5G国际漫游网络实现方案研究

文旭桦 吕振华 李雪馨
【摘 要】为满足5G国际漫游的业务需求,分析了5G国际漫游的组网方案和运营商国际局的部署方案,对关键网元的功能和新特性的实现进行了研究,探讨了5G国际漫游关键业务流程,并对未来的研究方向提出了建议。
5G;国际漫游;SEPP
1 引言
5G网络正从方案、标准逐步落地成为现实。除了无线网部分的新特性外,在核心网方面同样产生了不少新特性,其中较为显著的包括C/U控制面与用户面分离并实现分布式部署,基于服务的架构(SBA)快速支持新的业务需求,网络切片提供差异化服务,多接入技术承载。新的特性产生了新的网络架构和新的业务能力,5G核心网如何在国际漫游场景中实现对业务的支持,这是运营商必須要面对的课题之一。
2 5G国际漫游需求分析
3GPP对5G应用定义了三大场景——eMBB(enhance
Mobile Broadband,移动宽带增强)、mMTC(massive
Machine Type of Communication,大规模物联网或海量机器通信)、uRLLC(ultra Reliable & Low Latency Communication,超高可靠超低时延通信)。由于mMTC和uRLLC涉及到的一些关键技术,如可选MEC、QoS策略增强、本地DN网络等需要特殊支持的功能要在R16版本中得到确定,而目前R16版本尚未冻结,因此本文仅讨论eMBB场景下的国际漫游。
eMBB是在目前4G高速上网业务的基础上,给用户提供更加高速的业务体验,其典型的用户体验速率可高达100 Mb/s。在国际漫游的自主控制和网络安全的前提下,如何向用户提供优质高速的跨运营商业务,这是归属运营商需要重视的问题。
3 5G国际漫游组网及关键网元研究
3.1 国际漫游组网
建设5G网络需要运营商进行大量的资金投入,因此5G网络的部署应是一个循序渐进的过程,期间需要对4G网络进行兼容。为综合考虑无线侧和核心网的技术升级需求,3GPP提出了5种5G网络架构,分别为Option2、Option3、Option4、Option5、Option7。不同的架构对应不同的无线侧与核心网的互联方案,对终端的能力也有不同的要求,可能会导致某种架构下的用户无法漫游到另一种架构的网络,如表1所示。对于无法互通漫游的场景,用户只能回落至当前的3G/4G网络进行漫游。
与3G/4G国际漫游类似,5G国际漫游的组网也可以分为漫游地路由(Local Breakout)方案以及归属地路由(Home-Routed)方案。
漫游地路由方案如图1所示,用户面业务流通过漫游地UPF接入DN。归属地AUSF与漫游地AMF通过N12接口互通,归属地UDM与漫游地AMF通过N8接口互通,归属地UDM与漫游地SMF通过N10接口互通,上述接口主要用于归属网络对用户实施鉴权认证和注册管理。归属地H-PCF与漫游地V-PCF通过N24接口互通,用于向漫游地提供策略规则。此方案归属地网络仅对用户进行鉴权认证和策略控制,不对业务进行控制,产生的网间流量较少。
归属地路由方案如图2所示,用户面业务流通过回到归属地接入DN。归属地H-NSSF与归属地V-NSSF通过N31接口互通,用于接收来自归属地的网络切片规则。归属地AUSF与漫游地AMF通过N12接口互通,归属地UDM与漫游地AMF通过N8接口互通,归属地H-PCF与漫游地V-PCF通过N24接口互通,归属地H-SMF与漫游地V-SMF通过N16接口互通,归属地UPF与漫游地UPF通过N9接口互通。此方案归属地网络将对会话进行管理并对业务进行控制,所有控制面流量通过N16接口回到归属网络,业务流量通过N9接口由归属地UPF进入DN,均成为网间流量。
虽然漫游地路由方案可以优化用户面路由,减少漫游业务的时延,网间流量和业务体验更优,但是在业务控制、策略控制方面需要双方有更多的互操作。同时,由于计费控制点位于漫游地,归属地无法对用户进行计费。反观归属地路由方案虽然会产生大量的网间流量,但归属地具有计费点,能够掌握用户的使用情况并进行计费。另一方面,此方案也与目前商用的4G国际漫游方案架构比较类似。可见,归属地路由方案将成为运营商实现国际漫游的首选,下文将着重对此方案进行阐述。
