5G UPF与固网BNG的融合思路、方案及实践

摘要：移动回传的承载网建设占用了大量投资，增加了跳数。该文分析了移网UPF与固网BNG组网功能的相似性，提出了集UPF、BNG功能于一体的融合网关FWA及组网方案，并基于现网搭建测试环境，验证了家宽CPE、个人UE接入互联网，园区政企客户融合组网等三种场景，采用FWA组网实现固、移业务的统一接入，为固、移网络的融合迈开了重要一步。

关键词：UPF；BNG；FWA；CU分离；融合接入

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.10.015

中图分类号：TN 915.6；TN 929.5 文献标志码：A 文章编码：1672-7274（2024）10-00-05

Convergence Idea， Scheme and Practice of 5G UPF and Fixed Network BNG

Abstract： The construction of the mobile backhaul network takes up a lot of investment and increases the number of jumps. Analyzing the network UPF and fixed BNG network function similarity， it puts forward the convergence gateway FWA integrating UPF， BNG function. Based on the network building test environment， it verifies the feasibility under three scenarios of the wide CPE， personal UE access to the Internet， the camp enterprise customer networking， of using FWA to realize the fixed， mobile business convergence access， and takes an important step for fixed， mobile network integration.

Keywords： UPF; BNG; FWA; CUPS; convergence-access

1 为什么要进行固定、移动网络的融合

1.1 移动与固定网络融合的必要性

UPF是移动网络的接入网关，BNG是宽带互联网的接入网关，探讨UPF与BNG的融合问题实质就是固定、移动综合接入的问题，那么移动网络与固定网络为什么要融合呢？

移动网络从2G开始到5G，回传网络（从基站到PGW/UPF之间）都是重要且必要的，其承载技术从MSTP到专用的IP承载网络，带宽也从N×2 Mbps到N×100 Gbps，流量经过若干跳后汇聚到移动核心网元UPF，再从Gi/N6接口到互联网[1]。可以看到，所有的移动业务都要在回传网络走一圈才能到达互联网。由于移动业务的迅猛增长，流量已超过固网流量，为满足移动覆盖及带宽的极大增长，承载网络的建设耗费了运营商大量的投资及成本。从2G的承载网MSTP，3G/4G的承载网PTN/IPRAN，到5G的承载网智能/新型城域网，每年的投资随着移动流量的增长而同步大幅增长。

再看IP城域网，家庭宽带用户主要经过光纤PON网络接入，经过1跳或直连到BNG接入互联网，结构已足够精简，随着多年宽带业务的发展，覆盖也非常广泛。

从用户角度看，手机相对家宽终端要经过IP承载网的多跳才能到达IP城域网（互联网），而多余的这些跳数，耗费了投资、增加了时延，但只是完成收敛功能。IP城域网与IP承载网在覆盖、设备能力等方面势均力敌，使用两张网络承载一类业务，是否必要。试想，如果固定、移动的接入网关统一，那么移动回传网络可以与IP城域网充分共用，大幅减少投资，提升移动用户感知。

1.2 移动与固定网络融合的可行性

移动网的接入方式是无线，固网的接入方式主要是光纤，后续的组网及业务流程都是相似的，无线接入及核心控制使用了独立网元，其余都使用了固网的资源。

从运营的角度看，UPF与BNG的功能是类似的，用户的认证、鉴权、计费，会话的建立、带宽控制、流量统计及管控策略，都是趋同的。移网是天然CU分离的[2][3]，而固网已大举开启CU分离的改造进程[4]，移网核心网及固网核心网都采用了云架构，为2张网络的深度融合奠定了基础[5]。

另外，运营商的城域网基本完成采用spine-leaf架构、SR/SRv6+EVPN协议为主的智能或新型城域网的建设，目标为2B/2C/2H的综合接入，传统的宽带接入逐步朝其迁移，UPF、BNG都部署在这张网络上，且部署方式，如在网络层次、连接方式、技术手段等方面都高度类似[6]。

