移动网4G和5G互操作流程研究与实践

中国联通河南省分公司 刘天雪 谭 洁 高 磊 谢冬秀

5G时代已经来临，并在加速建设中，由于种种因素想要实现全覆盖还需假以时日。在5G网络部署的前中期阶段，4G网络会是在5G覆盖不完善的情况下，作为保障用户业务连续性的最好补充。如何发挥4/5G的协同优势，是运营商亟待解决的课题。本文重点分析了4/5G互操作架构及相关流程。

5G网络建设前中期阶段，5G网络覆盖还无法达到全覆盖，当用户移动到没有5G网络覆盖的地方时，需由广泛覆盖的4G网络提供移动网络服务。让5G终端可以在5G网络与4G网络之间切换且保证业务连续性，保障用户感知，达到随时随地都能流畅体验业务。4/5G网络间的互操作是非常重要的。5GC与4G EPC网络协同，可以更好地满足4/5G业务的协同发展。

1 终端注册模式

为了实现4/5G之间的互操作，UE终端支持在5GC和EPC网络中单注册和双注册两种注册模式，对UE终端来说，单注册是必选功能，双注册为可选功能。运营商可根据实际的网络部署情况、业务需求和UE终端的能力等情况，选择单注册或者双注册模式。在UE向网络注册过程中，UE向网络侧上报UE终端能力信息，表明UE支持5GC SA和EPC NAS的能力，以支持用户在5GC和EPC间的互操作，可以保证用户在5G网络和4G网络之间移动和切换时业务的连续性不受影响，从而有效地提升用户的使用体验。

1.1 终端单注册模式

单注册指终端UE某一时刻仅注册到EPC或5GC网络，即UE仅在一个网络中注册，注册在EPC网络中或者注册在5GC网络中，仅保存一套UE MM上下文状态，可以是5GC的注册管理状态，或EPC的EPS移动性管理状态。单注册的UE，可以同时支持EPC NAS和5GC NAS。

1.2 终端双注册模式

在双注册模式中，终端UE能同时在两个网络中留存注册信息，且UE能够同时独立处理到5GC和EPC的注册流程，同时存储5G-GUTI和EPC-GUTI，并且5G-GUTI和EPC-GUTI均是由5GC或EPC网络独立分配的，不是互相映射得来的。支持双注册模式的UE可以单独地注册到5GC或EPC网络，也可以同时注册到5GC和EPC网络，但是只有一边是激活的。

2 4/5G互操作组网

目前联通5GC的AMF和EPC的MME间采用了N26接口，通过N26接口预先在目标侧建立承载和间接转发通道，只在空口切换过程中有短暂中断。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。

基于通信现网存量状况与未来网络发展趋势等因素，在5G部署的前中期，会有相当长的一段时间内需要通过4/5G融合来确保新老用户的网络体验。5GC与4G网络协同、集成，可以更好地满足4/5G业务的协同发展，实现更好的端到端用户体验。

新建云化的5GC，如AMF、SMF、UDM、NRF等。5G核心网采用SBA服务化架构，采用云化部署，控制面集中部署，最终实现分布式灵活部署。灵活、自动化的5G核心网成为敏捷和可编程网络的基础，也是全球运营商网络创新的目标。

HSS/UDM、SMF/PGW-C、UPF/PGW-U合设建设融合5GC，实现5G SA用户接入，保证4/5G切换业务连续性。同时能够为运营商提供2G/3G/4G/5G多种组网场景下的融合网络，具备高效的用户数据处理能力，简化组网，既能兼容原有业务，又可拓展5G业务，节省运营商的OPEX和CAPEX。

3 4/5G互操作场景GUAMI规划

5G-GUTI是5G全局唯一的临时UE标识，5G系统下使用5G-GUTI的目的是减少在通信中显示使用UE的永久性标识，提升安全性。

5G-GUTI由两部分组成：

第一部分标识是由哪个AMF分配的5G-GUTI，第二部分表示UE在AMF内唯一的id。

由于5G独立组Pool，AMF Pool ID独立规划，不与现网MME Pool ID耦合。

EPS-GUTI和5G-GUTI的映射关系如下：

EPS-GUTI和5G-GUTI的映射关系是实现4/5G网络之间互操作的关键因素。当UE在网络中的锚点变换后，新的网络仍然能够知晓该UE的信息并在UE接入新的系统时RAN侧根据这些NAS的ID信息用于选择新的服务核心网网元使用。

4 基于N26接口的跨系统移动

5G建网初期，网络覆盖远不如4G，当5G终端移动到覆盖边缘时，配置基于覆盖的切换或重定向将5G终端迁移到4G网络，保证终端在5G网络弱覆盖时的业务连续性；当终端移动到有5G网络覆盖的地方，配置基于覆盖的切换或重定向将终端从4G网络迁移到5G网络，策略上倾向于将支持5G的终端快速迁移到5G网络。

4/5G互操作设计原则：5G体验优于4G，则优先驻留在5G；极边缘用户才转移到4G，此时满足4G体验优于5G；在4G始终尝试转移5G，只要5G体验优于4G，则实施迁移。

以下流程仅描述4/5G互操作引入的变化部分，对于5GC通用业务交互，本文不再赘述。

4.1 连接态5G跨系统移动到4G的流程

NR覆盖不连续，Source NR-RAN检测到用户需要切换到Target E-UTRAN，则发送Handover Required消息给Source AMF，携带Handover Type、Target ID、Source To Target transparent container等信息。切换或重定向到4G小区，保障业务的连续性。

最后Source AMF下发UE Context Release Command给Source NR-RAN。UE执行切换并驻留在E-UTRAN上以建立承载，gNodeB删除UE上下文，切换完成。

4.2 连接态4G跨系统移动到5G的流程

基于业务需要或者覆盖不连续，Source E-UTRAN检测到用户需要切换到Target NR-RAN，则发送Handover Required给Source MME，携带Handover Type、Target ID以及Source to Target Transparent Container等信息。切换或重定向到5G小区，保障业务的连续性，提升用户的NR高速率体验。

最后Source MME下发UE Context Release Command给Source E-UTRAN。UE向目标小区发起随机接入流程，然后驻留在目标小区上。

4.3 空闲态5G跨系统移动到4G的流程

UE检测到需要移动到4G系统，比如进入4G小区，则发送TAU Request消息给Target MME，携带5G GUTI映射的EPS GUTI、指示UE从5G移入的UE Status等信息。

Target MME根据映射的EPS GUTI查询得到Source AMF地址，发送Context Request消息给Source AMF，携带映射的EPS GUTI、Complete TAU Request等。

4.4 空闲态4G跨系统移动到5G的流程

UE检测到需要切换到5G系统，则发送Registration Request给Target AMF，携带映射的5G GUTI、指示UE从EPC接入的UE Status、TAU请求等信息。

Target AMF根据映射的5G GUTI查询得到Source MME地址，发送Context Request，携带GUTI、Complete TAU Request等信息。

结束语：在5G时代，4G网络与5G网络有一个较长的并存期。在4/5G并存期，5G与现有的4G网络顺利衔接至关重要，即4/5G网络间的互操作是非常重要的，用户在5GC和EPC间的互操作，可以保证用户在5G网络和4G网络之间移动和切换时业务的连续性不受影响，从而有效地提升用户的使用体验。