輕量級UPF N4接口開放性技術(shù)研究與應(yīng)用

劉霄陽，費翔，段勇，黃鴻儒，歐亮

（1.中國電信股份有限公司研究院網(wǎng)絡(luò)能力研發(fā)中心，廣東 廣州 510000；2.中國電信集團股份有限公司科技創(chuàng)新部，北京 100000）

0 引言

5G 作為新一代信息技術(shù)推動著各行各業(yè)的創(chuàng)新與變革，隨著國家新基建戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進，各垂直行業(yè)紛紛探尋5G+行業(yè)的融合發(fā)展路徑，實現(xiàn)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級。作為5G 建設(shè)的主力軍，運營商目前普遍面臨C 端市場增長乏力，傳統(tǒng)的流量經(jīng)營模式營收見頂?shù)膯栴}[1]。為了保持整體收入水平以及行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，亟需尋找新的市場空間，培育新的增長模式，而以5G 作為切入點賦能垂直行業(yè)將有望成為運營商開啟B 端行業(yè)市場的金鑰匙[2]。

5G 在設(shè)計之初就包含了eMBB、mMTC、URLLC三大場景，以支持大帶寬、廣連接、低時延等多種增強特性[3]，這些特性涵蓋了垂直行業(yè)用戶的全部場景需求。借此，5G 賦能垂直行業(yè)能夠?qū)⒎?wù)與應(yīng)用盡可能地靠近用戶部署，從而減少業(yè)務(wù)獲取的延遲，提高用戶體驗。同時提供快速、低成本、靈活部署的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，而實現(xiàn)這些特性的關(guān)鍵性網(wǎng)元是UPF。

UPF 作為5G 核心網(wǎng)的重要網(wǎng)絡(luò)功能單元，擔(dān)負著數(shù)據(jù)流量的處理、路由等核心功能。作為連接運營商與垂直行業(yè)的橋梁，UPF 已逐漸從運營商的核心層走向行業(yè)客戶的接入層。當前，UPF 與控制面SMF 的接口N4 尚未完全開放、服務(wù)化能力未能充分釋放，很大程度上束縛了5G 響應(yīng)行業(yè)客戶需求的能力。N4 接口的非標準化，造成UPF 與SMF同廠商的綁定，無法滿足邊緣用戶側(cè)UPF 輕量化、低成本和靈活部署的需求。因此，需要從技術(shù)層面研究并驗證N4接口開放的可行性，推動構(gòu)建開放、標準的5G 控制面和用戶面之間的N4 接口，進一步提升5G 賦能垂直行業(yè)的能力。

1 5G核心網(wǎng)與UPF的業(yè)務(wù)接口

1.1 5G核心網(wǎng)架構(gòu)

5G 核心網(wǎng)采用基于服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其系統(tǒng)架構(gòu)中的各個元素被定義成一些由服務(wù)組成的網(wǎng)絡(luò)功能單元，利用統(tǒng)一的接口調(diào)用框架為其他經(jīng)許可的網(wǎng)絡(luò)功能提供服務(wù)[4]。這種全新的架構(gòu)形式可以快捷地聚合網(wǎng)絡(luò)功能，構(gòu)建服務(wù)切片，同時結(jié)合NFV 與SDN 等新技術(shù)，向第三方開放網(wǎng)絡(luò)定制和功能編排能力。5G 核心網(wǎng)架構(gòu)分為CP（控制面）與UP（用戶面）兩部分，實現(xiàn)了控制、轉(zhuǎn)發(fā)與數(shù)據(jù)的分離。在控制面，5G 核心網(wǎng)可以提供異構(gòu)接入技術(shù)統(tǒng)一的接入、安全與簽約管理服務(wù)框架；在用戶面，5G 核心網(wǎng)支持網(wǎng)元下沉，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流按應(yīng)用策略分流，實現(xiàn)邊緣、數(shù)據(jù)中心與云計算節(jié)點的按需互聯(lián)[5]。5G 核心網(wǎng)架構(gòu)如圖1 所示：

