4G/5G互操作方法及實(shí)現(xiàn)

朱衛(wèi)鋒 鄭圣 姚勇

中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司江蘇省分公司

0 引言

5G SA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，5G網(wǎng)絡(luò)沒有4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋好，當(dāng)用戶移動(dòng)到?jīng)]有5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方時(shí)，需要能夠繼續(xù)使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)和終端都必須支持用戶在5G網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)之間切換時(shí)的業(yè)務(wù)連續(xù)性，從而真正保障用戶感知，達(dá)到隨時(shí)隨地都能接入。

而語音業(yè)務(wù)的感知最直接，初期的用戶語音業(yè)務(wù)方案采用的是EPS FB，仍由4G網(wǎng)絡(luò)來提供服務(wù)，由廣泛覆蓋的4G網(wǎng)絡(luò)來確保通話的穩(wěn)定性與可靠性。當(dāng)前4G/5G網(wǎng)絡(luò)間的互操作是非常重要的。

目前聯(lián)通5GC的AMF和EPC的MME間采用了N26接口，4G MME和5G AMF間利用N26接口來傳遞用戶上下文，從而為互操作業(yè)務(wù)提供無縫會話連續(xù)性。因此EPC核心網(wǎng)需要具備：

（1）MME升級支持N26接口，5G用戶通過N26接口實(shí)現(xiàn)連接態(tài)4G/5G網(wǎng)絡(luò)間切換和空閑態(tài)的重選；

（2）MME升級 支 持 基 于 終 端 能 力 和UDM簽 約Interworking-5GS-Indicator參數(shù)靈活組合選擇融合SMF+PGW-C網(wǎng)關(guān)，目前聯(lián)通基于UDM簽約參數(shù)選擇融合SMF+PGW-C網(wǎng)關(guān)。

現(xiàn)網(wǎng)SGW通過S5接口對接SMF+PGW-C和UPF+PGW-U，實(shí)現(xiàn)5G用戶在4G區(qū)域接入。SMF需要獲取IWK字段判斷出是5G簽約用戶，分配5G QOS，支持4G/5G互操作。

4G/5G互操作架構(gòu)如圖1所示。

圖1 4G/5G互操作架構(gòu)

1 互操作信息映射

1.1 身份映射

當(dāng)UE在5G和4G之間移動(dòng)時(shí)，需要按照圖2的映射關(guān)系將5G-GUTI映射成EPS-GUTI，或者將EPS-GUTI映射成5G-GUTI，在相應(yīng)的消息中帶給AMF或MME，AMF或MME通過DNS查詢獲得相應(yīng)網(wǎng)元的地址信息，再通過N26接口獲取用戶上下文。5G-GUTI和EPS-GUTI對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 5G-GUTI和4G-GUTI的映射規(guī)則

1.2 QoS映射

5G QoS參數(shù)繼承了4G QoS的基本架構(gòu)，在其基礎(chǔ)上修改了部分參數(shù)的名稱及含義，并增加了RQA。詳細(xì)映射關(guān)系如表1所示。

表1 4G/5G Qos對應(yīng)關(guān)系

在4G/5G互操作時(shí)，由于5G的QoS Flow可以有63個(gè)，而EPS Bearer最大只有11個(gè)，理論上來說，可能存在QoS Flow無法1:1映射到EPS bearer的情況，即N:1的情況。為了支持用戶在4G/5G互操作時(shí)的體驗(yàn)不下降，在N:1場景下，

設(shè)置Qos映射關(guān)系時(shí)，可通過以下兩個(gè)操作進(jìn)行避免：

（1）QoS Flow和EPS bearer的映射規(guī)則和決策點(diǎn)在SMF執(zhí)行，SMF可以有選擇地將部分有業(yè)務(wù)連續(xù)性保障的業(yè)務(wù)的QoS Flow映射到EPS bearer并切換到4G；

（2）由AMF分配QoS Flow對應(yīng)的EBI，沒有分配EBI的QoS Flow，SMF將不進(jìn)行QoS Flow和EPS bearer映射和切換。

2 4G/5G互操作的實(shí)現(xiàn)

