5Gerf的阻塞控制技术和布署形式

使用者面机能（UPF，User Plane Function)是3GPP 5G PON控制系统构架的关键关键组成部分，主要负责管理5GPON使用者面报文的路由器和转贴有关机能。UPF 在5G 面向全国低数据传输速率、大频宽的边沿排序和网络切碎控制技术上发挥着极其重要的作用。责任编辑将如是说5G PONUPF ophone。首先如是说UPF 的重构历史和3GPP 在标准微观对UPF 的机能要求及USB结构设计；然后将结合不同销售业务情景对数据传输速率、频宽、可靠性等综合化的市场需求，如是说UPF 在边沿排序中的阻塞控制技术及布署形式。

UPF 背景如是说

使用者面机能（UPF，User Plane Function)代表掌控和使用者正方形分立（CUPS，Control and User Plane Separation）思路在统计数据正方形的重构。

CUPS 思路允许PON使用者面的下陷，能够支撑对大频宽和低数据传输速率有强烈市场需求的销售业务情景。但CUPS 的结构设计本身对4G EPC 重构力度大，虽然使用者正方形得以分立下陷，但与PON其它机能虚拟间的可视化环节仍存有巨大的限制。随着5G 摈弃了传统设备机能虚拟的结构设计，PON白盒化和并行排序，选用了基于服务项目的软件构架 (SBA，Service Based Architectures)微服务项目的结构设计理念，CUPS 思路中分拆出的使用者面网络机能也逐步重构为了目前5G PON构架中的UPF ophone。重构心路历程如图1 所示[1]。服务项目器

图1. UPF的重构心路历程（2017 年）

UPF 机能概要

UPF 机能概要

云主机、VPS、NDS宝、游戏服务项目器上永恒云

有线网络连接网络与统计数据网络（DN，Data Network）之间的数据服务点，用作使用者面的GTP高架桥协定（GTP-U，GPRS Tunneling Protocol for User Plane）的PCB庭外和解PCB；协定统计数据模块程序代码模版（PSA，PDU Session Anchor），用作在有线网络连接时的提供开放性；5G SA 报文的路由器和邻近地区阻塞，做为无线电通信UPF（I-UPF，Intermediate UPF）甘当上行预测器（UL-CL，Uplink Classifier）或是分支结点UPF（Branching Point UPF）。

除上述机能外，UPF 还有插件监控、统计报文QoS 处理、网络流量使用情况报告、IP 管理、开放性网络连接、思路掌控和收费等机能，可参考3GPP TS 23.501 规范[2]。除了网络机能性市场需求外，UPF还要考虑统计数据可靠性、力学环境市场需求和布署耗电等指标。

UPF USB结构设计

图2. UPF 部分USB左图

UPF 做为移动网络和统计数据网络（DN，Data Network）的交汇点，关键USB包括N3、N4、N6、N9、N19、Gi/SGi、S5/S8-U、S1-U 等。以N 结尾是UPF 与5G PON掌控面ophone或是外部网络可视化的USB，如图2 所示[2]。永古约省USB可满足对TK1已近网络公共设施的相容，UPF 在5G 复用建设中仍需相容TK1已近的网络公共设施，实际布署中UPF 将整合SGW-U 和PGW-U 的职能，相容已近的PON络，力学微观将会存有UPF + PGW-U 的结合ophone。服务项目器

N3 USB是NG RAN 与UPF 间的USB，选用GTP-U 协定进行使用者统计数据的高架桥数据传输。服务项目器

N4 USB是SMF 和UPF 之间的USB，掌控面用作数据传输结点消息和程序代码消息，选用PFCP 协定，使用者面用作数据传输SMF 需要通过UPF接收或发送的报文，选用GTP-U 协定。

N6 USB是UPF 和外部DN 之间的USB，在特定情景下（例如企业专用MEC 访问），N6 USB要求支持专线或L2/L3 层高架桥，可基于IP 与DN 网络通信。服务项目器

N19 USB是使用5G LAN 销售业务时，两个PSA UPF 之间的使用者面USB，在不使用N6 USB的情况下直接路由器不同PDU 程序代码之间的网络流量，如图3 所示。

