5G核心網(wǎng)中ToB UPF的部署策略

王高歡

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司廣東分公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

5G時(shí)代的到來(lái)，不僅改變了人們的生活習(xí)慣，也為產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)新機(jī)遇。5G網(wǎng)絡(luò)具有低延時(shí)、大帶寬、廣連接的特點(diǎn)，不僅實(shí)現(xiàn)了萬(wàn)物互聯(lián)，而且是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的有力助手。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的普及應(yīng)用，發(fā)展面向行業(yè)（ToB）業(yè)務(wù)是運(yùn)營(yíng)商當(dāng)前的重點(diǎn)任務(wù)[1]。具體來(lái)看，在5G網(wǎng)絡(luò)的支持下，運(yùn)營(yíng)商為用戶提供專業(yè)通信服務(wù)，涉及組織、生產(chǎn)、管理、調(diào)度等環(huán)節(jié)；依賴于邊緣計(jì)算、云邊協(xié)同等新技術(shù)，還能提供定制化專網(wǎng)服務(wù)。

1 5G網(wǎng)絡(luò)的SBA架構(gòu)及業(yè)務(wù)分流方式

1.1 5G網(wǎng)絡(luò)的SBA架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)采用SBA架構(gòu)，見(jiàn)圖1。SBA架構(gòu)的特點(diǎn)是：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向接口轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗蚍?wù)接口，一個(gè)網(wǎng)元提供的服務(wù)能被其他網(wǎng)元調(diào)用。信令面管控由SBA架構(gòu)實(shí)施，會(huì)話管理功能由SMF負(fù)責(zé)，與基站、終端、認(rèn)證管理功能（AMF）、通信處理設(shè)施（CHF）等交互信令，連同UPF可實(shí)現(xiàn)用戶面管理功能。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

5G核心網(wǎng)中的SMF所具備的功能，等同于4G核心網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（MME）的會(huì)話管理功能+SGW-C的功能+PGW-C的功能，不僅支持多種會(huì)話類型，還能實(shí)現(xiàn)非IP類型的分組數(shù)據(jù)單元（PDU）會(huì)話。站在用戶的角度，注冊(cè)時(shí)不用建立PDU會(huì)話，開展業(yè)務(wù)時(shí)再建立，且PDU會(huì)話屬性在整個(gè)生命周期內(nèi)不會(huì)改變[2]。

1.2 5G網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)分流方式

1.2.1 上行分流

1.2.2 IPv6多歸屬分流

多歸屬分流Multi-homing，是在單個(gè)PDU會(huì)話中，根據(jù)不同地址前綴的業(yè)務(wù)，選擇對(duì)應(yīng)的UPF。該方式依賴于IPv6前綴的上行業(yè)務(wù)流，經(jīng)BP UPF轉(zhuǎn)發(fā)至不同的PDU會(huì)話錨點(diǎn)，并將所有的業(yè)務(wù)流合并到UE。

1.2.3 DNN分流

DNN（數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)名稱）分流，是用戶經(jīng)專用DNN發(fā)起會(huì)話，根據(jù)5G終端提供的專用DNN，以及所在的TA，最終由SMF選擇目的邊緣UPF，建立會(huì)話即可接入MEC平臺(tái)。DNN分流方式對(duì)終端、網(wǎng)絡(luò)的要求較低，可實(shí)現(xiàn)MEC業(yè)務(wù)的快速上線。

2 UPF網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和部署技術(shù)關(guān)鍵

2.1 UPF網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在5G核心網(wǎng)架構(gòu)中，基本網(wǎng)元就是UPF，其位置和接口見(jiàn)圖2。其中，UE是用戶終端，RAN是無(wú)線接入網(wǎng)，DN是數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。UPF接受SMF的管理控制，執(zhí)行SMF下發(fā)的指令，常用功能有業(yè)務(wù)流識(shí)別、數(shù)據(jù)包處理、信息收集上報(bào)等。

圖2 UPF在5G核心網(wǎng)架構(gòu)中的位置和接口

2.2 UPF的多樣性

UPF的多樣性體現(xiàn)在三個(gè)方面：①形態(tài)方面。UPF使用專用設(shè)備形態(tài)，或進(jìn)行云化部署。前者的優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，方便快速開通；后者的優(yōu)點(diǎn)是資源利用率較高，可實(shí)現(xiàn)共享性[3]。②功能方面。不同應(yīng)用場(chǎng)景有不同的需求，為了滿足這些需求，出現(xiàn)了不同功能集的UPF，常見(jiàn)的如中繼UPF（I-UPF）、分支點(diǎn)UPF（BP-UPF）、分流UPF（UL

