4G/5G網(wǎng)絡融合演進探析

謝沛榮，李文苡

（中國電信股份有限公司研究院，廣東 廣州 510630）

0 引言

中國電信率先于2020年11月實現(xiàn)了5G SA在全國300多個城市的正式商用，拉開了5G SA網(wǎng)絡在國內(nèi)商用的帷幕。

當前典型的4G/5G融合網(wǎng)絡架構如圖1所示。為實現(xiàn)4G與5G的互操作，5GC部署了4G/5G融合網(wǎng)元[1]（UDM/AUSF/HSS，PCF/PCRF，SMF/GW-C，UPF/GW-U），同時AMF與MME分別獨立組Pool，并通過N26接口互聯(lián)。4G與5G網(wǎng)絡協(xié)同為移動用戶提供了平滑的4G/5G數(shù)據(jù)上網(wǎng)服務。

雖然目前EPC網(wǎng)絡仍然承擔著絕大多數(shù)用戶上網(wǎng)的任務，但未來隨著5G網(wǎng)絡規(guī)模的進一步擴大，技術的進一步演進發(fā)展，EPC網(wǎng)絡將何去何從，是電信運營商都十分關心的問題。

圖1 典型的4G/5G網(wǎng)絡協(xié)同組網(wǎng)圖

1 中國電信移動核心網(wǎng)的中長期目標架構

3GPP標準組織對于4G/5G移動網(wǎng)絡的定義了6種架構選項[2]。

如圖2所示，國內(nèi)運營商原有的EPC網(wǎng)絡使用的就是Option1，而新部署的SA與NSA（Non Stand alone，非獨立組網(wǎng)）網(wǎng)絡則分別采用Option2與Option3。從圖中可知如果后續(xù)要演進為Option4、Option5或Option7，均需要把現(xiàn)網(wǎng)的eNodeB基站升級為Evolved eNodeB基站（或簡稱eLTE基站）。此外如部署了NB-IoT（Narrow Band Internet of things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）功能，根據(jù)3GPP標準，NB-IoT升級接入5GC，也需要把LTE基站升級為eLTE基站[3]。

但升級eLTE基站，無論是對LTE基站還是對終端的改造都非常大，而且此升級對于網(wǎng)絡性能無明顯提升。目前網(wǎng)絡廠家與芯片/終端廠家均無計劃支持eLTE基站與終端，國內(nèi)外也無運營商對此提出明確需求，eLTE嚴重缺乏產(chǎn)業(yè)鏈支持。因此在4G/5G共存期間，LTE基站不建議升級為eLTE基站，考慮到后續(xù)NSA基本不會再投資部署，5GC與EPC的融合組網(wǎng)（Option1+Option2）將是移動核心網(wǎng)主流的中長期架構，同時NB-IoT業(yè)務也將長期由4G網(wǎng)絡繼續(xù)承載。

2 EPC網(wǎng)絡的演進

雖然EPC網(wǎng)絡將長期存在，但結(jié)合4G用戶逐漸向5G的遷移，及5GC的擴容與演進，EPC網(wǎng)絡也可以相應進行優(yōu)化與調(diào)整。此外隨著傳統(tǒng)EPC設備因報廢年限等原因逐漸退網(wǎng)，在擴容EPC時也需要考慮設備的部署形態(tài)。

2.1 MME組網(wǎng)

MME主要負責處理NAS信令及接入安全驗證，移動性管理與會話管理等功能，并且通過N26接口與AMF互聯(lián)。MME的演進主要有保持MME繼續(xù)獨立部署與MME/AMF合設兩種思路，具體來說有以下三種可能的方案。

（1）方案一：獨立疊加

如圖3所示，新建MME（或vMME），新建的MME與傳統(tǒng)MME混合組Pool，MME Pool與AMF Pool之間繼續(xù)通過N26接口實現(xiàn)4G/5G互操作。

圖2 4G/5G演進架構選項

圖3 MME獨立部署方案

這種方案最大的優(yōu)勢是AMF頻繁的升級不會影響4G網(wǎng)絡的穩(wěn)定性運行。因為AMF作為5GC的關鍵網(wǎng)元，隨著5G的優(yōu)化完善及功能增加，必然要經(jīng)常性的進行升級；而MME作為4G網(wǎng)元，其功能已經(jīng)十分穩(wěn)定，兩網(wǎng)元分開部署就避免了一方的頻繁升級對另一方造成影響。此外分設還可以帶來4G、5G核心網(wǎng)組網(wǎng)獨立清晰與規(guī)劃簡單的好處。

