5G PCF融合數據組網方案研究

丁 毅 陳 釧 金建寧

中國移動通信集團江蘇有限公司

0 引言

運營商加快建設5G SA，一張全新的基于通用X86服務器的NFV網絡走上時代舞臺。與此同時，傳統的4G核心網仍然承載著大量的用戶業務，如何將兩張網絡的數據庫進行融合是運營商必須解決的一大難題。

站在用戶體驗的角度，不換卡不換號，僅更換終端就能讓用戶體驗5G的高速網絡，是提升用戶滿意度的一大措施。而4G時代的計費控制策略PCC（Policy Control and Charging）以及用戶數據如何與5G網絡有機融合是運營商面對的棘手問題，本文重點研究策略控制功能PCF（Policy Control Function）的融合數據組網方案，并分析相關解決方案的優缺點。

1 5G PCF融合數據組網

1.1 5G用戶數據演進

3GPP標準定義的用戶數據存儲架構采用計算和數據分離方式，結構化數據存儲管理架構包括：

（1）統一數據存儲UDR（unified data repository）：負責用戶數據存儲，包含通用數據管理UDM（Unified Data Management）、PCF策略數據、與NEF相關的結構化數據和應用數據。

（2）FE（front end，前端）：負責業務邏輯處理，包含UDM FE、PCF FE和NEF FE。

（3）UDM：可類比HSS FE，提供用戶簽約數據訪問、位置登記等功能。

（4）AUSF（Authentication Server Function）：提供鑒權認證功能，可與UDM合設。

（5）PCF：訪問UDR提供的策略數據。

（6）NEF（Network Exposure Function）：能力開放網元，訪問UDR提供的能力開放數據。

5GC中，UDR負責用戶數據的存儲，類似于4G傳統網元中的用戶數據庫SPR（Subscriber Profile Repository），可以為多種類型的FE（PCF、UDM、NEF）提供數據存儲服務。與4G不同的是，5GC中，PCF和UDR之間采用了服務化的HTTP/2協議的接口Nudr，實現對用戶數據的增、刪、改、查等操作。此外，UDR與運營商的業務支撐系統BOSS進行對接，同步用戶的簽約、業務訂購等策略數據信息，UDR結合業務支撐系統中的用戶信息制定相應策略。UDR與業務支撐系統之間的組網架構如圖1所示。

圖1 UDR/SPR與業務支撐系統之間的組網架構

4G和5G將在相當長的時間內共存，EPC與5GC會產生大量的互操作，4G向5G的平滑演進，必然要求PCRF和PCF的深度融合，在目標5GC網絡中，PCF兼做PCRF，成為融合的PCRF/PCF，在對外連接中，既需要繼承現網EPC的相關接口又需要增加5GC新的接口，融合PCRF/PCF接口名稱及協議見表1所示。

表1 融合PCRF/PCF接口名稱及協議

融合PCRF/PCF意味著4G SPR中的用戶數據需要全量遷移到5G UDR中，這種搬遷方案看似簡單，實際上需要提前準備好5G UDR的資源池，改造BOSS支持新的5G接口。如果是異廠家的搬遷，還會涉及到廠家數據庫私有格式的轉換等問題。此外，整體的搬遷還涉及到網絡安全問題，搬遷過程中的異常情況可能導致用戶數據的損壞，造成前后臺數據的不一致，影響用戶業務的使用。因此，必須考慮目標方案完成前的過渡方案，以保證在用戶不換卡、不換號的市場策略下，網絡能平滑演進。

1.2 組網方案

過渡方案的設計務必要保證用戶業務使用的連續性，也必須解決4/5G之間互操作的問題，在目前基于N26接口的互操作組網下，用戶終端僅需要單注冊即可實現用戶業務的無縫切換和會話的連續性。過渡方案為避免用戶數據的整體遷移，以全部新建PCF/UDR為前提，有兩種方案，分別是同廠家方案和異廠家方案。

1.2.1 組網方案一：同廠家新建

組網架構如圖2所示。組網圖中的網元由如下部分構成：

圖2 同廠家組網架構

（1）PCF/UDR：新建網元，與PCRF/SPR同廠家。作為5GC網絡中的策略控制節點，當用戶從5GC接入時，可以對外提供基于承載/業務的接入控制、QoS控制、計費控制以及EPSFB等業務策略。PCF對外主要提供Rx、N7、N15、Nnrf、短信網關接口等接口與周邊節點進行互通，進而提供策略的分析、決策以及下發。UDR存儲5GC用戶策略數據，涉及內部接口Nudr、與BOSS的SOAP接口。

