面向5G行業(yè)應(yīng)用的OpenUPF及關(guān)鍵技術(shù)

劉棠青，李志強(qiáng)，牟彥，孫滔，陸璐，段曉東

（中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院網(wǎng)絡(luò)與IT技術(shù)研究所，北京 100053）

1 OpenUPF提出的背景

1.1 UPF是連接運(yùn)營(yíng)商和垂直行業(yè)的橋梁

5G 移動(dòng)通信時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，它不僅為大眾帶來(lái)美好生活新體驗(yàn)，更為千行百業(yè)帶來(lái)翻天覆地的變革。5G 以其“大帶寬”“低延時(shí)”“廣連接”三大特性，開(kāi)啟了萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)的新時(shí)代，賦能垂直行業(yè)差異化應(yīng)用，助力數(shù)字化轉(zhuǎn)型[1]。

運(yùn)營(yíng)商基于5G 網(wǎng)絡(luò)，為垂直行業(yè)用戶提供了用于組織、管理、生產(chǎn)、調(diào)度等環(huán)節(jié)通信服務(wù)的專業(yè)網(wǎng)絡(luò)，能力覆蓋端、邊、網(wǎng)、云，依托切片、邊緣計(jì)算、云邊協(xié)同等技術(shù)，為行業(yè)客戶提供能力可定制的5G 專網(wǎng)服務(wù)，加速行業(yè)應(yīng)用拓展與落地[2-3]。UPF（User Plane Function）作為5G 網(wǎng)絡(luò)的用戶面網(wǎng)元，是5G 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)能力，連接運(yùn)營(yíng)商和垂直行業(yè)的橋梁，也是5G 拓展行業(yè)市場(chǎng)的鑰匙。開(kāi)放、輕量、靈活的UPF 將為邊緣側(cè)行業(yè)網(wǎng)絡(luò)部署帶來(lái)全新的可能。

1.2 典型應(yīng)用場(chǎng)景

（1）智能制造。5G 在工業(yè)制造場(chǎng)景下將發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用，以滿足實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等，主要的應(yīng)用場(chǎng)景包括數(shù)據(jù)采集分析、室外設(shè)備控制，產(chǎn)品質(zhì)量智能檢測(cè)等。在數(shù)據(jù)采集分析場(chǎng)景中，物聯(lián)網(wǎng)各種傳感器所采集的數(shù)據(jù)必須實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、完整地傳輸?shù)竭吘売?jì)算平臺(tái)，以支撐各種智能分析需求，因此邊緣UPF 的安全性、隔離性是基本要求。生產(chǎn)設(shè)備（如機(jī)械臂，智能小車）的自動(dòng)控制可以把勞動(dòng)力從惡劣、危險(xiǎn)的工作環(huán)境中解放出來(lái)，同時(shí)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。因此對(duì)于此類生產(chǎn)設(shè)備的控制要求邊緣UPF 提供較低的時(shí)延與較高的可靠性，以提升控制的精確度與靈敏度。在產(chǎn)品質(zhì)量智能檢測(cè)方面，通過(guò)部署工業(yè)相機(jī)，捕捉流水線產(chǎn)品圖像或視頻并傳送至邊緣計(jì)算平臺(tái)，結(jié)合平臺(tái)AI視頻識(shí)別能力，實(shí)現(xiàn)圖像快速識(shí)別、資料分析，檢測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量，需要UPF 具備低時(shí)延、高帶寬的特性。

（2）智慧園區(qū)。行業(yè)專網(wǎng)可以為園區(qū)提供更精細(xì)化的管理手段，為信息技術(shù)與園區(qū)業(yè)務(wù)需求融合提供可能。5G 網(wǎng)絡(luò)通過(guò)UPF 在網(wǎng)絡(luò)邊緣的靈活部署，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)流量本地卸載。企業(yè)自營(yíng)業(yè)務(wù)的流量直接分流至企業(yè)本地的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)處理，比如在校園實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)本地通信和課件共享，在企業(yè)園區(qū)分流至私有云實(shí)現(xiàn)本地ERP 業(yè)務(wù)，在公共服務(wù)/政務(wù)園區(qū)提供醫(yī)療、圖書(shū)館等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，以及辦公園區(qū)、工業(yè)生產(chǎn)等環(huán)境中的視頻監(jiān)控、直播、回傳、人臉識(shí)別等業(yè)務(wù)。

