5G核心網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)演進(jìn)方案

陳亞權(quán)　姬慶發(fā)　方琰崴　李立平

【摘? 要】從NSA演進(jìn)到SA的關(guān)鍵之一是5G核心網(wǎng)的演進(jìn)，而用戶數(shù)據(jù)的演進(jìn)在其中承擔(dān)關(guān)鍵作用。為解決包括攜號轉(zhuǎn)網(wǎng)場景下5G NSA非獨立組網(wǎng)向SA獨立組網(wǎng)演進(jìn)過程中的用戶數(shù)據(jù)平滑演進(jìn)問題，采用多場景對比分析方法，結(jié)合真實的5G SA網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、設(shè)計、部署演進(jìn)經(jīng)驗，總結(jié)提出了一整套NSA向SA演進(jìn)用戶數(shù)據(jù)平滑演進(jìn)方案。該方案已經(jīng)在國內(nèi)和國際運營商的5G SA網(wǎng)絡(luò)中得到了很好的驗證。

【關(guān)鍵詞】5G;5GC;用戶數(shù)據(jù)管理;獨立組網(wǎng);非獨立組網(wǎng);攜號轉(zhuǎn)網(wǎng)

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.01.011? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）01-0058-05

引用格式：陳亞權(quán)，姬慶發(fā)，方琰崴，等. 5G核心網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)演進(jìn)方案[J]. 移動通信， 2020，44（1）： 58-62.

0? ?引言

由于無線的建設(shè)和覆蓋是個逐步的過程，5G NSA（Non Standalone Architecture，非獨立組網(wǎng)架構(gòu)）向5G SA（Standalone Architecture，獨立組網(wǎng)架構(gòu)）的演進(jìn)必將是個循序漸進(jìn)的過程，不可一蹴而就[1]。在5G NSA的早期和中期，由于覆蓋的問題，2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)將與5G網(wǎng)路長期并存，并基于業(yè)務(wù)連續(xù)性的需求，需要HLR（Home Location Register，歸屬位置寄存器）/HSS（Home Subscriber Server，歸屬用戶服務(wù)器）和UDM（Unified Data Management，統(tǒng)一用戶管理）進(jìn)行互通。3GPP通過技術(shù)報告TR 23.732[2]對方案的可性能進(jìn)行了分析，并在TS 23.632[3]中針對其中一種場景“現(xiàn)網(wǎng)HLR/HSS支持服務(wù)化接口”給出了詳細(xì)的解決規(guī)范。

3GPP給出了多種可選方案的建議，但很難涵蓋所有的場景，運營商在實際部署時，會結(jié)合自己的網(wǎng)絡(luò)實際情況，本文將結(jié)合3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義和運營商網(wǎng)絡(luò)情況，聚焦用戶數(shù)據(jù)的靈活和優(yōu)化的演進(jìn)方案。

1? ?2G/3G/4G和5G用戶數(shù)據(jù)管理架構(gòu)對比

5G核心網(wǎng)架構(gòu)和2G/3G/4G核心網(wǎng)架構(gòu)完全不同，帶來的用戶數(shù)據(jù)架構(gòu)也必然不同，SBA（Service Based Architecture，服務(wù)化架構(gòu)）基于HTTP協(xié)議的SBI（Service Based Interface，服務(wù)化接口）總線接口方式[4]，采用云原生技術(shù)[5]，根據(jù)3GPP定義，兩者架構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，2G/3G/4G基于MAP/Diameter協(xié)議的點對點協(xié)議交互方式，已經(jīng)被5G的基于HTTP的基于服務(wù)架構(gòu)的SBI總線接口方式所取代。協(xié)議和架構(gòu)的變化，必然導(dǎo)致用戶數(shù)據(jù)演進(jìn)的復(fù)雜性大大增加。而一張成熟的網(wǎng)絡(luò)，又必然是2G/3G/4G/5G同時共存，因此5G用戶數(shù)據(jù)必然需要和2G/3G/4G用戶數(shù)據(jù)發(fā)生交互。

為了提高用戶體驗，實現(xiàn)用戶不換卡不換號的平滑遷移，這就需要網(wǎng)絡(luò)側(cè)為各種場景下的演進(jìn)，做好充分的準(zhǔn)備，為兩種架構(gòu)搭起演進(jìn)的橋梁。

