5G核心网技术基础自学系列 | 移动性和数据连接性

Posted 2022-11-18 COCOgsta

书籍来源：《5G核心网 赋能数字化时代》

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如上所述， 用户数据在核心网中由UPF负责处理。在无线接人网和UPF之间， 用户数据在N3参考点上传输。用户数据通过隧道穿越N3，这意味着IP路由使用的是隧道报头IP地址而不是最终用户的IP地址，这样即使终端在网络中移动，IP锚点可以保持稳定，并且相同的IP路由机制和传输路由也适用于N3隧道所携带的任何数据类型。除了IP数据包， 5G架构规范还支持以太网(Ethernet) 帧和所谓的“非结构化数据”。

N3隧道的概念非常类似于EPC架构中被称为S1-U的参考点。N 3包含一种新方法，包括管理特定数据流的QoS以及如何将数据流映射到隧道。

在另一面， UPF连接到外部数据网络。IP数据包通常根据终端的实际IP地址进行路由， 这意味着流量不会通过隧道传输。这个参考点称为N6， 对应于EPC架构中的SGi。对于以太网会话， N6是二层链路， 而不是可路由的IP网络。在N6上还可以使用VPN通过隧道传输用户数据，从而建立用于企业连接的安全隧道。

图3.13显示了5G架构中与用户数据处理和传输相关的接口。

图3.13 用户面到无线网和外部数据网络的连接

SMF控制UPF的行为， 这是通过在N4参考点上发送信令元成的。如上所述， 可能有多对SMF/UPF同时管理一个终端的流量。

SMF基于每个用户的数据会话对UPF进行控制， SMF可以创建、更新和删除UPF中的会话信息。此外， SMF还可以对UPF的单个数据流进行控制。

SMF中与UPF控制相关的一些关键功能包括：

• SMF控制UP F中使用的流量检测规则。

• SMF控制UPF中使用的数据包转发规则。

• SMF控制使用情况上报规则以支持SMF中的策略和计费功能。UPF根据这些规则向SMF报告使用情况。报告既可以针对与数据会话相关的总流量， 也可以针对单个数据流进行。

• SMF为UPF提供QoS参数值， 执行数据流的QoS， 例如限制某一数据流的速率。

和4G的EPC架构相比， 或者和5G NSA继承的EPC架构相比， 5GC架构为不同级别的数据移动性提供了更广泛的支持和灵活性。

一个基本概念是三种“会话和服务连续”模式， 缩写为SSC模式1、2和3， 它们表示的是当终端在网络中移动时，处理现有数据会话的不同方式。是选择稳定的移动性锚点， 还是选择低时延， 为此这些SSC模式提供了更高的灵活性。SSC模式需要终端的相应支持，否则不能工作。

图3.14是这三种SSC模式的概览。

图3.14 会话和服务连续模式1、2和3

SSC模式1表示无论在网络中如何移动， 终端都将保持其IP地址， 即它可以在整个网络中使用相同的IP锚点(UPF) 。

SSC模式2与SSC模式1相反， 随着终端在网络中移动， 网络将释放已有的会话，并触发终端建立新会话。网络基于运营商策略来释放会话，例如基于网络中一个应用功能的请求。当终端请求新会话时， 网络可以选择更适合该服务的新的UPF， 例如更靠近终端当前位置的UPF。与SSC模式1相反， SSC模式2意味着业务的短暂中断， 这样的中断是否被接受，取决于目标用户使用的是哪种业务。

SSC模式3比较高级， 它试图结合SSC模式1和2的一些优点。这种模式通过使用新的UPF触发IP会话的释放和重新建立， 与SSC模式2有相同的低时延， 但也具有与SSC模式1一样的连续的服务可用性， 不过终端移动时的时延可能无法完全满足需求。在SSC模式3下， 首先建立新会话以及与新UP F的连接， 然后再释放锚定在旧UP F中的会话和连接，这对终端提出了额外的要求，因为它需要在短暂的时间内维护同一服务的两个会话和两个IP地址。

