【摘要】4G/5G融合組網(wǎng)及互操作技術(shù)是運營商在5G網(wǎng)絡(luò)部署中需要重點考慮的問題之一，因此根據(jù)3GPP Rel-15標(biāo)準(zhǔn)要求，分析了4G/5G跨系統(tǒng)互操作架構(gòu)、核心網(wǎng)網(wǎng)元融合部署原則、應(yīng)用單注冊/雙注冊模式，以及部署/未部署N26接口情況下具體的4G/5G互操作業(yè)務(wù)流程，為后續(xù)運營商的網(wǎng)絡(luò)演進和部署提供參考。
【關(guān)鍵詞】5G；互操作；融合組網(wǎng)；單注冊/雙注冊
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.01.000 中圖分類號：TN929.53 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-1010(2018)01-0000-00
引用格式：任馳. 4G與5G融合組網(wǎng)及互操作技術(shù)研究[J]. 移動通信, 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網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前移動網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最熱門的概念之一，“萬物互聯(lián)”的愿景和助力產(chǎn)業(yè)升級的目標(biāo)使5G的研究和商用部署的節(jié)奏不斷加快。而隨著3GPP SA2第124次會議的閉幕，也宣告了Rel-15階段的工作勝利完成，5G核心網(wǎng)正式完成了第一階段架構(gòu)的設(shè)計，商用產(chǎn)品的研發(fā)、試驗和網(wǎng)絡(luò)的商用部署工作即將大規(guī)模鋪開。
5G的商用部署進程將是一個基于4G系統(tǒng)進行的長期的替換、升級、迭代的過程，而在5G網(wǎng)絡(luò)部署的前中期階段，4G系統(tǒng)也是在5G覆蓋不完善的情況下，作為保障用戶業(yè)務(wù)連續(xù)性體驗這一目的的最好補充。因此4G/5G融合組網(wǎng)，以及互操作技術(shù)將是各大運營商在網(wǎng)絡(luò)演進中需要重點考慮的問題之一。
基于3GPP現(xiàn)階段的結(jié)論，本文僅討論5G同4G直接的融合組網(wǎng)及互操作技術(shù)，暫不涉及5G同2G/3G直接的互操作。
2 4G/5G融合互操作架構(gòu)
4G/5G融合組網(wǎng)意味著網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)均需要進行一體化的融合演進，對從現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)到5G的演進過程來說，用戶簽約數(shù)據(jù)融合、業(yè)務(wù)策略數(shù)據(jù)融合以及業(yè)務(wù)連續(xù)性是在網(wǎng)絡(luò)融合過程中需要最優(yōu)先考慮的問題?；谶@部分網(wǎng)絡(luò)演進需求，3GPP定義了專用于跨系統(tǒng)互操作的4G/5G融合網(wǎng)元，即HSS+UDM、PCRF+PCF、PGW-C+SMF和PGW-U+UPF。4G/5G融合互操作系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，其中N26接口為可選接口，其應(yīng)用部署取決于運營商具體的部署策略和業(yè)務(wù)需求。
圖1 4G/5G融合互操作系統(tǒng)架構(gòu)
4G/5G網(wǎng)元融合部署的收益除了數(shù)據(jù)和用戶狀態(tài)的統(tǒng)一管理外，大部分4G/5G間的主要交互流程均可以通過融合網(wǎng)元內(nèi)部接口實現(xiàn)，不需要單獨定義標(biāo)準(zhǔn)化接口，簡化了互操作業(yè)務(wù)處理流程。
針對PCRF+PCF，融合部署支持統(tǒng)一的套餐流量管理，一個套餐可以同時在多種接入方式下累積，同時支持網(wǎng)絡(luò)采用統(tǒng)一的控制策略，可以根據(jù)用戶的網(wǎng)絡(luò)切換情況在內(nèi)部進行QoS映射，保證統(tǒng)一的策略控制和用戶體驗。如PCRF和PCF不采用融合組網(wǎng)，則不同接入制式流量需要在不同的網(wǎng)元中進行累積，無法進行數(shù)據(jù)同步，難以進行同一套餐的統(tǒng)一控制，同時需要在兩個網(wǎng)元中進行策略數(shù)據(jù)的受理，業(yè)務(wù)處理相對復(fù)雜。
