丁 毅 陳 釧 金建寧

中國移動通信集團江蘇有限公司

0 引言

運營商加快建設5G SA，一張全新的基于通用X86服務器的NFV網(wǎng)絡走上時代舞臺。與此同時，傳統(tǒng)的4G核心網(wǎng)仍然承載著大量的用戶業(yè)務，如何將兩張網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)庫進行融合是運營商必須解決的一大難題。

站在用戶體驗的角度，不換卡不換號，僅更換終端就能讓用戶體驗5G的高速網(wǎng)絡，是提升用戶滿意度的一大措施。而4G時代的計費控制策略PCC（Policy Control and Charging）以及用戶數(shù)據(jù)如何與5G網(wǎng)絡有機融合是運營商面對的棘手問題，本文重點研究策略控制功能PCF（Policy Control Function）的融合數(shù)據(jù)組網(wǎng)方案，并分析相關解決方案的優(yōu)缺點。

1 5G PCF融合數(shù)據(jù)組網(wǎng)

1.1 5G用戶數(shù)據(jù)演進

3GPP標準定義的用戶數(shù)據(jù)存儲架構采用計算和數(shù)據(jù)分離方式，結構化數(shù)據(jù)存儲管理架構包括：

（1）統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲UDR（unified data repository）：負責用戶數(shù)據(jù)存儲，包含通用數(shù)據(jù)管理UDM（Unified Data Management）、PCF策略數(shù)據(jù)、與NEF相關的結構化數(shù)據(jù)和應用數(shù)據(jù)。

（2）FE（front end，前端）：負責業(yè)務邏輯處理，包含UDM FE、PCF FE和NEF FE。

（3）UDM：可類比HSS FE，提供用戶簽約數(shù)據(jù)訪問、位置登記等功能。

（4）AUSF（Authentication Server Function）：提供鑒權認證功能，可與UDM合設。

（5）PCF：訪問UDR提供的策略數(shù)據(jù)。

（6）NEF（Network Exposure Function）：能力開放網(wǎng)元，訪問UDR提供的能力開放數(shù)據(jù)。

5GC中，UDR負責用戶數(shù)據(jù)的存儲，類似于4G傳統(tǒng)網(wǎng)元中的用戶數(shù)據(jù)庫SPR（Subscriber Profile Repository），可以為多種類型的FE（PCF、UDM、NEF）提供數(shù)據(jù)存儲服務。與4G不同的是，5GC中，PCF和UDR之間采用了服務化的HTTP/2協(xié)議的接口Nudr，實現(xiàn)對用戶數(shù)據(jù)的增、刪、改、查等操作。此外，UDR與運營商的業(yè)務支撐系統(tǒng)BOSS進行對接，同步用戶的簽約、業(yè)務訂購等策略數(shù)據(jù)信息，UDR結合業(yè)務支撐系統(tǒng)中的用戶信息制定相應策略。UDR與業(yè)務支撐系統(tǒng)之間的組網(wǎng)架構如圖1所示。

圖1 UDR/SPR與業(yè)務支撐系統(tǒng)之間的組網(wǎng)架構

4G和5G將在相當長的時間內(nèi)共存，EPC與5GC會產(chǎn)生大量的互操作，4G向5G的平滑演進，必然要求PCRF和PCF的深度融合，在目標5GC網(wǎng)絡中，PCF兼做PCRF，成為融合的PCRF/PCF，在對外連接中，既需要繼承現(xiàn)網(wǎng)EPC的相關接口又需要增加5GC新的接口，融合PCRF/PCF接口名稱及協(xié)議見表1所示。

表1 融合PCRF/PCF接口名稱及協(xié)議

融合PCRF/PCF意味著4G SPR中的用戶數(shù)據(jù)需要全量遷移到5G UDR中，這種搬遷方案看似簡單，實際上需要提前準備好5G UDR的資源池，改造BOSS支持新的5G接口。如果是異廠家的搬遷，還會涉及到廠家數(shù)據(jù)庫私有格式的轉換等問題。此外，整體的搬遷還涉及到網(wǎng)絡安全問題，搬遷過程中的異常情況可能導致用戶數(shù)據(jù)的損壞，造成前后臺數(shù)據(jù)的不一致，影響用戶業(yè)務的使用。因此，必須考慮目標方案完成前的過渡方案，以保證在用戶不換卡、不換號的市場策略下，網(wǎng)絡能平滑演進。

