輕量級UPF N4接口開放性技術研究與應用

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絡能力研發中心，廣東 廣州 510000；2.中國電信集團股份有限公司科技創新部，北京 100000）

0 引言

5G 作為新一代信息技術推動著各行各業的創新與變革，隨著國家新基建戰略的穩步推進，各垂直行業紛紛探尋5G+行業的融合發展路徑，實現數字化、智能化轉型升級。作為5G 建設的主力軍，運營商目前普遍面臨C 端市場增長乏力，傳統的流量經營模式營收見頂的問題[1]。為了保持整體收入水平以及行業的可持續發展，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將有望成為運營商開啟B 端行業市場的金鑰匙[2]。

5G 在設計之初就包含了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用戶的全部場景需求。借此，5G 賦能垂直行業能夠將服務與應用盡可能地靠近用戶部署，從而減少業務獲取的延遲，提高用戶體驗。同時提供快速、低成本、靈活部署的應用網絡，而實現這些特性的關鍵性網元是UPF。

UPF 作為5G 核心網的重要網絡功能單元，擔負著數據流量的處理、路由等核心功能。作為連接運營商與垂直行業的橋梁，UPF 已逐漸從運營商的核心層走向行業客戶的接入層。當前，UPF 與控制面SMF 的接口N4 尚未完全開放、服務化能力未能充分釋放，很大程度上束縛了5G 響應行業客戶需求的能力。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UPF 輕量化、低成本和靈活部署的需求。因此，需要從技術層面研究并驗證N4接口開放的可行性，推動構建開放、標準的5G 控制面和用戶面之間的N4 接口，進一步提升5G 賦能垂直行業的能力。

1 5G核心網與UPF的業務接口

1.1 5G核心網架構

5G 核心網采用基于服務的網絡架構，其系統架構中的各個元素被定義成一些由服務組成的網絡功能單元，利用統一的接口調用框架為其他經許可的網絡功能提供服務[4]。這種全新的架構形式可以快捷地聚合網絡功能，構建服務切片，同時結合NFV 與SDN 等新技術，向第三方開放網絡定制和功能編排能力。5G 核心網架構分為CP（控制面）與UP（用戶面）兩部分，實現了控制、轉發與數據的分離。在控制面，5G 核心網可以提供異構接入技術統一的接入、安全與簽約管理服務框架；在用戶面，5G 核心網支持網元下沉，業務數據流按應用策略分流，實現邊緣、數據中心與云計算節點的按需互聯[5]。5G 核心網架構如圖1 所示：

圖1 5G核心網架構圖

5G 核心網涉及的網絡功能單元包括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點，由單一的AMF 負責終端設備的移動性與接入管理，SMF 則負責對話管理功能，支持同時配置多個，UPF 則負責承擔5G 核心網的用戶面功能。

1.2 UPF的功能

UPF 作為5G 核心網的用戶面網元，主要功能是響應SMF 請求，作為RAN 與DN 之間的聯接點，PDU 會話錨點負責完成用戶面上GTP-U 協議的封裝與解封裝、分組路由與轉發、數據包檢查以及QoS 流映射等網絡用戶面的處理[7]，完成用戶面門控、重定向、流量轉向等策略規則的實施。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 核心網采用網元集中部署的辦法，核心網機房與UE 距離較遠，這種方式導致業務時延較大。5G 核心網將控制面與用戶面分離，兩者之間通過N4 接口進行通信[8]，從而使負責數據轉發的用戶面可以分布式部署。在此基礎上，UPF 結合MEC 下沉到與用戶距離更近的網絡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據網絡，直接面向用戶側提供業務服務，以此來達到更低的傳輸時延以及更少的網絡擁塞。

1.3 UPF的業務接口

UPF 的主要業務接口包括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 用戶面與數據網絡之間的接口。N4 接口作為UPF與SMF 之間的通信接口，承擔流量的實時統計上報、會話建立及策略執行功能[10]。而N4 接口目前尚屬非開放接口，與廠商設備綁定，導致5G 集中部署的核心網SMF需要與分布式部署的UPF 同廠商設置，這為網絡建設與面向垂直行業的發展帶來了極大的限制。

針對這一現狀，業界產生了兩種解決思路，一種是由運營商牽頭，聯合廠商共同推進N4 接口的開放與標準化，構建開放合作聯盟；另一種是自主研發5G 用戶面設備UPF，通過與主流廠商5G 核心網進行現網對接，解除UPF 與SMF 同廠商綁定的問題。以下將以中國電信在該領域的研究工作為例，介紹其輕量級UPF 設備的N4 接口開放技術研究與應用進展。

2 N4接口開放技術驗證與分析

2.1 驗證環境

中國電信基于自主研發的輕量級UPF 設備URANUS 1000S 型號產品，主導了與三家主流廠商的核心網聯調對接測試，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 核心網相關網元與中國電信提供的URANUS 1000S 產品對接，進行端到端的業務測試驗證。測試拓撲如圖2 所示：

