5G網(wǎng)絡(luò)獨立組網(wǎng)中融合計費方案的研究

閆 輝，徐 啟，劉建功，許 琦

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

5G網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)階段分別使用了兩種組網(wǎng)技術(shù)，分別是獨立組網(wǎng)（Standalone，SA）和非獨立組網(wǎng)（Non-Standalone，NSA）。SA屬于單純的5G網(wǎng)絡(luò)，需重新建設(shè)基站、核心網(wǎng)等，具備在商業(yè)領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域、科研領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢；而NSA在原有4G網(wǎng)絡(luò)資源的基礎(chǔ)上進行5G組網(wǎng)，組網(wǎng)的經(jīng)濟性、可行性良好，但是無法完全滿足5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的需求。SA組網(wǎng)是5G網(wǎng)絡(luò)未來發(fā)展的重要趨勢，基于5G網(wǎng)絡(luò)SA組網(wǎng)的融合計費方案已經(jīng)成為運營商重點關(guān)注的問題。

1 4G/NSA計費向5G/SA計費演化過程分析

1.1 4G/NSA計費方案

4G/NSA在核心網(wǎng)的計費網(wǎng)關(guān)（Charging Gateway，CG）進行離線計費，通過獲取的用戶計費信息完成費用統(tǒng)計，然后輸出用戶話單。其在線計費采用在線計費系統(tǒng)（Online Charging System，OCS），可以收集用戶端的費用信息[1]。而5G網(wǎng)絡(luò)主要采用的是在線計費功能和離線計費功能相結(jié)合的計費服務(wù)功能（CHarging Function，CHF），支持離線計費、在線計費以及融合計費場景，通過計費功能的服務(wù)化端口Nchf與網(wǎng)元側(cè)建立通信，生成話費單，可以滿足5G計費的多元化需求。

1.2 5G/NSA計費方案

5G網(wǎng)絡(luò)如果采用的是NAS組網(wǎng)，除了進行5G計費外，還要進行以上幾代移動通信網(wǎng)絡(luò)的計費。5G/NSA在流量計費過程中，將4G基站與5G基站同時接入網(wǎng)絡(luò)，但核心網(wǎng)無法分辨4G、5G流量。如果要對5G流量進行單獨計算，需在5G基站端進行計算，然后借助控制面反饋信息，最后由計費網(wǎng)關(guān)進行流量的離線計算[2]。采用5G/NSA流量計費方式，沒有實現(xiàn)OCS在線計費與內(nèi)容計費，也就是在計費過程中忽略了計費的內(nèi)容差異，與運營商計費需要不符。基于此，應(yīng)采用5G/SA流量融合計費方案，實現(xiàn)各代移動通信網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一計費。

1.3 演 化

5G/SA融合計費依托于SA組網(wǎng)，將在線計費與離線計費進行了整合，統(tǒng)一了計費接口，可以實現(xiàn)各代移動通信網(wǎng)絡(luò)計費功能的兼容。4G/NSA同時實行離線計費與在線計費，離線計費與4G核心網(wǎng)之間布置了CG與GA接口，在線計費與核心網(wǎng)之間布置了GY接口與OCS，以此構(gòu)建出4G核心網(wǎng)的計費架構(gòu)[3]。5G網(wǎng)絡(luò)直接將以上內(nèi)容整合為融合計費的CHF，接口統(tǒng)一為服務(wù)化接口Nchf，優(yōu)化了4G核心網(wǎng)的計費架構(gòu)，但是計費的方式和方法沒有發(fā)生實質(zhì)性的改變，還是在用戶端進行計費信息的收集，并通過收集的數(shù)據(jù)進行訪問控制，從而構(gòu)建出5G/SA的融合計費架構(gòu)。4G計費向5G融合計費具體演化情形如圖1所示。

圖1 4G計費向5G融合計費演化形式

CHF整合了4G的在線計費功能與離線計費功能，同時支持兩種計費模式，生成計費話單，同時進行配額管理，動態(tài)控制用戶移動通信業(yè)務(wù)的可用量，并配置了統(tǒng)一服務(wù)接口Nchf，建立了用戶端與CHF之間的連接，兼容在線與離線計費功能。從圖1中5G融合計費系統(tǒng)部署形態(tài)來看，實現(xiàn)了融合計算系統(tǒng)的集成，在5G/SA組網(wǎng)中部署更加的靈活，為IT系統(tǒng)云化提供了技術(shù)支撐[4]。在融合計費功能上來看，不但繼承了4G/NSA生成計費話單的優(yōu)勢，還增加了配額管理的功能，確保了5G網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)與計費功能的高準確性與高可靠性，解決了4G/NSA在線與離線計費系統(tǒng)分離引起的計費偏差。

2 5G網(wǎng)絡(luò)SA組網(wǎng)中融合計費方案分析

2.1 融合計費關(guān)鍵網(wǎng)元與功能

會話管理網(wǎng)元（Session Management Function，SMF）的主要功能包括：會話建立、修改與發(fā)布，在融合計費中接收CHF的計費參數(shù)，同時收集用戶的計費信息，并將信息反饋給CHF；監(jiān)控CHF在線計費參數(shù)；維護節(jié)點與用戶端口功能（User Port Function，UPF）之間的鏈路，并向UPF下發(fā)配額與計費參數(shù)，同時將其配額用量反饋給SMF。

5G核心網(wǎng)網(wǎng)元集中式協(xié)調(diào)功能（Point Coordination Function，PCF）負責用戶訪問選擇與協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit，PDU）會話等相關(guān)策略，完成接入與移動性相關(guān)的控制[5]。

