【学习笔记】无人机系统（UAS）的连接、识别和跟踪（三）-架构模型和概念

引言 

3GPP TS 23.256 技术规范，主要定义了3GPP系统对无人机（UAV）的连接性、身份识别、跟踪及A2X（Aircraft-to-Everything）服务的支持。

3GPP TS 23.256 技术规范：

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4.2.2   逻辑无人机参考架构

注1：通过EPC提供UAS服务基于SMF+PGW-C节点的使用。

图4.2.2-2：5GS与EPC/E-UTRAN之间互通的非漫游架构

图4.2.2-3：5GS与EPC/E-UTRAN之间互通的本地突破漫游架构

注2：       当用户设备从5GS移动到EPS，且在5GS注册时执行了UUAA时，不支持在N26接口上将UUAA上下文从AMF转移到MME。

注3：       T6a未定义新的无人机特定功能。

4.2.3 5GS   非漫游参考架构

 

图4.2.3-1：无人机和A2X通信的5G系统非漫游架构，通过PC5和Uu参考点

4.2.4 5GS   漫游参考架构

4.2.5 基于服务的接口

针对无人机的5G系统架构包含了在TS 23.501 [2]中定义的基于服务的接口，但存在以下差异：

• Nudm：在A2X服务的情况下，统一数据管理（UDM）提供的服务用于在初始注册过程或用户设备配置更新（UCU）过程中，向接入和移动性管理功能（AMF）获取A2X服务相关的订阅信息，以通知AMF订阅信息已更改。

• Npcf：在A2X服务的情况下，归属策略控制功能（H-PCF）提供的服务用于在漫游情况下，向访问者策略控制功能（V-PCF）提供A2X服务相关的参数，以支持用户设备（UE）和下一代无线接入网络（NG-RAN）。

• Nudr：在A2X服务的情况下，统一数据存储（UDR）提供的服务用于通知策略控制功能（PCF）和UDM关于A2X服务相关信息的更新。

• Nnef：在A2X服务的情况下，网络暴露功能（NEF）提供的服务由A2X应用服务器使用，以更新5G核心网（5GC）中A2X服务相关的信息。

• Namf：在A2X服务的情况下，AMF提供的服务由PCF使用，以便为UE和NG-RAN向AMF提供A2X服务相关的参数，并允许AMF创建或更新与A2X服务相关的UE上下文。

• Nnrf：在A2X服务的情况下，网络仓库功能（NRF）提供的服务用于发现支持A2X的PCF。

4.2.6 参考点

针对无人机的5G系统架构包含了TS 23.501 [2]中定义的参考点。此外，TS 23.287 [11]中的参考点也适用，但存在以下差异：

• A2X1：这是无人机UE和无人机控制中心（UAV-C）中的A2X应用与A2X应用服务器之间的参考点。该参考点不在本规范范围内。

• A2X5：这是UE中A2X应用之间的参考点。在本规范版本中未指定此参考点。

• N1：除了TS 23.501 [2]中定义的N1相关功能外，在A2X服务的情况下，它还用于从AMF向UE传达A2X策略和参数（包括服务授权），以及从UE向AMF传达UE的A2X能力和PC5能力（用于A2X信息）。

• N2：除了TS 23.501 [2]中定义的N2相关功能外，在A2X服务的情况下，它还用于从AMF向NG-RAN传达A2X策略和参数（包括服务授权）。

4.3 功能实体

4.3.1 概述

除了TS 23.501 [2]中定义的5GS功能实体和TS 23.401 [6]中定义的EPS功能实体外，还为无人机系统（UAS）定义了以下功能实体。

4.3.2 UAS网络功能（UAS NF）

UAS网络功能由网络暴露功能（NEF）或服务能力暴露功能（SCEF）+NEF支持，用于向无人机服务系统（USS）外部暴露服务。UAS-NF利用现有的NEF/SCEF暴露服务进行无人机认证/授权、无人机飞行授权、无人机-无人机控制中心（UAV-UAVC）配对授权以及相关的重新认证/重新授权和撤销；还用于位置报告、存在监控、获取特定地理区域内空中UE的列表以及对C2通信的QoS/流量过滤控制。

