5G UPF與固網BNG的融合思路、方案及實踐

摘要：移動回傳的承載網建設占用了大量投資，增加了跳數。該文分析了移網UPF與固網BNG組網功能的相似性，提出了集UPF、BNG功能于一體的融合網關FWA及組網方案，并基于現網搭建測試環境，驗證了家寬CPE、個人UE接入互聯網，園區政企客戶融合組網等三種場景，采用FWA組網實現固、移業務的統一接入，為固、移網絡的融合邁開了重要一步。

關鍵詞：UPF；BNG；FWA；CU分離；融合接入

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.10.015

中圖分類號：TN 915.6；TN 929.5 文獻標志碼：A 文章編碼：1672-7274（2024）10-00-05

Convergence Idea， Scheme and Practice of 5G UPF and Fixed Network BNG

Abstract： The construction of the mobile backhaul network takes up a lot of investment and increases the number of jumps. Analyzing the network UPF and fixed BNG network function similarity， it puts forward the convergence gateway FWA integrating UPF， BNG function. Based on the network building test environment， it verifies the feasibility under three scenarios of the wide CPE， personal UE access to the Internet， the camp enterprise customer networking， of using FWA to realize the fixed， mobile business convergence access， and takes an important step for fixed， mobile network integration.

Keywords： UPF; BNG; FWA; CUPS; convergence-access

1 為什么要進行固定、移動網絡的融合

1.1 移動與固定網絡融合的必要性

UPF是移動網絡的接入網關，BNG是寬帶互聯網的接入網關，探討UPF與BNG的融合問題實質就是固定、移動綜合接入的問題，那么移動網絡與固定網絡為什么要融合呢？

移動網絡從2G開始到5G，回傳網絡（從基站到PGW/UPF之間）都是重要且必要的，其承載技術從MSTP到專用的IP承載網絡，帶寬也從N×2 Mbps到N×100 Gbps，流量經過若干跳后匯聚到移動核心網元UPF，再從Gi/N6接口到互聯網[1]。可以看到，所有的移動業務都要在回傳網絡走一圈才能到達互聯網。由于移動業務的迅猛增長，流量已超過固網流量，為滿足移動覆蓋及帶寬的極大增長，承載網絡的建設耗費了運營商大量的投資及成本。從2G的承載網MSTP，3G/4G的承載網PTN/IPRAN，到5G的承載網智能/新型城域網，每年的投資隨著移動流量的增長而同步大幅增長。

再看IP城域網，家庭寬帶用戶主要經過光纖PON網絡接入，經過1跳或直連到BNG接入互聯網，結構已足夠精簡，隨著多年寬帶業務的發展，覆蓋也非常廣泛。

從用戶角度看，手機相對家寬終端要經過IP承載網的多跳才能到達IP城域網（互聯網），而多余的這些跳數，耗費了投資、增加了時延，但只是完成收斂功能。IP城域網與IP承載網在覆蓋、設備能力等方面勢均力敵，使用兩張網絡承載一類業務，是否必要。試想，如果固定、移動的接入網關統一，那么移動回傳網絡可以與IP城域網充分共用，大幅減少投資，提升移動用戶感知。

1.2 移動與固定網絡融合的可行性

移動網的接入方式是無線，固網的接入方式主要是光纖，后續的組網及業務流程都是相似的，無線接入及核心控制使用了獨立網元，其余都使用了固網的資源。

從運營的角度看，UPF與BNG的功能是類似的，用戶的認證、鑒權、計費，會話的建立、帶寬控制、流量統計及管控策略，都是趨同的。移網是天然CU分離的[2][3]，而固網已大舉開啟CU分離的改造進程[4]，移網核心網及固網核心網都采用了云架構，為2張網絡的深度融合奠定了基礎[5]。

另外，運營商的城域網基本完成采用spine-leaf架構、SR/SRv6+EVPN協議為主的智能或新型城域網的建設，目標為2B/2C/2H的綜合接入，傳統的寬帶接入逐步朝其遷移，UPF、BNG都部署在這張網絡上，且部署方式，如在網絡層次、連接方式、技術手段等方面都高度類似[6]。

2 固定、移動網絡融合思路

2.1 融合的目標

通過以上分析，提出固移融合的目標：

（1）統一的接入網關，逐步由2類網關收斂為1類，實現固移綜合接入。

（2）統一的承載網絡，城域網內1張IP網，提升網絡效率，降低網絡成本。

（3）統一的控制層面，提供連續一致的業務，固移業務不再區分，只是感知與適應不同的接入方式[7] [8]。

2.2 融合的步驟

（1）網元的融合。城域網保留雙平面，BNG升級為FWA網關（Fixed Wireless Access，固移融合接入網關）支持融合網關功能，IP城域網及承載網都可以對固移業務進行收斂。

（2）承載網絡的融合。將IP承載網與IP城域網進行整合，FWA的出口即為互聯網，城域網的IP網絡實現業務的綜合承載，如圖1所示。

（3）控制面的融合。融合移動、固定的核心網，統一云平臺，統一服務平臺，實現固定、移動的業務融合，如圖1所示。應該看到，融合后將在保持業務的連續性、一致性等方面提供很大的想象空間。運營商可以積極推動并參與相關標準組織加快這一進程。

