4G/5G互操作方法及实现

朱卫锋 郑圣 姚勇

中国联合网络通信有限公司江苏省分公司

0 引言

5G SA网络建设初期，5G网络没有4G网络覆盖好，当用户移动到没有5G网络覆盖的地方时，需要能够继续使用移动网络，网络和终端都必须支持用户在5G网络与4G网络之间切换时的业务连续性，从而真正保障用户感知，达到随时随地都能接入。

而语音业务的感知最直接，初期的用户语音业务方案采用的是EPS FB，仍由4G网络来提供服务，由广泛覆盖的4G网络来确保通话的稳定性与可靠性。当前4G/5G网络间的互操作是非常重要的。

目前联通5GC的AMF和EPC的MME间采用了N26接口，4G MME和5G AMF间利用N26接口来传递用户上下文，从而为互操作业务提供无缝会话连续性。因此EPC核心网需要具备：

（1）MME升级支持N26接口，5G用户通过N26接口实现连接态4G/5G网络间切换和空闲态的重选；

（2）MME升级 支 持 基 于 终 端 能 力 和UDM签 约Interworking-5GS-Indicator参数灵活组合选择融合SMF+PGW-C网关，目前联通基于UDM签约参数选择融合SMF+PGW-C网关。

现网SGW通过S5接口对接SMF+PGW-C和UPF+PGW-U，实现5G用户在4G区域接入。SMF需要获取IWK字段判断出是5G签约用户，分配5G QOS，支持4G/5G互操作。

4G/5G互操作架构如图1所示。

图1 4G/5G互操作架构

1 互操作信息映射

1.1 身份映射

当UE在5G和4G之间移动时，需要按照图2的映射关系将5G-GUTI映射成EPS-GUTI，或者将EPS-GUTI映射成5G-GUTI，在相应的消息中带给AMF或MME，AMF或MME通过DNS查询获得相应网元的地址信息，再通过N26接口获取用户上下文。5G-GUTI和EPS-GUTI对应关系如图2所示。

图2 5G-GUTI和4G-GUTI的映射规则

1.2 QoS映射

5G QoS参数继承了4G QoS的基本架构，在其基础上修改了部分参数的名称及含义，并增加了RQA。详细映射关系如表1所示。

表1 4G/5G Qos对应关系

在4G/5G互操作时，由于5G的QoS Flow可以有63个，而EPS Bearer最大只有11个，理论上来说，可能存在QoS Flow无法1:1映射到EPS bearer的情况，即N:1的情况。为了支持用户在4G/5G互操作时的体验不下降，在N:1场景下，

设置Qos映射关系时，可通过以下两个操作进行避免：

（1）QoS Flow和EPS bearer的映射规则和决策点在SMF执行，SMF可以有选择地将部分有业务连续性保障的业务的QoS Flow映射到EPS bearer并切换到4G；

（2）由AMF分配QoS Flow对应的EBI，没有分配EBI的QoS Flow，SMF将不进行QoS Flow和EPS bearer映射和切换。

2 4G/5G互操作的实现

2.1 融合SMF/PGW-C的发现及选择

首先为了保证业务的连续性，现网SMF融合了PGW-C的能力，以保证4G/5G的会话选到同样的融合网关SMF+PGW-C，这样才能保证4G/5G间互操作时网关不变更，业务不中断，这是4G/5G互操作的一个前提。目前联通公司的规范是按照用户的签约，即用户在UDM中开户，允许接入5G，APN签约了Interworking-5GS-Indicator，这样当用户附着到4G时，MME通过DNS查询来选择到融合SMF/PGW-C网关。

（1）MME配置：根据用户的签约数据，用户支持IWK就选择融合的PGW-C/SMF；

（2）DNS配置：对于SERVICE是+nc-smf选融合SMF/PGW-C网关，同时为了不影响4G用户，降低+nc-smf 的order的优先级。

2.2 MME和AMF的发现及选择

4G/5G互操作的主要场景有4G/5G间的切换和重选。重选时MME/AMF需要先找到用户之前注册的AMF/MME的网元，然后通过N26接口取得用户的上下文数据。而切换是MME/AMF先找到用户准备切换到的AMF/MME，然后通过N26接口发送到对端的切换请求消息中携带用户的上下文数据。