針對PGW-C+SMF以及PGW-U+UPF，融合部署支持4G/5G切換過程中的業(yè)務(wù)連續(xù)性，保證用戶的無縫切換體驗，同時用戶面融合部署對接入制式不敏感，切換過程中不需要變更用戶面錨點，節(jié)省業(yè)務(wù)處理資源。如不采用融合組網(wǎng)，切換過程中會發(fā)生用戶IP地址的改變，將無法保證用戶業(yè)務(wù)和會話的連續(xù)性，并且需要更多資源處理切換相關(guān)的流程，增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。
考慮到以上情況，跨系統(tǒng)互操作網(wǎng)元融合部署將是一個相對合理和優(yōu)化的選擇。
3 4G/5G互操作處理流程
3.1 單注冊/雙注冊
為支持4G/5G間的互操作，5G系統(tǒng)針對同時支持5GC NAS和EPC NAS的UE定義了單注冊和雙注冊兩種注冊模式，其中對UE來說，單注冊是必選功能，而雙注冊為可選功能，運營商可根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)部署情況和業(yè)務(wù)需求進行UE能力的要求。在UE注冊過程中，UE應(yīng)該向網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)送指示，表明UE同時具備5GC NAS和EPC NAS能力，以支持后續(xù)網(wǎng)絡(luò)的互操作處理。
在單注冊狀態(tài)中，UE同一時間內(nèi)僅保持一種激活的移動性管理狀態(tài)，可以是5GC的注冊管理狀態(tài)，或EPC的EPS移動性管理狀態(tài)其中之一，即UE同時僅接入EPC或5GC之一。當(dāng)UE發(fā)生4G/5G間的互操作時，UE會將當(dāng)前的EPS-GUTI映射為5G-GUTI（當(dāng)由4G移動到5G時），或?qū)?dāng)前的5G-GUTI映射為EPS-GUTI（當(dāng)由5G移動到4G時）。
在雙注冊模式中，UE能夠同時獨立處理到5GC和EPC的注冊流程，同時存儲5G-GUTI和EPC-GUTI，并且5G-GUTI和EPC-GUTI均是由5GC或EPC系統(tǒng)分配的，而不是互相映射得來的。支持雙注冊模式的UE可以單獨地注冊到5GC或EPC，也可以同時注冊到5GC和EPC。
在4G和5G間的互操作過程中，可能涉及到MME和AMF之間的可選接口N26接口，根據(jù)運營商的部署策略，互操作流程可以選擇使用N26接口，也可以選擇不使用N26接口。
3.2 部署N26接口時的互操作
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中部署了N26接口時，N26接口的存在將能夠支持在互操作過程中，在源網(wǎng)絡(luò)和目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)之間傳送移動性管理狀態(tài)和會話管理狀態(tài)，因此當(dāng)運營商部署了N26接口時，UE僅需以單注冊模式運行，同時網(wǎng)絡(luò)僅需同時保持UE的一種可用的移動性管理狀態(tài)，即可保證用戶無縫的業(yè)務(wù)和會話連續(xù)性。當(dāng)UE從5GC移動到EPC時，由SMF基于EPS能力以及運營商具體的管理策略決定哪些PDU會話可以重定位到目標(biāo)EPS，并釋放無法遷移到EPS的那部分PDU會話。
當(dāng)UE處于空閑態(tài)時，如果發(fā)生5GC到EPC的移動，UE可以選擇使用由5G-GUTI映射而來的EPS-GUTI進行跟蹤區(qū)更新流程或4G附著流程完成移動性處理，MME通過N26接口獲取UE在5G的移動性管理上下文和會話管理上下文。在此過程中，MME并不感知跨系統(tǒng)互操作過程，整個處理過程中，N26接口從MME處理的角度來說等同于S10接口。如果空閑態(tài)下UE發(fā)生EPC到5GC的移動，UE將使用由EPS-GUTI映射而來的5G-GUTI執(zhí)行移動性注冊（Mobility Registration）流程，并且向網(wǎng)絡(luò)指示該UE的源網(wǎng)絡(luò)是EPC，同時AMF通過N26接口獲取UE在4G的移動性管理上下文和會話管理上下文，并將會話部分的信息發(fā)送給SMF。
當(dāng)UE處于連接態(tài)時，無論是發(fā)生5GC到EPC的移動，還是發(fā)生EPC到5GC的移動，都將執(zhí)行跨系統(tǒng)切換流程，在切換過程中，HSS+UDM將不再受理針對該UE的由AMF或由MME發(fā)來的注冊請求。
