移動(dòng)網(wǎng)4G和5G互操作流程研究與實(shí)踐

中國聯(lián)通河南省分公司 劉天雪 譚 潔 高 磊 謝冬秀

5G時(shí)代已經(jīng)來臨，并在加速建設(shè)中，由于種種因素想要實(shí)現(xiàn)全覆蓋還需假以時(shí)日。在5G網(wǎng)絡(luò)部署的前中期階段，4G網(wǎng)絡(luò)會(huì)是在5G覆蓋不完善的情況下，作為保障用戶業(yè)務(wù)連續(xù)性的最好補(bǔ)充。如何發(fā)揮4/5G的協(xié)同優(yōu)勢(shì)，是運(yùn)營商亟待解決的課題。本文重點(diǎn)分析了4/5G互操作架構(gòu)及相關(guān)流程。

5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)前中期階段，5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋還無法達(dá)到全覆蓋，當(dāng)用戶移動(dòng)到?jīng)]有5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方時(shí)，需由廣泛覆蓋的4G網(wǎng)絡(luò)提供移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。讓5G終端可以在5G網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)之間切換且保證業(yè)務(wù)連續(xù)性，保障用戶感知，達(dá)到隨時(shí)隨地都能流暢體驗(yàn)業(yè)務(wù)。4/5G網(wǎng)絡(luò)間的互操作是非常重要的。5GC與4G EPC網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，可以更好地滿足4/5G業(yè)務(wù)的協(xié)同發(fā)展。

1 終端注冊(cè)模式

為了實(shí)現(xiàn)4/5G之間的互操作，UE終端支持在5GC和EPC網(wǎng)絡(luò)中單注冊(cè)和雙注冊(cè)兩種注冊(cè)模式，對(duì)UE終端來說，單注冊(cè)是必選功能，雙注冊(cè)為可選功能。運(yùn)營商可根據(jù)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)部署情況、業(yè)務(wù)需求和UE終端的能力等情況，選擇單注冊(cè)或者雙注冊(cè)模式。在UE向網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)過程中，UE向網(wǎng)絡(luò)側(cè)上報(bào)UE終端能力信息，表明UE支持5GC SA和EPC NAS的能力，以支持用戶在5GC和EPC間的互操作，可以保證用戶在5G網(wǎng)絡(luò)和4G網(wǎng)絡(luò)之間移動(dòng)和切換時(shí)業(yè)務(wù)的連續(xù)性不受影響，從而有效地提升用戶的使用體驗(yàn)。

1.1 終端單注冊(cè)模式

單注冊(cè)指終端UE某一時(shí)刻僅注冊(cè)到EPC或5GC網(wǎng)絡(luò)，即UE僅在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中注冊(cè)，注冊(cè)在EPC網(wǎng)絡(luò)中或者注冊(cè)在5GC網(wǎng)絡(luò)中，僅保存一套UE MM上下文狀態(tài)，可以是5GC的注冊(cè)管理狀態(tài)，或EPC的EPS移動(dòng)性管理狀態(tài)。單注冊(cè)的UE，可以同時(shí)支持EPC NAS和5GC NAS。

1.2 終端雙注冊(cè)模式

在雙注冊(cè)模式中，終端UE能同時(shí)在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中留存注冊(cè)信息，且UE能夠同時(shí)獨(dú)立處理到5GC和EPC的注冊(cè)流程，同時(shí)存儲(chǔ)5G-GUTI和EPC-GUTI，并且5G-GUTI和EPC-GUTI均是由5GC或EPC網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立分配的，不是互相映射得來的。支持雙注冊(cè)模式的UE可以單獨(dú)地注冊(cè)到5GC或EPC網(wǎng)絡(luò)，也可以同時(shí)注冊(cè)到5GC和EPC網(wǎng)絡(luò)，但是只有一邊是激活的。

2 4/5G互操作組網(wǎng)

目前聯(lián)通5GC的AMF和EPC的MME間采用了N26接口，通過N26接口預(yù)先在目標(biāo)側(cè)建立承載和間接轉(zhuǎn)發(fā)通道，只在空口切換過程中有短暫中斷。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(huì)話連續(xù)性。

基于通信現(xiàn)網(wǎng)存量狀況與未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)等因素，在5G部署的前中期，會(huì)有相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)需要通過4/5G融合來確保新老用戶的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。5GC與4G網(wǎng)絡(luò)協(xié)同、集成，可以更好地滿足4/5G業(yè)務(wù)的協(xié)同發(fā)展，實(shí)現(xiàn)更好的端到端用戶體驗(yàn)。

新建云化的5GC，如AMF、SMF、UDM、NRF等。5G核心網(wǎng)采用SBA服務(wù)化架構(gòu)，采用云化部署，控制面集中部署，最終實(shí)現(xiàn)分布式靈活部署。靈活、自動(dòng)化的5G核心網(wǎng)成為敏捷和可編程網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，也是全球運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的目標(biāo)。

HSS/UDM、SMF/PGW-C、UPF/PGW-U合設(shè)建設(shè)融合5GC，實(shí)現(xiàn)5G SA用戶接入，保證4/5G切換業(yè)務(wù)連續(xù)性。同時(shí)能夠?yàn)檫\(yùn)營商提供2G/3G/4G/5G多種組網(wǎng)場(chǎng)景下的融合網(wǎng)絡(luò)，具備高效的用戶數(shù)據(jù)處理能力，簡(jiǎn)化組網(wǎng)，既能兼容原有業(yè)務(wù)，又可拓展5G業(yè)務(wù)，節(jié)省運(yùn)營商的OPEX和CAPEX。

