4G用户不换卡不换号升级5G问题探讨

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摘要：【摘 要】蜂窝移动通信中的用户卡是网络与用户个性化信息的载体，协助用户享用运营商网络业务，而新一代5G网络对终端及用户卡提出了新的需求。如何使原4G LTE用戶不换卡不换号顺利升级使用5G网络业务是运营商进行5G部署时需考虑并解决的关键问题之一。针对此

　　【摘 要】蜂窝移动通信中的用户卡是网络与用户个性化信息的载体，协助用户享用运营商网络业务，而新一代5G网络对终端及用户卡提出了新的需求。如何使原4G LTE用戶不换卡不换号顺利升级使用5G网络业务是运营商进行5G部署时需考虑并解决的关键问题之一。针对此问题，结合国内外运营商在5G初期采用的主流组网架构，从选网接入、鉴权与密钥协商、移动性管理、用户隐私保护、机卡接口电压等方面，重点分析了4G用户卡使用5G终端接入5G网络所面临的问题，同时从终端、网络等角度提出了解决问题的具体方案建议。

　　【关键词】无线通信;终端;用户卡;独立组网

　　《现代传输》(双月刊)创刊于1975年，由信息产业部主管、电信科学技术第五研究所(原邮电部第五研究所)主办，是国内邮电科技期刊中内容丰富、传播面广、权威可靠的学术性与技术性相结合的刊物，读者遍及全国各地，有科研设计院所、专业院校、电信营运部门、生产厂家和通信公司等等。

　　1 引言

　　国外主流运营商普遍计划在2019～2020年进行5G商用部署，国内运营商计划2019年实现5G试商用，2020年实现规模商用。5G即将走进千家万户已是不争的事实。

　　从2G到3G或从3G到4G，用户卡均承载着用户的选网、鉴权、位置等个人信息，用户通过把实体SIM(Subscriber Identity Module，用户身份识别模块)卡插入移动终端，解决了终端的选网接入、身份认证、移动性管理等问题。从目前芯片与终端厂商的5G终端产品规划情况看，5G初期终端形态将以eMBB(enhance Mobile Broadband，增强移动宽带)场景下的手机为主，数据类终端和模组类终端为辅[1]。而5G终端仍将保留用户卡模块接口，用户仍可采用插入实体卡方式在5G终端上享用运营商的5G网络业务。

　　运营商过去主要通过对存量用户升级解决其在新一代网络的选网、鉴权、移动性管理等问题，升级方案主要包括两种：即不换卡不换号和直接更换用户卡。不换卡不换号，即用户使用原用户卡通过新终端接入新网络同时码号保持不变，新网络若对用户卡存在新功能需求则尽量通过终端兼容或网络适配解决。此方案无需用户到营业厅更换或升级用户卡，用户升级体验较佳，同时有效降低运营商对存量用户的升级成本，然而部分新功能或因原用户卡中缺失文件、参数或指令而未能实现。直接更换用户卡，即运营商重新定制新用户卡，用户通过登录业务系统或营业厅办理更换用户卡。此方案虽可实现用户充分享用运营商在新一代网络部署的功能或业务，但增加运营商成本且影响用户升级体验。

　　3GPP(3rd Generation Partnership Project)在研究制定5G终端相关标准时，已考虑终端继续支持UICC(Universal Integrated Circuit Card，通用集成電路卡)平台及该平台下的3GPP相关应用，如USIM(Universal Subscriber Identity Module，通用用户识别模块)和ISIM(IP Multimedia Service Identity Module，IP多媒体业务标识模块)，避免存量用户使用5G终端出问题，同时在USIM应用的服务列表与终端配置(如TERMINAL PROFILE)中，设置5G功能标识使终端与用户卡关于对方支持的5G功能均可准确识别[2]。

　　然而，目前业界存在两种5G组网架构，即NSA(Non-standalone，非独立)架构与SA(Standalone，独立)架构[3]。不同架构下用户使用网络的功能与过程存在差异，运营商需根据自身的5G组网策略，从功能特性需求、终端与网络的技术实现等层面，提前考虑4G用户升级5G的解决方案。论文针对此问题，根据5G初期的两种主流组网架构，首先分析了5G NSA组网下用户升级的关键问题;其次从选网接入、鉴权机制与密钥协商、移动性管理(如NAS安全上下文)、用户隐私保护、机卡接口电压等方面，最后重点分析了5G SA组网下用户不换卡不换号升级5G的关键问题，同时从终端、网络等角度提出了解决问题的具体方案。

