4G與5G融合組網及互操作技術分析

吳凌博，岳 勝

（1.深圳市智慧城市通信有限公司，廣東 深圳 518000；2.廣東省南方電信規劃咨詢設計院有限公司，廣東 深圳 518038）

1 4G與5G技術融合組網面臨問題分析

4G與5G技術融合組網現階段面臨著一定的問題，基于3G技術發展起來的4G技術逐漸與3G相對應系統體現出不適應情況，而5G技術整體上比4G技術更先進，與原有3G技術相應系統適應性更難得到保證。當前4G通信網絡已經十分普及，其設計可以充分滿足IMT-A使用中IP服務要求，也因為4G通信網絡需要滿足這IP服務要求使用了諸多諸如鏈路自適應、多輸入多輸出等電網（無線）技術，可以有效解決網絡“繁忙”等問題。并，4G技術低移動情況下，數據傳輸速度1Gbit/s可以實現。

盡管4G技術優勢諸多，但在隨著終端（移動）用戶逐漸增加，多數網絡用戶對網絡接入提出更高要求，需要網絡可以滿足多樣化PC、智能手機、多媒體工程、移動設備等通信需求。近年來諸多通信設備逐漸豐富，通信設備的數量增加，使得所需通信網絡服務數量出現驟增趨勢。隨著越來越多無線設備接入4G通信網絡數量增加，網絡環境充滿挑戰。以蜂窩通信為例，當接入的無線設備增加，其必須要不斷擴充自身的無線頻譜資源，但當前其頻譜資源相對不足，使得其無法適應無線通信設備接入增加這一情況。另外，無線技術越先進所需要能耗越大，成為制約4G無線通信技術發展的一大因素。以4G技術為基礎進行研發的5G技術，在與4G技術融合組網與互操作中也不得不考慮這些問題。

2 4G與5G融合互操作架構

2.1 技術（4G與5G）融合組網互操作相關架構設計

通信技術融合組網簡言之即將4G與5G業務、數據、網絡實現一體化融合，對技術發展過程來說，業務數據融合、用戶簽約相關數據融合、連續性業務等屬于技術融合發展中必須要考慮的問題。基于網絡演進的需求，原有技術中PP定義了相應的4G與5G的網元（融合），包 括 PCF+PCRF、SMF+PGW—C、U+UPF—PGW、UDM+HSS等。根據4G與5G技術特點，設計的兩種技術融合互操作架構如下圖，其中N26屬于可選接口，與之相對應的業務需求、部署策略由運營商應用部署決定。

圖1 兩種技術融合互操作系統架構

2.2 融合組網重要性

4G與5G大部分交互流程可通過相應的網元接口實現，無須重新或者單獨定義新的轉換接口，但兩種技術之間交互流程并不包括用戶狀態管理。在兩種技術交互過程中根據網元接口不同采用不同部署。

PCF+PCRF此種融合部署方式可以實現統一的流量管理，用戶同一個流量套餐可以在同一用戶下不同接入方式的流量累計處理，并且支持相應網絡的統一控制，可實現針對用戶網絡切換實際情況進行QoS映射，確保對用戶體驗進行管理與調控。若PCF、PCRF兩者并不采用融合組網部署，則無法實現同一用戶多接入設備流量的累計處理，使得相應用戶流量數據很難實現同步，想要通過統一套餐對用戶流量控制難度很大，并且需要在不同網元中分別受理流量數據，業務處理的難度大大增加[1]。

UPF+PGW-U、SMF+PGW-C融合部署可以確保4G與5G兩種技術在更新過程中業務連續性，確保用戶不會因為技術更新而影響通信網絡使用或體驗，實現無縫技術切換，并且此種融合部署對接入制式不敏感，在技術切換過程中用戶錨點無須要變更，可以有效減少由于業務多次處理帶來的資源浪費。若UPF與PGW-U或SMF與PGW-C并沒有采用融合組網，在網絡技術切換過程中IP地址（用戶）會發生改變，使得用戶會話或者業務連續性受到影響，且業務處理過程中需要更多的資源，使得網絡負荷增加。

