提升物聯(lián)網(wǎng)UDM/HSS容量實開率解決方案研究

李晟宇，陳 飛，平軍磊，江曉筠（.中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007；.中國聯(lián)通河南分公司，河南鄭州 450003）

0 前言

作為5G網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用，從2019年到2020年，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用持續(xù)增長，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的企業(yè)由85%增加至90%。各國物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用比例也越來越大，其中德國、中國、美國、法國的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用比例較高，分別為94%、92%、92%、92%。

受物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)固有特點影響，當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)主要以客戶為單位一次性批量開戶。以某運營商為例，客戶業(yè)務(wù)發(fā)展不及預(yù)期且客戶終端實際分階段入網(wǎng)，導(dǎo)致HSS 實際激活用戶比例較低（低于20%），造成投資浪費。結(jié)合目前物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢，新增連接數(shù)每年以億為單位增加，因此在5G SA 建設(shè)初期，針對在5G 2B UDM/HSS 融合網(wǎng)元開戶的業(yè)務(wù)流程進行優(yōu)化、提升UDM/HSS容量的實開率顯得尤為重要。

1 現(xiàn)有業(yè)務(wù)開通模式概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)開卡模式

物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)有業(yè)務(wù)開卡模式是批量將用戶數(shù)據(jù)一次性寫入HSS/UDM。具體開卡流程如圖1所示。

物聯(lián)網(wǎng)用戶簽約后設(shè)置計費寬限期，一般為1～2年。計費寬限期到達后會自動激活，如果客戶沒有特殊的要求，該卡不會銷戶。這也是造成UDM/HSS實開率低的重要原因之一。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)有業(yè)務(wù)開卡模式

1.2 FE Relay

由FE 內(nèi)置Relay 功能，F(xiàn)E 可根據(jù)其UDR 中用戶數(shù)據(jù)的記錄情況自動構(gòu)建用戶的路由信息，將未開通5G 業(yè)務(wù)的2G/3G/4G 業(yè)務(wù)請求路由給現(xiàn)網(wǎng)HSS 處理，同時也可通過Relay鑒權(quán)消息，解決用戶開通5G時，受理系統(tǒng)無法從現(xiàn)網(wǎng)HSS 遷移鑒權(quán)信息的難點。HSS FE Relay方案如圖2所示。

圖2 HSS FE Relay方案

FE Relay具體方案如下：

a）部署融合HSS/UDM，同時提供傳統(tǒng)的2G/3G/4G/5G的業(yè)務(wù)能力以及5G的接口。

b）現(xiàn)網(wǎng)用戶（HSS/HLR 中用戶）簽約5G 業(yè)務(wù)時，由營賬系統(tǒng)下發(fā)指令攜帶全量簽約數(shù)據(jù)，完成存量用戶的5G業(yè)務(wù)簽約。

c）由現(xiàn)網(wǎng)FE Relay 將已遷移用戶信令路由至目標(biāo)UDM。

d）大區(qū)中心UDR/HSS BE 存儲2G/3G/4G/5G 融合用戶，現(xiàn)有HSS/HLR BE存儲非5G用戶。

e）UDM/HSS FE 部署在不少于2 個DC 上，業(yè)務(wù)負荷分擔(dān)，UDR用戶數(shù)據(jù)1+1互備。

f）隨著5G 業(yè)務(wù)的發(fā)展，云化融合HSS/UDM 逐漸擴容接管傳統(tǒng)HSS 業(yè)務(wù)，基于ATCA 架構(gòu)的HSS 設(shè)備逐步退網(wǎng)。

2 整體解決方案及開通流程分析

基于物聯(lián)網(wǎng)卡現(xiàn)有開通模式，某運營商前期制定了FE Relay 方案和SA 自動開通方案。建議物聯(lián)網(wǎng)簽約開戶流量優(yōu)化如下。

a）初次開戶僅在BSS 側(cè)（即Jasper 平臺或物聯(lián)網(wǎng)自建平臺）進行簽約，BSS 側(cè)存儲用戶簽約信息，不寫入UDM/HSS。

b）UDM/HSS 初始無該用戶鑒權(quán)數(shù)據(jù)，不判斷用戶簽約類型（3G/4G/5G），按標(biāo)準(zhǔn)信令流程響應(yīng)終端接入鑒權(quán)請求。

c）用戶首次登網(wǎng)時鑒權(quán)失敗，通過新增中間系統(tǒng)觸發(fā)自動開通，中間系統(tǒng)通知BSS 將用戶簽約數(shù)據(jù)寫入UDM/HSS（基于IMSI號碼）。

d）BSS 收到開通請求后檢索用戶是否存在，若存在，將用戶簽約數(shù)據(jù)全量寫入UDM/HSS，若不存在拒絕開通請求。

e）終端NAS接入失敗定時器超時后，自動嘗試重新接入，或客戶手動重啟設(shè)備后終端接入注冊成功。

對BSS的要求：

a）首次開戶簽約指令不下發(fā)UDM。

b）BSS 側(cè)記錄用戶開戶狀態(tài)：已在UDM/HSS 開戶、未在UDM/HSS開戶。

c）BSS收到開通請求基于IMSI進行用戶檢索：

（a）若用戶不存在則丟棄該請求，并回復(fù)開通拒絕。

（b）若用戶存在且未在UDM/HSS 開戶，執(zhí)行新用戶開戶流程，并回復(fù)開通確認。

（c）假設(shè)2B 推廣SA 自動開通業(yè)務(wù)，若用戶存在，但僅在UDM/HSS 開通3G/4G 業(yè)務(wù)，則執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)SA 自動開通流程，并回復(fù)開通確認。