圖2 N4接口業務測試拓撲

2.2 驗證內容

本次測試涉及PFCP 節點管理、PFCP 會話管理、UE IP 地址管理、數據檢測與轉發、路由協議支持、CN 隧道信息管理、QoS 控制、計費、切換（End Marker 構造）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 節點管理

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

圖3 SMF發起偶聯更新參考流程

通過SMF 發起偶聯釋放測試，驗證SMF 發起的偶聯釋放流程是否符合接口規范的消息流程和IE。通過SMF 發起心跳請求與UPF 發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。通過節點信息上報測試，驗證UPF 是否具備向SMF 報告節點信息功能。

（2）PFCP 會話管理

PFCP 會話管理功能模塊測試SMF 發起會話建立、SMF 發起會話修改、SMF 發起會話刪除3 項用例。UE IP 地址管理、數據監測與轉發、路由協議支持、CN 隧道信息管理以及QoS 控制功能模塊測試內容在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 部分測試類及相應測試用例

（3）計費

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

（4）切換（End Marker 構造）

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

（5）尋呼

尋呼功能模塊測試UE 進入IDLE 狀態后，SMF 會下發BAR 規則，請求UPF 緩存UE 的下行數據，當下行數據到達時UPF 會觸發下行數據到達上報的消息報文的功能。

2.3 驗證結果及分析

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，導致用戶上線失敗的問題；二是由于廠商提供的5G 核心網不支持個別功能，從而影響相應部分的對接測試。針對第一個問題，通過修改URANUS 1000S 產品代碼，使其忽略相關私有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，廠商實現各異的問題，進一步說明相關技術規范亟待標準化。

URANUS 1000S 的整機性能測試結果如表2 所示：

表2 URANUS 1000S整機性能測試結果

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 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了與URANUS 1000S 的對接驗證。僅節點信息上報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，也為下一步推動輕量級UPF 系列產品進入現網服務于工業企業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 對垂直行業的服務化能力也將進一步釋放，促進5G 與行業應用的深度融合。針對不同的行業需求和場景，中國電信基于輕量級UPF、自研MEC、天翼云等產品，提供“致遠”、“比鄰”、“如翼”三種服務模式，滿足不同行業客戶完成數字化轉型升級的差異化需求。

致遠模式是中國電信面向廣域優先型行業客戶提供的定制網服務模式。該模式基于中國電信5G 網絡資源，通過QoS、DNN 定制和切片等技術，為行業客戶提供端到端差異化保障的網絡連接、行業應用等服務。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服務模式。該模式通過多頻協同、邊緣節點、切片等技術的靈活定制，為企業客戶提供一張帶寬增強、低時延、數據本地卸載的專有網絡。比鄰模式下，輕量級UPF可以部署于臨近企業園區的運營商機房內，根據客戶需求和業務特征，選擇獨享或與其他企業共享UPF；還可以直接部署于企業園區的機房內，達到私有化部署，數據不出園區的業務要求。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服務模式。該模式利用超級上行、5G 網絡切片、邊緣計算等技術，按需定制專用基站、專用頻率和專用輕量級UPF 等專用網絡設備，為企業客戶提供一張隔離的、端到端高性能的專用接入網絡。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5G 項目。其中，天津某工業園區要求用戶控制及數據本地化，希望企業具有對網絡的自主開號開卡、管控、監測權限，同時需滿足工業視覺檢測、巡檢機器人、無人夾抱車等多業務場景。故采用比鄰模式，將UPF 下沉部署在企業機房內，建設低時延的本地接入虛擬專網，實現數據不出園區，為企業提供安全、可靠、高速的確定性網絡，并且部署了5G 對外能力服務平臺，構建5G 行業虛擬專網自服務系統，實現工業系統對網絡能力的自動化調用。具體部署方案如圖7 所示：

圖7 天津某工業園區方案示意圖

廣東某電力企業采用如翼模式，為企業建設園區5G專網（含UDM/SMF/PCF/UPF 等），2C 與2B 基站采用不同頻段，園區內的2B 業務由邊緣UPF 分流，同時建設MEC 平臺，實現應用按需遷移。該方案具備高可靠、高安全、高靈活的優勢，保障客戶的5G 專網獨立運行，用戶數據自主可控，同時2B 業務流量不出園區，根據業務分區實現獨立UPF 的本地分流。具體部署方案如圖8 所示：

圖8 廣東某電力企業方案示意圖

4 結束語

輕量級UPF N4 接口開放技術研究工作充分證實了N4 接口開放的技術可行性，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 行業園區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，實現與5G核心網的高效對接。同時提升輕量級UPF 的自主研發力度，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。在此基礎上，依托輕量級UPF 系列產品率先發力行業應用，快速響應行業5G 專網客戶定制化需求，助力中國電信開拓5G 行業市場。