5G核心网用户数据演进方案

2020-02-22陈亚权姬庆发方琰崴李立平

移动通信 2020年1期

陈亚权　姬庆发　方琰崴　李立平

【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.

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