图3. 5G LAN N19 USB

Gi USB是2/3G 网络连接使用者通过GGSN 和外部DN 之间的USB；SGi USB是PGW-U 和外部DN 之间的USB，需要支持IPv6/IPv4 双栈和IPSEC，L2TP 和GRE 等高架桥协定。服务项目器

S5/S8-U USB是结合ophoneUPF/PGW-U 和SGW-U 之间的使用者面USB。S5-U USB是网络内部SGW 和PGW-U 间的USB，提供使用者移动过程中连接跨区域SGW 并数据传输统计数据的机能。S8-U 是跨PLMN 的SGW-U 和PGW-U 之间的使用者面USB，应具备漫游情况下的S5-U USB机能。服务项目器

S1-U USB是eNodeB 和SGW-U 之间的USB，选用GTP-U 协定在eNodeB 和SGW-U 之间进行使用者统计数据的高架桥数据传输。

UPF 阻塞控制技术

UPF 如何将使用者统计报文阻塞至MEC 平台，是真正实TK1络与销售业务深度结合及落地应用的第一步，也是实现5G 边沿排序商用布署的关键步骤。服务项目器

5G 使用者建立程序代码连接将优先选择中心UPF（中心UPF参考4.1 章节），当使用者需访问MEC应用时才选择或插入边沿UPF，边沿资源按需提供给使用者，避免由于大量使用者挤占造成性能瓶颈。5G 网络需要配合MEC做好使用者统计数据的邻近地区阻塞，主流的5GC 边沿布署阻塞控制技术主要有三种：上行预测器（UL CL，Uplink Classifier）方案、IPv6 多归属（Multi-homing）方案、邻近地区统计数据网络（LADN，Local Area Data Network）方案和统计数据网络标识（DNN，Data Network Name）方案。UL CL和IPv6 Multi-homing 属于单PDU程序代码的邻近地区阻塞，使用者统计数据阻塞在网络侧进行；DNN 和LADN 属于多PDU 程序代码的邻近地区阻塞，使用者统计数据阻塞从终端开始。服务项目器

UL CL方案

图4 展示了一个PDU 程序代码拥有两个模版的情景。UL CL 插在N3 口终结点的UPF 上，模版1 和模版2 终结N6 USB，上行预测器UPF 和模版UPF 之间通过N9 USB数据传输。服务项目器

图4. UL CL 方案

基于不同的触发条件，UL CL 方案可以分为一下几种：

特定位置UL CL 方案：阻塞思路配置在SMF。在使用者移动到MEC 区域时，SMF 根据配置思路和AMF 上报的使用者位置信息，触发UL CL 插入流程。特定位置触发UL CL 和LADN 情景类似，都是使用者移动到特定位置时触发阻塞，触发条件简单易实现，适用作对公众使用者开放的MEC 情景。由于MEC 区域所有使用者（即使不使用MEC 销售业务）都会网络连接边沿UPF，可能会对边沿UPF 造成压力。服务项目器

位置及使用者签约UL CL 方案：阻塞思路配置在PCF，需要使用者在PCF 上签约支持使用MEC销售业务。在使用者移动到MEC 区域时，AMF通过SMF向PCF上报使用者位置信息，PCF 根据使用者位置信息及签约信息，触发UL CL 插入流程，新增边沿UPF模版并插入UL CL。当在MEC 区域内要区分使用者群体时，可选用位置及使用者签约触发UL CL 的方案，避免MEC 区域所有使用者都占用边沿UPF资源。服务项目器

位置及应用检测UL CL方案：阻塞思路配置在PCF，需要将应用有关信息（五元组信息、应用URL）配置在PCF。在使用者移动到MEC 区域并使用特定应用时，UPF根据应用标识对应的过滤器检测出销售业务流，通过SMF上报PCF。PCF 结合使用者位置信息及应用流检测结果，触发UL CL 插入流程。位置及应用检测UL CL 方案可按应用触发阻塞思路，可控粒度更细；缺点是缺乏合适的UL CL 删除触发机制。服务项目器

