摘 要：SA(Standalone独立组网)架构是5G核心网的目标架构。在SA架构下，4G/5G互操作是在核心网实现。本文针对4G/5G核心网互操作，分析了控制面网元整体部署架构、接入层网元组网、用户数据库迁移、计费、语音及短信方案，同时结合4G核心网现状，给出核心网互操作部署建议。
关键词：5G核心网、SA、NSA、互操作
Research on 5G Core of SA and 4G/5G interoperability
HUANGYuan-yuan
ABSTRACT：The SA (Standalone, Independent Networking) architecture is the target architecture of the 5G core network. Based on the SA architecture, 4G/5G interoperability is implemented in the core network. In this paper, the 4G/5G core network interoperability is analyzed. The overall deployment architecture of the control plane network element, the access layer network element network, user database migration, billing, voice and short message solution are analyzed. At the same time, Combined the existed 4G core network, give some suggestion about network interoperability deployment.
KEY WORDS：5G core network, SA, NSA, interoperability
1、前言
自从3GPP组织于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。
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。
2、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:
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) Option3: 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) Option4：5G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) Option5：5G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) Option6：5G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) Option7：5G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) Option8：5G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Option3方案最佳， SA组网中Option2 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。
3、基于Option2的SA组网
在Option2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Option2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。
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(ServiceGateway-control 服务网关-控制面)合设，UPF/PGW-U和SGW-U(ServiceGateway-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。
3.1 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。
3.2 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。
3.3 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.
3.3 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。
3.4 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。
4、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，预计底，SA会开始商用。
参 考 文 献：
[1] 3GPP TS 23.501 V15.2.0 (-06)
[2]3GPP TS 23.502 V15.2.0 (-06)
[3]3GPP TS 23.503 V15.2.0 (-06)
[4] 匡志华.浅谈5G SA网络架构和组网策略[J].通讯世界..03
