5G PCF融合數(shù)據(jù)組網(wǎng)方案研究

丁 毅 陳 釧 金建寧

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)江蘇有限公司

0 引言

運(yùn)營(yíng)商加快建設(shè)5G SA，一張全新的基于通用X86服務(wù)器的NFV網(wǎng)絡(luò)走上時(shí)代舞臺(tái)。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的4G核心網(wǎng)仍然承載著大量的用戶(hù)業(yè)務(wù)，如何將兩張網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行融合是運(yùn)營(yíng)商必須解決的一大難題。

站在用戶(hù)體驗(yàn)的角度，不換卡不換號(hào)，僅更換終端就能讓用戶(hù)體驗(yàn)5G的高速網(wǎng)絡(luò)，是提升用戶(hù)滿意度的一大措施。而4G時(shí)代的計(jì)費(fèi)控制策略PCC（Policy Control and Charging）以及用戶(hù)數(shù)據(jù)如何與5G網(wǎng)絡(luò)有機(jī)融合是運(yùn)營(yíng)商面對(duì)的棘手問(wèn)題，本文重點(diǎn)研究策略控制功能PCF（Policy Control Function）的融合數(shù)據(jù)組網(wǎng)方案，并分析相關(guān)解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 5G PCF融合數(shù)據(jù)組網(wǎng)

1.1 5G用戶(hù)數(shù)據(jù)演進(jìn)

3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義的用戶(hù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)架構(gòu)采用計(jì)算和數(shù)據(jù)分離方式，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理架構(gòu)包括：

（1）統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)UDR（unified data repository）：負(fù)責(zé)用戶(hù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，包含通用數(shù)據(jù)管理UDM（Unified Data Management）、PCF策略數(shù)據(jù)、與NEF相關(guān)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和應(yīng)用數(shù)據(jù)。

（2）FE（front end，前端）：負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯處理，包含UDM FE、PCF FE和NEF FE。

（3）UDM：可類(lèi)比HSS FE，提供用戶(hù)簽約數(shù)據(jù)訪問(wèn)、位置登記等功能。

（4）AUSF（Authentication Server Function）：提供鑒權(quán)認(rèn)證功能，可與UDM合設(shè)。

（5）PCF：訪問(wèn)UDR提供的策略數(shù)據(jù)。

（6）NEF（Network Exposure Function）：能力開(kāi)放網(wǎng)元，訪問(wèn)UDR提供的能力開(kāi)放數(shù)據(jù)。

5GC中，UDR負(fù)責(zé)用戶(hù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，類(lèi)似于4G傳統(tǒng)網(wǎng)元中的用戶(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)SPR（Subscriber Profile Repository），可以為多種類(lèi)型的FE（PCF、UDM、NEF）提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)。與4G不同的是，5GC中，PCF和UDR之間采用了服務(wù)化的HTTP/2協(xié)議的接口Nudr，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)數(shù)據(jù)的增、刪、改、查等操作。此外，UDR與運(yùn)營(yíng)商的業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)BOSS進(jìn)行對(duì)接，同步用戶(hù)的簽約、業(yè)務(wù)訂購(gòu)等策略數(shù)據(jù)信息，UDR結(jié)合業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)中的用戶(hù)信息制定相應(yīng)策略。UDR與業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)之間的組網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 UDR/SPR與業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)之間的組網(wǎng)架構(gòu)

4G和5G將在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)共存，EPC與5GC會(huì)產(chǎn)生大量的互操作，4G向5G的平滑演進(jìn)，必然要求PCRF和PCF的深度融合，在目標(biāo)5GC網(wǎng)絡(luò)中，PCF兼做PCRF，成為融合的PCRF/PCF，在對(duì)外連接中，既需要繼承現(xiàn)網(wǎng)EPC的相關(guān)接口又需要增加5GC新的接口，融合PCRF/PCF接口名稱(chēng)及協(xié)議見(jiàn)表1所示。