此外還存在大量定制化需求，如：園區(qū)內(nèi)人員車輛的實(shí)時(shí)定位、二次鑒權(quán)，企業(yè)用戶IP 地址自主分配，問(wèn)題會(huì)話識(shí)別定位并及時(shí)切斷連接等。

可以看到，大部分行業(yè)客戶都需要基本的接入、業(yè)務(wù)路由、本地分流能力。同時(shí)因?yàn)椴煌袠I(yè)的差異性以及部署位置的特殊性，出現(xiàn)了對(duì)UPF 的與行業(yè)強(qiáng)相關(guān)的定制化需求，為行業(yè)客戶提供專用化、功能定制化、設(shè)備輕量化、部署靈活化的邊緣解決方案有著強(qiáng)烈的需求[4]。

2 OpenUPF定義及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 5G網(wǎng)絡(luò)SBA架構(gòu)

為滿足5G 需求和打造一個(gè)先進(jìn)的面向未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)，5G 核心網(wǎng)從IT 化、互聯(lián)網(wǎng)化、極簡(jiǎn)化、服務(wù)化四個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念推進(jìn)了架構(gòu)的變革。服務(wù)化架構(gòu)（SBA,Service Based Architecture）是基于云原生（Cloud Native）的，被3GPP 確定為5G 核心網(wǎng)架構(gòu)[5]，如圖1 所示：

圖1 5G系統(tǒng)架構(gòu)[5]

面向云原生定義服務(wù)是SBA 的核心。每個(gè)5G 功能由細(xì)粒度的服務(wù)來(lái)定義，將網(wǎng)絡(luò)功能NF 進(jìn)一步拆分成若干個(gè)自包含、自管理、可重用的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)（NF Service)。這便于網(wǎng)絡(luò)按照業(yè)務(wù)場(chǎng)景以服務(wù)粒度定制及編排；接口采用API 調(diào)用交互，對(duì)內(nèi)降低網(wǎng)絡(luò)配置及信令開(kāi)銷，對(duì)外提供能力開(kāi)放的統(tǒng)一接口；服務(wù)可獨(dú)立部署、灰度發(fā)布，使得網(wǎng)絡(luò)功能可以快速升級(jí)引入新功能，服務(wù)可基于虛擬化平臺(tái)快速部署和彈性擴(kuò)縮容[6]。

2.2 OpenUPF的架構(gòu)

OpenUPF 旨在從“基礎(chǔ)”UPF 出發(fā)，定義簡(jiǎn)單高效的行業(yè)UPF，同時(shí)聚焦特定行業(yè)用戶，探索靈活易擴(kuò)展的“定制化”UPF，其架構(gòu)如圖2 所示。OpenUPF 具備用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的路由轉(zhuǎn)發(fā)、N4 偶聯(lián)管理、PFCP 會(huì)話管理、QoS 控制、隧道封裝解封裝、流量計(jì)費(fèi)、訪問(wèn)控制、數(shù)據(jù)緩存等核心功能[7]。SBA 架構(gòu)采用了控制面（CP,Control Plane）和用戶面（UP,User Plane）分離的方式，讓用戶面功能擺脫“中心化”的約束，使其既可靈活部署于核心側(cè)，也可部署于接入側(cè)。

圖2 OpenUPF架構(gòu)圖

下沉到接入側(cè)的UPF 通過(guò)ULCL（Uplink Classifier）功能來(lái)完成本地分流。如圖3 所示，會(huì)話管理功能（SMF,Session Management Function）通過(guò)N4 接口下發(fā)流量過(guò)濾器給UPF，控制ULCL 的插入、移除。ULCL 對(duì)比業(yè)務(wù)流量與過(guò)濾器，按需將流量轉(zhuǎn)發(fā)到本地。

圖3 ULCL架構(gòu)[5]

