5G核心网技术基础自学系列 | 与EPC互通

Posted 2022-11-26 COCOgsta

书籍来源：《5G核心网 赋能数字化时代》

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7.8.1概述

如第3章所述， 与EPC的互通预计将持续一段时间， 这取决于对NR的频率分配以及建立NR覆盖范围所花费的时间。第3章概述了为什么需要与EPC进行互通、总体架构以及互通的总体原则和选项。在本节中，我们将更详细地介绍与移动性相关的互通考虑。

为了强调SMF和UPF需要在S5-C和S5-U接口上支持EPC PGW的逻辑和功能， 有必要对第3章中的架构图提供更多描述。因此它们分别被称作PGW-C + SMF和UPF + PGW-U， 见图7.7。为了确保与适当的EPS功能的互通， 对于给定的UE， 每个APN仅分配一个PGW-C + SMF，这是通过HSS + UDM按每个APN给MME提供一个PGW-C + SMF FQDN来实现的。

在5GS中使用非GPP接入时， 与EPC互通也是适用的， 在这种情况下， NR将被N3IWF以及特定于接入的实体（比如在WiFi接入点之下的实体）所代替。此外， 在使用3GPP接入连接5GC的同时， 也可以与连接非3GPP接入的进行互通， 并且在这种情况下，MME和SGW将被ePDG取代，HSS将被3GPP AAA服务器取代（对这些选项不再做进一步描述，感兴趣的读者可参阅3GPP规范， 例如3GPP TS 23.501）。

图7.7 EPC和5GC互通的详细架构

为了使互通成为可能， 要求UE支持EPC NAS过程和5GC NAS过程。如果不是这种情况， 则UE将被定向到UE支持的核心网， 并且不可能在EPC和5GC之间互通。

7.8.2 使用3GPP接入与EPC互通

7.8.2.1 概述

当UE选择网络（或PLMN）或驻留在一个同时连接到EPC和5GC的小区（即它同时收听EPC和5GC的小区广播）上时， UE需要选择要注册的核心网。该决定可以由运营商控制或由用户控制。运营商可以控制决策， 例如通过使用USIM中由运营商控制的优先级列表来影响网络选择，由此运营商能够引导网络选择，包括使用哪种接入技术，例如：NG-RAN优先还是E-UTRAN优先； 或者运营商可以将签约设置为仅允许EPC、5GC或两者同时使用； 或者运营商可以控制每个UE的RRM过程以优先使用某些无线接入。用户可以通过手动选择网络（这将创建一个用户控制的网络优先级列表，包括接入技术）来控制选择的决策，或者可以通过要求使用某个5G系统尚未支持的服务来间接影响选择，这将导致UE禁用允许UE接入5G系统的相关的无线能力，从而使UE选择例如4G系统。由于对5GC和EPC使用的是不同的NAS协议， UE中的NAS层会向AS层指示是要向5GC还是向EPC发起NAS信令连接， NAS层会向相应的核心网发起NAS消息并将其发送给AS层， 该AS层在发往RAN的RRC中指示该NAS消息用于哪种类型的核心网。RAN选择相应的核心网实体， 即用于5GC的AMF， 用于EPC的MME。

一旦做出初步选择，并且UE（已向核心网表明它支持两个系统）和网络同时支持5G和4G系统，则在特定时间点使用的系统可能会发生变化，例如，由于用户调用某些服务或由于无线覆盖问题，或者为了平衡系统负载。

规范规定， 与EPC的互通既可以使用N26， 也可以不使用N26， 并且UE可以在3GPP接入的单注册模式或双注册模式下运行（当使用N26时仅适用单注册模式）， 即：

在单注册模式下：对于连接核心网的3GPP接入， UE有一个激活的移动性管理状态，并且处于5GC NAS模式或EPC NAS模式， 具体取决于UE连接到哪个核心网； 当UE来回移动时，UE上下文信息在两个系统之间传递，这可以通过N26完成，也可以在没有N26接口时通过UE将每个PDN连接或PDU会话挪动到另一个系统来完成。为了使目标系统中的RAN选择UE在源系统（如果可用）中注册的相同的核心网实体， 并且能够通过N26检索UE上下文， UE在EPC和5GC之间移动时将会把4G-GUTI映射到5G-GUTI，反之亦然，如图7.8所示。为了处理安全上下文，第8章介绍了如何在返回5GC时有效重用之前建立的5G安全上下文。

