摘要：移動回傳的承載網(wǎng)建設(shè)占用了大量投資，增加了跳數(shù)。該文分析了移網(wǎng)UPF與固網(wǎng)BNG組網(wǎng)功能的相似性，提出了集UPF、BNG功能于一體的融合網(wǎng)關(guān)FWA及組網(wǎng)方案，并基于現(xiàn)網(wǎng)搭建測試環(huán)境，驗(yàn)證了家寬CPE、個人UE接入互聯(lián)網(wǎng)，園區(qū)政企客戶融合組網(wǎng)等三種場景，采用FWA組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)固、移業(yè)務(wù)的統(tǒng)一接入，為固、移網(wǎng)絡(luò)的融合邁開了重要一步。

關(guān)鍵詞：UPF；BNG；FWA；CU分離；融合接入

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.10.015

中圖分類號：TN 915.6；TN 929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編碼：1672-7274（2024）10-00-05

Convergence Idea， Scheme and Practice of 5G UPF and Fixed Network BNG

Abstract： The construction of the mobile backhaul network takes up a lot of investment and increases the number of jumps. Analyzing the network UPF and fixed BNG network function similarity， it puts forward the convergence gateway FWA integrating UPF， BNG function. Based on the network building test environment， it verifies the feasibility under three scenarios of the wide CPE， personal UE access to the Internet， the camp enterprise customer networking， of using FWA to realize the fixed， mobile business convergence access， and takes an important step for fixed， mobile network integration.

Keywords： UPF; BNG; FWA; CUPS; convergence-access

1 為什么要進(jìn)行固定、移動網(wǎng)絡(luò)的融合

1.1 移動與固定網(wǎng)絡(luò)融合的必要性

UPF是移動網(wǎng)絡(luò)的接入網(wǎng)關(guān)，BNG是寬帶互聯(lián)網(wǎng)的接入網(wǎng)關(guān)，探討UPF與BNG的融合問題實(shí)質(zhì)就是固定、移動綜合接入的問題，那么移動網(wǎng)絡(luò)與固定網(wǎng)絡(luò)為什么要融合呢？

移動網(wǎng)絡(luò)從2G開始到5G，回傳網(wǎng)絡(luò)（從基站到PGW/UPF之間）都是重要且必要的，其承載技術(shù)從MSTP到專用的IP承載網(wǎng)絡(luò)，帶寬也從N×2 Mbps到N×100 Gbps，流量經(jīng)過若干跳后匯聚到移動核心網(wǎng)元UPF，再從Gi/N6接口到互聯(lián)網(wǎng)[1]?？梢钥吹?，所有的移動業(yè)務(wù)都要在回傳網(wǎng)絡(luò)走一圈才能到達(dá)互聯(lián)網(wǎng)。由于移動業(yè)務(wù)的迅猛增長，流量已超過固網(wǎng)流量，為滿足移動覆蓋及帶寬的極大增長，承載網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)耗費(fèi)了運(yùn)營商大量的投資及成本。從2G的承載網(wǎng)MSTP，3G/4G的承載網(wǎng)PTN/IPRAN，到5G的承載網(wǎng)智能/新型城域網(wǎng)，每年的投資隨著移動流量的增長而同步大幅增長。

再看IP城域網(wǎng)，家庭寬帶用戶主要經(jīng)過光纖PON網(wǎng)絡(luò)接入，經(jīng)過1跳或直連到BNG接入互聯(lián)網(wǎng)，結(jié)構(gòu)已足夠精簡，隨著多年寬帶業(yè)務(wù)的發(fā)展，覆蓋也非常廣泛。

從用戶角度看，手機(jī)相對家寬終端要經(jīng)過IP承載網(wǎng)的多跳才能到達(dá)IP城域網(wǎng)（互聯(lián)網(wǎng)），而多余的這些跳數(shù)，耗費(fèi)了投資、增加了時延，但只是完成收斂功能。IP城域網(wǎng)與IP承載網(wǎng)在覆蓋、設(shè)備能力等方面勢均力敵，使用兩張網(wǎng)絡(luò)承載一類業(yè)務(wù)，是否必要。試想，如果固定、移動的接入網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一，那么移動回傳網(wǎng)絡(luò)可以與IP城域網(wǎng)充分共用，大幅減少投資，提升移動用戶感知。

