5G國際漫游網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方案研究

文旭樺 呂振華 李雪馨

【摘 要】為滿足5G國際漫游的業(yè)務(wù)需求，分析了5G國際漫游的組網(wǎng)方案和運(yùn)營商國際局的部署方案，對關(guān)鍵網(wǎng)元的功能和新特性的實現(xiàn)進(jìn)行了研究，探討了5G國際漫游關(guān)鍵業(yè)務(wù)流程，并對未來的研究方向提出了建議。

5G；國際漫游；SEPP

1 引言

5G網(wǎng)絡(luò)正從方案、標(biāo)準(zhǔn)逐步落地成為現(xiàn)實。除了無線網(wǎng)部分的新特性外，在核心網(wǎng)方面同樣產(chǎn)生了不少新特性，其中較為顯著的包括C/U控制面與用戶面分離并實現(xiàn)分布式部署，基于服務(wù)的架構(gòu)（SBA）快速支持新的業(yè)務(wù)需求，網(wǎng)絡(luò)切片提供差異化服務(wù)，多接入技術(shù)承載。新的特性產(chǎn)生了新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和新的業(yè)務(wù)能力，5G核心網(wǎng)如何在國際漫游場景中實現(xiàn)對業(yè)務(wù)的支持，這是運(yùn)營商必須要面對的課題之一。

2 5G國際漫游需求分析

3GPP對5G應(yīng)用定義了三大場景——eMBB（enhance

Mobile Broadband，移動寬帶增強(qiáng)）、mMTC（massive

Machine Type of Communication，大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)或海量機(jī)器通信）、uRLLC（ultra Reliable & Low Latency Communication，超高可靠超低時延通信）。由于mMTC和uRLLC涉及到的一些關(guān)鍵技術(shù)，如可選MEC、QoS策略增強(qiáng)、本地DN網(wǎng)絡(luò)等需要特殊支持的功能要在R16版本中得到確定，而目前R16版本尚未凍結(jié)，因此本文僅討論eMBB場景下的國際漫游。

eMBB是在目前4G高速上網(wǎng)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，給用戶提供更加高速的業(yè)務(wù)體驗，其典型的用戶體驗速率可高達(dá)100 Mb/s。在國際漫游的自主控制和網(wǎng)絡(luò)安全的前提下，如何向用戶提供優(yōu)質(zhì)高速的跨運(yùn)營商業(yè)務(wù)，這是歸屬運(yùn)營商需要重視的問題。

3 5G國際漫游組網(wǎng)及關(guān)鍵網(wǎng)元研究

3.1 國際漫游組網(wǎng)

建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)需要運(yùn)營商進(jìn)行大量的資金投入，因此5G網(wǎng)絡(luò)的部署應(yīng)是一個循序漸進(jìn)的過程，期間需要對4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行兼容。為綜合考慮無線側(cè)和核心網(wǎng)的技術(shù)升級需求，3GPP提出了5種5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分別為Option2、Option3、Option4、Option5、Option7。不同的架構(gòu)對應(yīng)不同的無線側(cè)與核心網(wǎng)的互聯(lián)方案，對終端的能力也有不同的要求，可能會導(dǎo)致某種架構(gòu)下的用戶無法漫游到另一種架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，如表1所示。對于無法互通漫游的場景，用戶只能回落至當(dāng)前的3G/4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行漫游。

與3G/4G國際漫游類似，5G國際漫游的組網(wǎng)也可以分為漫游地路由（Local Breakout）方案以及歸屬地路由（Home-Routed）方案。

漫游地路由方案如圖1所示，用戶面業(yè)務(wù)流通過漫游地UPF接入DN。歸屬地AUSF與漫游地AMF通過N12接口互通，歸屬地UDM與漫游地AMF通過N8接口互通，歸屬地UDM與漫游地SMF通過N10接口互通，上述接口主要用于歸屬網(wǎng)絡(luò)對用戶實施鑒權(quán)認(rèn)證和注冊管理。歸屬地H-PCF與漫游地V-PCF通過N24接口互通，用于向漫游地提供策略規(guī)則。此方案歸屬地網(wǎng)絡(luò)僅對用戶進(jìn)行鑒權(quán)認(rèn)證和策略控制，不對業(yè)務(wù)進(jìn)行控制，產(chǎn)生的網(wǎng)間流量較少。

