4G與5G融合組網(wǎng)及互操作技術(shù)分析

吳凌博，岳 勝

（1.深圳市智慧城市通信有限公司，廣東 深圳 518000；2.廣東省南方電信規(guī)劃咨詢設(shè)計院有限公司，廣東 深圳 518038）

1 4G與5G技術(shù)融合組網(wǎng)面臨問題分析

4G與5G技術(shù)融合組網(wǎng)現(xiàn)階段面臨著一定的問題，基于3G技術(shù)發(fā)展起來的4G技術(shù)逐漸與3G相對應(yīng)系統(tǒng)體現(xiàn)出不適應(yīng)情況，而5G技術(shù)整體上比4G技術(shù)更先進，與原有3G技術(shù)相應(yīng)系統(tǒng)適應(yīng)性更難得到保證。當前4G通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)十分普及，其設(shè)計可以充分滿足IMT-A使用中IP服務(wù)要求，也因為4G通信網(wǎng)絡(luò)需要滿足這IP服務(wù)要求使用了諸多諸如鏈路自適應(yīng)、多輸入多輸出等電網(wǎng)（無線）技術(shù)，可以有效解決網(wǎng)絡(luò)“繁忙”等問題。并，4G技術(shù)低移動情況下，數(shù)據(jù)傳輸速度1Gbit/s可以實現(xiàn)。

盡管4G技術(shù)優(yōu)勢諸多，但在隨著終端（移動）用戶逐漸增加，多數(shù)網(wǎng)絡(luò)用戶對網(wǎng)絡(luò)接入提出更高要求，需要網(wǎng)絡(luò)可以滿足多樣化PC、智能手機、多媒體工程、移動設(shè)備等通信需求。近年來諸多通信設(shè)備逐漸豐富，通信設(shè)備的數(shù)量增加，使得所需通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)數(shù)量出現(xiàn)驟增趨勢。隨著越來越多無線設(shè)備接入4G通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)量增加，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境充滿挑戰(zhàn)。以蜂窩通信為例，當接入的無線設(shè)備增加，其必須要不斷擴充自身的無線頻譜資源，但當前其頻譜資源相對不足，使得其無法適應(yīng)無線通信設(shè)備接入增加這一情況。另外，無線技術(shù)越先進所需要能耗越大，成為制約4G無線通信技術(shù)發(fā)展的一大因素。以4G技術(shù)為基礎(chǔ)進行研發(fā)的5G技術(shù)，在與4G技術(shù)融合組網(wǎng)與互操作中也不得不考慮這些問題。

2 4G與5G融合互操作架構(gòu)

2.1 技術(shù)（4G與5G）融合組網(wǎng)互操作相關(guān)架構(gòu)設(shè)計

通信技術(shù)融合組網(wǎng)簡言之即將4G與5G業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)一體化融合，對技術(shù)發(fā)展過程來說，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合、用戶簽約相關(guān)數(shù)據(jù)融合、連續(xù)性業(yè)務(wù)等屬于技術(shù)融合發(fā)展中必須要考慮的問題?；诰W(wǎng)絡(luò)演進的需求，原有技術(shù)中PP定義了相應(yīng)的4G與5G的網(wǎng)元（融合），包 括 PCF+PCRF、SMF+PGW—C、U+UPF—PGW、UDM+HSS等。根據(jù)4G與5G技術(shù)特點，設(shè)計的兩種技術(shù)融合互操作架構(gòu)如下圖，其中N26屬于可選接口，與之相對應(yīng)的業(yè)務(wù)需求、部署策略由運營商應(yīng)用部署決定。

圖1 兩種技術(shù)融合互操作系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 融合組網(wǎng)重要性

4G與5G大部分交互流程可通過相應(yīng)的網(wǎng)元接口實現(xiàn)，無須重新或者單獨定義新的轉(zhuǎn)換接口，但兩種技術(shù)之間交互流程并不包括用戶狀態(tài)管理。在兩種技術(shù)交互過程中根據(jù)網(wǎng)元接口不同采用不同部署。

PCF+PCRF此種融合部署方式可以實現(xiàn)統(tǒng)一的流量管理，用戶同一個流量套餐可以在同一用戶下不同接入方式的流量累計處理，并且支持相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一控制，可實現(xiàn)針對用戶網(wǎng)絡(luò)切換實際情況進行QoS映射，確保對用戶體驗進行管理與調(diào)控。若PCF、PCRF兩者并不采用融合組網(wǎng)部署，則無法實現(xiàn)同一用戶多接入設(shè)備流量的累計處理，使得相應(yīng)用戶流量數(shù)據(jù)很難實現(xiàn)同步，想要通過統(tǒng)一套餐對用戶流量控制難度很大，并且需要在不同網(wǎng)元中分別受理流量數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)處理的難度大大增加[1]。

UPF+PGW-U、SMF+PGW-C融合部署可以確保4G與5G兩種技術(shù)在更新過程中業(yè)務(wù)連續(xù)性，確保用戶不會因為技術(shù)更新而影響通信網(wǎng)絡(luò)使用或體驗，實現(xiàn)無縫技術(shù)切換，并且此種融合部署對接入制式不敏感，在技術(shù)切換過程中用戶錨點無須要變更，可以有效減少由于業(yè)務(wù)多次處理帶來的資源浪費。若UPF與PGW-U或SMF與PGW-C并沒有采用融合組網(wǎng)，在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)切換過程中IP地址（用戶）會發(fā)生改變，使得用戶會話或者業(yè)務(wù)連續(xù)性受到影響，且業(yè)務(wù)處理過程中需要更多的資源，使得網(wǎng)絡(luò)負荷增加。

