5G核心网用户数据演进方案

来源:用户上传      作者:

　　【摘  要】从NSA演进到SA的关键之一是5G核心网的演进，而用户数据的演进在其中承担关键作用。为解决包括携号转网场景下5G NSA非独立组网向SA独立组网演进过程中的用户数据平滑演进问题，采用多场景对比分析方法，结合真实的5G SA网络的规劃、设计、部署演进经验，总结提出了一整套NSA向SA演进用户数据平滑演进方案。该方案已经在国内和国际运营商的5G SA网络中得到了很好的验证。
　　【关键词】5G;5GC;用户数据管理;独立组网;非独立组网;携号转网
　　doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.01.011        中图分类号：TN929.5
　　文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）01-0058-05
　　引用格式：陈亚权，姬庆发，方琰崴，等. 5G核心网用户数据演进方案[J]. 移动通信， 2020，44（1）： 58-62.
　　0   引言
　　由于无线的建设和覆盖是个逐步的过程，5G NSA（Non Standalone Architecture，非独立组网架构）向5G SA（Standalone Architecture，独立组网架构）的演进必将是个循序渐进的过程，不可一蹴而就[1]。在5G NSA的早期和中期，由于覆盖的问题，2G/3G/4G网络将与5G网路长期并存，并基于业务连续性的需求，需要HLR（Home Location Register，归属位置寄存器）/HSS（Home Subscriber Server，归属用户服务器）和UDM（Unified Data Management，统一用户管理）进行互通。3GPP通过技术报告TR 23.732[2]对方案的可性能进行了分析，并在TS 23.632[3]中针对其中一种场景“现网HLR/HSS支持服务化接口”给出了详细的解决规范。
　　3GPP给出了多种可选方案的建议，但很难涵盖所有的场景，运营商在实际部署时，会结合自己的网络实际情况，本文将结合3GPP标准定义和运营商网络情况，聚焦用户数据的灵活和优化的演进方案。
　　1   2G/3G/4G和5G用户数据管理架构对比
　　5G核心网架构和2G/3G/4G核心网架构完全不同，带来的用户数据架构也必然不同，SBA（Service Based Architecture，服务化架构）基于HTTP协议的SBI（Service Based Interface，服务化接口）总线接口方式[4]，采用云原生技术[5]，根据3GPP定义，两者架构如图1所示。
　　由图1可知，2G/3G/4G基于MAP/Diameter协议的点对点协议交互方式，已经被5G的基于HTTP的基于服务架构的SBI总线接口方式所取代。协议和架构的变化，必然导致用户数据演进的复杂性大大增加。而一张成熟的网络，又必然是2G/3G/4G/5G同时共存，因此5G用户数据必然需要和2G/3G/4G用户数据发生交互。
　　为了提高用户体验，实现用户不换卡不换号的平滑迁移，这就需要网络侧为各种场景下的演进，做好充分的准备，为两种架构搭起演进的桥梁。
　　3GPP TR 23.732中，提出了两种演进路径，一种是采用扩展UDM功能的方法，让UDM能够支持2G/3G/4G网元现有的MAP/diameter协议和相关接口，与现网HLR/HSS及其他网元对接。此方案对现网HLR/HSS厂家无新增需求，但要想让UDM能承担该网元功能之外的2G/3G/4G协议和接口功能，势必要堆砌很多原本不属于UDM的业务逻辑，造成实现复杂。另外由于架构上2G/3G/4G和5G用户数据的存储是分离的，势必造成同一个用户的5G签约和2G/3G/4G签约缺乏一致性，而没有手段来进行签约信息的同步。
