5GC中SMF/UPF融合SGW方案研究與實踐

史鵬利 張軍霞

【摘? 要】 針對5GC當中SMF/UPF融合EPC網絡當中的SGW方案進行研究論證，并在某運營商現網進行改造實踐，文章詳細闡述了融合改造過程中的網絡和業務流程變化、關鍵技術、改造細節以及注意事項等，能較好地指導各省開展現網5GC中SMF/UPF融合SGW的改造活動，具備較高的推廣價值。

【關鍵詞】 5GC；EPC；SMF/UPF；SGW；網絡通信

一、5GC中SMF/UPF融合SGW方案研究背景

為服務5G SA移動用戶和業務，國內電信運營商目前都建設了獨立的5G SA網絡，由于現網移動用戶全面“遷轉”為5G SA用戶需要終端、網絡、業務3個方面協同推進，注定會是一個相當漫長的過程。現階段，對運營商來說就會存在2張移動核心網（5GC和EPC）“共存”的局面：5GC主要承載UDM簽約5G且終端和無線網絡都支持5G SA的移動用戶，EPC主要承載UDM或HSS簽約非5G網絡的移動用戶；對簽約了5G功能且終端也支持5G的用戶，當其所處無線區域沒有5G網絡覆蓋時，根據目前的業務流程，其業務則需要由5GC和EPC“共同”承載。

現階段，電信運營商5G SA網絡覆蓋還不完善，相比4G網絡還有不小的差距，另外5G SA終端也并未實現大規模普及，據不完全統計，現網中4G終端的占比仍然占到絕大多數，電信運營商即便可以通過“批量開通”或“反向開通”的方式把“終端支持5G SA網絡”的移動用戶“遷轉”到UMD中（簽約為5G用戶），但是由于5G SA網絡覆蓋的不完善，5G用戶還是經常會駐留在4G網絡上。這樣一來，這些場景下的移動用戶業務流程就會“跨越”EPC和5GC網絡的2張核心網，不僅用戶轉發面路徑會變得相對“冗長”，而且還會造成2張核心網之間流量的“迂回”并導致承載網絡出現“瓶頸”，新發展5G用戶不僅需要考慮5GC的容量，還需要EPC網絡針對SGW網元和IP承載網規劃新增5G用戶容量，造成投資或資源的浪費。

因此，研究5GC中SMF/UPF融合EPC網絡中SGW方案并盡快實施就顯得尤為重要和迫切。

二、SMF/UPF融合SGW功能網絡改造方案與關鍵點

3GPP協議規范對5GC向下兼容4G業務是做了定義的，因此從理論上來講5GC中SMF/UPF融合EPC網絡中的SGW是可行的，實際改造過程中主要的任務就是4G網絡（主要是eNodeB）和5GC之間“路由互通”，另外還有EPC網絡當中DNS的策略配置以及MME“優選融合SMF/SGW/PGW”機制功能的開啟。下面先介紹現網4/5G用戶接入5GC組網演進（改造）方案

（一）5GC網元SMF/UPF融合SGW功能改造前后網絡及業務變化

1.改造前：5G用戶在4G區域通過EPC網絡SGW接入5GC

5G用戶在4G網絡下，按照現網MME網元“IWK=1”的默認配置，5G用戶的用戶面數據會先通過EPC網絡的SGW，再經“IP承載網B網”達到5GC的UPF最后連接至Internet。從中也不難看出，如果現網當中，5G簽約用戶較多而5G網絡覆蓋不完善的話，SGW和UPF之間就需要“大幅擴容”，如果不能根據業務量落實投資及時擴容的話，這一段的承載網絡就會形成“瓶頸”從而影響用戶的上網速率。

2.改造后：5G用戶在4G區域通過4G基站直接接入5GC

改造前后，對“4G用戶4G網絡”“5G用戶5G網絡”這2類場景下業務流向無變化，但是對“5G用戶4G網絡”這類場景的業務流向就發生了明顯變化，即由改造前的“5G用戶在4G區域通過EPC網絡SGW接入5GC”變為改造后的“5G用戶在4G區域通過4G基站直接接入5GC”，其優勢也是顯而易見的：EPC網絡SGW無需再規劃或預留新增5G用戶容量，5G用戶轉發面路徑也大大縮短，用戶體驗也會變得更優。

（二）總體改造方案與關鍵點

改造方案從大的方面來說，包括3個方面或者說3項主要內容：

（1）eNodeB基站至5GC的網絡貫通；（2）省內2C DNS增加SMF/SGW查詢結果，指向融合SMF/SGW/PGW網元地址；（3）MME開啟合一優選融合SMF/SGW/PGW功能，使手機終端符合選擇融合SMF/SGW時，優選SMF/UPF融合的SGW網元。

表1列出了改造前后，5G用戶在4G網絡下查詢PGW、SGW以及MME選擇網關的對比情況。

具體來說：

1. eNodeB基站至5GC的網絡貫通

現網eNodeB基站是基于地市的IPRAN接入EPC核心網，5G基站gNB是基于智能城域網接入5GC核心網，為實現eNodeB基站至5GC的網絡貫通，就需要以地市為單位將IPRAN與智能城域網“打通”或者將eNodeB基站割接至智能城域網承載（智能城域網也與EPC互通）。

2. 省內2C DNS增加SMF/SGW查詢結果，指向融合SMF/SGW/PGW網元地址

改造預置條件為5G用戶已經在UDM簽約且IWK=1，即用戶選擇在SMF/PGW上激活。省內2C DNS改造需增加所有TAC（涉及改造區域的所有4G網絡TAC）到融合SMF/SGW List的查詢記錄（針對N記錄查詢），完成這個改造后，就能實現DNS向MME返回融合SMF/SGW/PGW網元地址的查詢功能。

