5G核心網(wǎng)SA組網(wǎng)方案及4G/5G互操作探討

  ICC訊 自從3GPP 組織于2018年6月底完成R15 Phase1.2 SA標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)以來，SA(StandAlone 獨(dú)立組網(wǎng))組網(wǎng)方案受到了運(yùn)營商和通信設(shè)備廠商的極大關(guān)注。通信設(shè)備廠商都在積極開發(fā)SA版本，標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)后短短半年時(shí)間，各大廠商已經(jīng)推出測(cè)試版本，同時(shí)國內(nèi)三大運(yùn)營商也在積極測(cè)試SA版本，適時(shí)推進(jìn)SA部署。SA標(biāo)準(zhǔn)之所以受到運(yùn)營商和設(shè)備廠商的追捧，相比NSA(Non StandAlone 非獨(dú)立組網(wǎng))標(biāo)準(zhǔn)，SA標(biāo)準(zhǔn)具有如下優(yōu)勢(shì)：

  (1)SA標(biāo)準(zhǔn)是純5G核心網(wǎng)架構(gòu)：由于NSA標(biāo)準(zhǔn)早于SA標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)，SA是目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)方案，可以避免NSA組網(wǎng)下的頻繁的網(wǎng)絡(luò)改動(dòng)問題。

  (2)SA方案對(duì)現(xiàn)網(wǎng)改造量小：基于EPC+(Evolved Packet Core Internet ,演進(jìn)的分組核心網(wǎng))的NSA仍需向SA方案演進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)需要多次改造;基于的NSA方案需對(duì)4G基站升級(jí)到eLTE(Enhanced long Term Evolution，增強(qiáng)型長期演進(jìn))，升級(jí)改造量大，且異廠家基站間難實(shí)現(xiàn) 4G/5G雙連接。

  (3)SA方案的業(yè)務(wù)能力更強(qiáng)：5G核心網(wǎng)可以支持網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算等新特性。5G網(wǎng)絡(luò)初期以Embb(Enhanced Mobile Broadband，增強(qiáng)移動(dòng)寬帶)熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋為主，離開5G區(qū)域，通過核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與4G的互操作。對(duì)于eMBB業(yè)務(wù)，終端本身有緩存機(jī)制，業(yè)務(wù)體驗(yàn)不受影響。

  (4)SA方案的終端成本低：NSA方案下3.5GHz頻段組合在終端側(cè)存在較嚴(yán)重干擾問題，為解決該問題將導(dǎo)致終端成本較高。SA終端由于不涉及雙連接等技術(shù)，終端相對(duì)簡單，成本較低。

  2019年6月6日，工信部正式發(fā)放5G牌照，中國正式進(jìn)入5G元年。SA是目標(biāo)架構(gòu)，獲得牌照的運(yùn)營商積極部署SA網(wǎng)絡(luò)，爭取盡快商用。由于5G部署初期，基站覆蓋不完善，5G用戶回落到4G是不可避免的，因此4G和5G互操作是SA組網(wǎng)方案的一個(gè)難題，本文將重點(diǎn)探討SA獨(dú)立組網(wǎng)以及該組網(wǎng)的4G/5G互操作。

  1 5G架構(gòu)Options概述

  考慮不同無線接入和核心網(wǎng)的排列組合，另外考慮雙連接時(shí)控制面選擇不同的無線接入技術(shù)，共有8個(gè)Option。不同無線接入和核心網(wǎng)的排列組合如圖1所示。

  圖1 不同無線接入和核心網(wǎng)的排列組合

  從終端的角度看，雙連接是指終端同時(shí)連接兩個(gè)基站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，場景包括LTE和LTE、LTE和NR(New Radio 新無線電)、NR和NR、eLTE和eLTE，eLTE和NR。單連接是指終端只連接一個(gè)基站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，場景包括LTE，eLTE和NR。基于單連接和雙連接的概念，我們來區(qū)分NSA和SA。NSA是非獨(dú)立組網(wǎng)，終端需要雙連接，包含Option 3、Option 4、Option 7和Option 8。SA是獨(dú)立組網(wǎng)，終端只需單連接，包含Option 1、Option 2、Option 5和Option 6。