2.1 融合SMF/PGW-C的發(fā)現(xiàn)及選擇

首先為了保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性，現(xiàn)網(wǎng)SMF融合了PGW-C的能力，以保證4G/5G的會話選到同樣的融合網(wǎng)關(guān)SMF+PGW-C，這樣才能保證4G/5G間互操作時(shí)網(wǎng)關(guān)不變更，業(yè)務(wù)不中斷，這是4G/5G互操作的一個(gè)前提。目前聯(lián)通公司的規(guī)范是按照用戶的簽約，即用戶在UDM中開戶，允許接入5G，APN簽約了Interworking-5GS-Indicator，這樣當(dāng)用戶附著到4G時(shí)，MME通過DNS查詢來選擇到融合SMF/PGW-C網(wǎng)關(guān)。

（1）MME配置：根據(jù)用戶的簽約數(shù)據(jù)，用戶支持IWK就選擇融合的PGW-C/SMF；

（2）DNS配置：對于SERVICE是+nc-smf選融合SMF/PGW-C網(wǎng)關(guān)，同時(shí)為了不影響4G用戶，降低+nc-smf 的order的優(yōu)先級。

2.2 MME和AMF的發(fā)現(xiàn)及選擇

4G/5G互操作的主要場景有4G/5G間的切換和重選。重選時(shí)MME/AMF需要先找到用戶之前注冊的AMF/MME的網(wǎng)元，然后通過N26接口取得用戶的上下文數(shù)據(jù)。而切換是MME/AMF先找到用戶準(zhǔn)備切換到的AMF/MME，然后通過N26接口發(fā)送到對端的切換請求消息中攜帶用戶的上下文數(shù)據(jù)。

（1）5G用戶在5G SA網(wǎng)絡(luò)接入，Handover切換到4G網(wǎng)絡(luò)

AMF根據(jù)gNodeB上報(bào)的切換請求消息里的目的4G TAI，到DNS查詢4G TAI對應(yīng)的MME。

查詢形式是：

tac-lbxx.tac-hbxx.tac.epc.mnc001.mcc460.3gppnetwork.org

該4G TAC的數(shù)據(jù)4G也在使用，在DNS中是已經(jīng)存在的。

（2）5G用戶從5G SA網(wǎng)絡(luò)接入，移動(dòng)到4G網(wǎng)絡(luò)的TAU流程

終端TAU到MME時(shí)，會自動(dòng)將5G的GUTI映射成4G的GUTI，MME根據(jù)GUAMI映射的GUMMEI，到DNS上查詢并獲得AMF。

查詢形式是：

mmecxx.mmegixxxx.mme.epc.mnc001.mcc460.3gppnetwork.org

該AMF數(shù)據(jù)在DNS中是需要新增的。

（3）5G用戶從4G網(wǎng)絡(luò)接入，移動(dòng)到5G SA網(wǎng)絡(luò)注冊

終端注冊到AMF時(shí)，會自動(dòng)將4G的GUTI映射成5G的GUTI，AMF根據(jù)映射的GUTI中的GUMMEI到DNS上查詢并獲得MME。

查詢形式是：

mmecxx.mmegixxxx.mme.epc.mnc001.mcc460.3gppnetwork.org

該數(shù)據(jù)4G也在使用，在DNS中是已經(jīng)存在的。

（4）5G用戶從4G網(wǎng)絡(luò)接入，Handover切換到5G SA網(wǎng)絡(luò)

MME根據(jù)eNodeB在切換請求消息里的目的5G NR的TAI，到DNS查詢5G NR的TAI對應(yīng)的AMF。

查詢形式是：

tac-lbxx.tac-mbxx.tac-hbxx.5gstac.5gc.mnc001.mcc460.3gppnetwork.org

該5G TAI的數(shù)據(jù)在DNS中是需要新增的。

2.3 語音EPS FB

5G仍沿用4G的語音架構(gòu)，基于IMS為用戶提供語音業(yè)務(wù)。在5G早期主推的是EPS FB的解決方案，最終的演進(jìn)目標(biāo)是VoNR解決方案。目前聯(lián)通EPS FB主推切換模式，即當(dāng)5G用戶語音呼叫建立專載時(shí)，NR向AMF發(fā)送拒絕PDU會話資源修改的消息，原因是EPS FB，AMF也會把這個(gè)原因告知SMF。同時(shí)NR發(fā)起向4G的切換，切換到4G并做完TAU后再建立專載。