UAS NF可能与USS协调，以辅助CAA级别的无人机ID分配。

可以部署专用的NEF仅提供UAS NF功能，即支持针对USS的能力暴露而指定的UAS特定特性/API和NEF特性/API。

为了向特定无人机相关服务进行外部暴露，UAS NF位于VPLMN中，以便与特定国家的USS接口。

当UAS NF支持通用航空平台接口（CAPIF）时，它支持TS 23.222 [4]中指定的CAPIF API提供者域功能。

为了支持USS发起的重新认证/重新授权和撤销请求，UAS NF存储信息以指示重新认证/重新授权和撤销是面向AMF还是SMF/SMF+PGW-C，以及服务的AMF或SMF/SMF+PGW-C的地址。

UAS NF存储UUAA-MM程序和UUAA-SM程序的结果。

4.3.3 无人机（UAV）
无人机是一种支持TS 23.401[6]和TS 23.501[2]中定义的用户设备（UE）功能的3GPP用户设备（UE）。
此外：

• 配置为无人机系统（UAS）服务的无人机将配有一个单一的民航局（CAA）级别无人机ID；
• 配置为无人机系统（UAS）服务的无人机（即配备有CAA级别无人机ID）将向3GPP系统注册以获得UAS服务（即利用空中特性、与USS的连接以及C2连接），并向5GS或EPS提供CAA级别无人机ID和无人机空中单元航空有效载荷。未向航空管理部门注册的无人机不得请求UAS服务。
  注：配置为UAS服务但未获得空中订阅的无人机不得向网络注册以获取UAS服务。
• 配置为UAS服务的无人机可支持以下功能：
• 通过N1参考点向5GC报告A2X功能和PC5（即LTE PC5和/或NR PC5）的A2X功能。
• 在UE触发的A2X策略配置中，在UE策略容器中指示A2X策略配置请求。
• 通过N1参考点从5GC接收A2X参数。
• 支持通过PC5参考点的A2X通信过程。
• 配置A2X通信的参数。这些参数可以在UE中预先配置，或者在覆盖范围内，由HPLMN中的PCF或A2X应用服务器通过A2X1参考点通过N1参考点的信号进行配置或更新。
• 通过多播/广播服务（MBS）接收广播远程ID，提供以下功能：
• 通过TS 23.247[17]、TS 26.502[18]和TS 26.517[19]中指定的现有通告机制进行通告；或
• 按照6.2.1.3.1条款的规定，提供MBS会话通告。
• 按照6.2.1.3.1条款的规定，通过MBS提供MBS会话通告，以接收A2X应用服务器信息。

4.3.4 访问和移动性管理功能（AMF）
除了TS 23.501[2]中定义的功能外，AMF还具备以下功能：

• 在UE具有空中UE订阅信息且基于本地运营商策略，或在验证无人机的USS触发重新认证，或AMF本身决定在初始注册后重新认证无人机时，对于在注册5GS时需要无人机认证和授权的UE，AMF可触发UUAA-MM过程。
  支持A2X的AMF还执行以下功能：
• 从统一数据管理（UDM）获取与A2X相关的订阅信息，并将其作为UE上下文数据的一部分存储。
• 选择支持A2X策略/参数配置的PCF，并向所选PCF报告A2X的PC5功能。
• 从PCF获取与A2X相关的PC5 QoS信息，并将其作为UE上下文数据的一部分存储。
• 向NG-RAN提供关于UE在PC5参考点上A2X通信授权状态的指示。
• 向NG-RAN提供与A2X通信相关的PC5 QoS参数。

4.3.5 会话管理功能（SMF）
除了TS 23.501[2]中定义的功能外，SMF还具备以下功能：

• 在请求用于无人机操作的用户平面资源时，或在验证无人机的USS/UTM触发重新认证时，对于需要USS进行无人机认证和授权的UE，SMF触发UUAA-SM过程；
• 在建立/修改用于C2通信的PDN连接/PDU会话期间，可能触发无人机与网络化的UAVC或通过互联网连接连接到无人机的UAVC之间的配对授权。

4.3.6 SMF+PGW-C
SMF+PGW-C实现了第4.3.5条中描述的SMF的功能。

4.3.7 策略控制功能（PCF）
除了TS 23.501[2]中定义的功能外，PCF还包括23.287[11]中描述的功能，以便为UE和AMF提供使用A2X通信所需的参数。

