5G核心網SA組網方案及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標準凍結以來，SA(StandAlone 獨立組網)組網方案受到了運營商和通信設備廠商的極大關注。通信設備廠商都在積極開發SA版本，標準凍結后短短半年時間，各大廠商已經推出測試版本，同時國內三大運營商也在積極測試SA版本，適時推進SA部署。SA標準之所以受到運營商和設備廠商的追捧，相比NSA(Non StandAlone 非獨立組網)標準，SA標準具有如下優勢：

  (1)SA標準是純5G核心網架構：由于NSA標準早于SA標準凍結，SA是目標網絡方案，可以避免NSA組網下的頻繁的網絡改動問題。

  (2)SA方案對現網改造量?。夯贓PC+(Evolved Packet Core Internet ,演進的分組核心網)的NSA仍需向SA方案演進，網絡需要多次改造;基于的NSA方案需對4G基站升級到eLTE(Enhanced long Term Evolution，增強型長期演進)，升級改造量大，且異廠家基站間難實現 4G/5G雙連接。

  (3)SA方案的業務能力更強：5G核心網可以支持網絡切片、邊緣計算等新特性。5G網絡初期以Embb(Enhanced Mobile Broadband，增強移動寬帶)熱點區域覆蓋為主，離開5G區域，通過核心網實現與4G的互操作。對于eMBB業務，終端本身有緩存機制，業務體驗不受影響。

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

  2019年6月6日，工信部正式發放5G牌照，中國正式進入5G元年。SA是目標架構，獲得牌照的運營商積極部署SA網絡，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組網方案的一個難題，本文將重點探討SA獨立組網以及該組網的4G/5G互操作。

  1 5G架構Options概述

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

  圖1 不同無線接入和核心網的排列組合

  從終端的角度看，雙連接是指終端同時連接兩個基站進行數據傳輸，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基站進行數據傳輸，場景包括LTE，eLTE和NR?；趩芜B接和雙連接的概念，我們來區分NSA和SA。NSA是非獨立組網，終端需要雙連接，包含Option 3、Option 4、Option 7和Option 8。SA是獨立組網，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5G的優勢。

  (2)Option 2: 獨立的5G架構，5G基站接入5G核心網。

  (3) Option 3: 5G終端雙連接5G基站和4G基站，核心網是4G核心網?？刂泼驽^點在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。

  (4) Option 4：5G終端雙連接5G基站和4G基站，核心網是5G核心網?？刂泼驽^點在5G基站，用戶面分流可以在5G基站，也可以在5G核心網。

  (5) Option 5：5G終端單連接4G基站，5G核心網，沒有5G基站，無法體現5G優勢。

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

  (7) Option 7：5G終端雙連接5G基站和4G基站，核心網是5G核心網?？刂泼驽^點在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。

  (8)Option 8：5G終端雙連接5G基站和4G基站，核心網是4G核心網?？刂泼驽^點在5G基站，用戶面分流可以在5G基站，也可以在4G核心網。此選項要求5G連續覆蓋，且5G基站需要同時連4G核心網和5G核心網，增加不必要的負責性，已經被排除。

  通過分析8個Option，可以看出NSA組網中Option 3方案最佳， SA組網中Option 2 方案最佳。NSA方案只需要升級4G核心網，運營商可以快速推出5G服務。但是NSA只能支撐大帶寬業務，無法支持海量連接、高可靠低時延業務和網絡切片功能。SA方案需要新建5G核心網，是5G目標架構。但是SA相關標準還不完善，商用難度大。因此5G初期主流運營商都選擇NSA商用，同時加大力度測試驗證SA，向目標架構SA演進。

