4G和5G融合组网与互操作技术

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【摘要】4G/5G融合组网及互操作技术是运营商在5G网络部署中需要重点考虑的问题之一，因此根据3GPP Rel-15标准要求，分析了4G/5G跨系统互操作架构、核心网网元融合部署原则、应用单注册/双注册模式，以及部署/未部署N26接口情况下具体的4G/5G互操作业务流程，为后续运营商的网络演进和部署提供参考。


【关键词】5G；互操作；融合组网；单注册/双注册


doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.01.000      中图分类号：TN929.53      文献标志码：A      文章编号：1006-1010(2018)01-0000-00


引用格式：任驰. 4G与5G融合组网及互操作技术研究[J]. 移动通信, 2017,42(1): 00-00.


Study on the Technology of 4G and 5G Fusion Networking and Interworking


REN Chi


(China Unicom Network Technology Research Institute, Beijing 100048, China)


[Abstract] The technical of 4G/5G fusion networking and interworking is one of the most important issues that the network operator need to consider about. This article analyzes the 4G/5G interworking architecture, the principle of network element fusion deployment, and specific interworking procedure between 4G and 5G under single-registration mode/dual-registration mode and with/without N26 interface according to the specification of 3GPP release 15, to supply references to the network operators for network evolution and deployment.


[Key words] 5G; interworking; fusion networking; single-registration/dual-registration


1   引言


5G网络是当前移动网络领域最热门的概念之一，“万物互联”的愿景和助力产业升级的目标使5G的研究和商用部署的节奏不断加快。而随着3GPP SA2第124次会议的闭幕，也宣告了Rel-15阶段的工作胜利完成，5G核心网正式完成了第一阶段架构的设计，商用产品的研发、试验和网络的商用部署工作即将大规模铺开。


5G的商用部署进程将是一个基于4G系统进行的长期的替换、升级、迭代的过程，而在5G网络部署的前中期阶段，4G系统也是在5G覆盖不完善的情况下，作为保障用户业务连续性体验这一目的的最好补充。因此4G/5G融合组网，以及互操作技术将是各大运营商在网络演进中需要重点考虑的问题之一。


基于3GPP现阶段的结论，本文仅讨论5G同4G直接的融合组网及互操作技术，暂不涉及5G同2G/3G直接的互操作。
2   4G/5G融合互操作架构


4G/5G融合组网意味着网络、数据、业务均需要进行一体化的融合演进，对从现有4G网络到5G的演进过程来说，用户签约数据融合、业务策略数据融合以及业务连续性是在网络融合过程中需要最优先考虑的问题。基于这部分网络演进需求，3GPP定义了专用于跨系统互操作的4G/5G融合网元，即HSS+UDM、PCRF+PCF、PGW-C+SMF和PGW-U+UPF。4G/5G融合互操作系统架构如图1所示，其中N26接口为可选接口，其应用部署取决于运营商具体的部署策略和业务需求。

图1    4G/5G融合互操作系统架构


4G/5G网元融合部署的收益除了数据和用户状态的统一管理外，大部分4G/5G间的主要交互流程均可以通过融合网元内部接口实现，不需要单独定义标准化接口，简化了互操作业务处理流程。


针对PCRF+PCF，融合部署支持统一的套餐流量管理，一个套餐可以同时在多种接入方式下累积，同时支持网络采用统一的控制策略，可以根据用户的网络切换情况在内部进行QoS映射，保证统一的策略控制和用户体验。如PCRF和PCF不采用融合组网，则不同接入制式流量需要在不同的网元中进行累积，无法进行数据同步，难以进行同一套餐的统一控制，同时需要在两个网元中进行策略数据的受理，业务处理相对复杂。


针对PGW-C+SMF以及PGW-U+UPF，融合部署支持4G/5G切换过程中的业务连续性，保证用户的无缝切换体验，同时用户面融合部署对接入制式不敏感，切换过程中不需要变更用户面锚点，节省业务处理资源。如不采用融合组网，切换过程中会发生用户IP地址的改变，将无法保证用户业务和会话的连续性，并且需要更多资源处理切换相关的流程，增加网络负荷。


考虑到以上情况，跨系统互操作网元融合部署将是一个相对合理和优化的选择。


3   4G/5G互操作处理流程


3.1  单注册/双注册


为支持4G/5G间的互操作，5G系统针对同时支持5GC NAS和EPC NAS的UE定义了单注册和双注册两种注册模式，其中对UE来说，单注册是必选功能，而双注册为可选功能，运营商可根据具体的网络部署情况和业务需求进行UE能力的要求。在UE注册过程中，UE应该向网络侧发送指示，表明UE同时具备5GC NAS和EPC NAS能力，以支持后续网络的互操作处理。


