5G雙域?qū)＞W(wǎng)中4G/5G互操作優(yōu)化策略研究

謝 剛

(中國移動通信集團(tuán)上海有限公司,上海 201206)

0 引言

隨著5G時代的到來,2023年上海移動加快5G雙域?qū)＞W(wǎng)的部署,滿足了行業(yè)用戶同時訪問內(nèi)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的需求,打開了面向行業(yè)和用戶(to Business to Consumer,2B2C)融合服務(wù)的商業(yè)新模式,實現(xiàn)了2B、2C業(yè)務(wù)相互拉動[1]。5G雙域?qū)＞W(wǎng)為高校在線教學(xué)、科研工作提供了安全可靠的無線高帶寬通信保障。目前,上海移動已開通同濟(jì)大學(xué)、上海大學(xué)等多所高校的5G雙域?qū)＞W(wǎng)業(yè)務(wù),教師及學(xué)生使用5G終端接入5G網(wǎng)絡(luò)訪問互聯(lián)網(wǎng)和校園內(nèi)網(wǎng)。由于5G無線覆蓋存在弱覆蓋區(qū)域,需要部署4/5G互操作以保障上網(wǎng)業(yè)務(wù)的連續(xù)性。當(dāng)終端在4G和5G之間切換,就會發(fā)起4G/5G互操作流程。上海移動4G/5G網(wǎng)絡(luò)實行融合運營方式,疊加了5G雙域?qū)＞W(wǎng)后,在實際運營過程中會出現(xiàn)問題。本文主要剖析出現(xiàn)問題的根源,提出解決上海移動4G/5G互操作問題的優(yōu)化策略。

1 5G雙域?qū)＞W(wǎng)中4G/5G互操作概述

5G雙域?qū)＞W(wǎng)基于5G技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),劃分用戶網(wǎng)絡(luò)為公共域網(wǎng)絡(luò)和私有域網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示為5G雙域?qū)＞W(wǎng)結(jié)構(gòu)[2],用戶設(shè)備(User Equipment,UE)通過接入網(wǎng)絡(luò)(Access Network,AN)接入網(wǎng)絡(luò),接入與移動管理功能(Access and Mobility Management Function,AMF)負(fù)責(zé)UE的接入注冊、移動管理,會話管理功能(Session Management Function,SMF)負(fù)責(zé)UE的會話管理,用戶平面功能(User Plane Function,UPF)負(fù)責(zé)UE的流量轉(zhuǎn)發(fā)。在 UE的會話中,插入一個上行鏈路分類器(Uplink Classifier,ULCL)UPF 作為分流器,將 UPF 下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣以減少路由迂回,采用ULCL對業(yè)務(wù)進(jìn)行本地分流[3]。本地流量經(jīng)過副錨點UPF(PDU Session Anchor 2)接入私有域數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(Data Network,DN),互聯(lián)網(wǎng)流量經(jīng)過主錨點UPF(PDU Session Anchor 1)接入公共域DN。

上海移動5G雙域?qū)＞W(wǎng)采用上文2B2C UPF ULCL技術(shù)實現(xiàn)。校園用戶5G簽約校園專用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)名(Data Network Name,DNN),4G簽約CMNET通用接入點名(Access Point Name,APN)。校園用戶接入5G上網(wǎng)時網(wǎng)絡(luò)為用戶隨機(jī)分配AMF,為用戶指定分配SMF和UPF,用戶使用專用DNN接入互聯(lián)網(wǎng)和校園網(wǎng)。當(dāng)5G無線弱覆蓋時,用戶從5G回落到4G使用業(yè)務(wù),5G無線覆蓋恢復(fù)時又從4G回到5G使用業(yè)務(wù)。用戶在5G和4G之間來回切換網(wǎng)絡(luò),需要用到4G/5G互操作。如圖2所示為5G雙域?qū)＞W(wǎng)的4G/5G互操作[2]。