融合計費網(wǎng)元CHF在融合計費系統(tǒng)中的主要功能有以下3種：一是在線計費，負責批價、扣費、配額、下發(fā)計費參數(shù)等工作；二是離線計費，主要用于計費參數(shù)的下發(fā)；三是配額用量處理，同步生成計費話單。

UPF負責處理5G核心網(wǎng)用戶平面數(shù)據(jù)包的路由與轉(zhuǎn)發(fā)功能，連接了5G網(wǎng)絡(luò)與多接入邊緣計算，是5G核心網(wǎng)中非常重要的網(wǎng)元。其通過N4接口與SMF建立會話，根據(jù)SMF下發(fā)的指令配合開展業(yè)務(wù)處理活動。

2.2 融合計費流程

根據(jù)融合計費系統(tǒng)的關(guān)鍵網(wǎng)元與功能信息，5G/SA融合計費系統(tǒng)網(wǎng)元業(yè)務(wù)處理流程如圖2所示。

圖2 5G/SA融合計費系統(tǒng)網(wǎng)元業(yè)務(wù)處理流程

根據(jù)圖2，具體流程分析如下。（1）PCF與SMF之間建立對話，SMF→PCF完成接入控制后，SMF下發(fā)計費規(guī)則需求，PCF反饋計費粒度與計費方式；（2）SMF→CHF，直接選擇融合計費網(wǎng)元；（3）SMF向CHF發(fā)布配額申請，CHF反饋用戶的配額與計費參數(shù)；（4）SMF→UPF，SMF將前期獲取的計費業(yè)務(wù)發(fā)布給UPF；（5）UPF從用戶體驗端（User Experience，UE）獲取用戶訪問業(yè)務(wù)，經(jīng)過解析后根據(jù)獲取的計費規(guī)則、事件、參數(shù)等進行計量，形成計費信息并向SMF上報；（6）SMF接收到UPF上報的計費信息后，將信息上報給CHF，同時申請新的配額，至此完成整個5G/SA融合計費流程[6]。

3 5G網(wǎng)絡(luò)SA組網(wǎng)融合計費方案的實現(xiàn)

做好CHF主備用服務(wù)器的設(shè)計，當主服務(wù)器出現(xiàn)故障后，備用服務(wù)器立即接替主服務(wù)器運行，盡量縮減核心網(wǎng)業(yè)務(wù)延時，使用戶幾乎感知不到融合計費系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題[7]。當SMF與CHF主服務(wù)器建立會話后，鏈路反饋回故障信息，SMF則直接與CHF備用服務(wù)器建立連接。當主服務(wù)器恢復(fù)運行后，SMF會第一時間感知，切斷與備用服務(wù)器的連接，同時重新建立與主服務(wù)器之間的會話。當CHF主備用服務(wù)器都發(fā)生運行故障時，運營商還需建立應(yīng)急處理方案，這種情況發(fā)生的概率非常小，一般發(fā)生在5G網(wǎng)絡(luò)SA組網(wǎng)初期。具體應(yīng)急處理方案有以下兩種：一是停止融合計費系統(tǒng)運行，同時維持移動通信網(wǎng)絡(luò)的正常通信，故障期間不會影響用戶使用體驗，但是會產(chǎn)生費用損失；二是停止用戶訪問業(yè)務(wù)，故障期間暫停5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，但對于用戶體驗不是十分友好[8]。

5G網(wǎng)絡(luò)SA組網(wǎng)需要一定的建設(shè)時間，在4G向著5G網(wǎng)絡(luò)過渡期間，可以并行4G計費與5G計費模式，實現(xiàn)4G計費與5G計費的互切換。具體部署方案是在網(wǎng)絡(luò)中同時設(shè)置PGW-C與SMF，兩者通過N40接口與CHF建立連接，并使用相同的計費規(guī)則、計費事件以及計費參數(shù)，保證融合計費的一致性。PGW-C可以進行融合計費，構(gòu)建4G的融合計費模式，為4G計費與5G計費的互切提供技術(shù)支撐，以保障運營商5G/SA網(wǎng)絡(luò)計費的可靠敏捷且經(jīng)濟高效[9]。

融合計費系統(tǒng)進行了5G/SA網(wǎng)絡(luò)計費的整合，間接降低了運營商融合計費系統(tǒng)運維的成本。計費系統(tǒng)實現(xiàn)了用戶與核心網(wǎng)之間端到端的服務(wù)，通過與核心網(wǎng)無縫銜接，支持持續(xù)交付，為運營商提供了降本增效的最佳解決方案。此外，運用融合計費系統(tǒng)可以壓縮新需求的上線時間，業(yè)務(wù)中斷概率極低，可用性高達100%[10]。現(xiàn)階段5G/SA融合計費系統(tǒng)支持1 000多種計費因子且擁有300多個應(yīng)用程序編程接口，量綱組合靈活，聯(lián)合運用統(tǒng)一運維與自動化運維方案，為運營商5G新業(yè)務(wù)的推廣提供有力的融合計費支撐，加快5G業(yè)務(wù)變現(xiàn)的速度。

4 結(jié) 論

在5G/SA網(wǎng)絡(luò)計費中，需要兼容以上幾代移動通信網(wǎng)絡(luò)的計費模式，實現(xiàn)多元計費業(yè)務(wù)的并行，但由于4G/NSA并行了在線與離線兩種計費方案，導(dǎo)致兩種計費方案難以保證結(jié)果的一致性。而基于5G網(wǎng)絡(luò)SA組網(wǎng)構(gòu)建融合計費架構(gòu)，兼容在線與離線兩種計費模式，同時根據(jù)用戶訪問業(yè)務(wù)的不同進行差異化計費，適用于不同的5G應(yīng)用場景計費，為5G網(wǎng)絡(luò)SA組網(wǎng)提供了最佳的計費解決方案。