CL UPF）、錨定UPF（Anchor UPF）等。③行業(yè)環(huán)境 方面。在行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)部署UPF，要想實(shí)現(xiàn)超高帶寬、超低時(shí)延的業(yè)務(wù)，還要滿足防塵、防潮、防爆、防高溫等要求。

2.3 UPF部署技術(shù)關(guān)鍵

對(duì)用戶數(shù)據(jù)流進(jìn)行分流，是UPF和ToB業(yè)務(wù)深度融合的關(guān)鍵[4]。結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)分流方式，可采用的方案有：

實(shí)踐中，網(wǎng)約車的產(chǎn)生憑借新的技術(shù)條件和經(jīng)營(yíng)方式突破了專營(yíng)的市場(chǎng)藩籬，構(gòu)成對(duì)傳統(tǒng)出租車經(jīng)營(yíng)的巨大沖擊。我國(guó)傳統(tǒng)的出租車經(jīng)營(yíng)在誕生之初因其國(guó)營(yíng)性質(zhì)而采取行政許可專營(yíng)方式，造成了出租車行業(yè)的自然壟斷屬性。當(dāng)政府在對(duì)自然壟斷行業(yè)實(shí)行邊際成本定價(jià)管制時(shí)，為了分?jǐn)傂袠I(yè)的平均成本，政府需要對(duì)其進(jìn)行適度補(bǔ)貼或者賦予其壟斷地位。在面對(duì)網(wǎng)約車侵蝕原有出租車經(jīng)營(yíng)者的利益時(shí)，政府不應(yīng)繼續(xù)通過(guò)嚴(yán)厲的管制來(lái)排斥、壓制網(wǎng)約車的發(fā)展，而應(yīng)以促進(jìn)出租車市場(chǎng)健康發(fā)展和滿足廣大民眾出行需求為出發(fā)點(diǎn)改革原有的行政管理模式，充分發(fā)揮負(fù)面清單前述的自發(fā)管理、自由發(fā)展等積極因素，實(shí)現(xiàn)交通服務(wù)于民眾的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)目的。

2.3.1 ULCL方案

在5G核心網(wǎng)中，采用UL CL方案，可將數(shù)據(jù)流量分流至多接入邊緣計(jì)算平臺(tái)（MEC），適用于體育館、博物館、大型商場(chǎng)等場(chǎng)所，能滿足用戶訪問(wèn)MEC的需求，進(jìn)行云游戲、視頻直播等活動(dòng)。

2.3.2 DNN方案

采用DNN會(huì)話分流數(shù)據(jù)流量，站在運(yùn)營(yíng)商的角度，雖然DNN方案可促使MEC業(yè)務(wù)快速上線，但5G網(wǎng)絡(luò)支持的DNN數(shù)量多少，會(huì)限制該業(yè)務(wù)的實(shí)際使用情況。

2.3.3 IPv6多歸屬方案

由網(wǎng)元SMF在PDU會(huì)話中插入/刪除多歸屬會(huì)話分支點(diǎn)（BP），只能支持IPv6對(duì)話。采用IPv6多歸屬方案，可在物聯(lián)網(wǎng)、專網(wǎng)等場(chǎng)景中應(yīng)用，因?qū)嶋H應(yīng)用范圍較窄，今后仍有較大的發(fā)展空間。

3 5G核心網(wǎng)中ToB UPF的部署策略

3.1 UPF部署位置

發(fā)展ToB業(yè)務(wù)，要滿足靈活性、安全性、敏捷性的核心需求，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)就可以滿足。①靈活性方面，5G采用多種形式和ToB應(yīng)用相結(jié)合，能提供無(wú)線連接方式。②安全性方面，UPF靠近用戶側(cè)，遵循就近接入的原則，可實(shí)現(xiàn)本地分流，從而保護(hù)數(shù)據(jù)安全。③敏捷性方面，5G架構(gòu)依靠微服務(wù)粒度進(jìn)行更新，可滿足行業(yè)的實(shí)際需求。結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)特點(diǎn)、ToB業(yè)務(wù)的不同場(chǎng)景需求，UPF部署主要分為省級(jí)、地市、園區(qū)三個(gè)類型，部署位置見(jiàn)圖3。