（1）5G用户在5G SA网络接入，Handover切换到4G网络

AMF根据gNodeB上报的切换请求消息里的目的4G TAI，到DNS查询4G TAI对应的MME。

查询形式是：

tac-lbxx.tac-hbxx.tac.epc.mnc001.mcc460.3gppnetwork.org

该4G TAC的数据4G也在使用，在DNS中是已经存在的。

（2）5G用户从5G SA网络接入，移动到4G网络的TAU流程

终端TAU到MME时，会自动将5G的GUTI映射成4G的GUTI，MME根据GUAMI映射的GUMMEI，到DNS上查询并获得AMF。

查询形式是：

mmecxx.mmegixxxx.mme.epc.mnc001.mcc460.3gppnetwork.org

该AMF数据在DNS中是需要新增的。

（3）5G用户从4G网络接入，移动到5G SA网络注册

终端注册到AMF时，会自动将4G的GUTI映射成5G的GUTI，AMF根据映射的GUTI中的GUMMEI到DNS上查询并获得MME。

查询形式是：

mmecxx.mmegixxxx.mme.epc.mnc001.mcc460.3gppnetwork.org

该数据4G也在使用，在DNS中是已经存在的。

（4）5G用户从4G网络接入，Handover切换到5G SA网络

MME根据eNodeB在切换请求消息里的目的5G NR的TAI，到DNS查询5G NR的TAI对应的AMF。

查询形式是：

tac-lbxx.tac-mbxx.tac-hbxx.5gstac.5gc.mnc001.mcc460.3gppnetwork.org

该5G TAI的数据在DNS中是需要新增的。

2.3 语音EPS FB

5G仍沿用4G的语音架构，基于IMS为用户提供语音业务。在5G早期主推的是EPS FB的解决方案，最终的演进目标是VoNR解决方案。目前联通EPS FB主推切换模式，即当5G用户语音呼叫建立专载时，NR向AMF发送拒绝PDU会话资源修改的消息，原因是EPS FB，AMF也会把这个原因告知SMF。同时NR发起向4G的切换，切换到4G并做完TAU后再建立专载。

这首先就有一个5G切换4G的过程。由于人网和物网的语音都使用IMS这个APN/DNN，联通数据规范要求对于SERVICE是+nc-smf的只送人网的融合SMF+PGW-C网关，而物联网用户5GC的语音呼叫EPS FB时，AMF发给MME的Forward Relocation Request消息中携带的是物网的SMF+PGW-C网关，不同厂家的MME对于这种切换的处理方式有差异，如E厂家目前版本的MME对于也支持nc-nr的终端（5G SA终端一般都支持），还会去DNS查询SERVICE是+nc-nr的记录，如果DNS做了+nc-nr的记录并且返回的网关不包含Forward Relocation Request消息中携带的物网的SMF+PGW-C网关，MME会触发IMS的PGW重选，导致语音呼叫失败，因此目前暂时的规避方法是DNS中不做IMS的+nc-nr的记录，而厂家需下个版本才会解决这个问题。

2.4 4G/5G互操作案例

4G/5G互操作，涉及到4G和5G的网元，这些网元不仅需要软件版本支持4G/5G互操作，还需要配置4G/5G互操作的数据，使不同厂家的4G和5G的设备相互配合完成4G/5G互操作，从而保证5G网络与4G网络之间业务的连续性，真正保障5G用户的感知。

（1）SMF的FQDN和DNS配置的SMF的FQDN不一致导致EPS FB失败

本省5G SA测试过程中，在H厂家的MME区域EPS FB正常，但是在E厂家MME区域EPS FB失败。消息跟踪EPS FB时，AMF通过N26接口发给MME的FORWARD RELOCATION REQUEST消 息 中 所 带 的PGW即SMF的 FQDN是topon.pgw-s5.saegw800.nj.js.node.epc.mnc001.mcc460.3gppnetwork.org，这个FQDN是SMF网元中配置的。如图3所示。

图3 MME跟踪消息

E厂家的MME和H厂家的MME的处理机制稍有不同，E厂家的MME在EPS FB时也去DNS查询PGW，并检查DNS查询 的PGW和AMF送来的FORWARD RELOCATION REQUEST消息中所带的PGW是否有交集。

由于DNS中配置的该SMF的FQDN的格式是：topon.pgw-s5.smf800.nj.js.node.epc.mnc001.mcc460.3gppnetwork.org，与AMF发过来的不一致，导致默载成功后，专载建立时MME回复失败。

解决办法：在SMF中修改SMF的FQDN的格式，与DNS的数据保持一致，该问题得到解决。

（2）AMF的GUAMI和DNS配置的不一致导致5G到4G的重定向失败

5G SA测试时发现5G到4G的重定向失败，跟踪消息发现在TAU流程中，MME回复TAU REJ，CAUSE是隐含关机。

如图4所示。

图4 重定向-基站跟踪消息

检 查TAU REQUEST消 息，用 户 的OLD-GUTI中 的GUAMI和DNS中配置的AMF的信息不一致，导致DNS没有查询到OLD-GUTI中的GUAMI对应的AMF，因此取不到用户上下文，因此TAU失败，需要用户重新附着。

检查原因，原来当天AMF修改了自己的GUAMI信息，但是DNS上配置的该AMF的信息没有同步修改。在DNS上修改该AMF的配置信息后，5G到4G的重定向流程测试成功。

3 结束语

在5G SA网络建设初期，数据业务、语音业务都需要4G/5G的互操作，这就涉及到5GC和EPC的网元，也会涉及到不同厂家的各个网元之间的配合，因此需要经过各种场景、各种业务的详细测试，使4G/5G的互操作顺利流畅，提升5G用户的业务感知。