5G国际漫游网络实现方案研究

文旭桦 吕振华 李雪馨

【摘 要】为满足5G国际漫游的业务需求，分析了5G国际漫游的组网方案和运营商国际局的部署方案，对关键网元的功能和新特性的实现进行了研究，探讨了5G国际漫游关键业务流程，并对未来的研究方向提出了建议。

5G；国际漫游；SEPP

1 引言

5G网络正从方案、标准逐步落地成为现实。除了无线网部分的新特性外，在核心网方面同样产生了不少新特性，其中较为显著的包括C/U控制面与用户面分离并实现分布式部署，基于服务的架构（SBA）快速支持新的业务需求，网络切片提供差异化服务，多接入技术承载。新的特性产生了新的网络架构和新的业务能力，5G核心网如何在国际漫游场景中实现对业务的支持，这是运营商必須要面对的课题之一。

2 5G国际漫游需求分析

3GPP对5G应用定义了三大场景——eMBB（enhance

Mobile Broadband，移动宽带增强）、mMTC（massive

Machine Type of Communication，大规模物联网或海量机器通信）、uRLLC（ultra Reliable & Low Latency Communication，超高可靠超低时延通信）。由于mMTC和uRLLC涉及到的一些关键技术，如可选MEC、QoS策略增强、本地DN网络等需要特殊支持的功能要在R16版本中得到确定，而目前R16版本尚未冻结，因此本文仅讨论eMBB场景下的国际漫游。

eMBB是在目前4G高速上网业务的基础上，给用户提供更加高速的业务体验，其典型的用户体验速率可高达100 Mb/s。在国际漫游的自主控制和网络安全的前提下，如何向用户提供优质高速的跨运营商业务，这是归属运营商需要重视的问题。

3 5G国际漫游组网及关键网元研究

3.1 国际漫游组网

建设5G网络需要运营商进行大量的资金投入，因此5G网络的部署应是一个循序渐进的过程，期间需要对4G网络进行兼容。为综合考虑无线侧和核心网的技术升级需求，3GPP提出了5种5G网络架构，分别为Option2、Option3、Option4、Option5、Option7。不同的架构对应不同的无线侧与核心网的互联方案，对终端的能力也有不同的要求，可能会导致某种架构下的用户无法漫游到另一种架构的网络，如表1所示。对于无法互通漫游的场景，用户只能回落至当前的3G/4G网络进行漫游。

与3G/4G国际漫游类似，5G国际漫游的组网也可以分为漫游地路由（Local Breakout）方案以及归属地路由（Home-Routed）方案。

漫游地路由方案如图1所示，用户面业务流通过漫游地UPF接入DN。归属地AUSF与漫游地AMF通过N12接口互通，归属地UDM与漫游地AMF通过N8接口互通，归属地UDM与漫游地SMF通过N10接口互通，上述接口主要用于归属网络对用户实施鉴权认证和注册管理。归属地H-PCF与漫游地V-PCF通过N24接口互通，用于向漫游地提供策略规则。此方案归属地网络仅对用户进行鉴权认证和策略控制，不对业务进行控制，产生的网间流量较少。

归属地路由方案如图2所示，用户面业务流通过回到归属地接入DN。归属地H-NSSF与归属地V-NSSF通过N31接口互通，用于接收来自归属地的网络切片规则。归属地AUSF与漫游地AMF通过N12接口互通，归属地UDM与漫游地AMF通过N8接口互通，归属地H-PCF与漫游地V-PCF通过N24接口互通，归属地H-SMF与漫游地V-SMF通过N16接口互通，归属地UPF与漫游地UPF通过N9接口互通。此方案归属地网络将对会话进行管理并对业务进行控制，所有控制面流量通过N16接口回到归属网络，业务流量通过N9接口由归属地UPF进入DN，均成为网间流量。

虽然漫游地路由方案可以优化用户面路由，减少漫游业务的时延，网间流量和业务体验更优，但是在业务控制、策略控制方面需要双方有更多的互操作。同时，由于计费控制点位于漫游地，归属地无法对用户进行计费。反观归属地路由方案虽然会产生大量的网间流量，但归属地具有计费点，能够掌握用户的使用情况并进行计费。另一方面，此方案也与目前商用的4G国际漫游方案架构比较类似。可见，归属地路由方案将成为运营商实现国际漫游的首选，下文将着重对此方案进行阐述。

5G核心网将采用基于服务的架构（SBA），即将传统的点对点通讯方式，转变为统一的基于服务化架构和接口，网元被定义成可灵活调用的业务模块，并通过松耦合接口调用。基于SBA的5G国际漫游归属地方案如图3所示。通过IT化总线方案，避免了传统国际漫游架构中双边网元紧耦合造成的繁复互操作，提高了功能的重用性，具备通过IT化语言进行编程的能力，提升了网络的可拓展性。

