移動網(wǎng)4G和5G互操作流程研究與實踐

中國聯(lián)通河南省分公司 劉天雪 譚 潔 高 磊 謝冬秀

5G時代已經(jīng)來臨，并在加速建設中，由于種種因素想要實現(xiàn)全覆蓋還需假以時日。在5G網(wǎng)絡部署的前中期階段，4G網(wǎng)絡會是在5G覆蓋不完善的情況下，作為保障用戶業(yè)務連續(xù)性的最好補充。如何發(fā)揮4/5G的協(xié)同優(yōu)勢，是運營商亟待解決的課題。本文重點分析了4/5G互操作架構及相關流程。

5G網(wǎng)絡建設前中期階段，5G網(wǎng)絡覆蓋還無法達到全覆蓋，當用戶移動到?jīng)]有5G網(wǎng)絡覆蓋的地方時，需由廣泛覆蓋的4G網(wǎng)絡提供移動網(wǎng)絡服務。讓5G終端可以在5G網(wǎng)絡與4G網(wǎng)絡之間切換且保證業(yè)務連續(xù)性，保障用戶感知，達到隨時隨地都能流暢體驗業(yè)務。4/5G網(wǎng)絡間的互操作是非常重要的。5GC與4G EPC網(wǎng)絡協(xié)同，可以更好地滿足4/5G業(yè)務的協(xié)同發(fā)展。

1 終端注冊模式

為了實現(xiàn)4/5G之間的互操作，UE終端支持在5GC和EPC網(wǎng)絡中單注冊和雙注冊兩種注冊模式，對UE終端來說，單注冊是必選功能，雙注冊為可選功能。運營商可根據(jù)實際的網(wǎng)絡部署情況、業(yè)務需求和UE終端的能力等情況，選擇單注冊或者雙注冊模式。在UE向網(wǎng)絡注冊過程中，UE向網(wǎng)絡側上報UE終端能力信息，表明UE支持5GC SA和EPC NAS的能力，以支持用戶在5GC和EPC間的互操作，可以保證用戶在5G網(wǎng)絡和4G網(wǎng)絡之間移動和切換時業(yè)務的連續(xù)性不受影響，從而有效地提升用戶的使用體驗。

1.1 終端單注冊模式

單注冊指終端UE某一時刻僅注冊到EPC或5GC網(wǎng)絡，即UE僅在一個網(wǎng)絡中注冊，注冊在EPC網(wǎng)絡中或者注冊在5GC網(wǎng)絡中，僅保存一套UE MM上下文狀態(tài)，可以是5GC的注冊管理狀態(tài)，或EPC的EPS移動性管理狀態(tài)。單注冊的UE，可以同時支持EPC NAS和5GC NAS。

1.2 終端雙注冊模式

在雙注冊模式中，終端UE能同時在兩個網(wǎng)絡中留存注冊信息，且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網(wǎng)絡獨立分配的，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網(wǎng)絡，也可以同時注冊到5GC和EPC網(wǎng)絡，但是只有一邊是激活的。

2 4/5G互操作組網(wǎng)

目前聯(lián)通5GC的AMF和EPC的MME間采用了N26接口，通過N26接口預先在目標側建立承載和間接轉發(fā)通道，只在空口切換過程中有短暫中斷。4G MME和5G AMF間利用N26接口來傳遞用戶上下文，從而為互操作業(yè)務提供無縫會話連續(xù)性。

基于通信現(xiàn)網(wǎng)存量狀況與未來網(wǎng)絡發(fā)展趨勢等因素，在5G部署的前中期，會有相當長的一段時間內(nèi)需要通過4/5G融合來確保新老用戶的網(wǎng)絡體驗。5GC與4G網(wǎng)絡協(xié)同、集成，可以更好地滿足4/5G業(yè)務的協(xié)同發(fā)展，實現(xiàn)更好的端到端用戶體驗。

新建云化的5GC，如AMF、SMF、UDM、NRF等。5G核心網(wǎng)采用SBA服務化架構，采用云化部署，控制面集中部署，最終實現(xiàn)分布式靈活部署。靈活、自動化的5G核心網(wǎng)成為敏捷和可編程網(wǎng)絡的基礎，也是全球運營商網(wǎng)絡創(chuàng)新的目標。

HSS/UDM、SMF/PGW-C、UPF/PGW-U合設建設融合5GC，實現(xiàn)5G SA用戶接入，保證4/5G切換業(yè)務連續(xù)性。同時能夠為運營商提供2G/3G/4G/5G多種組網(wǎng)場景下的融合網(wǎng)絡，具備高效的用戶數(shù)據(jù)處理能力，簡化組網(wǎng)，既能兼容原有業(yè)務，又可拓展5G業(yè)務，節(jié)省運營商的OPEX和CAPEX。