但MME與AMF分開部署，導致了4G與5G互操作網(wǎng)元間信令交互多及互操作時延較大，同時4G/5G兩套網(wǎng)絡獨立維護，節(jié)點管理的工作量也較大。

（2）方案二：合設疊加

如圖4所示，現(xiàn)網(wǎng)AMF升級為AMF/MME融合網(wǎng)元，AMF/MME融合網(wǎng)元單獨組MME Pool，與現(xiàn)網(wǎng)MME Pool分開，同時LTE基站需要升級或配置支持同時連接多個MME Pool。

這種融合組網(wǎng)方式可實現(xiàn)VM、內(nèi)存等資源的共享，較非融合方式資源利用率有所提升，同時減少了網(wǎng)元類型，簡化了運維。

但這種方案主要存在3個問題：

1）AMF頻繁升級可能影響4G網(wǎng)絡的穩(wěn)定運行。

2）規(guī)劃困難。由于AMF/MME和5G/4G基站間的端口數(shù)受限，且5G和4G基站覆蓋范圍有較大差異，從而導致AMF和MME的容量規(guī)劃和區(qū)域規(guī)劃復雜。

3）傳統(tǒng)MME Pool與AMF/MME Pool間負載不均衡。由于AMF/MME融合網(wǎng)元支持5G接入，因此用戶只要通過初始接入或互操作，接入過一次融合網(wǎng)元，就會一直附著在融合網(wǎng)元上，造成兩個Pool的負載不均衡。

（3）方案三：合設融合

此方案如圖4所示，現(xiàn)網(wǎng)AMF升級為AMF/MME融合網(wǎng)元，AMF/MME融合網(wǎng)元與現(xiàn)網(wǎng)MME共同組Pool，但AMF/MME融合網(wǎng)元與現(xiàn)網(wǎng)MME必須同廠家才能實現(xiàn)共同組Pool。

本方案的優(yōu)缺點基本同方案二。唯一不同的是，此方案是Pool內(nèi)傳統(tǒng)MME與AMF/MME融合網(wǎng)元間的負載不均衡。

從以上的分析可知，AMF和MME合設的優(yōu)勢并不明顯，且對網(wǎng)絡規(guī)劃、運營維護帶來一定的復雜度，特別是AMF的頻繁升級會對MME的服務造成影響，建議繼續(xù)采用AMF與MME分開設置方式。

2.2 DRA/SCP組網(wǎng)

DRA在EPC網(wǎng)絡中主要負責Diameter消息的轉(zhuǎn)發(fā)與尋址，而3GPP在R16階段也引入了一個類似的可選網(wǎng)元SCP（Service Communication Proxy，服務通信代理），可進行服務化消息的轉(zhuǎn)發(fā)和尋址。

在3GPP R15標準中，5GC網(wǎng)元間只能進行直接通信，即消費者與生產(chǎn)者間直接進行通信；當引入SCP后，5GC也支持了間接通信模式，具體包括模式C與模式D[1]。

如圖5所示，在模式C中，服務消費者進行服務發(fā)現(xiàn)并選擇服務生產(chǎn)者實例或?qū)嵗M后，把包含生產(chǎn)者實例/實例組地址的請求消息發(fā)送給SCP，由SCP進行路由轉(zhuǎn)發(fā)；在模式D中，服務消費者直接將服務請求與服務發(fā)現(xiàn)參數(shù)發(fā)給SCP，SCP完成代理服務發(fā)現(xiàn)并選擇服務生產(chǎn)者實例后路由消息。

圖4 MME與AMF合設部署

圖5 NF間服務交互的通信模式

由于SCP在網(wǎng)絡中的作用與DRA相似，同時SCP與DRA一樣也需要配置大量的信令路由規(guī)則，因此在實際部署時，一般會結(jié)合SCP來考慮DRA的演進部署。如引入SCP，就會把DRA功能合設在SCP，此時兩網(wǎng)元可以共享大部分的信令路由規(guī)則，大大降低了維護工作量。

