5G SA專線就近接入實(shí)現(xiàn)方案研究

平軍磊，賀曉博，劉凡棟，劉 揚(yáng)（中訊郵電咨詢設(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007）

1 概述

隨著國內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)的商用及終端模組的不斷成熟，以智能汽車、個(gè)人穿戴為代表的業(yè)務(wù)迅速增長，未來5G 終端用戶將是這些行業(yè)客戶的核心用戶群體。為了保障服務(wù)質(zhì)量、提升網(wǎng)絡(luò)安全并對終端進(jìn)行線上管理，行業(yè)客戶普遍選擇專線的形式接入運(yùn)營商的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。另一方面，隨著云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展及國內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，越來越多的企業(yè)客戶選擇了云服務(wù)。從業(yè)務(wù)均衡和業(yè)務(wù)安全性角度考慮，服務(wù)提供者更傾向于將應(yīng)用分散部署在不同的數(shù)據(jù)中心，而運(yùn)營商的5G 核心網(wǎng)通常按大區(qū)或省部署，UPF部署位置與行業(yè)客戶的應(yīng)用節(jié)點(diǎn)不完全一致。從成本角度考慮，企業(yè)不可能與運(yùn)營商所有的UPF 建立專線鏈路，只能與最近的省分UPF 開設(shè)專線，該場景下如何實(shí)現(xiàn)用戶就近選擇UPF 接入企業(yè)云端應(yīng)用，成為運(yùn)營商亟待解決的問題。

1.1 業(yè)務(wù)需求分析

以B汽車公司為例，其企業(yè)應(yīng)用部署在甘肅、上海數(shù)據(jù)中心，擬通過L運(yùn)營商開設(shè)移動(dòng)專線業(yè)務(wù)，為全國汽車用戶提供5G 車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。如圖1 所示，L 運(yùn)營商5G 核心網(wǎng)控制面分8個(gè)大區(qū)部署，UPF 分省設(shè)置?？蛻粼诟拭C及上海的應(yīng)用分別與L 運(yùn)營商甘肅UPF、上海UPF 開設(shè)專線，要求全國范圍內(nèi)車輛按照所在地理位置分東西兩大區(qū)域就近接入固定省份的UPF，進(jìn)而通過預(yù)先配置的專線訪問云端應(yīng)用。例如車輛在內(nèi)蒙需通過甘肅UPF 與客戶開設(shè)的專線訪問云端應(yīng)用，車輛漫游至海南省時(shí)自動(dòng)通過上海UPF 與客戶開設(shè)的專線訪問云端應(yīng)用。

圖1 車聯(lián)網(wǎng)專線業(yè)務(wù)就近接入示意圖

該需求場景中用戶本身及用戶所在位置都是隨機(jī)的，專線就近接入無法基于用戶簽約（如不同用戶簽約不同DNN）實(shí)現(xiàn)。

1.2 5G普通專線業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)方案

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)專線業(yè)務(wù)通?；诳蛻魧Ｓ肁PN/DNN實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)路由，以5G專線為例，實(shí)現(xiàn)方案如圖2所示。

圖2 5G普通專線業(yè)務(wù)示意圖

a）簽約配置：給專線用戶簽約專用DNN，并根據(jù)客戶應(yīng)用位置就近選擇核心網(wǎng)出口UPF，在SMF 和UPF網(wǎng)元上配置相應(yīng)的DNN參數(shù)及隧道參數(shù)（按需）。

b）注冊：終端開機(jī)接入5G 網(wǎng)絡(luò)，發(fā)起注冊請求，AMF 根據(jù)終端簽約及請求參數(shù)完成鑒權(quán)認(rèn)證流程，給終端返回注冊成功消息。

c）PDU Session 建立：終端發(fā)起會(huì)話建立請求，AMF根據(jù)請求消息中的S-NSSAI、DNN、TAC參數(shù)查詢NRF，獲取可提供相應(yīng)服務(wù)的SMF網(wǎng)元信息（SMF已自動(dòng)向NRF 完成服務(wù)信息注冊），AMF 攜帶上述參數(shù)請求SMF 建立會(huì)話，SMF 根據(jù)請求信息及預(yù)先配置數(shù)據(jù)指示UPF完成會(huì)話建立。

d）終端通過建立好的PDU Session，經(jīng)NR、UPF 及專線與客戶應(yīng)用之間傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