图7.8 5G-GUTI和EPS GUTI之间的映射

在双注册模式下：UE使用各自独立的RRC连接为3GPP接入5GC和EPC维护独立的移动性管理状态。在这种模式下， UE分别维护5G-GUTI和4G-GUTI， 并且UE可以仅注册到5GC、仅注册到EPC或同时注册到5GC和EPC。

应当注意，N26仅用干3GPP接入。EPC和5GC系统中3GPP接入与非3GPP接入之间的PDU会话的移动性由UE驱动，并且不需N26即可支持。本节中的其余描述集中于3GPP接入的互通。

当UE从一个系统移动到另一个系统时，UE以目标系统的格式提供其UE临时标识。如果UE之前已经在目标系统中注册/附着到另一个系统，或者根本没有注册/附着，并且不持有目标系统的任何UE临时标识，则UE提供一个映射的UE临时标识，如图7.9所示。

图7.9 UE在NAS和RRC处提供的UE标识

当UE一开始附着到EPS时， UE使用其IMSI作为对E-UTRAN（在RRC中）和EPC（在NAS中）的UE标识。但是， 在5GS中， UE使用面向5GC的SUCI（在NAS中）， 该信息隐藏了UE的标识（有关SUCI的更多信息， 请参见第8章）。在两种情况下，网络中都没有存储的UE上下文，即，网络需要创建UE上下文。

当UE已在一个系统中注册并移动到另一个系统中并且该UE没有目标系统的自身的UE标识时， UE会将源系统的UE临时标识映射到目标系统使用的格式， 从而使RAN能够选择上次为UE服务的核心网（如果有的话）。

当UE从5GS移动到EPS时， UE在RRC中设置GUMMEI（即MCC、MNC、MME组ID、MME码）为原生GUMMEI。否则， 任何未做5G升级的eNB将把“映射的GUMMEI”作为识别一个SGSN的标识。UE指示从5G-GUTI映射出GUMME I， 以使5G升级后的eNB能够区分MME地址和AMF地址。在TAU消息中， UE包含从5G-GUTI映射出的4G-GUTI， 并指示UE正在从5G移动过来， 然后MME通过N26从5GC检索UE上下文。

当UE从EPS移至5GS时， UE在RRC中设置从4G-GUTI映射出的GUAMI（即MCC、MNC、AMF区域ID、AMF集ID和AMF指针）， 并指示是从EPS映射过来的。这使gNB可以选择相同的核心网实体， 例如AMF+MME（如果有）。在注册消息中， UE包含从4G-GUTI映射得到的5G-GUTI，并且指示UE正在从EPC移动过来。另外，如果UE具有原生5G-GUTI，则UE将其包含为“附加GUTI”，并且在这种情况下，AMF尝试从旧的AMF或从UDSF检索UE上下文。否则，AMF使用从4G-GUTI映射得到的5G-GUTI从MME检索UE上下文。

UE具有原生5G-GUTI的其他场景是，UE使用3GPP接入向5GC注册， 并且UE另外通过非3GPP接入（使用N3IWF）向5GC注册， 即UE正在同时使用3GPP接入和非3GPP接入连接5GC。然后， UE的3GPP接入连接挪到EPC， 而非3GPP接入连接保持连接5GC。之后， UE的3GPP接入的连接从EPC移回到UE已通过非3GPP接入注册的5GC， 即UE已经具有原生5G-GUTI， 因此UE将其指示为“附加GUTI”。

如上所述， 当UE提供一个映射的UE临时标识时， E-UTRAN或NG-RAN可以选择与UE之前注册/附着的同一个核心网实体， 比如混合的AMF+MME（如果有这样的实体）。MME或AMF使用NAS消息中提供的UE临时标识从以前注册过UE的旧实体中检索UE上下文（例如， 通过N26， 或者通过内部接口如果使用混合的AMF+MME）。

UE根据以下步骤决定要使用的注册模式（即单注册或双注册）：

1）当向网络注册时， 即向EPC或者5GC（包括向5GC的初始注册和移动性注册更新以及向EPC的附着和TA更新）注册时， UE指示它支持“其他”系统的模式， 即对于5GC， UE指示其支持“S1模式”， 即UE支持EPC过程， 对于EPC， UE表示支持“N1模式”，即UE支持5GC过程。

2）支持互通的网络向UE指示该网络是否支持“无N26互通”。

3）然后，UE选择注册模式，如下所示：

a.如果网络指示在没有N26的情况下不支持互通，则UE将以单注册模式运行。

b.并且如果网络表明它支持不使用N26的互通，则UE会根据UE的具体实现来决定是在单注册模式还是双注册模式下运行（UE对单注册模式的支持是强制性的，而双注册模式时可选的）。