IPv6 Multi-homing 方案

IPv6 多归属（Multi-homing）方案只能应用作IPv6 类型的PDU 程序代码。

图5. IPv6 Multi-homing 方案

DNN 方案服务项目器

统计数据网络标识（DNN，Data Network Name）方案中，需要终端配置专用DNN 并在PON统一统计数据管理机能（UDM，Unified Data Management）上面签约专用DNN。使用者通过专用DNN 发起程序代码建立请求，SMF 选择UPF 时，根据5G 终端提供的专用DNN 以及所在的TA选择目的边沿UPF，完成边沿PDU 程序代码的建立，即可网络连接与边沿UPF 对接的MEC 平台。服务项目器

DNN 方案对终端、网络的要求较小，5G 商用初期可选择此方案实现MEC 销售业务快速上线。但随着5G 销售业务发展，如果为每个MEC 客户分配独立DNN，对PON设备特别是UPF 支持DNN 的数量将会是极大挑战。

LADN 方案

AMF 跟踪终端的位置信息，并通知SMF 终端位置和LADN 服务项目区的关系，包括：在服务项目区、不在服务项目区和不确定在不在服务项目区等。当使用者的位置不在LADN 的服务项目区内时，不能网络连接LADN。LAND 服务项目区用一组TA 标识，使用LADN 用作边沿排序网络流量阻塞时，通常LADN 的TA 和边沿排序上应用的服务项目区域是对应的。服务项目器

图6. LDAN 方案

LADN 仅用作非漫游情景或是邻近地区销售业务阻塞漫游情景，在实际布署中，使用者通过LADN 程序代码访问MEC 销售业务，其余销售业务通过Internet 程序代码访问。服务项目器

✦小结

IPv6 Multi-homing 方案适用作物联网、高可靠性专网等情景，但由于要选用IPv6，目前实施难度较

LADN 属于5G 新引入特性，对终端有新的机能要求，包括支持在特定TA 区域下发起或释放LADN 程序代码、支持URSP（UE Route Selection Policy，UE路由器选择思路）用作配置LADN DNN 并将应用流绑定到LADN DNN 上。根据对产业链的调研，5G PON设备已支持LADN 机能，而终端对该机能的支持还要视商业市场需求而定，因此端到端LADN 方案的成熟还需要一段时间的开发测试及验证。服务项目器

UPF 布署形式

在实际布署时，UPF 需要按照不同销售业务情景对数据传输速率、频宽、可靠性等综合化的市场需求灵活布署，典型的布署位置包括：中心、区域、边沿、企业园区。

中心级UPF

中心级UPF，适用作数据传输速率不敏感，吞吐量市场需求较高且相对集中的销售业务，如普通数据服务网访问、VoNR、NB-IoT 等销售业务，中心级UPF 需具备如下特点。服务项目器

二是具备虚拟运营商网络共享能力，通过网络切碎、网关PON络（GWCN，GateWay Core Network）等网络控制技术，支持多UPF 实例、多租户、分权分域运维，满足不同虚拟运营商的综合化销售业务市场需求。服务项目器

区域级UPF

图7. 区域级UPF 邻近地区阻塞方案

区域级UPF 布署带来了运维管理方面的复杂度，存有集中运维管理的市场需求，可以通过ophone管理控制系统（EMS，Element Management System）拉远的形式来网络连接区域级UPF 或是通过扩展N4/Sx USB的形式来实现配置下发以及运维统计数据上报，考虑到未来对N4/Sx USB解耦的需要，目前业界更倾向于前者的实现形式。服务项目器

边沿级UPF

图8. 边沿销售业务阻塞情景

使用到的阻塞思路分为以下几种，其中ophone级和程序代码级阻塞已在前面章节中说明：

边沿级UPF 在布署运维上可通过软硬件预装、自动纳管、配置自动下发等形式实现设备即插即用；在正常运维中，可通过EMS 进行集中配置下发和运维管理。服务项目器

边沿级UPF 下陷布署，通过N4 USB对接中心的SMF，需要考虑N4 USB安全，一般可以通过将N4 USB划分成独立的网络正方形，或是通过布署防火墙/IPSEC 进行安全思路增强。