這首先就有一個(gè)5G切換4G的過程。由于人網(wǎng)和物網(wǎng)的語音都使用IMS這個(gè)APN/DNN，聯(lián)通數(shù)據(jù)規(guī)范要求對于SERVICE是+nc-smf的只送人網(wǎng)的融合SMF+PGW-C網(wǎng)關(guān)，而物聯(lián)網(wǎng)用戶5GC的語音呼叫EPS FB時(shí)，AMF發(fā)給MME的Forward Relocation Request消息中攜帶的是物網(wǎng)的SMF+PGW-C網(wǎng)關(guān)，不同廠家的MME對于這種切換的處理方式有差異，如E廠家目前版本的MME對于也支持nc-nr的終端（5G SA終端一般都支持），還會去DNS查詢SERVICE是+nc-nr的記錄，如果DNS做了+nc-nr的記錄并且返回的網(wǎng)關(guān)不包含F(xiàn)orward Relocation Request消息中攜帶的物網(wǎng)的SMF+PGW-C網(wǎng)關(guān)，MME會觸發(fā)IMS的PGW重選，導(dǎo)致語音呼叫失敗，因此目前暫時(shí)的規(guī)避方法是DNS中不做IMS的+nc-nr的記錄，而廠家需下個(gè)版本才會解決這個(gè)問題。

2.4 4G/5G互操作案例

4G/5G互操作，涉及到4G和5G的網(wǎng)元，這些網(wǎng)元不僅需要軟件版本支持4G/5G互操作，還需要配置4G/5G互操作的數(shù)據(jù)，使不同廠家的4G和5G的設(shè)備相互配合完成4G/5G互操作，從而保證5G網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)之間業(yè)務(wù)的連續(xù)性，真正保障5G用戶的感知。

（1）SMF的FQDN和DNS配置的SMF的FQDN不一致導(dǎo)致EPS FB失敗

本省5G SA測試過程中，在H廠家的MME區(qū)域EPS FB正常，但是在E廠家MME區(qū)域EPS FB失敗。消息跟蹤EPS FB時(shí)，AMF通過N26接口發(fā)給MME的FORWARD RELOCATION REQUEST消 息 中 所 帶 的PGW即SMF的 FQDN是topon.pgw-s5.saegw800.nj.js.node.epc.mnc001.mcc460.3gppnetwork.org，這個(gè)FQDN是SMF網(wǎng)元中配置的。如圖3所示。

圖3 MME跟蹤消息

E廠家的MME和H廠家的MME的處理機(jī)制稍有不同，E廠家的MME在EPS FB時(shí)也去DNS查詢PGW，并檢查DNS查詢 的PGW和AMF送來的FORWARD RELOCATION REQUEST消息中所帶的PGW是否有交集。

由于DNS中配置的該SMF的FQDN的格式是：topon.pgw-s5.smf800.nj.js.node.epc.mnc001.mcc460.3gppnetwork.org，與AMF發(fā)過來的不一致，導(dǎo)致默載成功后，專載建立時(shí)MME回復(fù)失敗。

解決辦法：在SMF中修改SMF的FQDN的格式，與DNS的數(shù)據(jù)保持一致，該問題得到解決。

（2）AMF的GUAMI和DNS配置的不一致導(dǎo)致5G到4G的重定向失敗

5G SA測試時(shí)發(fā)現(xiàn)5G到4G的重定向失敗，跟蹤消息發(fā)現(xiàn)在TAU流程中，MME回復(fù)TAU REJ，CAUSE是隱含關(guān)機(jī)。

如圖4所示。

圖4 重定向-基站跟蹤消息

檢 查TAU REQUEST消 息，用 戶 的OLD-GUTI中 的GUAMI和DNS中配置的AMF的信息不一致，導(dǎo)致DNS沒有查詢到OLD-GUTI中的GUAMI對應(yīng)的AMF，因此取不到用戶上下文，因此TAU失敗，需要用戶重新附著。

檢查原因，原來當(dāng)天AMF修改了自己的GUAMI信息，但是DNS上配置的該AMF的信息沒有同步修改。在DNS上修改該AMF的配置信息后，5G到4G的重定向流程測試成功。

3 結(jié)束語

在5G SA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、語音業(yè)務(wù)都需要4G/5G的互操作，這就涉及到5GC和EPC的網(wǎng)元，也會涉及到不同廠家的各個(gè)網(wǎng)元之間的配合，因此需要經(jīng)過各種場景、各種業(yè)務(wù)的詳細(xì)測試，使4G/5G的互操作順利流暢，提升5G用戶的業(yè)務(wù)感知。