4.3.8 统一数据管理（UDM）
除了TS 23.501[2]中定义的功能外，UDM还执行通过PC5参考点的A2X通信的订阅管理。

4.3.9 A2X应用服务器
A2X应用服务器实现了TS 23.287 [11]第4.4.3条中规定的V2X AS功能的一个子集：

• 包括AF（应用功能）功能，并支持至少以下能力：
• 对于A2X服务参数配置，A2X AS为5GC（第五代核心网）和无人机UE（用户设备，可能通过UAVC无人机控制站）提供通过PC5参考点的A2X通信参数和通过MBS（多播和广播服务）的A2X通信参数。
• 充当TS 23.247 [17]第5.1条和附件A中的AF/AS（应用功能/应用服务器），例如请求NEF/MBSF（网络暴露功能/多播和广播服务功能）分配/取消分配一组TMGI（临时移动组身份），通过向5GC提供包括QoS（服务质量）要求在内的服务信息，从5GC启动广播服务。
• 执行5.5.2.4条中规定的MBS服务区映射。
  注：为无人机服务的A2X AS和USS（用户服务服务器）可以是相同或不同的实体。

4.3.10 UDR
除了TS 23.501 [2]中定义的功能外，UDR还存储A2X服务参数。

4.3.11 NRF
除了TS 23.501 [2]中定义的功能外，NRF还通过考虑A2X能力来执行PCF（策略控制功能）发现。

4.4 高级功能
4.4.1 服务操作
4.4.1.1 NEF服务
4.4.1.1.1 概述
除了TS 23.501[2]第7.2.8条和TS 23.502[3]第5.2.6条中定义的服务外，下表还列出了用于支持UAS的额外NEF服务。

Table 4.4.2.1.1-1: NF Services provided by NEF

Service Name	Service Operations	Operation Semantics	Example Consumer(s)
Nnef_Authentication	AuthenticateAuthorize	Request/Response	AMF, SMF
	Notification	Subscribe/Notify	AMF, SMF

4.4.1.1.2 Nnef_Authentication 服务

4.4.1.1.2.1 概述
服务描述：此服务允许消费者对服务级设备身份进行身份验证和授权，或者仅进行授权。在无人机系统（UAS）的情况下，该服务用于通过民航局（CAA）级别的无人机ID对无人机（UAV）进行身份验证和/或授权。

在创建身份验证会话时，接入和移动性管理功能（AMF）/会话管理功能（SMF）会隐式地向网络暴露功能（NEF）订阅与身份验证/授权相关的通知（例如重新身份验证、更新授权数据或撤销UUAA授权）。当相应的身份验证关联被移除时（例如，在重新身份验证失败且用户面服务（USS）指示释放网络资源的情况下，或在授权撤销的情况下），UAS网络功能（NF）/NEF会隐式释放此隐式订阅。

4.4.1.1.2.2 Nnef_Authentication_AuthenticateAuthorize 服务操作
服务操作名称：Nnef_Authentication_AuthenticateAuthorize
描述：提供服务级设备身份的身份验证和授权结果。
输入，必需：用于身份验证的服务级设备身份（即CAA级别的无人机ID）、全球平台服务身份（GPSI）、网络功能类型（NF Type）。
输入，条件必需：通知端点（对于初始身份验证请求是必需的）、数据网络名称（DNN）、切片/网络服务集标识符（S-NSSAI）（如果消费者NF是SMF）。
输入，可选：授权服务器地址（即USS地址）、平台结束标识符（PEI）、用户设备（UE）IP地址（如果消费者NF是SMF）、UE提供的身份验证/授权容器、无人机位置。
输出，必需：无。
输出，条件必需：成功/失败指示[对于C2通信的PDU会话修改不需要]、授权数据容器、指示与“受空中服务影响的DNN”相关联的PDU会话是否可以释放[对于重新身份验证失败是必需的]。
输出，可选：无。

4.4.1.1.2.3 Nnef_Authentication_Notification 服务操作
服务操作名称：Nnef_Authentication_Notification
描述：重新身份验证、更新授权数据或撤销无人机的UUAA授权。
注意：此通知对应于Nnef_Authentication_AuthenticateAuthorize服务操作的隐式订阅。
输入，必需：通知相关信息、服务级设备身份、3GPP无人机ID、通知原因（撤销、重新身份验证或授权数据更新）。
输入，条件必需：授权数据容器（如果通知原因是授权数据更新）。
输入，可选：无。
输出，必需：确认指示。
输出，可选：无。

4.4.1.2 AF服务

4.4.1.2.1 概述
除了TS 23.501[2]第7.2.19条和TS 23.502[3]第5.2.19条中定义的AF服务外，下表显示了支持UAS的AF服务。