1.2 移動與固定網(wǎng)絡(luò)融合的可行性

移動網(wǎng)的接入方式是無線，固網(wǎng)的接入方式主要是光纖，后續(xù)的組網(wǎng)及業(yè)務(wù)流程都是相似的，無線接入及核心控制使用了獨(dú)立網(wǎng)元，其余都使用了固網(wǎng)的資源。

從運(yùn)營的角度看，UPF與BNG的功能是類似的，用戶的認(rèn)證、鑒權(quán)、計(jì)費(fèi)，會話的建立、帶寬控制、流量統(tǒng)計(jì)及管控策略，都是趨同的。移網(wǎng)是天然CU分離的[2][3]，而固網(wǎng)已大舉開啟CU分離的改造進(jìn)程[4]，移網(wǎng)核心網(wǎng)及固網(wǎng)核心網(wǎng)都采用了云架構(gòu)，為2張網(wǎng)絡(luò)的深度融合奠定了基礎(chǔ)[5]。

另外，運(yùn)營商的城域網(wǎng)基本完成采用spine-leaf架構(gòu)、SR/SRv6+EVPN協(xié)議為主的智能或新型城域網(wǎng)的建設(shè)，目標(biāo)為2B/2C/2H的綜合接入，傳統(tǒng)的寬帶接入逐步朝其遷移，UPF、BNG都部署在這張網(wǎng)絡(luò)上，且部署方式，如在網(wǎng)絡(luò)層次、連接方式、技術(shù)手段等方面都高度類似[6]。

2 固定、移動網(wǎng)絡(luò)融合思路

2.1 融合的目標(biāo)

通過以上分析，提出固移融合的目標(biāo)：

（1）統(tǒng)一的接入網(wǎng)關(guān)，逐步由2類網(wǎng)關(guān)收斂為1類，實(shí)現(xiàn)固移綜合接入。

（2）統(tǒng)一的承載網(wǎng)絡(luò)，城域網(wǎng)內(nèi)1張IP網(wǎng)，提升網(wǎng)絡(luò)效率，降低網(wǎng)絡(luò)成本。

（3）統(tǒng)一的控制層面，提供連續(xù)一致的業(yè)務(wù)，固移業(yè)務(wù)不再區(qū)分，只是感知與適應(yīng)不同的接入方式[7] [8]。

2.2 融合的步驟

（1）網(wǎng)元的融合。城域網(wǎng)保留雙平面，BNG升級為FWA網(wǎng)關(guān)（Fixed Wireless Access，固移融合接入網(wǎng)關(guān)）支持融合網(wǎng)關(guān)功能，IP城域網(wǎng)及承載網(wǎng)都可以對固移業(yè)務(wù)進(jìn)行收斂。

（2）承載網(wǎng)絡(luò)的融合。將IP承載網(wǎng)與IP城域網(wǎng)進(jìn)行整合，F(xiàn)WA的出口即為互聯(lián)網(wǎng)，城域網(wǎng)的IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的綜合承載，如圖1所示。

（3）控制面的融合。融合移動、固定的核心網(wǎng)，統(tǒng)一云平臺，統(tǒng)一服務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)固定、移動的業(yè)務(wù)融合，如圖1所示。應(yīng)該看到，融合后將在保持業(yè)務(wù)的連續(xù)性、一致性等方面提供很大的想象空間。運(yùn)營商可以積極推動并參與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織加快這一進(jìn)程。

經(jīng)過以上3個步驟，固定、移動網(wǎng)絡(luò)在物理層面上已經(jīng)融為一體，增強(qiáng)了移動用戶的感知，且大幅提高了投資的有效性。其中第一階段是關(guān)鍵，本文將詳細(xì)探討第一階段的融合，即UPF與BNG的融合，通過采用BNG軟件加載UPF功能實(shí)現(xiàn)FWA功能，并在主要的應(yīng)用場景下進(jìn)行測試驗(yàn)證。