　　2 不换卡不换号升级5G关键问题分析

　　上述NSA与SA组网架构中，Option 3a/3x(图1(a)和图1(b))与Option 2(图1(c))[4]分别是5G初期运营商的主流选择，而在不同5G组网下用户将升级面临不同问题。

　　2.1 NSA组网下的关键问题分析

　　由图1(a)和(b)可看出，NSA Option 3a/3x仍只采用EPC(Evolved Packet Core，演进分组核心网)作为核心网，且控制面仍锚定在原4G LTE网络。5G终端先接入4G LTE网络，与EPC通信完成鉴权后，通过EN-DC(EUTRA-NR Dual Connectivity，EUTRA-NR双连接)协议采用双连接技术添加5G NR小区接入5G网络[5]，因而在此类组网下，原4G用户卡基本可提供5G终端接入和移动性管理所需的接口功能(如选网、鉴权、移动性管理等)，用户升级无需换卡或改卡，可享受5G无线网络带来的基本业务(如高速率数据业务)。然而相比SA Option 2(图1(c))，此组网类型未建立新的5GC(5G Core，5G核心网)，部分5G新功能(如用户隐私保护、网络切片等)将难以实现。

　　2.2 SA组网下的关键问题分析及方案建议

　　SA Option2(图1(c))的控制面与用户面均独立于原4G网络，同时采用基于服务化架构的新5GC，终端在选网接入、鉴权与密钥协商、移动性管理、安全特性等方面均存在差异，将导致存量用户升级呈现出不同问题。

　　(1)选网接入

　　4G用户卡的选网文件中缺少关于5G网络的选网信息，采用SA Option 2组网的运营商需确定终端的选网策略并对5G终端或网络作出定制要求。

　　终端开机或重新进入网络覆盖区时，将根据用户的PLMN(Public Land Mobile Network，公共陆地移动网络)信息，搜索能提供服务的一个合适小区进行登记接入，PLMN信息中包括PLMN ID和RAT(Radio Access Technology，无线接入技术)。根据文献[6]，终端先尝试选择RPLMN(Registered PLMN，即终端上次关机或脱网前登记的PLMN，保存在终端的内存中)接入，若RPLMN为空或选择失败，则读取用户卡中的PLMN相关文件并按指定顺序(即HPLMN/EHPLMN→UPLMN→OPLMN→按信号质量或信号强度)尝试接入。然而原4G用户卡的PLMN类文件中缺少关于5G网络的RAT编码，5G终端将无法通过读取PLMN文件搜索接入5G网络。论文针对此问题，结合两种不同的选网策略，提出针对5G终端使用4G用户卡的选网接入方案。

　　方案一(终端优先接入4G无线网络)：5G终端采用原4G LTE网络的选网方式，即根据原4G用户卡的PLMN选网文件预制的选网优先级或者按运营商原定制的4G选网策略，优先选择接入4G网络，然后采用4G到5G重定向方式接入5G网络。

　　方案二(终端优先接入5G无线网络)：运营商对5G 终端的在选网方式上进行定制，使终端根据用户卡提供的SUPI(Subscription Permanent Identifier，用户永久标识符，即IMSI或NAI)判断用户的归属情况，对于运营商归属用户优先选择接入5G无线网络。

　　(2)鉴权认证与密钥协商

　　3GPP R15标准中为5G用户身份认证定义了两种鉴权机制(即EAP-AKA和5G-AKA)[7]，并要求5G终端与5GC需同时支持这两种认证方法。其中，5G-AKA主要用于满足3GPP网络(如LTE、WCDMA、TD-SCDMA、GSM)接入需求，相比4G LTE网络采用的鉴权机制(EPS-AKA[6])，5G-AKA除继承了原EPS-AKA双向鉴权特性外，还增加了由归属网络对来自访问网络的终端鉴权响应的验证功能(图2的步骤10和步骤11)。

　　从5G-AKA(图2)鉴权流程可以看出，新鉴权机制的实现只需在网络侧进行功能新增，用户卡USIM计算鉴权响应(图2步骤7)所采用的鉴权算法、鉴权计算指令及输入参数类型(RAND、AUTN)与EPS-AKA相同，故原4G用户在鉴权认证问题上无需更换用户卡，亦可在新的5G-AKA鉴权机制下正常合理地完成身份认证。

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