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 SGW-C 需要更改主机名规划覆盖区域PGW-C 主机名对应地市 A、B、C、D、E、FSGW-C 主机名 A对应地市 A地市 A 内有负责本地市独用的 SAEGW-USGW-C 主机名 B对应地市 B地市 B 内有负责本地市独用的 SAEGW-USGW-C 主机名 C对应地市 C地市 B 内有负责本地市独用的 SAEGW-USGW-C 主机名 D1对应地市 D 南区地市 D 内有负责本地市独用的 SAEGW-U，但 SAEGW-U 分为南北两个片区，不同片区 eNode B 仅接入本片区 SGW-USGW-C 主机名 D2对应地市 D 北区SGW-C 主机名 EF对应地市 E、F地市 E、F 共用 SAEGW-U表1 SAEGW-C主机名规划示例66 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PCRF/SPRPCF/UDRSMF融合PCF/UDR/PCRF/SPRPGW融合SMF/SAEGW-CGxN7GxN7PGW图5 PCF融合组网部署架构图参考文献1 3GPP.Technical specification group radio access network;Evolved universal terrestrial radio access network(E-UTRAN);S1 application protocol(Release 8):TS 36.413S.2013.2 3GPP.NG radio access network;NG general aspects and principles:TS 38.410S.2018.3 3GPP.NG radio access network;NG application protocol(Release 15):TS 38.413S.2018.SGW-U，但由于 S1 切换流程中的Create Session 消息不携带目标 TAI信息，为选择到正确的目标 SGW-U，有以下两种方案。方案 1，对应每个 SGW-C 主机名分配独立的 S11-C 接口的 IP 地址，SGW-C 配置有 S11-C 接口的 IP 地址与 SGW-U 对应关系，根据 S11-C接口的 IP 地址选择目标 SGW-U。方案 2，MME 在 S1 切换流程的 Create Session 消息中添加目标 TAI，目标 S11-C 根据目标 TAI 选择目标 SGW-U。如果网元不支持方案 2，则可采用方案 1 实现。5 PCF 融合组网部署问题分析及解决方案5.1 问题分析随 着 4G/5G 核 心 网 融 合 改 造，策 略 数 据 域 的PCF/UDR 网元需要融合改造为 PCF/UDR/PCRF/SPR，用于 4G/5G 用户的策略签约和开通，向接入与控制承载域的 SMF、PGW 网元下发策略控制。由于SMF 需要在同一期工程进行 4G/5G 融合改造，对于同一业务区，需要结合 SMF 的融合改造节奏，统筹考虑PCF/UDR 的融合部署策略方案。具体分析如下。融合 PCF/UDR/PCRF/SPR 与传统 PGW 之间采用 Gx 接口实现 4G 业务的策略控制。融合 PCF/UDR/PCRF/SPR 与融合 SMF/SAEGW-C 之间采用 Gx 接口或 N7 接口实现 4G/5G 业务的策略控制。传统 PCRF/SPR 与传统 PGW 之间采用 Gx 接口实现 4G 业务的策略控制。传统 PCRF/SPR 与融合 SMF/SAEGW-C 之间采用 Gx 接口实现 4G/5G 业务的策略控制。5.2 解决方案对于 PCF/UDR 策略控制的融合部署策略，有如下两种方案。方案 1，一步到位，对传统 PCRF/SPR 全替换，实现 4G/5G 融合全云化。方案 2，充分利用网络设备，传统 PCRF/SPR 通过 23 年实现云化，新增业务量通过融合云化网元建设。为简化网络，减少传统设备改造，避免增加临时过渡功能，考虑长期投资效益，建议采用方案 1，将 PCRF/SPR 一次性割接至二融合 PCF 网元上，SMF/PGW 部署融合统一的服务化 N7 接口，PCF 部署 N7 和 Gx 接口对接传统 PGW 和融合 SMF。网络架构如图 5 所示。6 结束语本文分析了 4G/5G 融合组网场景下，AMF、SMF和 PCF 这 3 类关键核心网网元在 4G/5G 融合部署实践过程中的问题及解决方案，为融合网元的网络规划和工程建设提供了有效参考，为通信运营商开展网络融合部署提供了可行性建议。67 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 converged network deployment practice scheme analysisLI Dan1,SUN Xun2,ZHOU Wei2(1 China Mobile Group Co.,Ltd.,Beijing 100033,China;2 China China Mobile Group Design InstituteCo.,Ltd.,Beijing 100080,China)Abstract Along with the simultaneous development of 4G and 5G services,4G/5G converged network deployment is needed to simplify the architecture,share resources and improve user service experience.This paper analyses the deployment practice problems and solutions of three types of key core network elements,AMF,SMF and PCF,in the process of converged networking,and provides eff ective suggestions for network planning and engineering construction of 4G/5G converged network elements.Keywords AMF;SMF;PCF;4G/5G converged networkingResearch on 5G capacity expansion threshold based on user experience and traffi c suppressionQIN Lu,FANG Dong-xu（China Mobile Group Chongqing Co.,Ltd.,Chongqing 401121,China）Abstract With the development of 5G networks becoming more and more mature,5G users continue to increase,and the high load situation of 5G base stations is increasing,and capacity expansion is one of the important means for the base station side to solve the high load.The capacity expansion in the 4G era is mainly based on the number of base station users and the PRB utilization rate as the bearer metrics to determine the capacity expansion conditions.However,in the 5G era,due to the introduction of airspace reuse,the traditional average PRB utilization is no longer fully suitable as a bearer metric.The traditional average PRB utilization is weakly correlated with experience,and the correlation between average PRB utilization and experience increases with PRB utilization,the correlation gradually weakened.Based on the status quo,this paper discusses the method for judging 5G capacity expansion conditions by using user experience and traffi c suppression as 5G capacity expansion bearer metrics.The expansion gate restricts the timing,comprehensively considers the 5G technical characteristics and the actual network experience of users,and effectively guarantees the actual network experience of users.Keywords 5G capacity expansion;user experience;traffi c suppression（上接第 56 页）