一个合适的SSC模式的选择， 会优先考虑业务本身的需求， 一个例子是：覆盖区域较大的网络需要提供一项时延要求非常低的服务。较大的覆盖区域意味着SSC模式1的IP锚定点可能需要位于中央的位置，可以到达覆盖区域内的所有无线基站，数据传输的时延最好不要太长， 并且比较均匀。但IP锚点(UP F) 位于中央位置， 可能无法满足时延要求；如果IP锚点离接入点更近，可以减少由于连接不同城市甚至一个国家的不同地区的传输网络导致的时延。因此， 在较大的覆盖区域下， 可能需要使用SSC模式2来满足时延要求，当然缺点是，随着终端在网络中移动，IP锚点及IP地址的位置需要更改，提供服务的应用服务器的位置也需要更改。

SMF根据签约数据中允许的SSC模式以及终端请求的SSC模式， 选择会话的SSC模式。会话建立后， SSC模式不再改变。

应该注意的一个限制是， SSC模式1和2可用于IP和以太网类型的会话， 但SSC模式3仅适用于IP类型的会话。

“本地数据网”(缩写为LAD N) 的概念在某种程度上与使用SSC模式2或3访问本地服务的能力相关。“本地数据网”支持将对某些业务的访问限制在某些地理区域(定义为多个跟踪区)，为简化起见，可以把跟踪区看作是无线小区的集合，这些小区合并在一起，覆盖了更大的地理区域。移动网络通常包含许多跟踪区，每个跟踪区包含许多小区。

使用LADN机制， 运营商可以将某些业务定义为仅在某些地理区域内可用。为了使终端能够访问此类业务， 用于该终端的签约需要包含相应的LADN服务支持。有关SSC模式和LADN的更多详细信息， 请参阅第6章。

5GC UPF的一个特殊功能是， 可以串行部署两个UPF， 并通过N9接口连接。这主要有三个用例：

(1)网络范围内的移动性。

(2)选定数据流的疏导。

(3)通过归属路由的漫游。

我们将在下面介绍前两种情况。三种情况将在3.17节中描述。

为了在整个网络中使用一个稳定的IP锚点提供完全的移动性，可能需要连接两个UPF。是否需要，取决于运营商网络配置，尤其是如何设计无线网中的基站与各个核心网站点之间的传输网。

图3.15 连接两个UPF时的IP移动性

如图3.15所示， 假设终端连接在左侧NR覆盖区域中的小区上， UPF1将被选作终端的IP锚点，连接到互联网或其他提供用户服务互联网/数据网络(例如IMS) 的数据网络。

当终端移至网络覆盖的另一区域时，由于受传输网配置的限制，终端当前所在位置的基站无法连接UPF1， 因此SMF将分配UPF2作为新的N3接口的终结点， 并连接回UPF1。通过这种方法， 不用更改终端的IP地址或互连点(POI) 。

第二种情况是5GC中提出的新概念，即在UPF中进行分类和流量管理， 有选择地将IP数据包发送到不同的IP接口。此方案的典型用例是允许某些流量在网络边缘或其附近终结，以满足最低的数据面时延或保护敏感数据，避免在网络的较集中的地方被截获。这种方案再次涉及两个串联的UPF，见图3.16。

图3.16 使用上行分类器对选定数据流进行疏导

这个概念依赖于UPF中一种称为“上行分类器”(ULCL) 的新机制， 该机制会过滤出从终端上行链路传来的符合特定分类标准的IP数据包，并将这些数据包发送到和本地网络相连的IP接口，该接口被称作N6。

不符合选定标准的数据包通过N9接口发送到集中式的UPF。为了使ULCL起作用，必须在最靠近接入网的UPF中使用ULCL功能。

在下行链路中， 从集中式UPF和本地UPF流向终端的数据， 在最接近接入网的UPF中合并为单个数据流。

ULCL功能由管理IP会话的SMF提供的网络规则控制。SMF根据策略决定是否在给定IP会话的数据路径中引人ULCL功能或者额外的UPF。控制ULCL的信令由SMF通过N4参考点发送给UPF。

ULCL功能对终端完全透明， 因此终端不知道网络是否应用了ULCL和本地流量疏导。

还有另一种解决方案， 可提供对选定数据流的疏导， 它依赖于IPv6与多宿主的配合使用。第6章提供了有关ULCL和IPv6多宿主的更多信息。