2 固定、移动网络融合思路

2.1 融合的目标

通过以上分析，提出固移融合的目标：

（1）统一的接入网关，逐步由2类网关收敛为1类，实现固移综合接入。

（2）统一的承载网络，城域网内1张IP网，提升网络效率，降低网络成本。

（3）统一的控制层面，提供连续一致的业务，固移业务不再区分，只是感知与适应不同的接入方式[7] [8]。

2.2 融合的步骤

（1）网元的融合。城域网保留双平面，BNG升级为FWA网关（Fixed Wireless Access，固移融合接入网关）支持融合网关功能，IP城域网及承载网都可以对固移业务进行收敛。

（2）承载网络的融合。将IP承载网与IP城域网进行整合，FWA的出口即为互联网，城域网的IP网络实现业务的综合承载，如图1所示。

（3）控制面的融合。融合移动、固定的核心网，统一云平台，统一服务平台，实现固定、移动的业务融合，如图1所示。应该看到，融合后将在保持业务的连续性、一致性等方面提供很大的想象空间。运营商可以积极推动并参与相关标准组织加快这一进程。

经过以上3个步骤，固定、移动网络在物理层面上已经融为一体，增强了移动用户的感知，且大幅提高了投资的有效性。其中第一阶段是关键，本文将详细探讨第一阶段的融合，即UPF与BNG的融合，通过采用BNG软件加载UPF功能实现FWA功能，并在主要的应用场景下进行测试验证。

3 融合方案及实现流程

3.1 FWA的网络架构

FWA采用CUPS架构（控制与用户面分离），增加FWA专用的控制网元（即SMF+BNG-CP）。该网元支持SBI（Service-Based Interface，基于服务的接口）：通过增强的N4接口控制FWA，通过N11接口到AMF，通过N10接口到UDM，通过N7接口到PCF（可选），通过smf-Nnrf接口到NRF（可选），通过N40接口到CHF（可选）。融合网关FWA和gNB通过N3接口连接，BNG-CP作为SMF注册到核心网NRF，并注册它的服务能力，包括支持的FWA DNN等信息。如图2所示。

宽带接入同原有的业务流程只是采用C/U分离的模式。当接入移动业务时，AMF基于用户配置的业务类型DNN（数据网络名称）选择专用SMF，SMF根据配置策略（DNN/切片）选择合适的FWA作为UPF（本地配置策略或由NRF指定）。即DNN触发新增的SMF，SMF指定融合网关。其中，FWA用户的签约数据及后续计费数据，既可以锚定RADIUS，也可以锚定移动核心网，在固、移核心网未融合前，可以采用分别归属的方式处理。

现网中，我们将现网BNG进行升级支持FWA功能，并新增专用SMF，实现融合网关对固定及移动的综合接入。

3.2 FWA建立会话的主要流程

（1）终端注册和认证，遵循标准的5G认证流程。

（2）AMF确定SMF。AMF根据用户的DNN（由终端请求信息获取或由UDM获取）和网络策略，查询NRF，确定用户应该连接的SMF；对于FWA用户，通过配置特定的DNN将这些会话发送给专用SMF。

（3）SMF选择FWA，并建立会话。SMF查询UDM获得用户签约数据，根据DNN选择合适的UPF（本方案中为FWA）。SMF向FWA发送创建会话消息，携带用户的user-name，给用户分配IPv4或IPv6地址，QoS，并指示N3/N6接口装载位置等信息。

（4）FWA创建会话，发送回应消息将创建好的会话信息返回给SMF，如N3接口的IP地址、GTP-U的F-TEID、Session ID等。

（5）SMF发送N1-N2 Message给AMF，通知基站侧创建无线信道资源和N3 GTP-U隧道资源。

（6）基站创建承载资源后，将资源信息发给AMF，AMF再告知SMF，其中包含FWA需要的基站N3接口信息（接口IP地址和F-TEID）。SMF再通过会话修改请求消息告知FWA。至此和N3接口的资源就创建完毕。

