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深度解析 3GPP TR 21.916：10 Coexistence with Non-3GPP systems (与非3GPP系统的共存)

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深度解析 3GPP TR 21.916：10 Coexistence with Non-3GPP systems (与非3GPP系统的共存)

本文技术原理深度参考了3GPP TR 21.916 V16.2.0 (2022-06) Release 16规范中，关于“10 Coexistence with Non-3GPP systems”的核心章节，旨在为读者揭示5G如何打破网络世界的“柏林墙”，实现蜂窝网络与家庭宽带、Wi-Fi等非3GPP网络的深度融合，为用户构建一张无处不在、无缝协同的融合连接体验。

引言：从“楚河汉界”到“天下大同”，5G的融合之道

在之前的章节里，我们的探索之旅主要集中在5G网络的“内部事务”——如何提升自身在URLLC、IIoT、V2X等场景下的原生能力。然而，在真实的用户世界里，网络连接并非“非黑即白”。我们每天都在蜂窝网络（4G/5G）、家庭光纤宽带、公司/公共Wi-Fi之间无缝切换，每一种网络都扮演着不可或缺的角色。长期以来，这些网络如同独立的王国，拥有各自的“语言”（技术架构）和“法律”（管理策略），彼此之间“楚河汉界”分明。

Rel-16的一项重要使命，就是打破这些王国之间的壁垒，开启5G的“融合之道”。它要解决两大核心问题：

  1. 如何将家庭的有线宽带网络，正式纳入5G的“版图”，享受与手机一样的精细化管理和业务体验？

  2. 如何让一部终端（如智能手机），能够同时驾驭5G和Wi-Fi这两匹“快马”，实现“1+1>2”的连接效果？

为了深入理解这场融合革命，让我们认识本章的新主角——张伟。他是一位在家办公的自由职业者，同时也是一位硬核电竞玩家。他对网络的需求近乎苛刻：白天，他需要一条如同企业专线般稳定、安全的家庭宽带，以确保远程协作和视频会议万无一失；晚上，他渴望获得极致的低延迟游戏体验；更重要的是，当他在进行一场关键的视频通话，从客厅走到信号不佳的阳台时，他希望通话能在他毫无察觉的情况下，从Wi-Fi平滑切换到5G，而不是尴尬地卡顿或掉线。

张伟的梦想，正是Rel-16在第10章中要实现的宏伟蓝图。本章，我们将跟随张伟的视角，深入探索5G如何通过**无线与有线融合（WWC）和多接入流量导向、切换与分离（ATSSS）**这两大“融合神器”，来彻底重塑我们的连接体验。

1. 5G赋能家庭宽带：无线与有线融合 (WWC) (10.1节解读)

张伟一直觉得很困惑：为什么他每月支付高额费用的5G手机套餐，可以享受网络切片、差异化QoS保障等各种“VIP”服务，而他同样昂贵的家庭光纤宽带，却始终是一个体验“粗放”的“尽力而为”管道？当网络拥堵时，他的重要视频会议和儿子的网络游戏只能“相互伤害”。

Rel-16的**无线与有线融合（5WWC, 5G Wireless Wireline Convergence）**正是为了解决这一痛点。它的核心思想，是将家庭的有线宽带接入，也视为5G系统的一种接入方式，从而将5G核心网强大的业务控制和管理能力，延伸到每一个家庭。

This WI aimes to enhance 5G core network to support connection of residential gateway connected via wireline access network… The main features introduced by the WI includes the specification of new access network node, called W-AGF (Wireline Access Gateway function), the improvement of registration and session management procedures, policy, QoS etc, tailored to the specific characteristic of wireline access network.

