5G核心网技术基础自学系列 | 控制面和用户面分离

Posted 2022-11-23 COCOgsta

书籍来源：《5G核心网 赋能数字化时代》

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控制面和用户面分离(CUPS) ， 其必要性来源于对分组核心网中控制面功能和用户面功能分别进行扩缩容的需求。与之前的GPRS系统相比， EPC设计有单独的控制面功能，但主要是通过用户面管理， 将移动性管理与会话管理功能分开， 但是， 由于SGW和PGW 结合了会话的控制和用户面功能以及用户面管理功能，因此无法在用户面上仅部署具有用户数据功能的GW组件，也无法以标准的方式独立扩展控制和用户面部分。随着运营商开始考虑内部功能(如窄带物联网、MBB) 以及互联网驱动的OTT服务(如视频流、内容共享和社交媒体通信)的增长带来的影响，对这种分离的需求已变得十分明显。使用例如LTE软件狗的移动平台和终端， 导致3GPP规范定义的蜂窝网络连接的终端数量非常大。这些功能和服务本身可能要求不同类型的用户数据流量的扩展方式和节点部署方式，而不要求控制面部分以相同的方式扩展或部署。例如， 与MBB或用于视频流、游戏的专用用户面组件相比， 运营商可能需要更小的NBIoT用户数据处理容量。这些方案中的某些方案还可能要求用户数据处理的所在地应尽可能靠近用户连接的地方。可以采用这种分离的主要EPS网络节点是SGW、PGW和作为独立功能部署在PGW之外的流量检测功能(TDF) 。

为简便起见， 本章的其余部分重点介绍SGW和PGW的功能。首先介绍这两个节点的功能。为了拆分单个节点内的控制面和用户面，首先需要识别和记录这些功能的关系。同样，很明显，并非所有场景都需要这种分离，并且大多数常见的部署方案是，单个网络中分离节点和非分离的CP和UP节点共存。考虑到这一点，很明显，CP和UP的分离也一定不能对周围的功能(如MME、PCRF、计费系统和签约管理系统) 造成任何影响。毫无疑问， 这样的网络灵活性一定不会影响UE和RAN节点的任何过程或协议， 因为此类节点的部署不会影响UE与网络的交互方式， 或可能存在的RAN节点的类型。因此， 周围的实体将不感知SGW和PGW是否已拆分为CP和UP。表4.1是在3GPP中进行的研究的一个简化版本， 它列出了SGW和PGW节点的功能。这项研究记录在3GPP的研究报告TR 23.714中。架构的另一个重要的方面， 是组合的SGW/PGW节点， 即具有SGW 和PGW功能的组合GW， 对于这种部署选项， CP和UP的分离必须包含SGW和PGW CP功能组合的控制面， 能与组合的SGW/PGW UP功能一起工作， 也能和单独的SGW UP和PGW UP功能一起工作。

表4.1 EPC SGW和PGW功能分布的示例性描述(无CP和UP分离)

每个GW节点的控制面和用户面功能分离后， 下一个关键部分是确保MME选择分离的控制面GW功能时和选择组合的CP和UP功能一样。MME像以前一样继续选择SGW和PGW， 但是在分离部署中， 选择的结果是SGW-CP和PGW-CP实体， 然后， 由GW功能的控制面来选择相应的用户面GW功能。CP实体将根据CUPS之前的规范向MME提供隧道标识符(或用户面GTP-U隧道) ， 但是MME不会知道这些隧道标识是否属于独立的SGW-U或PGW-U实体， 或者是非拆分的SGW或PGW。这似乎是矛盾的， 因为MME拥有S11-C到SGW-C以及S11-U到SGW-U， 但仍然不知道SGW是拆分的CP还是非拆分的CP和UP， 但这又是可能的， 因为在GTP协议中， CP和UP的IP地址以及TEID在各自单独的IE中发送， 这就是说GTP协议天生就支持CP-UP拆分， 即使SGW和PGW没有拆分C-U，这先天优势使得在3GPP Release 14中引入CUPS时避免了对MME的的影响。

CP功能(SGW-C和PGW-C) 需要考虑选择UP功能(分别为SGW-U和PGW-U) 时的各种可能性， 包括用户、会话类型/APN、UE的位置、该UE对DC的支持、与DCN相关的信息、UP功能与RAN节点接近度的要求(例如， 如果UP功能需要更靠近UE的位置)、相对于CP和负载情况的UP的分布，等等。因此，具体如何选择UP功能将在很大程度上取决于运营商的部署和使用场景。

表4.1描述了EPC中SGW和PGW功能组的例子。以该表中的一个功能组为例， 例如组A， 会话管理功能是和SGW和PGW节点交织在一起的。与会话管理有关的特定过程包括EPS承载建立/修改/删除， 涉及SGW和PGW。当该过程由MME触发到SGW时， CP和UP功能的分离要求CP过程在需要时触发UP过程， 然后才能继续转向PGW-C。一旦SGW-C触发了PGW-C， PGW-C需要确保触发了适当的PGW-U功能， 然后才能根据需要继续执行过程的其余部分。在图4.10的呼叫流程中对此进行了说明。为了确保分离的SGW可以连接到混合网络中的非分离的PGW， CP和UP功能之间的过程是独立的，而无须更改非分离节点。 类似地， 表中所示的其他功能和SGW和PGW也相互依赖， 因此需要确保总体上遵循图4.10中所示的交互方式。