（7）SMF告知AMF用户面Context状态变为ACTIVIATED状态。此时双向的用户面通道就创建完成，UE可以正常收发数据了。

3.3 不同场景下的测试需求

针对家庭客户、个人客户、政企客户三种应用场景，以FWA作为综合接入网关进行了测试。基于现网多厂家环境，其中FWA、5G CPE采用NOKIA设备，5G基站及核心网采用华为设备，UE为任意品牌。

4 对个人及家庭场景下的固移融合场景

测试

4.1 现网测试环境搭建

基于现网搭建了测试环境，如图3所示，左侧是广州的智能城域网、5G的基站及核心网5GC，右侧是东莞的IP城域网、融合BNG（FWA）及IDC数据中心内的SMF（BNG-CP）。

环境搭建的主要步骤包括：

（1）5GC配置测试用户数据，AMF配置根据DNN选择特定的SMF。

（2）东莞IDC内部署SMF，以独立服务器加载软件来实现。

（3）东莞城域网现网BNG（已接少量宽带用户）软件升级，支持FWA功能。

（4）调通SMF和FWA间网络，建立信令通道（即N4接口）。

（5）广州智能城域网与东莞IP城域网利用option A实现VPN对接，打通SMF和5GC之间N10/N11 VPN，打通基站和FWA之间N3 VPN。

4.2 家宽业务测试

CPE必须支持多DNN，家宽的不同业务由不同的DNN承载，分配不同的QoS策略，终结到不同VPN。上网业务支持分配公网或私网地址，当采用私网地址时，通过BNG上的NAT访问Internet。IPTV组播复制点在FWA上，对无线网络无特殊要求。将家宽上网业务产生的记账信息发送到固网Radius，支持5GC的N40接口实现计费。

4.2.1 主要配置

网络方案如图3所示，主要配置如下：

（1）CPE：支持多个用户接口。端口1作为互联网接入，配置为路由模式；端口2配置成桥接模式，连接机顶盒接入IPTV；另外，配置内部接口用于VoIP/TR069管理，配置为路由模式。每个业务类型对应不同的DNN，建立三个独立的会话。

（2）FWA：配置GTP VPN用来终结基站连接过来的GTP-u隧道，并配置Internet、IPTV、VoIP/TR069 VPN用来终结不同业务。

（3）Radius：配置基于用户IMSI的多个账号，同一个IMSI的不同DNN，配置不同的QoS策略，对一部分账号做QoS限速，对另一部分账号不做限速。

（4）核心网用户数据：完成SMF在核心网上注册；配置家宽用户SIM卡的测试账号数据，允许接入Internet、IPTV、TR069三个DNN。

4.2.2 试点过程及结果

根据表1测试结果，FWA接入家宽业务完全满足家宽场景的要求，并且具有快速部署，覆盖全面的优势。

4.3 移动UE上网

FWA作为融合网关也可以接入手机（UE），我们测试了UE接入到FWA时对各类应用的支持情况，并观察业务的接入质量，测试环境如图3所示。

4.3.1 主要的数据配置

（1）UE：采用荣耀手机，采用默认配置，不需要额外配置，其DNN信息在UE注册到核心网时，从用户的签约数据获得。

（2）FWA：在融合BNG上配置GTP VPN来终结基站连接过来的GTP-u隧道，配置Internet VPN终结UE用户的数据业务。

（3）Radius：配置用户IMSI的账号，配置QoS策略继承5G核心网数据。

（4）核心网用户数据：配置用户SIM卡的测试账号数据，默认DNN为fwadnn，允许访问Internet业务，配置用户QoS数据，对于fwadnn配置选择BNG-CP作为SMF。