在单注册状态中，UE同一时间内仅保持一种激活的移动性管理状态，可以是5GC的注册管理状态，或EPC的EPS移动性管理状态其中之一，即UE同时仅接入EPC或5GC之一。当UE发生4G/5G间的互操作时，UE会将当前的EPS-GUTI映射为5G-GUTI（当由4G移动到5G时），或将当前的5G-GUTI映射为EPS-GUTI（当由5G移动到4G时）。


在双注册模式中，UE能够同时独立处理到5GC和EPC的注册流程，同时存储5G-GUTI和EPC-GUTI，并且5G-GUTI和EPC-GUTI均是由5GC或EPC系统分配的，而不是互相映射得来的。支持双注册模式的UE可以单独地注册到5GC或EPC，也可以同时注册到5GC和EPC。


在4G和5G间的互操作过程中，可能涉及到MME和AMF之间的可选接口N26接口，根据运营商的部署策略，互操作流程可以选择使用N26接口，也可以选择不使用N26接口。


3.2  部署N26接口时的互操作


当网络中部署了N26接口时，N26接口的存在将能够支持在互操作过程中，在源网络和目标网络之间传送移动性管理状态和会话管理状态，因此当运营商部署了N26接口时，UE仅需以单注册模式运行，同时网络仅需同时保持UE的一种可用的移动性管理状态，即可保证用户无缝的业务和会话连续性。当UE从5GC移动到EPC时，由SMF基于EPS能力以及运营商具体的管理策略决定哪些PDU会话可以重定位到目标EPS，并释放无法迁移到EPS的那部分PDU会话。
当UE处于空闲态时，如果发生5GC到EPC的移动，UE可以选择使用由5G-GUTI映射而来的EPS-GUTI进行跟踪区更新流程或4G附着流程完成移动性处理，MME通过N26接口获取UE在5G的移动性管理上下文和会话管理上下文。在此过程中，MME并不感知跨系统互操作过程，整个处理过程中，N26接口从MME处理的角度来说等同于S10接口。如果空闲态下UE发生EPC到5GC的移动，UE将使用由EPS-GUTI映射而来的5G-GUTI执行移动性注册（Mobility Registration）流程，并且向网络指示该UE的源网络是EPC，同时AMF通过N26接口获取UE在4G的移动性管理上下文和会话管理上下文，并将会话部分的信息发送给SMF。


当UE处于连接态时，无论是发生5GC到EPC的移动，还是发生EPC到5GC的移动，都将执行跨系统切换流程，在切换过程中，HSS+UDM将不再受理针对该UE的由AMF或由MME发来的注册请求。


3.3  未部署N26接口时的互操作


在未部署N26接口的网络中，网络使用HSS+UDM存储UE相关的PGW-C+SMF和APN/DNN信息，以此来保障UE的IP地址连续性。在未部署N26接口的情况下，网络侧应在UE初始附着的过程中指示网络具备双注册能力，以协助UE决定是否在互操作流程触发前提前在目标网络进行注册。如果UE在以双注册模式注册到网络后移动到支持N26接口的区域（如在漫游场景下VPLMN部署了N26接口），网络侧可以以携带重注册指示的注销请求将UE从网络中注销，并在UE重注册过程中不再携带网络侧支持双注册模式的指示，让UE以单注册模式在网络中进行重注册。


未部署N26接口的互操作流程中，有以下几个要点：


（1）当PDU会话是在5GC中建立的时候，PGW-C+SMF使用DNN在HSS+UDM中更新PDU会话信息（QoS、IP地址及切片信息等）。


（2）HSS+UDM向目标核心网（EPC/5GC）提供动态分配的PGW-C+SMF和APN/DNN信息。


在一些应用场景中，可能出现UE从部署N26接口的PLMN漫游到未部署N26接口的PLMN，因此需要一些特定的机制，保障仅支持单注册模式的UE在未部署N26接口的网络中的IP地址连续性，如：


（3）当UE携带表示其源网络为5GC或EPC的标志位在目标系统网络中进行初始附着时，MME或AMF在发送给HSS+UDM的消息中不会携带“初始附着”标识，以提示HSS+UDM不要删除源网络AMF或MME发送的注册信息。


（4）当PDN连接是在EPC中建立的时候，MME在HSS+UDM中存储PGW-C+SMF和APN信息。


在未部署N26接口的网络中进行4G和5G间的互操作时，网络不需要再进行诸如QoS参数、PDU会话ID、GUTI等EPS参数到5GC参数的映射，同时以双注册模式运行的UE也会依此机制忽略任何由网络下发的经过映射的网络参数。


未部署N26接口的互操作主要包含以下几种场景：


（1）以单注册模式运行的UE发生5GC到EPC的移动：UE在接收到网络侧下发的支持双注册标识后，可能执行EPC附着流程或跟踪区更新流程。


1）如UE执行EPC附着流程，UE在附着请求中携带的附着请求类型应为“切换”，并同时在请求消息中指示UE的源网络为5GC。在后续的流程中，网络侧会将UE所有存活的PDU会话均通过该过程迁移到EPC中，并保障UE的IP地址连续性。


