5G雙域專網中4G/5G互操作優化策略研究

謝 剛

(中國移動通信集團上海有限公司,上海 201206)

0 引言

隨著5G時代的到來,2023年上海移動加快5G雙域專網的部署,滿足了行業用戶同時訪問內網和互聯網的需求,打開了面向行業和用戶(to Business to Consumer,2B2C)融合服務的商業新模式,實現了2B、2C業務相互拉動[1]。5G雙域專網為高校在線教學、科研工作提供了安全可靠的無線高帶寬通信保障。目前,上海移動已開通同濟大學、上海大學等多所高校的5G雙域專網業務,教師及學生使用5G終端接入5G網絡訪問互聯網和校園內網。由于5G無線覆蓋存在弱覆蓋區域,需要部署4/5G互操作以保障上網業務的連續性。當終端在4G和5G之間切換,就會發起4G/5G互操作流程。上海移動4G/5G網絡實行融合運營方式,疊加了5G雙域專網后,在實際運營過程中會出現問題。本文主要剖析出現問題的根源,提出解決上海移動4G/5G互操作問題的優化策略。

1 5G雙域專網中4G/5G互操作概述

5G雙域專網基于5G技術和網絡架構,劃分用戶網絡為公共域網絡和私有域網絡。如圖1所示為5G雙域專網結構[2],用戶設備(User Equipment,UE)通過接入網絡(Access Network,AN)接入網絡,接入與移動管理功能(Access and Mobility Management Function,AMF)負責UE的接入注冊、移動管理,會話管理功能(Session Management Function,SMF)負責UE的會話管理,用戶平面功能(User Plane Function,UPF)負責UE的流量轉發。在 UE的會話中,插入一個上行鏈路分類器(Uplink Classifier,ULCL)UPF 作為分流器,將 UPF 下沉到網絡邊緣以減少路由迂回,采用ULCL對業務進行本地分流[3]。本地流量經過副錨點UPF(PDU Session Anchor 2)接入私有域數據網絡(Data Network,DN),互聯網流量經過主錨點UPF(PDU Session Anchor 1)接入公共域DN。

上海移動5G雙域專網采用上文2B2C UPF ULCL技術實現。校園用戶5G簽約校園專用數據網絡名(Data Network Name,DNN),4G簽約CMNET通用接入點名(Access Point Name,APN)。校園用戶接入5G上網時網絡為用戶隨機分配AMF,為用戶指定分配SMF和UPF,用戶使用專用DNN接入互聯網和校園網。當5G無線弱覆蓋時,用戶從5G回落到4G使用業務,5G無線覆蓋恢復時又從4G回到5G使用業務。用戶在5G和4G之間來回切換網絡,需要用到4G/5G互操作。如圖2所示為5G雙域專網的4G/5G互操作[2]。

圖2 4G/5G互操作

5G雙域專網和4G公用簽約數據庫HSS+UDM,AMF和MME之間通過N26接口交互用戶上下文等信令消息?；贜26接口的系統間切換,可用于為用戶提供連續性無縫切換的業務。用戶UE從4G網絡接入時,UE與PGW-U之間的用戶面控制消息通過E-UTRAN、MME、SGW、SMF+PGW-C連接交互。用戶UE從5G網絡接入時,UE與UPF之間的用戶面控制消息通過NG-RAN、AMF、SMF+PGW-C連接交互。

2 5G雙域專網中4G/5G互操作分析

5G雙域專網用戶采用單注冊方式,在這種方式下,手機注冊在4G或者5G核心網上,4G網絡與5G網絡之間互操作包括UE從4G到5G的注冊更新(4G到5G的Handover不部署)、UE從5G到4G的TAU、UE從5G到4G的Handover。

2.1 5G到4G的TAU

當5G雙域專網用戶UE在5G核心網狀態為連接管理狀態空閑(Connection Management IDLE, CM-IDLE),UE移動到4G網絡下,UE會發生TAU流程。

用戶UE向MME發起TAU請求,MME通過N26接口從AMF獲取用戶上下文。MME根據獲取的上下文,創建承載上下文,完成TAU。由于用戶4G簽約的APN為CMNET,5G簽約的DNN為專用DNN。當MME從AMF獲取攜帶專用DNN名字的上下文,在4G就創建了專用DNN為名字的承載。后續的Update Location流程中MME從UDM取攜帶CMNET APN的簽約數據但是不再判斷用戶已創建的承載上下文是否合法,因此用戶在4G使用5G專用DNN名字的APN接入網絡,即用戶用未簽約的APN接入4G,直接導致BOSS系統對計費話單的丟棄,給運營商造成損失。