3GPP TR 23.732中，提出了兩種演進(jìn)路徑，一種是采用擴展UDM功能的方法，讓UDM能夠支持2G/3G/4G網(wǎng)元現(xiàn)有的MAP/diameter協(xié)議和相關(guān)接口，與現(xiàn)網(wǎng)HLR/HSS及其他網(wǎng)元對接。此方案對現(xiàn)網(wǎng)HLR/HSS廠家無新增需求，但要想讓UDM能承擔(dān)該網(wǎng)元功能之外的2G/3G/4G協(xié)議和接口功能，勢必要堆砌很多原本不屬于UDM的業(yè)務(wù)邏輯，造成實現(xiàn)復(fù)雜。另外由于架構(gòu)上2G/3G/4G和5G用戶數(shù)據(jù)的存儲是分離的，勢必造成同一個用戶的5G簽約和2G/3G/4G簽約缺乏一致性，而沒有手段來進(jìn)行簽約信息的同步。

為解決用戶數(shù)據(jù)分離而導(dǎo)致用戶簽約不一致的問題，3GPP還給出了共享UDR（Unified Data Repository，統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲）且現(xiàn)有HLR/HSS不和UDM對接的路徑。此方案通過業(yè)務(wù)開通系統(tǒng)保證一個用戶的2G/3G/4G/5G簽約存在于同一個UDR數(shù)據(jù)庫中，規(guī)避了跨HLR/HSS和UDM/HSS/HLR的數(shù)據(jù)訪問需求。同時通過網(wǎng)絡(luò)中的DRA（Diameter Routing Agent，Diameter協(xié)議路由代理）/STP（Signal Transfer Point，信令轉(zhuǎn)接點）實現(xiàn)路由功能，該方案解決了兩個HLR/HSS的信令路由問題，難點是需要改造業(yè)務(wù)開通系統(tǒng)，同時STP/DRA需要針對5G用戶增加路由信息，對設(shè)備容量要求高。

2? ?2G/3G/4G用戶數(shù)據(jù)向5G演進(jìn)方案

2G/3G/4G用戶數(shù)據(jù)和5G用戶數(shù)據(jù)管理，雖然3GPP有完整的架構(gòu)定義，但是業(yè)界的廠家實現(xiàn)是各不相同，廠家之間除了標(biāo)準(zhǔn)的接口和協(xié)議可以互通外，在數(shù)據(jù)格式、容災(zāi)方式、內(nèi)部處理等各方面都是不同的。如果2G/3G/4G用戶數(shù)據(jù)和5G用戶數(shù)據(jù)來自同廠家，也存在接口、協(xié)議的轉(zhuǎn)化，如果來自不同廠家，這樣的復(fù)雜程度更加倍增，演進(jìn)方案也更加復(fù)雜。

另外由于運營商的BOSS（Business Operating System

Software，運營支撐系統(tǒng)）和用戶數(shù)據(jù)管理平臺有接口交互，因此演進(jìn)方案中除了需要考慮核心網(wǎng)的網(wǎng)元，還需要考慮對業(yè)務(wù)開通的影響。

目前國內(nèi)及海外眾多開通5G業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，都是基于非獨立組網(wǎng)NSA架構(gòu)，只是利用2G/3G/4G核心網(wǎng)來接入5G無線，也就是用HLR/HSS來保存用戶數(shù)據(jù)。但是要真正體現(xiàn)5G核心價值，就必須要采用獨立組網(wǎng)SA架構(gòu)，也就是說必須要采用UDM/UDR/AUSF（Authentication Server Function，認(rèn)證服務(wù)功能）來保存用戶數(shù)據(jù)，這是必由之路，而且在5G SA架構(gòu)里的眾多網(wǎng)元中，UDM/UDR/AUSF需要先行部署，便于用戶進(jìn)行注冊后享受5G業(yè)務(wù)。

由于運營商的2G/3G/4G和5G用戶數(shù)據(jù)管理平臺還有可能不同廠商，因此演進(jìn)方案將從廠家生態(tài)、資源需求、工程交付、運維管理、業(yè)務(wù)開通等各方面進(jìn)行分析，在各種不同條件下，有多樣的演進(jìn)方案，如表1所示。