3.3 未部署N26接口時的互操作
在未部署N26接口的網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)使用HSS+UDM存儲UE相關(guān)的PGW-C+SMF和APN/DNN信息，以此來保障UE的IP地址連續(xù)性。在未部署N26接口的情況下，網(wǎng)絡(luò)側(cè)應(yīng)在UE初始附著的過程中指示網(wǎng)絡(luò)具備雙注冊能力，以協(xié)助UE決定是否在互操作流程觸發(fā)前提前在目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)進行注冊。如果UE在以雙注冊模式注冊到網(wǎng)絡(luò)后移動到支持N26接口的區(qū)域（如在漫游場景下VPLMN部署了N26接口），網(wǎng)絡(luò)側(cè)可以以攜帶重注冊指示的注銷請求將UE從網(wǎng)絡(luò)中注銷，并在UE重注冊過程中不再攜帶網(wǎng)絡(luò)側(cè)支持雙注冊模式的指示，讓UE以單注冊模式在網(wǎng)絡(luò)中進行重注冊。
未部署N26接口的互操作流程中，有以下幾個要點：
（1）當(dāng)PDU會話是在5GC中建立的時候，PGW-C+SMF使用DNN在HSS+UDM中更新PDU會話信息（QoS、IP地址及切片信息等）。
（2）HSS+UDM向目標(biāo)核心網(wǎng)（EPC/5GC）提供動態(tài)分配的PGW-C+SMF和APN/DNN信息。
在一些應(yīng)用場景中，可能出現(xiàn)UE從部署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機制，保障僅支持單注冊模式的UE在未部署N26接口的網(wǎng)絡(luò)中的IP地址連續(xù)性，如：
（3）當(dāng)UE攜帶表示其源網(wǎng)絡(luò)為5GC或EPC的標(biāo)志位在目標(biāo)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中進行初始附著時，MME或AMF在發(fā)送給HSS+UDM的消息中不會攜帶“初始附著”標(biāo)識，以提示HSS+UDM不要刪除源網(wǎng)絡(luò)AMF或MME發(fā)送的注冊信息。
（4）當(dāng)PDN連接是在EPC中建立的時候，MME在HSS+UDM中存儲PGW-C+SMF和APN信息。
在未部署N26接口的網(wǎng)絡(luò)中進行4G和5G間的互操作時，網(wǎng)絡(luò)不需要再進行諸如QoS參數(shù)、PDU會話ID、GUTI等EPS參數(shù)到5GC參數(shù)的映射，同時以雙注冊模式運行的UE也會依此機制忽略任何由網(wǎng)絡(luò)下發(fā)的經(jīng)過映射的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。
未部署N26接口的互操作主要包含以下幾種場景：
（1）以單注冊模式運行的UE發(fā)生5GC到EPC的移動：UE在接收到網(wǎng)絡(luò)側(cè)下發(fā)的支持雙注冊標(biāo)識后，可能執(zhí)行EPC附著流程或跟蹤區(qū)更新流程。
1）如UE執(zhí)行EPC附著流程，UE在附著請求中攜帶的附著請求類型應(yīng)為“切換”，并同時在請求消息中指示UE的源網(wǎng)絡(luò)為5GC。在后續(xù)的流程中，網(wǎng)絡(luò)側(cè)會將UE所有存活的PDU會話均通過該過程遷移到EPC中，并保障UE的IP地址連續(xù)性。
2）如UE執(zhí)行跟蹤區(qū)更新流程，UE會在跟蹤區(qū)更新請求中攜帶由5G-GUTI映射而來的EPS-GUTI，并同時指示UE的源網(wǎng)絡(luò)為5GC，但在這種情況下，MME需要指示UE進重新附著，因此將無法保障UE的IP地址連續(xù)性。需要注意的是，在跨PLMN的移動過程中，UE只能執(zhí)行跟蹤區(qū)更新方案。
（2）以單注冊模式運行的UE發(fā)生EPC到5GC的移動：UE攜帶由EPS-GUTI映射而來的5G-GUTI在5GC執(zhí)行類型為“移動性注冊更新”的注冊流程，同時指示UE的源網(wǎng)絡(luò)為EPC，AMF由此可以感知UE之前的注冊節(jié)點是MME，但仍會以5G注冊的要求來完成注冊流程。AMF會在注冊接受消息中下發(fā)網(wǎng)絡(luò)側(cè)支持雙注冊模式的指示，基于該指示，UE可以執(zhí)行攜帶“已存在的PDU會話”指示的PDU會話建立流程，將所有UE存在的PDN連接遷移到5GC，也可以根據(jù)UE在EPC網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)存在的PDN連接信息，重新建立PDU會話，但在這種情況下無法保障UE的IP地址連續(xù)性。
