4G與5G融合組網(wǎng)及互操作技術(shù)研究

任馳

【摘 要】4G/5G融合組網(wǎng)及互操作技術(shù)是運(yùn)營(yíng)商在5G網(wǎng)絡(luò)部署中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題之一，因此根據(jù)3GPP Rel-15標(biāo)準(zhǔn)要求，分析了4G/5G跨系統(tǒng)互操作架構(gòu)、核心網(wǎng)網(wǎng)元融合部署原則、應(yīng)用單注冊(cè)/雙注冊(cè)模式，以及部署/未部署N26接口情況下具體的4G/5G互操作業(yè)務(wù)流程，為后續(xù)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)和部署提供參考。

【關(guān)鍵詞】5G；互操作；融合組網(wǎng)；單注冊(cè)/雙注冊(cè)

Study on Integrated Networking and Interoperation for 4G and 5G

REN Chi

（China Unicom Network Technology Research Institute， Beijing 100048， China）

[Abstract] The 4G/5G integrated networking and interoperation are the key problem in the 5G network deployment for operators. Therefore， according to the requirements of 3GPP Rel-15 standard， the 4G/5G cross-system interoperation architecture， the integrated deployment principle of the core network element， the application of single-registration and dual-registration mode， the detailed 4G/5G interoperation business procedure in the conditions of deployment and without deployment of N26 interface were analysed to provide a reference to the network evolution and deployment for operators in the future.

[Key words]5G； interoperation； integrated networking； single-registration/dual-registration

1 引言

5G網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最熱門(mén)的概念之一，“萬(wàn)物互聯(lián)”的愿景和助力產(chǎn)業(yè)升級(jí)的目標(biāo)使5G的研究和商用部署的節(jié)奏不斷加快。3GPP SA2第124次會(huì)議的閉幕，也宣告了Rel-15階段的工作勝利完成，5G核心網(wǎng)正式完成了第一階段架構(gòu)的設(shè)計(jì)，商用產(chǎn)品的研發(fā)、試驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)的商用部署工作即將大規(guī)模鋪開(kāi)。

5G的商用部署進(jìn)程將是一個(gè)基于4G系統(tǒng)進(jìn)行的長(zhǎng)期的替換、升級(jí)、迭代的過(guò)程，而在5G網(wǎng)絡(luò)部署的前中期階段，4G系統(tǒng)也是在5G覆蓋不完善的情況下，作為保障用戶業(yè)務(wù)連續(xù)性體驗(yàn)這一目的的最好補(bǔ)充。因此4G/5G融合組網(wǎng)以及互操作技術(shù)將是各大運(yùn)營(yíng)商在網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題之一。

基于3GPP現(xiàn)階段的結(jié)論，本文僅討論5G同4G之間的融合組網(wǎng)及互操作技術(shù)，暫不涉及5G同2G/3G之間的互操作。

2 4G/5G融合互操作架構(gòu)

4G/5G融合組網(wǎng)意味著網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)均需要進(jìn)行一體化的融合演進(jìn)，對(duì)從現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)到5G的演進(jìn)過(guò)程來(lái)說(shuō)，用戶簽約數(shù)據(jù)融合、業(yè)務(wù)策略數(shù)據(jù)融合以及業(yè)務(wù)連續(xù)性是網(wǎng)絡(luò)融合過(guò)程中需最優(yōu)先考慮的問(wèn)題?；谶@部分網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)需求，3GPP定義了專用于跨系統(tǒng)互操作的4G/5G融合網(wǎng)元，即HSS+UDM、PCRF+PCF、PGW-C+SMF和PGW-U+UPF。4G/5G融合互操作系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，其中N26接口為可選接口，其應(yīng)用部署取決于運(yùn)營(yíng)商具體的部署策略和業(yè)務(wù)需求。

4G/5G網(wǎng)元融合部署的收益除了數(shù)據(jù)和用戶狀態(tài)的統(tǒng)一管理外，大部分4G/5G間的主要交互流程均可以通過(guò)融合網(wǎng)元內(nèi)部接口實(shí)現(xiàn)，不需要單獨(dú)定義標(biāo)準(zhǔn)化接口，簡(jiǎn)化了互操作業(yè)務(wù)處理流程。

