5GC中SMF/UPF融合SGW方案研究与实践

史鹏利 张军霞

【摘  要】 针对5GC当中SMF/UPF融合EPC网络当中的SGW方案进行研究论证，并在某运营商现网进行改造实践，文章详细阐述了融合改造过程中的网络和业务流程变化、关键技术、改造细节以及注意事项等，能较好地指导各省开展现网5GC中SMF/UPF融合SGW的改造活动，具备较高的推广价值。

【关键词】 5GC；EPC；SMF/UPF；SGW；网络通信

一、5GC中SMF/UPF融合SGW方案研究背景

为服务5G SA移动用户和业务，国内电信运营商目前都建设了独立的5G SA网络，由于现网移动用户全面“迁转”为5G SA用户需要终端、网络、业务3个方面协同推进，注定会是一个相当漫长的过程。现阶段，对运营商来说就会存在2张移动核心网（5GC和EPC）“共存”的局面：5GC主要承载UDM签约5G且终端和無线网络都支持5G SA的移动用户，EPC主要承载UDM或HSS签约非5G网络的移动用户；对签约了5G功能且终端也支持5G的用户，当其所处无线区域没有5G网络覆盖时，根据目前的业务流程，其业务则需要由5GC和EPC“共同”承载。

现阶段，电信运营商5G SA网络覆盖还不完善，相比4G网络还有不小的差距，另外5G SA终端也并未实现大规模普及，据不完全统计，现网中4G终端的占比仍然占到绝大多数，电信运营商即便可以通过“批量开通”或“反向开通”的方式把“终端支持5G SA网络”的移动用户“迁转”到UMD中（签约为5G用户），但是由于5G SA网络覆盖的不完善，5G用户还是经常会驻留在4G网络上。这样一来，这些场景下的移动用户业务流程就会“跨越”EPC和5GC网络的2张核心网，不仅用户转发面路径会变得相对“冗长”，而且还会造成2张核心网之间流量的“迂回”并导致承载网络出现“瓶颈”，新发展5G用户不仅需要考虑5GC的容量，还需要EPC网络针对SGW网元和IP承载网规划新增5G用户容量，造成投资或资源的浪费。

因此，研究5GC中SMF/UPF融合EPC网络中SGW方案并尽快实施就显得尤为重要和迫切。

二、SMF/UPF融合SGW功能网络改造方案与关键点

3GPP协议规范对5GC向下兼容4G业务是做了定义的，因此从理论上来讲5GC中SMF/UPF融合EPC网络中的SGW是可行的，实际改造过程中主要的任务就是4G网络（主要是eNodeB）和5GC之间“路由互通”，另外还有EPC网络当中DNS的策略配置以及MME“优选融合SMF/SGW/PGW”机制功能的开启。下面先介绍现网4/5G用户接入5GC组网演进（改造）方案

（一）5GC网元SMF/UPF融合SGW功能改造前后网络及业务变化

1.改造前：5G用户在4G区域通过EPC网络SGW接入5GC

5G用户在4G网络下，按照现网MME网元“IWK=1”的默认配置，5G用户的用户面数据会先通过EPC网络的SGW，再经“IP承载网B网”达到5GC的UPF最后连接至Internet。从中也不难看出，如果现网当中，5G签约用户较多而5G网络覆盖不完善的话，SGW和UPF之间就需要“大幅扩容”，如果不能根据业务量落实投资及时扩容的话，这一段的承载网络就会形成“瓶颈”从而影响用户的上网速率。

2.改造后：5G用户在4G区域通过4G基站直接接入5GC

改造前后，对“4G用户4G网络”“5G用户5G网络”这2类场景下业务流向无变化，但是对“5G用户4G网络”这类场景的业务流向就发生了明显变化，即由改造前的“5G用户在4G区域通过EPC网络SGW接入5GC”变为改造后的“5G用户在4G区域通过4G基站直接接入5GC”，其优势也是显而易见的：EPC网络SGW无需再规划或预留新增5G用户容量，5G用户转发面路径也大大缩短，用户体验也会变得更优。

（二）总体改造方案与关键点

改造方案从大的方面来说，包括3个方面或者说3项主要内容：

（1）eNodeB基站至5GC的网络贯通；（2）省内2C DNS增加SMF/SGW查询结果，指向融合SMF/SGW/PGW网元地址；（3）MME开启合一优选融合SMF/SGW/PGW功能，使手机终端符合选择融合SMF/SGW时，优选SMF/UPF融合的SGW网元。

表1列出了改造前后，5G用户在4G网络下查询PGW、SGW以及MME选择网关的对比情况。

具体来说：

1. eNodeB基站至5GC的网络贯通

现网eNodeB基站是基于地市的IPRAN接入EPC核心网，5G基站gNB是基于智能城域网接入5GC核心网，为实现eNodeB基站至5GC的网络贯通，就需要以地市为单位将IPRAN与智能城域网“打通”或者将eNodeB基站割接至智能城域网承载（智能城域网也与EPC互通）。

2. 省内2C DNS增加SMF/SGW查询结果，指向融合SMF/SGW/PGW网元地址

改造预置条件为5G用户已经在UDM签约且IWK=1，即用户选择在SMF/PGW上激活。省内2C DNS改造需增加所有TAC（涉及改造区域的所有4G网络TAC）到融合SMF/SGW List的查询记录（针对N记录查询），完成这个改造后，就能实现DNS向MME返回融合SMF/SGW/PGW网元地址的查询功能。

