5G PDU会话管理简介(三)

时间:2024-03-26 16:47:25

本文档主要介绍,UPF选择、用户面路径、SSC模式、PSA和ULCL

1、SMF选择UPF

PDU会话建立时,SMF会参考很多因素选择UPF,比如:UPF支持的DN列表、UPF的服务范围(tac列表)、UPF支持的SSC模式、UPF负载、UE当前位置等等。选择的策略可能不是一成不变的,而各个厂家的具体实现也都不一样。

虽然实现不一样,但站在运营商的立场来看,其实目标很明确,SMF应当选择出最经济适用的UPF。比如,SMF可以先根据UPF支持的DN列表、UPF的服务范围等因素筛选出所有能适用的UPF,再根据UE当前位置等因素挑选出“最近”的UPF,以获得更短的用户面路径、更小的时延等优势。

除了PDU会话建立流程中SMF会进行UPF选择,SMF在很多时机需要进行UPF重选,比如切换流程和业务请求流程。

2、用户面路径

每个PDU会话都有一个用户面路径,它至少包含一个UPF(PSA),可能包含1-N个I-UPF。对于一个已经建立好的PDU会话而言,其用户面路径不是一成不变的,UE移动或策略的变化都可能导致SMF决策改变用户面路径。

如下图所示,位于CM-CONNECTED态的UE从RAN1移动到RAN2,触发了切换流程。显而易见,在切换过程中,SMF需要控制UPF和RAN2建立新的N3隧道。SMF会分配tunnel信息并向UPF发起N4会话更新,下发新的PDR和FAR等规则,使得从DN来的下行流量被转发给RAN2而不是RAN1,并使得从UE通过RAN2来的上行流量可以正确匹配PDR而被转发给DN。

5G PDU会话管理简介(三)

如上只是最简单的场景,通常UE移动很可能带来更多的变化。比如,可能由于RAN2与原UPF之间没有连通性,导致SMF得在用户面路径插入一个新的UPF。

如果SMF判断需要插入一个I-UPF,则SMF会使用UPF选择机制选出合适的UPF作为I-UPF,并向I-UPF发起建立N4会话,分配tunnel信息并下发PDR和FAR等规则使得I-UPF可以与原UPF之间建立N9隧道,使得I-UPF和RAN2之间可以建立N3隧道。此外,SMF还需要将I-UPF的N3隧道信息通知给RAN2,指示RAN2建立N3隧道;将I-UPF的N9隧道信息通知给原UPF,控制原UPF建立N9隧道。从而建立起可以承载切换后用户流量的新的用户面路径。

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在5GS中,由于UPF之间可以通过N9隧道中继转发,5GC中的用户面路径可以非常灵活。读者通过举一反三,很容易想到,UE移动还可能给PDU会话带来如下变化:

  • PDU会话已经有I-UPF,需要将旧I-UPF替换成新的I-UPF
  • PDU会话已经有I-UPF,需要删除I-UPF
  • PDU会话已经有I-UPF,需要再插入一个新的I-UPF
  • PDU会话只有一个UPF,需要替换成一个新的UPF
  • PDU会话已经有I-UPF,只需保留I-UPF(使其成为新的PSA),不再需要原UPF(PSA)
  • PDU会话已经有I-UPF,需保留I-UPF并更换UPF(PSA)

UE在CM-IDLE态移动后,可以触发业务请求流程或移动性注册更新过程**PDU会话。SMF**PDU会话时,可能由于UE已经移动到新的位置而决定需要改变用户面路径,涉及的变化与切换过程中的用户面路径变化类似。

用户面路径的可变性很多,但万变不离其宗。SMF总是在获知UE移动后的第一时间先判断出当前PDU会话需要一个怎样的新用户面路径,然后再去分头去修改RAN和新建/修改各个N4会话,使RAN和UPF们可以完成新路径的建立。只不过,各流程的初始条件和信令流程的不同会导致SMF新建/修改各个N4会话的顺序和时机不同,想了解所有这些不同,就需细细去研究Xn切换、N2切换、业务请求、移动性注册更新等各类流程了。

3、PDU会话锚点与SSC模式

与I-UPF的变化不同,PDU会话锚点的变化将影响用户体验到的业务连续性。为服务UE的不同业务连续性需求,5GS定义了三种业务连续性模式。

SSC mode1:PDU会话锚点不允许改变

SSC mode2:PDU会话锚点可以改变,改变时需删除旧的PDU会话,建立新的PDU会话

SSC mode3:PDU会话锚点可以改变,改变时可以先建立新的PDU会话,再删除旧的PDU会话。

按用户实际能体验到的业务连续性来说,SSC mode1优于SSC mode3,SSC mode3优于SSC mode2。既然存在SSC mode1,我们可知PDU会话的锚点并不是非变不可的。允许PDU会话锚点改变,可以使运营商获得好处,比如均衡UPF的负载,比如在某些其他方面提供更优质的服务。