  (1) Option 1: 5G終端以4G接入，不能體現(xiàn)5G的優(yōu)勢(shì)。

  (2)Option 2: 獨(dú)立的5G架構(gòu)，5G基站接入5G核心網(wǎng)。

  (3) Option 3: 5G終端雙連接5G基站和4G基站，核心網(wǎng)是4G核心網(wǎng)。控制面錨點(diǎn)在4G基站，用戶面分流可以在4G基站，也可以在5G基站，也可以在4G核心網(wǎng)。

  (4) Option 4：5G終端雙連接5G基站和4G基站，核心網(wǎng)是5G核心網(wǎng)。控制面錨點(diǎn)在5G基站，用戶面分流可以在5G基站，也可以在5G核心網(wǎng)。

  (5) Option 5：5G終端單連接4G基站，5G核心網(wǎng)，沒有5G基站，無法體現(xiàn)5G優(yōu)勢(shì)。

  (6) Option 6：5G終端單連接5G基站，4G核心網(wǎng)，僅支持eMBB，5G能力有限。此選項(xiàng)要求5G連續(xù)覆蓋，不適合5G初期部署，已經(jīng)排除

  (7) Option 7：5G終端雙連接5G基站和4G基站，核心網(wǎng)是5G核心網(wǎng)?？刂泼驽^點(diǎn)在4G基站，用戶面分流可以在4G基站，也可以在5G基站，也可以在5G核心網(wǎng)。

  (8)Option 8：5G終端雙連接5G基站和4G基站，核心網(wǎng)是4G核心網(wǎng)?？刂泼驽^點(diǎn)在5G基站，用戶面分流可以在5G基站，也可以在4G核心網(wǎng)。此選項(xiàng)要求5G連續(xù)覆蓋，且5G基站需要同時(shí)連4G核心網(wǎng)和5G核心網(wǎng)，增加不必要的負(fù)責(zé)性，已經(jīng)被排除。

  通過分析8個(gè)Option，可以看出NSA組網(wǎng)中Option 3方案最佳， SA組網(wǎng)中Option 2 方案最佳。NSA方案只需要升級(jí)4G核心網(wǎng)，運(yùn)營商可以快速推出5G服務(wù)。但是NSA只能支撐大帶寬業(yè)務(wù)，無法支持海量連接、高可靠低時(shí)延業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)切片功能。SA方案需要新建5G核心網(wǎng)，是5G目標(biāo)架構(gòu)。但是SA相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還不完善，商用難度大。因此5G初期主流運(yùn)營商都選擇NSA商用，同時(shí)加大力度測(cè)試驗(yàn)證SA，向目標(biāo)架構(gòu)SA演進(jìn)。

  2 基于Option 2的SA組網(wǎng)