2.1? 搬遷方案

整體搬遷方案存在于無法將2G/3G/4G HLR/HSS進(jìn)行升級以和5G用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，只能將現(xiàn)網(wǎng)的2G/3G/4G HLR/HSS BE數(shù)據(jù)整體遷移到5G UDR中，然后將STP/DRA的信令切換到5G UDM，實現(xiàn)2G/3G/4G用戶不換卡不換號享受5G SA業(yè)務(wù)。這種整體搬遷方式可以一次性解決兩種架構(gòu)的用戶數(shù)據(jù)的分離存儲，無論2G/3G/4G HLR/HSS是NFV（Network Functions Virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）或者非虛擬化的，都需要整體遷移到天生的虛擬化的5G UDR/UDM中[6-7]，最終使用5G UDR/UDM來統(tǒng)一管理。

這種搬遷方案看似簡單，但是需要在搬遷時建設(shè)5G UDM的資源池，現(xiàn)網(wǎng)的BOSS需要改造支持5G的接口和協(xié)議，以實現(xiàn)5G用戶的簽約。另外如果是異廠家的搬遷，異廠家的私有數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和導(dǎo)入，也是交付中面臨的挑戰(zhàn)。

當(dāng)前業(yè)界大多數(shù)5G SA核心網(wǎng)已在測試階段，2020年將是規(guī)模商用階段，對于一些2G/3G/4G HLR/HSS設(shè)備老舊的運營商，這種搬遷方式不失為一種跨越式發(fā)展的路徑。如果同廠家，數(shù)據(jù)遷移相對簡單，如果異廠家，可以通過從BOSS直接獲取部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（無法獲取到鑒權(quán)數(shù)據(jù)）的方式來處理?？傮w而言，這種方案在特定情況下，有它的存在合理性和價值。

2.2? 中繼方案

為解決搬遷方案帶來的對網(wǎng)絡(luò)的沖擊和對用戶體驗的影響，以及解決3GPP定義的演進(jìn)路徑的落地問題，可以采用在新建的UDM/UDR中向現(xiàn)網(wǎng)HLR/HSS進(jìn)行信令路由的中繼方案，如圖2所示：

該方案通過在新部署的融合HLR/HSS/UDM/UDR中增加中繼路由功能，5G業(yè)務(wù)開通時從HLR/HSS遷移用戶到UDM/HSS/HLR，針對遷移且開通了5G的用戶，實現(xiàn)UDM/HSS/HLR與現(xiàn)網(wǎng)HLR/HSS的零交互。UDM/HSS/HLR利舊現(xiàn)有HLR/HSS接口，2G/3G/4G/5G融合用戶的業(yè)務(wù)在UDM/HSS/HLR中直接處理，非5G用戶的業(yè)務(wù)則轉(zhuǎn)發(fā)回現(xiàn)網(wǎng)HLR/HSS處理，現(xiàn)網(wǎng)HLR/HSS設(shè)備無需升級即可演進(jìn)。

通過內(nèi)置路由中繼功能規(guī)避了對外置路由設(shè)備DRA/STP的依賴，DRA/STP無需額外擴容，同時解決5G開通時鑒權(quán)數(shù)據(jù)[8]無法遷移到新建融合UDM/HSS/HLR/UDR的問題，用戶遷移確保了同一個用戶的簽約只存在一個UDR數(shù)據(jù)庫，保證了簽約一致性。在這個方案中，融合UDM/HSS/HLR只進(jìn)行業(yè)務(wù)消息的透明轉(zhuǎn)發(fā)，解決了UDM業(yè)務(wù)邏輯復(fù)雜的痛點。

用戶數(shù)據(jù)管理通常分為FE（Front End，前端）和BE（Back End，后端），前端通常保存用戶的動態(tài)信息，包括信令、路由、狀態(tài)及會話等信息，是隨時更新和變化的。后端通常保存的是用戶簽約時的一些策略、業(yè)務(wù)、套餐等信息。