2 5G SA 專線就近接入實(shí)現(xiàn)方案

相較于EPC，5GC 最核心的變化就是采用了SBA架構(gòu)，網(wǎng)元之間的交互都是基于服務(wù)注冊、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、服務(wù)訂閱的模式，服務(wù)化架構(gòu)極大降低了組網(wǎng)復(fù)雜度，用于服務(wù)注冊和服務(wù)查詢的NRF 網(wǎng)元就顯得至關(guān)重要，但SA 初期NRF 能力不夠靈活，不能滿足專線就近接入的業(yè)務(wù)需求。

5G 專線業(yè)務(wù)最核心的3 個(gè)服務(wù)參數(shù)就是TAC、SNSSAI、DNN，其中TAC 標(biāo)識用戶漫游接入位置信息，S-NSSAI 代表用戶端到端SLA 能力需求，DNN 用于選擇用戶業(yè)務(wù)出口網(wǎng)關(guān)。

本文對5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、信令流程及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行了分析，提出了以下3個(gè)專線就近接入實(shí)現(xiàn)方案。

a）服務(wù)模擬注冊方案：建設(shè)1 個(gè)虛擬VNF 節(jié)點(diǎn)，模擬SMF向不同的NRF進(jìn)行不同的服務(wù)能力注冊。

b）合理規(guī)劃ServingScope參數(shù)，實(shí)現(xiàn)就近接入。

c）部署智能解析NRF，根據(jù)用戶接入TAC 選擇SMF/UPF，實(shí)現(xiàn)就近接入。

2.1 服務(wù)模擬注冊方案

以L 運(yùn)營商為代表，大型網(wǎng)絡(luò)通常采用二級NRF的組網(wǎng)方式，以降低互聯(lián)鏈路復(fù)雜度。二級NRF 負(fù)責(zé)本大區(qū)NF 注冊管理、服務(wù)發(fā)現(xiàn)，一級NRF 負(fù)責(zé)跨大區(qū)信令路由。為實(shí)現(xiàn)專線就近接入運(yùn)營商需在全國集中部署虛擬NF，僅負(fù)責(zé)模擬SMF向各大區(qū)的二級NRF進(jìn)行服務(wù)注冊。具體方案如圖3所示。

a）部署SMF模擬網(wǎng)元，與八大區(qū)二級NRF互聯(lián)。

圖3 服務(wù)模擬注冊方案示意圖

b）為客戶規(guī)劃專用DNN 參數(shù)BQCZX，并為客戶終端簽約BQCZX、切片S1。

c）甘肅UPF1-2、上海UPF1-2 分別與客戶甘肅云端平臺(tái)、上海云端平臺(tái)配置專線數(shù)據(jù)，SMF 及UPF 配置專用DNN 參數(shù)BQCZX，全國AMF、SMF、UPF網(wǎng)元配置切片參數(shù)S1。

d）各NF正常向本大區(qū)二級NRF進(jìn)行服務(wù)注冊。

e）服務(wù)模擬注冊（模擬SMF 網(wǎng)元）：新建虛擬NF模擬GS-SMF1 向北京、四川、河南三大區(qū)二級NRF 進(jìn)行服務(wù)注冊，注冊參數(shù)BQCZX、S1，并模擬SH-SMF1向山東、江蘇、廣東三大區(qū)二級NRF 進(jìn)行服務(wù)注冊，注冊參數(shù)BQCZX、S1。