表1 融合PCRF/PCF接口名稱(chēng)及協(xié)議

融合PCRF/PCF意味著4G SPR中的用戶(hù)數(shù)據(jù)需要全量遷移到5G UDR中，這種搬遷方案看似簡(jiǎn)單，實(shí)際上需要提前準(zhǔn)備好5G UDR的資源池，改造BOSS支持新的5G接口。如果是異廠家的搬遷，還會(huì)涉及到廠家數(shù)據(jù)庫(kù)私有格式的轉(zhuǎn)換等問(wèn)題。此外，整體的搬遷還涉及到網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題，搬遷過(guò)程中的異常情況可能導(dǎo)致用戶(hù)數(shù)據(jù)的損壞，造成前后臺(tái)數(shù)據(jù)的不一致，影響用戶(hù)業(yè)務(wù)的使用。因此，必須考慮目標(biāo)方案完成前的過(guò)渡方案，以保證在用戶(hù)不換卡、不換號(hào)的市場(chǎng)策略下，網(wǎng)絡(luò)能平滑演進(jìn)。

1.2 組網(wǎng)方案

過(guò)渡方案的設(shè)計(jì)務(wù)必要保證用戶(hù)業(yè)務(wù)使用的連續(xù)性，也必須解決4/5G之間互操作的問(wèn)題，在目前基于N26接口的互操作組網(wǎng)下，用戶(hù)終端僅需要單注冊(cè)即可實(shí)現(xiàn)用戶(hù)業(yè)務(wù)的無(wú)縫切換和會(huì)話的連續(xù)性。過(guò)渡方案為避免用戶(hù)數(shù)據(jù)的整體遷移，以全部新建PCF/UDR為前提，有兩種方案，分別是同廠家方案和異廠家方案。

1.2.1 組網(wǎng)方案一：同廠家新建

組網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。組網(wǎng)圖中的網(wǎng)元由如下部分構(gòu)成：

圖2 同廠家組網(wǎng)架構(gòu)

（1）PCF/UDR：新建網(wǎng)元，與PCRF/SPR同廠家。作為5GC網(wǎng)絡(luò)中的策略控制節(jié)點(diǎn)，當(dāng)用戶(hù)從5GC接入時(shí)，可以對(duì)外提供基于承載/業(yè)務(wù)的接入控制、QoS控制、計(jì)費(fèi)控制以及EPSFB等業(yè)務(wù)策略。PCF對(duì)外主要提供Rx、N7、N15、Nnrf、短信網(wǎng)關(guān)接口等接口與周邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行互通，進(jìn)而提供策略的分析、決策以及下發(fā)。UDR存儲(chǔ)5GC用戶(hù)策略數(shù)據(jù)，涉及內(nèi)部接口Nudr、與BOSS的SOAP接口。

（2）PCRF/SPR：作為EPC網(wǎng)絡(luò)中的策略控制節(jié)點(diǎn)，當(dāng)用戶(hù)從EPC接入時(shí)可以對(duì)外提供基于承載/業(yè)務(wù)的門(mén)限控制、QoS控制、計(jì)費(fèi)控制等業(yè)務(wù)策略。PCRF對(duì)外主要提供Gx、Rx、短信網(wǎng)關(guān)接口等接口與周邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行互通，進(jìn)而提供策略的分析、決策以及下發(fā)。SPR存儲(chǔ)EPC用戶(hù)策略數(shù)據(jù)，涉及內(nèi)部接口Sp、與BOSS的SOAP接口。

（3）BOSS：運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)，采用SOAP協(xié)議，負(fù)責(zé)與UDR/SPR進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的交互，例如開(kāi)戶(hù)數(shù)據(jù)、策略數(shù)據(jù)、用戶(hù)狀態(tài)。

（4）融合短消息網(wǎng)關(guān)：5G中提供融合短消息服務(wù)。

（5）短信網(wǎng)關(guān)：4G中提供短信服務(wù)。

（6）AF：應(yīng)用功能，主要對(duì)IP-CAN（IP-Connectivity Access Network，IP連接訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)）會(huì)話進(jìn)行動(dòng)態(tài)策略控制。AF通過(guò)Rx接口與PCRF關(guān)聯(lián)動(dòng)態(tài)會(huì)話信息。常見(jiàn)的應(yīng)用業(yè)務(wù)單元如VoLTE中的P-CSCF。

該方案新建虛擬化PCF/UDR節(jié)點(diǎn)，與現(xiàn)網(wǎng)分PCRF/SPR對(duì)外呈現(xiàn)為1個(gè)二融合PCF/UDR/PCRF/SPR設(shè)備整體，無(wú)需割接原SPR中的數(shù)據(jù)到新建的UDR中，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有手機(jī)用戶(hù)不換卡不換號(hào)使用5G SA。新建節(jié)點(diǎn)各接口通過(guò)IP承載網(wǎng)承載，SPR與UDR之間采用同廠家Ud接口通信。

