【摘要】4G/5G融合組網及互操作技術是運營商在5G網絡部署中需要重點考慮的問題之一，因此根據3GPP Rel-15標準要求，分析了4G/5G跨系統互操作架構、核心網網元融合部署原則、應用單注冊/雙注冊模式，以及部署/未部署N26接口情況下具體的4G/5G互操作業務流程，為后續運營商的網絡演進和部署提供參考。
【關鍵詞】5G；互操作；融合組網；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融合組網及互操作技術研究[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網絡是當前移動網絡領域最熱門的概念之一，“萬物互聯”的愿景和助力產業升級的目標使5G的研究和商用部署的節奏不斷加快。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核心網正式完成了第一階段架構的設計，商用產品的研發、試驗和網絡的商用部署工作即將大規模鋪開。
5G的商用部署進程將是一個基于4G系統進行的長期的替換、升級、迭代的過程，而在5G網絡部署的前中期階段，4G系統也是在5G覆蓋不完善的情況下，作為保障用戶業務連續性體驗這一目的的最好補充。因此4G/5G融合組網，以及互操作技術將是各大運營商在網絡演進中需要重點考慮的問題之一。
基于3GPP現階段的結論，本文僅討論5G同4G直接的融合組網及互操作技術，暫不涉及5G同2G/3G直接的互操作。
2 4G/5G融合互操作架構
4G/5G融合組網意味著網絡、數據、業務均需要進行一體化的融合演進，對從現有4G網絡到5G的演進過程來說，用戶簽約數據融合、業務策略數據融合以及業務連續性是在網絡融合過程中需要最優先考慮的問題。基于這部分網絡演進需求，3GPP定義了專用于跨系統互操作的4G/5G融合網元，即HSS+UDM、PCRF+PCF、PGW-C+SMF和PGW-U+UPF。4G/5G融合互操作系統架構如圖1所示，其中N26接口為可選接口，其應用部署取決于運營商具體的部署策略和業務需求。
圖1 4G/5G融合互操作系統架構
4G/5G網元融合部署的收益除了數據和用戶狀態的統一管理外，大部分4G/5G間的主要交互流程均可以通過融合網元內部接口實現，不需要單獨定義標準化接口，簡化了互操作業務處理流程。
針對PCRF+PCF，融合部署支持統一的套餐流量管理，一個套餐可以同時在多種接入方式下累積，同時支持網絡采用統一的控制策略，可以根據用戶的網絡切換情況在內部進行QoS映射，保證統一的策略控制和用戶體驗。如PCRF和PCF不采用融合組網，則不同接入制式流量需要在不同的網元中進行累積，無法進行數據同步，難以進行同一套餐的統一控制，同時需要在兩個網元中進行策略數據的受理，業務處理相對復雜。
針對PGW-C+SMF以及PGW-U+UPF，融合部署支持4G/5G切換過程中的業務連續性，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，節省業務處理資源。如不采用融合組網，切換過程中會發生用戶IP地址的改變，將無法保證用戶業務和會話的連續性，并且需要更多資源處理切換相關的流程，增加網絡負荷。
考慮到以上情況，跨系統互操作網元融合部署將是一個相對合理和優化的選擇。
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，運營商可根據具體的網絡部署情況和業務需求進行UE能力的要求。在UE注冊過程中，UE應該向網絡側發送指示，表明UE同時具備5GC NAS和EPC NAS能力，以支持后續網絡的互操作處理。
在單注冊狀態中，UE同一時間內僅保持一種激活的移動性管理狀態，可以是5GC的注冊管理狀態，或EPC的EPS移動性管理狀態其中之一，即UE同時僅接入EPC或5GC之一。當UE發生4G/5G間的互操作時，UE會將當前的EPS-GUTI映射為5G-GUTI（當由4G移動到5G時），或將當前的5G-GUTI映射為EPS-GUTI（當由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
當網絡中部署了N26接口時，N26接口的存在將能夠支持在互操作過程中，在源網絡和目標網絡之間傳送移動性管理狀態和會話管理狀態，因此當運營商部署了N26接口時，UE僅需以單注冊模式運行，同時網絡僅需同時保持UE的一種可用的移動性管理狀態，即可保證用戶無縫的業務和會話連續性。當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EPS，并釋放無法遷移到EPS的那部分PDU會話。
當UE處于空閑態時，如果發生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。如果空閑態下UE發生EPC到5GC的移動，UE將使用由EPS-GUTI映射而來的5G-GUTI執行移動性注冊（Mobility Registration）流程，并且向網絡指示該UE的源網絡是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送給SMF。
當UE處于連接態時，無論是發生5GC到EPC的移動，還是發生EPC到5GC的移動，都將執行跨系統切換流程，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接口的網絡中，網絡使用HSS+UDM存儲UE相關的PGW-C+SMF和APN/DNN信息，以此來保障UE的IP地址連續性。在未部署N26接口的情況下，網絡側應在UE初始附著的過程中指示網絡具備雙注冊能力，以協助UE決定是否在互操作流程觸發前提前在目標網絡進行注冊。如果UE在以雙注冊模式注冊到網絡后移動到支持N26接口的區域（如在漫游場景下VPLMN部署了N26接口），網絡側可以以攜帶重注冊指示的注銷請求將UE從網絡中注銷，并在UE重注冊過程中不再攜帶網絡側支持雙注冊模式的指示，讓UE以單注冊模式在網絡中進行重注冊。