3.2 漫游关键网元功能及国际局

（1）SEPP

在SBA架构下，国际局需要新增网元SEPP（Security Edge Protection Proxy），作为基于服务的安全代理网关，实现消息过滤和PLMN间控制平面接口的监管功能，为跨PLMN的两个NF之间交换的所有业务层信息提供安全保障。SEPP间的接口为N32。

SEPP能够接收来自本网NF的所有服务层消息，并对它们从N32接口转发之前进行保护。另一方面，在验证安全性后，SEPP将接收N32接口上的所有消息并转发至网内NF。

在网络中，SEPP作为不透明的代理节点，具备的能力包括：

保护分属不同PLMN的两个NF间应用层控制面消息的相互通信；

在漫游网络中与对端SEPP进行密码协商和相互认证；

进行拓扑隐藏，限制内部NF拓扑信息外泄；

作为反向代理，为内部NF提供单一的外网访问出口和控制点；

负责N32接口的网间密钥管理；

通过N32接口传送与NF服务相关的信令之前，SEPP通过协商，确定保护信令的安全机制。

（2）NRF

NRF（NF Repository Function，网元数据仓库功能）是5G核心网络的网络实体，支持服务发现功能，负责从NF接收NF发现请求，并反馈所发现的NF实例信息，维护可用NF的配置文件及其支持的服务，类似于目前DNS实现的功能。

在国际漫游场景中，为了便于本网的NF与对端运营商NF互相发现，可以在国际局中部署NRF。漫游地中的NRF称为V-NRF，配置漫游地的信息。归属地中的NRF称为H-NRF，配置归属PLMN的信息，与V-NRF通过N27接口互通。每次NF发起的NF发现请求均被发送至本网NRF，随后由其通过N27接口转发至对端NRF。

（3）网络切片

网络切片针对特定的应用要求，以切片的形式虚拟出专用的通信及网络能力，满足业务在资源分配、QoS、优先级、计费及策略控制等方面的差异化需求。

一个网络切片由S-NSSAI（Single Network Slice Selection Assistance Information）进行定义，由SST（Slice/Service Type）和SD（Slice Differentiator）两部分组成。SST代表网络切片的功能和业务类型，SD为可选项，以辅助区分具有相同SST的多个网络切片。网络切片的选择由NSSF（Network Slice Selection Function）实施。

国际漫游场景下，如果UE仅使用标准S-NSSAI值，则可以在VPLMN中使用与HPLMN中相同的S-NSSAI，规范定义了eMBB的标准SST值为1。非标准S-NSSAI需要双方运营商间就业务达成映射协议，VPLMN的NSSF将用户携带的S-NSSAI值映射到VPLMN中使用的相应S-NSSAI值，其间不与HPLMN交互。就当前需求而言，双方仅进行eMBB的漫游，因此只需要使用标准的S-NSSAI，不需要协议映射。

（4）国际局

国际局作为运营商专用于国际漫游的关口局，是与境外运营商互通的连接点，能够集中管控国际漫游业务，对外隐藏本网拓扑，针对国际业务进行计费。图4是5G国际局的一种部署建议，除了部署iSEPP实现网元拓扑隐藏和安全保障外，还需要提供iNRF与对端运营商互通网元发现请求。此外，国际局可以部署SMF、UPF和PCF专用于国际漫游的业务处理和策略控制，集中控制全网用户的国际漫游行为。如果不部署专用网元，则由iNRF根据策略选择合适的网元。

4 5G国际漫游关键业务及流程

eMBB高速上网业务是5G国际漫游的关键业务，PDU会话建立是其中一个关键流程。归属地路由方案下PDU会话建立时，漫游地AMF選择V-SMF和H-SMF，并将H-SMF的标识符提供给V-SMF。用户的PDU会话由H-SMF与V-SMF实现控制面的互通。此外，H-SMF选择HPLMN中至少一个UPF，V-SMF选择VPLMN中至少一个UPF间实现用户面的互通。

对于每个PDU会话，NAS层面终止于VPLMN中的SMF，随后相关信息将被转发至HPLMN的SMF。会话建立过程中，H-SMF从V-SMF获得UE的SUPI，并检查用户的订阅信息。

H-SMF向V-SMF发送与PDU会话关联的QoS需求，并经H-SMF确认。如果有需要，H-SMF与V-SMF之间的接口也能够转发在HPLMN中的SMF和VPLMN中的SMF之间交换的用户平面信息。国际漫游PDU建立流程如图5所示。

