5G双域专网中4G/5G互操作优化策略研究

谢 刚

(中国移动通信集团上海有限公司,上海 201206)

0 引言

随着5G时代的到来,2023年上海移动加快5G双域专网的部署,满足了行业用户同时访问内网和互联网的需求,打开了面向行业和用户(to Business to Consumer,2B2C)融合服务的商业新模式,实现了2B、2C业务相互拉动[1]。5G双域专网为高校在线教学、科研工作提供了安全可靠的无线高带宽通信保障。目前,上海移动已开通同济大学、上海大学等多所高校的5G双域专网业务,教师及学生使用5G终端接入5G网络访问互联网和校园内网。由于5G无线覆盖存在弱覆盖区域,需要部署4/5G互操作以保障上网业务的连续性。当终端在4G和5G之间切换,就会发起4G/5G互操作流程。上海移动4G/5G网络实行融合运营方式,叠加了5G双域专网后,在实际运营过程中会出现问题。本文主要剖析出现问题的根源,提出解决上海移动4G/5G互操作问题的优化策略。

1 5G双域专网中4G/5G互操作概述

5G双域专网基于5G技术和网络架构,划分用户网络为公共域网络和私有域网络。如图1所示为5G双域专网结构[2],用户设备(User Equipment,UE)通过接入网络(Access Network,AN)接入网络,接入与移动管理功能(Access and Mobility Management Function,AMF)负责UE的接入注册、移动管理,会话管理功能(Session Management Function,SMF)负责UE的会话管理,用户平面功能(User Plane Function,UPF)负责UE的流量转发。在 UE的会话中,插入一个上行链路分类器(Uplink Classifier,ULCL)UPF 作为分流器,将 UPF 下沉到网络边缘以减少路由迂回,采用ULCL对业务进行本地分流[3]。本地流量经过副锚点UPF(PDU Session Anchor 2)接入私有域数据网络(Data Network,DN),互联网流量经过主锚点UPF(PDU Session Anchor 1)接入公共域DN。

上海移动5G双域专网采用上文2B2C UPF ULCL技术实现。校园用户5G签约校园专用数据网络名(Data Network Name,DNN),4G签约CMNET通用接入点名(Access Point Name,APN)。校园用户接入5G上网时网络为用户随机分配AMF,为用户指定分配SMF和UPF,用户使用专用DNN接入互联网和校园网。当5G无线弱覆盖时,用户从5G回落到4G使用业务,5G无线覆盖恢复时又从4G回到5G使用业务。用户在5G和4G之间来回切换网络,需要用到4G/5G互操作。如图2所示为5G双域专网的4G/5G互操作[2]。

图2 4G/5G互操作

5G双域专网和4G公用签约数据库HSS+UDM,AMF和MME之间通过N26接口交互用户上下文等信令消息。基于N26接口的系统间切换,可用于为用户提供连续性无缝切换的业务。用户UE从4G网络接入时,UE与PGW-U之间的用户面控制消息通过E-UTRAN、MME、SGW、SMF+PGW-C连接交互。用户UE从5G网络接入时,UE与UPF之间的用户面控制消息通过NG-RAN、AMF、SMF+PGW-C连接交互。

2 5G双域专网中4G/5G互操作分析

5G双域专网用户采用单注册方式,在这种方式下,手机注册在4G或者5G核心网上,4G网络与5G网络之间互操作包括UE从4G到5G的注册更新(4G到5G的Handover不部署)、UE从5G到4G的TAU、UE从5G到4G的Handover。

2.1 5G到4G的TAU

当5G双域专网用户UE在5G核心网状态为连接管理状态空闲(Connection Management IDLE, CM-IDLE),UE移动到4G网络下,UE会发生TAU流程。

用户UE向MME发起TAU请求,MME通过N26接口从AMF获取用户上下文。MME根据获取的上下文,创建承载上下文,完成TAU。由于用户4G签约的APN为CMNET,5G签约的DNN为专用DNN。当MME从AMF获取携带专用DNN名字的上下文,在4G就创建了专用DNN为名字的承载。后续的Update Location流程中MME从UDM取携带CMNET APN的签约数据但是不再判断用户已创建的承载上下文是否合法,因此用户在4G使用5G专用DNN名字的APN接入网络,即用户用未签约的APN接入4G,直接导致BOSS系统对计费话单的丢弃,给运营商造成损失。

