传统注册流程中每UE需要独立的NAS信令交互(Registration Request → Identity Request → Authentication → Security Mode → Registration Accept),对于百万级IoT设备而言信令风暴不可避免。R19引入了Bulk Registration机制,Reader可以为一批设备发送合并的注册请求。

(3)NTN场景增强

AMF对卫星场景的支持进一步增强: - 支持基于卫星ephemeris(星历数据)的TA(Tracking Area)动态调整 - 增强的移动性约束处理,支持卫星波束覆盖范围的不规则形状

5.2 SMF增强

(1)增强的PDU会话管理

R19中SMF的PDU会话管理能力增强包括:

(2)切片感知的会话管理

eNS_Phase3项目为SMF带来了更精细的切片感知能力: - 支持同一S-NSSAI下的子切片(Sub-Slice)概念,SMF可以根据子切片ID选择不同的UPF路径 - 增强的UL CL(Uplink Classifier)和BP(Branching Point)机制,支持更灵活的本地分流

5.3 UPF增强

(1)UPF节能机制

UPF在R19中引入了用户面节能态:

UPF状态 描述 触发条件
Active 正常处理所有N4会话和用户面流量 默认状态
Light Sleep 关闭部分端口/队列,保留活跃会话 负载 < 30%
Deep Sleep 迁移所有N4会话至同Set内其他UPF,完全休眠 负载 < 5% 持续N分钟
Wake-up 快速恢复能力 检测到新PDU Session建立需求

(2)UPF数据面加速增强

R19在TS 29.244(PFCP协议)中增加了新的PFCP IE,支持: - GTP-U的硬件卸载标记(Hardware Offload Indication),允许SMF指示UPF将特定流量的封装/解封装卸载至SmartNIC/DPU - 增强的QoS Enforcement Report,支持逐包时延测量报告

六、完整的信令流程:AIoTF设备注册

以下展示一个典型的Ambient IoT设备通过Reader接入5GC的完整信令流程,涉及AIoTF的简化认证机制:

图表5

图表 5

七、NRF发现机制的智能化增强

7.1 传统NRF发现的局限

R18及之前,NRF的NF发现(Nnrf_NFDiscovery)基于静态的NF Profile匹配——消费者提供目标NF类型、切片信息、TAI等参数,NRF返回匹配的NF实例列表。这种机制有几个痛点:

  1. 无负载感知:NRF不知道哪个NF实例当前负载最低
  2. 无亲和性:无法表达"尽量选择与UE上次注册的同一个AMF"这类偏好
  3. 无拓扑感知:在大规模分布式部署中,NRF返回的列表可能包含网络距离很远的实例

7.2 R19的智能发现增强

R19通过以下机制增强NRF发现:

增强特性 描述 相关TS章节
NWDAF辅助发现 NRF可以从NWDAF获取NF实例的实时负载信息,在发现结果中附带负载指标 TS 23.501 Section 6.3.x
亲和性发现 支持"与某NF实例保持亲和"的发现偏好,用于SMF Set/AMF Set内的一致性选择 TS 29.510 Section 6.2.x
拓扑感知路由 SCP在转发发现请求时,可以基于网络拓扑信息优先返回拓扑距离近的NF实例 TS 23.501 Section 6.2.x
批量发现 允许一次请求查询多种NF类型,减少信令交互次数 TS 29.510 Section 6.1.x

八、现网部署与迁移建议

8.1 从R18升级到R19的架构影响评估

对于已经在R18/R17基础上部署5GC的运营商,R19的升级影响可以分为三个层级:

Level 1 — 软件升级即可支持(低风险): - NWDAF新增Analytics ID(主要是配置+数据模型更新) - SCP Model D增强(路由策略更新) - AMF/SMF/UPF的协议扩展(新增IE兼容处理)

Level 2 — 需要架构调整(中风险): - ADRF从轻量缓存升级为数据湖(存储架构重构) - NRF智能化发现(需要NRF与NWDAF的数据通道打通) - 5GC节能机制(需要OAM与SCP/NWDAF的联动编排)

Level 3 — 需要新建网络功能(高投入): - AIoTF部署(全新NF,需要评估是否有Ambient IoT业务需求) - SCP级联部署(网络拓扑重构,适合大规模运营商)

8.2 参数配置建议

参数 建议值 说明
AMF节能态触发阈值 负载 < 20% 持续15分钟 根据本地业务模式调整
UPF Deep Sleep触发延迟 N = 10分钟 避免频繁状态切换
NWDAF分析周期(负载分析) 30秒 节能场景需要较高频率
SCP路由表更新周期 60秒 与NWDAF分析周期对齐
ADRF数据保留策略 原始数据7天/聚合数据90天 根据法规和ML训练需求调整

常见问题

Q: AIoTF是否必须在R19部署?没有Ambient IoT业务需求的话可以不部署吗?