  在Option 2中，需要新建5G核心網(wǎng)。5G核心網(wǎng)根據(jù)5G三大業(yè)務(wù)場景要求重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)，可以滿足各種業(yè)務(wù)需求，包括eMBB(Enhance Mobile Broadband，增強(qiáng)型移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng))、uRLLC(Ultra Reliable & LowLatency Communication， 超高可靠性與超低時(shí)延通信)、mMTC(Massive Machine Type Communication，海量物聯(lián)網(wǎng)通信)業(yè)務(wù)、支持網(wǎng)絡(luò)切片、支持邊緣計(jì)算等特性。5G核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)功能模塊化以及控制功能與轉(zhuǎn)發(fā)功能的完全分離?？刂泼婵梢约胁渴?，對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)資源進(jìn)行全局調(diào)度;用戶面則可按需集中或分布式靈活部署，當(dāng)用戶面下沉靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣部署時(shí)，可實(shí)現(xiàn)本地流量分流，支持端到端毫秒級(jí)時(shí)延。與傳統(tǒng)參考點(diǎn)的架構(gòu)方式相比，5G核心網(wǎng)控制面功能借鑒了 IT 系統(tǒng)中服務(wù)化架構(gòu)，采用基于服務(wù)的設(shè)計(jì)方案來描述控制面網(wǎng)絡(luò)功能及接口交互。由于服務(wù)化架構(gòu)采用 IT 化總線，服務(wù)模塊可自主注冊(cè)、發(fā)布、發(fā)現(xiàn)，規(guī)避了傳統(tǒng)模塊間緊耦合帶來的繁復(fù)互操作，提高功能的重用性，簡化業(yè)務(wù)流程實(shí)現(xiàn)。3GPP標(biāo)準(zhǔn)上規(guī)定了服務(wù)接口協(xié)議采用TCP/TLS/HTTP2/JSON，提升了網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴(kuò)展性。

  5G基站部署初期，覆蓋區(qū)域不完善，為了保障業(yè)務(wù)的連續(xù)性及用戶的體驗(yàn)，需要4G/5G協(xié)同互操作。在Option 2中，當(dāng)5G終端不在5G覆蓋范圍內(nèi)，需要回落到4G網(wǎng)絡(luò)。由于5G終端單連接基站，且5G核心網(wǎng)只和5G基站連接，4G/5G的互操作只能在核心網(wǎng)之間通過N26接口完成。4G/5G互操作如圖2所示。

  圖2 4G/5G互操作

  關(guān)于4G核心網(wǎng)與5G核心網(wǎng)互操作，標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中也規(guī)定了5G核心網(wǎng)的網(wǎng)元中UDM(Unified Data Manager,統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理平臺(tái))需與HSS(Home Subscriber Server,歸屬簽約用戶服務(wù)器)合設(shè)、SMF(Session Management Function 會(huì)話管理功能)與PGW-C(Packet data network Gateway-control 分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)-控制面)合設(shè)、UPF(User Plan Function 用戶名功能)與PGW-U(Packet data network Gateway-user 分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)-用戶面)合設(shè)、PCRF和PCF(Policy Control Function 策略控制功能)合設(shè)。為避免用戶的數(shù)據(jù)路由迂回，通常SMF/PGW-C和SGW-C(Service Gateway-control 服務(wù)網(wǎng)關(guān)-控制面)合設(shè)，UPF/PGW-U和SGW-U(Service Gateway-user 服務(wù)網(wǎng)關(guān)-用戶面)合設(shè)。因此在5G初期，4G核心網(wǎng)和5G核心網(wǎng)是融合部署的。除了標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中已經(jīng)明確的部署方式外，下面重點(diǎn)探討幾個(gè)開放式的部署策略，通過分析，給出建議。

  2.1 控制面部署層面

  在4G核心網(wǎng)的全國部署架構(gòu)中，控制面大區(qū)集中部署和分省集中部署都有成功部署的案例。因此在5G核心網(wǎng)組網(wǎng)方案中，控制面網(wǎng)元組網(wǎng)也提出了大區(qū)集中設(shè)置和分省設(shè)置的架構(gòu)。

  在控制面大區(qū)集中設(shè)置架構(gòu)中，集團(tuán)骨干層面集中部署UDM/HSS/UDR、PCF/PCRF、AMF、SMF/GW-C、NRF、NSSF，用戶面網(wǎng)元UPF/GW-U可按需部署在省及地市層面。在這種架構(gòu)中，大區(qū)中心的控制面網(wǎng)元管理多個(gè)省的用戶面網(wǎng)元。