3 融合方案及實(shí)現(xiàn)流程

3.1 FWA的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

FWA采用CUPS架構(gòu)（控制與用戶面分離），增加FWA專用的控制網(wǎng)元（即SMF+BNG-CP）。該網(wǎng)元支持SBI（Service-Based Interface，基于服務(wù)的接口）：通過增強(qiáng)的N4接口控制FWA，通過N11接口到AMF，通過N10接口到UDM，通過N7接口到PCF（可選），通過smf-Nnrf接口到NRF（可選），通過N40接口到CHF（可選）。融合網(wǎng)關(guān)FWA和gNB通過N3接口連接，BNG-CP作為SMF注冊到核心網(wǎng)NRF，并注冊它的服務(wù)能力，包括支持的FWA DNN等信息。如圖2所示。

寬帶接入同原有的業(yè)務(wù)流程只是采用C/U分離的模式。當(dāng)接入移動業(yè)務(wù)時，AMF基于用戶配置的業(yè)務(wù)類型DNN（數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)名稱）選擇專用SMF，SMF根據(jù)配置策略（DNN/切片）選擇合適的FWA作為UPF（本地配置策略或由NRF指定）。即DNN觸發(fā)新增的SMF，SMF指定融合網(wǎng)關(guān)。其中，F(xiàn)WA用戶的簽約數(shù)據(jù)及后續(xù)計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)，既可以錨定RADIUS，也可以錨定移動核心網(wǎng)，在固、移核心網(wǎng)未融合前，可以采用分別歸屬的方式處理。

現(xiàn)網(wǎng)中，我們將現(xiàn)網(wǎng)BNG進(jìn)行升級支持FWA功能，并新增專用SMF，實(shí)現(xiàn)融合網(wǎng)關(guān)對固定及移動的綜合接入。

3.2 FWA建立會話的主要流程

（1）終端注冊和認(rèn)證，遵循標(biāo)準(zhǔn)的5G認(rèn)證流程。

（2）AMF確定SMF。AMF根據(jù)用戶的DNN（由終端請求信息獲取或由UDM獲?。┖途W(wǎng)絡(luò)策略，查詢NRF，確定用戶應(yīng)該連接的SMF；對于FWA用戶，通過配置特定的DNN將這些會話發(fā)送給專用SMF。

（3）SMF選擇FWA，并建立會話。SMF查詢UDM獲得用戶簽約數(shù)據(jù)，根據(jù)DNN選擇合適的UPF（本方案中為FWA）。SMF向FWA發(fā)送創(chuàng)建會話消息，攜帶用戶的user-name，給用戶分配IPv4或IPv6地址，QoS，并指示N3/N6接口裝載位置等信息。

（4）FWA創(chuàng)建會話，發(fā)送回應(yīng)消息將創(chuàng)建好的會話信息返回給SMF，如N3接口的IP地址、GTP-U的F-TEID、Session ID等。

（5）SMF發(fā)送N1-N2 Message給AMF，通知基站側(cè)創(chuàng)建無線信道資源和N3 GTP-U隧道資源。

（6）基站創(chuàng)建承載資源后，將資源信息發(fā)給AMF，AMF再告知SMF，其中包含F(xiàn)WA需要的基站N3接口信息（接口IP地址和F-TEID）。SMF再通過會話修改請求消息告知FWA。至此和N3接口的資源就創(chuàng)建完畢。

（7）SMF告知AMF用戶面Context狀態(tài)變?yōu)锳CTIVIATED狀態(tài)。此時雙向的用戶面通道就創(chuàng)建完成，UE可以正常收發(fā)數(shù)據(jù)了。

3.3 不同場景下的測試需求

針對家庭客戶、個人客戶、政企客戶三種應(yīng)用場景，以FWA作為綜合接入網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了測試。基于現(xiàn)網(wǎng)多廠家環(huán)境，其中FWA、5G CPE采用NOKIA設(shè)備，5G基站及核心網(wǎng)采用華為設(shè)備，UE為任意品牌。

4 對個人及家庭場景下的固移融合場景

測試

4.1 現(xiàn)網(wǎng)測試環(huán)境搭建

基于現(xiàn)網(wǎng)搭建了測試環(huán)境，如圖3所示，左側(cè)是廣州的智能城域網(wǎng)、5G的基站及核心網(wǎng)5GC，右側(cè)是東莞的IP城域網(wǎng)、融合BNG（FWA）及IDC數(shù)據(jù)中心內(nèi)的SMF（BNG-CP）。

