5G核心网SA组网方案及4G/5G互操作探讨

  ICC讯 自从3GPP 组织于2018年6月底完成R15 Phase1.2 SA标准冻结以来，SA(StandAlone 独立组网)组网方案受到了运营商和通信设备厂商的极大关注。通信设备厂商都在积极开发SA版本，标准冻结后短短半年时间，各大厂商已经推出测试版本，同时国内三大运营商也在积极测试SA版本，适时推进SA部署。SA标准之所以受到运营商和设备厂商的追捧，相比NSA(Non StandAlone 非独立组网)标准，SA标准具有如下优势：

  (1)SA标准是纯5G核心网架构：由于NSA标准早于SA标准冻结，SA是目标网络方案，可以避免NSA组网下的频繁的网络改动问题。

  (2)SA方案对现网改造量小：基于EPC+(Evolved Packet Core Internet ,演进的分组核心网)的NSA仍需向SA方案演进，网络需要多次改造;基于的NSA方案需对4G基站升级到eLTE(Enhanced long Term Evolution，增强型长期演进)，升级改造量大，且异厂家基站间难实现 4G/5G双连接。

  (3)SA方案的业务能力更强：5G核心网可以支持网络切片、边缘计算等新特性。5G网络初期以Embb(Enhanced Mobile Broadband，增强移动宽带)热点区域覆盖为主，离开5G区域，通过核心网实现与4G的互操作。对于eMBB业务，终端本身有缓存机制，业务体验不受影响。

  (4)SA方案的终端成本低：NSA方案下3.5GHz频段组合在终端侧存在较严重干扰问题，为解决该问题将导致终端成本较高。SA终端由于不涉及双连接等技术，终端相对简单，成本较低。

  2019年6月6日，工信部正式发放5G牌照，中国正式进入5G元年。SA是目标架构，获得牌照的运营商积极部署SA网络，争取尽快商用。由于5G部署初期，基站覆盖不完善，5G用户回落到4G是不可避免的，因此4G和5G互操作是SA组网方案的一个难题，本文将重点探讨SA独立组网以及该组网的4G/5G互操作。

  1 5G架构Options概述

  考虑不同无线接入和核心网的排列组合，另外考虑双连接时控制面选择不同的无线接入技术，共有8个Option。不同无线接入和核心网的排列组合如图1所示。

  图1 不同无线接入和核心网的排列组合

  从终端的角度看，双连接是指终端同时连接两个基站进行数据传输，场景包括LTE和LTE、LTE和NR(New Radio 新无线电)、NR和NR、eLTE和eLTE，eLTE和NR。单连接是指终端只连接一个基站进行数据传输，场景包括LTE，eLTE和NR。基于单连接和双连接的概念，我们来区分NSA和SA。NSA是非独立组网，终端需要双连接，包含Option 3、Option 4、Option 7和Option 8。SA是独立组网，终端只需单连接，包含Option 1、Option 2、Option 5和Option 6。

  (1) Option 1: 5G终端以4G接入，不能体现5G的优势。

  (2)Option 2: 独立的5G架构，5G基站接入5G核心网。

  (3) Option 3: 5G终端双连接5G基站和4G基站，核心网是4G核心网。控制面锚点在4G基站，用户面分流可以在4G基站，也可以在5G基站，也可以在4G核心网。

  (4) Option 4：5G终端双连接5G基站和4G基站，核心网是5G核心网。控制面锚点在5G基站，用户面分流可以在5G基站，也可以在5G核心网。

  (5) Option 5：5G终端单连接4G基站，5G核心网，没有5G基站，无法体现5G优势。

  (6) Option 6：5G终端单连接5G基站，4G核心网，仅支持eMBB，5G能力有限。此选项要求5G连续覆盖，不适合5G初期部署，已经排除

  (7) Option 7：5G终端双连接5G基站和4G基站，核心网是5G核心网。控制面锚点在4G基站，用户面分流可以在4G基站，也可以在5G基站，也可以在5G核心网。

  (8)Option 8：5G终端双连接5G基站和4G基站，核心网是4G核心网。控制面锚点在5G基站，用户面分流可以在5G基站，也可以在4G核心网。此选项要求5G连续覆盖，且5G基站需要同时连4G核心网和5G核心网，增加不必要的负责性，已经被排除。