1.2 組網(wǎng)方案

過渡方案的設計務必要保證用戶業(yè)務使用的連續(xù)性，也必須解決4/5G之間互操作的問題，在目前基于N26接口的互操作組網(wǎng)下，用戶終端僅需要單注冊即可實現(xiàn)用戶業(yè)務的無縫切換和會話的連續(xù)性。過渡方案為避免用戶數(shù)據(jù)的整體遷移，以全部新建PCF/UDR為前提，有兩種方案，分別是同廠家方案和異廠家方案。

1.2.1 組網(wǎng)方案一：同廠家新建

組網(wǎng)架構如圖2所示。組網(wǎng)圖中的網(wǎng)元由如下部分構成：

圖2 同廠家組網(wǎng)架構

（1）PCF/UDR：新建網(wǎng)元，與PCRF/SPR同廠家。作為5GC網(wǎng)絡中的策略控制節(jié)點，當用戶從5GC接入時，可以對外提供基于承載/業(yè)務的接入控制、QoS控制、計費控制以及EPSFB等業(yè)務策略。PCF對外主要提供Rx、N7、N15、Nnrf、短信網(wǎng)關接口等接口與周邊節(jié)點進行互通，進而提供策略的分析、決策以及下發(fā)。UDR存儲5GC用戶策略數(shù)據(jù)，涉及內(nèi)部接口Nudr、與BOSS的SOAP接口。

（2）PCRF/SPR：作為EPC網(wǎng)絡中的策略控制節(jié)點，當用戶從EPC接入時可以對外提供基于承載/業(yè)務的門限控制、QoS控制、計費控制等業(yè)務策略。PCRF對外主要提供Gx、Rx、短信網(wǎng)關接口等接口與周邊節(jié)點進行互通，進而提供策略的分析、決策以及下發(fā)。SPR存儲EPC用戶策略數(shù)據(jù)，涉及內(nèi)部接口Sp、與BOSS的SOAP接口。

（3）BOSS：運營商運營業(yè)務支撐系統(tǒng)，采用SOAP協(xié)議，負責與UDR/SPR進行業(yè)務數(shù)據(jù)的交互，例如開戶數(shù)據(jù)、策略數(shù)據(jù)、用戶狀態(tài)。

（4）融合短消息網(wǎng)關：5G中提供融合短消息服務。

（5）短信網(wǎng)關：4G中提供短信服務。

（6）AF：應用功能，主要對IP-CAN（IP-Connectivity Access Network，IP連接訪問網(wǎng)絡）會話進行動態(tài)策略控制。AF通過Rx接口與PCRF關聯(lián)動態(tài)會話信息。常見的應用業(yè)務單元如VoLTE中的P-CSCF。

該方案新建虛擬化PCF/UDR節(jié)點，與現(xiàn)網(wǎng)分PCRF/SPR對外呈現(xiàn)為1個二融合PCF/UDR/PCRF/SPR設備整體，無需割接原SPR中的數(shù)據(jù)到新建的UDR中，實現(xiàn)現(xiàn)有手機用戶不換卡不換號使用5G SA。新建節(jié)點各接口通過IP承載網(wǎng)承載，SPR與UDR之間采用同廠家Ud接口通信。

該方案對現(xiàn)網(wǎng)的改造要求如下：現(xiàn)網(wǎng)PCRF/SPR升級改造支持與新建PCF/UDR同廠家混合組網(wǎng)?，F(xiàn)網(wǎng)SPR與新建UDR綜合設置為UDR/SPR。現(xiàn)網(wǎng)PCRF與新建PCF綜合設置為PCF/PCRF?，F(xiàn)網(wǎng)的PCRF、SPR與相應的新建節(jié)點通過IP承載網(wǎng)實現(xiàn)互通。BOSS開通接口統(tǒng)一遷移到UDR，不再指向現(xiàn)網(wǎng)SPR。對于5G用戶策略控制，其策略控制由BOSS直接在PCF/ UDR上實現(xiàn)，對于PCRF/ SPR負責的4G用戶策略控制，采用UDR內(nèi)部接口轉接至SPR的方式。

業(yè)務流程如下：

場景一：4G用戶策略數(shù)據(jù)簽約開通，如圖3所示。

圖3 4G用戶策略數(shù)據(jù)簽約開通

（1）BOSS下發(fā)命令到對應UDR，若是開戶則下發(fā)addSubscriber命令中不攜帶“Usr5GStatus”參數(shù)；若是策略開通則下發(fā)簽約命令subscribeService/ subscribeUsrSessionPolicy。

