5G核心网技术基础自学系列

书籍来源：《5G核心网赋能数字化时代》

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6.3.1 概述

会话管理功能的主要任务是管理PDU会话的用户面。用户面承载着UE和DN之间的实际用户数据。用户面由多个分支串联组成。从UE端开始，首先是使用接入技术(例如NG-RAN) 的用户面连接。然后是从AN到核心网中UPF的用户面连接(在N3参考点上) ，之后是核心网中UPF之间(在N9参考点上) 可能会存在的其他跳(hop) ，再之后用户面连接继续进入DN(在N6参考点上)。

对于NG-RAN，用户面包含一个或多个由NG-RAN管理的数据无线承载(DRB) 。关于NG-RAN如何管理用户面的细节超出了本书的范围(Dahlman etal.， 2018) 。在N3和N9参考点上，用户面数据由GTP-U隧道承载，这与EPC中使用的用户面隧道协议相同，因此，即使5GC中未使用GTP-C，用户面封装仍基于GTP-U。3GPP曾讨论并分析5GC中用户面的替代选项(例如GRE和其他变种) ，但最终由于其灵活性等而决定保留GTP-U。但是， GTP-U已进一步增强以支持5G中的新要求，例如新的5GQoS模型。UE和UPF之间的用户面协议栈如图6.5所示(来自3GPP TS 23.501) 。

图6.5 用户面协议栈

5GS中用户面架构的另一个关键特征是从它一开始就支持CP-UP分离，从某种意义上说，CP-UP分离是5G架构中必不可少的一部分。EPC在Release 14中添加了CP-UP分离（通常称为“CUPS”：EPC节点的控制和用户间分离），因此是EPC的可选功能。CP-UP分离是5GC不可或缺的一部分有很多原因：首先CP-UP分离可通过分布式或集中式部署，以及控制面和用户面功能之间的独立扩展，来实现灵活的网络部署和操作，此外，随着移动运营商网络中流量的不断增长，迫切需要经济高效的用户面解决方案，该解决方案既可以满足最终用户对比特率和时延的需求，同时对于移动运营商而言又是可持续的。

6.3.2 用户面路径和UPF角色

5GC中的用户面架构已变得非常灵活，可以容纳新的用例，例如边缘计算。在EPC中，用户面架构非常固化：PDN连接的用户面路径上始终有一个SGW(对于CUPS为SGW-U) 和一个PGW(对于CUPS为PGW-U) 。SGW(或SGW-U) 和PGW(或PGW-U)具有明确定义的角色和功能。而在5GC中，只有一个用户面实体：UPF。但是， PDU会话的用户面路径可能由一条链条中的单个UPF或多个UPF组成。3GPP规范不限制可为PDU会话链接的UPF的数量。规范还允许用户面路径分流，以便例如将某些流量路由到更靠近本地的DN/N6连接，而将其他流量路由到另一个(更集中的)DN/N6连接。这样的功能可以用于支持边缘计算或CDN。当我们在6.4.3节和6.5节中讨论边缘计算时，将更多地讨论这种分流。

UPF的常规功能将在下面描述。但是，为PDU会话服务的特定UPF实例提供的功能，取决于该UPF在用户面链条中的位最么功能以及SMF向特定UPF提供的规则。除了少数例外，原则上规范允许SMF在路径上的任何一个UPF中为空闲模式的UE调用数据包缓存或计费等功能。这与EPC有所不同，在EPC中， SGW-U和PGW-U具有明确定义的功能，例如，缓冲始终由SGW执行。即使5GC标准非常灵活，现实世界中的部署(至少最初) 也可能会很简单，比如根据使用情况，在路径上部署一或两个UPF，以确保用户面效率。6.3.3.2节将讨论有关用户面路径的其他方面。