图4.10 GW功能分离的流程

从这个结论可以得出控制面和用户面分离的架构图，如图4.11所示。

图4.11 GW CP和UP分离的EPC总体架构

可以看出， 每个实体(SGW、PGW和TDF) 的CP和UP分离， 根据需要使用Sx接口来完成CP和UP功能。Sx接口需要支持建立、修改、终止流程，以便为每个分离节点的CP和UP组件之间的CP和UP操作提供支持。3GPP已经定义了分组转发控制协议(PFCP)以支持Sx上的功能。可以注意到， 5G系统中SMF和UPF之间的N4接口也重用了PFCP，更多细节参见第6章(会话管理) 。有关PFCP协议的更多详细信息， 参见第13章(协议) 。

表4.2描述了在CP-UP分离后， GW的功能是如何分布在SGW-C、PGW-C、SGW-U和PGW-U之间的。

表4.2 SGW和PGW的功能分离

除GTP过程外， 负载/过载控制、修复与恢复以及OAM接口、回声消息/响应之类的功能也依赖于Sx接口和所定义的协议交互。3GPP TS 29.244描述了Sx接口的功能和协议。特别是，在CP节点为会话选择UP节点时，UP的负载状态信息对于CP会非常有用。同样， UP的过载信息也会上报。这类信息通过下述的PFCP关联过程进行交换。来自UP的负载信息反映了UP节点资源的运行情况，使得CP节点能更好地管理与UP节点的会话，避免出现过载情况。最好的方法是共享负载信息而不需任何额外的信令， 即通过现有的、正在进行中的PFCP消息进行搭载， 而不是触发新的消息、信令来支持。来自UP的过载控制信息允许CP逐渐减少信令负荷，并减少或取消针对该UP的新会话，从而逐渐稳定负载。负载控制功能和过载控制功能是被分别控制的(即激活、去激活)。

图4.12简要显示了Sx接口上的操作， 它使用PFCP节点的关联过程， 包括(但不限于)

1.建立节点级别的关联(PFCP关联建立)

2.更新(PFCP关联更新)

3.释放(PFCP关联释放)

图4.12 CP和UP节点之间的PFCP关联

CP和UP节点之间的关联建立，使CP节点能了解UP节点的相关信息，从而允许CP建立与会话相关的适当的PFCP关系。

图4.13显示了使用PFCP会话相关过程的、Sx接口交互的简要过程， 包括(但不限于)：

1.建立PFCP会话

2.PFCP会话的修改

3.PFCP会话的删除

图4.13 CP和UP之间的PFCP会话建立

这些步骤用于在CP和UP节点之间建立与会话(即PDN连接、IP会话) 相关的过程，并为UP安装规则以处理数据包。

对于PFCP关联和PFCP会话的管理有通用的流程， 例如， 错误处理、节点级别管理(比如心跳、负载控制、过载管理、消息优先级处理、由于节点状态引起的节流等)。

3GPP TS 23.214中给出的使用Sx的PDN连接建立流程， 显示了CP和UP分离如何嵌人到现有会话管理过程(比如本例中的PDN连接) 中。

图4.14说明了步骤1、4中的内容， 展示了在SGW和PGW的CP和UP功能之间的、用于E-UTRAN初始附着的Sx终结的交互操作， 释放旧的SGW、PGW实体， 而不影响这些过程本身。而步骤7、9、11、13、15和17是完整的过程，包括UE发起的带有Sx修改过程的PDN连接过程， 该Sx修改是在新的SGW CP/UP组件之间， 目的是为该PDN连接建立新的SGW-U。

图4.14 SGW和PGW的CP和UP分离时，PDN连接建立的抽象流程

SGW控制和用户面分离带来的一项明显的增强，是在UE的路径上可能有多个用于该UE的SGW-U实体。如果没有SGW CP和UP的分离， 这是不可能的。在分离情况下，仍然只有一个SGW-C， 但它可以连接到多个SGW-U实体。将这些结合在一起， 我们可以看到，当GW的CP和UP组件分开后，该架构提供了极大的灵活性。

图4.15显示了一个结合DECOR功能以及SGW和PGW的控制和用户面分离的架构示例， 该SGW和PGW通过双连接和作为辅助RAT的NR(也称为EN-DC， 如第12章所述) 连接到E-UTRAN。这是5GC采用的另一个架构原则， 如第6章中所述。

图4.15 使用DECOR、CUPS和EN-DC的网络架构部署示例

EPC的演进， 包括NSA中对NR的支持， 使5G的早期部署成为可能， 从而为今后通过新的5GC全面部署5G系统做好了准备。EPC在3GPP Relase 13/14/15期间继续演进，除了CUPS和(e)DECOR之外， 还有邻近服务、V2X服务、关键任务服务、增强型电视服务、CIoT增强功能和对网络开放的支持等很多功能。尽管主要在LTE上而非NR上运行， 所有这些功能也都可以在EPC中用于5GNR。