1.1 新的家庭网络架构：当“光猫”学会了5G语言

为了实现WWC，Rel-16在现有5G架构中引入了两个全新的角色：

  • 5G-RG (5G Residential Gateway)： 这就是张伟家未来的“超级光猫”。它外观上可能与传统光猫无异，但“内心”却植入了一部分手机的“灵魂”——它能够运行5G的NAS（非接入层）协议，像手机一样与5G核心网“对话”。

  • W-AGF (Wireline Access Gateway Function)： 这是部署在运营商网络侧的“翻译官”和“接入转换器”。它的一端连接着成千上万个家庭的有线接入线路（如PON光纤网络），另一端则通过标准的N2/N3接口，连接到5G核心网的AMF和UPF。

规范原文中的“Figure 1: Non- roaming architecture for 5G Core Network for 5G-RG with Wireline 5G Access network”清晰地描绘了这套新架构：

场景解读：张伟的“5G光猫”开机之旅

  1. 连接建立： 张伟将新的5G-RG接上光纤。5G-RG通过有线线路连接到运营商机房里的W-AGF。

  2. 身份认证： 5G-RG像一部手机一样，通过有线线路向W-AGF发送NAS信令，发起注册请求。W-AGF将这些信令“翻译”并透传给5G核心网的AMF。AMF对5G-RG的身份（通过USIM卡或非SIM卡凭证）进行认证，就像认证一部手机一样。

  3. PDU会话建立： 认证成功后，5G-RG为家里的所有设备（电脑、电视、手机）建立一个PDU会话。W-AGF将这个请求转发给SMF，SMF再指令UPF为这个家庭分配IP地址，并打通从UPF到W-AGF，再到5G-RG的用户面通道。

对于那些不支持5G NAS的传统光猫（FN-RG），W-AGF还能扮演“代理”角色，代替光猫完成向5GC的注册和会话建立，如规范中的“Figure 2”所示。

通过这套机制，张伟的家庭宽带网络，在5G核心网看来，就如同一个特殊的、静止的“超级手机”，从而可以对它进行精细化的管理和控制。

1.2 核心价值：当家庭宽带遇上5G QoS

将家庭宽带接入5GC，最大的价值在于可以将5G强大而灵活的QoS模型，应用到家庭网络中。

QoS: the QoS model for wireline network is based on a subscription maximum aggregate bitrate including both GBR and Non-GBR traffic, hence the new parameter RG Total Maximum Bit Rate (RG-TMBR) has been defined… the new parameter RG Level Wireline Access Characteristics (RG-LWAC) has been introduced.

场景解读：张伟家的“智能网管”

现在，张伟家的所有上网流量都由5G核心网的PCF（策略控制功能）统一调度。

  • 差异化保障： 张伟正在进行一个重要的跨国视频会议，他的公司通过运营商API（参见第9章）为这个会议流申请了**GBR（保证比特率）**的QoS保障。PCF会下发策略，确保即使在网络高峰期，会议视频流也能获得稳定、优先的带宽和低时延保障。

  • 应用级调度： 与此同时，张伟的儿子正在客厅玩大型网络游戏。游戏流量被识别为低时延业务，也获得了较高的优先级。而后台正在进行的软件更新，则被识别为非实时业务，被分配了较低的优先级。

  • 带宽管理： 运营商可以为张伟家设定一个RG-TMBR（家庭总最大比特率），并根据他的RG-LWAC（有线接入特性），智能地在各种业务之间分配带宽，避免单一应用占满所有资源。

此外，WWC架构还原生支持**IPTV（网络电视）**等多播业务，由UPF来处理组播复制，提升了直播业务的分发效率。通过WWC，张伟的家庭网络真正实现了从“尽力而为”到“按需保障”的质变。

2. 5G与Wi-Fi的双剑合璧：ATSSS (10.2节解读)

解决了家庭宽带的融合问题后，我们再来看张伟的另一个痛点：手机如何在5G和Wi-Fi之间实现更智能的协同？这就是**ATSSS（Access Traffic Steering, Switch and Splitting）**要解决的问题。

The ATSSS feature enables a multi-access PDU Connectivity Service, which can exchange PDUs between the UE and a data network by simultaneously using one 3GPP access network and one non-3GPP access network… The multi-access PDU Connectivity Service is realized by establishing a Multi-Access PDU (MA PDU) Session…