5G核心网将采用基于服务的架构(SBA),即将传统的点对点通讯方式,转变为统一的基于服务化架构和接口,网元被定义成可灵活调用的业务模块,并通过松耦合接口调用。基于SBA的5G国际漫游归属地方案如图3所示。通过IT化总线方案,避免了传统国际漫游架构中双边网元紧耦合造成的繁复互操作,提高了功能的重用性,具备通过IT化语言进行编程的能力,提升了网络的可拓展性。
3.2 漫游关键网元功能及国际局
(1)SEPP
在SBA架构下,国际局需要新增网元SEPP(Security Edge Protection Proxy),作为基于服务的安全代理网关,实现消息过滤和PLMN间控制平面接口的监管功能,为跨PLMN的两个NF之间交换的所有业务层信息提供安全保障。SEPP间的接口为N32。
SEPP能够接收来自本网NF的所有服务层消息,并对它们从N32接口转发之前进行保护。另一方面,在验证安全性后,SEPP将接收N32接口上的所有消息并转发至网内NF。
在网络中,SEPP作为不透明的代理节点,具备的能力包括:
保护分属不同PLMN的两个NF间应用层控制面消息的相互通信;
在漫游网络中与对端SEPP进行密码协商和相互认证;
进行拓扑隐藏,限制内部NF拓扑信息外泄;
作为反向代理,为内部NF提供单一的外网访问出口和控制点;
负责N32接口的网间密钥管理;
通过N32接口传送与NF服务相关的信令之前,SEPP通过协商,确定保护信令的安全机制。
(2)NRF
NRF(NF Repository Function,网元数据仓库功能)是5G核心网络的网络实体,支持服务发现功能,负责从NF接收NF发现请求,并反馈所发现的NF实例信息,维护可用NF的配置文件及其支持的服务,类似于目前DNS实现的功能。
在国际漫游场景中,为了便于本网的NF与对端运营商NF互相发现,可以在国际局中部署NRF。漫游地中的NRF称为V-NRF,配置漫游地的信息。归属地中的NRF称为H-NRF,配置归属PLMN的信息,与V-NRF通过N27接口互通。每次NF发起的NF发现请求均被发送至本网NRF,随后由其通过N27接口转发至对端NRF。
(3)网络切片
网络切片针对特定的应用要求,以切片的形式虚拟出专用的通信及网络能力,满足业务在资源分配、QoS、优先级、计费及策略控制等方面的差异化需求。
一个网络切片由S-NSSAI(Single Network Slice Selection Assistance Information)进行定义,由SST(Slice/Service Type)和SD(Slice Differentiator)两部分组成。SST代表网络切片的功能和业务类型,SD为可选项,以辅助区分具有相同SST的多个网络切片。网络切片的选择由NSSF(Network Slice Selection Function)实施。
国际漫游场景下,如果UE仅使用标准S-NSSAI值,则可以在VPLMN中使用与HPLMN中相同的S-NSSAI,规范定义了eMBB的标准SST值为1。非标准S-NSSAI需要双方运营商间就业务达成映射协议,VPLMN的NSSF将用户携带的S-NSSAI值映射到VPLMN中使用的相应S-NSSAI值,其间不与HPLMN交互。就当前需求而言,双方仅进行eMBB的漫游,因此只需要使用标准的S-NSSAI,不需要协议映射。
(4)国际局
国际局作为运营商专用于国际漫游的关口局,是与境外运营商互通的连接点,能够集中管控国际漫游业务,对外隐藏本网拓扑,针对国际业务进行计费。图4是5G国际局的一种部署建议,除了部署iSEPP实现网元拓扑隐藏和安全保障外,还需要提供iNRF与对端运营商互通网元发现请求。此外,国际局可以部署SMF、UPF和PCF专用于国际漫游的业务处理和策略控制,集中控制全网用户的国际漫游行为。如果不部署专用网元,则由iNRF根据策略选择合适的网元。
4 5G国际漫游关键业务及流程
eMBB高速上网业务是5G国际漫游的关键业务,PDU会话建立是其中一个关键流程。归属地路由方案下PDU会话建立时,漫游地AMF選择V-SMF和H-SMF,并将H-SMF的标识符提供给V-SMF。用户的PDU会话由H-SMF与V-SMF实现控制面的互通。此外,H-SMF选择HPLMN中至少一个UPF,V-SMF选择VPLMN中至少一个UPF间实现用户面的互通。
