4G/5G網(wǎng)絡(luò)融合演進(jìn)探析

謝沛榮，李文苡

（中國(guó)電信股份有限公司研究院，廣東 廣州 510630）

0 引言

中國(guó)電信率先于2020年11月實(shí)現(xiàn)了5G SA在全國(guó)300多個(gè)城市的正式商用，拉開(kāi)了5G SA網(wǎng)絡(luò)在國(guó)內(nèi)商用的帷幕。

當(dāng)前典型的4G/5G融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)4G與5G的互操作，5GC部署了4G/5G融合網(wǎng)元[1]（UDM/AUSF/HSS，PCF/PCRF，SMF/GW-C，UPF/GW-U），同時(shí)AMF與MME分別獨(dú)立組Pool，并通過(guò)N26接口互聯(lián)。4G與5G網(wǎng)絡(luò)協(xié)同為移動(dòng)用戶提供了平滑的4G/5G數(shù)據(jù)上網(wǎng)服務(wù)。

雖然目前EPC網(wǎng)絡(luò)仍然承擔(dān)著絕大多數(shù)用戶上網(wǎng)的任務(wù)，但未來(lái)隨著5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，技術(shù)的進(jìn)一步演進(jìn)發(fā)展，EPC網(wǎng)絡(luò)將何去何從，是電信運(yùn)營(yíng)商都十分關(guān)心的問(wèn)題。

圖1 典型的4G/5G網(wǎng)絡(luò)協(xié)同組網(wǎng)圖

1 中國(guó)電信移動(dòng)核心網(wǎng)的中長(zhǎng)期目標(biāo)架構(gòu)

3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織對(duì)于4G/5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的定義了6種架構(gòu)選項(xiàng)[2]。

如圖2所示，國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商原有的EPC網(wǎng)絡(luò)使用的就是Option1，而新部署的SA與NSA（Non Stand alone，非獨(dú)立組網(wǎng)）網(wǎng)絡(luò)則分別采用Option2與Option3。從圖中可知如果后續(xù)要演進(jìn)為Option4、Option5或Option7，均需要把現(xiàn)網(wǎng)的eNodeB基站升級(jí)為Evolved eNodeB基站（或簡(jiǎn)稱(chēng)eLTE基站）。此外如部署了NB-IoT（Narrow Band Internet of things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）功能，根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)，NB-IoT升級(jí)接入5GC，也需要把LTE基站升級(jí)為eLTE基站[3]。

但升級(jí)eLTE基站，無(wú)論是對(duì)LTE基站還是對(duì)終端的改造都非常大，而且此升級(jí)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能無(wú)明顯提升。目前網(wǎng)絡(luò)廠家與芯片/終端廠家均無(wú)計(jì)劃支持eLTE基站與終端，國(guó)內(nèi)外也無(wú)運(yùn)營(yíng)商對(duì)此提出明確需求，eLTE嚴(yán)重缺乏產(chǎn)業(yè)鏈支持。因此在4G/5G共存期間，LTE基站不建議升級(jí)為eLTE基站，考慮到后續(xù)NSA基本不會(huì)再投資部署，5GC與EPC的融合組網(wǎng)（Option1+Option2）將是移動(dòng)核心網(wǎng)主流的中長(zhǎng)期架構(gòu)，同時(shí)NB-IoT業(yè)務(wù)也將長(zhǎng)期由4G網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)承載。

2 EPC網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)

雖然EPC網(wǎng)絡(luò)將長(zhǎng)期存在，但結(jié)合4G用戶逐漸向5G的遷移，及5GC的擴(kuò)容與演進(jìn)，EPC網(wǎng)絡(luò)也可以相應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)整。此外隨著傳統(tǒng)EPC設(shè)備因報(bào)廢年限等原因逐漸退網(wǎng)，在擴(kuò)容EPC時(shí)也需要考慮設(shè)備的部署形態(tài)。