（1）UE生成新的PDU会话ID和“初始请求”类型标识通过NAS消息向漫游地AMF发起PDU会话建立请求，并携带默认的S-NSSAI。

（2）漫游地AMF根据UE的请求选择合适的V-SMF。

（3）漫游地AMF向所选V-SMF发送Nsmf_PDUSession_CreateSMContext请求，其中包含了从UE中获取的H-SMF地址，SMF返回Nsmf_PDUSession_CreateSMContext响应。

（4）V-SMF根据其选择机制在漫游地选择一个V-UPF。

（5）V-SMF向V-UPF发起N4会话建立流程。若核心网隧道（CN Tunnel）信息由V-SMF分配，则在建立请求中将隧道信息提供给V-UPF。若核心网隧道信息由V-UPF分配，则在建立响应中将核心网隧道信息提供给V-SMF。

（6）V-SMF向H-SMF发起Nsmf_PDUSession_Create请求，配置信息包括用户的关键信息和网元关键信息，还可以包含H-SMF正确建立PDU会话所需的信息。

（7）H-SMF将UE的此次PDU会话与V-SMF ID进行关联并存储，随后向UDM发送Nudm_UECM_Registration对用户进行注册。

（8）UDM对用户进行会话授权/认证。

（9）H-SMF选择H-PCF，随后通过会话管理策略流程，从PCF获得用于PDU会话的默认PCC规则。

（10）SMF为PDU会话选择会话和服务连续性模式并选择UPF，为PDU会话分配用户IP地址及前缀。

（11）若有需要，H-SMF将与PCF交互以修改会话管理策略。

（12）H-SMF向H-UPF发起N4会话建立流程。若核心网隧道信息由H-SMF分配，则在建立请求中将隧道信息提供给H-UPF。若核心网隧道信息由H-UPF分配，则在建立响应中将核心网隧道信息提供给H-SMF。

（13）H-SMF向V-SMF发起Nsmf_PDUSession_Create响应，其中的核心网隧道信息包含了发往H-UPF的上行链路业务的隧道信息，并包含了多个QoS规则。

（14）V-SMF与AMF互通Namf_Communication_N1N2MessageTransfer消息，包含PDU会话ID，N2 SM信息也携带了通过AMF转发给RAN的信息。

（15）AMF将包含针对UE的PDU会话ID和PDU会话建立接受的NAS消息以及在N2 PDU会话请求内从SMF接收的N2 SM信息发送到（R）AN。

（16）（R）AN与UE进行RRC连接重配置，将在步骤12中提供的NAS消息转发给UE。

（17）N2 PDU会话响应。

（18）AMF向SMF发送Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext请求，将从（R）AN收到的N2 SM信息转发给SMF。

（19）V-SMF向V-UPF启动N4会话修改过程。V-SMF为此PDU会话在V-UPF上提供分组检测，执行和报告规则。V-UPF向V-SMF返回修改响应。

（20）SMF向AMF返回Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext响应，PDU会话建立。

5 结束语

国际漫游是运营商全面运营后必须要考虑的业务，本文分析的仅是5G场景中一个最容易实现的场景。随着5G规范的逐步完善和网络建设的推进，将有更丰富的业务场景出现漫游需求。如Local Breakout方案将显著提升5G的业务体验，而未来会有更多的组网方案及网元特性来满足mMBB及uRLLC等5G新增场景对漫游能力的需求，国际漫游存在着广阔的研究空间。

参考文献：

[1] 3GPP TS 23.501. Procedures for the 5G System； Stage 2[S]. 2018.

[2] 3GPP TS 23.502. System Architecture for the 5G System； Stage 2[S]. 2018.

[3] 3GPP TS 29.510. Network Function Repository Services； Stage 3[S]. 2018.

[4] 3GPP TS 33.501. Security architecture and procedures for 5G System[S]. 2018.

[5] 3GPP TR 38.801. Study on new radio access technology： Radio access architecture and interfaces[R]. 2016.

[6] 3GPP TR 23.799. Study on Architecture for Next Generation System[R]. 2016.

[7] 3GPP TR 38.913. Study on scenarios and requirements for next generation access technologies[R]. 2016.

[8] 中國信息通信研究院. 5G网络架构设计[Z]. 2017.

[9] 朱红梅，林奕琳，刘洁. 5G URLLC标准、关键技术及网络架构的研究[J]. 移动通信， 2017，41（17）： 28-33.

[10] 李保星. 5G的“新”——全新的核心网[J]. 通讯世界， 2017（13）： 12-14.