環(huán)境搭建的主要步驟包括：

（1）5GC配置測試用戶數(shù)據(jù)，AMF配置根據(jù)DNN選擇特定的SMF。

（2）東莞IDC內(nèi)部署SMF，以獨(dú)立服務(wù)器加載軟件來實(shí)現(xiàn)。

（3）東莞城域網(wǎng)現(xiàn)網(wǎng)BNG（已接少量寬帶用戶）軟件升級，支持FWA功能。

（4）調(diào)通SMF和FWA間網(wǎng)絡(luò)，建立信令通道（即N4接口）。

（5）廣州智能城域網(wǎng)與東莞IP城域網(wǎng)利用option A實(shí)現(xiàn)VPN對接，打通SMF和5GC之間N10/N11 VPN，打通基站和FWA之間N3 VPN。

4.2 家寬業(yè)務(wù)測試

CPE必須支持多DNN，家寬的不同業(yè)務(wù)由不同的DNN承載，分配不同的QoS策略，終結(jié)到不同VPN。上網(wǎng)業(yè)務(wù)支持分配公網(wǎng)或私網(wǎng)地址，當(dāng)采用私網(wǎng)地址時，通過BNG上的NAT訪問Internet。IPTV組播復(fù)制點(diǎn)在FWA上，對無線網(wǎng)絡(luò)無特殊要求。將家寬上網(wǎng)業(yè)務(wù)產(chǎn)生的記賬信息發(fā)送到固網(wǎng)Radius，支持5GC的N40接口實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)。

4.2.1 主要配置

網(wǎng)絡(luò)方案如圖3所示，主要配置如下：

（1）CPE：支持多個用戶接口。端口1作為互聯(lián)網(wǎng)接入，配置為路由模式；端口2配置成橋接模式，連接機(jī)頂盒接入IPTV；另外，配置內(nèi)部接口用于VoIP/TR069管理，配置為路由模式。每個業(yè)務(wù)類型對應(yīng)不同的DNN，建立三個獨(dú)立的會話。

（2）FWA：配置GTP VPN用來終結(jié)基站連接過來的GTP-u隧道，并配置Internet、IPTV、VoIP/TR069 VPN用來終結(jié)不同業(yè)務(wù)。

（3）Radius：配置基于用戶IMSI的多個賬號，同一個IMSI的不同DNN，配置不同的QoS策略，對一部分賬號做QoS限速，對另一部分賬號不做限速。

（4）核心網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)：完成SMF在核心網(wǎng)上注冊；配置家寬用戶SIM卡的測試賬號數(shù)據(jù)，允許接入Internet、IPTV、TR069三個DNN。

4.2.2 試點(diǎn)過程及結(jié)果

根據(jù)表1測試結(jié)果，F(xiàn)WA接入家寬業(yè)務(wù)完全滿足家寬場景的要求，并且具有快速部署，覆蓋全面的優(yōu)勢。

4.3 移動UE上網(wǎng)

FWA作為融合網(wǎng)關(guān)也可以接入手機(jī)（UE），我們測試了UE接入到FWA時對各類應(yīng)用的支持情況，并觀察業(yè)務(wù)的接入質(zhì)量，測試環(huán)境如圖3所示。

4.3.1 主要的數(shù)據(jù)配置

（1）UE：采用榮耀手機(jī)，采用默認(rèn)配置，不需要額外配置，其DNN信息在UE注冊到核心網(wǎng)時，從用戶的簽約數(shù)據(jù)獲得。

（2）FWA：在融合BNG上配置GTP VPN來終結(jié)基站連接過來的GTP-u隧道，配置Internet VPN終結(jié)UE用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

（3）Radius：配置用戶IMSI的賬號，配置QoS策略繼承5G核心網(wǎng)數(shù)據(jù)。

（4）核心網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)：配置用戶SIM卡的測試賬號數(shù)據(jù)，默認(rèn)DNN為fwadnn，允許訪問Internet業(yè)務(wù)，配置用戶QoS數(shù)據(jù)，對于fwadnn配置選擇BNG-CP作為SMF。