5GS和GERAN/UTRAN之间不支持互通， 这意味着例如对于已在5GS或EPS中注册的UE，在随后往返于GERAN/UTRAN移动时，不能确保为IP PDU会话保留IP地址。

以下各节介绍了使用N26和不使用N26进行互通的总体原则。

7.8.2.2 使用N26接口进行互通

当N26接口用于互通过程时，UE以单注册模式运行，并且UE上下文信息通过N26在AMF和MME之间交换。AMF和MME为UE保留一个MM状态（用于3GPP接入），即或者在AMF中或者在MME中（并且当MME或AMF持有UE上下文时，MME或AMF在HSS + UDM中注册）。互通过程为5GS和EPS之间的系统间移动性提供了IP地址连续性， 并且也是无缝的会话连续性（例如， 对于语音服务）所需要的。PGW-C + SMF 保持PDN连接和PDU会话相关参数之间的映射， PDU会话相关参数包括PDN类型/PDU会话类型、DNN/APN、APN-AMBR/会话AMBR和QoS参数映射。

为了确保从5GS到EPS的互通， 当UE使用5GC时， AMF已经为PDU会话的QoS流分配了EPS承载标识（EBI）（EPS承载用于区分QoS， 请参阅第9章。EPS中每个PDN 连接的默认EPS承载至少需要一个EBI）。AMF跟踪分配的EBI、与相应的PDU会话ID对应的ARP对以及SMF标识。当建立、修改（例如添加新的QoS流）、释放PDU会话，或将PDU会话从非3GPP接入移出或移入时， AMF会更新信息。图7.10概括显示了这一交互作用。

图7.10 EBI分配和撤销

如果支持N26， AMF和PGW-C + SMF一起会根据运营商策略， 例如DNN等于IMS， 需要启用PDU会话的QoS流才能与EPS互通， 并向AMF发起请求（1）， 以获取分配给一个或多个OoS流的EBI。AMF跟踪为UE分配的EBI， 并决定是否接受对EBI的请求（4）。由于EPS的限制， 例如如果支持的EPS承载数量不超过一个， 或者不超过一个PGW-C+SMF可以为同一个APN提供的PDN连接， 则AMF可能需要撤销（2）之前分配的EBI， 例如， 如果新请求的QoS流比已经分配了EBI的QoS流具有更高的ARP优先级。在这种情况下， 撤销EBI的PGW-C + SMF将需要通知NG-RAN和UE， 对应于已撤销的EBI的映射的EPS QoS参数已经被移除（3）。一旦为QoS流分配了EBI， SMF就会向NG-RAN和UE通知已添加的与EBI相对应的映射的EPS QoS参数。

有关5GS和EPS之间的移动性的过程描述， 请参见第15章。

7.8.2.3 不使用N26接口的互通

在无N26接口的情况下进行互通时， 无法从最后一个服务的MME/AMF中获取UE上下文， 因此HSS + UDM提供额外的存储， 其原则是UE进行附着或初始注册， MME和AMF向HSS+UDM指示不要取消通过另一个系统注册的AMF或MME， 从而HSS +UDM保持MME和AMF， 直到UE成功转移了所有PDU会话/PDN连接。PGW-C+SMF还利用HSS+UDM储存自己的地址/FQDN和相应的APN/DNN以支持IP地址保持， 因为它使MME和AMF能够为PDN连接/PDN会话（从另一个系统移出的）选择相同的PGW-C+SMF。

AMF在初始注册期间向UE指示对不使用N26的互通的支持， MME可在附着过程中向UE提供此类指示。在双注册模式下运行的UE可以使用该指示在目标系统中尽早注册，以最大限度地减少任何服务中断， 还可以使用针对EPS的附着过程， 以避免MME拒绝TAU， 否则UE需要重新附着。对于5GS， UE使用AMF视为初始注册的注册过程。如前所述，处于单注册模式下的UE会在附着请求后，使用请求类型为“切换”的UE请求的PDN连接建立过程， 来移动所有遗留下来的PDU会话； 在UE注册之后， 使用带有“现有PDU会话”标志的UE发起的PDU会话建立过程， 来移动PDN连接。在双注册模式下运行的UE， 由于在两个系统中都有注册， 可以选择性地决定相应移动PDN连接和PDU会话。