（2）UDR判斷無用戶數(shù)據(jù)，將BOSS命令轉發(fā)至SPR。

（3）SPR完成業(yè)務開通/簽約。

場景二：新開5G用戶策略數(shù)據(jù)簽約開通，如圖4所示。

圖4 新開5G用戶策略數(shù)據(jù)簽約開通

（1）BOSS下發(fā)命令到對應UDR，若是開戶則下發(fā)addSubscriber命令中攜帶“Usr5GStatus”參數(shù)；若是策略開通則下發(fā)簽約命令subscribeService/ subscribeUsrSessionPolicy。

（2）UDR判斷為5G用戶，完成業(yè)務開通/簽約。

場景三：存量4G用戶開通5G策略數(shù)據(jù)業(yè)務簽約，如圖5所示。

圖5 存量4G用戶開通5G策略數(shù)據(jù)業(yè)務簽約

（1）BOSS下發(fā)命令到對應UDR，若是策略開通，需先進行5G開戶addSubscriber命令，其中攜帶“Usr5GStatus”參數(shù)；再下發(fā)切片和UE策略簽約命令addSnssaiTemplateID/ addUePolicyTemplateID。

（2）UDR與對應SPR配合將用戶數(shù)據(jù)從SPR遷移到UDR。

（3）UDR完成5G切片和UE策略開通。

上述場景都需要在UDR中配置號段信息，將存量號段信息指向SPR，新增號段信息指向UDR。以場景三為例，若開通用戶號段為存量號段，UDR查詢用戶是否在本地存在，若存在即UDR處理BOSS指令；若不存在，查詢SPR內(nèi)是否有用戶數(shù)據(jù)，若有則用戶策略數(shù)據(jù)遷移至UDR內(nèi)并開通切片和UE策略；若SPR內(nèi)無用戶數(shù)據(jù)，UDR返回錯誤碼給BOSS，提示開通操作無效。若開通用戶號段為新號段，UDR直接查詢用戶在本地是否存在，若存在即UDR處理BOSS指令；若不存在，UDR返回錯誤碼給BOSS，提示開通操作無效。

除了BOSS指令觸發(fā)的遷移，還有一種基于同廠家SPR/UDR私有接口的用戶業(yè)務流程觸發(fā)的遷移，其流程如下：

場景：4G存量用戶初次更換5G終端接入網(wǎng)絡，簽約數(shù)據(jù)存儲在SPR。

（1）用戶上線，通過AN--＞AMF--＞SMF N7接口從5G設備接入網(wǎng)絡。

（2）PCF向UDR發(fā)送請求，用于獲取用戶簽約數(shù)據(jù)。

（3）UDR查詢未發(fā)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)，查詢SPR中有數(shù)據(jù)，觸發(fā)數(shù)據(jù)遷移至UDR。

（4）UDR返回PCF用戶的策略信息。

上述流程并不涉及BOSS的參與，完全由用戶的業(yè)務流程觸發(fā)了數(shù)據(jù)的遷移，是一種基于用戶流程的單用戶數(shù)據(jù)搬遷的方式。但UDR僅支持配置上述兩種方式的其中一種，因此建議在5G網(wǎng)絡初期采用BOSS觸發(fā)遷移方式，后期采用用戶業(yè)務流程觸發(fā)遷移的方式。

該方案通過兩種數(shù)據(jù)遷移的方式，穩(wěn)健地將SPR的用戶數(shù)據(jù)逐個遷移到UDR中，減少了整體搬遷帶來的對現(xiàn)網(wǎng)的影響，也降低了數(shù)據(jù)不一致性的風險。

該方案的缺點在于必須與4G的PCRF/SPR同廠家，在設備的采購上受到了約束。此外，由于5G的NFV特點，底層的設備廠家有可能與上層的應用廠家不是一家，存在三層解耦帶來的網(wǎng)絡部署風險。

1.2.2 組網(wǎng)方案二：異廠家雙發(fā)方案

組網(wǎng)架構如圖6所示。組網(wǎng)圖中的架構總體與同廠家方案類似，區(qū)別在于新建的PCF/UDR與PCRF/SPR是異廠家，且BOSS的開通接口也要與UDR對接，形成UDR/SPR兩邊同時發(fā)送指令的架構。