当用户TAU到4G后,一段时间不活动,拆除上下文后,UE再发起业务时,恢复正常的CMNET承载接入4G。

2.2 4G到5G的注册更新

5G双域专网用户UE在4G核心网中的用户状态为EPS连接管理状态空闲(EPS Connection Management IDLE, ECM-IDLE),移动到5G网络,进行5G移动注册更新。

当用户UE发起的注册更新请求消息中不携带上行数据状态(Uplink Data Status)时,AMF在注册更新流程中,不为用户接续PDU会话,注册完成后,即拆除N2接口(UE与AMF接口)。用户重新发起业务,通过服务请求流程接续会话,服务请求流程中AMF下发隧道端点标识(Tunnel Endpoint IDentifier,TEID)后,SMF可以正常下发给ULCL UPF分配用户面资源。

当用户UE发起的注册更新请求消息中携带上行数据状态(Uplink Data Status)时,AMF在注册过程中为用户接续PDU会话,注册更新流程叠加ULCL UPF插入。AMF将N3接口(AN与UPF接口)下行GTPU TEID信息传递给SMF,SMF再发给分配N3口用户面资源;SMF通过N4接口(SMF与UPF接口)给主副锚点下发PDU创建指令,导通主副锚点UPF的N6口(UPF与公共域互联网DN、私有域校园网DN接口)连接。

2.3 5G到4G的Handover

当UE在5G中处于CM-CONNECTED状态,UE移动到EPC网络下,则发生5G到4G的切换。Source AMF根据Target TAI向DNS查询并选择Target MME,AMF将UE上下文转发给选定的MME。基于N26接口的5G到4G的互操作流程实现无缝切换,将数据从5G的传输通道切换到4G传输通道。当切换流程成功完成后,UE执行TAU流程,完成UE在目标4G中的注册。

由于用户在4G签约的APN和5G签约的DNN名字不一致,用户从5G切到4G后,仍旧使用5G DNN名字的APN建立PDN承载接入4G网络,会导致计费错误。。

3 5G双域专网中5G和4G互操作的策略优化

从上海移动5G双域专网网络中的3种5G和4G互操作分析结果看,5G双域专网用户处于CM-IDLE状态从5G TAU到4G,使用5G专用DNN名字的APN接入网络,导致计费错误;5G双域专网用户UE在5G核心网中的用户状态为CONNECTED状态,切换到4G网络,切换完成后执行4G TAU流程,也采用与5G DNN名字的APN建立PDN承载接入4G网络,导致计费错误。优化策略有2种,一是双域专网用户从5G TAU到4G后,4G核心网中的MME立即激活用户的PDN;5G双域专网用户完成5G到4G的切换,进行TAU后,MME立即激活用户的PDN。用户后续发起业务时,重新建立APN为CMNET的PDN承载,接入4G网络访问互联网。二是5G双域专网用户的4G APN签约更改为与5G专网DNN名字相同的APN,5G双域专网用户处于CM-IDLE状态从5G TAU到4G,仍旧采用5G DNN相同的名字相同的APN访问互联网,保证计费的连续性。这种修改涉及4G全网DNS、PGW接入点数据修改,数据量巨大,而5G DNN只针对省内有效,省外修改4G DNS、PGW接入点不合适。所以,比较策略一和策略二的可行性,策略一比较有效,目前已经在上海移动核心网络部署,效果较好。

4 结语

5G技术快速发展,行业用户数量快速增长,5G双域专网迎来快速发展期。上海移动5G双域专网采用2B2C UPF ULCL技术实现。由于在建网初期5G无线覆盖存在弱覆盖区域,需要部署4/5G互操作保障上网业务连续性。上海移动5G双域专网4G/5G互操作包含5G到4G的TAU、4G到5G的注册更新、5G到4G的Handover 3种情况。5G到4G的TAU互操作由于用户4G签约的APN和5G签约的DNN名字不一致,导致UE到4G后出现承载、计费错误,本文提出的UE从5G TAU到4G后立即重建用户面承载的优化策略解决了此问题,具有一定创新性。5G双域专网的4G/5G互操作比较新颖,在叠加到本地网络运营时可能会遇到各种问题,本文研究内容及成果可供开展类似业务的运营商借鉴。

5G时代已经到来,采用4G/5G互操作策略的5G双域专网能更好地为行业用户提供业务体验。