  在控制面分省集中設(shè)置架構(gòu)中，集團(tuán)骨干層面集中部署NRF(Network Repository Function 網(wǎng)絡(luò)倉儲(chǔ)功能)和NEF(Network Exposure Function 網(wǎng)絡(luò)開放功能)，省層面部署UDM/HSS/UDR、PCF/PCRF、AMF、SMF/GW-C、NSSF(Network Slice Selection Function 網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能)，用戶面網(wǎng)元UPF/GW-U可按需下沉到地市層面。

  承載公眾上網(wǎng)業(yè)務(wù)的UPF通常部署在省會(huì)或地市的核心機(jī)房;與MEC協(xié)同承載政企業(yè)務(wù)的UPF為了降低時(shí)延，會(huì)下沉到離用戶比較近的機(jī)房，通常部署在省會(huì)和地市的邊緣機(jī)房。

  雖然大區(qū)集中部署集約化程度高，便于管理，符合運(yùn)營趨勢(shì)，同時(shí)資源利用率高，有利于全國性業(yè)務(wù)統(tǒng)一發(fā)放，但是也存在時(shí)延大不能滿足高速移動(dòng)、低時(shí)延類業(yè)務(wù)需求的致命性缺點(diǎn)。同時(shí)，目前三大運(yùn)營商的4G核心網(wǎng)都是分省部署，每個(gè)省的HSS和計(jì)費(fèi)單獨(dú)設(shè)置。如果5G核心網(wǎng)采用大區(qū)制部署，涉及4G網(wǎng)絡(luò)中的HSS數(shù)據(jù)全網(wǎng)割接問題，計(jì)費(fèi)架構(gòu)也要同步變化?；谏鲜鰞蓚€(gè)風(fēng)險(xiǎn)考慮，建議5G核心網(wǎng)仍然沿用分省集中部署架構(gòu)。

  2.2 AMF/MME合設(shè)和分設(shè)

  AMF(Access and Mobility Management Function 接入及移動(dòng)性管理功能)和MME(Mobility Management Entity 移動(dòng)性管理功能)可以合設(shè)，也可以分設(shè)，結(jié)合同廠家和異廠家情況，有以下三種方案。

  方案1：新建AMF和現(xiàn)網(wǎng)MME分設(shè)。新建的AMF和現(xiàn)網(wǎng)的MME可以同廠家，也可以異廠家。4G基站和現(xiàn)網(wǎng)MME的配置保持不變，5G基站接入AMF，MME和AMF通過N26接口互通，4G和5G核心網(wǎng)各自承載的容量規(guī)劃清晰簡單。

  方案2：新建融合AMF/MME與現(xiàn)網(wǎng)MME分設(shè)。新建的AMF/MME和現(xiàn)網(wǎng)的MME可以同廠家，也可以異廠家。4G基站需要升級(jí)支持同時(shí)配置新建的MME和現(xiàn)網(wǎng)的MME,雙連接造成容量規(guī)劃比較復(fù)雜。

  方案3：通過組pool的方式，新建融合AMF/MME與現(xiàn)網(wǎng)MME合設(shè)，只有同廠家才能支持合設(shè)。新建融合AMF/MME后，對(duì)于5G終端從4G網(wǎng)絡(luò)接入選擇MME時(shí)，是選擇融合的AMF/MME還是選擇4G核心網(wǎng)的MME，需要網(wǎng)絡(luò)重新規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)容量。

  通過分析以上三種方案，首先，每種方案都需要現(xiàn)網(wǎng)MME升級(jí)支持N26接口;其次，從對(duì)現(xiàn)網(wǎng)影響的角度，方案1最適宜。

  2.3 用戶數(shù)據(jù)庫遷移

  為了支持4G用戶在不換卡不換號(hào)情況下無感知使用5G業(yè)務(wù)，需要將4G核心網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)零散地從HSS平滑遷移至5G核心網(wǎng)的UDM/HSS數(shù)據(jù)庫。遷移過程中最核心的問題是：5G用戶從4G網(wǎng)絡(luò)接入時(shí)，MME不知道將用戶消息路由給4G的HSS還是5G融合的UDM/HSS，針對(duì)此問題分析如下：