圖1 5G核心網(wǎng)架構(gòu)圖

5G 核心網(wǎng)涉及的網(wǎng)絡(luò)功能單元包括AMF、AUSF、SMF、UPF、PCF 以及UDM 等[6]。其中，AMF 與SMF是控制面的兩個主要節(jié)點，由單一的AMF 負責(zé)終端設(shè)備的移動性與接入管理，SMF 則負責(zé)對話管理功能，支持同時配置多個，UPF 則負責(zé)承擔(dān)5G 核心網(wǎng)的用戶面功能。

1.2 UPF的功能

UPF 作為5G 核心網(wǎng)的用戶面網(wǎng)元，主要功能是響應(yīng)SMF 請求，作為RAN 與DN 之間的聯(lián)接點，PDU 會話錨點負責(zé)完成用戶面上GTP-U 協(xié)議的封裝與解封裝、分組路由與轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)包檢查以及QoS 流映射等網(wǎng)絡(luò)用戶面的處理[7]，完成用戶面門控、重定向、流量轉(zhuǎn)向等策略規(guī)則的實施。同時，還要對計費及合法攔截提供用戶流量收集接口和流量使用報告。

4G 核心網(wǎng)采用網(wǎng)元集中部署的辦法，核心網(wǎng)機房與UE 距離較遠，這種方式導(dǎo)致業(yè)務(wù)時延較大。5G 核心網(wǎng)將控制面與用戶面分離，兩者之間通過N4 接口進行通信[8]，從而使負責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的用戶面可以分布式部署。在此基礎(chǔ)上，UPF 結(jié)合MEC 下沉到與用戶距離更近的網(wǎng)絡(luò)邊緣層進行分布式部署[9]。通過UPF 將用戶流量路由到本地的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，直接面向用戶側(cè)提供業(yè)務(wù)服務(wù)，以此來達到更低的傳輸時延以及更少的網(wǎng)絡(luò)擁塞。

1.3 UPF的業(yè)務(wù)接口

UPF 的主要業(yè)務(wù)接口包括N3、N4 以及N6。其中，N3 接口為UPF 用戶面與基站之間的接口；N4 接口為UPF 用戶面與SMF 會話管理功能之間的接口；N6 接口為UPF 用戶面與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間的接口。N4 接口作為UPF與SMF 之間的通信接口，承擔(dān)流量的實時統(tǒng)計上報、會話建立及策略執(zhí)行功能[10]。而N4 接口目前尚屬非開放接口，與廠商設(shè)備綁定，導(dǎo)致5G 集中部署的核心網(wǎng)SMF需要與分布式部署的UPF 同廠商設(shè)置，這為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與面向垂直行業(yè)的發(fā)展帶來了極大的限制。

針對這一現(xiàn)狀，業(yè)界產(chǎn)生了兩種解決思路，一種是由運營商牽頭，聯(lián)合廠商共同推進N4 接口的開放與標準化，構(gòu)建開放合作聯(lián)盟；另一種是自主研發(fā)5G 用戶面設(shè)備UPF，通過與主流廠商5G 核心網(wǎng)進行現(xiàn)網(wǎng)對接，解除UPF 與SMF 同廠商綁定的問題。以下將以中國電信在該領(lǐng)域的研究工作為例，介紹其輕量級UPF 設(shè)備的N4 接口開放技術(shù)研究與應(yīng)用進展。

2 N4接口開放技術(shù)驗證與分析

2.1 驗證環(huán)境

中國電信基于自主研發(fā)的輕量級UPF 設(shè)備URANUS 1000S 型號產(chǎn)品，主導(dǎo)了與三家主流廠商的核心網(wǎng)聯(lián)調(diào)對接測試，驗證SMF 與UPF 之間N4 接口解耦的可行性。本次N4 接口開放技術(shù)驗證使用儀表模擬UE、gNB、DN，參與測試廠商自帶AUSF、UDM、AMF、SMF、PCF 等5G 核心網(wǎng)相關(guān)網(wǎng)元與中國電信提供的URANUS 1000S 產(chǎn)品對接，進行端到端的業(yè)務(wù)測試驗證。測試拓撲如圖2 所示：