圖3 UPF部署位置示意圖

3.2 UPF部署策略

面向ToB業(yè)務(wù)的UPF部署，應(yīng)全面分析用戶的需求，然后選擇、制定部署方案。其中，用戶需求包括：特性要求、可靠性要求、帶寬要求、時(shí)延要求等，在選擇制定部署方案時(shí)，要考慮業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)特征（共享/專享）、UPF部署位置（省級(jí)/地市/園區(qū)）、UPF分流方式（ULCL/IPv6多歸屬/LAND/DNN）。結(jié)合實(shí)踐，不同層面的UPF部署策略總結(jié)如下：

3.2.1 省級(jí)UPF部署策略

省級(jí)ToB UPF承載部分ToB業(yè)務(wù)，例如，允許數(shù)據(jù)出園區(qū)的業(yè)務(wù)、4G與5G互操作的業(yè)務(wù)等。綜合分析業(yè)務(wù)量要求，為承擔(dān)ToB業(yè)務(wù)流量，可建設(shè)省級(jí)UPF。

3.2.2 地市UPF部署策略

地市ToB UPF承載允許數(shù)據(jù)出園區(qū)的ToB業(yè)務(wù)。地市ToB UPF部署工作既可在網(wǎng)絡(luò)部署初期，結(jié)合園區(qū)業(yè)務(wù)流量一次部署完成，也可等待ToB業(yè)務(wù)快速發(fā)展，出現(xiàn)傳輸時(shí)延問(wèn)題時(shí)再進(jìn)行部署。

3.2.3 園區(qū)UPF部署策略

園區(qū)ToB UPF承載有明確數(shù)據(jù)管控要求的ToB業(yè)務(wù)。在園區(qū)ToB UPF部署時(shí)，最好先選用輕量級(jí)設(shè)備，按照用戶實(shí)際需求進(jìn)行容災(zāi)部署。因UPF多部署在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)以外，安全問(wèn)題是一個(gè)關(guān)鍵，必須加強(qiáng)安全防護(hù)措施[5]。

4 UPF部署案例分析

4.1 業(yè)務(wù)需求

在ToB業(yè)務(wù)中，不同企業(yè)的業(yè)務(wù)類型有差異，對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)需求也就不同。同一個(gè)企業(yè)內(nèi)，可能有多個(gè)業(yè)務(wù)類型；不同企業(yè)之間，相同業(yè)務(wù)類型的要求可能也不同。例如，移動(dòng)辦公業(yè)務(wù)，端到端時(shí)延為20～100 ms，數(shù)據(jù)傳輸速率為1～100 Mbps；遠(yuǎn)程醫(yī)療業(yè)務(wù)，端到端時(shí)延20～50 ms，數(shù)據(jù)傳輸速率為15～100 Mbps；視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)，端到端時(shí)延為20～50 ms，數(shù)據(jù)傳輸速率為10～100 Mbps。

4.2 設(shè)備選型

設(shè)備選型的一個(gè)關(guān)鍵因素是UPF容量，主要包括吞吐量和會(huì)話處理能力兩個(gè)指標(biāo)。

面向ToB業(yè)務(wù)的UPF屬于輕量級(jí)UPF，主要有五種規(guī)格，吞吐量分別是5 Gbps、10 Gbps、20 Gbps、50和100 Gbps，會(huì)話處理能力標(biāo)配分別是0.5萬(wàn)、0.5萬(wàn)、1萬(wàn)、10萬(wàn)和20萬(wàn)PDU會(huì)話。

4.3 組網(wǎng)方案

某大型集團(tuán)公司開發(fā)的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，從省UPF接入，支持用戶漫游接入，在UDM簽約用戶QoS保障帶寬。某生產(chǎn)企業(yè)的廠區(qū)和辦公區(qū)在同一城市的不同地點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，采用地市UPF部署方案、ULCL+DNN分流。某生產(chǎn)基地建成工業(yè)數(shù)字化和先進(jìn)制造工藝平臺(tái)，部署園區(qū)UPF，采用LADN+DNN分流，生產(chǎn)數(shù)據(jù)只能在園區(qū)內(nèi)網(wǎng)訪問(wèn)。這三個(gè)組網(wǎng)方案的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 典型場(chǎng)景的部署案例

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，UPF是5G網(wǎng)絡(luò)的重要功能，目前ToB業(yè)務(wù)是主要發(fā)展方向。文章詳細(xì)闡述了UPF的部署位置、技術(shù)關(guān)鍵和部署策略，為了更好地滿足企業(yè)的實(shí)際需求，應(yīng)優(yōu)化組網(wǎng)方案，提高數(shù)據(jù)的安全性，充分發(fā)揮5G核心網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)健康快速發(fā)展?！?/p>