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【5G每日问答】运营商发布5G套餐,为啥不用换卡就可以开通5G业务呢?

罗杰 发表于 2020-4-24 09:55:50 | 显示全部楼层 |阅读模式

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景大事记:

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2019年10月31日,在2019中国国际信息通信展览会开幕式上,工信和信息化部副部长陈肇雄、中国移动、中国电信、中国联通和中国铁塔董事长共同启动5G商用。三大电信运营商发布了各自的5G套餐,这也标志着我国已经正式迈入5G商用时代。

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问:运营商发布5G套餐,为啥不用换卡就可以开通5G业务呢?

答:从2/3G过渡到4G网络时,需要用户终端更换新的USIM卡,一方面是USIM内存升级需要,另一方面是网络侧要将签约数据顺利迁移到融合HSS。5G网络进入大家的视野后,用户们很关心是不是也要更换新的5G卡才能使用5G业务。我们知道,5G网络的演进过程包含了NSA和SA两个阶段,我们将从这两个阶段来解析。

首先,我们来回顾一下当年2/3G用户升级4G业务的情景。对于2/3G用户,要想使用4G业务,必须更换USIM卡。如下图3G的网络架构中用户签约数据网元采用HLR:

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图一:3G网络架构

4G在此基础上进行了用户签约数据网元演进,采用融合的HSS:

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图二:4G网络架构

2/3G核心网的用户签约数据网元由HLR换成了HSS。HSS与HLR相比,在安全性方面表现更突出,HSS支持新的四元组鉴权和128位算法,保密性更好。从2G升级到3G时,2G用的是四元组算法和32位加密,3G的五元组算法对2G的算法做了兼容,有转换协议支持,鉴权向量组在HLR中可以从2G的三元组映射到3G的五元组,SIM上报三元组可以自动转换成五元组,所以在2G到3G时可以不换卡。但4G采用的是四元组,没做兼容策略,所以需要将SIM卡换成USIM卡。2/3G到4G的换卡,不仅增加了运营商的成本,而且给用户带来不便,用户换了新的4G手机,如果不去营业厅换卡,这种情况下用户无法注册到4G网络,更无法使用VoLTE业务。

听起来是不是有些复杂呢?不要紧,我们通过一表三图来对2/3/4卡的鉴权功能进行对比和展示。

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表一:2/3/4G卡鉴权对比

那么对于4G用户升级5G NSA业务时,我们知道在5G NSA业务场景,对于核心网来说,依然采用4G EPC核心网,签约数据依然采用融合HSS进行,主要升级增强是能提供更高带宽业务。所以EPC+引入了Extended QoS参数,使得用户上下行带宽从4G的0~4Gbps扩展到了5G NSA的0~4Tbps。对于运营商来说,要做的是升级MME、SGW、PGW、HSS等网元,并打上相应的License,使其支持高带宽业务。 

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图三:5G NSA网络新增Extended QoS参数

同时HSS上也新增了网络制式限制参数,可以通过为单用户设置ARD(Access Restriction Data),识别并限制用户是否可以使用5G NSA业务(参考《5G手机信号栏中哪些信息显示与网络有关?运营商SPN名称?5G Logo?信号格强度?》)。

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图四:5G NSA网络新增ARD参数

也就是说,用户只需要通过APP或者发送开通5G业务的短信息,实现后台的HSS签约高带宽和接入限制数据后,原有的4G卡在支持5G NSA的手机终端中,就可以使用5G NSA业务,下行带宽可以达到1Gbps以上。

当然,由于4G网络本身已经支持0~4Gbps的带宽,所以部分运营商也可以选择不升级HSS,不签约Extended Qos字段,只升级MME、SGW和PGW以支持用户带宽至1Gbps。这种方案可以避免变更HSS网元的风险,但是无法签约ARD接入限制参数,导致无法从核心网限制用户接入5G NSA网络,用户只需要将4G卡插入5G手机就立即具备5G带宽。同时,5G终端发布后,大量终端更新换代,导致EPC网络大量涌入5G用户,对网络造成冲击。

综上所述,当网络为5G NSA架构时,我们不需要换卡换号,只需一部支持5G NSA的手机,就可以使用1Gbps的高带宽体验。

那对于5G SA网络呢?5G SA网络中的核心网拥有一套全新的架构,我们称之为SBA(Service Based Architecture)架构。

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图五:5G SA网络架构

这种架构适用于控制面(Control Plane),使用HTTP/2协议,不再是GTP-C协议。此外,5G SA网络还引入了全新的用户标识,如用户全球唯一的永久标识SUPI和临时标识5G GUTI,类似于4G网络中的IMSI和GUTI;也引入了隐藏SUPI的一种临时标识SUCI,用于保证SUPI在无线信道传输过程中的安全性,SUCI由UE(USIM或ME)产生,在UDM中完成解码(参考《5G终端定义的用户标识跟4G有啥区别?》)。

我们先来对比一下目前协议定义4G老卡和5G SA新卡的区别,为适配5G安全及移动性等新功能标识,5G SIM卡中会新增几个文件,主要功能是存储5G MM信息,包含5G-GUTI、Last Visited TAI;存储用作鉴权用户秘钥的KAUSF以及KSEAF;存储用于寻址归属AUSF和UDM的Routing Indicator信息;存储用于构建SUCI的Protection Scheme ID和Home Network Public Key(如下图);存储用户的IMSI或者NAI信息等,如果没有这些文件,协议要求5G UE会将这些信息数存储到手机非易失性存储区中来规避,同时UE将用默认值0作为Routing Indicator部分并采用null-scheme算法内部计算构建SUCI。

