面向6G感知通信融合网络的算力感知型融合服务化架构研究

《IEEE Access》：When Converged Mobile Core Network Meets ISAC

为解决5G核心网(RAN-CN)分离架构在支持集成感知与通信(ISAC)服务时存在的计算资源分配不灵活和网关压力大两大问题，研究人员提出了计算感知融合服务化架构(CAC-SBA)。该研究通过将服务化架构(SBA)从核心网(CN)延伸至无线接入网(RAN)，实现了gNB与CN网络功能(NF)间的直接通信。大规模仿真和原型测试表明，CAC-SBA将感知容量提升至5GC的4.0倍，感知时延和通信时延分别降低63.6%和54.5%，为6G移动核心网控制面架构设计提供了重要参考。

　　

随着第六代移动通信系统(6G)的快速发展，集成感知与通信(ISAC)作为一种新兴服务正逐渐成为现实。与传统通信不同，ISAC要求基站(gNB)不仅完成数据传输，还需具备环境感知能力，如检测无人机、车辆、行人等非通信目标。然而，现有5G核心网(5GC)的架构设计存在固有局限——无线接入网与核心网严格分离，所有控制面消息必须通过接入与移动性管理功能(AMF)网关进行代理转发。这种设计在面对数据量大、计算密集的ISAC服务时暴露出两大瓶颈问题：一是计算负载无法在分布式的计算资源间灵活分配；二是AMF接口面临巨大压力，可能成为系统性能的制约因素。

针对这些挑战，KDDI研究所的Sohei Itahara等人创新性地提出了计算感知融合服务化架构(CAC-SBA)，相关研究成果发表在《IEEE Access》期刊。该架构的核心思想是将5G服务化架构(SBA)的设计原则从核心网延伸至无线接入网，建立gNB与CN网络功能间的直接通信机制，从而绕过AMF网关瓶颈。

研究人员通过重新设计RAN与CN之间的功能分割、定义新的信令流程并修改状态管理机制，实现了感知与通信服务的高效协同。在CAC-SBA中，感知消息流不再依赖于AMF，使得感知任务能够灵活分布到边缘或云端计算资源，同时显著减轻了AMF的处理压力。

关键技术方法包括：(1)基于3GPP标准设计直接通信接口，使gNB能够通过HTTP/2与CN网络功能直接交互；(2)引入无线资源功能(RRF)扩展网络存储功能(NRF)，支持CN网络功能发现gNB；(3)重新分配AMF在感知和会话管理中的角色，将协议转换功能转化为直接服务调用；(4)在分布式基础设施上实现概念验证原型，涵盖边缘站点和云端资源；(5)采用大规模仿真评估系统性能，建模感知时延和容量优化问题。

系统架构设计

CAC-SBA架构的关键创新在于在保持gNB与AMF间N2接口的同时，新增了gNB与CN间的服务化接口。与5GC-SBA相比，CAC-SBA允许感知消息和AMF无关的通信消息(如会话管理)直接通过服务化接口交换，而仅将AMF相关消息(如注册)保留在N2接口上传输。这种设计消除了不必要的协议转换环节，提高了消息传输效率。

感知流程优化

在感知流程方面，CAC-SBA实现了gNB与感知处理功能(SenPF)间的直接数据传输。如图6所示，第三方消费者通过网络开放功能(NEF)向感知管理功能(SenMF)发送感知请求后，SenMF通过RRF发现合适的gNB，并直接向其发送感知指令。gNB获取中间感知结果后，直接传递给SenPF进行处理，最终结果再通过NEF返回给消费者。这一流程避免了5GC-SBA中需要经过AMF进行NGAP与HTTP协议转换的冗余步骤。

通信流程改进

在通信流程方面，CAC-SBA对PDU会话建立流程进行了优化。如图7所示，gNB与SMF直接进行消息交互，而不需要像传统5GC架构那样通过AMF中转。研究人员重新设计了gNB与SMF间的标识管理机制，使gNB能够管理用户永久标识(SUPI)和会话管理上下文标识，确保了直接通信的可行性。

仿真评估结果

大规模仿真评估揭示了CAC-SBA在利用分布式计算资源方面的显著优势。如图9所示，CAC-SBA的感知容量达到99.4，而5GC-SBA仅为22.4，提升了约4倍。这种性能差距的根本原因在于5GC-SBA存在计算资源分配不灵活的问题——即使边缘计算资源仍有80%空闲，系统的感知容量却已达到上限。

进一步分析表明，5GC-SBA的带宽利用效率低下是导致这一问题的关键因素。即使感知数据在边缘站点处理，中间感知结果仍需要经过位于中心站点的AMF，造成不必要的带宽消耗。而CAC-SBA通过直接接口避免了这种冗余传输，当SenPF部署在边缘站点时，中间感知结果在本地转换为最终结果，仅需将较小的最终结果传输至中心站点。

实验验证结果

实验评估在真实分布式计算基础设施上进行，进一步验证了CAC-SBA的实际性能优势。如图12所示，当SenPF部署在中心站点时，CAC-SBA在所有测试的感知数据提供速率下都能实现完整的吞吐量，而5GC-SBA在提供速率为180时出现数据丢失，接收速率中位数仅为151。

在时延性能方面，CAC-SBA同样表现优异。即使提供速率为150(低于两种架构的感知容量)，CAC-SBA的感知时延也比5GC-SBA降低63.6%。这主要得益于消除了AMF处的协议转换计算时间。

当SenPF部署在边缘站点时，CAC-SBA的优势更加明显，感知时延比中心站点部署降低25%。而5GC-SBA在边缘部署场景下性能反而下降，原因是中间感知消息需要在边缘与中心站点间往返传输，导致回程链路拥塞。

通信服务质量提升

在通信服务方面，CAC-SBA同样带来了显著改进。如表8所示，CAC-SBA的会话建立完成时间对感知负载变化不敏感，且始终低于5GC-SBA。而5GC-SBA的完成时间和失败率随感知负载增加而显著上升，表明AMF成为了系统瓶颈。

研究表明，CAC-SBA通过直接通信机制实现了感知与通信流程的解耦，使两者互不影响。这种设计使得系统能够在高感知负载下仍保持优质的通信服务，而5GC-SBA则由于所有消息都需要经过AMF处理，导致感知与通信服务相互干扰。

研究结论与意义

该研究通过理论分析、仿真验证和实验评估，全面证明了CAC-SBA在支持ISAC服务方面的显著优势。主要结论包括：CAC-SBA通过允许gNB与CN网络功能直接通信，有效解决了5GC架构在支持ISAC时面临的计算资源分配不灵活和AMF接口压力大两大问题；在网关成为系统瓶颈的情况下，CAC-SBA将感知容量提升至5GC的4.0倍；实验环境下，CAC-SBA将感知时延和通信时延分别降低63.6%和54.5%。

这项研究的重要意义在于为6G移动核心网架构设计提供了新思路，证明了融合服务化架构在支持新兴感知通信融合服务方面的巨大潜力。通过实现RAN与CN的更深层次融合，CAC-SBA为未来6G网络实现更高效、更灵活的服务部署奠定了基础。尽管在商业化过程中还面临接口增加和安全考量等挑战，但本研究通过原型实现和全面评估，为后续研究和标准制定提供了重要参考。

研究也指出了未来工作方向，包括在准商业环境中进行更全面评估、研究非标称情况下的系统行为、以及深入探讨gNB服务化接口的安全配置等。随着3GPP对ISAC标准的进一步完善，CAC-SBA的设计理念有望为6G网络架构的演进提供重要技术支撑。