2.1 MME組網(wǎng)

MME主要負(fù)責(zé)處理NAS信令及接入安全驗(yàn)證，移動(dòng)性管理與會(huì)話管理等功能，并且通過(guò)N26接口與AMF互聯(lián)。MME的演進(jìn)主要有保持MME繼續(xù)獨(dú)立部署與MME/AMF合設(shè)兩種思路，具體來(lái)說(shuō)有以下三種可能的方案。

（1）方案一：獨(dú)立疊加

如圖3所示，新建MME（或vMME），新建的MME與傳統(tǒng)MME混合組Pool，MME Pool與AMF Pool之間繼續(xù)通過(guò)N26接口實(shí)現(xiàn)4G/5G互操作。

圖2 4G/5G演進(jìn)架構(gòu)選項(xiàng)

圖3 MME獨(dú)立部署方案

這種方案最大的優(yōu)勢(shì)是AMF頻繁的升級(jí)不會(huì)影響4G網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性運(yùn)行。因?yàn)锳MF作為5GC的關(guān)鍵網(wǎng)元，隨著5G的優(yōu)化完善及功能增加，必然要經(jīng)常性的進(jìn)行升級(jí)；而MME作為4G網(wǎng)元，其功能已經(jīng)十分穩(wěn)定，兩網(wǎng)元分開(kāi)部署就避免了一方的頻繁升級(jí)對(duì)另一方造成影響。此外分設(shè)還可以帶來(lái)4G、5G核心網(wǎng)組網(wǎng)獨(dú)立清晰與規(guī)劃簡(jiǎn)單的好處。

但MME與AMF分開(kāi)部署，導(dǎo)致了4G與5G互操作網(wǎng)元間信令交互多及互操作時(shí)延較大，同時(shí)4G/5G兩套網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立維護(hù)，節(jié)點(diǎn)管理的工作量也較大。

（2）方案二：合設(shè)疊加

如圖4所示，現(xiàn)網(wǎng)AMF升級(jí)為AMF/MME融合網(wǎng)元，AMF/MME融合網(wǎng)元單獨(dú)組MME Pool，與現(xiàn)網(wǎng)MME Pool分開(kāi)，同時(shí)LTE基站需要升級(jí)或配置支持同時(shí)連接多個(gè)MME Pool。

這種融合組網(wǎng)方式可實(shí)現(xiàn)VM、內(nèi)存等資源的共享，較非融合方式資源利用率有所提升，同時(shí)減少了網(wǎng)元類(lèi)型，簡(jiǎn)化了運(yùn)維。

但這種方案主要存在3個(gè)問(wèn)題：

1）AMF頻繁升級(jí)可能影響4G網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2）規(guī)劃困難。由于AMF/MME和5G/4G基站間的端口數(shù)受限，且5G和4G基站覆蓋范圍有較大差異，從而導(dǎo)致AMF和MME的容量規(guī)劃和區(qū)域規(guī)劃復(fù)雜。

3）傳統(tǒng)MME Pool與AMF/MME Pool間負(fù)載不均衡。由于AMF/MME融合網(wǎng)元支持5G接入，因此用戶只要通過(guò)初始接入或互操作，接入過(guò)一次融合網(wǎng)元，就會(huì)一直附著在融合網(wǎng)元上，造成兩個(gè)Pool的負(fù)載不均衡。

（3）方案三：合設(shè)融合

此方案如圖4所示，現(xiàn)網(wǎng)AMF升級(jí)為AMF/MME融合網(wǎng)元，AMF/MME融合網(wǎng)元與現(xiàn)網(wǎng)MME共同組Pool，但AMF/MME融合網(wǎng)元與現(xiàn)網(wǎng)MME必須同廠家才能實(shí)現(xiàn)共同組Pool。

本方案的優(yōu)缺點(diǎn)基本同方案二。唯一不同的是，此方案是Pool內(nèi)傳統(tǒng)MME與AMF/MME融合網(wǎng)元間的負(fù)載不均衡。