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图六:5G用户SUCI结构

也就是说,即使USIM卡没有这些5G新增的文件目录,插入5G SA终端依然可以使用5G业务。当然啦,前提是我们所在的区域有5G覆盖,且发送短信开通5G服务。

其次,我们再来看对于运营商来说,如何实现对原有4G用户向5G用户的转换?这个问题应该是运营商自身最为关心的问题,因为存量4G用户数量庞大,且用于存储用户数据的HSS设备实为重要,不敢轻举妄动。

回顾在2/3G用户签约4G业务时,4G时代相比2/3G时代,不仅给用户带来了高带宽,同时也实现了基于IMS的VoLTE高清语音视频通话体验。我们引入了全新的IMS-HSS和SAE-HSS设备,对用户进行EPC域和IMS域的开户,这种场景下,运营商通常采用的是SAE/IMS-HSS/HLR的2/3/4G融合架构,将用户所有签约数据从原始HLR全部迁移到融合HSS/HLR中,用融合HSS/HLR替代现网HLR,为用户签约高带宽和VoLTE业务,同时我们也通过IMS域的TAS设备实现了域选方案,帮助网络找到回落到CS域的VoLTE用户。

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图七:SAE/IMS-HSS/HLR融合

由此可见,2/3G时代升级到4G时代,让运营商付出了巨大的成本,不仅需要为用户更换USIM卡,还需要用大量人力去完成用户数据的割接和迁移。5G NSA网络中我们继续使用4G网络中的HSS设备,所需要做的就是对HSS设备进行升级使其支持5G新增信元,如上述Extended QoS和ARD数据,来支持用户的高带宽体验,并实现核心侧对用户接入的限制,因此只涉及更新用户签约模板,不涉及用户数据迁移,用户通过发送短信即可更改签约模板,使用5G NSA业务。这对于运营商来说省时省力,能快速推广5G高带宽业务,对于用户来说,能提早享受分分钟下载一部电影的体验。

那么对于5G SA网络呢?5G SA核心网将使用UDM这一网络功能。实际上我们将4G网络的HSS和5G网络的UDM进行了融合,如下图所示,用于保证用户数据一致性,方便运营商进行用户数据迁移,同时保证4G用户不换卡不换号。

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图八:4G核心网与5G核心网融合关系

目前对于5G NSA到5G SA的用户数据迁移,我们有三种方案,分别是:

⑴混合组网方案,主要用于HSS和UDM同厂家场景。

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图九:混合组网方案

这种方案中我们部署UDM,并和现网HSS组成pool,客户营帐只连接UDM,当用户办理4G升5G业务时,需要客户营帐系统给UDM发签约指令,UDM BE将该用户在归属HSS上的用户属性和签约信息通过内部接口迁移到自身BE上,并在BE上完成5G策略签约,最后在HSS上完成用户销户动作。

⑵营帐双发方案,不局限HSS和UDM同厂家场景。

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图十:营帐双发方案

这种方案中我们部署UDM,但不用和现网HSS组成pool,客户营帐需要同时接HSS和UDM,当用户办理4G升5G业务时,需要客户营帐系统给UDM发签约指令,再去VOLTE AS、HSS/HLR上进行销户操作。

⑶IWF(UTA)方案,不局限同厂家,主要在异厂家下存在优势(IWF:Subscriber Data Interworking Function,用户数据互通功能网元,华为解决方案中叫做UTA:UDM Translation Agent,UDM转换网关)

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图十一:UTA营帐双发方案

这种方案中4G用户数据存储位置保持不变,通过集中新建UDM Agent,实现HSS与5GC之间鉴权及用户数据的转换,实现不换卡不换号,快速上线体验5G业务。该方案主要用于5GC部署初期,对现网影响小,而且Agent与营帐之间不需要连接。长期演进上看,现网用户按局点/号段逐渐迁移到新建UDM,最后 UDM Agent退网。

这三种方案各有利弊,适用场景不同,但是终归都是要演进到UDM一统天下的网络,运营商根据自己的需求选择最适合自己的方案即可。

通过上述的分析,可以看出5G业务出现后,我们只需要购买支持5G NSA或SA的手机终端,把4G卡插入到手机中,移动到5G覆盖区域,就可以使用5G业务啦,运营商再也不用担心需要耗时耗力帮用户更换手机卡,也不用担心存量用户数据一次性割接的问题。与此同时,也给用户免去了很多麻烦,用户只需要发送短信即可以开通5G业务。当然5G卡相比4G卡,多了一些高级功能,如IMSI加密、5G新增加密和完整性保护算法等,但是不用担心哟,用户依旧可以使用5G业务。


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11.png【5G每日问答】2020期预发布与汇总!!!


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广西联通-桂林七象渠道BU-陈钧鸿 发表于 2020-5-17 20:29:45 来自手机 | 显示全部楼层
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罗杰 发表于 2020-5-19 09:10:50 | 显示全部楼层
前段时间电信发布sim卡安全白皮书,后面还是要考虑换卡。

 楼主| 罗杰 发表于 2020-5-19 09:10:50 | 显示全部楼层
前段时间电信发布sim卡安全白皮书,后面还是要考虑换卡。

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