  通过分析8个Option，可以看出NSA组网中Option 3方案最佳， SA组网中Option 2 方案最佳。NSA方案只需要升级4G核心网，运营商可以快速推出5G服务。但是NSA只能支撑大带宽业务，无法支持海量连接、高可靠低时延业务和网络切片功能。SA方案需要新建5G核心网，是5G目标架构。但是SA相关标准还不完善，商用难度大。因此5G初期主流运营商都选择NSA商用，同时加大力度测试验证SA，向目标架构SA演进。

  2 基于Option 2的SA组网

  在Option 2中，需要新建5G核心网。5G核心网根据5G三大业务场景要求重新进行了设计，可以满足各种业务需求，包括eMBB(Enhance Mobile Broadband，增强型移动互联网)、uRLLC(Ultra Reliable & LowLatency Communication， 超高可靠性与超低时延通信)、mMTC(Massive Machine Type Communication，海量物联网通信)业务、支持网络切片、支持边缘计算等特性。5G核心网实现了网络功能模块化以及控制功能与转发功能的完全分离。控制面可以集中部署，对转发资源进行全局调度;用户面则可按需集中或分布式灵活部署，当用户面下沉靠近网络边缘部署时，可实现本地流量分流，支持端到端毫秒级时延。与传统参考点的架构方式相比，5G核心网控制面功能借鉴了 IT 系统中服务化架构，采用基于服务的设计方案来描述控制面网络功能及接口交互。由于服务化架构采用 IT 化总线，服务模块可自主注册、发布、发现，规避了传统模块间紧耦合带来的繁复互操作，提高功能的重用性，简化业务流程实现。3GPP标准上规定了服务接口协议采用TCP/TLS/HTTP2/JSON，提升了网络的灵活性和可扩展性。

  5G基站部署初期，覆盖区域不完善，为了保障业务的连续性及用户的体验，需要4G/5G协同互操作。在Option 2中，当5G终端不在5G覆盖范围内，需要回落到4G网络。由于5G终端单连接基站，且5G核心网只和5G基站连接，4G/5G的互操作只能在核心网之间通过N26接口完成。4G/5G互操作如图2所示。

  图2 4G/5G互操作

  关于4G核心网与5G核心网互操作，标准协议中也规定了5G核心网的网元中UDM(Unified Data Manager,统一数据管理平台)需与HSS(Home Subscriber Server,归属签约用户服务器)合设、SMF(Session Management Function 会话管理功能)与PGW-C(Packet data network Gateway-control 分组数据网络网关-控制面)合设、UPF(User Plan Function 用户名功能)与PGW-U(Packet data network Gateway-user 分组数据网络网关-用户面)合设、PCRF和PCF(Policy Control Function 策略控制功能)合设。为避免用户的数据路由迂回，通常SMF/PGW-C和SGW-C(Service Gateway-control 服务网关-控制面)合设，UPF/PGW-U和SGW-U(Service Gateway-user 服务网关-用户面)合设。因此在5G初期，4G核心网和5G核心网是融合部署的。除了标准协议中已经明确的部署方式外，下面重点探讨几个开放式的部署策略，通过分析，给出建议。

  2.1 控制面部署层面

  在4G核心网的全国部署架构中，控制面大区集中部署和分省集中部署都有成功部署的案例。因此在5G核心网组网方案中，控制面网元组网也提出了大区集中设置和分省设置的架构。

  在控制面大区集中设置架构中，集团骨干层面集中部署UDM/HSS/UDR、PCF/PCRF、AMF、SMF/GW-C、NRF、NSSF，用户面网元UPF/GW-U可按需部署在省及地市层面。在这种架构中，大区中心的控制面网元管理多个省的用户面网元。

  在控制面分省集中设置架构中，集团骨干层面集中部署NRF(Network Repository Function 网络仓储功能)和NEF(Network Exposure Function 网络开放功能)，省层面部署UDM/HSS/UDR、PCF/PCRF、AMF、SMF/GW-C、NSSF(Network Slice Selection Function 网络切片选择功能)，用户面网元UPF/GW-U可按需下沉到地市层面。

  承载公众上网业务的UPF通常部署在省会或地市的核心机房;与MEC协同承载政企业务的UPF为了降低时延，会下沉到离用户比较近的机房，通常部署在省会和地市的边缘机房。