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向目標核心網（EPC/5GC）提供動態分配的PGW-C+SMF和APN/DNN信息。
在一些應用場景中，可能出現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接口的網絡中的IP地址連續性，如：
（3）當UE攜帶表示其源網絡為5GC或EPC的標志位在目標系統網絡中進行初始附著時，MME或AMF在發送給HSS+UDM的消息中不會攜帶“初始附著”標識，以提示HSS+UDM不要刪除源網絡AMF或MME發送的注冊信息。
（4）當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接口的網絡中進行4G和5G間的互操作時，網絡不需要再進行諸如QoS參數、PDU會話ID、GUTI等EPS參數到5GC參數的映射，同時以雙注冊模式運行的UE也會依此機制忽略任何由網絡下發的經過映射的網絡參數。
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發生5GC到EPC的移動：UE在接收到網絡側下發的支持雙注冊標識后，可能執行EPC附著流程或跟蹤區更新流程。
1）如UE執行EPC附著流程，UE在附著請求中攜帶的附著請求類型應為“切換”，并同時在請求消息中指示UE的源網絡為5GC。在后續的流程中，網絡側會將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地址連續性。
2）如UE執行跟蹤區更新流程，UE會在跟蹤區更新請求中攜帶由5G-GUTI映射而來的EPS-GUTI，并同時指示UE的源網絡為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地址連續性。需要注意的是，在跨PLMN的移動過程中，UE只能執行跟蹤區更新方案。
（2）以單注冊模式運行的UE發生EPC到5GC的移動：UE攜帶由EPS-GUTI映射而來的5G-GUTI在5GC執行類型為“移動性注冊更新”的注冊流程，同時指示UE的源網絡為EPC，AMF由此可以感知UE之前的注冊節點是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網絡側支持雙注冊模式的指示，基于該指示，UE可以執行攜帶“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UE在EPC網絡已經存在的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地址連續性。
以雙注冊模式運行的UE發生5GC和EPC之間的互操作時，整個互操作流程以及UE的IP地址連續性不再依賴于N26接口，同時UE可以在互操作流程觸發前提前注冊到目標網絡。不過提前注冊對EPC網絡有一定的要求，即在5GC到EPC的移動中，要求EPC網絡支持無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網絡，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發生5GC到EPC的移動，需要區分UE是否已提前注冊到EPC網絡。
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網絡，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 結束語
在針對移動網絡向5G演進的研究中，4G網絡將長期和5G共存是通信產業內普遍的共識，因此基于包括用戶簽約數據、策略控制數據的數據融合管理，以及4G/5G間互操作及業務連續性將是在網絡演進過程中首要的問題。基于以上需求，本文根據3GPP相關標準的要求，重點分析了4G/5G融合互操作架構及網元融合部署原則，并分析了4G/5G網元合設和分設的優劣。在網絡演進過程中，運營商可首先考慮推進4G網絡中PGW的控制和轉發分離，以及PGW-C/U、HSS和PCRF設備到4G/5G融合網元的升級，實現4G/5G數據融合管理及跨系統互操作功能。同時本文針對N26接口以及單注冊/雙注冊模式的應用分析了對應的互操作業務流程，根據是否存在必須在某一特定網絡才能完成的業務（如4G的CSFB、5G的URLLC業務等），運營商可基于實際的業務需求，進行網絡中N26接口的部署以及單注冊/雙注冊模式的選擇。
現有網絡中設備大部分為傳統架構設備，即廠家專有軟件必須運行在對應的專有硬件平臺上，因此在后續網絡向全虛擬化5G核心網演進的過程中，如何盡可能地最小化對現有網絡設備的影響，同時在最優化投資效率的前提下，進行4G/5G融合網絡架構的改造和演進，打造適合自身業務需求和網絡演進策略的4G/5G融合互操作體系，這些都將是下一步運營商網絡演進研究中需要重點考慮的內容。
參考文獻：
[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.
作者簡介
任馳：學士畢業于北京郵電大學，現任職于中國聯合網絡通信有限公司網絡技術研究院，從事移動核心網技術、5G核心網架構等相關研究工作。