針對(duì)HSS+UDM，融合部署使用同一AUC，不需要進(jìn)行鑒權(quán)向量的二次獲取，同時(shí)BOSS方面可以進(jìn)行統(tǒng)一管理，降低了操作維護(hù)的復(fù)雜度。另外在移動(dòng)性管理方面，用戶從4G或者5G注冊(cè)，UDM或HSS可以通過(guò)內(nèi)部接口通知對(duì)端清除各自網(wǎng)絡(luò)下的用戶注冊(cè)信息，簡(jiǎn)化了業(yè)務(wù)處理流程。如果HSS和UDM不采用融合組網(wǎng)，則UDM和HSS需要通過(guò)MAP接口或Diameter接口去對(duì)方獲取鑒權(quán)五元組，實(shí)現(xiàn)上相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)BOSS需要考慮兩個(gè)網(wǎng)元間的操作及數(shù)據(jù)一致性等問(wèn)題，增加了處理復(fù)雜度。

針對(duì)PCRF+PCF，融合部署支持統(tǒng)一的套餐流量管理，一個(gè)套餐可以同時(shí)在多種接入方式下累積，同時(shí)支持網(wǎng)絡(luò)采用統(tǒng)一的控制策略，可以根據(jù)用戶的網(wǎng)絡(luò)切換情況在內(nèi)部進(jìn)行QoS映射，保證統(tǒng)一的策略控制和用戶體驗(yàn)。如PCRF和PCF不采用融合組網(wǎng)，則不同接入制式流量需要在不同的網(wǎng)元中進(jìn)行累積，無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，難以進(jìn)行同一套餐的統(tǒng)一控制，同時(shí)需要在兩個(gè)網(wǎng)元中進(jìn)行策略數(shù)據(jù)的受理，業(yè)務(wù)處理相對(duì)復(fù)雜。

針對(duì)PGW-C+SMF以及PGW-U+UPF，融合部署支持4G/5G切換過(guò)程中的業(yè)務(wù)連續(xù)性，保證用戶的無(wú)縫切換體驗(yàn)，同時(shí)用戶面融合部署對(duì)接入制式不敏感，切換過(guò)程中不需要變更用戶面錨點(diǎn)，節(jié)省業(yè)務(wù)處理資源。如不采用融合組網(wǎng)，切換過(guò)程中會(huì)發(fā)生用戶IP地址的改變，將無(wú)法保證用戶業(yè)務(wù)和會(huì)話的連續(xù)性，并且需要更多資源處理切換相關(guān)的流程，增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。

考慮到以上情況，跨系統(tǒng)互操作網(wǎng)元融合部署將是一個(gè)相對(duì)合理和優(yōu)化的選擇。

3 4G/5G互操作處理流程endprint

3.1 單注冊(cè)/雙注冊(cè)

為支持4G/5G間的互操作，5G系統(tǒng)針對(duì)同時(shí)支持5GC NAS和EPC NAS的UE定義了單注冊(cè)和雙注冊(cè)兩種注冊(cè)模式，其中對(duì)UE來(lái)說(shuō)，單注冊(cè)是必選功能，而雙注冊(cè)為可選功能，運(yùn)營(yíng)商可根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)部署情況和業(yè)務(wù)需求進(jìn)行UE能力的要求。在UE注冊(cè)過(guò)程中，UE應(yīng)該向網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)送指示，表明UE同時(shí)具備5GC NAS和EPC NAS能力，以支持后續(xù)網(wǎng)絡(luò)的互操作處理。

在單注冊(cè)狀態(tài)中，UE同一時(shí)間內(nèi)僅保持一種激活的移動(dòng)性管理狀態(tài)，可以是5GC的注冊(cè)管理狀態(tài)，或EPC的EPS移動(dòng)性管理狀態(tài)其中之一，即UE同時(shí)僅接入EPC或5GC之一。當(dāng)UE發(fā)生4G/5G間的互操作時(shí)，UE會(huì)將當(dāng)前的EPS-GUTI映射為5G-GUTI（當(dāng)由4G移動(dòng)到5G時(shí)），或?qū)?dāng)前的5G-GUTI映射為EPS-GUTI（當(dāng)由5G移動(dòng)到4G時(shí)）。