UPF的常规功能分类如下：

RAT内/RAT间移动性的锚点。

PDU会话与数据网络的外部互连点(即N6) 。

数据包路由和转发。

数据包检查(例如，应用检测)。

策略规则执行的用户面部分，例如，门控、重定向、流量控制。

合法监听(UP收集)。

流量使用上报。

用于用户面的QoS处理，例如UL/DL速率限制， DL中的反射QoS标记。

上行流量验证(SDF到QoS流的映射) 。

上行和下行的传输层数据包标记。

下行数据包缓存和下行数据通知的触发。

发送和转发一个或多个“结束标记”到源NG-RAN节点。

对于以太网PDU，响应ARP和IPv6 ND请求的功能。

虽然标准仅定义了一个单一的用户面功能(UPF) ，但它也定义了UPF在用户面路径上可以扮演的一些功能角色：

PDU会话锚点(PSA) ：是指向DN的、终结N6接口的UPF。

中间UPF(I-UPF) ：是插入(R)AN和PSA之间的UP路径上的UPF。它在(R)AN和PSA之间转发流量。

具有上行分类器(UL-CL) 或分支点(BP) 的UPF：用于“分流”上行PDU会话的流量，并“合并”下行的UP路径。

请注意， UL-CL/BP角色与PSA和I-UPF并不互斥，即充当PSA的UPF或充当I-UPF的UPF可以同时充当PDU会话的UL-CL/BP。还要注意，这些角色不应解释为不同的UPF类型。单个UPF实体可以针对不同的PDU会话扮演不同的角色，例如，对于一个PDU会话是UL-CL/BP，对另一个PDU会话是I-UPF。

图6.6描述了PDU会话的三种不同的用户面方案：

(a) 在最简单的场景中，仅需要PSA。

(b) 如果由于移动性， UE移动到新的RAN节点并且新的RAN节点不能支持到旧的PSA的N3隧道，则需要插人一个I-UPF。

通常标准对于在何处执行UP功能不做限制。例如，在(b) 中，可以在I-UPF或PSA中为处于空闲状态的UE进行数据缓冲。有关场景(c)的更多详细信息，请参见有关流量到DN的选择性路由(6.4.3节)和边缘计算(6.5节)的部分。

图6.6 由UPF完成的UPF配置和功能示例

6.3.3 控制面和用户面分离以及N4接口

6.3.3.1 概述

5GC中CP和UP之间的分离遵循许多与第4章中所述的EPC CUPS相同的原则。例如，控制面和用户面之间的功能划分，即放置在CP侧和UP侧的功能，非常类似于CUPS指定的功能划分。而且， SMF和UPF之间的N4协议是CUPS协议的重用，即为CUPS指定的数据包转发控制协议(PFCP) 已在5GC中为N4所使用，并有所扩展。这一点很重要，因为它使得在EPC和5GC之间的互通和迁移方案中， UP实体能轻松地支持EPC和5GC，从而简化操作流程。有关PFCP的更多详细信息，请参见14.6节。

6.3.3.2 UPF发现和选择

SMF负责选择UPF。具体操作方式没有标准化，它取决于多个方面，例如UPF部署的网络拓扑，以及PDU会话要支持的业务有什么特殊要求(例如，用户面时延迟、可靠性等) 。

支持灵活的用户面路径、UPF的部署和选择的一个关键用例是，确保UE与应用部署的位置(比如边缘计算)之间的一条有效的用户面路径。这将在稍后专门的章节进行介绍。在本节中，我们将描述UPF选择的一般考虑，这是随后高级场景的基础。

当SMF进行UPF选择时，先决条件是SMF知道哪些UPF可用以及它们各自的属性，例如UPF功能、负载状态等。这可以通过不同的方法来完成。

首先，可以通过O&M为SMF配置可用的UPF。该配置可以包括与拓扑有关的信息，以便SMF知道UPF的位置以及UPF的连接方式(例如，它们之间链路的属性) 。这使SMF能够选择合适的UPF，例如取决于UE的位置。