（2）PCRF/SPR：作為EPC網絡中的策略控制節點，當用戶從EPC接入時可以對外提供基于承載/業務的門限控制、QoS控制、計費控制等業務策略。PCRF對外主要提供Gx、Rx、短信網關接口等接口與周邊節點進行互通，進而提供策略的分析、決策以及下發。SPR存儲EPC用戶策略數據，涉及內部接口Sp、與BOSS的SOAP接口。

（3）BOSS：運營商運營業務支撐系統，采用SOAP協議，負責與UDR/SPR進行業務數據的交互，例如開戶數據、策略數據、用戶狀態。

（4）融合短消息網關：5G中提供融合短消息服務。

（5）短信網關：4G中提供短信服務。

（6）AF：應用功能，主要對IP-CAN（IP-Connectivity Access Network，IP連接訪問網絡）會話進行動態策略控制。AF通過Rx接口與PCRF關聯動態會話信息。常見的應用業務單元如VoLTE中的P-CSCF。

該方案新建虛擬化PCF/UDR節點，與現網分PCRF/SPR對外呈現為1個二融合PCF/UDR/PCRF/SPR設備整體，無需割接原SPR中的數據到新建的UDR中，實現現有手機用戶不換卡不換號使用5G SA。新建節點各接口通過IP承載網承載，SPR與UDR之間采用同廠家Ud接口通信。

該方案對現網的改造要求如下：現網PCRF/SPR升級改造支持與新建PCF/UDR同廠家混合組網?，F網SPR與新建UDR綜合設置為UDR/SPR。現網PCRF與新建PCF綜合設置為PCF/PCRF。現網的PCRF、SPR與相應的新建節點通過IP承載網實現互通。BOSS開通接口統一遷移到UDR，不再指向現網SPR。對于5G用戶策略控制，其策略控制由BOSS直接在PCF/ UDR上實現，對于PCRF/ SPR負責的4G用戶策略控制，采用UDR內部接口轉接至SPR的方式。

業務流程如下：

場景一：4G用戶策略數據簽約開通，如圖3所示。

圖3 4G用戶策略數據簽約開通

（1）BOSS下發命令到對應UDR，若是開戶則下發addSubscriber命令中不攜帶“Usr5GStatus”參數；若是策略開通則下發簽約命令subscribeService/ subscribeUsrSessionPolicy。

（2）UDR判斷無用戶數據，將BOSS命令轉發至SPR。

（3）SPR完成業務開通/簽約。

場景二：新開5G用戶策略數據簽約開通，如圖4所示。

圖4 新開5G用戶策略數據簽約開通

（1）BOSS下發命令到對應UDR，若是開戶則下發addSubscriber命令中攜帶“Usr5GStatus”參數；若是策略開通則下發簽約命令subscribeService/ subscribeUsrSessionPolicy。

（2）UDR判斷為5G用戶，完成業務開通/簽約。

場景三：存量4G用戶開通5G策略數據業務簽約，如圖5所示。

圖5 存量4G用戶開通5G策略數據業務簽約

（1）BOSS下發命令到對應UDR，若是策略開通，需先進行5G開戶addSubscriber命令，其中攜帶“Usr5GStatus”參數；再下發切片和UE策略簽約命令addSnssaiTemplateID/ addUePolicyTemplateID。

（2）UDR與對應SPR配合將用戶數據從SPR遷移到UDR。

（3）UDR完成5G切片和UE策略開通。

上述場景都需要在UDR中配置號段信息，將存量號段信息指向SPR，新增號段信息指向UDR。以場景三為例，若開通用戶號段為存量號段，UDR查詢用戶是否在本地存在，若存在即UDR處理BOSS指令；若不存在，查詢SPR內是否有用戶數據，若有則用戶策略數據遷移至UDR內并開通切片和UE策略；若SPR內無用戶數據，UDR返回錯誤碼給BOSS，提示開通操作無效。若開通用戶號段為新號段，UDR直接查詢用戶在本地是否存在，若存在即UDR處理BOSS指令；若不存在，UDR返回錯誤碼給BOSS，提示開通操作無效。

除了BOSS指令觸發的遷移，還有一種基于同廠家SPR/UDR私有接口的用戶業務流程觸發的遷移，其流程如下：

場景：4G存量用戶初次更換5G終端接入網絡，簽約數據存儲在SPR。

（1）用戶上線，通過AN--＞AMF--＞SMF N7接口從5G設備接入網絡。

（2）PCF向UDR發送請求，用于獲取用戶簽約數據。

（3）UDR查詢未發現用戶數據，查詢SPR中有數據，觸發數據遷移至UDR。

（4）UDR返回PCF用戶的策略信息。

上述流程并不涉及BOSS的參與，完全由用戶的業務流程觸發了數據的遷移，是一種基于用戶流程的單用戶數據搬遷的方式。但UDR僅支持配置上述兩種方式的其中一種，因此建議在5G網絡初期采用BOSS觸發遷移方式，后期采用用戶業務流程觸發遷移的方式。