对于每个PDU会话,NAS层面终止于VPLMN中的SMF,随后相关信息将被转发至HPLMN的SMF。会话建立过程中,H-SMF从V-SMF获得UE的SUPI,并检查用户的订阅信息。
H-SMF向V-SMF发送与PDU会话关联的QoS需求,并经H-SMF确认。如果有需要,H-SMF与V-SMF之间的接口也能够转发在HPLMN中的SMF和VPLMN中的SMF之间交换的用户平面信息。国际漫游PDU建立流程如图5所示。
(1)UE生成新的PDU会话ID和“初始请求”类型标识通过NAS消息向漫游地AMF发起PDU会话建立请求,并携带默认的S-NSSAI。
(2)漫游地AMF根据UE的请求选择合适的V-SMF。
(3)漫游地AMF向所选V-SMF发送Nsmf_PDUSession_CreateSMContext请求,其中包含了从UE中获取的H-SMF地址,SMF返回Nsmf_PDUSession_CreateSMContext响应。
(4)V-SMF根据其选择机制在漫游地选择一个V-UPF。
(5)V-SMF向V-UPF发起N4会话建立流程。若核心网隧道(CN Tunnel)信息由V-SMF分配,则在建立请求中将隧道信息提供给V-UPF。若核心网隧道信息由V-UPF分配,则在建立响应中将核心网隧道信息提供给V-SMF。
(6)V-SMF向H-SMF发起Nsmf_PDUSession_Create请求,配置信息包括用户的关键信息和网元关键信息,还可以包含H-SMF正确建立PDU会话所需的信息。
(7)H-SMF将UE的此次PDU会话与V-SMF ID进行关联并存储,随后向UDM发送Nudm_UECM_Registration对用户进行注册。
(8)UDM对用户进行会话授权/认证。
(9)H-SMF选择H-PCF,随后通过会话管理策略流程,从PCF获得用于PDU会话的默认PCC规则。
(10)SMF为PDU会话选择会话和服务连续性模式并选择UPF,为PDU会话分配用户IP地址及前缀。
(11)若有需要,H-SMF将与PCF交互以修改会话管理策略。
(12)H-SMF向H-UPF发起N4会话建立流程。若核心网隧道信息由H-SMF分配,则在建立请求中将隧道信息提供给H-UPF。若核心网隧道信息由H-UPF分配,则在建立响应中将核心网隧道信息提供给H-SMF。
(13)H-SMF向V-SMF发起Nsmf_PDUSession_Create响应,其中的核心网隧道信息包含了发往H-UPF的上行链路业务的隧道信息,并包含了多个QoS规则。
(14)V-SMF与AMF互通Namf_Communication_N1N2MessageTransfer消息,包含PDU会话ID,N2 SM信息也携带了通过AMF转发给RAN的信息。
(15)AMF将包含针对UE的PDU会话ID和PDU会话建立接受的NAS消息以及在N2 PDU会话请求内从SMF接收的N2 SM信息发送到(R)AN。
(16)(R)AN与UE进行RRC连接重配置,将在步骤12中提供的NAS消息转发给UE。
(17)N2 PDU会话响应。
(18)AMF向SMF发送Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext请求,将从(R)AN收到的N2 SM信息转发给SMF。
(19)V-SMF向V-UPF启动N4会话修改过程。V-SMF为此PDU会话在V-UPF上提供分组检测,执行和报告规则。V-UPF向V-SMF返回修改响应。
(20)SMF向AMF返回Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext响应,PDU会话建立。
5 结束语
国际漫游是运营商全面运营后必须要考虑的业务,本文分析的仅是5G场景中一个最容易实现的场景。随着5G规范的逐步完善和网络建设的推进,将有更丰富的业务场景出现漫游需求。如Local Breakout方案将显著提升5G的业务体验,而未来会有更多的组网方案及网元特性来满足mMBB及uRLLC等5G新增场景对漫游能力的需求,国际漫游存在着广阔的研究空间。
参考文献:
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