5G PCF融合数据组网方案研究

丁 毅 陈 钏 金建宁

中国移动通信集团江苏有限公司

0 引言

运营商加快建设5G SA，一张全新的基于通用X86服务器的NFV网络走上时代舞台。与此同时，传统的4G核心网仍然承载着大量的用户业务，如何将两张网络的数据库进行融合是运营商必须解决的一大难题。

站在用户体验的角度，不换卡不换号，仅更换终端就能让用户体验5G的高速网络，是提升用户满意度的一大措施。而4G时代的计费控制策略PCC（Policy Control and Charging）以及用户数据如何与5G网络有机融合是运营商面对的棘手问题，本文重点研究策略控制功能PCF（Policy Control Function）的融合数据组网方案，并分析相关解决方案的优缺点。

1 5G PCF融合数据组网

1.1 5G用户数据演进

3GPP标准定义的用户数据存储架构采用计算和数据分离方式，结构化数据存储管理架构包括：

（1）统一数据存储UDR（unified data repository）：负责用户数据存储，包含通用数据管理UDM（Unified Data Management）、PCF策略数据、与NEF相关的结构化数据和应用数据。

（2）FE（front end，前端）：负责业务逻辑处理，包含UDM FE、PCF FE和NEF FE。

（3）UDM：可类比HSS FE，提供用户签约数据访问、位置登记等功能。

（4）AUSF（Authentication Server Function）：提供鉴权认证功能，可与UDM合设。

（5）PCF：访问UDR提供的策略数据。

（6）NEF（Network Exposure Function）：能力开放网元，访问UDR提供的能力开放数据。

5GC中，UDR负责用户数据的存储，类似于4G传统网元中的用户数据库SPR（Subscriber Profile Repository），可以为多种类型的FE（PCF、UDM、NEF）提供数据存储服务。与4G不同的是，5GC中，PCF和UDR之间采用了服务化的HTTP/2协议的接口Nudr，实现对用户数据的增、删、改、查等操作。此外，UDR与运营商的业务支撑系统BOSS进行对接，同步用户的签约、业务订购等策略数据信息，UDR结合业务支撑系统中的用户信息制定相应策略。UDR与业务支撑系统之间的组网架构如图1所示。

图1 UDR/SPR与业务支撑系统之间的组网架构

4G和5G将在相当长的时间内共存，EPC与5GC会产生大量的互操作，4G向5G的平滑演进，必然要求PCRF和PCF的深度融合，在目标5GC网络中，PCF兼做PCRF，成为融合的PCRF/PCF，在对外连接中，既需要继承现网EPC的相关接口又需要增加5GC新的接口，融合PCRF/PCF接口名称及协议见表1所示。

表1 融合PCRF/PCF接口名称及协议

融合PCRF/PCF意味着4G SPR中的用户数据需要全量迁移到5G UDR中，这种搬迁方案看似简单，实际上需要提前准备好5G UDR的资源池，改造BOSS支持新的5G接口。如果是异厂家的搬迁，还会涉及到厂家数据库私有格式的转换等问题。此外，整体的搬迁还涉及到网络安全问题，搬迁过程中的异常情况可能导致用户数据的损坏，造成前后台数据的不一致，影响用户业务的使用。因此，必须考虑目标方案完成前的过渡方案，以保证在用户不换卡、不换号的市场策略下，网络能平滑演进。

1.2 组网方案

过渡方案的设计务必要保证用户业务使用的连续性，也必须解决4/5G之间互操作的问题，在目前基于N26接口的互操作组网下，用户终端仅需要单注册即可实现用户业务的无缝切换和会话的连续性。过渡方案为避免用户数据的整体迁移，以全部新建PCF/UDR为前提，有两种方案，分别是同厂家方案和异厂家方案。

1.2.1 组网方案一：同厂家新建

组网架构如图2所示。组网图中的网元由如下部分构成：

图2 同厂家组网架构

（1）PCF/UDR：新建网元，与PCRF/SPR同厂家。作为5GC网络中的策略控制节点，当用户从5GC接入时，可以对外提供基于承载/业务的接入控制、QoS控制、计费控制以及EPSFB等业务策略。PCF对外主要提供Rx、N7、N15、Nnrf、短信网关接口等接口与周边节点进行互通，进而提供策略的分析、决策以及下发。UDR存储5GC用户策略数据，涉及内部接口Nudr、与BOSS的SOAP接口。