該方案通過兩種數據遷移的方式，穩健地將SPR的用戶數據逐個遷移到UDR中，減少了整體搬遷帶來的對現網的影響，也降低了數據不一致性的風險。

該方案的缺點在于必須與4G的PCRF/SPR同廠家，在設備的采購上受到了約束。此外，由于5G的NFV特點，底層的設備廠家有可能與上層的應用廠家不是一家，存在三層解耦帶來的網絡部署風險。

1.2.2 組網方案二：異廠家雙發方案

組網架構如圖6所示。組網圖中的架構總體與同廠家方案類似，區別在于新建的PCF/UDR與PCRF/SPR是異廠家，且BOSS的開通接口也要與UDR對接，形成UDR/SPR兩邊同時發送指令的架構。

圖6 異廠家雙發方案組網圖

該方案對現網的改造要求如下：BOSS系統同時連接SPR和UDR，支持雙開，并保證兩邊數據的一致性、有效性、實時性。PCF建立和AMF/SMF等網元的連接（HTTP）。PCF建立和原有4G信令網絡的連接（Diameter）。BOSS將5G用戶（包括新開5G、4G升5G用戶）開通到UDR，同時在SPR上保留用戶的4G策略數據。同時針對5G用戶的后續BOSS指令需要同時向UDR和SRP進行發送，保證UDR和SPR上的策略數據一致性。用戶無論是尋址到PCRF，還是尋址到PCF，保證都能獲取到相同的簽約策略。

業務流程如下：

場景一：存量4G用戶簽約4G業務，如圖7所示。

圖7 存量4G用戶簽約4G業務

（1）BOSS下發簽約命令subscribeService/ subscribeUsrSessionPolicy到SPR。

（2）SPR完成用戶業務簽約。

場景二：新開5G用戶策略數據簽約開通，如圖8所示。

圖8 新開5G用戶策略數據簽約開通

（1）BOSS下發開戶命令到SPR和UDR。下發到SPR的addSubscriber命令不攜帶“Usr5GStatus”參數；下發到UDR的addSubscriber命令中“Usr5GStatus”參數取值為“1”。BOSS下發簽約命令subscribe Service/subscribe Usr Session Policy到SPR和UDR。

（2）SPR和UDR完成用戶開戶和業務簽約。

場景三：存量4G用戶開通5G策略數據業務簽約，如圖9所示。

圖9 存量4G用戶開通5G策略數據業務簽約

（1）BOSS判斷是4G用戶開5G，將用戶在SPR上的開戶信息通過addSubscriber命令全部重新下發給UDR，其中addSubscriber命令中“Usr5GStatus”參數取值為“1”。

（2）UDR完成命令執行，并返回響應。

（3）將用戶在SPR上的全部簽約信息通過subscribe Service/ subscribe Usr Session Policy命令全部重新下發給UDR。

（4）UDR完成命令執行，并返回響應。

雙發方案不存在BOSS觸發遷移的流程，由BOSS發送相應指令來實現用戶數據從SPR到UDR的同步，由于是異廠家組網，無法實現基于用戶業務觸發的遷移。

該方案完全依賴BOSS的能力實現用戶數據從SPR到UDR的遷移，難點在于如何將SPR原有的用戶數據完整準確的遷移到UDR，對BOSS的能力要求非常高，存在BOSS數據庫與UDR數據庫中用戶數據不一致的風險。該方案的優點是可以根據虛擬層的廠家選擇相同的應用層PCF/UDR廠家，避免三層解耦存在的兼容性問題。

分析梳理了兩種方案的特點，如表2所示。

表2 兩種方案比較

方案 BOSS改造 搬遷方式 商務 對現網影響異廠家雙發復雜，同時發送至UDR和SPR無需搬遷?？筛鶕摂M層廠家靈活選擇廠家較小，UDR/SPR兩份數據庫互不影響

根據方案的特點，應全方位多角度綜合各類因素選擇方案，在BOSS能力足夠強的情況下，5G初期建議采用異廠家雙發方案，能大大降低對于現網的影響，而靈活的選擇廠家可以盡可能地避免與虛擬層的解耦，降低異廠家適配的兼容性問題。

2 結束語

5G SA商用，作為5GC的重要一環，4G的用戶策略數據向5GC平滑演進是重點研究的方向。本研究基于現網EPC的情況及5GC的組網需求，重點研究了PCF融合數據的兩種實現方案，在實際選擇方案時應綜合考慮原有4G設備情況、5G商務合同、廠商設備功能、周邊網元改造要求，結合兩種方案的優缺點統籌決策。