圖6 異廠家雙發(fā)方案組網(wǎng)圖

該方案對現(xiàn)網(wǎng)的改造要求如下：BOSS系統(tǒng)同時連接SPR和UDR，支持雙開，并保證兩邊數(shù)據(jù)的一致性、有效性、實時性。PCF建立和AMF/SMF等網(wǎng)元的連接（HTTP）。PCF建立和原有4G信令網(wǎng)絡的連接（Diameter）。BOSS將5G用戶（包括新開5G、4G升5G用戶）開通到UDR，同時在SPR上保留用戶的4G策略數(shù)據(jù)。同時針對5G用戶的后續(xù)BOSS指令需要同時向UDR和SRP進行發(fā)送，保證UDR和SPR上的策略數(shù)據(jù)一致性。用戶無論是尋址到PCRF，還是尋址到PCF，保證都能獲取到相同的簽約策略。

業(yè)務流程如下：

場景一：存量4G用戶簽約4G業(yè)務，如圖7所示。

圖7 存量4G用戶簽約4G業(yè)務

（1）BOSS下發(fā)簽約命令subscribeService/ subscribeUsrSessionPolicy到SPR。

（2）SPR完成用戶業(yè)務簽約。

場景二：新開5G用戶策略數(shù)據(jù)簽約開通，如圖8所示。

圖8 新開5G用戶策略數(shù)據(jù)簽約開通

（1）BOSS下發(fā)開戶命令到SPR和UDR。下發(fā)到SPR的addSubscriber命令不攜帶“Usr5GStatus”參數(shù)；下發(fā)到UDR的addSubscriber命令中“Usr5GStatus”參數(shù)取值為“1”。BOSS下發(fā)簽約命令subscribe Service/subscribe Usr Session Policy到SPR和UDR。

（2）SPR和UDR完成用戶開戶和業(yè)務簽約。

場景三：存量4G用戶開通5G策略數(shù)據(jù)業(yè)務簽約，如圖9所示。

圖9 存量4G用戶開通5G策略數(shù)據(jù)業(yè)務簽約

（1）BOSS判斷是4G用戶開5G，將用戶在SPR上的開戶信息通過addSubscriber命令全部重新下發(fā)給UDR，其中addSubscriber命令中“Usr5GStatus”參數(shù)取值為“1”。

（2）UDR完成命令執(zhí)行，并返回響應。

（3）將用戶在SPR上的全部簽約信息通過subscribe Service/ subscribe Usr Session Policy命令全部重新下發(fā)給UDR。

（4）UDR完成命令執(zhí)行，并返回響應。

雙發(fā)方案不存在BOSS觸發(fā)遷移的流程，由BOSS發(fā)送相應指令來實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)從SPR到UDR的同步，由于是異廠家組網(wǎng)，無法實現(xiàn)基于用戶業(yè)務觸發(fā)的遷移。

該方案完全依賴BOSS的能力實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)從SPR到UDR的遷移，難點在于如何將SPR原有的用戶數(shù)據(jù)完整準確的遷移到UDR，對BOSS的能力要求非常高，存在BOSS數(shù)據(jù)庫與UDR數(shù)據(jù)庫中用戶數(shù)據(jù)不一致的風險。該方案的優(yōu)點是可以根據(jù)虛擬層的廠家選擇相同的應用層PCF/UDR廠家，避免三層解耦存在的兼容性問題。

分析梳理了兩種方案的特點，如表2所示。

表2 兩種方案比較

方案 BOSS改造 搬遷方式 商務 對現(xiàn)網(wǎng)影響異廠家雙發(fā)復雜，同時發(fā)送至UDR和SPR無需搬遷?？筛鶕?jù)虛擬層廠家靈活選擇廠家較小，UDR/SPR兩份數(shù)據(jù)庫互不影響

根據(jù)方案的特點，應全方位多角度綜合各類因素選擇方案，在BOSS能力足夠強的情況下，5G初期建議采用異廠家雙發(fā)方案，能大大降低對于現(xiàn)網(wǎng)的影響，而靈活的選擇廠家可以盡可能地避免與虛擬層的解耦，降低異廠家適配的兼容性問題。

2 結束語

5G SA商用，作為5GC的重要一環(huán)，4G的用戶策略數(shù)據(jù)向5GC平滑演進是重點研究的方向。本研究基于現(xiàn)網(wǎng)EPC的情況及5GC的組網(wǎng)需求，重點研究了PCF融合數(shù)據(jù)的兩種實現(xiàn)方案，在實際選擇方案時應綜合考慮原有4G設備情況、5G商務合同、廠商設備功能、周邊網(wǎng)元改造要求，結合兩種方案的優(yōu)缺點統(tǒng)籌決策。