也可以使用NRF发现可用的UPF。在这种情况下， SMF可以查询NRF，并在回复中收到UPF列表以及有关每个UPF的一些基本信息，例如每个UPF支持的DNN和网络切片(S-NSSAI) 。这减少了对SMF中预配置信息的需求。另外，可以从NRF获得的信息非常有限，例如它不包含有关UPF拓扑的详细信息，因此对于更高级的用例， SMF中的预配置可能是必要的。

此外，在SMF和UPF之间建立基本的N4连接时， N4协议支持SMF和UPF的能力交换。SMF将知悉UPF是否支持可选功能，例如N6-LAN上的流量导引(业务链) 、报头增强、流量重定向等，并且还将收到有关UPF负载的信息。

一旦SMF获知可用的UPF，就需要SMF为PDU会话选择一个或多个UPF，例如，在PDU会话建立或某些移动性事件发生时， SMF可以在选择UPF实例时考虑不同的信息。这里的细节未标准化，而是留给产品实现和运营商配置。下面列出了SMF可以用于UPF选择的参数的例子。其中一些信息是从UPF获取的，其他信息是从AMF接收的，而有些则可以在SMF中预先配置。SMF可以考虑例如：

UPF的动态负载。

UPF在支持相同DNN的UPF中的相对静态容量。

UPF位置。

UE位置信息。

UPF的能力。

UE会话所需的功能。

数据网络名称(DNN) 。

PDU会话类型(即IPv4、IPv6、IPv4v6、以太网类型或非结构化类型) 。

为PDU会话选择的SSC模式。

UDM中的UE签约配置。

DNA I(更多信息请参见6.4.4节) 。

本地运营商策略。

S-NSSAI。

UE使用的接入技术。

与用户面拓扑和用户面端接相关的信息。

6.3.3.3 UP连接的选择性激活和去激活

类似于EPS， 5GS支持具有多个同时激活的PDU会话的UE(例如，一个到IMS的PDU会话和一个到Internet的PDU会话) 。在EPS中，当UE从空闲状态转移到连接状态时，将为所有激活的PDN连接建立UP连接(S1-U隧道) 。当UE处于空闲状态时，如果在EPC中有一个PDN连接的下行数据， UE被寻呼，当UE进入连接状态时，也会激活其他PDN连接的用户面，即使没有数据通过这些PDN连接发送。这样做是为了简化流程并在系统中保持始终在线的行为。

在5GS中，情况并非一定如此。5GS中的一般行为是，仅为具有待处理数据的PDU会话激活PDU会话用户面。其他PDU会话的用户面连接(N3隧道) 将不会被激活，因此即使UE处于CM-CONNECTED状态，这些连接也将保持“空闲”状态。这样做的动机是确保网络切片之间更好的隔离，即不应仅仅因为一个切片中的PDU会话必须激活用户面以发送数据，而影响另一个切片中的PDU会话。

因此， 5GS支持处于CM-CONNECTED状态的UE，既有一些激活的用户面PDU会话(已建立的N3隧道) ，也有一些具有非激活的用户面PDU会话(没有N3隧道) 的情况。如果UE或网络稍后需要给具有非激活的用户面的PDU会话发送数据，服务请求过程也适用于CM-CONNECTED状态，以便激活将用于该PDU会话的用户面连接。

上述原则的风险是，如果UE处于CM-CONNECTED状态但PDU会话的用户面连接处于非激活状态，则发送数据的时延可能会增加。在这种情况下，需要首先执行服务请求过程。在某些情况下，可能会有竞争状态，例如激活PDU会话的用户面的过程需要等待其他正在进行的过程的完成。对于对时延敏感的PDU会话(例如IMS或低时延服务的PDU会话) ，这可能尤其令人担忧。因此，规范规定当UE从CM-IDLE转到CM-CONNECTED时，即使没有待发送的数据， UE也可以决定请求激活附加的PDU会话的用户面连接。这样做是为了避免以后实际需要发送数据时的延迟。