（2）PCRF/SPR：作为EPC网络中的策略控制节点，当用户从EPC接入时可以对外提供基于承载/业务的门限控制、QoS控制、计费控制等业务策略。PCRF对外主要提供Gx、Rx、短信网关接口等接口与周边节点进行互通，进而提供策略的分析、决策以及下发。SPR存储EPC用户策略数据，涉及内部接口Sp、与BOSS的SOAP接口。

（3）BOSS：运营商运营业务支撑系统，采用SOAP协议，负责与UDR/SPR进行业务数据的交互，例如开户数据、策略数据、用户状态。

（4）融合短消息网关：5G中提供融合短消息服务。

（5）短信网关：4G中提供短信服务。

（6）AF：应用功能，主要对IP-CAN（IP-Connectivity Access Network，IP连接访问网络）会话进行动态策略控制。AF通过Rx接口与PCRF关联动态会话信息。常见的应用业务单元如VoLTE中的P-CSCF。

该方案新建虚拟化PCF/UDR节点，与现网分PCRF/SPR对外呈现为1个二融合PCF/UDR/PCRF/SPR设备整体，无需割接原SPR中的数据到新建的UDR中，实现现有手机用户不换卡不换号使用5G SA。新建节点各接口通过IP承载网承载，SPR与UDR之间采用同厂家Ud接口通信。

该方案对现网的改造要求如下：现网PCRF/SPR升级改造支持与新建PCF/UDR同厂家混合组网。现网SPR与新建UDR综合设置为UDR/SPR。现网PCRF与新建PCF综合设置为PCF/PCRF。现网的PCRF、SPR与相应的新建节点通过IP承载网实现互通。BOSS开通接口统一迁移到UDR，不再指向现网SPR。对于5G用户策略控制，其策略控制由BOSS直接在PCF/ UDR上实现，对于PCRF/ SPR负责的4G用户策略控制，采用UDR内部接口转接至SPR的方式。

业务流程如下：

场景一：4G用户策略数据签约开通，如图3所示。

图3 4G用户策略数据签约开通

（1）BOSS下发命令到对应UDR，若是开户则下发addSubscriber命令中不携带“Usr5GStatus”参数；若是策略开通则下发签约命令subscribeService/ subscribeUsrSessionPolicy。

（2）UDR判断无用户数据，将BOSS命令转发至SPR。

（3）SPR完成业务开通/签约。

场景二：新开5G用户策略数据签约开通，如图4所示。

图4 新开5G用户策略数据签约开通

（1）BOSS下发命令到对应UDR，若是开户则下发addSubscriber命令中携带“Usr5GStatus”参数；若是策略开通则下发签约命令subscribeService/ subscribeUsrSessionPolicy。

（2）UDR判断为5G用户，完成业务开通/签约。

场景三：存量4G用户开通5G策略数据业务签约，如图5所示。

图5 存量4G用户开通5G策略数据业务签约

（1）BOSS下发命令到对应UDR，若是策略开通，需先进行5G开户addSubscriber命令，其中携带“Usr5GStatus”参数；再下发切片和UE策略签约命令addSnssaiTemplateID/ addUePolicyTemplateID。

（2）UDR与对应SPR配合将用户数据从SPR迁移到UDR。

（3）UDR完成5G切片和UE策略开通。

上述场景都需要在UDR中配置号段信息，将存量号段信息指向SPR，新增号段信息指向UDR。以场景三为例，若开通用户号段为存量号段，UDR查询用户是否在本地存在，若存在即UDR处理BOSS指令；若不存在，查询SPR内是否有用户数据，若有则用户策略数据迁移至UDR内并开通切片和UE策略；若SPR内无用户数据，UDR返回错误码给BOSS，提示开通操作无效。若开通用户号段为新号段，UDR直接查询用户在本地是否存在，若存在即UDR处理BOSS指令；若不存在，UDR返回错误码给BOSS，提示开通操作无效。

除了BOSS指令触发的迁移，还有一种基于同厂家SPR/UDR私有接口的用户业务流程触发的迁移，其流程如下：

场景：4G存量用户初次更换5G终端接入网络，签约数据存储在SPR。

（1）用户上线，通过AN--＞AMF--＞SMF N7接口从5G设备接入网络。

（2）PCF向UDR发送请求，用于获取用户签约数据。

（3）UDR查询未发现用户数据，查询SPR中有数据，触发数据迁移至UDR。

（4）UDR返回PCF用户的策略信息。

上述流程并不涉及BOSS的参与，完全由用户的业务流程触发了数据的迁移，是一种基于用户流程的单用户数据搬迁的方式。但UDR仅支持配置上述两种方式的其中一种，因此建议在5G网络初期采用BOSS触发迁移方式，后期采用用户业务流程触发迁移的方式。