歸屬地路由方案如圖2所示，用戶面業(yè)務(wù)流通過回到歸屬地接入DN。歸屬地H-NSSF與歸屬地V-NSSF通過N31接口互通，用于接收來自歸屬地的網(wǎng)絡(luò)切片規(guī)則。歸屬地AUSF與漫游地AMF通過N12接口互通，歸屬地UDM與漫游地AMF通過N8接口互通，歸屬地H-PCF與漫游地V-PCF通過N24接口互通，歸屬地H-SMF與漫游地V-SMF通過N16接口互通，歸屬地UPF與漫游地UPF通過N9接口互通。此方案歸屬地網(wǎng)絡(luò)將對會話進(jìn)行管理并對業(yè)務(wù)進(jìn)行控制，所有控制面流量通過N16接口回到歸屬網(wǎng)絡(luò)，業(yè)務(wù)流量通過N9接口由歸屬地UPF進(jìn)入DN，均成為網(wǎng)間流量。

雖然漫游地路由方案可以優(yōu)化用戶面路由，減少漫游業(yè)務(wù)的時延，網(wǎng)間流量和業(yè)務(wù)體驗更優(yōu)，但是在業(yè)務(wù)控制、策略控制方面需要雙方有更多的互操作。同時，由于計費(fèi)控制點(diǎn)位于漫游地，歸屬地?zé)o法對用戶進(jìn)行計費(fèi)。反觀歸屬地路由方案雖然會產(chǎn)生大量的網(wǎng)間流量，但歸屬地具有計費(fèi)點(diǎn)，能夠掌握用戶的使用情況并進(jìn)行計費(fèi)。另一方面，此方案也與目前商用的4G國際漫游方案架構(gòu)比較類似。可見，歸屬地路由方案將成為運(yùn)營商實現(xiàn)國際漫游的首選，下文將著重對此方案進(jìn)行闡述。

5G核心網(wǎng)將采用基于服務(wù)的架構(gòu)（SBA），即將傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)通訊方式，轉(zhuǎn)變?yōu)榻y(tǒng)一的基于服務(wù)化架構(gòu)和接口，網(wǎng)元被定義成可靈活調(diào)用的業(yè)務(wù)模塊，并通過松耦合接口調(diào)用。基于SBA的5G國際漫游歸屬地方案如圖3所示。通過IT化總線方案，避免了傳統(tǒng)國際漫游架構(gòu)中雙邊網(wǎng)元緊耦合造成的繁復(fù)互操作，提高了功能的重用性，具備通過IT化語言進(jìn)行編程的能力，提升了網(wǎng)絡(luò)的可拓展性。

3.2 漫游關(guān)鍵網(wǎng)元功能及國際局

（1）SEPP

在SBA架構(gòu)下，國際局需要新增網(wǎng)元SEPP（Security Edge Protection Proxy），作為基于服務(wù)的安全代理網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)消息過濾和PLMN間控制平面接口的監(jiān)管功能，為跨PLMN的兩個NF之間交換的所有業(yè)務(wù)層信息提供安全保障。SEPP間的接口為N32。

SEPP能夠接收來自本網(wǎng)NF的所有服務(wù)層消息，并對它們從N32接口轉(zhuǎn)發(fā)之前進(jìn)行保護(hù)。另一方面，在驗證安全性后，SEPP將接收N32接口上的所有消息并轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)內(nèi)NF。

在網(wǎng)絡(luò)中，SEPP作為不透明的代理節(jié)點(diǎn)，具備的能力包括：

保護(hù)分屬不同PLMN的兩個NF間應(yīng)用層控制面消息的相互通信；

在漫游網(wǎng)絡(luò)中與對端SEPP進(jìn)行密碼協(xié)商和相互認(rèn)證；

進(jìn)行拓?fù)潆[藏，限制內(nèi)部NF拓?fù)湫畔⑼庑梗?/p>

作為反向代理，為內(nèi)部NF提供單一的外網(wǎng)訪問出口和控制點(diǎn)；

負(fù)責(zé)N32接口的網(wǎng)間密鑰管理；

通過N32接口傳送與NF服務(wù)相關(guān)的信令之前，SEPP通過協(xié)商，確定保護(hù)信令的安全機(jī)制。

（2）NRF

NRF（NF Repository Function，網(wǎng)元數(shù)據(jù)倉庫功能）是5G核心網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)實體，支持服務(wù)發(fā)現(xiàn)功能，負(fù)責(zé)從NF接收NF發(fā)現(xiàn)請求，并反饋所發(fā)現(xiàn)的NF實例信息，維護(hù)可用NF的配置文件及其支持的服務(wù)，類似于目前DNS實現(xiàn)的功能。