經過以上3個步驟，固定、移動網絡在物理層面上已經融為一體，增強了移動用戶的感知，且大幅提高了投資的有效性。其中第一階段是關鍵，本文將詳細探討第一階段的融合，即UPF與BNG的融合，通過采用BNG軟件加載UPF功能實現FWA功能，并在主要的應用場景下進行測試驗證。

3 融合方案及實現流程

3.1 FWA的網絡架構

FWA采用CUPS架構（控制與用戶面分離），增加FWA專用的控制網元（即SMF+BNG-CP）。該網元支持SBI（Service-Based Interface，基于服務的接口）：通過增強的N4接口控制FWA，通過N11接口到AMF，通過N10接口到UDM，通過N7接口到PCF（可選），通過smf-Nnrf接口到NRF（可選），通過N40接口到CHF（可選）。融合網關FWA和gNB通過N3接口連接，BNG-CP作為SMF注冊到核心網NRF，并注冊它的服務能力，包括支持的FWA DNN等信息。如圖2所示。

寬帶接入同原有的業務流程只是采用C/U分離的模式。當接入移動業務時，AMF基于用戶配置的業務類型DNN（數據網絡名稱）選擇專用SMF，SMF根據配置策略（DNN/切片）選擇合適的FWA作為UPF（本地配置策略或由NRF指定）。即DNN觸發新增的SMF，SMF指定融合網關。其中，FWA用戶的簽約數據及后續計費數據，既可以錨定RADIUS，也可以錨定移動核心網，在固、移核心網未融合前，可以采用分別歸屬的方式處理。

現網中，我們將現網BNG進行升級支持FWA功能，并新增專用SMF，實現融合網關對固定及移動的綜合接入。

3.2 FWA建立會話的主要流程

（1）終端注冊和認證，遵循標準的5G認證流程。

（2）AMF確定SMF。AMF根據用戶的DNN（由終端請求信息獲取或由UDM獲取）和網絡策略，查詢NRF，確定用戶應該連接的SMF；對于FWA用戶，通過配置特定的DNN將這些會話發送給專用SMF。

（3）SMF選擇FWA，并建立會話。SMF查詢UDM獲得用戶簽約數據，根據DNN選擇合適的UPF（本方案中為FWA）。SMF向FWA發送創建會話消息，攜帶用戶的user-name，給用戶分配IPv4或IPv6地址，QoS，并指示N3/N6接口裝載位置等信息。

（4）FWA創建會話，發送回應消息將創建好的會話信息返回給SMF，如N3接口的IP地址、GTP-U的F-TEID、Session ID等。

（5）SMF發送N1-N2 Message給AMF，通知基站側創建無線信道資源和N3 GTP-U隧道資源。

（6）基站創建承載資源后，將資源信息發給AMF，AMF再告知SMF，其中包含FWA需要的基站N3接口信息（接口IP地址和F-TEID）。SMF再通過會話修改請求消息告知FWA。至此和N3接口的資源就創建完畢。

（7）SMF告知AMF用戶面Context狀態變為ACTIVIATED狀態。此時雙向的用戶面通道就創建完成，UE可以正常收發數據了。

3.3 不同場景下的測試需求

針對家庭客戶、個人客戶、政企客戶三種應用場景，以FWA作為綜合接入網關進行了測試。基于現網多廠家環境，其中FWA、5G CPE采用NOKIA設備，5G基站及核心網采用華為設備，UE為任意品牌。

4 對個人及家庭場景下的固移融合場景

測試

4.1 現網測試環境搭建

基于現網搭建了測試環境，如圖3所示，左側是廣州的智能城域網、5G的基站及核心網5GC，右側是東莞的IP城域網、融合BNG（FWA）及IDC數據中心內的SMF（BNG-CP）。

環境搭建的主要步驟包括：

（1）5GC配置測試用戶數據，AMF配置根據DNN選擇特定的SMF。

（2）東莞IDC內部署SMF，以獨立服務器加載軟件來實現。

（3）東莞城域網現網BNG（已接少量寬帶用戶）軟件升級，支持FWA功能。

（4）調通SMF和FWA間網絡，建立信令通道（即N4接口）。

（5）廣州智能城域網與東莞IP城域網利用option A實現VPN對接，打通SMF和5GC之間N10/N11 VPN，打通基站和FWA之間N3 VPN。

4.2 家寬業務測試

CPE必須支持多DNN，家寬的不同業務由不同的DNN承載，分配不同的QoS策略，終結到不同VPN。上網業務支持分配公網或私網地址，當采用私網地址時，通過BNG上的NAT訪問Internet。IPTV組播復制點在FWA上，對無線網絡無特殊要求。將家寬上網業務產生的記賬信息發送到固網Radius，支持5GC的N40接口實現計費。