中繼方案具體實現(xiàn)時，基于實現(xiàn)中繼功能的不同組件細(xì)化為兩種落地方案：FE前端中繼方案和BE后端中繼方案。

（1）前端中繼方案

由FE內(nèi)置中繼功能，F(xiàn)E可根據(jù)其UDR中用戶數(shù)據(jù)的記錄情況自動構(gòu)建用戶的路由信息，將未開通5G業(yè)務(wù)的2G/3G/4G業(yè)務(wù)請求路由發(fā)給現(xiàn)網(wǎng)HLR/HSS處理，同時也發(fā)送鑒權(quán)消息。該方案解決了用戶開通5G時，受理系統(tǒng)無法從現(xiàn)網(wǎng)HLR/HSS遷移鑒權(quán)信息的難點。該方案可用于異廠家對接。

（2）后端中繼方案

由5G BE（5GC UDR）中內(nèi)置中繼功能，5G BE將只是2G/3G/4G用戶的數(shù)據(jù)訪問請求路由給現(xiàn)網(wǎng)EPS UDR（HLR/HSS BE）處理。此方案要求新舊UDR統(tǒng)一Ud接口的實現(xiàn)，且由5GC UDR兼容現(xiàn)有EPS UDR數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，對接的挑戰(zhàn)大，通常適用于同廠家UDR對接。

2.3? 增強型UDM方案

中繼方案可以適用于同廠家和異廠家兩種場景，但是對于異廠家情況，需要雙方就中繼消息達(dá)成一致，可以進(jìn)行中繼消息對接和互通，這就需要升級現(xiàn)網(wǎng)HLR/HSS設(shè)備，無法做到對現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)不影響。我們需要做到異廠家情況下，無需升級現(xiàn)網(wǎng)HLR/HSS而能夠?qū)崿F(xiàn)2G/3G/4G用戶不換卡不換號享受5G SA業(yè)務(wù)，增強型UDM方案可以解決這個問題。

新廠家通過部署同時支持2G/3G/4G和5G接口機，同時支持NSA和SA的接口、協(xié)議和服務(wù)，架起兩者之間的橋梁，實現(xiàn)無需對現(xiàn)網(wǎng)HLR/HSS升級即可完成兩者之間的互通，即可讓NSA用戶實現(xiàn)SA用戶數(shù)據(jù)簽約，從而在對現(xiàn)網(wǎng)無影響的情況下，實現(xiàn)NSA用戶不換卡不換號享受SA的網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)，以最低的代價提升用戶體驗，如圖3所示：

該演進(jìn)方案需要接口機支持2G/3G/4G的MAP/Diameter協(xié)議以和HLR/HSS進(jìn)行互通，同時還需要支持服務(wù)化SBA的HTTP/2協(xié)議，以和UDM/AUSF進(jìn)行互通。由于接口機功能同時支持兩側(cè)，不需要用戶數(shù)據(jù)遷移，避免了異廠家之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，同時對于BOSS側(cè)來說，也避免了改造升級，從而可以降低風(fēng)險，節(jié)省投資。

2.4? 全融合的用戶數(shù)據(jù)方案

從上述演進(jìn)方案可以看出，要想做到平滑演進(jìn)，需將2G/3G/4G HLR/HSS和5G UDM/UDR進(jìn)行融合，全融合的用戶數(shù)據(jù)管理[9]是實現(xiàn)2G/3G/4G/5G核心網(wǎng)全融合的基礎(chǔ)，是NSA和SA的全融合的保證。

通過部署全融合的用戶數(shù)據(jù)管理平臺，提供極簡、高效的基于虛擬化及SBA/eSBA架構(gòu)，面向5G全演進(jìn)的2G/3G/4G/5G用戶數(shù)據(jù)集中統(tǒng)一管理的平臺，如圖4所示。

在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，主要針對從2G/3G/4G升級到5G的用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)遷移，在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中后期，可以根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)傳統(tǒng)HLR/HSS設(shè)備老舊情況，逐步將未開通5G業(yè)務(wù)的原有2G/3G/4G用戶遷移至新建的全融合用戶數(shù)據(jù)管理平臺，實現(xiàn)不換卡、不換號，免開通方案解決了用戶大量遷移的問題，保證了業(yè)務(wù)的平滑遷移，保障了NSA向SA的平滑演進(jìn)。