3 4/5G互操作場景GUAMI規(guī)劃

5G-GUTI是5G全局唯一的臨時UE標識，5G系統(tǒng)下使用5G-GUTI的目的是減少在通信中顯示使用UE的永久性標識，提升安全性。

5G-GUTI由兩部分組成：

第一部分標識是由哪個AMF分配的5G-GUTI，第二部分表示UE在AMF內(nèi)唯一的id。

由于5G獨立組Pool，AMF Pool ID獨立規(guī)劃，不與現(xiàn)網(wǎng)MME Pool ID耦合。

EPS-GUTI和5G-GUTI的映射關系如下：

EPS-GUTI和5G-GUTI的映射關系是實現(xiàn)4/5G網(wǎng)絡之間互操作的關鍵因素。當UE在網(wǎng)絡中的錨點變換后，新的網(wǎng)絡仍然能夠知曉該UE的信息并在UE接入新的系統(tǒng)時RAN側根據(jù)這些NAS的ID信息用于選擇新的服務核心網(wǎng)網(wǎng)元使用。

4 基于N26接口的跨系統(tǒng)移動

5G建網(wǎng)初期，網(wǎng)絡覆蓋遠不如4G，當5G終端移動到覆蓋邊緣時，配置基于覆蓋的切換或重定向將5G終端遷移到4G網(wǎng)絡，保證終端在5G網(wǎng)絡弱覆蓋時的業(yè)務連續(xù)性；當終端移動到有5G網(wǎng)絡覆蓋的地方，配置基于覆蓋的切換或重定向將終端從4G網(wǎng)絡遷移到5G網(wǎng)絡，策略上傾向于將支持5G的終端快速遷移到5G網(wǎng)絡。

4/5G互操作設計原則：5G體驗優(yōu)于4G，則優(yōu)先駐留在5G；極邊緣用戶才轉移到4G，此時滿足4G體驗優(yōu)于5G；在4G始終嘗試轉移5G，只要5G體驗優(yōu)于4G，則實施遷移。

以下流程僅描述4/5G互操作引入的變化部分，對于5GC通用業(yè)務交互，本文不再贅述。

4.1 連接態(tài)5G跨系統(tǒng)移動到4G的流程

NR覆蓋不連續(xù)，Source NR-RAN檢測到用戶需要切換到Target E-UTRAN，則發(fā)送Handover Required消息給Source AMF，攜帶Handover Type、Target ID、Source To Target transparent container等信息。切換或重定向到4G小區(qū)，保障業(yè)務的連續(xù)性。

最后Source AMF下發(fā)UE Context Release Command給Source NR-RAN。UE執(zhí)行切換并駐留在E-UTRAN上以建立承載，gNodeB刪除UE上下文，切換完成。

4.2 連接態(tài)4G跨系統(tǒng)移動到5G的流程

基于業(yè)務需要或者覆蓋不連續(xù)，Source E-UTRAN檢測到用戶需要切換到Target NR-RAN，則發(fā)送Handover Required給Source MME，攜帶Handover Type、Target ID以及Source to Target Transparent Container等信息。切換或重定向到5G小區(qū)，保障業(yè)務的連續(xù)性，提升用戶的NR高速率體驗。

最后Source MME下發(fā)UE Context Release Command給Source E-UTRAN。UE向目標小區(qū)發(fā)起隨機接入流程，然后駐留在目標小區(qū)上。

4.3 空閑態(tài)5G跨系統(tǒng)移動到4G的流程

UE檢測到需要移動到4G系統(tǒng)，比如進入4G小區(qū)，則發(fā)送TAU Request消息給Target MME，攜帶5G GUTI映射的EPS GUTI、指示UE從5G移入的UE Status等信息。

Target MME根據(jù)映射的EPS GUTI查詢得到Source AMF地址，發(fā)送Context Request消息給Source AMF，攜帶映射的EPS GUTI、Complete TAU Request等。

4.4 空閑態(tài)4G跨系統(tǒng)移動到5G的流程

UE檢測到需要切換到5G系統(tǒng)，則發(fā)送Registration Request給Target AMF，攜帶映射的5G GUTI、指示UE從EPC接入的UE Status、TAU請求等信息。

Target AMF根據(jù)映射的5G GUTI查詢得到Source MME地址，發(fā)送Context Request，攜帶GUTI、Complete TAU Request等信息。

結束語：在5G時代，4G網(wǎng)絡與5G網(wǎng)絡有一個較長的并存期。在4/5G并存期，5G與現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡順利銜接至關重要，即4/5G網(wǎng)絡間的互操作是非常重要的，用戶在5GC和EPC間的互操作，可以保證用戶在5G網(wǎng)絡和4G網(wǎng)絡之間移動和切換時業(yè)務的連續(xù)性不受影響，從而有效地提升用戶的使用體驗。