f）UE 在陜西大區(qū)下轄省接入5G 網(wǎng)絡(luò)，AMF 攜帶參數(shù)BQCZX、S1、TAC_甘肅發(fā)起服務(wù)查詢請求，陜西二級NRF 返回GS-SMF1，進(jìn)而為終端建立PDU Sers?sion，UE 通過GSUPF1-2 與B 公司甘肅數(shù)據(jù)中心應(yīng)用通信。

g）UE在北京、四川、河南大區(qū)任意下轄省接入5G網(wǎng)絡(luò)，相應(yīng)大區(qū)AMF 攜帶參數(shù)BQCZX、S1、TAC_XX 省發(fā)起服務(wù)查詢請求，大區(qū)二級NRF 返回失敗消息，AMF 攜帶BQCZX、S1再次進(jìn)行A-SMF 服務(wù)發(fā)現(xiàn)查詢，大區(qū)二級NRF 返回GS-SMF1 信息，AMF 再次攜帶S1、TAC_XX 省進(jìn)行I-SMF 服務(wù)發(fā)現(xiàn)查詢，進(jìn)而為終端建立PDU Session，UE 通過GSUPF1-2 與B 公司甘肅數(shù)據(jù)中心應(yīng)用通信。

h）UE 在上海大區(qū)接入5G 網(wǎng)絡(luò)，AMF 攜帶參數(shù)BQCZX、S1、TAC_上海發(fā)起服務(wù)查詢請求，上海二級NRF 返回SH-SMF1，進(jìn)而為終端建立PDU Session，UE通過SHUPF1-2與B公司上海數(shù)據(jù)中心應(yīng)用通信。

i）UE 在山東、江蘇、廣東大區(qū)任意下轄省接入5G網(wǎng)絡(luò)，相應(yīng)大區(qū)AMF 攜帶參數(shù)BQCZX、S1、TAC_YY 省發(fā)起服務(wù)查詢請求，大區(qū)二級NRF 返回失敗消息，AMF 攜帶BQCZX、S1再次進(jìn)行A-SMF 服務(wù)發(fā)現(xiàn)查詢，大區(qū)二級NRF 返回SH-SMF1信息，AMF 再次攜帶S1、TAC_YY 省進(jìn)行I-SMF 服務(wù)發(fā)現(xiàn)查詢，進(jìn)而為終端建立PDU Session，UE 通過SHUPF1-2 與B 公司上海數(shù)據(jù)中心應(yīng)用通信。

本方案中SMF 模擬網(wǎng)元可根據(jù)不同客戶的業(yè)務(wù)需求，向不同大區(qū)的二級NRF 進(jìn)行不同的模擬服務(wù)注冊。

2.2 基于ServingScope的就近接入實(shí)現(xiàn)方案

3GPP R16 標(biāo)準(zhǔn)中定義了ServingScope 參數(shù)，標(biāo)識NF的服務(wù)范圍，該參數(shù)可以代表服務(wù)的地理位置范圍如TAC，也可以表征其他維度的服務(wù)范圍。

針對專線就近接入業(yè)務(wù)場景，運(yùn)營商可按照省的顆粒度提前規(guī)劃相應(yīng)專線SMF 的服務(wù)范圍，即Serv?ingScope 參數(shù)。同時(shí)，AMF 提前按照DNN 維度綁定ServingScope參數(shù)，具體實(shí)現(xiàn)方案如圖4所示。

圖4 ServingScope方案示意圖

a）SMF 攜帶ServingScope 參數(shù)（指明該SMF 的服務(wù)范圍）進(jìn)行注冊。如圖4所示，GS-SMF1注冊時(shí)攜帶的ServingScope 是A、M，SH-SMF1 注冊時(shí)攜帶的Serv?ingScope是N、B。

b）AMF 攜帶ServingScope 參數(shù)發(fā)現(xiàn)SMF，NRF 將該參數(shù)也作為匹配條件之一，選擇注冊了該Serving?Scope值的SMF。