  虽然大区集中部署集约化程度高，便于管理，符合运营趋势，同时资源利用率高，有利于全国性业务统一发放，但是也存在时延大不能满足高速移动、低时延类业务需求的致命性缺点。同时，目前三大运营商的4G核心网都是分省部署，每个省的HSS和计费单独设置。如果5G核心网采用大区制部署，涉及4G网络中的HSS数据全网割接问题，计费架构也要同步变化。基于上述两个风险考虑，建议5G核心网仍然沿用分省集中部署架构。

  2.2 AMF/MME合设和分设

  AMF(Access and Mobility Management Function 接入及移动性管理功能)和MME(Mobility Management Entity 移动性管理功能)可以合设，也可以分设，结合同厂家和异厂家情况，有以下三种方案。

  方案1：新建AMF和现网MME分设。新建的AMF和现网的MME可以同厂家，也可以异厂家。4G基站和现网MME的配置保持不变，5G基站接入AMF，MME和AMF通过N26接口互通，4G和5G核心网各自承载的容量规划清晰简单。

  方案2：新建融合AMF/MME与现网MME分设。新建的AMF/MME和现网的MME可以同厂家，也可以异厂家。4G基站需要升级支持同时配置新建的MME和现网的MME,双连接造成容量规划比较复杂。

  方案3：通过组pool的方式，新建融合AMF/MME与现网MME合设，只有同厂家才能支持合设。新建融合AMF/MME后，对于5G终端从4G网络接入选择MME时，是选择融合的AMF/MME还是选择4G核心网的MME，需要网络重新规划网络容量。

  通过分析以上三种方案，首先，每种方案都需要现网MME升级支持N26接口;其次，从对现网影响的角度，方案1最适宜。

  2.3 用户数据库迁移

  为了支持4G用户在不换卡不换号情况下无感知使用5G业务，需要将4G核心网用户数据零散地从HSS平滑迁移至5G核心网的UDM/HSS数据库。迁移过程中最核心的问题是：5G用户从4G网络接入时，MME不知道将用户消息路由给4G的HSS还是5G融合的UDM/HSS，针对此问题分析如下：

  方案1：若5G新建的UDM/HSS和4G现网的HSS同厂家，则可以将后台部分融合，前台部分分设。无论用户是否签约了5G业务，当5G用户从4G网络接入时，都可以通过HSS查询到该用户的数据。这种方案仅适用于同厂家。

  方案2：现网HSS升级支持S6a消息的Proxy。5G用户从4G网络接入，MME首先去4G核心网HSS查询用户消息，当发现无用户数据时，将消息proxy给5G核心网的UDM。这种方案适用于异厂家。

  方案3：新建5G核心网UDM/HSS，将现网HSS数据一次性全部割接过去。此方案适用于异厂家，但是全网割接风险较大，且造成4G核心网投资浪费。

  通过分析以上三种方案，若4G/5G核心网同厂家，建议方案1;若异厂家，建议方案2。

  2.4 计费方案

  3GPP RELESE 15标准只定义了融合计费标准。融合计费主要是部署在IT侧，需要IT侧升级改造支持服务化接口，同时需要在线计费系统支持离线计费话单和融合计费话单。3GPP RELESE 16标准已经立项在线计费和离线计费分离方案，在线计费服务集中部署，离线计费服务部署在核心网侧，目前标准仍然未冻结。在4G核心网中，三大运营商都是采用的分离计费方案。如果5G核心网采用融合计费架构，对IT侧的改动非常大。考虑到计费的重要性，建议待分离计费架构标准冻结后，考虑仍然沿用4G的分离计费架构。在标准冻结前，无法计费，可以考虑包月等收费策略。

  2.5 语音和短信方案

  5G初期，无线网络的覆盖不连续不完善，无法支持VoNR(Voice over new radio)方案，所以语音和短信业务只能采用EPS Fallback方案，回落到4G网络，利用VoLTE提供语音和短信业务。待未来无线网络的连续覆盖达到一定程度之后，可适时引入VoNR方案，即由5G网络直接承载用户的语音业务。

  3 结束语

  目前主流运营商都发布了只支持eMBB业务的NSA商用，但是SA组网是5G网络的目标架构，后续仍然要向SA演进，支持5G三大业务和网络切片。尽管计费等相关标准还不完善，运营商和厂家都在积极推动SA版本的测试和改进。随着5G牌照发放，商用进程加快，预计2020年底，SA会开始商用。