Table 4.4.1.2.1-1: NF Services provided by AF

Service Name	Service Operations	Operation Semantics	Example Consumer(s)
Naf_Authentication	AuthenticateAuthorize	Request/Response	UAS NF/NEF
	Notification	Subscribe/Notify	UAS NF/NEF

4.4.1.2.2 Naf_Authentication 服务
4.4.1.2.2.1 概述
服务描述：此服务允许消费者对服务级设备身份进行身份验证和授权。在无人机系统（UAS）的情况下，该服务用于通过民航局（CAA）级别的无人机ID对无人机（UAV）进行身份验证和授权。

在创建身份验证会话时，UAS网络功能（NF）/网络暴露功能（NEF）会隐式地向用户面服务（USS）订阅与身份验证/授权相关的通知（例如重新身份验证、更新授权数据或撤销UUAA授权）。当相应的身份验证会话被移除时（例如，在重新身份验证失败且USS指示释放网络资源的情况下，或在授权撤销的情况下），USS会隐式释放此隐式订阅。

4.4.1.2.2.2 Naf_Authentication_AuthenticateAuthorize 服务操作
服务操作名称：Naf_Authentication_AuthenticateAuthorize
描述：提供服务级设备身份（对于UAS，即CAA级别的无人机ID）的身份验证和授权结果。
输入，必需：用于身份验证的服务级设备身份、全球平台服务身份（GPSI）。
输入，可选：通知端点（对于初始身份验证请求是必需的）、平台结束标识符（PEI）、用户设备（UE）IP地址、UE提供的身份验证容器、无人机位置。
输出，必需：无。
输出，条件必需：成功/失败指示和GPSI[对于C2通信的PDU会话修改不需要]、授权数据容器、指示与UAS服务相关的网络资源是否可以释放[对于重新身份验证失败是必需的]。
输出，可选：无。

4.4.1.2.2.3 Naf_Authentication_Notification 服务操作
服务操作名称：Naf_Authentication_Notification
描述：重新身份验证、更新授权数据或撤销无人机的UUAA授权。
注意：此通知对应于Naf_Authentication_AuthenticateAuthorize服务操作的隐式订阅。
输入，必需：通知相关信息、服务级设备身份、GPSI、通知原因（撤销、重新身份验证或授权数据更新）。
输入，条件必需：授权数据容器（如果通知原因是授权数据更新）。
输入，可选：PDU会话IP地址。
输出，必需：确认指示。
输出，可选：无。

4.4.1.3 AMF 服务
与UAS相关的AMF服务在TS 23.502[3]第5.2.2条中定义。

此外，当会话管理功能（SMF）调用Namf_Communication_N1N2MessageTransfer服务操作时，它可能会向无人机提供UUAA结果。

4.4.1.4 SMF 服务
与UAS相关的SMF服务在TS 23.502[3]第5.2.8条中定义。

4.4.1.5 UDM 服务
与UAS相关的UDM服务在TS 23.502[3]第5.2.3条中定义。

4.4.1.6 LMF 服务
与UAS相关的LMF服务在TS 23.273[8]第8.3条中定义。

4.4.1.7 GMLC 服务
与UAS相关的GMLC服务在TS 23.273[8]第8.4条中定义。

4.4.1.8 UDR 服务
与UAS相关的UDR服务在TS 23.502[3]第5.2.12条中定义。

4.4.1.9 PCF 服务
与UAS相关的PCF服务在TS 23.502[3]第5.2.5条中定义。

4.4.2 USS发现
一个国家内可能有多个为UAS服务的USS，并且为UAS服务的3GPP网络与为UAS提供服务的USS之间没有直接关联。无人机与USS之间的关联如何在3GPP范围之外实现，并且与无人机在移动运营商处的订阅无关。

为了使为UAS服务的3GPP网络与USS之间进行交互，3GPP网络需要发现为特定无人机服务的正确USS。这需要在5GS注册期间（当在5GS注册期间执行UUAA时）或PDU会话/PDN连接建立期间进行。

假设在3GPP系统外部定义了将CAA级别的无人机ID解析为为相应无人机服务的USS的机制，并且这些机制可用于3GPP系统外部的实体（例如TPAE），则这些机制在3GPP系统中用于发现无人机的USS。

可选地，除了CAA级别的无人机ID之外，无人机还可以向3GPP系统提供USS地址（USS IP地址或USS FQDN），以便发现无人机的USS。

当无人机在UUAA-MM或UUAA-SM中单独提供USS地址（即USS FQDN）而不是CAA级别的无人机ID时，应使用USS地址（即USS FQDN）来发现USS。当可用时，UAS NF除使用CAA级别的无人机ID外，还使用USS地址来发现特定的USS。

