提升物聯網UDM/HSS容量實開率解決方案研究

李晟宇，陳 飛，平軍磊，江曉筠（.中訊郵電咨詢設計院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007；.中國聯通河南分公司，河南鄭州 450003）

0 前言

作為5G網絡的重要應用，從2019年到2020年，物聯網應用持續增長，使用物聯網技術的企業由85%增加至90%。各國物聯網應用比例也越來越大，其中德國、中國、美國、法國的物聯網應用比例較高，分別為94%、92%、92%、92%。

受物聯網業務固有特點影響，當前物聯網業務主要以客戶為單位一次性批量開戶。以某運營商為例，客戶業務發展不及預期且客戶終端實際分階段入網，導致HSS 實際激活用戶比例較低（低于20%），造成投資浪費。結合目前物聯網業務的發展趨勢，新增連接數每年以億為單位增加，因此在5G SA 建設初期，針對在5G 2B UDM/HSS 融合網元開戶的業務流程進行優化、提升UDM/HSS容量的實開率顯得尤為重要。

1 現有業務開通模式概述

1.1 物聯網開卡模式

物聯網現有業務開卡模式是批量將用戶數據一次性寫入HSS/UDM。具體開卡流程如圖1所示。

物聯網用戶簽約后設置計費寬限期，一般為1～2年。計費寬限期到達后會自動激活，如果客戶沒有特殊的要求，該卡不會銷戶。這也是造成UDM/HSS實開率低的重要原因之一。

圖1 物聯網現有業務開卡模式

1.2 FE Relay

由FE 內置Relay 功能，FE 可根據其UDR 中用戶數據的記錄情況自動構建用戶的路由信息，將未開通5G 業務的2G/3G/4G 業務請求路由給現網HSS 處理，同時也可通過Relay鑒權消息，解決用戶開通5G時，受理系統無法從現網HSS 遷移鑒權信息的難點。HSS FE Relay方案如圖2所示。