在國際漫游場景中，為了便于本網(wǎng)的NF與對端運(yùn)營商N(yùn)F互相發(fā)現(xiàn)，可以在國際局中部署NRF。漫游地中的NRF稱為V-NRF，配置漫游地的信息。歸屬地中的NRF稱為H-NRF，配置歸屬PLMN的信息，與V-NRF通過N27接口互通。每次NF發(fā)起的NF發(fā)現(xiàn)請求均被發(fā)送至本網(wǎng)NRF，隨后由其通過N27接口轉(zhuǎn)發(fā)至對端NRF。

（3）網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片針對特定的應(yīng)用要求，以切片的形式虛擬出專用的通信及網(wǎng)絡(luò)能力，滿足業(yè)務(wù)在資源分配、QoS、優(yōu)先級、計費(fèi)及策略控制等方面的差異化需求。

一個網(wǎng)絡(luò)切片由S-NSSAI（Single Network Slice Selection Assistance Information）進(jìn)行定義，由SST（Slice/Service Type）和SD（Slice Differentiator）兩部分組成。SST代表網(wǎng)絡(luò)切片的功能和業(yè)務(wù)類型，SD為可選項，以輔助區(qū)分具有相同SST的多個網(wǎng)絡(luò)切片。網(wǎng)絡(luò)切片的選擇由NSSF（Network Slice Selection Function）實施。

國際漫游場景下，如果UE僅使用標(biāo)準(zhǔn)S-NSSAI值，則可以在VPLMN中使用與HPLMN中相同的S-NSSAI，規(guī)范定義了eMBB的標(biāo)準(zhǔn)SST值為1。非標(biāo)準(zhǔn)S-NSSAI需要雙方運(yùn)營商間就業(yè)務(wù)達(dá)成映射協(xié)議，VPLMN的NSSF將用戶攜帶的S-NSSAI值映射到VPLMN中使用的相應(yīng)S-NSSAI值，其間不與HPLMN交互。就當(dāng)前需求而言，雙方僅進(jìn)行eMBB的漫游，因此只需要使用標(biāo)準(zhǔn)的S-NSSAI，不需要協(xié)議映射。

（4）國際局

國際局作為運(yùn)營商專用于國際漫游的關(guān)口局，是與境外運(yùn)營商互通的連接點(diǎn)，能夠集中管控國際漫游業(yè)務(wù)，對外隱藏本網(wǎng)拓?fù)?，針對國際業(yè)務(wù)進(jìn)行計費(fèi)。圖4是5G國際局的一種部署建議，除了部署iSEPP實現(xiàn)網(wǎng)元拓?fù)潆[藏和安全保障外，還需要提供iNRF與對端運(yùn)營商互通網(wǎng)元發(fā)現(xiàn)請求。此外，國際局可以部署SMF、UPF和PCF專用于國際漫游的業(yè)務(wù)處理和策略控制，集中控制全網(wǎng)用戶的國際漫游行為。如果不部署專用網(wǎng)元，則由iNRF根據(jù)策略選擇合適的網(wǎng)元。

4 5G國際漫游關(guān)鍵業(yè)務(wù)及流程

eMBB高速上網(wǎng)業(yè)務(wù)是5G國際漫游的關(guān)鍵業(yè)務(wù)，PDU會話建立是其中一個關(guān)鍵流程。歸屬地路由方案下PDU會話建立時，漫游地AMF選擇V-SMF和H-SMF，并將H-SMF的標(biāo)識符提供給V-SMF。用戶的PDU會話由H-SMF與V-SMF實現(xiàn)控制面的互通。此外，H-SMF選擇HPLMN中至少一個UPF，V-SMF選擇VPLMN中至少一個UPF間實現(xiàn)用戶面的互通。

對于每個PDU會話，NAS層面終止于VPLMN中的SMF，隨后相關(guān)信息將被轉(zhuǎn)發(fā)至HPLMN的SMF。會話建立過程中，H-SMF從V-SMF獲得UE的SUPI，并檢查用戶的訂閱信息。

H-SMF向V-SMF發(fā)送與PDU會話關(guān)聯(lián)的QoS需求，并經(jīng)H-SMF確認(rèn)。如果有需要，H-SMF與V-SMF之間的接口也能夠轉(zhuǎn)發(fā)在HPLMN中的SMF和VPLMN中的SMF之間交換的用戶平面信息。國際漫游PDU建立流程如圖5所示。