　　为解决用户数据分离而导致用户签约不一致的问题，3GPP还给出了共享UDR（Unified Data Repository，统一数据存储）且现有HLR/HSS不和UDM对接的路径。此方案通过业务开通系统保证一个用户的2G/3G/4G/5G签约存在于同一个UDR数据库中，规避了跨HLR/HSS和UDM/HSS/HLR的数据访问需求。同时通过网络中的DRA（Diameter Routing Agent，Diameter协议路由代理）/STP（Signal Transfer Point，信令转接点）实现路由功能，该方案解决了两个HLR/HSS的信令路由问题，难点是需要改造业务开通系统，同时STP/DRA需要针对5G用户增加路由信息，对设备容量要求高。
　　2   2G/3G/4G用户数据向5G演进方案
　　2G/3G/4G用户数据和5G用户数据管理，虽然3GPP有完整的架构定义，但是业界的厂家实现是各不相同，厂家之间除了标准的接口和协议可以互通外，在数据格式、容灾方式、内部处理等各方面都是不同的。如果2G/3G/4G用户数据和5G用户数据来自同厂家，也存在接口、协议的转化，如果来自不同厂家，这样的复杂程度更加倍增，演进方案也更加复杂。
　　另外由于运营商的BOSS（Business Operating System
　　Software，运营支撑系统）和用户数据管理平台有接口交互，因此演进方案中除了需要考虑核心网的网元，还需要考虑对业务开通的影响。
　　目前国内及海外众多开通5G业务的网络，都是基于非独立组网NSA架构，只是利用2G/3G/4G核心网来接入5G无线，也就是用HLR/HSS来保存用户数据。但是要真正体现5G核心价值，就必须要采用独立组网SA架构，也就是说必须要采用UDM/UDR/AUSF（Authentication Server Function，认证服务功能）来保存用户数据，这是必由之路，而且在5G SA架构里的众多网元中，UDM/UDR/AUSF需要先行部署，便于用户进行注册后享受5G业务。 　　由于运营商的2G/3G/4G和5G用户数据管理平台还有可能不同厂商，因此演进方案将从厂家生态、资源需求、工程交付、运维管理、业务开通等各方面进行分析，在各种不同条件下，有多样的演进方案，如表1所示。
　　2.1  搬迁方案
　　整體搬迁方案存在于无法将2G/3G/4G HLR/HSS进行升级以和5G用户数据进行融合，只能将现网的2G/3G/4G HLR/HSS BE数据整体迁移到5G UDR中，然后将STP/DRA的信令切换到5G UDM，实现2G/3G/4G用户不换卡不换号享受5G SA业务。这种整体搬迁方式可以一次性解决两种架构的用户数据的分离存储，无论2G/3G/4G HLR/HSS是NFV（Network Functions Virtualization，网络功能虚拟化）或者非虚拟化的，都需要整体迁移到天生的虚拟化的5G UDR/UDM中[6-7]，最终使用5G UDR/UDM来统一管理。
　　这种搬迁方案看似简单，但是需要在搬迁时建设5G UDM的资源池，现网的BOSS需要改造支持5G的接口和协议，以实现5G用户的签约。另外如果是异厂家的搬迁，异厂家的私有数据格式转换和导入，也是交付中面临的挑战。
　　当前业界大多数5G SA核心网已在测试阶段，2020年将是规模商用阶段，对于一些2G/3G/4G HLR/HSS设备老旧的运营商，这种搬迁方式不失为一种跨越式发展的路径。如果同厂家，数据迁移相对简单，如果异厂家，可以通过从BOSS直接获取部分基础数据（无法获取到鉴权数据）的方式来处理。总体而言，这种方案在特定情况下，有它的存在合理性和价值。
　　2.2  中继方案
　　为解决搬迁方案带来的对网络的冲击和对用户体验的影响，以及解决3GPP定义的演进路径的落地问题，可以采用在新建的UDM/UDR中向现网HLR/HSS进行信令路由的中继方案，如图2所示：
　　该方案通过在新部署的融合HLR/HSS/UDM/UDR中增加中继路由功能，5G业务开通时从HLR/HSS迁移用户到UDM/HSS/HLR，针对迁移且开通了5G的用户，实现UDM/HSS/HLR与现网HLR/HSS的零交互。UDM/HSS/HLR利旧现有HLR/HSS接口，2G/3G/4G/5G融合用户的业务在UDM/HSS/HLR中直接处理，非5G用户的业务则转发回现网HLR/HSS处理，现网HLR/HSS设备无需升级即可演进。