在雙注冊(cè)模式中，UE能夠同時(shí)獨(dú)立處理5GC和EPC的注冊(cè)流程，同時(shí)存儲(chǔ)5G-GUTI和EPC-GUTI，并且5G-GUTI和EPC-GUTI均是由5GC或EPC系統(tǒng)分配的，而不是互相映射得來(lái)的。支持雙注冊(cè)模式的UE可以單獨(dú)地注冊(cè)到5GC或EPC，也可以同時(shí)注冊(cè)到5GC和EPC。

在4G和5G間的互操作過(guò)程中，可能涉及到MME和AMF之間的可選接口N26接口，根據(jù)運(yùn)營(yíng)商的部署策略，互操作流程可以選擇使用N26接口，也可以選擇不使用N26接口。

3.2 部署N26接口時(shí)的互操作

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中部署了N26接口時(shí)，N26接口的存在將能夠支持在互操作過(guò)程中，在源網(wǎng)絡(luò)和目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)之間傳送移動(dòng)性管理狀態(tài)和會(huì)話管理狀態(tài)，因此當(dāng)運(yùn)營(yíng)商部署了N26接口時(shí)，UE僅需以單注冊(cè)模式運(yùn)行，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)僅需同時(shí)保持UE的一種可用的移動(dòng)性管理狀態(tài)，即可保證用戶無(wú)縫的業(yè)務(wù)和會(huì)話連續(xù)性。當(dāng)UE從5GC移動(dòng)到EPC時(shí)，由SMF基于EPS能力以及運(yùn)營(yíng)商具體的管理策略決定哪些PDU會(huì)話可以重定位到目標(biāo)EPS，并釋放無(wú)法遷移到EPS的那部分PDU會(huì)話。

當(dāng)UE處于空閑態(tài)時(shí)，如果發(fā)生5GC到EPC的移動(dòng)，UE可以選擇使用由5G-GUTI映射而來(lái)的EPS-GUTI進(jìn)行跟蹤區(qū)更新流程或4G附著流程完成移動(dòng)性處理，MME通過(guò)N26接口獲取UE在5G的移動(dòng)性管理上下文和會(huì)話管理上下文。在此過(guò)程中，MME并不感知跨系統(tǒng)互操作過(guò)程，整個(gè)處理過(guò)程中，N26接口從MME處理的角度來(lái)說(shuō)等同于S10接口。如果空閑態(tài)下UE發(fā)生EPC到5GC的移動(dòng)，UE將使用由EPS-GUTI映射而來(lái)的5G-GUTI執(zhí)行移動(dòng)性注冊(cè)（Mobility Registration）流程，并且向網(wǎng)絡(luò)指示該UE的源網(wǎng)絡(luò)是EPC，同時(shí)AMF通過(guò)N26接口獲取UE在4G的移動(dòng)性管理上下文和會(huì)話管理上下文，并將會(huì)話部分的信息發(fā)送給SMF。

當(dāng)UE處于連接態(tài)時(shí)，無(wú)論是發(fā)生5GC到EPC的移動(dòng)，還是發(fā)生EPC到5GC的移動(dòng)，都將執(zhí)行跨系統(tǒng)切換流程，在切換過(guò)程中，HSS+UDM將不再受理針對(duì)該UE的由AMF或由MME發(fā)來(lái)的注冊(cè)請(qǐng)求。

3.3 未部署N26接口時(shí)的互操作

在未部署N26接口的網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)使用HSS+UDM存儲(chǔ)UE相關(guān)的PGW-C+SMF和APN/DNN信息，以此來(lái)保障UE的IP地址連續(xù)性。在未部署N26接口的情況下，網(wǎng)絡(luò)側(cè)應(yīng)在UE初始附著的過(guò)程中指示網(wǎng)絡(luò)具備雙注冊(cè)能力，以協(xié)助UE決定是否在互操作流程觸發(fā)前提前在目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行注冊(cè)。如果UE在以雙注冊(cè)模式注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò)后移動(dòng)到支持N26接口的區(qū)域（如在漫游場(chǎng)景下VPLMN部署了N26接口），網(wǎng)絡(luò)側(cè)可以以攜帶重注冊(cè)指示的注銷(xiāo)請(qǐng)求將UE從網(wǎng)絡(luò)中注銷(xiāo)，并在UE重注冊(cè)過(guò)程中不再攜帶網(wǎng)絡(luò)側(cè)支持雙注冊(cè)模式的指示，讓UE以單注冊(cè)模式在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行重注冊(cè)。