假设这么一个场景,在MEC与5G组合的应用时,希望UE与MEC通信时总是保持最小时延。在UE移动时,5GC可以通过SSC mode3永远将离UE最近的UPF作为PDU会话锚点,以使得PDU会话的用户面路径总是保持最短,从而获得最小时延。

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如上图所示,SSC mode3的PDU会话可以“平滑”地更换UPF(PSA)。在更换PSA之前,会建立一个新的PDU会话。新的PDU会话建立完成后的某个时间,SMF才释放旧的PDU会话。

4、UL CL

UL CL(uplink classifier)指在PDU会话中将上行数据流量分流到多个PSA的UPF,UL CL与各PSA之间建立N9隧道,UL CL根据SMF下发的PDR、FAR等规则将不同的流量转发给不同的PSA,再由PSA转发给DN。

UL CL通常可应用于需要将用户流量引导至本地DN出口的场景。SMF通过给UL CL下发多个PDR和FAR,将去往DN远端出口和DN本地出口的流量区分出来,使得去往本地出口的流量被UL CL转发给本地DN出口(即本地的PSA,图中的PDU session anchor 2)。

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理解UL CL应当注意:

  • 每个PDU会话都只能有一个DN,拥有UL CL的PDU会话只不过是拥有去往同一个DN的多个出口;
  • UL CL的功能除分流上行流量外,还包括汇聚从多个DN出口去往UE的下行流量;
  • PSA和UL CL都是个角色概念,只在同一个PDU会话语境内有意义;
  • SMF可能在会话建立过程中即插入UL CL,也可以在PDU会话建立完成后的某个时间插入UL CL;

PSA和UL CL可以被合设在同一个UPF上。

5、额外的PDU会话锚点

值得一提的是,UL CL功能和SSC模式是不冲突的,三种SSC模式的PDU会话都可以应用UL CL。SSC mode1的PDU会话在使用UL CL后也可以做到“平滑”地更换PSA,了解如何做到之前,我们需先进一步了解PSA。

PSA其实分两种:

  1. 与SSC模式绑定的PSA

在PDU会话建立时,SMF会认定一个与该PDU会话的SSC模式绑定的UPF(PSA)。

假设PDU会话的SSC模式为1,则该UPF(PSA)不能在PDU会话的生存过程中被释放,即使使用了UL CL,SMF也必须一致保持此UPF(PSA)一直存在,直到UE或SMF释放该PDU会话;

假设PDU会话模式为3,若SMF决心更换此UPF(PSA),即使该PDU会话同时还使用了UL CL,SMF仍必须遵照3GPP SSC模式3更换PSA的流程,先建立新的PDU会话,然后再在某个时间释放掉旧的PDU会话。

  1. 额外的PSA

SMF向PDU会话中插入UL CL时,建立起的PSA被称为额外的PSA。额外的PSA与PDU会话的SSC模式没有关系,SMF可以在任意时间使用3GPP UL CL的相关流程增加和删除额外的PSA。

我们继续以3.4节中假设的场景为例,假设某UE在位于可提供某种“本地服务”的区域之内时,希望可以访问“本地服务”并获得最小访问时延。

  1. 假设PDU会话初始建立时,UE位于可提供“本地服务”的区域之外,SMF选择了UPF作为与PDU会话的SSC模式绑定的PSA。
  2. 当UE进入可提供“本地服务”的区域后,UE从RAN1接入时,SMF发现了存在DN本地出口UPF1,SMF通过插入合设的UL CL及额外PSA的流程,将UPF1设置为合设的UL CL+PSA,UE对“本地服务”的访问被UPF1分流,将直接通过UPF1的N6接口进入DN。

当UE移动到从RAN2接入时,SMF发现更近的DN本地出口为UPF2,SMF通过更换UL CL及额外PSA的流程,将UPF2设置为新的合设的UL CL+PSA,UE对“本地服务”的访问将被UPF2分流,并直接通过UPF2的N6接口进入DN。

5G PDU会话管理简介(三)

由于与PDU会话的SSC模式绑定的PDU会话锚点始终不变,所以此方式同时适用于3种SSC模式的PDU会话。