4.3.2 測試情況

手機(jī)注冊到測試網(wǎng)絡(luò)，連接到融合網(wǎng)關(guān)。測試各類主要的手機(jī)應(yīng)用，結(jié)果如表2所示。

測試表明，UE接入FWA可以獲得優(yōu)良的使用效果，滿足各類應(yīng)用對時延和帶寬的要求。由于FWA當(dāng)前版本的功能限制，目前支持?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)的終結(jié)，未測試語音業(yè)務(wù)。在實(shí)際應(yīng)用時，可在核心網(wǎng)配置將語音業(yè)務(wù)DNN關(guān)聯(lián)到現(xiàn)網(wǎng)支持VoLTE/VoNR的SMF，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)到支持FWA的SMF，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)全業(yè)務(wù)。在計(jì)費(fèi)功能方面，我們測試了按業(yè)務(wù)流量和時間的計(jì)費(fèi)，均較好支持，但目前版本不支持應(yīng)用級計(jì)費(fèi)（如定向流量套餐包），需FWA后續(xù)演進(jìn)支持。

5 企業(yè)園區(qū)固移融合接入

5.1 園區(qū)固移融合組網(wǎng)需求

在園區(qū)環(huán)境下，政企用戶既有無線移動接入的需求，又有固網(wǎng)接入的需求，目前基本上采用WLAN+固網(wǎng)的方案，但WLAN在穩(wěn)定性、安全性、覆蓋范圍、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性等多方面存在局限，通過部署FWA，實(shí)現(xiàn)5G+固網(wǎng)的綜合接入，可以較好地滿足這類需求。

5.2 園區(qū)固移融合組網(wǎng)試點(diǎn)方案

我們選擇了2個園區(qū)和2個政企客戶，組網(wǎng)方案如圖4所示，BNG-CP（內(nèi)置SMF）已經(jīng)注冊到核心網(wǎng)。園區(qū)服務(wù)器通過寬帶接入網(wǎng)連接到融合BNG（即FWA），移動終端通過5G網(wǎng)絡(luò)連接到融合BNG，對于同一個企業(yè)，固定網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)連接終結(jié)到同一個VPN。

主要配置如下：

（1）移動終端：手機(jī)配置SIM卡，在園區(qū)內(nèi)移動，也可以園區(qū)外使用。

（2）融合BNG（FWA）：配置2個VPN（org1， org2），終結(jié)固網(wǎng)和5G網(wǎng)絡(luò)接入的用戶，并在BNG-CP上基于DNN進(jìn)行配置：org1用戶就近接入BNG1，org2用戶就近接入BNG2。

（3）Radius：配置IMSI賬號和QoS策略。

（4）核心網(wǎng)：配置SIM卡及其DNN信息，對于org1的用戶分配org1 DNN，org2的用戶分配org2 DNN。

以上方案能實(shí)現(xiàn)園區(qū)內(nèi)同一個單位的固、移終端接入到同一個VPN，不同接入方式都能獲得高速、可靠、安全的網(wǎng)絡(luò)訪問。移動終端在園區(qū)內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)無中斷移動，當(dāng)離開園區(qū)時，可以通過5G網(wǎng)絡(luò)連接到它所在的VPN，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程接入。

5.3 試點(diǎn)過程及結(jié)果

測試了不同的組網(wǎng)場景，具體結(jié)果如表3所示。

從表3測試結(jié)果可知，采用FWA固移融合組網(wǎng)可以滿足園區(qū)內(nèi)移動、固定同時接入組網(wǎng)用戶的需求，且能保證網(wǎng)絡(luò)的安全性、可靠性、擴(kuò)展性。

6 結(jié)束語

以上測試實(shí)現(xiàn)了5G CPE、手機(jī)UE通過融合網(wǎng)關(guān)接入到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了園區(qū)場景的固移融合專網(wǎng)組網(wǎng)。BNG升級支持UPF功能，實(shí)現(xiàn)了固移的融合接入，可以有效發(fā)揮現(xiàn)有BNG效率，降低UPF的投資，還可以開發(fā)固移融合業(yè)務(wù)。下一步，我們將進(jìn)一步提高FWA的移動業(yè)務(wù)支持能力，包括語音功能、內(nèi)容計(jì)費(fèi)等。同時充分挖掘固移綜合接入的優(yōu)勢，將已建設(shè)的MEC與FWA進(jìn)行連接，通過云、網(wǎng)、邊、端的協(xié)同，提供更多云網(wǎng)/算網(wǎng)創(chuàng)新業(yè)務(wù)。

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