UDM+HSS使用AUC（同一）融合部署，無須二次獲取鑒權(quán)向量，同時可以在BOSS方面進行相應(yīng)的統(tǒng)一管理，有效降低后期維護與操作的難度。采用此種融合部署方式，用戶無論從5G注冊還是從4G注冊，HSS、UDM可通過相應(yīng)接口，實現(xiàn)對端相應(yīng)用戶注冊信息的清除，使得整個業(yè)務(wù)處理流程更加簡化。若HSS、UDM兩者并不采用融合組網(wǎng)部署，則雙方需要通過Diameter或者MAP接口進行鑒權(quán)五元組，整個流程十分復(fù)雜，并且在BOSS方面也需要考慮不同網(wǎng)元間數(shù)據(jù)與操作的一致性問題，使得處理的難度進一步增加。

3 4G與5G兩種通信技術(shù)互操作處理流程

3.1 N26接口未部署時的互操作

若兩種通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間并沒有部署相應(yīng)的N26接口，網(wǎng)絡(luò)則可以使用存儲UE使用（UDM+HSS）相關(guān)的APN/DNN、PGW-C+SMF信息，使得UE的IP地址具有連續(xù)性。沒有N26接口部署時，UE初始（網(wǎng)絡(luò)側(cè)）過程中需要對雙注冊能力進行指示，以確保其可以協(xié)助UE決定觸發(fā)互操作流程之前是否進行目標網(wǎng)絡(luò)注冊。若雙注冊模式注冊網(wǎng)絡(luò)發(fā)生移動后，并移動到N26接口支持區(qū)域，可以利用網(wǎng)絡(luò)層攜帶相應(yīng)的重注冊指示，請求UE進行相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)注銷，同時在UE重注冊過程中網(wǎng)絡(luò)側(cè)支持雙注冊模式的相關(guān)指示不再攜帶，讓UE使用單注冊的模式進行相應(yīng)的沖注冊操作。

3.2 N26接口部署互操作

N26接口是否部署直接影響著互操作過程，通過此接口的接入，可以支持兩種通信網(wǎng)絡(luò)之間會話管理狀態(tài)、移動性管理狀態(tài)地傳送，故當有N26接口部署時，僅需要單注冊模式即可。并在單注冊基礎(chǔ)上，保持UE移動性管理狀態(tài)即可，便可以實現(xiàn)兩種通信網(wǎng)絡(luò)用戶無縫切換。當UE發(fā)生5GC—EPC時，基于運營商管理策略及SMF的EPS能力會決定選擇哪些重點目標EPS，并將無法遷移PDU會話釋放。UE處于空閑態(tài)時，若發(fā)生了5GC—EPC移動，UE會選擇使用EPS—GUTI（為5G—GUTI而來）映射進行追蹤實現(xiàn)移動性處理，通過N26接口MME可以獲取5G通信網(wǎng)絡(luò)中UE的會話管理、移動性管理上下文。在整個處理過程中MME+N26等同于S10接口。若UE在連接狀態(tài)時，無論是否發(fā)生網(wǎng)絡(luò)移動，都會執(zhí)行切換流程，在切換過程中UDM+HSS不受理針對UE的發(fā)來（MME或者AMF）的注冊請求。

3.3 雙注冊與單注冊

為了適應(yīng)不同EPCNAS、5GCNAS的相應(yīng)UE定義需求，5G通信技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計雙注冊和單注冊兩種注冊模式，從UE角度分析其中單注冊為必選功能，運營商可以依據(jù)業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)部署進行雙注冊功能選擇。在相關(guān)UE注冊時可以向網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)送相應(yīng)指示，表明UE具備EPCNAS、5GCNAS能力，可實現(xiàn)后續(xù)互操作處理。如果為單注冊，UE在同一時間內(nèi)其管理狀態(tài)保持一種，可以是EPC、5GC注冊管理狀態(tài)中任意一種。若4G與5G出現(xiàn)互操作時UE會將通信網(wǎng)絡(luò)當前映射根據(jù)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換形式進行調(diào)整，若是4G—5G時則映射調(diào)整EPS—GUTI，若是5G—4G時則映射調(diào)整GUTI—EPS。如果為雙注冊，UE可以獨立完成EPC、5GC注冊流程處理，并將EPC—GUTI、5G—GUTI存儲，這兩種映射是由EPC系統(tǒng)或5GC系統(tǒng)分配的。雙注冊情況下可以同時注冊相應(yīng)的EPC、5GC，或者單獨注冊EPC、5GC[2]。

4 結(jié)束語

綜上所述，4G與5G融合組網(wǎng)及互操作技術(shù)相對較為復(fù)雜，在相互操作過程中需要充分結(jié)合技術(shù)具體使用情況，對4G與5G融合互操作架構(gòu)進行設(shè)計，并在之后融合互操作處理中根據(jù)實際情況進行不同處理，可根據(jù)N26接口未部署時的互操作、N26接口部署互操作、雙注冊與單注冊等，全面提升4G與5G融合組網(wǎng)及互操作質(zhì)量促進技術(shù)進步與發(fā)展。