3 4/5G互操作場(chǎng)景GUAMI規(guī)劃

5G-GUTI是5G全局唯一的臨時(shí)UE標(biāo)識(shí)，5G系統(tǒng)下使用5G-GUTI的目的是減少在通信中顯示使用UE的永久性標(biāo)識(shí)，提升安全性。

5G-GUTI由兩部分組成：

第一部分標(biāo)識(shí)是由哪個(gè)AMF分配的5G-GUTI，第二部分表示UE在AMF內(nèi)唯一的id。

由于5G獨(dú)立組Pool，AMF Pool ID獨(dú)立規(guī)劃，不與現(xiàn)網(wǎng)MME Pool ID耦合。

EPS-GUTI和5G-GUTI的映射關(guān)系如下：

EPS-GUTI和5G-GUTI的映射關(guān)系是實(shí)現(xiàn)4/5G網(wǎng)絡(luò)之間互操作的關(guān)鍵因素。當(dāng)UE在網(wǎng)絡(luò)中的錨點(diǎn)變換后，新的網(wǎng)絡(luò)仍然能夠知曉該UE的信息并在UE接入新的系統(tǒng)時(shí)RAN側(cè)根據(jù)這些NAS的ID信息用于選擇新的服務(wù)核心網(wǎng)網(wǎng)元使用。

4 基于N26接口的跨系統(tǒng)移動(dòng)

5G建網(wǎng)初期，網(wǎng)絡(luò)覆蓋遠(yuǎn)不如4G，當(dāng)5G終端移動(dòng)到覆蓋邊緣時(shí)，配置基于覆蓋的切換或重定向?qū)?G終端遷移到4G網(wǎng)絡(luò)，保證終端在5G網(wǎng)絡(luò)弱覆蓋時(shí)的業(yè)務(wù)連續(xù)性；當(dāng)終端移動(dòng)到有5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方，配置基于覆蓋的切換或重定向?qū)⒔K端從4G網(wǎng)絡(luò)遷移到5G網(wǎng)絡(luò)，策略上傾向于將支持5G的終端快速遷移到5G網(wǎng)絡(luò)。

4/5G互操作設(shè)計(jì)原則：5G體驗(yàn)優(yōu)于4G，則優(yōu)先駐留在5G；極邊緣用戶才轉(zhuǎn)移到4G，此時(shí)滿足4G體驗(yàn)優(yōu)于5G；在4G始終嘗試轉(zhuǎn)移5G，只要5G體驗(yàn)優(yōu)于4G，則實(shí)施遷移。

以下流程僅描述4/5G互操作引入的變化部分，對(duì)于5GC通用業(yè)務(wù)交互，本文不再贅述。

4.1 連接態(tài)5G跨系統(tǒng)移動(dòng)到4G的流程

NR覆蓋不連續(xù)，Source NR-RAN檢測(cè)到用戶需要切換到Target E-UTRAN，則發(fā)送Handover Required消息給Source AMF，攜帶Handover Type、Target ID、Source To Target transparent container等信息。切換或重定向到4G小區(qū)，保障業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

最后Source AMF下發(fā)UE Context Release Command給Source NR-RAN。UE執(zhí)行切換并駐留在E-UTRAN上以建立承載，gNodeB刪除UE上下文，切換完成。

4.2 連接態(tài)4G跨系統(tǒng)移動(dòng)到5G的流程

基于業(yè)務(wù)需要或者覆蓋不連續(xù)，Source E-UTRAN檢測(cè)到用戶需要切換到Target NR-RAN，則發(fā)送Handover Required給Source MME，攜帶Handover Type、Target ID以及Source to Target Transparent Container等信息。切換或重定向到5G小區(qū)，保障業(yè)務(wù)的連續(xù)性，提升用戶的NR高速率體驗(yàn)。

最后Source MME下發(fā)UE Context Release Command給Source E-UTRAN。UE向目標(biāo)小區(qū)發(fā)起隨機(jī)接入流程，然后駐留在目標(biāo)小區(qū)上。

4.3 空閑態(tài)5G跨系統(tǒng)移動(dòng)到4G的流程

UE檢測(cè)到需要移動(dòng)到4G系統(tǒng)，比如進(jìn)入4G小區(qū)，則發(fā)送TAU Request消息給Target MME，攜帶5G GUTI映射的EPS GUTI、指示UE從5G移入的UE Status等信息。

Target MME根據(jù)映射的EPS GUTI查詢得到Source AMF地址，發(fā)送Context Request消息給Source AMF，攜帶映射的EPS GUTI、Complete TAU Request等。

4.4 空閑態(tài)4G跨系統(tǒng)移動(dòng)到5G的流程

UE檢測(cè)到需要切換到5G系統(tǒng)，則發(fā)送Registration Request給Target AMF，攜帶映射的5G GUTI、指示UE從EPC接入的UE Status、TAU請(qǐng)求等信息。

Target AMF根據(jù)映射的5G GUTI查詢得到Source MME地址，發(fā)送Context Request，攜帶GUTI、Complete TAU Request等信息。

結(jié)束語：在5G時(shí)代，4G網(wǎng)絡(luò)與5G網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)較長的并存期。在4/5G并存期，5G與現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)順利銜接至關(guān)重要，即4/5G網(wǎng)絡(luò)間的互操作是非常重要的，用戶在5GC和EPC間的互操作，可以保證用戶在5G網(wǎng)絡(luò)和4G網(wǎng)絡(luò)之間移動(dòng)和切換時(shí)業(yè)務(wù)的連續(xù)性不受影響，從而有效地提升用戶的使用體驗(yàn)。