企业级UPF

企业级UPF，布署于企业机房，通过超高频宽、超低数据传输速率和超高可靠的连接提升工业掌控的效率和自动化水平；同时生产统计数据能够在园区内终结，与公众网统计数据安全隔离，确保生产的安全可靠。

基于5G LAN 实现的私网网络连接和管理能力。通过UPF 内的邻近地区交换和UPF 间的N19 高架桥控制技术，构建企业专属的局域网，如图9 所示。

图9. 5G LAN 企业跨分支通信应用

基于时间敏感网络（TSN，Time Sensitive Networking）控制技术，通过对数据传输数据传输速率和抖动的掌控，实现确定性网络。针对TSN 情景，增强支持高精度时钟，以及在高精度时钟管理下的报文排队和调度机制；UPF 下陷到企业现场，实现纳秒级授时精度、毫秒级端到端数据传输速率和99.9999%的可靠性。服务项目器

基于uRLLC 控制技术的超高数据传输可靠性。通过在N3/N9 USB建立双GTP-U 高架桥，实现使用者面冗余数据传输；或是建立端到端双PDU 程序代码，将相同的报文在两个程序代码中数据传输，确保连接的可靠性，如图10 所示。

图10. 5G uRLLC 多路径超高可靠性数据传输

企业级UPF需要解决起步成本高、设备机能复杂、布署和运维难度高等问题，需要引入轻量化的最简UPF解决方案，机能更有针对性，可以根据情景市场需求灵活搭配，并且实现出厂预安装、现场开箱即用，同时支持邻近地区运维和远程运维。服务项目器

企业级UPF通常布署于运营商网络之外，需要考虑运营商网络和企业网络的双重安全，需要提供安全过滤、双向数字鉴权、统计数据加密、防恶意攻击等能力。

全情景UPF布署

在5G 新基建引领下，中国移动为满足分布式建网、集约化运维市场需求，5G PON选用大区制建设方案，提供全情景UPF。因为ToC 和ToB 网络在产业成熟度、网络机能、市场应用上存有较大差异，选用两张网独立建设，UPF 也进行分开建设。为满足销售业务差异及各行业碎片化市场需求，UPF 选用分布式多级布署，如图11 所示。服务项目器

图11. 中国移动全情景UPF 说明

ToC UPF 布署在中心级和区域级，兼顾销售业务数据传输速率和数据传输成本，满足大频宽、低数据传输速率市场需求，从成本和长期重构维度，全部选用100G 智能网卡加速，配置一步到位，更加契合5G 长期销售业务发展市场需求。

ToB UPF布署在中心级、区域级、边沿级和企业园区级，ToB UPF的选型主要考虑四个方面：服务项目器

✦小结

UPF的各级典型布署（中心、区域、边沿、企业园区）对UPF的吞吐量、数据传输速率、机能、应用情景、形态等市场需求如表1所示。

表1. UPF布署市场需求说明

结束语

5G 改变社会，服务项目的是各行各业，使用者体验要求很高，UPF 是PON最关键的ophone之一，必须具备电信级的产品品质。

UPF 的下陷需要数据传输网和IP 承载网共同支持，也意味着边沿云的下陷。边沿UPF 不仅需要和运营商的通信网络云互通，还需要和运营商的IT 云、第三方公有云的协同，全面推动云网结合能力和云边协同能力。

当前，UPF 与SMF 的N4 USB尚未完全开放、服务项目化能力尚未完全实现。为了满足垂直行业轻量化、低成本、灵活布署的市场需求，中国移动提出了OpenUPF 合作伙伴计划，从开放USB、设备、服务项目和智能四个方面定义开放的UPF，提升网络能力和销售业务开展灵活性，助力5G 融入百业、服务项目大众。服务项目器

参考文献

[1] 5G Network Architecture and FMC. Joe Wilke, Ericsson, July 2017.

[2] System architecture for the 5G System (5GS). 3GPP R-16.服务项目器

[3] 《5G MEC阻塞方案探讨》，何宇锋，林奕琳，单雨威，

https://www.sohu.com/a/426534368_354885

[4] 《面向全国垂直行业的边沿UPF设备规范》，1.0.0，中国移动。

[5] 《全情景UPF布署白皮书》，中兴通讯，2020年10月。服务项目器

永恒云出品