未部署N26接口的互操作流程中，有以下幾個(gè)要點(diǎn)：

（1）當(dāng)PDU會(huì)話是在5GC中建立的時(shí)候，PGW-C+SMF使用DNN在HSS+UDM中更新PDU會(huì)話信息（QoS、IP地址及切片信息等）。

（2）HSS+UDM向目標(biāo)核心網(wǎng)（EPC/5GC）提供動(dòng)態(tài)分配的PGW-C+SMF和APN/DNN信息。

在一些應(yīng)用場(chǎng)景中，可能出現(xiàn)UE從部署N26接口的PLMN漫游到未部署N26接口的PLMN，因此需要一些特定的機(jī)制，保障僅支持單注冊(cè)模式的UE在未部署N26接口的網(wǎng)絡(luò)中的IP地址連續(xù)性，如：

（3）當(dāng)UE攜帶表示其源網(wǎng)絡(luò)為5GC或EPC的標(biāo)志位在目標(biāo)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行初始附著時(shí)，MME或AMF在發(fā)送給HSS+UDM的消息中不會(huì)攜帶“初始附著”標(biāo)識(shí)，以提示HSS+UDM不要?jiǎng)h除源網(wǎng)絡(luò)AMF或MME發(fā)送的注冊(cè)信息。

（4）當(dāng)PDN連接是在EPC中建立的時(shí)候，MME在HSS+UDM中存儲(chǔ)PGW-C+SMF和APN信息。

在未部署N26接口的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行4G和5G間的互操作時(shí)，網(wǎng)絡(luò)不需要再進(jìn)行諸如QoS參數(shù)、PDU會(huì)話ID、GUTI等EPS參數(shù)到5GC參數(shù)的映射，同時(shí)以雙注冊(cè)模式運(yùn)行的UE也會(huì)依此機(jī)制忽略任何由網(wǎng)絡(luò)下發(fā)的經(jīng)過(guò)映射的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

未部署N26接口的互操作主要包含以下幾種場(chǎng)景：

（1）以單注冊(cè)模式運(yùn)行的UE發(fā)生5GC到EPC的移動(dòng)：UE在接收到網(wǎng)絡(luò)側(cè)下發(fā)的支持雙注冊(cè)標(biāo)識(shí)后，可能執(zhí)行EPC附著流程或跟蹤區(qū)更新流程。

1）如UE執(zhí)行EPC附著流程，UE在附著請(qǐng)求中攜帶的附著請(qǐng)求類(lèi)型應(yīng)為“切換”，并同時(shí)在請(qǐng)求消息中指示UE的源網(wǎng)絡(luò)為5GC。在后續(xù)的流程中，網(wǎng)絡(luò)側(cè)會(huì)將UE所有存活的PDU會(huì)話均通過(guò)該過(guò)程遷移到EPC中，并保障UE的IP地址連續(xù)性。

2）如UE執(zhí)行跟蹤區(qū)更新流程，UE會(huì)在跟蹤區(qū)更新請(qǐng)求中攜帶由5G-GUTI映射而來(lái)的EPS-GUTI，并同時(shí)指示UE的源網(wǎng)絡(luò)為5GC，但在這種情況下，MME需要指示UE重新附著，因此將無(wú)法保障UE的IP地址連續(xù)性。需要注意的是，在跨PLMN的移動(dòng)過(guò)程中，UE只能執(zhí)行跟蹤區(qū)更新方案。endprint

（2）以單注冊(cè)模式運(yùn)行的UE發(fā)生EPC到5GC的移動(dòng)：UE攜帶由EPS-GUTI映射而來(lái)的5G-GUTI在5GC執(zhí)行類(lèi)型為“移動(dòng)性注冊(cè)更新”的注冊(cè)流程，同時(shí)指示UE的源網(wǎng)絡(luò)為EPC，AMF由此可以感知UE之前的注冊(cè)節(jié)點(diǎn)是MME，但仍會(huì)以5G注冊(cè)的要求來(lái)完成注冊(cè)流程。AMF會(huì)在注冊(cè)接受消息中下發(fā)網(wǎng)絡(luò)側(cè)支持雙注冊(cè)模式的指示，基于該指示，UE可以執(zhí)行攜帶“已存在的PDU會(huì)話”指示的PDU會(huì)話建立流程，將所有UE存在的PDN連接遷移到5GC，也可以根據(jù)UE在EPC網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)存在的PDN連接信息，重新建立PDU會(huì)話，但在這種情況下無(wú)法保障UE的IP地址連續(xù)性。