該方案對(duì)現(xiàn)網(wǎng)的改造要求如下：現(xiàn)網(wǎng)PCRF/SPR升級(jí)改造支持與新建PCF/UDR同廠家混合組網(wǎng)。現(xiàn)網(wǎng)SPR與新建UDR綜合設(shè)置為UDR/SPR?，F(xiàn)網(wǎng)PCRF與新建PCF綜合設(shè)置為PCF/PCRF。現(xiàn)網(wǎng)的PCRF、SPR與相應(yīng)的新建節(jié)點(diǎn)通過(guò)IP承載網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互通。BOSS開(kāi)通接口統(tǒng)一遷移到UDR，不再指向現(xiàn)網(wǎng)SPR。對(duì)于5G用戶(hù)策略控制，其策略控制由BOSS直接在PCF/ UDR上實(shí)現(xiàn)，對(duì)于PCRF/ SPR負(fù)責(zé)的4G用戶(hù)策略控制，采用UDR內(nèi)部接口轉(zhuǎn)接至SPR的方式。

業(yè)務(wù)流程如下：

場(chǎng)景一：4G用戶(hù)策略數(shù)據(jù)簽約開(kāi)通，如圖3所示。

圖3 4G用戶(hù)策略數(shù)據(jù)簽約開(kāi)通

（1）BOSS下發(fā)命令到對(duì)應(yīng)UDR，若是開(kāi)戶(hù)則下發(fā)addSubscriber命令中不攜帶“Usr5GStatus”參數(shù)；若是策略開(kāi)通則下發(fā)簽約命令subscribeService/ subscribeUsrSessionPolicy。

（2）UDR判斷無(wú)用戶(hù)數(shù)據(jù)，將BOSS命令轉(zhuǎn)發(fā)至SPR。

（3）SPR完成業(yè)務(wù)開(kāi)通/簽約。

場(chǎng)景二：新開(kāi)5G用戶(hù)策略數(shù)據(jù)簽約開(kāi)通，如圖4所示。

圖4 新開(kāi)5G用戶(hù)策略數(shù)據(jù)簽約開(kāi)通

（1）BOSS下發(fā)命令到對(duì)應(yīng)UDR，若是開(kāi)戶(hù)則下發(fā)addSubscriber命令中攜帶“Usr5GStatus”參數(shù)；若是策略開(kāi)通則下發(fā)簽約命令subscribeService/ subscribeUsrSessionPolicy。

（2）UDR判斷為5G用戶(hù)，完成業(yè)務(wù)開(kāi)通/簽約。

場(chǎng)景三：存量4G用戶(hù)開(kāi)通5G策略數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)簽約，如圖5所示。

圖5 存量4G用戶(hù)開(kāi)通5G策略數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)簽約

（1）BOSS下發(fā)命令到對(duì)應(yīng)UDR，若是策略開(kāi)通，需先進(jìn)行5G開(kāi)戶(hù)addSubscriber命令，其中攜帶“Usr5GStatus”參數(shù)；再下發(fā)切片和UE策略簽約命令addSnssaiTemplateID/ addUePolicyTemplateID。

（2）UDR與對(duì)應(yīng)SPR配合將用戶(hù)數(shù)據(jù)從SPR遷移到UDR。

（3）UDR完成5G切片和UE策略開(kāi)通。

上述場(chǎng)景都需要在UDR中配置號(hào)段信息，將存量號(hào)段信息指向SPR，新增號(hào)段信息指向UDR。以場(chǎng)景三為例，若開(kāi)通用戶(hù)號(hào)段為存量號(hào)段，UDR查詢(xún)用戶(hù)是否在本地存在，若存在即UDR處理BOSS指令；若不存在，查詢(xún)SPR內(nèi)是否有用戶(hù)數(shù)據(jù)，若有則用戶(hù)策略數(shù)據(jù)遷移至UDR內(nèi)并開(kāi)通切片和UE策略；若SPR內(nèi)無(wú)用戶(hù)數(shù)據(jù)，UDR返回錯(cuò)誤碼給BOSS，提示開(kāi)通操作無(wú)效。若開(kāi)通用戶(hù)號(hào)段為新號(hào)段，UDR直接查詢(xún)用戶(hù)在本地是否存在，若存在即UDR處理BOSS指令；若不存在，UDR返回錯(cuò)誤碼給BOSS，提示開(kāi)通操作無(wú)效。