  方案1：若5G新建的UDM/HSS和4G現(xiàn)網(wǎng)的HSS同廠家，則可以將后臺(tái)部分融合，前臺(tái)部分分設(shè)。無論用戶是否簽約了5G業(yè)務(wù)，當(dāng)5G用戶從4G網(wǎng)絡(luò)接入時(shí)，都可以通過HSS查詢到該用戶的數(shù)據(jù)。這種方案僅適用于同廠家。

  方案2：現(xiàn)網(wǎng)HSS升級(jí)支持S6a消息的Proxy。5G用戶從4G網(wǎng)絡(luò)接入，MME首先去4G核心網(wǎng)HSS查詢用戶消息，當(dāng)發(fā)現(xiàn)無用戶數(shù)據(jù)時(shí)，將消息proxy給5G核心網(wǎng)的UDM。這種方案適用于異廠家。

  方案3：新建5G核心網(wǎng)UDM/HSS，將現(xiàn)網(wǎng)HSS數(shù)據(jù)一次性全部割接過去。此方案適用于異廠家，但是全網(wǎng)割接風(fēng)險(xiǎn)較大，且造成4G核心網(wǎng)投資浪費(fèi)。

  通過分析以上三種方案，若4G/5G核心網(wǎng)同廠家，建議方案1;若異廠家，建議方案2。

  2.4 計(jì)費(fèi)方案

  3GPP RELESE 15標(biāo)準(zhǔn)只定義了融合計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。融合計(jì)費(fèi)主要是部署在IT側(cè)，需要IT側(cè)升級(jí)改造支持服務(wù)化接口，同時(shí)需要在線計(jì)費(fèi)系統(tǒng)支持離線計(jì)費(fèi)話單和融合計(jì)費(fèi)話單。3GPP RELESE 16標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)立項(xiàng)在線計(jì)費(fèi)和離線計(jì)費(fèi)分離方案，在線計(jì)費(fèi)服務(wù)集中部署，離線計(jì)費(fèi)服務(wù)部署在核心網(wǎng)側(cè)，目前標(biāo)準(zhǔn)仍然未凍結(jié)。在4G核心網(wǎng)中，三大運(yùn)營商都是采用的分離計(jì)費(fèi)方案。如果5G核心網(wǎng)采用融合計(jì)費(fèi)架構(gòu)，對(duì)IT側(cè)的改動(dòng)非常大?？紤]到計(jì)費(fèi)的重要性，建議待分離計(jì)費(fèi)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)后，考慮仍然沿用4G的分離計(jì)費(fèi)架構(gòu)。在標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)前，無法計(jì)費(fèi)，可以考慮包月等收費(fèi)策略。

  2.5 語音和短信方案

  5G初期，無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋不連續(xù)不完善，無法支持VoNR(Voice over new radio)方案，所以語音和短信業(yè)務(wù)只能采用EPS Fallback方案，回落到4G網(wǎng)絡(luò)，利用VoLTE提供語音和短信業(yè)務(wù)。待未來無線網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)覆蓋達(dá)到一定程度之后，可適時(shí)引入VoNR方案，即由5G網(wǎng)絡(luò)直接承載用戶的語音業(yè)務(wù)。

  3 結(jié)束語

  目前主流運(yùn)營商都發(fā)布了只支持eMBB業(yè)務(wù)的NSA商用，但是SA組網(wǎng)是5G網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)架構(gòu)，后續(xù)仍然要向SA演進(jìn)，支持5G三大業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)切片。盡管計(jì)費(fèi)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還不完善，運(yùn)營商和廠家都在積極推動(dòng)SA版本的測(cè)試和改進(jìn)。隨著5G牌照發(fā)放，商用進(jìn)程加快，預(yù)計(jì)2020年底，SA會(huì)開始商用。