（d）如用戶存在，且已在UDM/HSS 開戶則丟棄該請求，并回復(fù)開通拒絕。

3 自動開通系統(tǒng)實現(xiàn)方案分析

3.1 基于FE Relay重定向的自動開通方案

該方案通過新增自動開通系統(tǒng)模擬一個HSS 信令點，UDM/HSS 開通FE Relay 功能，配置目的指向為自動開通系統(tǒng)。自動開通系統(tǒng)根據(jù)消息中的IMSI 構(gòu)造開通請求消息（IMSI+開通請求類型），向BSS發(fā)起用戶開通請求。該方案的前置條件為：自動開通系統(tǒng)構(gòu)建本地數(shù)據(jù)庫，基于IMSI 存儲自動開通請求記錄，并定期清零（如以24 h為周期）?；贔E Relay重定向自動開通方案如圖3所示。

圖3 基于FE Relay重定向自動開通方案

3.1.1 2B禁止SA自動開通場景下業(yè)務(wù)流程

a）UDM/HSS收到鑒權(quán)請求后，發(fā)現(xiàn)無用戶鑒權(quán)數(shù)據(jù)，基于FR功能將請求信息轉(zhuǎn)發(fā)至自動開通系統(tǒng)。

b）自動開通系統(tǒng)根據(jù)信令消息中的IMSI 字段檢索本地數(shù)據(jù)庫，如無記錄則根據(jù)IMSI字段構(gòu)造開通請求信息，向BSS 發(fā)送開通請求，如IMSI 在本地數(shù)據(jù)庫已存在，則丟棄該消息。

c）自動開通系統(tǒng)模擬UDM/HSS 向SGSN、MME 下發(fā)接入失敗消息。

d）BSS 基于IMSI 信息檢索后，發(fā)起用戶開戶流程，并向自動開通系統(tǒng)回復(fù)確認消息。

e）SGSN、MME 基于HSS/HLR 返回的接入失敗消息，映射NAS接入失敗原因值，然后下發(fā)終端。

f）終端NAS 接入失敗定時器超時后，自動嘗試重新接入?；蚩蛻羰謩又貑⒃O(shè)備后終端接入注冊成功。

3.1.2 2B允許SA自動開通場景下業(yè)務(wù)流程

a）3G/4G 接入流程。與禁止SA 自動開通場景下業(yè)務(wù)流程相同。

b）5G接入流程如下。

（a）UDM 開啟自動開通功能開關(guān)，收到鑒權(quán)請求后，發(fā)現(xiàn)無用戶鑒權(quán)數(shù)據(jù)，向AMF 回復(fù)“403 Forbid?den”，并向新增自動開通系統(tǒng)發(fā)起SA自動開通請求。

（b）自動開通系統(tǒng)根據(jù)信令消息中的IMSI 字段檢索本地數(shù)據(jù)庫，如無記錄則根據(jù)IMSI字段構(gòu)造開通請求信息，向BSS 發(fā)送開通請求，如IMSI 在本地數(shù)據(jù)庫已存在，則丟棄該消息。

（c）BSS 基于IMSI 信息檢索后，發(fā)起用戶開戶流程，并向UDM回復(fù)確認消息。

（d）AMF基于UDM回復(fù)消息映射#27 NAS失敗原因值，然后下發(fā)終端。

（e）終端NAS 接入失敗定時器超時后，自動嘗試重新接入，或客戶手動重啟設(shè)備后終端接入注冊成功。

3.1.3 UDM功能要求

a）UDM/HSS 融合網(wǎng)元需支持FR 功能（3G/4G 接入的FR功能）。

b）若2B 業(yè)務(wù)采用SA 反向自動開通策略，則UDM/HSS融合網(wǎng)元需支持SA反向自動開通功能。

c）若2B 業(yè)務(wù)不采用SA 反向自動開通策略，則UDM/HSS融合網(wǎng)元需支持SA接入的FR功能。

3.2 基于DPI檢測的自動開通方案

該方案通過UDM/HSS 不開啟FR 功能，正常響應(yīng)用戶鑒權(quán)請求。新增DPI 采集系統(tǒng)，對UDM/HSS 的C接口、Gr 接口、S6a、SBI 接口進行信令采集分析，實時發(fā)現(xiàn)UDM/HSS下發(fā)的鑒權(quán)失敗消息，進而由自動開通系統(tǒng)根據(jù)消息中的IMSI 構(gòu)造開通請求，向BSS 發(fā)起用戶開通請求。基于DPI 檢測的自動開通方案如圖4 所示。