c）西部區(qū)域服務(wù)發(fā)現(xiàn)流程（圖4 中虛線）：AMF 攜帶自身的ServingScope 值（A、M）查詢NRF 發(fā)現(xiàn)SMF，其中AMF 在陜西大區(qū)下轄省發(fā)現(xiàn)流程為大區(qū)AMF→陜西大區(qū)二級NRF→GS-SMF1；AMF 在其他省份發(fā)現(xiàn)流程為北京、四川、河南大區(qū)下轄省AMF→大區(qū)二級NRF→全國一級NRF→GS-SMF1。

d）西部區(qū)域業(yè)務(wù)流程（圖4 中實(shí)線）：陜西大區(qū)業(yè)務(wù)流程為大區(qū)AMF→GS-SMF1→GSUPF1-2；北京、四川、河南大區(qū)業(yè)務(wù)流程為本大區(qū)AMF→本大區(qū)SMF（I-SMF）→本大區(qū)UPF（I-UPF）→陜西大區(qū)GS-SMF1（A-SMF）→陜西大區(qū)GSUPF1-2（A-UPF）。

e）UE 在上海大區(qū)接入5G 網(wǎng)絡(luò)，業(yè)務(wù)流程參考流程c）。

f）UE 在山東、江蘇、廣東大區(qū)任意下轄省接入5G網(wǎng)絡(luò)，業(yè)務(wù)流程參考流程d）。

2.3 智能解析NRF方案

標(biāo)準(zhǔn)NRF 收到服務(wù)查詢請求時(shí)，根據(jù)請求消息中的所有參數(shù)進(jìn)行完全匹配式數(shù)據(jù)查詢，自動(dòng)返回所有匹配結(jié)果，無法智能優(yōu)選。針對專線就近接入業(yè)務(wù)，運(yùn)營商可以集中部署智能解析NRF，針對不同的DNN，智能解析NRF 按照AMF 源地址參數(shù)智能匹配SMF，具體如圖5所示。

a）集中部署智能解析NRF，各NF 不向其進(jìn)行服務(wù)注冊，當(dāng)開通專線業(yè)務(wù)時(shí)同步手工配置專線SMF 的服務(wù)信息，并按照DNN 維度與服務(wù)請求NF 的源地址進(jìn)行關(guān)聯(lián)，本案例中GS-SMF1 關(guān)聯(lián)西部區(qū)域的所有AMF 源地址段，SH-SMF1 關(guān)聯(lián)東部區(qū)域所有AMF 源地址段。

b）運(yùn)營商為專線就近接入業(yè)務(wù)規(guī)劃通用DNN 后綴，如BQCZX.JJJR、DQCZX.JJJR。

c）甘肅UPF1-2、上海UPF1-2 分別為客戶甘肅云端平臺(tái)、上海云端平臺(tái)配置專線數(shù)據(jù)，SMF 及UPF 配置專用DNN參數(shù)BQCZX.JJJR，全國AMF、SMF、UPF網(wǎng)元配置切片參數(shù)S1。

圖5 智能解析NRF方案示意圖

d）UE 在陜西大區(qū)下轄省接入5G 網(wǎng)絡(luò)，AMF 攜帶參數(shù)BQCZX.JJJR、S1、TAC_甘肅發(fā)起服務(wù)查詢請求，陜西二級NRF 返回GS-SMF1，進(jìn)而為終端建立PDU Session，UE 通過GSUPF1-2 與B 公司甘肅數(shù)據(jù)中心應(yīng)用通信。

e）UE在北京、四川、河南大區(qū)任意下轄省接入5G網(wǎng)絡(luò)，相應(yīng)大區(qū)AMF 攜帶參數(shù)BQCZX.JJJR、S1、TAC_XX 省發(fā)起服務(wù)查詢請求，大區(qū)二級NRF 返回失敗消息，AMF 攜帶BQCZX.JJJR、S1 向大區(qū)NRF 進(jìn)行A-SMF 服務(wù)發(fā)現(xiàn)查詢（非標(biāo)功能），大區(qū)NRF 向一級NRF 轉(zhuǎn)發(fā)查詢請求，一級NRF 將帶有“.JJJR”DNN 后綴的請求統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)給智能解析NRF，智能解析NRF 根據(jù)AMF 源地址返回GS-SMF1信息，AMF 再次攜帶S1、TAC_XX 省向大區(qū)二級NRF 發(fā)起I-SMF 服務(wù)發(fā)現(xiàn)查詢，進(jìn)而為終端建立PDU Session，UE 通過GSUPF1-2與B公司甘肅數(shù)據(jù)中心應(yīng)用通信。