2.1 核心理念：MA PDU会话——一条会话，两条通路

ATSSS的基石是MA PDU会话（Multi-Access PDU Session）。当张伟的手机启用ATSSS功能后，它建立的不再是一个普通的PDU会话，而是一个MA PDU会话。这个会话的独特之处在于，它在用户面拥有两条并行的“通路”：

  • 通路A： 通过5G基站接入5G核心网的UPF。

  • 通路B： 通过家里的Wi-Fi（或任何其他非3GPP接入），经过互联网，连接到5G核心网的N3IWF（非3GPP互通功能），最终也汇聚到同一个UPF。

规范中的“Figure 1: MA PDU session”清晰地展示了这种“双腿走路”的架构。UE和UPF（作为会话的两个端点）现在可以根据策略，自由地决定数据包究竟走哪条通路，或者两条通路一起走。

2.2 ATSSS的三大“神技”

基于MA PDU会话，ATSSS为张伟带来了三种前所未有的智能连接体验。

  • Access Traffic Steering: it selects an access network for a new data flow…
  • Access Traffic Switching: it moves all traffic of an ongoing data flow from one access network to another…
  • Access Traffic Splitting: it splits the traffic of a data flow across multiple access networks…

  1. 流量导向 (Steering)： 这是“智能选路”。当张伟打开一个新应用时，ATSSS会根据预设的策略，为这个应用选择最优的路径。

    • 场景： 张伟打开了他最爱的电竞游戏《星际远征》。ATSSS策略库（由运营商在PCF中配置）中写着：“游戏类应用，优先走低时延的5G通路”。于是，游戏流量被自动导向到5G网络。随后，他切换到视频App看电影，策略说：“视频类应用，优先走大带宽、低成本的Wi-Fi通路”。视频流量又被导向到Wi-Fi。

  2. 流量切换 (Switching)： 这是“无缝切换”。它解决了张伟边走边打电话的痛点。

    • 场景： 张伟正在客厅用Wi-Fi进行一场重要的视频面试。他端着手机走到阳台，手机上的ATSSS功能实时监测到Wi-Fi信号强度（RSSI）和往返时延（RTT）正在劣化。在Wi-Fi连接质量下降到影响通话体验之前，ATSSS已经悄无声息地将视频流切换到了5G通路上。整个过程，张伟和面试官都没有任何察觉，通话始终流畅。这就是所谓的“Make-Before-Break”（先连后断）。

  3. 流量分离 (Splitting)： 这是“双路聚合”。当需要极致的下载速度时，ATSSS可以将5G和Wi-Fi的带宽“捆绑”起来使用。

    • 场景： 《星际远征》发布了一个10GB的更新包。张伟急着开始游戏，点击了下载。ATSSS的流量分离功能被激活，它将这个下载任务的数据流拆分开，一部分数据包通过Wi-Fi下载，另一部分同时通过5G下载。在手机的ATSSS底层，这两路数据被重新汇聚和排序，最终呈现给用户的，是接近“Wi-Fi速率 + 5G速率”的极致下载体验。

2.3 底层实现：MPTCP与ATSSS-LL的“双引擎”

为了实现上述“神技”，ATSSS在底层提供了两种技术引擎。规范中的“Figure 2: Steering functionalities in an example UE model”对此有详细描绘。

  • MPTCP (多路径TCP)： 这是一个工作在传输层（L4）的成熟技术。它只能用于TCP流量。UE和网络侧的UPF（扮演MPTCP代理）建立一个MPTCP连接，该连接可以包含多个子流，每个子流跑在一条接入路径（5G或Wi-Fi）上。

    • 优点： 技术成熟，可靠性高。

    • 缺点： 仅支持TCP。张伟的游戏（通常是UDP流量）就无法使用。

  • ATSSS-LL (ATSSS-Low Layer)： 这是Rel-16引入的更强大、更底层的解决方案。它工作在IP层（L3）之下，因此可以支持所有类型的流量（TCP, UDP, Ethernet等）。它通过在数据包上增加一个特殊的封装头来实现多路径的聚合和排序。

    • 优点： 通用性强，是实现真正全业务融合的关键。

    • 缺点： 相对较新，需要UE和UPF都进行升级支持。

The ATSSS feature can be supported over 3GPP and non-3GPP accesses, including untrusted and trusted non-3GPP access networks, wireline 5G access networks, etc., as long as a MA PDU Session can be established over the given type of access network.