圖4 基于DPI檢測的自動開通方案

3.2.1 2B禁止SA自動開通場景下業(yè)務(wù)流程

在傳統(tǒng)的英語教學(xué)方式中，都是比較被動的教授與灌輸式教學(xué)，導(dǎo)致教學(xué)效果不盡人意?，F(xiàn)在通過激情教學(xué)法，使老師與學(xué)生都沉浸在教學(xué)的樂趣之中，從而達到教學(xué)的目標(biāo)。在這個過程中，需要老師充分發(fā)揮自身的魅力，用自身對于課堂和學(xué)生的熱愛，感染和帶動學(xué)生。這樣不僅僅能有助于課堂的氛圍的提升、也有助于教學(xué)的質(zhì)量的提升。

a）自動開通系統(tǒng)構(gòu)建本地數(shù)據(jù)庫，基于IMSI存儲自動開通請求記錄，并定期清零（建議以24 h 為周期）。

b）UDM/HSS 收到鑒權(quán)請求后，發(fā)現(xiàn)無用戶鑒權(quán)數(shù)據(jù)，按正常信令流程向MSC、SGSN、MME 或AMF 回復(fù)鑒權(quán)拒絕消息。

c）DPI 采集模塊發(fā)現(xiàn)鑒權(quán)失敗消息，將完整信令消息解析轉(zhuǎn)發(fā)至自動開通系統(tǒng)。

d）自動開通系統(tǒng)根據(jù)信令消息中的IMSI 字段檢索本地數(shù)據(jù)庫，如無記錄則根據(jù)IMSI字段構(gòu)造開通請求信息，向BSS 發(fā)送開通請求，如IMSI 在本地數(shù)據(jù)庫已存在，則丟棄該消息。

e）BSS 基于IMSI 信息檢索后，發(fā)起用戶開戶流程，并向自動開通系統(tǒng)回復(fù)確認消息。

f）MSC、SGSN 或MME 基于HSS/HLR 返回的接入失敗消息，映射NAS接入失敗原因值，然后下發(fā)終端。

3.2.2 2B允許SA自動開通場景下業(yè)務(wù)流程

a）3G/4G 接入流程。同禁止SA 自動開通場景下業(yè)務(wù)流程。

b）5G接入流程。采用現(xiàn)有SA自動開通流程實現(xiàn)自動開戶。

3.3 2種自動開通方案對比

從現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)改造、BSS 改造需求、開通效率等角度對上述2種方案進行對比分析，如表1所示。

表1 基于FE Relay重定向和基于DPI檢測

4 輔助解決方案建議

4.1 開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)開戶輕量化APP或手廳入口

為盡量降低開通邏輯改變給用戶業(yè)務(wù)帶來的影響，建議為客戶提供便捷入口，輸入少量信息即可實現(xiàn)按時、按需開戶。如在手機營業(yè)廳增加入口或開發(fā)輕量化APP，客戶需要批量開卡時可以輸入前期已購號段的起止號碼信息即可按合同約定申請實時開戶，手機營業(yè)廳或定制APP 將開通請求消息發(fā)給Jasper或物聯(lián)網(wǎng)自建平臺，由Jasper 或物聯(lián)網(wǎng)自建平臺發(fā)起實時開戶操作。

4.2 提供物聯(lián)網(wǎng)終端重啟友好提醒

考慮到物聯(lián)網(wǎng)終端模組的不確定性，部分終端無法響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)NAS 失敗原因值，即存在部分終端不能按照方案設(shè)想在預(yù)定時間后重新發(fā)起注冊請求，建議物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)推廣時友好提醒客戶：如終端初始開機無法接入網(wǎng)絡(luò)，請于XX分鐘后重啟。

4.3 MME、AMF局數(shù)據(jù)調(diào)整

考慮自動開通時延后，為使終端能盡快發(fā)起重附著/注冊，建議MME、AMF 收到UDM/HSS 返回的鑒權(quán)拒絕消息后，統(tǒng)一映射NAS 失敗原因值（具體原因值需進一步調(diào)研分析），下發(fā)給終端，使終端能在數(shù)分鐘后重新發(fā)起附著/注冊請求。

5 總結(jié)

本文對物聯(lián)網(wǎng)UDM/HSS 容量實開率較低的問題進行了詳細的分析，針對5G 2B UDM/HSS 融合網(wǎng)元開戶的業(yè)務(wù)流程進行優(yōu)化，提出了基于FE Relay 重定向和DPI 檢測的自動開通方案，并提供了輔助的解決方案，可有效提升UDM/HSS 的容量實開率，從而有效地提升了UDM/HSS的投資效益。