  2 基于Option 2的SA組網

  在Option 2中，需要新建5G核心網。5G核心網根據5G三大業務場景要求重新進行了設計，可以滿足各種業務需求，包括eMBB(Enhance Mobile Broadband，增強型移動互聯網)、uRLLC(Ultra Reliable & LowLatency Communication， 超高可靠性與超低時延通信)、mMTC(Massive Machine Type Communication，海量物聯網通信)業務、支持網絡切片、支持邊緣計算等特性。5G核心網實現了網絡功能模塊化以及控制功能與轉發功能的完全分離?？刂泼婵梢约胁渴?，對轉發資源進行全局調度;用戶面則可按需集中或分布式靈活部署，當用戶面下沉靠近網絡邊緣部署時，可實現本地流量分流，支持端到端毫秒級時延。與傳統參考點的架構方式相比，5G核心網控制面功能借鑒了 IT 系統中服務化架構，采用基于服務的設計方案來描述控制面網絡功能及接口交互。由于服務化架構采用 IT 化總線，服務模塊可自主注冊、發布、發現，規避了傳統模塊間緊耦合帶來的繁復互操作，提高功能的重用性，簡化業務流程實現。3GPP標準上規定了服務接口協議采用TCP/TLS/HTTP2/JSON，提升了網絡的靈活性和可擴展性。

  5G基站部署初期，覆蓋區域不完善，為了保障業務的連續性及用戶的體驗，需要4G/5G協同互操作。在Option 2中，當5G終端不在5G覆蓋范圍內，需要回落到4G網絡。由于5G終端單連接基站，且5G核心網只和5G基站連接，4G/5G的互操作只能在核心網之間通過N26接口完成。4G/5G互操作如圖2所示。

  圖2 4G/5G互操作

  關于4G核心網與5G核心網互操作，標準協議中也規定了5G核心網的網元中UDM(Unified Data Manager,統一數據管理平臺)需與HSS(Home Subscriber Server,歸屬簽約用戶服務器)合設、SMF(Session Management Function 會話管理功能)與PGW-C(Packet data network Gateway-control 分組數據網絡網關-控制面)合設、UPF(User Plan Function 用戶名功能)與PGW-U(Packet data network Gateway-user 分組數據網絡網關-用戶面)合設、PCRF和PCF(Policy Control Function 策略控制功能)合設。為避免用戶的數據路由迂回，通常SMF/PGW-C和SGW-C(Service Gateway-control 服務網關-控制面)合設，UPF/PGW-U和SGW-U(Service Gateway-user 服務網關-用戶面)合設。因此在5G初期，4G核心網和5G核心網是融合部署的。除了標準協議中已經明確的部署方式外，下面重點探討幾個開放式的部署策略，通過分析，給出建議。

  2.1 控制面部署層面

  在4G核心網的全國部署架構中，控制面大區集中部署和分省集中部署都有成功部署的案例。因此在5G核心網組網方案中，控制面網元組網也提出了大區集中設置和分省設置的架構。

  在控制面大區集中設置架構中，集團骨干層面集中部署UDM/HSS/UDR、PCF/PCRF、AMF、SMF/GW-C、NRF、NSSF，用戶面網元UPF/GW-U可按需部署在省及地市層面。在這種架構中，大區中心的控制面網元管理多個省的用戶面網元。

  在控制面分省集中設置架構中，集團骨干層面集中部署NRF(Network Repository Function 網絡倉儲功能)和NEF(Network Exposure Function 網絡開放功能)，省層面部署UDM/HSS/UDR、PCF/PCRF、AMF、SMF/GW-C、NSSF(Network Slice Selection Function 網絡切片選擇功能)，用戶面網元UPF/GW-U可按需下沉到地市層面。

  承載公眾上網業務的UPF通常部署在省會或地市的核心機房;與MEC協同承載政企業務的UPF為了降低時延，會下沉到離用戶比較近的機房，通常部署在省會和地市的邊緣機房。