以雙注冊(cè)模式運(yùn)行的UE發(fā)生5GC和EPC之間的互操作時(shí)，整個(gè)互操作流程以及UE的IP地址連續(xù)性不再依賴于N26接口，同時(shí)UE可以在互操作流程觸發(fā)前提前注冊(cè)到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。不過(guò)提前注冊(cè)對(duì)EPC網(wǎng)絡(luò)有一定的要求，即在5GC到EPC的移動(dòng)中，要求EPC網(wǎng)絡(luò)支持無(wú)PDN連接建立的EPS附著流程，如果EPC不支持這一流程，則UE無(wú)法提前注冊(cè)到EPC網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)在互操作的過(guò)程中MME會(huì)在PDN連接全部遷移完成后將用戶在EPC中注銷(xiāo)。

（3）以雙注冊(cè)模式運(yùn)行的UE發(fā)生5GC到EPC的移動(dòng)，需要區(qū)分UE是否已提前注冊(cè)到EPC網(wǎng)絡(luò)。

1）如果UE已提前注冊(cè)到EPC，此種情況下UE在互操作過(guò)程中執(zhí)行PDN連接建立流程，并通過(guò)攜帶“切換”指示的PDN連接建立流程，進(jìn)行PDU會(huì)話到EPC的遷移。

2）如果UE沒(méi)有提前注冊(cè)到EPC網(wǎng)絡(luò)，那么UE通過(guò)攜帶“切換”指示的EPC附著流程完成互操作。

（4）以雙注冊(cè)模式運(yùn)行的UE發(fā)生EPC到5GC的移動(dòng)：UE通過(guò)攜帶“已存在的PDU會(huì)話”指示的PDU會(huì)話建立流程，完成PDN連接到5GC的遷移。

4 結(jié)束語(yǔ)

在針對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)向5G演進(jìn)的研究中，4G網(wǎng)絡(luò)將長(zhǎng)期和5G共存是通信產(chǎn)業(yè)內(nèi)普遍的共識(shí)，因此基于包括用戶簽約數(shù)據(jù)、策略控制數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)融合管理，以及4G/5G間互操作及業(yè)務(wù)連續(xù)性將是在網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)過(guò)程中首要的問(wèn)題。基于以上需求，本文根據(jù)3GPP相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，重點(diǎn)分析了4G/5G融合互操作架構(gòu)及網(wǎng)元融合部署原則，并分析了4G/5G網(wǎng)元合設(shè)和分設(shè)的優(yōu)劣。在網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)過(guò)程中，運(yùn)營(yíng)商可首先考慮推進(jìn)4G網(wǎng)絡(luò)中PGW的控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離，以及PGW-C/U、HSS和PCRF設(shè)備到4G/5G融合網(wǎng)元的升級(jí)，實(shí)現(xiàn)4G/5G數(shù)據(jù)融合管理及跨系統(tǒng)互操作功能。同時(shí)本文針對(duì)N26接口以及單注冊(cè)/雙注冊(cè)模式的應(yīng)用分析了對(duì)應(yīng)的互操作業(yè)務(wù)流程，根據(jù)是否存在必須在某一特定網(wǎng)絡(luò)才能完成的業(yè)務(wù)（如4G的CSFB、5G的URLLC業(yè)務(wù)等），運(yùn)營(yíng)商可基于實(shí)際的業(yè)務(wù)需求，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中N26接口的部署以及單注冊(cè)/雙注冊(cè)模式的選擇。

現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備大部分為傳統(tǒng)架構(gòu)設(shè)備，即廠家專有軟件必須運(yùn)行在對(duì)應(yīng)的專有硬件平臺(tái)上，因此在后續(xù)網(wǎng)絡(luò)向全虛擬化5G核心網(wǎng)演進(jìn)的過(guò)程中，如何盡可能地最小化對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的影響，同時(shí)在最優(yōu)化投資效率的前提下，進(jìn)行4G/5G融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的改造和演進(jìn)，打造適合自身業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)策略的4G/5G融合互操作體系，這些都將是下一步運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)研究中需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。

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