4G_5G融合组网部署实践方案_黎丹.pdf

62 2023年2月 第 2 期（第36卷 总第307期）月刊电信工程技术与标准化工 程 与 设 计4G/5G融合组网部署实践方案 黎丹1，孙逊2，周维2(1 中国移动通信集团有限公司，北京 100033；2 中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）摘 要 伴随着4G/5G业务的同步发展，为了简化架构、共享资源和提升用户业务体验，需进行4G/5G融合组网部署。本文分别分析了AMF、SMF、PCF这3类关键核心网网元在融合组网过程中的部署实践问题及解决方案，为4G/5G融合网元的网络规划和工程建设提供了有效建议。关键词 AMF；SMF；PCF；4G/5G融合组网中图分类号 TN915 文献标识码 A 文章编号 1008-5599（2023）02-0062-06收稿日期：2022-10-20通信运营商已初步建成 5G SA 商用网络，与传统2G/4G 核心网独立部署。为满足通信市场业务快速增长的需求，增强网络能力，需要进行 4G/5G 融合核心网的部署工作，融合核心网络统一接入 4G/5G 基站，实现 4G/5G 融合架构的优化调整，以简化架构、共享资源和提升体验。1 5G SA 独立组网架构在 5G SA 业务发展初期，通信运营商为了快速建网，抢占 5G 市场先机，采用独立部署方式建设 5G SA 商用核心网。其中，网络云资源池集中设置 UDM/UDR、AMF、SMF、CHF、PCF/UDR、NSSF、NRF、SMSF 等虚拟化网元，同时下沉用户面设备，部署软硬件一体化 UPF 网元，并融合 PGW-U 功能以保证 5G 用户业务的连续性。网络架构如图 1 所示。2 4G/5G 融合组网架构由于通信运营商同时需要进行 4G 核心网的网络建图1 5G SA独立组网架构图 控制面资源池 用户面机房 PCF/UDRUDM/UDRCHF5G SA核心网SMF/PGW-CAMFSMSFUPF/PGW-UUPF/PGW-U NRFNSSFDOI:10.13992/ki.tetas.2023.02.00463 2023年2月 第 2 期（第36卷 总第307期）月刊电信工程技术与标准化工 程 与 设 计设，为了提高投资效益和设备利用率，部署 4G/5G 融合核心网络，启动网络的融合改造工程建设。依据网络逻辑功能，将 4G/5G 融合核心网网元划分为用户数据域、策略控制域、接入控制与承载域、5G专用功能域。（1）用户数据域。UDM/UDR 融合改造为四融合UDM/UDR/HSS/HLR。（2）策略控制域。PCF/UDR 融合改造为 to B、to C 二融合 PCF/UDR/PCRF/SPR。（3）接入控制与承载域。AMF 和 SMF 分别融合改造 为 AMF/MME 和 SMF/SAEGW-C。UPF 融 合 改造为 UPF/SAEGW-U。（4）5G 专用功能域。包含 NRF、NSSF 和提供短消息业务的 SMSF 等。3 AMF 融合组网部署问题分析及解决方案3.1 问题分析5G SA 网 元 进 行 了 4G/5G 融 合 改 造，升 级 为4G/5G 融合网元。其中接入控制与承载域的 AMF/MME 为直接对接 4G/5G 基站的重要核心网网元之一。用户接入网络时，AMF/MME 会给用户分配全局唯一临时UE 标识（GUTI），进行移动性管理。根据3GPP标准，5G用户接入5G网络，AMF 为用户终端 UE 分配 5G GUTI，5G GUTI 中的全局唯一 AMF 标识（GUAMI）为用户终端分配 5G GUTI 的 AMF 标识，5G GUTI 格式如图 2 所示。4G 用户接入 EPC 网络，MME 为用户终端 UE 分配 4G GUTI。其中，4G GUTI中的全局唯一 MME 标识（GUMMEI）为用户终端分配 4G GUTI 的 MME 标识。4G GUTI 格式如图 3 所示。