圖2 N4接口業(yè)務(wù)測試拓撲

2.2 驗證內(nèi)容

本次測試涉及PFCP 節(jié)點管理、PFCP 會話管理、UE IP 地址管理、數(shù)據(jù)檢測與轉(zhuǎn)發(fā)、路由協(xié)議支持、CN 隧道信息管理、QoS 控制、計費、切換（End Marker 構(gòu)造）以及尋呼共10 個功能模塊，31 個測試用例的對接驗證。其中，除路由協(xié)議支持外均屬N4 接口對接測試中必須驗證的功能。此外，還對URANUS 1000S 的整機性能進行了測試。

（1）PFCP 節(jié)點管理

PFCP 節(jié)點管理功能模塊測試SMF 發(fā)起偶聯(lián)建立、UPF 發(fā)起偶聯(lián)建立、SMF 發(fā)起偶聯(lián)更新、UPF 發(fā)起偶聯(lián)更新、SMF 發(fā)起偶聯(lián)釋放、SMF 發(fā)起心跳請求、UPF 發(fā)起心跳請求、節(jié)點信息上報共8 個用例。通過SMF 發(fā)起偶聯(lián)建立與UPF 發(fā)起偶聯(lián)建立兩項測試，驗證UPF 和SMF 之間相互發(fā)起的偶聯(lián)建立流程是否符合接口規(guī)范的消息流程和IE。通過SMF 發(fā)起偶聯(lián)與UPF 發(fā)起偶聯(lián)更新兩項測試，驗證UPF 和SMF 之間相互發(fā)起的偶聯(lián)更新流程是否符合接口規(guī)范的消息流程和IE。其中，SMF 發(fā)起偶聯(lián)更新參考流程如圖3 所示：

圖3 SMF發(fā)起偶聯(lián)更新參考流程

通過SMF 發(fā)起偶聯(lián)釋放測試，驗證SMF 發(fā)起的偶聯(lián)釋放流程是否符合接口規(guī)范的消息流程和IE。通過SMF 發(fā)起心跳請求與UPF 發(fā)起心跳請求兩項測試，驗證SMF 和UPF 能否正確進行心跳檢測的功能。通過節(jié)點信息上報測試，驗證UPF 是否具備向SMF 報告節(jié)點信息功能。

（2）PFCP 會話管理

PFCP 會話管理功能模塊測試SMF 發(fā)起會話建立、SMF 發(fā)起會話修改、SMF 發(fā)起會話刪除3 項用例。UE IP 地址管理、數(shù)據(jù)監(jiān)測與轉(zhuǎn)發(fā)、路由協(xié)議支持、CN 隧道信息管理以及QoS 控制功能模塊測試內(nèi)容在PFCP 會話管理模塊均有涉及。上述五個測試大類共計14 個測試用例如表1 所示：

表1 部分測試類及相應(yīng)測試用例

（3）計費

計費功能模塊測試URR 規(guī)則下發(fā)、流量統(tǒng)計上報（到達閾值上報）、流量統(tǒng)計上報（會話刪除時上報）3 項用例。通過SMF 下發(fā)URR 規(guī)則測試，驗證UPF 支持URR規(guī)則解析功能。通過流量統(tǒng)計上報測試，驗證UPF 支持流量統(tǒng)計的上報功能。