圖2 HSS FE Relay方案

FE Relay具體方案如下：

a）部署融合HSS/UDM，同時提供傳統的2G/3G/4G/5G的業務能力以及5G的接口。

b）現網用戶（HSS/HLR 中用戶）簽約5G 業務時，由營賬系統下發指令攜帶全量簽約數據，完成存量用戶的5G業務簽約。

c）由現網FE Relay 將已遷移用戶信令路由至目標UDM。

d）大區中心UDR/HSS BE 存儲2G/3G/4G/5G 融合用戶，現有HSS/HLR BE存儲非5G用戶。

e）UDM/HSS FE 部署在不少于2 個DC 上，業務負荷分擔，UDR用戶數據1+1互備。

f）隨著5G 業務的發展，云化融合HSS/UDM 逐漸擴容接管傳統HSS 業務，基于ATCA 架構的HSS 設備逐步退網。

2 整體解決方案及開通流程分析

基于物聯網卡現有開通模式，某運營商前期制定了FE Relay 方案和SA 自動開通方案。建議物聯網簽約開戶流量優化如下。

a）初次開戶僅在BSS 側（即Jasper 平臺或物聯網自建平臺）進行簽約，BSS 側存儲用戶簽約信息，不寫入UDM/HSS。

b）UDM/HSS 初始無該用戶鑒權數據，不判斷用戶簽約類型（3G/4G/5G），按標準信令流程響應終端接入鑒權請求。

c）用戶首次登網時鑒權失敗，通過新增中間系統觸發自動開通，中間系統通知BSS 將用戶簽約數據寫入UDM/HSS（基于IMSI號碼）。

d）BSS 收到開通請求后檢索用戶是否存在，若存在，將用戶簽約數據全量寫入UDM/HSS，若不存在拒絕開通請求。

e）終端NAS接入失敗定時器超時后，自動嘗試重新接入，或客戶手動重啟設備后終端接入注冊成功。

對BSS的要求：

a）首次開戶簽約指令不下發UDM。

b）BSS 側記錄用戶開戶狀態：已在UDM/HSS 開戶、未在UDM/HSS開戶。

c）BSS收到開通請求基于IMSI進行用戶檢索：

（a）若用戶不存在則丟棄該請求，并回復開通拒絕。

（b）若用戶存在且未在UDM/HSS 開戶，執行新用戶開戶流程，并回復開通確認。

（c）假設2B 推廣SA 自動開通業務，若用戶存在，但僅在UDM/HSS 開通3G/4G 業務，則執行標準SA 自動開通流程，并回復開通確認。

（d）如用戶存在，且已在UDM/HSS 開戶則丟棄該請求，并回復開通拒絕。

3 自動開通系統實現方案分析

3.1 基于FE Relay重定向的自動開通方案

該方案通過新增自動開通系統模擬一個HSS 信令點，UDM/HSS 開通FE Relay 功能，配置目的指向為自動開通系統。自動開通系統根據消息中的IMSI 構造開通請求消息（IMSI+開通請求類型），向BSS發起用戶開通請求。該方案的前置條件為：自動開通系統構建本地數據庫，基于IMSI 存儲自動開通請求記錄，并定期清零（如以24 h為周期）。基于FE Relay重定向自動開通方案如圖3所示。

圖3 基于FE Relay重定向自動開通方案

3.1.1 2B禁止SA自動開通場景下業務流程

a）UDM/HSS收到鑒權請求后，發現無用戶鑒權數據，基于FR功能將請求信息轉發至自動開通系統。

b）自動開通系統根據信令消息中的IMSI 字段檢索本地數據庫，如無記錄則根據IMSI字段構造開通請求信息，向BSS 發送開通請求，如IMSI 在本地數據庫已存在，則丟棄該消息。

c）自動開通系統模擬UDM/HSS 向SGSN、MME 下發接入失敗消息。

d）BSS 基于IMSI 信息檢索后，發起用戶開戶流程，并向自動開通系統回復確認消息。

e）SGSN、MME 基于HSS/HLR 返回的接入失敗消息，映射NAS接入失敗原因值，然后下發終端。

f）終端NAS 接入失敗定時器超時后，自動嘗試重新接入。或客戶手動重啟設備后終端接入注冊成功。

3.1.2 2B允許SA自動開通場景下業務流程

a）3G/4G 接入流程。與禁止SA 自動開通場景下業務流程相同。

b）5G接入流程如下。

（a）UDM 開啟自動開通功能開關，收到鑒權請求后，發現無用戶鑒權數據，向AMF 回復“403 Forbid?den”，并向新增自動開通系統發起SA自動開通請求。

（b）自動開通系統根據信令消息中的IMSI 字段檢索本地數據庫，如無記錄則根據IMSI字段構造開通請求信息，向BSS 發送開通請求，如IMSI 在本地數據庫已存在，則丟棄該消息。

（c）BSS 基于IMSI 信息檢索后，發起用戶開戶流程，并向UDM回復確認消息。

（d）AMF基于UDM回復消息映射#27 NAS失敗原因值，然后下發終端。

（e）終端NAS 接入失敗定時器超時后，自動嘗試重新接入，或客戶手動重啟設備后終端接入注冊成功。

3.1.3 UDM功能要求

a）UDM/HSS 融合網元需支持FR 功能（3G/4G 接入的FR功能）。

b）若2B 業務采用SA 反向自動開通策略，則UDM/HSS融合網元需支持SA反向自動開通功能。

c）若2B 業務不采用SA 反向自動開通策略，則UDM/HSS融合網元需支持SA接入的FR功能。

3.2 基于DPI檢測的自動開通方案

該方案通過UDM/HSS 不開啟FR 功能，正常響應用戶鑒權請求。新增DPI 采集系統，對UDM/HSS 的C接口、Gr 接口、S6a、SBI 接口進行信令采集分析，實時發現UDM/HSS下發的鑒權失敗消息，進而由自動開通系統根據消息中的IMSI 構造開通請求，向BSS 發起用戶開通請求。基于DPI 檢測的自動開通方案如圖4 所示。