为了减少网络调整、降低网络切换/重选信令开销，通信运营商通常会建议为融合 AMF/MME 设备配置具有映射关系的 GUAMI 和 GUMMEI，融合设备的 MME ID 和 AMF ID 按照映射关系配置，即 GUAMI 与 GUMMEI 相 同。5G GUTI 与 GUTI 之间的映射规则如图 4 所示。当 5G 用户处于空闲态，由 5G 网络移动到 4G 网络，用户需要执行 TAU 流程，目标 MME 需要寻址原AMF。UE 终端会自动将 5G 的 GUAMI 转换成 4G 的GUMMEI（简称 mapped GUMMEI），MME 需要根据mapped GUMMEI 到 DNS 上发起解析流程，获取原AMF 的 N26 接口地址。目标 MME 寻址 Old AMF 可以通过以下两种方式。方式 1，目标 MME 不区分对端网元是 Old MME 还是 Old AMF，向融合 DNS 查询 x-3gpp-mme:x-s10 的对端网元地址解析请求，通过 S10 接口访问 Old AMF。方式 2，目标 MME 识别对端网元是 Old AMF，向融合 DNS 查询 x-3gpp-amf:x-n26 的对端网元地址解析请求，通过 N26 接口访问 Old AMF。由于融合 AMF/MME 设备的 S10 接口和 N26 接图2 5G GUTI格式示意图图3 GUTI格式示意图64 2023年2月 第 2 期（第36卷 总第307期）月刊电信工程技术与标准化工 程 与 设 计口配置了不同的 IP 地址，当目标 MME 采用上述方式 1寻址 Old AMF 时，在 5G 网络到 4G 网络的 TAU 过程中，目标 MME 只能获取到 Old AMF 的 S10 接口地址，而非 N26 接口，导致 5G 到 4G 网络的相关流程失败。（1）在 AMF/MME 融合组 Pool 覆盖区域与目标MME 覆盖区域发生 5G 到 4G 的 TAU 流程，TAU 流程将失败。（2）AMF/MME 融合组 Pool 覆盖区域的用户发生 EPS Fallback 流程，通过重定向方式回落至目标MME，EPS Fallback 流程失败。3.2 解决方案为解决 5G 到 4G 的 TAU 流程失败的问题，目前可提供如下 3 种方案。方案 1，5G GUTI 与 GUTI 之间的映射方案中，GUAMI 和 GUMMEI 共 24 bit，只映射各省 5G LAC规划统一的比特位，既可以保证全国 LAC 位保持统一的分省规划，又可以支持 GUAMI 与 GUMMEI 不同。方案 2，推动所有 AMF/MME 优化融合功能，支持融合网元的 N26 接口与 S10 接口共用 IP 地址。使用本方案后，目标 MME 采用方式 1 寻址 Old AMF 时，返回的是 S10 接口与 N26 接口合一的 IP 地址，目标MME 通过内部系统可以识别 S10 接口消息和 N26 接口消息。方案 3，推动所有 MME 网元支持方式 2，作为目标 MME 时可以识别对端 Old 网元是 AMF，支持向DNS 查询 x-3gpp-amf:x-n26 的对端网元地址解析请求，通过 N26 接口访问 Old AMF。上述 3 种方案均可规避 5G 网络到 4G 网络的 TAU等相关流程失败的问题。方案 1 仅涉及码号规划，如果网络建设以快速完成AMF 网元的 4G/5G 融合改造、支持业务系统尽早上线为目标，在 MMEC 资源较为充足、且 4G/5G 切换频率较低的场景下，建议采用方案 1，短期内可以规避 5G网络到 4G 网络的 TAU 等流程失败的问题。如未采用方案 1，GUAMI 和 GUMMEI 已经按照完全映射关系进行了码号规划，短期内可采用方案 2。AMF/MME 进行 N26 接口与 S10 接口的 IP 地址合一改造，网元内部进行 N26/S10 消息的识别，起到了节约现有码号资源和 IP 地址的效果，且可以在一定程度上减少信令开销。