（4）切換（End Marker 構(gòu)造）

切換（End Marker 構(gòu)造）功能模塊測試SMF 構(gòu)造End Marker（Xn 與N2 切 換）與UPF 構(gòu) 造End Marker（Xn 與N2 切換）兩項用例。通過SMF 構(gòu)造End Marker（Xn 與N2切換）測試，驗證在Xn 與N2 切換中，由SMF 構(gòu)造End Marker 發(fā)送給源基站釋放UE 的資源的功能。通過UPF 構(gòu)造End Marker（Xn 與N2 切換），驗證在Xn 與N2 切換中，由UPF構(gòu)造End Marker發(fā)送給源基站釋放UE的資源的功能。

（5）尋呼

尋呼功能模塊測試UE 進入IDLE 狀態(tài)后，SMF 會下發(fā)BAR 規(guī)則，請求UPF 緩存UE 的下行數(shù)據(jù)，當下行數(shù)據(jù)到達時UPF 會觸發(fā)下行數(shù)據(jù)到達上報的消息報文的功能。

2.3 驗證結(jié)果及分析

本次N4 接口對接驗證共覆蓋90% 的N4 接口必選功能，31 個測試用例共通過26 項，剩余5 項未測試。驗證過程突出個別技術(shù)層面問題，一是由于廠商的會話請求消息攜帶大量的私有IE，URANUS 1000S 不能正確解析，導(dǎo)致用戶上線失敗的問題；二是由于廠商提供的5G 核心網(wǎng)不支持個別功能，從而影響相應(yīng)部分的對接測試。針對第一個問題，通過修改URANUS 1000S 產(chǎn)品代碼，使其忽略相關(guān)私有IE。第二個問題則證實目前N4 接口解耦需面對某些功能尚未完全定義，廠商實現(xiàn)各異的問題，進一步說明相關(guān)技術(shù)規(guī)范亟待標準化。

URANUS 1000S 的整機性能測試結(jié)果如表2 所示：

表2 URANUS 1000S整機性能測試結(jié)果

本次N4 接口對接驗證未測試的5 項用例中，UPF分 配UE IP 地 址（IPv4/IPv6）、SMF 分 配F-TEID、SMF 構(gòu) 造End Marker（Xn 與N2 切 換） 均 屬3GPP標準可選功能，參與測試廠商采用替代功能實現(xiàn)了與URANUS 1000S 的對接驗證。僅節(jié)點信息上報1 項用例屬URANUS 1000S 尚未支持功能。因此，本次N4 接口對接驗證已從技術(shù)層面初步證明了N4 接口開放的可行性，不僅為進行DPI 等增強功能及性能的對接測試奠定了基礎(chǔ)，也為下一步推動輕量級UPF 系列產(chǎn)品進入現(xiàn)網(wǎng)服務(wù)于工業(yè)企業(yè)客戶提供了重要的手段。

3 部署模式與案例分析

3.1 部署模式分析

隨著N4 接口開放的推進，UPF 對垂直行業(yè)的服務(wù)化能力也將進一步釋放，促進5G 與行業(yè)應(yīng)用的深度融合。針對不同的行業(yè)需求和場景，中國電信基于輕量級UPF、自研MEC、天翼云等產(chǎn)品，提供“致遠”、“比鄰”、“如翼”三種服務(wù)模式，滿足不同行業(yè)客戶完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的差異化需求。

致遠模式是中國電信面向廣域優(yōu)先型行業(yè)客戶提供的定制網(wǎng)服務(wù)模式。該模式基于中國電信5G 網(wǎng)絡(luò)資源，通過QoS、DNN 定制和切片等技術(shù)，為行業(yè)客戶提供端到端差異化保障的網(wǎng)絡(luò)連接、行業(yè)應(yīng)用等服務(wù)。致遠模式部署方案如圖4 所示：

圖4 致遠模式部署方案

比鄰模式是中國電信面向時延敏感型政企客戶提供的定制網(wǎng)服務(wù)模式。該模式通過多頻協(xié)同、邊緣節(jié)點、切片等技術(shù)的靈活定制，為企業(yè)客戶提供一張帶寬增強、低時延、數(shù)據(jù)本地卸載的專有網(wǎng)絡(luò)。比鄰模式下，輕量級UPF可以部署于臨近企業(yè)園區(qū)的運營商機房內(nèi)，根據(jù)客戶需求和業(yè)務(wù)特征，選擇獨享或與其他企業(yè)共享UPF；還可以直接部署于企業(yè)園區(qū)的機房內(nèi)，達到私有化部署，數(shù)據(jù)不出園區(qū)的業(yè)務(wù)要求。比鄰模式部署方案如圖5 所示：