2）如UE执行跟踪区更新流程，UE会在跟踪区更新请求中携带由5G-GUTI映射而来的EPS-GUTI，并同时指示UE的源网络为5GC，但在这种情况下，MME需要指示UE进重新附着，因此将无法保障UE的IP地址连续性。需要注意的是，在跨PLMN的移动过程中，UE只能执行跟踪区更新方案。


（2）以单注册模式运行的UE发生EPC到5GC的移动：UE携带由EPS-GUTI映射而来的5G-GUTI在5GC执行类型为“移动性注册更新”的注册流程，同时指示UE的源网络为EPC，AMF由此可以感知UE之前的注册节点是MME，但仍会以5G注册的要求来完成注册流程。AMF会在注册接受消息中下发网络侧支持双注册模式的指示，基于该指示，UE可以执行携带“已存在的PDU会话”指示的PDU会话建立流程，将所有UE存在的PDN连接迁移到5GC，也可以根据UE在EPC网络已经存在的PDN连接信息，重新建立PDU会话，但在这种情况下无法保障UE的IP地址连续性。


以双注册模式运行的UE发生5GC和EPC之间的互操作时，整个互操作流程以及UE的IP地址连续性不再依赖于N26接口，同时UE可以在互操作流程触发前提前注册到目标网络。不过提前注册对EPC网络有一定的要求，即在5GC到EPC的移动中，要求EPC网络支持无PDN连接建立的EPS附着流程，如果EPC不支持这一流程，则UE无法提前注册到EPC网络，同时在互操作的过程中MME会在PDN连接全部迁移完成后将用户在EPC中注销。


（3）以双注册模式运行的UE发生5GC到EPC的移动，需要区分UE是否已提前注册到EPC网络。


1）如果UE已提前注册到EPC，此种情况下UE在互操作过程中执行PDN连接建立流程，并通过携带“切换”指示的PDN连接建立流程，进行PDU会话到EPC的迁移。


2）如果UE没有提前注册到EPC网络，那么UE通过携带“切换”指示的EPC附着流程完成互操作。


（4）以双注册模式运行的UE发生EPC到5GC的移动：UE通过携带“已存在的PDU会话”指示的PDU会话建立流程，完成PDN连接到5GC的迁移。


4   结束语


在针对移动网络向5G演进的研究中，4G网络将长期和5G共存是通信产业内普遍的共识，因此基于包括用户签约数据、策略控制数据的数据融合管理，以及4G/5G间互操作及业务连续性将是在网络演进过程中首要的问题。基于以上需求，本文根据3GPP相关标准的要求，重点分析了4G/5G融合互操作架构及网元融合部署原则，并分析了4G/5G网元合设和分设的优劣。在网络演进过程中，运营商可首先考虑推进4G网络中PGW的控制和转发分离，以及PGW-C/U、HSS和PCRF设备到4G/5G融合网元的升级，实现4G/5G数据融合管理及跨系统互操作功能。同时本文针对N26接口以及单注册/双注册模式的应用分析了对应的互操作业务流程，根据是否存在必须在某一特定网络才能完成的业务（如4G的CSFB、5G的URLLC业务等），运营商可基于实际的业务需求，进行网络中N26接口的部署以及单注册/双注册模式的选择。


现有网络中设备大部分为传统架构设备，即厂家专有软件必须运行在对应的专有硬件平台上，因此在后续网络向全虚拟化5G核心网演进的过程中，如何尽可能地最小化对现有网络设备的影响，同时在最优化投资效率的前提下，进行4G/5G融合网络架构的改造和演进，打造适合自身业务需求和网络演进策略的4G/5G融合互操作体系，这些都将是下一步运营商网络演进研究中需要重点考虑的内容。


参考文献：
[1] 3GPP TR 23.799. Study on Architecture for Next Generation System[S]. 2017.
[2] 3GPP TS 23.501. System Architecture for the 5G System[S]. 2017.
[3] 3GPP TS 23.502. Procedures for the 5G System[S]. 2017.
[4] 3GPP TS 23.503. Policy and Charging Control Framework for the 5G System[S]. 2017.
[5] 3GPP TS 23.401. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access[S]. 2017.
[6] 3GPP TS 23.122. Non-Access-Stratum (NAS) functions related to Mobile Station (MS) in idle mode[S]. 2017.
[7] 3GPP TS 22.261. Service requirements for next generation new services and markets[S]. 2017.
[8] 3GPP TS 24.301. Non-Access-Stratum (NAS) protocol for Evolved Packet System (EPS)[S]. 2017.
[9] 3GPP TS 23.003. Numbering, Addressing and Identification[S]. 2017.
[10] 3GPP TS 38.300. NR; NR and NG-RAN Overall Description[S]. 2017. ★


作者简介


任驰：学士毕业于北京邮电大学，现任职于中国联合网络通信有限公司网络技术研究院，从事移动核心网技术、5G核心网架构等相关研究工作。