长远考虑，建议推动方案 3，使 5G 到 4G 的 TAU流程更加清晰和规范化。目标 MME 可以识别对端网元是 Old MME 还是 Old AMF，不需要设备内部处理并识别 N26 和 S10 的接口信息，直接发起基于 N26 接口的对端网元地址解析请求。4 SMF 融合组网部署问题分析及解决方案4.1 问题分析随着 4G/5G 核心网融合改造，接入与控制承载域图4 5G-GUTI与GUTI之间的映射规则AMF区域标识8 bitAMF组标识10 bitAMF指针标识6 bit MME组标识16 bitMME号码8 bit65 2023年2月 第 2 期（第36卷 总第307期）月刊电信工程技术与标准化工 程 与 设 计的 SMF 网元融合改造为 SMF/SAEGW-C，UPF 网元融合改造为 UPF/SAEGW-U，同时实现了 4G 网元 SAEGW 的 C/U 分离。其中，SMF/SAEGW-C 为控制面网元，以虚拟化形态集中部署于网络云资源池，4G 功能包括 SGW-C 和 PGW-C；UPF/SAEGW-U为用户面网元，按照就近设置原则，下沉至本地网，4G 功能包括 SGW-U 和 PGW-U。上述部署方案将出现 4G/5G 用户重选、切换时，仅改变用户面网元SGW-U、不改变控制面网元 AMF/MME(MME)和SMF/SAEGW-C(SGW-C)的场景。示例如下。AMF/MME(MME)、SMF/SAEGW-C 组 Pool覆盖多个本地网，各本地网内均部署了 UPF/SAEGW-U。UPF/SAEGW-U 仅接入所在地市的 4G/5G 基站，用户从 A 地市的 UPF/SAEGW-U 的覆盖区移动到 B 地市的 UPF/SAEGW-U 覆盖区，A、B 地市归属同一个AMF/MME（MME）Pool 和 SMF/SAEGW-C Pool。该场景下需要 MME 通知 SGW-C 更新 SGW-U，以实现与目标 eNode B 的互通，包含用户 SGW-U 重选和跨 SGW-U 切换两种流程。4.2 用户跨 SGW-U 重选方案用户跨 SGW-U 重选时，MME 根据目标 TAI 信息构造 TAC FQDN，向 DNS 查询能够为目标 TAI 服务的SGW-C。如果 DNS 返回为目标 TAI 服务的 SGW-C列表（FQDN 格式网元主机名）包含原 SGW-C，MME将认为 SGW-C 未改变，不会发起 Create Session 流程，不通知目标 SGW-C 更改 SGW-U 及与目标 eNode B的连接。为了解决上述问题，需要 MME 识别用户在跨区域移动时 SGW-C 的变化，具体方案如下。（1）按 SGW-C Pool 负 责 的 范 围 和 该 范 围 内SGW-U 负责的不同区域，为每个 SGW-C 分配不同的SGW-C 主机名，与负责不同区域的 SGW-U 对应。（2）服务片区在省内有效，仅在 DNS 上配置，各省自行分配。以 1 个 SAEGW-C 负 责 6 个 地 市，其 控 制 的SGW-U 分为 6 个区域（eNode B 仅与本区域归属的SGW-U 互通）为例，该 SAEGW-C 分配的主机名示例见表 1。采用上述方案，MME 根据目标 TAI 信息构造 TAC FQDN，向 DNS 查询获得为目标 TAI 服务的 SGW-C列表（FQDN 格式网元主机名）后，执行 SGW-C 与PGW-C 合一选择功能，优选与目前 PWG-C 合一的 SGW-C 为 目 标 SGW-C，向 其 S11-C 地 址 发 送Create Session Request 消息。原则如下。（1）首选 SGW-C 主机名与 PGW-C 主机名全匹配的网元。（2）当全匹配不成功后，采用以下两种方式进行SGW-C 与 PGW-C 合一网元选择。（3）如果仍无法选择 SGW-C 与 PGW-C 合一网元，则按照优先级和权重选择 SGW-C。4.3 用户跨 SGW-U 切换方案用户跨 SGW-U 切换时，目标 SG