當用戶TAU到4G后,一段時間不活動,拆除上下文后,UE再發起業務時,恢復正常的CMNET承載接入4G。

2.2 4G到5G的注冊更新

5G雙域專網用戶UE在4G核心網中的用戶狀態為EPS連接管理狀態空閑(EPS Connection Management IDLE, ECM-IDLE),移動到5G網絡,進行5G移動注冊更新。

當用戶UE發起的注冊更新請求消息中不攜帶上行數據狀態(Uplink Data Status)時,AMF在注冊更新流程中,不為用戶接續PDU會話,注冊完成后,即拆除N2接口(UE與AMF接口)。用戶重新發起業務,通過服務請求流程接續會話,服務請求流程中AMF下發隧道端點標識(Tunnel Endpoint IDentifier,TEID)后,SMF可以正常下發給ULCL UPF分配用戶面資源。

當用戶UE發起的注冊更新請求消息中攜帶上行數據狀態(Uplink Data Status)時,AMF在注冊過程中為用戶接續PDU會話,注冊更新流程疊加ULCL UPF插入。AMF將N3接口(AN與UPF接口)下行GTPU TEID信息傳遞給SMF,SMF再發給分配N3口用戶面資源;SMF通過N4接口(SMF與UPF接口)給主副錨點下發PDU創建指令,導通主副錨點UPF的N6口(UPF與公共域互聯網DN、私有域校園網DN接口)連接。

2.3 5G到4G的Handover

當UE在5G中處于CM-CONNECTED狀態,UE移動到EPC網絡下,則發生5G到4G的切換。Source AMF根據Target TAI向DNS查詢并選擇Target MME,AMF將UE上下文轉發給選定的MME?；贜26接口的5G到4G的互操作流程實現無縫切換,將數據從5G的傳輸通道切換到4G傳輸通道。當切換流程成功完成后,UE執行TAU流程,完成UE在目標4G中的注冊。

由于用戶在4G簽約的APN和5G簽約的DNN名字不一致,用戶從5G切到4G后,仍舊使用5G DNN名字的APN建立PDN承載接入4G網絡,會導致計費錯誤。。

3 5G雙域專網中5G和4G互操作的策略優化

從上海移動5G雙域專網網絡中的3種5G和4G互操作分析結果看,5G雙域專網用戶處于CM-IDLE狀態從5G TAU到4G,使用5G專用DNN名字的APN接入網絡,導致計費錯誤;5G雙域專網用戶UE在5G核心網中的用戶狀態為CONNECTED狀態,切換到4G網絡,切換完成后執行4G TAU流程,也采用與5G DNN名字的APN建立PDN承載接入4G網絡,導致計費錯誤。優化策略有2種,一是雙域專網用戶從5G TAU到4G后,4G核心網中的MME立即激活用戶的PDN;5G雙域專網用戶完成5G到4G的切換,進行TAU后,MME立即激活用戶的PDN。用戶后續發起業務時,重新建立APN為CMNET的PDN承載,接入4G網絡訪問互聯網。二是5G雙域專網用戶的4G APN簽約更改為與5G專網DNN名字相同的APN,5G雙域專網用戶處于CM-IDLE狀態從5G TAU到4G,仍舊采用5G DNN相同的名字相同的APN訪問互聯網,保證計費的連續性。這種修改涉及4G全網DNS、PGW接入點數據修改,數據量巨大,而5G DNN只針對省內有效,省外修改4G DNS、PGW接入點不合適。所以,比較策略一和策略二的可行性,策略一比較有效,目前已經在上海移動核心網絡部署,效果較好。

4 結語

5G技術快速發展,行業用戶數量快速增長,5G雙域專網迎來快速發展期。上海移動5G雙域專網采用2B2C UPF ULCL技術實現。由于在建網初期5G無線覆蓋存在弱覆蓋區域,需要部署4/5G互操作保障上網業務連續性。上海移動5G雙域專網4G/5G互操作包含5G到4G的TAU、4G到5G的注冊更新、5G到4G的Handover 3種情況。5G到4G的TAU互操作由于用戶4G簽約的APN和5G簽約的DNN名字不一致,導致UE到4G后出現承載、計費錯誤,本文提出的UE從5G TAU到4G后立即重建用戶面承載的優化策略解決了此問題,具有一定創新性。5G雙域專網的4G/5G互操作比較新穎,在疊加到本地網絡運營時可能會遇到各種問題,本文研究內容及成果可供開展類似業務的運營商借鑒。

5G時代已經到來,采用4G/5G互操作策略的5G雙域專網能更好地為行業用戶提供業務體驗。