2.5? 攜號轉(zhuǎn)網(wǎng)場景下的數(shù)據(jù)遷移方案

2019年12月1日，工信部宣布三大運營商的用戶可以攜號轉(zhuǎn)網(wǎng)，自由遷徙，這是用戶選擇權(quán)的勝利，但是從運營商的用戶數(shù)據(jù)管理來說，這帶來了新的挑戰(zhàn)，如何在不換號情況下實現(xiàn)跨運營商的數(shù)據(jù)遷移，已經(jīng)成為業(yè)界關(guān)注的焦點。

攜號轉(zhuǎn)網(wǎng)對用戶來說只是MSISDN保持不變，用戶通過查詢工信部的NPDB（Number Portability Database，號碼攜帶數(shù)據(jù)庫）來獲悉自己歸屬哪個運營商，然后路由到目標(biāo)運營商。由于各個運營商提供的業(yè)務(wù)不同、套餐架構(gòu)不同和資費不同，因此運營商之間的數(shù)據(jù)是無法進(jìn)行無縫遷移的，事實上是需要用戶在新的運營商里重新進(jìn)行放號（保留原MSISDN），從而獲取新的IMSI號碼。

而在5G場景下，用戶從原運營商結(jié)算轉(zhuǎn)出后，在新的運營商放號，可以直接按SA用戶進(jìn)行放號，即可享受到SA業(yè)務(wù)。

3? ?結(jié)束語

用戶數(shù)據(jù)向5G的演進(jìn)有眾多的先決條件和限定因素，諸如同廠家還是異廠家、虛擬化還是非虛擬化等，存在著多條路徑多種方案，每個方案都有自己的最優(yōu)使用條件。運營商要根據(jù)自身的網(wǎng)絡(luò)狀況和策略選擇合適的演進(jìn)方案。無論是不考慮平滑演進(jìn)的整體搬遷方案，對現(xiàn)網(wǎng)HLR/HSS做升級后的中繼方案，不改動現(xiàn)網(wǎng)HLR/HSS的方案，還是增強型UDM方案，都提供了一種通用、可行和易部署的異廠家演進(jìn)方案。

而在攜號轉(zhuǎn)網(wǎng)鋪開后，運營商還面臨著發(fā)展更多新用戶、保留老用戶的挑戰(zhàn)，而快速進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)的演進(jìn)，又將為更好地開展這項工作提供更多的支撐。

國內(nèi)5G NSA商用后，無論是政府、公眾，還是運營商，對5G的期望很高，希望通過5G能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級，創(chuàng)造新的業(yè)態(tài)，最終開創(chuàng)多方共贏的局面。而這些期望，5G NSA是無法實現(xiàn)的，鄔賀銓院士在接受人民郵電報專訪時也表示，“只有SA獨立組網(wǎng)，才能真正帶動中國5G產(chǎn)業(yè)的發(fā)展”[10]。當(dāng)前隨著當(dāng)前5G SA的各項生態(tài)已經(jīng)逐步成熟，5G SA離商用越來越近，5G核心網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)的演進(jìn)和部署作為5G SA的基礎(chǔ)之一，必將在未來發(fā)揮越來越重要的作用。

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作者簡介

陳亞權(quán)（orcid.org/0000-0001-9966-367X）：工程師，學(xué)士畢業(yè)于江蘇理工學(xué)院，現(xiàn)任中興通訊股份有限公司電信云與核心網(wǎng)產(chǎn)品線產(chǎn)品規(guī)劃總工程師，研究方向為5G核心網(wǎng)的規(guī)劃。

姬慶發(fā)：工程師，學(xué)士畢業(yè)于東南大學(xué)，現(xiàn)任中興通訊股份有限公司電信云與核心網(wǎng)產(chǎn)品線產(chǎn)品規(guī)劃總工程師，研究方向為5G核心網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)存儲與信令路由。

方琰崴：高級工程師，碩士畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)信息學(xué)院，現(xiàn)任中興通訊股份有限公司電信云與核心網(wǎng)產(chǎn)品線產(chǎn)品規(guī)劃總工程師、產(chǎn)品市場總監(jiān)，研究方向為電信云與核心網(wǎng)的組網(wǎng)和關(guān)鍵技術(shù)。