4.3.2 测试情况

手机注册到测试网络，连接到融合网关。测试各类主要的手机应用，结果如表2所示。

测试表明，UE接入FWA可以获得优良的使用效果，满足各类应用对时延和带宽的要求。由于FWA当前版本的功能限制，目前支持数据业务的终结，未测试语音业务。在实际应用时，可在核心网配置将语音业务DNN关联到现网支持VoLTE/VoNR的SMF，数据业务关联到支持FWA的SMF，从而实现手机全业务。在计费功能方面，我们测试了按业务流量和时间的计费，均较好支持，但目前版本不支持应用级计费（如定向流量套餐包），需FWA后续演进支持。

5 企业园区固移融合接入

5.1 园区固移融合组网需求

在园区环境下，政企用户既有无线移动接入的需求，又有固网接入的需求，目前基本上采用WLAN+固网的方案，但WLAN在稳定性、安全性、覆盖范围、网络扩展性等多方面存在局限，通过部署FWA，实现5G+固网的综合接入，可以较好地满足这类需求。

5.2 园区固移融合组网试点方案

我们选择了2个园区和2个政企客户，组网方案如图4所示，BNG-CP（内置SMF）已经注册到核心网。园区服务器通过宽带接入网连接到融合BNG（即FWA），移动终端通过5G网络连接到融合BNG，对于同一个企业，固定网络和5G网络连接终结到同一个VPN。

主要配置如下：

（1）移动终端：手机配置SIM卡，在园区内移动，也可以园区外使用。

（2）融合BNG（FWA）：配置2个VPN（org1， org2），终结固网和5G网络接入的用户，并在BNG-CP上基于DNN进行配置：org1用户就近接入BNG1，org2用户就近接入BNG2。

（3）Radius：配置IMSI账号和QoS策略。

（4）核心网：配置SIM卡及其DNN信息，对于org1的用户分配org1 DNN，org2的用户分配org2 DNN。

以上方案能实现园区内同一个单位的固、移终端接入到同一个VPN，不同接入方式都能获得高速、可靠、安全的网络访问。移动终端在园区内可以实现无中断移动，当离开园区时，可以通过5G网络连接到它所在的VPN，实现远程接入。

5.3 试点过程及结果

测试了不同的组网场景，具体结果如表3所示。

从表3测试结果可知，采用FWA固移融合组网可以满足园区内移动、固定同时接入组网用户的需求，且能保证网络的安全性、可靠性、扩展性。

6 结束语

以上测试实现了5G CPE、手机UE通过融合网关接入到互联网，实现了园区场景的固移融合专网组网。BNG升级支持UPF功能，实现了固移的融合接入，可以有效发挥现有BNG效率，降低UPF的投资，还可以开发固移融合业务。下一步，我们将进一步提高FWA的移动业务支持能力，包括语音功能、内容计费等。同时充分挖掘固移综合接入的优势，将已建设的MEC与FWA进行连接，通过云、网、边、端的协同，提供更多云网/算网创新业务。

参考文献

[1] 薛强，屠礼彪．面向5G的新型城域承载网的建设思路探讨与实践[J]．邮电设计技术，2020，527（1）：30-36．

[2] 3GPP TS 23.501， System architecture for the 5G System （5GS） Stage 2[S]， 3GPP， 2022.

[3] 3GPP TS 29.244， Interface between the Control Plane and the User Plane nodes[S]，3GPP， 2019.

[4] BBF TR459 Issue 2， Control and User Plane Separation for a disaggregated BNG[S]， Broadband Forum， 2023.

[5]李彤，马季春．云化背景下运营商数据网演进思路探讨[J]．邮电设计技术，2017（10）：1-4．

[6]曹畅，张帅，唐雄燕．下一代智能融合城域网方案[J]．电信科学，2019，35（10）：51-59．

[7] BBF MR-427， 5G Fixed-Mobile Convergence， Broadband Forum[S]， 2018.

[8] BBF TR-470， 5G Wireless Wireline Convergence Architecture Issue 2[S]， Broadband Forum， 2022.