4.2.1 主要配置

網絡方案如圖3所示，主要配置如下：

（1）CPE：支持多個用戶接口。端口1作為互聯網接入，配置為路由模式；端口2配置成橋接模式，連接機頂盒接入IPTV；另外，配置內部接口用于VoIP/TR069管理，配置為路由模式。每個業務類型對應不同的DNN，建立三個獨立的會話。

（2）FWA：配置GTP VPN用來終結基站連接過來的GTP-u隧道，并配置Internet、IPTV、VoIP/TR069 VPN用來終結不同業務。

（3）Radius：配置基于用戶IMSI的多個賬號，同一個IMSI的不同DNN，配置不同的QoS策略，對一部分賬號做QoS限速，對另一部分賬號不做限速。

（4）核心網用戶數據：完成SMF在核心網上注冊；配置家寬用戶SIM卡的測試賬號數據，允許接入Internet、IPTV、TR069三個DNN。

4.2.2 試點過程及結果

根據表1測試結果，FWA接入家寬業務完全滿足家寬場景的要求，并且具有快速部署，覆蓋全面的優勢。

4.3 移動UE上網

FWA作為融合網關也可以接入手機（UE），我們測試了UE接入到FWA時對各類應用的支持情況，并觀察業務的接入質量，測試環境如圖3所示。

4.3.1 主要的數據配置

（1）UE：采用榮耀手機，采用默認配置，不需要額外配置，其DNN信息在UE注冊到核心網時，從用戶的簽約數據獲得。

（2）FWA：在融合BNG上配置GTP VPN來終結基站連接過來的GTP-u隧道，配置Internet VPN終結UE用戶的數據業務。

（3）Radius：配置用戶IMSI的賬號，配置QoS策略繼承5G核心網數據。

（4）核心網用戶數據：配置用戶SIM卡的測試賬號數據，默認DNN為fwadnn，允許訪問Internet業務，配置用戶QoS數據，對于fwadnn配置選擇BNG-CP作為SMF。

4.3.2 測試情況

手機注冊到測試網絡，連接到融合網關。測試各類主要的手機應用，結果如表2所示。

測試表明，UE接入FWA可以獲得優良的使用效果，滿足各類應用對時延和帶寬的要求。由于FWA當前版本的功能限制，目前支持數據業務的終結，未測試語音業務。在實際應用時，可在核心網配置將語音業務DNN關聯到現網支持VoLTE/VoNR的SMF，數據業務關聯到支持FWA的SMF，從而實現手機全業務。在計費功能方面，我們測試了按業務流量和時間的計費，均較好支持，但目前版本不支持應用級計費（如定向流量套餐包），需FWA后續演進支持。

5 企業園區固移融合接入

5.1 園區固移融合組網需求

在園區環境下，政企用戶既有無線移動接入的需求，又有固網接入的需求，目前基本上采用WLAN+固網的方案，但WLAN在穩定性、安全性、覆蓋范圍、網絡擴展性等多方面存在局限，通過部署FWA，實現5G+固網的綜合接入，可以較好地滿足這類需求。

5.2 園區固移融合組網試點方案

我們選擇了2個園區和2個政企客戶，組網方案如圖4所示，BNG-CP（內置SMF）已經注冊到核心網。園區服務器通過寬帶接入網連接到融合BNG（即FWA），移動終端通過5G網絡連接到融合BNG，對于同一個企業，固定網絡和5G網絡連接終結到同一個VPN。

主要配置如下：

（1）移動終端：手機配置SIM卡，在園區內移動，也可以園區外使用。

（2）融合BNG（FWA）：配置2個VPN（org1， org2），終結固網和5G網絡接入的用戶，并在BNG-CP上基于DNN進行配置：org1用戶就近接入BNG1，org2用戶就近接入BNG2。

（3）Radius：配置IMSI賬號和QoS策略。

（4）核心網：配置SIM卡及其DNN信息，對于org1的用戶分配org1 DNN，org2的用戶分配org2 DNN。

以上方案能實現園區內同一個單位的固、移終端接入到同一個VPN，不同接入方式都能獲得高速、可靠、安全的網絡訪問。移動終端在園區內可以實現無中斷移動，當離開園區時，可以通過5G網絡連接到它所在的VPN，實現遠程接入。

5.3 試點過程及結果

測試了不同的組網場景，具體結果如表3所示。

從表3測試結果可知，采用FWA固移融合組網可以滿足園區內移動、固定同時接入組網用戶的需求，且能保證網絡的安全性、可靠性、擴展性。

6 結束語

以上測試實現了5G CPE、手機UE通過融合網關接入到互聯網，實現了園區場景的固移融合專網組網。BNG升級支持UPF功能，實現了固移的融合接入，可以有效發揮現有BNG效率，降低UPF的投資，還可以開發固移融合業務。下一步，我們將進一步提高FWA的移動業務支持能力，包括語音功能、內容計費等。同時充分挖掘固移綜合接入的優勢，將已建設的MEC與FWA進行連接，通過云、網、邊、端的協同，提供更多云網/算網創新業務。

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