该方案通过两种数据迁移的方式，稳健地将SPR的用户数据逐个迁移到UDR中，减少了整体搬迁带来的对现网的影响，也降低了数据不一致性的风险。

该方案的缺点在于必须与4G的PCRF/SPR同厂家，在设备的采购上受到了约束。此外，由于5G的NFV特点，底层的设备厂家有可能与上层的应用厂家不是一家，存在三层解耦带来的网络部署风险。

1.2.2 组网方案二：异厂家双发方案

组网架构如图6所示。组网图中的架构总体与同厂家方案类似，区别在于新建的PCF/UDR与PCRF/SPR是异厂家，且BOSS的开通接口也要与UDR对接，形成UDR/SPR两边同时发送指令的架构。

图6 异厂家双发方案组网图

该方案对现网的改造要求如下：BOSS系统同时连接SPR和UDR，支持双开，并保证两边数据的一致性、有效性、实时性。PCF建立和AMF/SMF等网元的连接（HTTP）。PCF建立和原有4G信令网络的连接（Diameter）。BOSS将5G用户（包括新开5G、4G升5G用户）开通到UDR，同时在SPR上保留用户的4G策略数据。同时针对5G用户的后续BOSS指令需要同时向UDR和SRP进行发送，保证UDR和SPR上的策略数据一致性。用户无论是寻址到PCRF，还是寻址到PCF，保证都能获取到相同的签约策略。

业务流程如下：

场景一：存量4G用户签约4G业务，如图7所示。

图7 存量4G用户签约4G业务

（1）BOSS下发签约命令subscribeService/ subscribeUsrSessionPolicy到SPR。

（2）SPR完成用户业务签约。

场景二：新开5G用户策略数据签约开通，如图8所示。

图8 新开5G用户策略数据签约开通

（1）BOSS下发开户命令到SPR和UDR。下发到SPR的addSubscriber命令不携带“Usr5GStatus”参数；下发到UDR的addSubscriber命令中“Usr5GStatus”参数取值为“1”。BOSS下发签约命令subscribe Service/subscribe Usr Session Policy到SPR和UDR。

（2）SPR和UDR完成用户开户和业务签约。

场景三：存量4G用户开通5G策略数据业务签约，如图9所示。

图9 存量4G用户开通5G策略数据业务签约

（1）BOSS判断是4G用户开5G，将用户在SPR上的开户信息通过addSubscriber命令全部重新下发给UDR，其中addSubscriber命令中“Usr5GStatus”参数取值为“1”。

（2）UDR完成命令执行，并返回响应。

（3）将用户在SPR上的全部签约信息通过subscribe Service/ subscribe Usr Session Policy命令全部重新下发给UDR。

（4）UDR完成命令执行，并返回响应。

双发方案不存在BOSS触发迁移的流程，由BOSS发送相应指令来实现用户数据从SPR到UDR的同步，由于是异厂家组网，无法实现基于用户业务触发的迁移。

该方案完全依赖BOSS的能力实现用户数据从SPR到UDR的迁移，难点在于如何将SPR原有的用户数据完整准确的迁移到UDR，对BOSS的能力要求非常高，存在BOSS数据库与UDR数据库中用户数据不一致的风险。该方案的优点是可以根据虚拟层的厂家选择相同的应用层PCF/UDR厂家，避免三层解耦存在的兼容性问题。

分析梳理了两种方案的特点，如表2所示。

表2 两种方案比较

方案 BOSS改造 搬迁方式 商务 对现网影响异厂家双发复杂，同时发送至UDR和SPR无需搬迁。可根据虚拟层厂家灵活选择厂家较小，UDR/SPR两份数据库互不影响

根据方案的特点，应全方位多角度综合各类因素选择方案，在BOSS能力足够强的情况下，5G初期建议采用异厂家双发方案，能大大降低对于现网的影响，而灵活的选择厂家可以尽可能地避免与虚拟层的解耦，降低异厂家适配的兼容性问题。

2 结束语

5G SA商用，作为5GC的重要一环，4G的用户策略数据向5GC平滑演进是重点研究的方向。本研究基于现网EPC的情况及5GC的组网需求，重点研究了PCF融合数据的两种实现方案，在实际选择方案时应综合考虑原有4G设备情况、5G商务合同、厂商设备功能、周边网元改造要求，结合两种方案的优缺点统筹决策。