f）UE在上海大區(qū)接入5G網(wǎng)絡(luò)，業(yè)務(wù)流程參考d）。

g）UE在山東、江蘇、廣東大區(qū)任意下轄省接入5G網(wǎng)絡(luò)，業(yè)務(wù)流程參考e）。

2.4 方案對比

上述3 個(gè)方案均可實(shí)現(xiàn)5G 專線就近接入，下面分別從方案標(biāo)準(zhǔn)性、成熟度、改造工作量、投資等角度進(jìn)行對比分析，具體如表1所示。

綜合實(shí)施難度及改造工作量，本文建議優(yōu)先采用服務(wù)模擬注冊方案。

表1 5G專線就近接入實(shí)現(xiàn)方案對比

3 5G用戶4G接入場景下就近接入實(shí)現(xiàn)方案

SA 初期5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋不完善，需考慮5G 用戶4G接入場景下的專線就近進(jìn)入實(shí)現(xiàn)方案，EPC 網(wǎng)絡(luò)SGW、PGW 的選擇基于DNS 解析實(shí)現(xiàn)，針對PGW 的選擇可以參照智能NRF 的方案，集中部署智能解析DNS，針對特定DNN 后綴的N-S-A 查詢，統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)給智能解析DNS，智能解析DNS 根據(jù)源地址智能匹配PGW記錄，具體方案如圖6所示。

a）集中部署智能解析DNS，根據(jù)源地址解析分流。

b）運(yùn)營商為專線就近接入業(yè)務(wù)規(guī)劃通用DNN 后綴，如BQCZX.JJJR、DQCZX.JJJR。

圖6 5G專線用戶4G接入場景下就近接入實(shí)現(xiàn)方案示意圖

c）智能解析DNS利用源地址智能解析功能，將不同區(qū)域業(yè)務(wù)解析到最近的PGW。

d）UE漫游至西部區(qū)域各省接入4G網(wǎng)絡(luò)，MME攜帶BQCZX.JJJR 查詢本省DNS 獲取PGW 信息，本省DNS無解析記錄轉(zhuǎn)發(fā)至根DNS，根DNS將.JJJR 后綴的查詢統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)給智能解析DNS，智能解析DNS 根據(jù)MME 源地址返回GSPGW1 解析記錄，MME 基于TAC查詢DNS選擇本地SGW 建立會(huì)話，用戶數(shù)據(jù)流程為本地SGW→GSPGW1→甘肅數(shù)據(jù)中心B公司應(yīng)用。

e）UE 在東部區(qū)域各省接入5G 網(wǎng)絡(luò)，業(yè)務(wù)流程參考d）。

4 結(jié)束語

本文通過深入研究分析5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及業(yè)務(wù)流程，給出了5G 專線就近接入業(yè)務(wù)的3 種實(shí)現(xiàn)方案，并進(jìn)行了對比分析，為運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和新功能引入提供了有效參考。同時(shí)，本文對5G 用戶4G 接入場景下的業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)方案也進(jìn)行了闡述，為SA初期的業(yè)務(wù)一致性體驗(yàn)提供了技術(shù)保障。另一方面，5G時(shí)代定制化政企需求日益凸顯，本文提出的服務(wù)模擬注冊、Serving?Scope 及智能NRF 解析方法對5GC 其他場景下的服務(wù)注冊和發(fā)現(xiàn)機(jī)制具有重要借鑒意義，有助于打造更靈活的網(wǎng)絡(luò)能力。