在5GC中引入SCP，理論上可以帶來鏈路匯聚、靈活路由、負載均衡、安全隔離與信令適配等好處。下面仔細對于這些好處進行分析：

（1）鏈路匯聚。5GC已經(jīng)是全IP組網(wǎng)，對于IP網(wǎng)絡來說，通過鏈路匯聚來減少鏈路數(shù)，除了可以稍微提升故障定位效率外，并不會帶來明顯好處。而5G網(wǎng)絡的信令相比4G大大增加，如所有信令都由SCP轉(zhuǎn)接，反而還會帶來單點故障的風險，降低路由效率。

（2）靈活路由。5GC缺省只能支持IP或FQDN路由方式，而通過SCP的二次開發(fā)，可以支持更多的路由方式，如根據(jù)用戶號碼、切片ID、DNN、IP、域名等進行路由，但在實際現(xiàn)網(wǎng)中，暫時還沒有除IP/FQDN外的其他路由需求。

（3）負載均衡。如有SCP，且統(tǒng)一由SCP來具體選擇生產(chǎn)者實例（即采用模式D），的確可較好地實現(xiàn)負載均衡；如無SCP，NRF會根據(jù)心跳消息中收到的各網(wǎng)元的負載信息，來確定服務發(fā)現(xiàn)應答消息中返回的各生產(chǎn)者實例的前后順序，從而也可以在一定程度上實現(xiàn)負載均衡。

（4）安全隔離。通過SCP統(tǒng)一進行信令轉(zhuǎn)發(fā)，可以很方便地實現(xiàn)省或大區(qū)間的安全隔離與拓撲隱藏。但一般來說，同一運營商網(wǎng)內(nèi)還是相對安全的，在省與大區(qū)間進行安全隔離的必要性存疑。

（5）信令適配。SCP可與DRA融合部署，節(jié)省大量重復數(shù)據(jù)的配置工作。

從網(wǎng)絡架構和性能角度分析，引入SCP的優(yōu)勢并不明顯，因此建議維持DRA的獨立部署，后續(xù)可從運維效率和安全等方面再評估引入SCP的必要性。

2.3 其他EPC網(wǎng)元

對于UDM/HSS、PCF/PCRF、SMF/GW-C與UPF/GW-U等融合網(wǎng)元，考慮隨著4G用戶逐漸轉(zhuǎn)為5G用戶，后續(xù)所有ToC業(yè)務都將統(tǒng)一由融合網(wǎng)元來承載，因此可以考慮盡量避免或減少純EPC設備的擴容。

2.4 設備形態(tài)

在4G與5G網(wǎng)絡并存的長期過程中，EPC設備擴容采用何種設備形態(tài)也是需要關注的問題。對于是否引入vEPC設備，主要需考慮如下的因素：

（1）成本。綜合來看，近期虛擬化設備在建設成本上對比傳統(tǒng)設備沒有明顯優(yōu)勢。

（2）運維難度。在EPC現(xiàn)網(wǎng)全部是傳統(tǒng)設備情況下，引入vEPC與傳統(tǒng)EPC混合組網(wǎng)，對同一張網(wǎng)引入兩種不同的管理架構，勢必對運維提出了更高的要求。

（3）建設規(guī)模。近中期在傳統(tǒng)EPC設備未退網(wǎng)的情況下，由于有新建的SA網(wǎng)絡吸納部分4G用戶，EPC擴容需求不明確。

（4）廠家路標。需考慮廠家vEPC支持時間，及傳統(tǒng)設備停止銷售/傳統(tǒng)備件停止供應的時間。

總體來說，虛擬化是網(wǎng)絡長期演進的趨勢，對于大規(guī)模擴容（如老設備退網(wǎng)替換），建議采用vEPC方式部署；但對于近期的小規(guī)模EPC擴容，為減少運維難度，可考慮繼續(xù)采用傳統(tǒng)EPC方式。

3 結(jié)束語

5GC與EPC的融合組網(wǎng)（Option1+Option2）是移動核心網(wǎng)主流的中長期架構，圍繞此目標架構，本文重點對于4G/5G融合架構下的EPC網(wǎng)絡演進進行了分析，給出MME、DRA均獨立部署、盡量避免/減少純EPC設備擴容等初步建議。5G SA網(wǎng)絡畢竟還是一個新事物，隨著網(wǎng)絡的實際運營與發(fā)展，未來還不可避免需要對相關的演進策略進行修正與完善。