圖2 4G/5G互操作

5G雙域?qū)＞W(wǎng)和4G公用簽約數(shù)據(jù)庫HSS+UDM,AMF和MME之間通過N26接口交互用戶上下文等信令消息?；贜26接口的系統(tǒng)間切換,可用于為用戶提供連續(xù)性無縫切換的業(yè)務(wù)。用戶UE從4G網(wǎng)絡(luò)接入時,UE與PGW-U之間的用戶面控制消息通過E-UTRAN、MME、SGW、SMF+PGW-C連接交互。用戶UE從5G網(wǎng)絡(luò)接入時,UE與UPF之間的用戶面控制消息通過NG-RAN、AMF、SMF+PGW-C連接交互。

2 5G雙域?qū)＞W(wǎng)中4G/5G互操作分析

5G雙域?qū)＞W(wǎng)用戶采用單注冊方式,在這種方式下,手機(jī)注冊在4G或者5G核心網(wǎng)上,4G網(wǎng)絡(luò)與5G網(wǎng)絡(luò)之間互操作包括UE從4G到5G的注冊更新(4G到5G的Handover不部署)、UE從5G到4G的TAU、UE從5G到4G的Handover。

2.1 5G到4G的TAU

當(dāng)5G雙域?qū)＞W(wǎng)用戶UE在5G核心網(wǎng)狀態(tài)為連接管理狀態(tài)空閑(Connection Management IDLE, CM-IDLE),UE移動到4G網(wǎng)絡(luò)下,UE會發(fā)生TAU流程。

用戶UE向MME發(fā)起TAU請求,MME通過N26接口從AMF獲取用戶上下文。MME根據(jù)獲取的上下文,創(chuàng)建承載上下文,完成TAU。由于用戶4G簽約的APN為CMNET,5G簽約的DNN為專用DNN。當(dāng)MME從AMF獲取攜帶專用DNN名字的上下文,在4G就創(chuàng)建了專用DNN為名字的承載。后續(xù)的Update Location流程中MME從UDM取攜帶CMNET APN的簽約數(shù)據(jù)但是不再判斷用戶已創(chuàng)建的承載上下文是否合法,因此用戶在4G使用5G專用DNN名字的APN接入網(wǎng)絡(luò),即用戶用未簽約的APN接入4G,直接導(dǎo)致BOSS系統(tǒng)對計費話單的丟棄,給運營商造成損失。

當(dāng)用戶TAU到4G后,一段時間不活動,拆除上下文后,UE再發(fā)起業(yè)務(wù)時,恢復(fù)正常的CMNET承載接入4G。

2.2 4G到5G的注冊更新

5G雙域?qū)＞W(wǎng)用戶UE在4G核心網(wǎng)中的用戶狀態(tài)為EPS連接管理狀態(tài)空閑(EPS Connection Management IDLE, ECM-IDLE),移動到5G網(wǎng)絡(luò),進(jìn)行5G移動注冊更新。

當(dāng)用戶UE發(fā)起的注冊更新請求消息中不攜帶上行數(shù)據(jù)狀態(tài)(Uplink Data Status)時,AMF在注冊更新流程中,不為用戶接續(xù)PDU會話,注冊完成后,即拆除N2接口(UE與AMF接口)。用戶重新發(fā)起業(yè)務(wù),通過服務(wù)請求流程接續(xù)會話,服務(wù)請求流程中AMF下發(fā)隧道端點標(biāo)識(Tunnel Endpoint IDentifier,TEID)后,SMF可以正常下發(fā)給ULCL UPF分配用戶面資源。

當(dāng)用戶UE發(fā)起的注冊更新請求消息中攜帶上行數(shù)據(jù)狀態(tài)(Uplink Data Status)時,AMF在注冊過程中為用戶接續(xù)PDU會話,注冊更新流程疊加ULCL UPF插入。AMF將N3接口(AN與UPF接口)下行GTPU TEID信息傳遞給SMF,SMF再發(fā)給分配N3口用戶面資源;SMF通過N4接口(SMF與UPF接口)給主副錨點下發(fā)PDU創(chuàng)建指令,導(dǎo)通主副錨點UPF的N6口(UPF與公共域互聯(lián)網(wǎng)DN、私有域校園網(wǎng)DN接口)連接。