除了BOSS指令觸發(fā)的遷移，還有一種基于同廠家SPR/UDR私有接口的用戶(hù)業(yè)務(wù)流程觸發(fā)的遷移，其流程如下：

場(chǎng)景：4G存量用戶(hù)初次更換5G終端接入網(wǎng)絡(luò)，簽約數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SPR。

（1）用戶(hù)上線，通過(guò)AN--＞AMF--＞SMF N7接口從5G設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。

（2）PCF向UDR發(fā)送請(qǐng)求，用于獲取用戶(hù)簽約數(shù)據(jù)。

（3）UDR查詢(xún)未發(fā)現(xiàn)用戶(hù)數(shù)據(jù)，查詢(xún)SPR中有數(shù)據(jù)，觸發(fā)數(shù)據(jù)遷移至UDR。

（4）UDR返回PCF用戶(hù)的策略信息。

上述流程并不涉及BOSS的參與，完全由用戶(hù)的業(yè)務(wù)流程觸發(fā)了數(shù)據(jù)的遷移，是一種基于用戶(hù)流程的單用戶(hù)數(shù)據(jù)搬遷的方式。但UDR僅支持配置上述兩種方式的其中一種，因此建議在5G網(wǎng)絡(luò)初期采用BOSS觸發(fā)遷移方式，后期采用用戶(hù)業(yè)務(wù)流程觸發(fā)遷移的方式。

該方案通過(guò)兩種數(shù)據(jù)遷移的方式，穩(wěn)健地將SPR的用戶(hù)數(shù)據(jù)逐個(gè)遷移到UDR中，減少了整體搬遷帶來(lái)的對(duì)現(xiàn)網(wǎng)的影響，也降低了數(shù)據(jù)不一致性的風(fēng)險(xiǎn)。

該方案的缺點(diǎn)在于必須與4G的PCRF/SPR同廠家，在設(shè)備的采購(gòu)上受到了約束。此外，由于5G的NFV特點(diǎn)，底層的設(shè)備廠家有可能與上層的應(yīng)用廠家不是一家，存在三層解耦帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)部署風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.2 組網(wǎng)方案二：異廠家雙發(fā)方案

組網(wǎng)架構(gòu)如圖6所示。組網(wǎng)圖中的架構(gòu)總體與同廠家方案類(lèi)似，區(qū)別在于新建的PCF/UDR與PCRF/SPR是異廠家，且BOSS的開(kāi)通接口也要與UDR對(duì)接，形成UDR/SPR兩邊同時(shí)發(fā)送指令的架構(gòu)。

圖6 異廠家雙發(fā)方案組網(wǎng)圖

該方案對(duì)現(xiàn)網(wǎng)的改造要求如下：BOSS系統(tǒng)同時(shí)連接SPR和UDR，支持雙開(kāi)，并保證兩邊數(shù)據(jù)的一致性、有效性、實(shí)時(shí)性。PCF建立和AMF/SMF等網(wǎng)元的連接（HTTP）。PCF建立和原有4G信令網(wǎng)絡(luò)的連接（Diameter）。BOSS將5G用戶(hù)（包括新開(kāi)5G、4G升5G用戶(hù)）開(kāi)通到UDR，同時(shí)在SPR上保留用戶(hù)的4G策略數(shù)據(jù)。同時(shí)針對(duì)5G用戶(hù)的后續(xù)BOSS指令需要同時(shí)向UDR和SRP進(jìn)行發(fā)送，保證UDR和SPR上的策略數(shù)據(jù)一致性。用戶(hù)無(wú)論是尋址到PCRF，還是尋址到PCF，保證都能獲取到相同的簽約策略。

業(yè)務(wù)流程如下：

場(chǎng)景一：存量4G用戶(hù)簽約4G業(yè)務(wù)，如圖7所示。

圖7 存量4G用戶(hù)簽約4G業(yè)務(wù)