從以上的分析可知，AMF和MME合設(shè)的優(yōu)勢(shì)并不明顯，且對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)一定的復(fù)雜度，特別是AMF的頻繁升級(jí)會(huì)對(duì)MME的服務(wù)造成影響，建議繼續(xù)采用AMF與MME分開(kāi)設(shè)置方式。

2.2 DRA/SCP組網(wǎng)

DRA在EPC網(wǎng)絡(luò)中主要負(fù)責(zé)Diameter消息的轉(zhuǎn)發(fā)與尋址，而3GPP在R16階段也引入了一個(gè)類(lèi)似的可選網(wǎng)元SCP（Service Communication Proxy，服務(wù)通信代理），可進(jìn)行服務(wù)化消息的轉(zhuǎn)發(fā)和尋址。

在3GPP R15標(biāo)準(zhǔn)中，5GC網(wǎng)元間只能進(jìn)行直接通信，即消費(fèi)者與生產(chǎn)者間直接進(jìn)行通信；當(dāng)引入SCP后，5GC也支持了間接通信模式，具體包括模式C與模式D[1]。

如圖5所示，在模式C中，服務(wù)消費(fèi)者進(jìn)行服務(wù)發(fā)現(xiàn)并選擇服務(wù)生產(chǎn)者實(shí)例或?qū)嵗M后，把包含生產(chǎn)者實(shí)例/實(shí)例組地址的請(qǐng)求消息發(fā)送給SCP，由SCP進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)；在模式D中，服務(wù)消費(fèi)者直接將服務(wù)請(qǐng)求與服務(wù)發(fā)現(xiàn)參數(shù)發(fā)給SCP，SCP完成代理服務(wù)發(fā)現(xiàn)并選擇服務(wù)生產(chǎn)者實(shí)例后路由消息。

圖4 MME與AMF合設(shè)部署

圖5 NF間服務(wù)交互的通信模式

由于SCP在網(wǎng)絡(luò)中的作用與DRA相似，同時(shí)SCP與DRA一樣也需要配置大量的信令路由規(guī)則，因此在實(shí)際部署時(shí)，一般會(huì)結(jié)合SCP來(lái)考慮DRA的演進(jìn)部署。如引入SCP，就會(huì)把DRA功能合設(shè)在SCP，此時(shí)兩網(wǎng)元可以共享大部分的信令路由規(guī)則，大大降低了維護(hù)工作量。

在5GC中引入SCP，理論上可以帶來(lái)鏈路匯聚、靈活路由、負(fù)載均衡、安全隔離與信令適配等好處。下面仔細(xì)對(duì)于這些好處進(jìn)行分析：

（1）鏈路匯聚。5GC已經(jīng)是全I(xiàn)P組網(wǎng)，對(duì)于IP網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，通過(guò)鏈路匯聚來(lái)減少鏈路數(shù)，除了可以稍微提升故障定位效率外，并不會(huì)帶來(lái)明顯好處。而5G網(wǎng)絡(luò)的信令相比4G大大增加，如所有信令都由SCP轉(zhuǎn)接，反而還會(huì)帶來(lái)單點(diǎn)故障的風(fēng)險(xiǎn)，降低路由效率。

（2）靈活路由。5GC缺省只能支持IP或FQDN路由方式，而通過(guò)SCP的二次開(kāi)發(fā)，可以支持更多的路由方式，如根據(jù)用戶號(hào)碼、切片ID、DNN、IP、域名等進(jìn)行路由，但在實(shí)際現(xiàn)網(wǎng)中，暫時(shí)還沒(méi)有除IP/FQDN外的其他路由需求。

（3）負(fù)載均衡。如有SCP，且統(tǒng)一由SCP來(lái)具體選擇生產(chǎn)者實(shí)例（即采用模式D），的確可較好地實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡；如無(wú)SCP，NRF會(huì)根據(jù)心跳消息中收到的各網(wǎng)元的負(fù)載信息，來(lái)確定服務(wù)發(fā)現(xiàn)應(yīng)答消息中返回的各生產(chǎn)者實(shí)例的前后順序，從而也可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。