（1）UE生成新的PDU會話ID和“初始請求”類型標(biāo)識通過NAS消息向漫游地AMF發(fā)起PDU會話建立請求，并攜帶默認(rèn)的S-NSSAI。

（2）漫游地AMF根據(jù)UE的請求選擇合適的V-SMF。

（3）漫游地AMF向所選V-SMF發(fā)送Nsmf_PDUSession_CreateSMContext請求，其中包含了從UE中獲取的H-SMF地址，SMF返回Nsmf_PDUSession_CreateSMContext響應(yīng)。

（4）V-SMF根據(jù)其選擇機(jī)制在漫游地選擇一個V-UPF。

（5）V-SMF向V-UPF發(fā)起N4會話建立流程。若核心網(wǎng)隧道（CN Tunnel）信息由V-SMF分配，則在建立請求中將隧道信息提供給V-UPF。若核心網(wǎng)隧道信息由V-UPF分配，則在建立響應(yīng)中將核心網(wǎng)隧道信息提供給V-SMF。

（6）V-SMF向H-SMF發(fā)起Nsmf_PDUSession_Create請求，配置信息包括用戶的關(guān)鍵信息和網(wǎng)元關(guān)鍵信息，還可以包含H-SMF正確建立PDU會話所需的信息。

（7）H-SMF將UE的此次PDU會話與V-SMF ID進(jìn)行關(guān)聯(lián)并存儲，隨后向UDM發(fā)送Nudm_UECM_Registration對用戶進(jìn)行注冊。

（8）UDM對用戶進(jìn)行會話授權(quán)/認(rèn)證。

（9）H-SMF選擇H-PCF，隨后通過會話管理策略流程，從PCF獲得用于PDU會話的默認(rèn)PCC規(guī)則。

（10）SMF為PDU會話選擇會話和服務(wù)連續(xù)性模式并選擇UPF，為PDU會話分配用戶IP地址及前綴。

（11）若有需要，H-SMF將與PCF交互以修改會話管理策略。

（12）H-SMF向H-UPF發(fā)起N4會話建立流程。若核心網(wǎng)隧道信息由H-SMF分配，則在建立請求中將隧道信息提供給H-UPF。若核心網(wǎng)隧道信息由H-UPF分配，則在建立響應(yīng)中將核心網(wǎng)隧道信息提供給H-SMF。

（13）H-SMF向V-SMF發(fā)起Nsmf_PDUSession_Create響應(yīng)，其中的核心網(wǎng)隧道信息包含了發(fā)往H-UPF的上行鏈路業(yè)務(wù)的隧道信息，并包含了多個QoS規(guī)則。

（14）V-SMF與AMF互通Namf_Communication_N1N2MessageTransfer消息，包含PDU會話ID，N2 SM信息也攜帶了通過AMF轉(zhuǎn)發(fā)給RAN的信息。

（15）AMF將包含針對UE的PDU會話ID和PDU會話建立接受的NAS消息以及在N2 PDU會話請求內(nèi)從SMF接收的N2 SM信息發(fā)送到（R）AN。

（16）（R）AN與UE進(jìn)行RRC連接重配置，將在步驟12中提供的NAS消息轉(zhuǎn)發(fā)給UE。

（17）N2 PDU會話響應(yīng)。

（18）AMF向SMF發(fā)送Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext請求，將從（R）AN收到的N2 SM信息轉(zhuǎn)發(fā)給SMF。

（19）V-SMF向V-UPF啟動N4會話修改過程。V-SMF為此PDU會話在V-UPF上提供分組檢測，執(zhí)行和報告規(guī)則。V-UPF向V-SMF返回修改響應(yīng)。

（20）SMF向AMF返回Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext響應(yīng)，PDU會話建立。

5 結(jié)束語

國際漫游是運(yùn)營商全面運(yùn)營后必須要考慮的業(yè)務(wù)，本文分析的僅是5G場景中一個最容易實現(xiàn)的場景。隨著5G規(guī)范的逐步完善和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的推進(jìn)，將有更豐富的業(yè)務(wù)場景出現(xiàn)漫游需求。如Local Breakout方案將顯著提升5G的業(yè)務(wù)體驗，而未來會有更多的組網(wǎng)方案及網(wǎng)元特性來滿足mMBB及uRLLC等5G新增場景對漫游能力的需求，國際漫游存在著廣闊的研究空間。

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