3. MME開啟合一優選融合SMF/SGW/PGW功能

MME開啟合一優選融合SMF/SGW/PGW功能后，MME就能結合DNS返回的查詢結果，實現5G用戶4G網絡下優選SMF/UPF融合SGW網元的功能。

4. 改造后各網元查詢流程

（1）PGW選擇：5G回落4G用戶（iwk=1）根據APN向省份2C DNS查詢PGW，查詢到融合SMF/PGW。

（2）SGW選擇：MME根據TAC向省內2C DNS 查詢SGW，查詢到現網SGW和融合SMF/SGW。

（3）MME開啟合一優選，最終使5G用戶在4G網絡下選擇到融合SMF/SGW/PGW。

三、方案實施與效果評估

某省現網5GC當中UPF“下沉”地市的獨立業務區有4個地市，實際改造過程中，SMF/UPF融合SGW網元改造均以“地市”為單位逐一進行，邊改造、邊評估總結。

（一）改造方案實施過程

針對每個地市業務區的改造實施過程，大致可分為4部分工作或者說4項內容：

1. SMF網元配置SGW相關功能和IP地址，MME指定單用戶號碼至SMF測試業務，這一步主要驗證SMF網元配置SGW的功能是否已經正常，另外這一步還需要通過SGW的IP測試改造區域內全量eNodeB基站IP地址的連通性，確認S1-U接口路由可達。

2. 結算話單的計費驗證，由于5GC的計費網元只有CHF，消息計費、離線計費都由這個網元承擔，而且CHF沒有單獨的類似“漫游話單”生成目錄，因此SMF/UPF融合SGW網元改造就涉及結算話單的驗證，具體驗證需要使用省外用戶號碼進行業務測試驗證，并提供對應N40接口的SGW地址，計費部門可以據此將要驗證的話單篩選出來再與測試記錄核對，就能完成結算話單的驗證。

3. 單TAC區業務割接改造，先采用單TAC區割接，主要還是為了保障網絡安全，單TAC區的割接工作量主要是省內2C DNS上的數據指向。

4. 全域（單地市所有4G業務TAC）割接改造，有了前面的改造割接基礎，確認網絡指標無異常的情況下，就可以實施全域割接改造。

（二）方案實施效果評估

雄安新區、張家口、廊坊、唐山等有UPF“下沉”地市的業務區完成SMF/UPF融合SGW網元改造后，網絡指標都有明顯的變化，以張家口智能城域網至張家口IPRAN（改造后目標用戶數據業務流向）、張家口智能城域網至IP承載網B（改造前目標用戶數據業務流向）監測的改造前后數據業務流量變化為例來說明。

SMF/UPF融合SGW網元改造后，張家口智能城域網至張家口IPRAN的流量由改造前的9.10Gbps增長到21.00Gbps，5G用戶在4G網絡下直接接入5GC的比例大幅增長，而張家口智能城域網至IP承載網B的流量由改造前的19.60Gbps降到3.20Gbps，5G用戶在4G網絡下流量由EPC的SGW“繞行”IP承載網B網再接入5GC的流量大幅下降，這“一增一降”充分說明改造方案實施的成功。

四、總結及建議

某省5GC中SMF/UPF融合SGW方案在省內4個城市實施過程中，也發現了一些問題，比如非改造區域和改造區域之間的IPRAN和智能城域網之間“路由隔離”導致部分用戶接入失敗的問題、現網MME池組規劃和5GC UPF下沉地市區域“不重疊”導致的邊界用戶接入失敗的問題等，這些都需要在后期的網絡優化中進行考慮和解決。

（一）非改造區域和改造區域之間的IPRAN和智能城域網之間“路由隔離”導致部分用戶接入失敗的問題

由于現網地市之間的IPRAN或智能城域網均是相互獨立的，彼此之間的“路由”不能互通，也就是說A市的IPRAN不能和B市的IPRAN直接互通，二者之間的業務互通需要通過第3方的網絡（比如省會城市的城域網），這就給SMF/UPF融合SGW過程中帶來不小的困難。

比如，按照省政府新劃定的行政區劃，某省保定市高陽縣龍化鎮的幾個村莊劃歸到雄安新區，由于這幾個村莊原屬于保定IPRAN“管轄”范圍，和雄安新區的IPRAN互相獨立，雄安新區SMF/UPF融合SGW過程中，DNS上將這片區域的TAC作了指向，但是其IPRAN和5GC之間的路由不通，導致改造后高陽與雄安邊界區域出現集中性投訴，原因即這片區域的4G基站與雄安新區的5GC路由不通，后期將這片區域的TAC改為屬于保定區劃的TAC暫時規避了這個問題。

（二）現網MME池組規劃和5GC UPF下沉地市區域“不重疊”導致的邊界用戶接入失敗問題

EPC網絡組網是以“省會”為中心的組網模式，也即EPC核心網網元都部署在省會城市，eNodeB無線基站都部署在地市，這種組網在網絡路由規劃上，只需要保證地市基站和省會的EPC核心網之間路由通達就可以了，2個地市之間并不需要直接互通的路由。由于這一現狀的存在，當某地市完成SMF/UPF融合SGW改造后，與其相鄰的還未改造的地市就會出現“邊界”用戶接入改造后的融合SGW失敗的情況（MME優選成功，但是路由不通）。對這類問題，也需要通過認真規劃和梳理網絡路由來解決。

總體上來說，某省實施的全省5GC中SMF/UPF融合SGW的改造方案是一次有益的嘗試，通過這次改造，不僅節省了EPC和5GC“雙核心網”長期并存期內大量的建設投資，還極大地提升了5G用戶在5G覆蓋不完善區域的業務體驗。

參考文獻：

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