（4）安全隔離。通過(guò)SCP統(tǒng)一進(jìn)行信令轉(zhuǎn)發(fā)，可以很方便地實(shí)現(xiàn)省或大區(qū)間的安全隔離與拓?fù)潆[藏。但一般來(lái)說(shuō)，同一運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)內(nèi)還是相對(duì)安全的，在省與大區(qū)間進(jìn)行安全隔離的必要性存疑。

（5）信令適配。SCP可與DRA融合部署，節(jié)省大量重復(fù)數(shù)據(jù)的配置工作。

從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和性能角度分析，引入SCP的優(yōu)勢(shì)并不明顯，因此建議維持DRA的獨(dú)立部署，后續(xù)可從運(yùn)維效率和安全等方面再評(píng)估引入SCP的必要性。

2.3 其他EPC網(wǎng)元

對(duì)于UDM/HSS、PCF/PCRF、SMF/GW-C與UPF/GW-U等融合網(wǎng)元，考慮隨著4G用戶逐漸轉(zhuǎn)為5G用戶，后續(xù)所有ToC業(yè)務(wù)都將統(tǒng)一由融合網(wǎng)元來(lái)承載，因此可以考慮盡量避免或減少純EPC設(shè)備的擴(kuò)容。

2.4 設(shè)備形態(tài)

在4G與5G網(wǎng)絡(luò)并存的長(zhǎng)期過(guò)程中，EPC設(shè)備擴(kuò)容采用何種設(shè)備形態(tài)也是需要關(guān)注的問(wèn)題。對(duì)于是否引入vEPC設(shè)備，主要需考慮如下的因素：

（1）成本。綜合來(lái)看，近期虛擬化設(shè)備在建設(shè)成本上對(duì)比傳統(tǒng)設(shè)備沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)。

（2）運(yùn)維難度。在EPC現(xiàn)網(wǎng)全部是傳統(tǒng)設(shè)備情況下，引入vEPC與傳統(tǒng)EPC混合組網(wǎng)，對(duì)同一張網(wǎng)引入兩種不同的管理架構(gòu)，勢(shì)必對(duì)運(yùn)維提出了更高的要求。

（3）建設(shè)規(guī)模。近中期在傳統(tǒng)EPC設(shè)備未退網(wǎng)的情況下，由于有新建的SA網(wǎng)絡(luò)吸納部分4G用戶，EPC擴(kuò)容需求不明確。

（4）廠家路標(biāo)。需考慮廠家vEPC支持時(shí)間，及傳統(tǒng)設(shè)備停止銷(xiāo)售/傳統(tǒng)備件停止供應(yīng)的時(shí)間。

總體來(lái)說(shuō)，虛擬化是網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期演進(jìn)的趨勢(shì)，對(duì)于大規(guī)模擴(kuò)容（如老設(shè)備退網(wǎng)替換），建議采用vEPC方式部署；但對(duì)于近期的小規(guī)模EPC擴(kuò)容，為減少運(yùn)維難度，可考慮繼續(xù)采用傳統(tǒng)EPC方式。

3 結(jié)束語(yǔ)

5GC與EPC的融合組網(wǎng)（Option1+Option2）是移動(dòng)核心網(wǎng)主流的中長(zhǎng)期架構(gòu)，圍繞此目標(biāo)架構(gòu)，本文重點(diǎn)對(duì)于4G/5G融合架構(gòu)下的EPC網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)進(jìn)行了分析，給出MME、DRA均獨(dú)立部署、盡量避免/減少純EPC設(shè)備擴(kuò)容等初步建議。5G SA網(wǎng)絡(luò)畢竟還是一個(gè)新事物，隨著網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際運(yùn)營(yíng)與發(fā)展，未來(lái)還不可避免需要對(duì)相關(guān)的演進(jìn)策略進(jìn)行修正與完善。