圖5 比鄰模式部署方案

如翼模式是中國電信面向安全敏感型政企客戶提供的定制網(wǎng)服務(wù)模式。該模式利用超級上行、5G 網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計算等技術(shù)，按需定制專用基站、專用頻率和專用輕量級UPF 等專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，為企業(yè)客戶提供一張隔離的、端到端高性能的專用接入網(wǎng)絡(luò)。如翼模式部署方案如圖6 所示：

圖6 如翼模式部署方案

3.2 應(yīng)用案例

基于比鄰模式與如翼模式，輕量級UPF 分別在天津、廣東兩地部署行業(yè)5G 項目。其中，天津某工業(yè)園區(qū)要求用戶控制及數(shù)據(jù)本地化，希望企業(yè)具有對網(wǎng)絡(luò)的自主開號開卡、管控、監(jiān)測權(quán)限，同時需滿足工業(yè)視覺檢測、巡檢機器人、無人夾抱車等多業(yè)務(wù)場景。故采用比鄰模式，將UPF 下沉部署在企業(yè)機房內(nèi)，建設(shè)低時延的本地接入虛擬專網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)不出園區(qū)，為企業(yè)提供安全、可靠、高速的確定性網(wǎng)絡(luò)，并且部署了5G 對外能力服務(wù)平臺，構(gòu)建5G 行業(yè)虛擬專網(wǎng)自服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)能力的自動化調(diào)用。具體部署方案如圖7 所示：

圖7 天津某工業(yè)園區(qū)方案示意圖

廣東某電力企業(yè)采用如翼模式，為企業(yè)建設(shè)園區(qū)5G專網(wǎng)（含UDM/SMF/PCF/UPF 等），2C 與2B 基站采用不同頻段，園區(qū)內(nèi)的2B 業(yè)務(wù)由邊緣UPF 分流，同時建設(shè)MEC 平臺，實現(xiàn)應(yīng)用按需遷移。該方案具備高可靠、高安全、高靈活的優(yōu)勢，保障客戶的5G 專網(wǎng)獨立運行，用戶數(shù)據(jù)自主可控，同時2B 業(yè)務(wù)流量不出園區(qū)，根據(jù)業(yè)務(wù)分區(qū)實現(xiàn)獨立UPF 的本地分流。具體部署方案如圖8 所示：

圖8 廣東某電力企業(yè)方案示意圖

4 結(jié)束語

輕量級UPF N4 接口開放技術(shù)研究工作充分證實了N4 接口開放的技術(shù)可行性，為運營商解決UPF 與SMF 同廠商綁定問題提供了明確的思路，同時也證明了中國電信URANUS 1000S 具備支持N4 接口開放的能力。基于URANUS 1000S 開展的5G 行業(yè)園區(qū)部署項目也從實踐層面表明N4 接口開放對5G 賦能垂直行業(yè)具有巨大的增益作用。

為此，針對下一階段的N4 接口開放工作，中國電信將進一步增強輕量級UPF N4 接口的廣泛兼容性，實現(xiàn)與5G核心網(wǎng)的高效對接。同時提升輕量級UPF 的自主研發(fā)力度，完善對R16 的支持能力，打造更加靈活開放、極簡運維功能，提升邊緣安全防護能力。在此基礎(chǔ)上，依托輕量級UPF 系列產(chǎn)品率先發(fā)力行業(yè)應(yīng)用，快速響應(yīng)行業(yè)5G 專網(wǎng)客戶定制化需求，助力中國電信開拓5G 行業(yè)市場。