注意：UE提供的USS地址应可被3GPP网络中的任何UAS NF/NEF访问。

4.4.3 CAA级无人机ID分配

CAA级无人机ID的格式在3GPP标准之外定义，但如何使用此身份来允许TPAE（第三方认证实体）查询无人机信息则是根据3GPP的功能来定义的。

在本版本中，为远程识别功能分配CAA级无人机ID仅适用于无人机。无人机控制组件（UAVC）不分配也不使用CAA级无人机ID。

无人机必须支持多种格式的CAA级无人机ID，以符合各种地域特定的规定。至少应支持序列号识别、CAA颁发的注册标识符（也称为会话ID）和美国无人机服务系统（USS）颁发的UUID。

对于会话ID，虽然CAA级无人机ID的实际格式在3GPP之外定义且不由3GPP决定，但假设用于远程识别的CAA级无人机ID至少包含以下信息：

• 无人机独有的身份，最好具有临时有效性：这用于将无人机与分配CAA级无人机ID的实体唯一标识。

注1：是否对无人机的唯一临时身份应用隐私或保密要求取决于各地区的规定。

• CAA级无人机ID路由信息，由尝试检索无人机数据的实体（如TPAE）使用，以识别和定位应发送查询的适当无人机系统网络功能（UAS NF）/无人机系统网络实体（UAS NEF）。这也用于USS发现。

支持两种CAA级无人机ID分配方式：

1. USS分配的CAA级无人机ID：身份完全在USS级别分配。

2. 3GPP辅助的CAA级无人机ID分配：

   • USS与UAS NF协作，为无人机分配CAA级无人机ID，供无人机用于无人机用户接入授权（UUAA）和远程识别。
   • USS与UAS NF交互，为远程识别分配无人机身份（即CAA级无人机ID）。无人机在向USS注册以注册到3GPP系统以获取UAS服务之前，无人机运营商向USS提供服务的公共陆地移动网络（PLMN）信息。为了分配CAA级无人机ID，如果希望进行3GPP辅助的CAA级无人机ID分配，USS将与UAS NF交互。3GPP网络选择一个UAS NF来响应USS，UAS NF向USS提供CAA级路由信息，以便CAA级无人机ID的解析器能够解析到UAS NF。
   • USS将CAA级无人机ID的“解析器”角色委托给UAS NF，并返回给基于CAA级无人机ID查询无人机信息的实体（如TPAE）UAS NF从USS检索到的无人机数据。

编辑注：3GPP系统之外的USS之外实体对UAS-NF的暴露机制的详细情况是未来工作的一部分。

• 假设在无人机通过成功的UUAA由USS授权后，UAS NF知道USS分配的CAA级无人机ID与相关的3GPP无人机ID之间的映射。如果UAS NF从带有USS分配的CAA级无人机ID的TPAE接收到远程识别和跟踪查询，UAS NF将使用映射的3GPP无人机ID来与不同的3GPP功能协调，以收集无人机的远程识别和跟踪信息。此外，UAS NF还可以从USS检索航空级信息（如飞行员信息、USS运营商等），并将其提供给查询方（如TPAE）。

注2：假设无人机不知道用于CAA级无人机ID的分配机制。

4.5 标识符

4.5.1 一般

在3GPP系统中，无人机与以下标识符相关联。

4.5.2 CAA级无人机身份

无人机由航空域（如USS）中的功能分配一个CAA级无人机身份。此分配的身份用于远程识别和跟踪以及标识无人机。

无人机在UUAA过程中向3GPP系统提供CAA级无人机身份。

CAA级无人机身份由无人机在远程识别中用作无人机身份。

航空域可以随时为无人机分配新的CAA级无人机身份。新的CAA级无人机身份可以在与UAS相关的过程中提供给无人机和3GPP系统。

注：假设有机制可确保在用于远程识别时，CAA分配的无人机身份的隐私和保护（如防欺骗）。提供此类隐私的安全解决方案不在本规范的范围内。

4.5.3 3GPP无人机ID

3GPP无人机ID通过3GPP系统中的订阅信息与无人机相关联，并由3GPP系统用于标识无人机。全球唯一识别码（GPSI）以外部标识符的格式用作3GPP无人机ID。

USS存储CAA级无人机ID（由无人机提供或由航空域分配的新ID）与3GPP无人机ID（在UUAA过程中提供）之间的关联。