5G UPF 已經(jīng)逐漸從“核心”走向分布、甚至到行業(yè)用戶的園區(qū)，成為運(yùn)營(yíng)商服務(wù)垂直行業(yè)的第一窗口，也是行業(yè)用戶最關(guān)心的節(jié)點(diǎn)之一[8]。

2.3 OpenUPF關(guān)鍵技術(shù)

（1）接口開(kāi)放

傳統(tǒng)核心網(wǎng)控制面與用戶面不分離，接口為設(shè)備內(nèi)部接口。5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中控制面（Control plane）與用戶面（User plane）分離，然而C、U 之間的N4 接口存在定義有多種可選實(shí)現(xiàn)，定義粒度不夠細(xì)致，導(dǎo)致不同產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)差異，異廠家N4 對(duì)接困難。當(dāng)前運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)網(wǎng)部署的通用UPF 功能要求多，很多是行業(yè)UPF 非必須功能，也增加了C、U 對(duì)接難度。因此，OpenUPF 從功能簡(jiǎn)化與N4 接口定義細(xì)化兩方面同時(shí)推進(jìn)工作。

2020 年3 月11 日，中國(guó)移動(dòng)發(fā)布了《面向垂直行業(yè)的N4 解耦UPF 設(shè)備規(guī)范》《面向垂直行業(yè)的N4 接口規(guī)范》《5G OpenUPF 白皮書(shū)》。2020 年3 月初ITU 立項(xiàng)《IMT-2020 網(wǎng)絡(luò)用戶面功能管理協(xié)議》，6 月初3GPP CT4 成立5G UPF N4 接口開(kāi)放和增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目。

（2）設(shè)備開(kāi)放

在硬件形態(tài)選擇上，可根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景選擇服務(wù)器與交換機(jī)兩種硬件方案，兼顧系統(tǒng)的靈活度和可擴(kuò)展性，對(duì)特定行業(yè)的UPF 建議按照虛擬化（包括容器化）形態(tài)部署。在硬件形態(tài)選擇上，可根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景選擇服務(wù)器與交換機(jī)兩種硬件方案。

服務(wù)器形態(tài)UPF 以通用CPU+專用加速芯片（ASIC、SOC、FPGA、NP 等）為核心處理單元。這既適用于功能復(fù)雜、性能要求較高的場(chǎng)景，又可用于功能較簡(jiǎn)單、性能要求一般的場(chǎng)景，當(dāng)前業(yè)界主流核心網(wǎng)廠商產(chǎn)品均以此形態(tài)呈現(xiàn)。

交換機(jī)形態(tài)UPF 主要用于中低端通用CPU 加交換芯片的交換機(jī)硬件架構(gòu)中。通過(guò)通用CPU 實(shí)現(xiàn)虛擬化，利用交換芯片卸載UPF 部分轉(zhuǎn)發(fā)功能，適合在多端口、低成本、低功耗的場(chǎng)景中應(yīng)用。

（3）服務(wù)開(kāi)放

從不同場(chǎng)景的差異化需求可以看出，僅僅滿足基礎(chǔ)功能的行業(yè)UPF 是不夠的。UPF 還需進(jìn)一步增強(qiáng)定制化能力，因此我們提出通過(guò)開(kāi)放服務(wù)來(lái)滿足行業(yè)用戶多樣化的需求，為行業(yè)用戶提供基礎(chǔ)以及增值服務(wù)。通過(guò)UPF 開(kāi)放更多網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能力，如位置、認(rèn)證、業(yè)務(wù)流量統(tǒng)計(jì)等為行業(yè)提供增值服務(wù)，如圖4 所示：

圖4 UPF服務(wù)開(kāi)放架構(gòu)圖

UPF 的服務(wù)能力分為兩部分，基礎(chǔ)功能與定制功能。基礎(chǔ)功能，是5G UPF 基礎(chǔ)能力，包括GTP 隧道封裝及解封裝，PFCP 偶聯(lián)建立、更新、釋放、心跳檢測(cè)等N4節(jié)點(diǎn)管理功能，N4 會(huì)話建立、更新、釋放等管理功能，本地分流（ULCL 方式），轉(zhuǎn)發(fā)策略、QoS 策略等策略控制，數(shù)據(jù)包緩存及轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