UDM+HSS使用AUC（同一）融合部署，無須二次獲取鑒權向量，同時可以在BOSS方面進行相應的統一管理，有效降低后期維護與操作的難度。采用此種融合部署方式，用戶無論從5G注冊還是從4G注冊，HSS、UDM可通過相應接口，實現對端相應用戶注冊信息的清除，使得整個業務處理流程更加簡化。若HSS、UDM兩者并不采用融合組網部署，則雙方需要通過Diameter或者MAP接口進行鑒權五元組，整個流程十分復雜，并且在BOSS方面也需要考慮不同網元間數據與操作的一致性問題，使得處理的難度進一步增加。

3 4G與5G兩種通信技術互操作處理流程

3.1 N26接口未部署時的互操作

若兩種通信網絡技術之間并沒有部署相應的N26接口，網絡則可以使用存儲UE使用（UDM+HSS）相關的APN/DNN、PGW-C+SMF信息，使得UE的IP地址具有連續性。沒有N26接口部署時，UE初始（網絡側）過程中需要對雙注冊能力進行指示，以確保其可以協助UE決定觸發互操作流程之前是否進行目標網絡注冊。若雙注冊模式注冊網絡發生移動后，并移動到N26接口支持區域，可以利用網絡層攜帶相應的重注冊指示，請求UE進行相應的網絡注銷，同時在UE重注冊過程中網絡側支持雙注冊模式的相關指示不再攜帶，讓UE使用單注冊的模式進行相應的沖注冊操作。

3.2 N26接口部署互操作

N26接口是否部署直接影響著互操作過程，通過此接口的接入，可以支持兩種通信網絡之間會話管理狀態、移動性管理狀態地傳送，故當有N26接口部署時，僅需要單注冊模式即可。并在單注冊基礎上，保持UE移動性管理狀態即可，便可以實現兩種通信網絡用戶無縫切換。當UE發生5GC—EPC時，基于運營商管理策略及SMF的EPS能力會決定選擇哪些重點目標EPS，并將無法遷移PDU會話釋放。UE處于空閑態時，若發生了5GC—EPC移動，UE會選擇使用EPS—GUTI（為5G—GUTI而來）映射進行追蹤實現移動性處理，通過N26接口MME可以獲取5G通信網絡中UE的會話管理、移動性管理上下文。在整個處理過程中MME+N26等同于S10接口。若UE在連接狀態時，無論是否發生網絡移動，都會執行切換流程，在切換過程中UDM+HSS不受理針對UE的發來（MME或者AMF）的注冊請求。

3.3 雙注冊與單注冊

為了適應不同EPCNAS、5GCNAS的相應UE定義需求，5G通信技術系統設計雙注冊和單注冊兩種注冊模式，從UE角度分析其中單注冊為必選功能，運營商可以依據業務需求與網絡部署進行雙注冊功能選擇。在相關UE注冊時可以向網絡側發送相應指示，表明UE具備EPCNAS、5GCNAS能力，可實現后續互操作處理。如果為單注冊，UE在同一時間內其管理狀態保持一種，可以是EPC、5GC注冊管理狀態中任意一種。若4G與5G出現互操作時UE會將通信網絡當前映射根據網絡轉換形式進行調整，若是4G—5G時則映射調整EPS—GUTI，若是5G—4G時則映射調整GUTI—EPS。如果為雙注冊，UE可以獨立完成EPC、5GC注冊流程處理，并將EPC—GUTI、5G—GUTI存儲，這兩種映射是由EPC系統或5GC系統分配的。雙注冊情況下可以同時注冊相應的EPC、5GC，或者單獨注冊EPC、5GC[2]。

4 結束語

綜上所述，4G與5G融合組網及互操作技術相對較為復雜，在相互操作過程中需要充分結合技術具體使用情況，對4G與5G融合互操作架構進行設計，并在之后融合互操作處理中根據實際情況進行不同處理，可根據N26接口未部署時的互操作、N26接口部署互操作、雙注冊與單注冊等，全面提升4G與5G融合組網及互操作質量促進技術進步與發展。