值得注意的是，ATSSS是一个非常通用的框架，它不仅仅局限于5G和Wi-Fi的融合，理论上可以支持任何3GPP接入和任何非3GPP接入的组合，为未来的网络融合提供了无限的想象空间。

总结：一张无界融合的连接之网

通过对第10章的深度解读，我们见证了5G如何通过WWC和ATSSS这两大核心技术，打破了不同网络之间的壁垒，为像张伟这样的用户编织了一张无界融合的智能连接之网。

  • WWC 将5G的“精细化治理”能力带入了家庭宽带，让固网连接变得像移动网络一样智能、可靠和可管理。

  • ATSSS 则赋予了单个终端“左右互搏”的能力，通过在不同接入网络间智能地导向、切换和分离流量，提供了前所未有的连接韧性和聚合性能。

这两项技术，共同指向了5G演进的一个核心方向：从关注单一网络的性能，转向关注用户在多网络环境下的整体、端到端的连接体验。对于张伟而言，他不再需要关心自己当前用的是5G还是Wi-Fi，他所感受到的，只是一个永远在线、永远流畅、永远智能的“超级连接”。这，正是5G融合之道的最终目的。

FAQ环节

Q1：5G WWC和我现在家里的“5G CPE”有什么区别？

A1：有本质区别。目前市面上的“5G CPE”大多是FWA（固定无线接入）设备，它本质上是一部“大手机”，通过5G无线信号接入网络，再通过Wi-Fi或网线分享给家庭设备。它解决的是没有光纤覆盖区域的宽带接入问题。而5G WWC则是针对已有有线宽带的家庭，通过引入5G-RG和W-AGF，将有线接入本身纳入5G核心网的管理体系，其目的是提升有线宽带的业务质量和管理水平，与5G移动业务形成统一体验。

Q2：ATSSS功能需要我自己手动开启或配置吗？

A2：通常不需要。ATSSS的策略主要由运营商在网络侧（PCF）进行配置，并下发给终端。这些策略会基于您的签约、应用类型、网络状态等因素，自动决定何时以及如何使用Steering、Switching或Splitting。用户也可以在手机设置中拥有一定的控制权，例如选择“优先使用WLAN”或“智能选择”等模式，但大部分精细化的决策都是自动完成的，以提供无感知的最佳体验。

Q3：使用ATSSS的流量分离（Splitting）功能，会消耗双倍的流量吗？

A3：不会消耗双倍流量，但会同时消耗Wi-Fi和5G的流量。例如，下载一个1GB的文件，可能500MB通过Wi-Fi下载，500MB通过5G下载。您的5G套餐会扣除500MB的流量。这种功能的主要目的是为了在需要时获得极致的速度，通常在用户的控制下或特定策略下（如大文件下载）才会启用。

Q4：ATSSS-LL相比MPTCP更先进，为什么还需要保留MPTCP？

A4：主要是为了兼容性和渐进演进。MPTCP是一个已经存在多年的IETF标准，在很多操作系统和设备中已有支持，可以作为一个快速可用的解决方案。而ATSSS-LL是3GPP在Rel-16中定义的新技术，需要终端芯片和网络设备进行专门的升级才能支持。保留MPTCP作为一种选项，可以使得在ATSSS-LL完全普及之前，用户也能享受到对TCP业务的多路径增强，实现平滑过渡。

Q5：WWC和ATSSS这两个功能有什么关联吗？

A5：它们在理念上相通（都是网络融合），在技术上可以协同工作。一个具备ATSSS功能的5G-RG（超级光猫），可以同时拥有有线宽带和5G无线两种上行连接方式。当光纤线路发生故障或性能下降时，这个5G-RG可以利用ATSSS的“Switching”能力，自动将家庭的所有流量无缝切换到5G无线上行链路上，为家庭宽带提供“双保险”的备份，从而实现永不断网的家庭连接。

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