定制功能，是根據(jù)行業(yè)用戶的需求疊加定制的特色能力，如虛擬網(wǎng)絡(luò)、本地轉(zhuǎn)發(fā)、以太數(shù)據(jù)包傳輸?shù)取?duì)于需要網(wǎng)絡(luò)高可靠保障的工廠場(chǎng)景，UPF 可以擴(kuò)展支持TSN 來(lái)保障生產(chǎn)需要。

Open UPF 建議網(wǎng)絡(luò)在演進(jìn)和迭代中除了不斷能豐富這些定制功能外，能將功能調(diào)用的API 提供給運(yùn)營(yíng)商，并在業(yè)務(wù)合約的情況下按需提供和企業(yè)合作方。這些功能可以是開(kāi)放信息的訂閱、網(wǎng)絡(luò)連接的管理（如二次認(rèn)證）、IP 地址的自主分配等能力。

（4）智能開(kāi)放

更加靈活和智能化的UPF 架構(gòu)，需實(shí)現(xiàn)接口、功能、網(wǎng)絡(luò)可編程，將智能融合到UPF 的設(shè)計(jì)中，用網(wǎng)絡(luò)的智能化為產(chǎn)業(yè)界的發(fā)展打開(kāi)想象的空間。

1）連接智能：UPF 是網(wǎng)絡(luò)智能調(diào)控的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。考慮到接入環(huán)境中多種接入方式，對(duì)連接質(zhì)量的不同要求，需要UPF 具備智能的連接的管理、流量的識(shí)別、質(zhì)量的感知等能力。

2）管理智能：UPF 數(shù)量多、類型多、功能有差異，這就需要其運(yùn)營(yíng)和管理更加的簡(jiǎn)單、智能，在組網(wǎng)上盡可能即插即用、運(yùn)行中自動(dòng)排障，降低人為現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)和管理的難度。

3）業(yè)務(wù)智能：以UPF 為窗口，將運(yùn)營(yíng)商的智能化能力提供給行業(yè)伙伴，幫助其在諸如視頻處理、圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別等方面提供基礎(chǔ)能力。

4）可編程。5G 網(wǎng)絡(luò)承載越來(lái)越豐富的業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類型呈現(xiàn)出多樣化、個(gè)性化態(tài)勢(shì)。UPF 智能化架構(gòu)使得其能夠快速適應(yīng)多樣化的數(shù)據(jù)格式、協(xié)議類型和處理要求，加快新業(yè)務(wù)上線速度。

3 OpenUPF一體機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 一體機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖5 所示，通用服務(wù)器作為基礎(chǔ)設(shè)施，為一體化方案內(nèi)的基礎(chǔ)網(wǎng)元提供虛擬化環(huán)境，RAN、輕量化的5GC 和UPF 及SPN 切片為用戶提供可動(dòng)態(tài)裁減的5G 移動(dòng)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，邊緣算力管理平臺(tái)為用戶提供PaaS 服務(wù)[9]。

圖5 一體機(jī)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 “六合一”的功能組成

本設(shè)計(jì)圍繞核心網(wǎng)用戶面網(wǎng)元UPF，針對(duì)最常用的幾個(gè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，為垂直行業(yè)用戶提供一站式解決方案。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的不同環(huán)境方案在外機(jī)柜、網(wǎng)元互連以及網(wǎng)元組合及接口開(kāi)放上有不同的要求。為實(shí)現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)部署，除了解決能源、散熱、監(jiān)控的外層機(jī)柜，方案內(nèi)部可集成的網(wǎng)元包含：無(wú)線接入基站BBU、模塊化交換機(jī)、輕量核心網(wǎng)控制面、OpenUPF、邊緣算力單元[10]以及小型化SPN（Slicing Packet Network）[11]。

BBU：室內(nèi)基帶處理單元（Base Band Unit），是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)大量使用的分布式基站架構(gòu)。RRU 作為外設(shè)，可支持不同的信源：宏基站、微基站、拉遠(yuǎn)型基站和直放站。RRU+BBU 的分布式基站架構(gòu)，為用戶提供無(wú)線接入點(diǎn)。