（1）BOSS下發(fā)簽約命令subscribeService/ subscribeUsrSessionPolicy到SPR。

（2）SPR完成用戶(hù)業(yè)務(wù)簽約。

場(chǎng)景二：新開(kāi)5G用戶(hù)策略數(shù)據(jù)簽約開(kāi)通，如圖8所示。

圖8 新開(kāi)5G用戶(hù)策略數(shù)據(jù)簽約開(kāi)通

（1）BOSS下發(fā)開(kāi)戶(hù)命令到SPR和UDR。下發(fā)到SPR的addSubscriber命令不攜帶“Usr5GStatus”參數(shù)；下發(fā)到UDR的addSubscriber命令中“Usr5GStatus”參數(shù)取值為“1”。BOSS下發(fā)簽約命令subscribe Service/subscribe Usr Session Policy到SPR和UDR。

（2）SPR和UDR完成用戶(hù)開(kāi)戶(hù)和業(yè)務(wù)簽約。

場(chǎng)景三：存量4G用戶(hù)開(kāi)通5G策略數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)簽約，如圖9所示。

圖9 存量4G用戶(hù)開(kāi)通5G策略數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)簽約

（1）BOSS判斷是4G用戶(hù)開(kāi)5G，將用戶(hù)在SPR上的開(kāi)戶(hù)信息通過(guò)addSubscriber命令全部重新下發(fā)給UDR，其中addSubscriber命令中“Usr5GStatus”參數(shù)取值為“1”。

（2）UDR完成命令執(zhí)行，并返回響應(yīng)。

（3）將用戶(hù)在SPR上的全部簽約信息通過(guò)subscribe Service/ subscribe Usr Session Policy命令全部重新下發(fā)給UDR。

（4）UDR完成命令執(zhí)行，并返回響應(yīng)。

雙發(fā)方案不存在BOSS觸發(fā)遷移的流程，由BOSS發(fā)送相應(yīng)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)數(shù)據(jù)從SPR到UDR的同步，由于是異廠家組網(wǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)基于用戶(hù)業(yè)務(wù)觸發(fā)的遷移。

該方案完全依賴(lài)BOSS的能力實(shí)現(xiàn)用戶(hù)數(shù)據(jù)從SPR到UDR的遷移，難點(diǎn)在于如何將SPR原有的用戶(hù)數(shù)據(jù)完整準(zhǔn)確的遷移到UDR，對(duì)BOSS的能力要求非常高，存在BOSS數(shù)據(jù)庫(kù)與UDR數(shù)據(jù)庫(kù)中用戶(hù)數(shù)據(jù)不一致的風(fēng)險(xiǎn)。該方案的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)虛擬層的廠家選擇相同的應(yīng)用層PCF/UDR廠家，避免三層解耦存在的兼容性問(wèn)題。

分析梳理了兩種方案的特點(diǎn)，如表2所示。

表2 兩種方案比較

方案 BOSS改造 搬遷方式 商務(wù) 對(duì)現(xiàn)網(wǎng)影響異廠家雙發(fā)復(fù)雜，同時(shí)發(fā)送至UDR和SPR無(wú)需搬遷。可根據(jù)虛擬層廠家靈活選擇廠家較小，UDR/SPR兩份數(shù)據(jù)庫(kù)互不影響

根據(jù)方案的特點(diǎn)，應(yīng)全方位多角度綜合各類(lèi)因素選擇方案，在BOSS能力足夠強(qiáng)的情況下，5G初期建議采用異廠家雙發(fā)方案，能大大降低對(duì)于現(xiàn)網(wǎng)的影響，而靈活的選擇廠家可以盡可能地避免與虛擬層的解耦，降低異廠家適配的兼容性問(wèn)題。

2 結(jié)束語(yǔ)

5G SA商用，作為5GC的重要一環(huán)，4G的用戶(hù)策略數(shù)據(jù)向5GC平滑演進(jìn)是重點(diǎn)研究的方向。本研究基于現(xiàn)網(wǎng)EPC的情況及5GC的組網(wǎng)需求，重點(diǎn)研究了PCF融合數(shù)據(jù)的兩種實(shí)現(xiàn)方案，在實(shí)際選擇方案時(shí)應(yīng)綜合考慮原有4G設(shè)備情況、5G商務(wù)合同、廠商設(shè)備功能、周邊網(wǎng)元改造要求，結(jié)合兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)統(tǒng)籌決策。