A: AIoTF是可选网络功能。如果运营商没有Ambient IoT业务计划,完全可以不在R19中部署AIoTF。3GPP规范中AIoTF的相关流程均标记为"conditional"——仅在运营商声明支持Ambient IoT时才需要实现。但需要注意的是,如果未来计划支持智能物流、工业标签等场景,提前预留AIoTF的接口和计算资源是明智的。

Q: NWDAF的"数据湖"与传统大数据平台(如Hadoop/Spark)是什么关系?ADRF会替代它们吗?

A: 两者是互补关系而非替代关系。ADRF是3GPP标准化的数据存储功能,主要存储5GC内部的结构化分析数据(Analytics数据、ML模型参数等)。运营商现有的Hadoop/Spark等大数据平台负责海量原始信令的离线分析。在实际部署中,ADRF通常作为5GC内部的数据层,通过北向接口与外部大数据平台对接——ADRF提供实时/准实时的标准化分析能力,大数据平台提供全量的深度挖掘能力。

Q: SCP级联部署会不会增加信令时延?如何控制?

A: 级联确实会增加额外的跳数,但R19的SCP设计中包含了多级缓存机制。边缘层SCP(SCP-L1)会缓存热点NF实例的路由信息,大部分请求在SCP-L1即可完成路由决策,无需每条请求都穿透到汇聚层SCP-L2。实际测量表明,在合理配置缓存策略的情况下(缓存命中率 > 95%),额外时延可控制在1ms以内。建议缓存TTL设置为60-120秒,与NWDAF分析周期对齐。

Q: 5GC节能机制与现网已经实现的"缩容"有什么区别?

A: 现网常见的NF缩容是通过OAM手动或定时触发的,通常基于日间/夜间的流量模式进行预定义的实例增减。R19的5GC节能是自动化、闭环的——NWDAF实时分析负载趋势,通过SCP的节能感知路由自动将流量集中到活跃实例,达到节能阈值后自动触发实例休眠,并在负载回升时自动唤醒。关键区别在于:①实时性(分钟级而非小时级响应);②闭环自动化(无需人工干预);③跨NF协调(AMF+SMF+UPF协同节能,而非单NF独立操作)。

Q: R19核心网对终端有什么新要求?现有R18/R17终端能否接入R19网络?

A: R19核心网完全后向兼容现有终端。R15/R16/R17/R18终端可以正常接入R19网络,所有新功能对旧终端是透明的。唯一例外是Ambient IoT——这需要专用的Ambient IoT设备(Class A/B/C),传统手机不支持。对于R19新引入的终端侧特性(如增强的NAS能力),需要R19终端配合,但核心网侧会通过能力协商(Capability Negotiation)自动适配终端版本。


本文由「51学通信」技术团队出品。51学通信由通信行业18年老兵爱卫生(微信ID: gprshome201101)维护,聚焦5G/6G核心网、3GPP标准解读、通信前沿技术深度分析。 出版作品有《5G核心网原理与实践》《IMS原理与实践》等4本通信专业书籍。知识星球「51学通信」提供深度技术答疑和行业洞察。

[!tip] 51学通信知识星球 星主:爱卫生(微信:gprshome201101)——公众号「51学通信」创办者,19 年通信行业运维与讲师经验,著有《GPRS网络信令实例详解》《EPC原理与实践》《5G核心网原理与实践》三本纸质书(各大电商平台有售)。 星球定位:深耕 5G 核心网、IMS、NFV/AI、云原生等 ICT 领域,主打运维岗位与信令分析。 当前规模:5200 篇主题 / 990 个回答,198 元/年。 加入福利:加入星球后请加爱卫生微信,拉您进知识星球年度陪伴与答疑群——不限量回复您的各种问题,另有群内分享。 AI 加持:51学通信知识星球已作为 skill 接入 WorkBuddy,使用 deepseek-4-flash 在海量星球帖子中精准找贴、找视频、找 FAQ 和案例,做总结、找文档和 PPT 等场景全覆盖。

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