“模塊化”交換機(jī)：通過(guò)管理面、存儲(chǔ)面、信令面、業(yè)務(wù)面的物理隔離設(shè)計(jì)，在有限的一體機(jī)內(nèi)部空間實(shí)現(xiàn)所有基礎(chǔ)設(shè)施暨虛擬網(wǎng)元的網(wǎng)絡(luò)連接。邊緣算力單元：邊緣一體機(jī)硬件中運(yùn)行的管理平臺(tái)，可離線管理邊緣一體機(jī)的網(wǎng)絡(luò)配置、算法任務(wù)、終端設(shè)備。行業(yè)客戶基于這個(gè)平臺(tái)直接上線業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)，開(kāi)展多元化的業(yè)務(wù)應(yīng)用。小型化SPN，作為5G 前傳、中傳和回傳的統(tǒng)一承載，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)硬切片、隨路檢測(cè)等功能為UPF 提供差異化、高質(zhì)量的統(tǒng)一業(yè)務(wù)承載[11]。

3.3 部署及應(yīng)用

一體機(jī)系統(tǒng)集成部署了行業(yè)應(yīng)用中需要用到的關(guān)鍵網(wǎng)元，并且通過(guò)功能的模塊化裁減，實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算資源的高效復(fù)用。一體機(jī)對(duì)用戶隱藏了大部分網(wǎng)元間通信的交互接口，為行業(yè)客戶提供快速敏捷的一站式解決方案，使方案的部署時(shí)間相對(duì)于傳統(tǒng)專網(wǎng)+邊緣數(shù)據(jù)中心大大縮短。

如圖6 所示，5G 用戶終端通過(guò)基站空中接口接入一體機(jī)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，BBU 與5GC 控制信令通過(guò)SPN 提供的承載完成交互，同時(shí)5GC 通過(guò)SPN 提供的承載完成向OpenUPF下發(fā)控制策略（信令），最終用戶的接入數(shù)據(jù)在OpenUPF網(wǎng)元上根據(jù)用戶數(shù)據(jù)目的以及5GC 下發(fā)的控制策略，實(shí)現(xiàn)中心數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分流。

一體機(jī)網(wǎng)元可以根據(jù)不同的行業(yè)用戶個(gè)性化需求中展現(xiàn)出優(yōu)越可裁剪性。當(dāng)部署一體機(jī)的網(wǎng)絡(luò)由于地域等原因無(wú)法和集中的5GC 核心網(wǎng)互聯(lián)時(shí)，可啟用一體機(jī)中的輕量核心網(wǎng)，完成局部移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)據(jù)的管理和認(rèn)證。

4 總結(jié)及展望

本文面向垂直行業(yè)需求，深入分析UPF 關(guān)鍵技術(shù)，提出OpenUPF 定義并給出OpenUPF 一體化設(shè)計(jì)方案。下一步需進(jìn)一步優(yōu)化OpenUPF 一體化解決方案，從以下三個(gè)方面開(kāi)展工作：

（1）實(shí)現(xiàn)N4 接口標(biāo)準(zhǔn)化。持續(xù)進(jìn)行異廠家實(shí)驗(yàn)室互通評(píng)測(cè)，提煉N4 接口互通阻塞點(diǎn)，利用行業(yè)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織進(jìn)一步細(xì)化接口定義，促使N4 接口標(biāo)準(zhǔn)化。

（2）持續(xù)進(jìn)行新功能引入、性能增強(qiáng)。通過(guò)OpenUPF 一體化解決方案的試點(diǎn)實(shí)踐，深入理解行業(yè)客戶需求，作為OpenUPF 一體機(jī)新功能引入；量化業(yè)務(wù)性能指標(biāo)需求，指導(dǎo)OpenUPF 一體機(jī)性能優(yōu)化。

（3）積極提升OpenUPF 智能化。結(jié)合本地?cái)?shù)據(jù)分析、能力開(kāi)放、業(yè)務(wù)層邊緣側(cè)智能化應(yīng)用等，讓OpenUPF 更加智能并助力邊緣智能服務(wù)的實(shí)現(xiàn)。

圖6 一體機(jī)應(yīng)用部署