　　通过内置路由中继功能规避了对外置路由设备DRA/STP的依赖，DRA/STP无需额外扩容，同时解决5G开通时鉴权数据[8]无法迁移到新建融合UDM/HSS/HLR/UDR的问题，用户迁移确保了同一个用户的签约只存在一个UDR数据库，保证了签约一致性。在这个方案中，融合UDM/HSS/HLR只进行业务消息的透明转发，解决了UDM业务逻辑复杂的痛点。
　　用户数据管理通常分为FE（Front End，前端）和BE（Back End，后端），前端通常保存用户的动态信息，包括信令、路由、状态及会话等信息，是随时更新和变化的。后端通常保存的是用户签约时的一些策略、业务、套餐等信息。
　　中继方案具体实现时，基于实现中继功能的不同组件细化为两种落地方案：FE前端中继方案和BE后端中继方案。
　　（1）前端中继方案
　　由FE内置中继功能，FE可根据其UDR中用户数据的记录情况自动构建用户的路由信息，将未开通5G业务的2G/3G/4G业务请求路由发给现网HLR/HSS处理，同时也发送鉴权消息。该方案解决了用户开通5G时，受理系统无法从现网HLR/HSS迁移鉴权信息的难点。该方案可用于异厂家对接。
　　（2）后端中继方案
　　由5G BE（5GC UDR）中内置中继功能，5G BE将只是2G/3G/4G用户的数据访问请求路由给现网EPS UDR（HLR/HSS BE）处理。此方案要求新旧UDR统一Ud接口的实现，且由5GC UDR兼容现有EPS UDR数据存储结构，对接的挑战大，通常适用于同厂家UDR对接。
　　2.3  增强型UDM方案
　　中继方案可以适用于同厂家和异厂家两种场景，但是对于异厂家情况，需要双方就中继消息达成一致，可以进行中继消息对接和互通，这就需要升级现网HLR/HSS设备，无法做到对现网业务不影响。我们需要做到异厂家情况下，无需升级现网HLR/HSS而能够实现2G/3G/4G用户不换卡不换号享受5G SA业务，增强型UDM方案可以解决这个问题。
　　新厂家通过部署同时支持2G/3G/4G和5G接口机，同时支持NSA和SA的接口、协议和服务，架起两者之间的桥梁，实现无需对现网HLR/HSS升级即可完成两者之间的互通，即可让NSA用户实现SA用户数据签约，从而在对现网无影响的情况下，实现NSA用户不换卡不换号享受SA的网络和业务，以最低的代价提升用户体验，如图3所示：
　　该演进方案需要接口机支持2G/3G/4G的MAP/Diameter协议以和HLR/HSS进行互通，同时还需要支持服务化SBA的HTTP/2协议，以和UDM/AUSF进行互通。由于接口机功能同时支持两侧，不需要用户数据迁移，避免了异厂家之间的数据格式转换，同时对于BOSS侧来说，也避免了改造升级，从而可以降低风险，节省投资。
　　2.4  全融合的用户数据方案
　　从上述演进方案可以看出，要想做到平滑演进，需将2G/3G/4G HLR/HSS和5G UDM/UDR进行融合，全融合的用户数据管理[9]是实现2G/3G/4G/5G核心网全融合的基础，是NSA和SA的全融合的保证。
　　通过部署全融合的用户数据管理平台，提供极简、高效的基于虚拟化及SBA/eSBA架构，面向5G全演进的2G/3G/4G/5G用户数据集中统一管理的平台，如图4所示。 　　在5G网络建设初期，主要针对从2G/3G/4G升级到5G的用户进行数据迁移，在5G网络建设中后期，可以根据现网传统HLR/HSS设备老旧情况，逐步将未开通5G业务的原有2G/3G/4G用户迁移至新建的全融合用户数据管理平台，实現不换卡、不换号，免开通方案解决了用户大量迁移的问题，保证了业务的平滑迁移，保障了NSA向SA的平滑演进。
　　2.5  携号转网场景下的数据迁移方案
　　2019年12月1日，工信部宣布三大运营商的用户可以携号转网，自由迁徙，这是用户选择权的胜利，但是从运营商的用户数据管理来说，这带来了新的挑战，如何在不换号情况下实现跨运营商的数据迁移，已经成为业界关注的焦点。