2.3 5G到4G的Handover

當(dāng)UE在5G中處于CM-CONNECTED狀態(tài),UE移動到EPC網(wǎng)絡(luò)下,則發(fā)生5G到4G的切換。Source AMF根據(jù)Target TAI向DNS查詢并選擇Target MME,AMF將UE上下文轉(zhuǎn)發(fā)給選定的MME?；贜26接口的5G到4G的互操作流程實現(xiàn)無縫切換,將數(shù)據(jù)從5G的傳輸通道切換到4G傳輸通道。當(dāng)切換流程成功完成后,UE執(zhí)行TAU流程,完成UE在目標(biāo)4G中的注冊。

由于用戶在4G簽約的APN和5G簽約的DNN名字不一致,用戶從5G切到4G后,仍舊使用5G DNN名字的APN建立PDN承載接入4G網(wǎng)絡(luò),會導(dǎo)致計費錯誤。。

3 5G雙域?qū)＞W(wǎng)中5G和4G互操作的策略優(yōu)化

從上海移動5G雙域?qū)＞W(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的3種5G和4G互操作分析結(jié)果看,5G雙域?qū)＞W(wǎng)用戶處于CM-IDLE狀態(tài)從5G TAU到4G,使用5G專用DNN名字的APN接入網(wǎng)絡(luò),導(dǎo)致計費錯誤;5G雙域?qū)＞W(wǎng)用戶UE在5G核心網(wǎng)中的用戶狀態(tài)為CONNECTED狀態(tài),切換到4G網(wǎng)絡(luò),切換完成后執(zhí)行4G TAU流程,也采用與5G DNN名字的APN建立PDN承載接入4G網(wǎng)絡(luò),導(dǎo)致計費錯誤。優(yōu)化策略有2種,一是雙域?qū)＞W(wǎng)用戶從5G TAU到4G后,4G核心網(wǎng)中的MME立即激活用戶的PDN;5G雙域?qū)＞W(wǎng)用戶完成5G到4G的切換,進(jìn)行TAU后,MME立即激活用戶的PDN。用戶后續(xù)發(fā)起業(yè)務(wù)時,重新建立APN為CMNET的PDN承載,接入4G網(wǎng)絡(luò)訪問互聯(lián)網(wǎng)。二是5G雙域?qū)＞W(wǎng)用戶的4G APN簽約更改為與5G專網(wǎng)DNN名字相同的APN,5G雙域?qū)＞W(wǎng)用戶處于CM-IDLE狀態(tài)從5G TAU到4G,仍舊采用5G DNN相同的名字相同的APN訪問互聯(lián)網(wǎng),保證計費的連續(xù)性。這種修改涉及4G全網(wǎng)DNS、PGW接入點數(shù)據(jù)修改,數(shù)據(jù)量巨大,而5G DNN只針對省內(nèi)有效,省外修改4G DNS、PGW接入點不合適。所以,比較策略一和策略二的可行性,策略一比較有效,目前已經(jīng)在上海移動核心網(wǎng)絡(luò)部署,效果較好。

4 結(jié)語

5G技術(shù)快速發(fā)展,行業(yè)用戶數(shù)量快速增長,5G雙域?qū)＞W(wǎng)迎來快速發(fā)展期。上海移動5G雙域?qū)＞W(wǎng)采用2B2C UPF ULCL技術(shù)實現(xiàn)。由于在建網(wǎng)初期5G無線覆蓋存在弱覆蓋區(qū)域,需要部署4/5G互操作保障上網(wǎng)業(yè)務(wù)連續(xù)性。上海移動5G雙域?qū)＞W(wǎng)4G/5G互操作包含5G到4G的TAU、4G到5G的注冊更新、5G到4G的Handover 3種情況。5G到4G的TAU互操作由于用戶4G簽約的APN和5G簽約的DNN名字不一致,導(dǎo)致UE到4G后出現(xiàn)承載、計費錯誤,本文提出的UE從5G TAU到4G后立即重建用戶面承載的優(yōu)化策略解決了此問題,具有一定創(chuàng)新性。5G雙域?qū)＞W(wǎng)的4G/5G互操作比較新穎,在疊加到本地網(wǎng)絡(luò)運營時可能會遇到各種問題,本文研究內(nèi)容及成果可供開展類似業(yè)務(wù)的運營商借鑒。

5G時代已經(jīng)到來,采用4G/5G互操作策略的5G雙域?qū)＞W(wǎng)能更好地為行業(yè)用戶提供業(yè)務(wù)體驗。