3. MME开启合一优选融合SMF/SGW/PGW功能

MME开启合一优选融合SMF/SGW/PGW功能后，MME就能结合DNS返回的查询结果，实现5G用户4G网络下优选SMF/UPF融合SGW网元的功能。

4. 改造后各网元查询流程

（1）PGW选择：5G回落4G用户（iwk=1）根据APN向省份2C DNS查询PGW，查询到融合SMF/PGW。

（2）SGW选择：MME根据TAC向省内2C DNS 查询SGW，查询到现网SGW和融合SMF/SGW。

（3）MME开启合一优选，最终使5G用户在4G网络下选择到融合SMF/SGW/PGW。

三、方案实施与效果评估

某省现网5GC当中UPF“下沉”地市的独立业务区有4个地市，实际改造过程中，SMF/UPF融合SGW网元改造均以“地市”为单位逐一进行，边改造、边评估总结。

（一）改造方案实施过程

针对每个地市业务区的改造实施过程，大致可分为4部分工作或者说4项内容：

1. SMF网元配置SGW相关功能和IP地址，MME指定单用户号码至SMF测试业务，这一步主要验证SMF网元配置SGW的功能是否已经正常，另外这一步还需要通过SGW的IP测试改造区域内全量eNodeB基站IP地址的连通性，确认S1-U接口路由可达。

2. 结算话单的计费验证，由于5GC的计费网元只有CHF，消息计费、离线计费都由这个网元承担，而且CHF没有单独的类似“漫游话单”生成目錄，因此SMF/UPF融合SGW网元改造就涉及结算话单的验证，具体验证需要使用省外用户号码进行业务测试验证，并提供对应N40接口的SGW地址，计费部门可以据此将要验证的话单筛选出来再与测试记录核对，就能完成结算话单的验证。

3. 单TAC区业务割接改造，先采用单TAC区割接，主要还是为了保障网络安全，单TAC区的割接工作量主要是省内2C DNS上的数据指向。

4. 全域（单地市所有4G业务TAC）割接改造，有了前面的改造割接基础，确认网络指标无异常的情况下，就可以实施全域割接改造。

（二）方案实施效果评估

雄安新区、张家口、廊坊、唐山等有UPF“下沉”地市的业务区完成SMF/UPF融合SGW网元改造后，网络指标都有明显的变化，以张家口智能城域网至张家口IPRAN（改造后目标用户数据业务流向）、张家口智能城域网至IP承载网B（改造前目标用户数据业务流向）监测的改造前后数据业务流量变化为例来说明。

SMF/UPF融合SGW网元改造后，张家口智能城域网至张家口IPRAN的流量由改造前的9.10Gbps增长到21.00Gbps，5G用户在4G网络下直接接入5GC的比例大幅增长，而张家口智能城域网至IP承载网B的流量由改造前的19.60Gbps降到3.20Gbps，5G用户在4G网络下流量由EPC的SGW“绕行”IP承载网B网再接入5GC的流量大幅下降，这“一增一降”充分说明改造方案实施的成功。

四、总结及建议

某省5GC中SMF/UPF融合SGW方案在省内4个城市实施过程中，也发现了一些问题，比如非改造区域和改造区域之间的IPRAN和智能城域网之间“路由隔离”导致部分用户接入失败的问题、现网MME池组规划和5GC UPF下沉地市区域“不重叠”导致的边界用户接入失败的问题等，这些都需要在后期的网络优化中进行考虑和解决。

（一）非改造区域和改造区域之间的IPRAN和智能城域网之间“路由隔离”导致部分用户接入失败的问题

由于现网地市之间的IPRAN或智能城域网均是相互独立的，彼此之间的“路由”不能互通，也就是说A市的IPRAN不能和B市的IPRAN直接互通，二者之间的业务互通需要通过第3方的网络（比如省会城市的城域网），这就给SMF/UPF融合SGW过程中带来不小的困难。

比如，按照省政府新划定的行政区划，某省保定市高阳县龙化镇的几个村庄划归到雄安新区，由于这几个村庄原属于保定IPRAN“管辖”范围，和雄安新区的IPRAN互相独立，雄安新区SMF/UPF融合SGW过程中，DNS上将这片区域的TAC作了指向，但是其IPRAN和5GC之间的路由不通，导致改造后高阳与雄安边界区域出现集中性投诉，原因即这片区域的4G基站与雄安新区的5GC路由不通，后期将这片区域的TAC改为属于保定区划的TAC暂时规避了这个问题。

（二）现网MME池组规划和5GC UPF下沉地市区域“不重叠”导致的边界用户接入失败问题

EPC网络组网是以“省会”为中心的组网模式，也即EPC核心网网元都部署在省会城市，eNodeB无线基站都部署在地市，这种组网在网络路由规划上，只需要保证地市基站和省会的EPC核心网之间路由通达就可以了，2个地市之间并不需要直接互通的路由。由于这一现状的存在，当某地市完成SMF/UPF融合SGW改造后，与其相邻的还未改造的地市就会出现“边界”用户接入改造后的融合SGW失败的情况（MME优选成功，但是路由不通）。对这类问题，也需要通过认真规划和梳理网络路由来解决。

总体上来说，某省实施的全省5GC中SMF/UPF融合SGW的改造方案是一次有益的尝试，通过这次改造，不仅节省了EPC和5GC“双核心网”长期并存期内大量的建设投资，还极大地提升了5G用户在5G覆盖不完善区域的业务体验。

参考文献：

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