圖4 基于DPI檢測的自動開通方案

3.2.1 2B禁止SA自動開通場景下業務流程

在傳統的英語教學方式中，都是比較被動的教授與灌輸式教學，導致教學效果不盡人意。現在通過激情教學法，使老師與學生都沉浸在教學的樂趣之中，從而達到教學的目標。在這個過程中，需要老師充分發揮自身的魅力，用自身對于課堂和學生的熱愛，感染和帶動學生。這樣不僅僅能有助于課堂的氛圍的提升、也有助于教學的質量的提升。

a）自動開通系統構建本地數據庫，基于IMSI存儲自動開通請求記錄，并定期清零（建議以24 h 為周期）。

b）UDM/HSS 收到鑒權請求后，發現無用戶鑒權數據，按正常信令流程向MSC、SGSN、MME 或AMF 回復鑒權拒絕消息。

c）DPI 采集模塊發現鑒權失敗消息，將完整信令消息解析轉發至自動開通系統。

d）自動開通系統根據信令消息中的IMSI 字段檢索本地數據庫，如無記錄則根據IMSI字段構造開通請求信息，向BSS 發送開通請求，如IMSI 在本地數據庫已存在，則丟棄該消息。

e）BSS 基于IMSI 信息檢索后，發起用戶開戶流程，并向自動開通系統回復確認消息。

f）MSC、SGSN 或MME 基于HSS/HLR 返回的接入失敗消息，映射NAS接入失敗原因值，然后下發終端。

3.2.2 2B允許SA自動開通場景下業務流程

a）3G/4G 接入流程。同禁止SA 自動開通場景下業務流程。

b）5G接入流程。采用現有SA自動開通流程實現自動開戶。

3.3 2種自動開通方案對比

從現有網絡改造、BSS 改造需求、開通效率等角度對上述2種方案進行對比分析，如表1所示。

表1 基于FE Relay重定向和基于DPI檢測

4 輔助解決方案建議

4.1 開發物聯網業務開戶輕量化APP或手廳入口

為盡量降低開通邏輯改變給用戶業務帶來的影響，建議為客戶提供便捷入口，輸入少量信息即可實現按時、按需開戶。如在手機營業廳增加入口或開發輕量化APP，客戶需要批量開卡時可以輸入前期已購號段的起止號碼信息即可按合同約定申請實時開戶，手機營業廳或定制APP 將開通請求消息發給Jasper或物聯網自建平臺，由Jasper 或物聯網自建平臺發起實時開戶操作。

4.2 提供物聯網終端重啟友好提醒

考慮到物聯網終端模組的不確定性，部分終端無法響應標準NAS 失敗原因值，即存在部分終端不能按照方案設想在預定時間后重新發起注冊請求，建議物聯網業務推廣時友好提醒客戶：如終端初始開機無法接入網絡，請于XX分鐘后重啟。

4.3 MME、AMF局數據調整

考慮自動開通時延后，為使終端能盡快發起重附著/注冊，建議MME、AMF 收到UDM/HSS 返回的鑒權拒絕消息后，統一映射NAS 失敗原因值（具體原因值需進一步調研分析），下發給終端，使終端能在數分鐘后重新發起附著/注冊請求。

5 總結

本文對物聯網UDM/HSS 容量實開率較低的問題進行了詳細的分析，針對5G 2B UDM/HSS 融合網元開戶的業務流程進行優化，提出了基于FE Relay 重定向和DPI 檢測的自動開通方案，并提供了輔助的解決方案，可有效提升UDM/HSS 的容量實開率，從而有效地提升了UDM/HSS的投資效益。