　　携号转网对用户来说只是MSISDN保持不变，用户通过查询工信部的NPDB（Number Portability Database，号码携带数据库）来获悉自己归属哪个运营商，然后路由到目标运营商。由于各个运营商提供的业务不同、套餐架构不同和资费不同，因此运营商之间的数据是无法进行无缝迁移的，事实上是需要用户在新的运营商里重新进行放号（保留原MSISDN），从而获取新的IMSI号码。
　　而在5G场景下，用户从原运营商结算转出后，在新的运营商放号，可以直接按SA用户进行放号，即可享受到SA业务。
　　3   结束语
　　用户数据向5G的演进有众多的先决条件和限定因素，诸如同厂家还是异厂家、虚拟化还是非虚拟化等，存在着多条路径多种方案，每个方案都有自己的最优使用条件。运营商要根据自身的网络状况和策略选择合适的演进方案。无论是不考虑平滑演进的整体搬迁方案，对现网HLR/HSS做升级后的中继方案，不改动现网HLR/HSS的方案，还是增强型UDM方案，都提供了一种通用、可行和易部署的异厂家演进方案。
　　而在携号转网铺开后，运营商还面临着发展更多新用户、保留老用户的挑战，而快速进行用户数据的演进，又将为更好地开展这项工作提供更多的支撑。
　　国内5G NSA商用后，无论是政府、公众，还是运营商，对5G的期望很高，希望通过5G能够实现产业升级，创造新的业态，最终开创多方共赢的局面。而这些期望，5G NSA是无法实现的，邬贺铨院士在接受人民邮电报专访时也表示，“只有SA独立组网，才能真正带动中国5G产业的发展”[10]。当前随着当前5G SA的各项生态已经逐步成熟，5G SA离商用越来越近，5G核心网用户数据的演进和部署作为5G SA的基础之一，必将在未来发挥越来越重要的作用。
　　参考文献：
　　[1]     陈亚权，方琰崴. 5G核心网NSA和SA演进方案[C]// 5G网络创新研讨会（2019）. 广州：移动通信， 2019： 242-246.
　　[2]      3GPP. 3GPP TR 23.732： Study on User data interworking， coexistence and migration， （Release 16）[S]. 2019.
　　[3]    3GPP. 3GPP TR 23.632： User data interworking， coexistence and migration; Stage 2， （Release 16）[S]. 2019.
　　[4]     陈亚权，刘西亮，方琰崴. 中兴通讯SBA+：SBA向 eSBA演进之路[J]. 通信世界， 2019（6）： 39-40.
　　[5]     朱建军，方琰崴. 面向服务的5G云原生核心网及关键技术研究[J]. 数字通信世界， 2018（2）： 111.
　　[6]     方琰崴. 面向云化的电信运营转型方案、关键技术和发展策略[J]. 信息通信技术， 2018（2）： 58-65.
　　[7]     方琰崴. 中兴通讯云化核心网vCN助运营商网络变革[J]. 通信世界， 2018（2）： 50-51.
　　[8]     方琰崴，陈亚权. 基于虚拟化的电信云网络安全解决方案[J]. 移动通信， 2018，42（12）： 1-7.
　　[9]      陈亚权. 为融合而生 Common Core加速网络全融合[J]. 通信世界， 2019（5）： 41-42.
　　[10]   姚春鸽. 中国5G，如何实力领跑？[N]. 人民邮电报， 2019-06-06.
　　作者简介
　　陈亚权（orcid.org/0000-0001-9966-367X）：工程师，学士毕业于江苏理工学院，现任中兴通讯股份有限公司电信云与核心网产品线产品规划总工程师，研究方向为5G核心网的规划。
　　姬庆发：工程师，学士毕业于东南大学，现任中兴通讯股份有限公司电信云与核心网产品线产品规划总工程师，研究方向为5G核心网用户数据存储与信令路由。
　　方琰崴：高级工程师，硕士毕业于南京航空航天大学信息学院，现任中兴通讯股份有限公司电信云与核心网产品线产品规划总工程师、产品市场总监，研究方向为电信云与核心网的组网和关键技术。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15104829.htm