以雙注冊模式運行的UE發(fā)生5GC和EPC之間的互操作時，整個互操作流程以及UE的IP地址連續(xù)性不再依賴于N26接口，同時UE可以在互操作流程觸發(fā)前提前注冊到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。不過提前注冊對EPC網(wǎng)絡(luò)有一定的要求，即在5GC到EPC的移動中，要求EPC網(wǎng)絡(luò)支持無PDN連接建立的EPS附著流程，如果EPC不支持這一流程，則UE無法提前注冊到EPC網(wǎng)絡(luò)，同時在互操作的過程中MME會在PDN連接全部遷移完成后將用戶在EPC中注銷。
（3）以雙注冊模式運行的UE發(fā)生5GC到EPC的移動，需要區(qū)分UE是否已提前注冊到EPC網(wǎng)絡(luò)。
1）如果UE已提前注冊到EPC，此種情況下UE在互操作過程中執(zhí)行PDN連接建立流程，并通過攜帶“切換”指示的PDN連接建立流程，進行PDU會話到EPC的遷移。
2）如果UE沒有提前注冊到EPC網(wǎng)絡(luò)，那么UE通過攜帶“切換”指示的EPC附著流程完成互操作。
（4）以雙注冊模式運行的UE發(fā)生EPC到5GC的移動：UE通過攜帶“已存在的PDU會話”指示的PDU會話建立流程，完成PDN連接到5GC的遷移。
4 結(jié)束語
在針對移動網(wǎng)絡(luò)向5G演進的研究中，4G網(wǎng)絡(luò)將長期和5G共存是通信產(chǎn)業(yè)內(nèi)普遍的共識，因此基于包括用戶簽約數(shù)據(jù)、策略控制數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)融合管理，以及4G/5G間互操作及業(yè)務(wù)連續(xù)性將是在網(wǎng)絡(luò)演進過程中首要的問題?；谝陨闲枨?，本文根據(jù)3GPP相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，重點分析了4G/5G融合互操作架構(gòu)及網(wǎng)元融合部署原則，并分析了4G/5G網(wǎng)元合設(shè)和分設(shè)的優(yōu)劣。在網(wǎng)絡(luò)演進過程中，運營商可首先考慮推進4G網(wǎng)絡(luò)中PGW的控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離，以及PGW-C/U、HSS和PCRF設(shè)備到4G/5G融合網(wǎng)元的升級，實現(xiàn)4G/5G數(shù)據(jù)融合管理及跨系統(tǒng)互操作功能。同時本文針對N26接口以及單注冊/雙注冊模式的應(yīng)用分析了對應(yīng)的互操作業(yè)務(wù)流程，根據(jù)是否存在必須在某一特定網(wǎng)絡(luò)才能完成的業(yè)務(wù)（如4G的CSFB、5G的URLLC業(yè)務(wù)等），運營商可基于實際的業(yè)務(wù)需求，進行網(wǎng)絡(luò)中N26接口的部署以及單注冊/雙注冊模式的選擇。
現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備大部分為傳統(tǒng)架構(gòu)設(shè)備，即廠家專有軟件必須運行在對應(yīng)的專有硬件平臺上，因此在后續(xù)網(wǎng)絡(luò)向全虛擬化5G核心網(wǎng)演進的過程中，如何盡可能地最小化對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的影響，同時在最優(yōu)化投資效率的前提下，進行4G/5G融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的改造和演進，打造適合自身業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)演進策略的4G/5G融合互操作體系，這些都將是下一步運營商網(wǎng)絡(luò)演進研究中需要重點考慮的內(nèi)容。
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作者簡介
任馳：學(xué)士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，從事移動核心網(wǎng)技術(shù)、5G核心網(wǎng)架構(gòu)等相關(guān)研究工作。