  雖然大區集中部署集約化程度高，便于管理，符合運營趨勢，同時資源利用率高，有利于全國性業務統一發放，但是也存在時延大不能滿足高速移動、低時延類業務需求的致命性缺點。同時，目前三大運營商的4G核心網都是分省部署，每個省的HSS和計費單獨設置。如果5G核心網采用大區制部署，涉及4G網絡中的HSS數據全網割接問題，計費架構也要同步變化?；谏鲜鰞蓚€風險考慮，建議5G核心網仍然沿用分省集中部署架構。

  2.2 AMF/MME合設和分設

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

  方案1：新建AMF和現網MME分設。新建的AMF和現網的MME可以同廠家，也可以異廠家。4G基站和現網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核心網各自承載的容量規劃清晰簡單。

  方案2：新建融合AMF/MME與現網MME分設。新建的AMF/MME和現網的MME可以同廠家，也可以異廠家。4G基站需要升級支持同時配置新建的MME和現網的MME,雙連接造成容量規劃比較復雜。

  方案3：通過組pool的方式，新建融合AMF/MME與現網MME合設，只有同廠家才能支持合設。新建融合AMF/MME后，對于5G終端從4G網絡接入選擇MME時，是選擇融合的AMF/MME還是選擇4G核心網的MME，需要網絡重新規劃網絡容量。

  通過分析以上三種方案，首先，每種方案都需要現網MME升級支持N26接口;其次，從對現網影響的角度，方案1最適宜。

  2.3 用戶數據庫遷移

  為了支持4G用戶在不換卡不換號情況下無感知使用5G業務，需要將4G核心網用戶數據零散地從HSS平滑遷移至5G核心網的UDM/HSS數據庫。遷移過程中最核心的問題是：5G用戶從4G網絡接入時，MME不知道將用戶消息路由給4G的HSS還是5G融合的UDM/HSS，針對此問題分析如下：

  方案1：若5G新建的UDM/HSS和4G現網的HSS同廠家，則可以將后臺部分融合，前臺部分分設。無論用戶是否簽約了5G業務，當5G用戶從4G網絡接入時，都可以通過HSS查詢到該用戶的數據。這種方案僅適用于同廠家。

  方案2：現網HSS升級支持S6a消息的Proxy。5G用戶從4G網絡接入，MME首先去4G核心網HSS查詢用戶消息，當發現無用戶數據時，將消息proxy給5G核心網的UDM。這種方案適用于異廠家。

  方案3：新建5G核心網UDM/HSS，將現網HSS數據一次性全部割接過去。此方案適用于異廠家，但是全網割接風險較大，且造成4G核心網投資浪費。

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

  2.4 計費方案

  3GPP RELESE 15標準只定義了融合計費標準。融合計費主要是部署在IT側，需要IT側升級改造支持服務化接口，同時需要在線計費系統支持離線計費話單和融合計費話單。3GPP RELESE 16標準已經立項在線計費和離線計費分離方案，在線計費服務集中部署，離線計費服務部署在核心網側，目前標準仍然未凍結。在4G核心網中，三大運營商都是采用的分離計費方案。如果5G核心網采用融合計費架構，對IT側的改動非常大?？紤]到計費的重要性，建議待分離計費架構標準凍結后，考慮仍然沿用4G的分離計費架構。在標準凍結前，無法計費，可以考慮包月等收費策略。

  2.5 語音和短信方案

  5G初期，無線網絡的覆蓋不連續不完善，無法支持VoNR(Voice over new radio)方案，所以語音和短信業務只能采用EPS Fallback方案，回落到4G網絡，利用VoLTE提供語音和短信業務。待未來無線網絡的連續覆蓋達到一定程度之后，可適時引入VoNR方案，即由5G網絡直接承載用戶的語音業務。

  3 結束語

  目前主流運營商都發布了只支持eMBB業務的NSA商用，但是SA組網是5G網絡的目標架構，后續仍然要向SA演進，支持5G三大業務和網絡切片。盡管計費等相關標準還不完善，運營商和廠家都在積極推動SA版本的測試和改進。隨著5G牌照發放，商用進程加快，預計2020年底，SA會開始商用。