刘霄阳，费翔，段勇，黄鸿儒，欧亮

（1.中国电信股份有限公司研究院网络能力研发中心，广东 广州 510000；2.中国电信集团股份有限公司科技创新部，北京 100000）

0 引言

5G 作为新一代信息技术推动着各行各业的创新与变革，随着国家新基建战略的稳步推进，各垂直行业纷纷探寻5G+行业的融合发展路径，实现数字化、智能化转型升级。作为5G 建设的主力军，运营商目前普遍面临C 端市场增长乏力，传统的流量经营模式营收见顶的问题[1]。为了保持整体收入水平以及行业的可持续发展，亟需寻找新的市场空间，培育新的增长模式，而以5G 作为切入点赋能垂直行业将有望成为运营商开启B 端行业市场的金钥匙[2]。

5G 在设计之初就包含了eMBB、mMTC、URLLC三大场景，以支持大带宽、广连接、低时延等多种增强特性[3]，这些特性涵盖了垂直行业用户的全部场景需求。借此，5G 赋能垂直行业能够将服务与应用尽可能地靠近用户部署，从而减少业务获取的延迟，提高用户体验。同时提供快速、低成本、灵活部署的应用网络，而实现这些特性的关键性网元是UPF。

UPF 作为5G 核心网的重要网络功能单元，担负着数据流量的处理、路由等核心功能。作为连接运营商与垂直行业的桥梁，UPF 已逐渐从运营商的核心层走向行业客户的接入层。当前，UPF 与控制面SMF 的接口N4 尚未完全开放、服务化能力未能充分释放，很大程度上束缚了5G 响应行业客户需求的能力。N4 接口的非标准化，造成UPF 与SMF同厂商的绑定，无法满足边缘用户侧UPF 轻量化、低成本和灵活部署的需求。因此，需要从技术层面研究并验证N4接口开放的可行性，推动构建开放、标准的5G 控制面和用户面之间的N4 接口，进一步提升5G 赋能垂直行业的能力。

1 5G核心网与UPF的业务接口

1.1 5G核心网架构

5G 核心网采用基于服务的网络架构，其系统架构中的各个元素被定义成一些由服务组成的网络功能单元，利用统一的接口调用框架为其他经许可的网络功能提供服务[4]。这种全新的架构形式可以快捷地聚合网络功能，构建服务切片，同时结合NFV 与SDN 等新技术，向第三方开放网络定制和功能编排能力。5G 核心网架构分为CP（控制面）与UP（用户面）两部分，实现了控制、转发与数据的分离。在控制面，5G 核心网可以提供异构接入技术统一的接入、安全与签约管理服务框架；在用户面，5G 核心网支持网元下沉，业务数据流按应用策略分流，实现边缘、数据中心与云计算节点的按需互联[5]。5G 核心网架构如图1 所示：

图1 5G核心网架构图

5G 核心网涉及的网络功能单元包括AMF、AUSF、SMF、UPF、PCF 以及UDM 等[6]。其中，AMF 与SMF是控制面的两个主要节点，由单一的AMF 负责终端设备的移动性与接入管理，SMF 则负责对话管理功能，支持同时配置多个，UPF 则负责承担5G 核心网的用户面功能。

1.2 UPF的功能

UPF 作为5G 核心网的用户面网元，主要功能是响应SMF 请求，作为RAN 与DN 之间的联接点，PDU 会话锚点负责完成用户面上GTP-U 协议的封装与解封装、分组路由与转发、数据包检查以及QoS 流映射等网络用户面的处理[7]，完成用户面门控、重定向、流量转向等策略规则的实施。同时，还要对计费及合法拦截提供用户流量收集接口和流量使用报告。

4G 核心网采用网元集中部署的办法，核心网机房与UE 距离较远，这种方式导致业务时延较大。5G 核心网将控制面与用户面分离，两者之间通过N4 接口进行通信[8]，从而使负责数据转发的用户面可以分布式部署。在此基础上，UPF 结合MEC 下沉到与用户距离更近的网络边缘层进行分布式部署[9]。通过UPF 将用户流量路由到本地的数据网络，直接面向用户侧提供业务服务，以此来达到更低的传输时延以及更少的网络拥塞。

1.3 UPF的业务接口

UPF 的主要业务接口包括N3、N4 以及N6。其中，N3 接口为UPF 用户面与基站之间的接口；N4 接口为UPF 用户面与SMF 会话管理功能之间的接口；N6 接口为UPF 用户面与数据网络之间的接口。N4 接口作为UPF与SMF 之间的通信接口，承担流量的实时统计上报、会话建立及策略执行功能[10]。而N4 接口目前尚属非开放接口，与厂商设备绑定，导致5G 集中部署的核心网SMF需要与分布式部署的UPF 同厂商设置，这为网络建设与面向垂直行业的发展带来了极大的限制。

针对这一现状，业界产生了两种解决思路，一种是由运营商牵头，联合厂商共同推进N4 接口的开放与标准化，构建开放合作联盟；另一种是自主研发5G 用户面设备UPF，通过与主流厂商5G 核心网进行现网对接，解除UPF 与SMF 同厂商绑定的问题。以下将以中国电信在该领域的研究工作为例，介绍其轻量级UPF 设备的N4 接口开放技术研究与应用进展。

2 N4接口开放技术验证与分析

2.1 验证环境

中国电信基于自主研发的轻量级UPF 设备URANUS 1000S 型号产品，主导了与三家主流厂商的核心网联调对接测试，验证SMF 与UPF 之间N4 接口解耦的可行性。本次N4 接口开放技术验证使用仪表模拟UE、gNB、DN，参与测试厂商自带AUSF、UDM、AMF、SMF、PCF 等5G 核心网相关网元与中国电信提供的URANUS 1000S 产品对接，进行端到端的业务测试验证。测试拓扑如图2 所示：

图2 N4接口业务测试拓扑

2.2 验证内容

本次测试涉及PFCP 节点管理、PFCP 会话管理、UE IP 地址管理、数据检测与转发、路由协议支持、CN 隧道信息管理、QoS 控制、计费、切换（End Marker 构造）以及寻呼共10 个功能模块，31 个测试用例的对接验证。其中，除路由协议支持外均属N4 接口对接测试中必须验证的功能。此外，还对URANUS 1000S 的整机性能进行了测试。

（1）PFCP 节点管理

PFCP 节点管理功能模块测试SMF 发起偶联建立、UPF 发起偶联建立、SMF 发起偶联更新、UPF 发起偶联更新、SMF 发起偶联释放、SMF 发起心跳请求、UPF 发起心跳请求、节点信息上报共8 个用例。通过SMF 发起偶联建立与UPF 发起偶联建立两项测试，验证UPF 和SMF 之间相互发起的偶联建立流程是否符合接口规范的消息流程和IE。通过SMF 发起偶联与UPF 发起偶联更新两项测试，验证UPF 和SMF 之间相互发起的偶联更新流程是否符合接口规范的消息流程和IE。其中，SMF 发起偶联更新参考流程如图3 所示：

图3 SMF发起偶联更新参考流程

通过SMF 发起偶联释放测试，验证SMF 发起的偶联释放流程是否符合接口规范的消息流程和IE。通过SMF 发起心跳请求与UPF 发起心跳请求两项测试，验证SMF 和UPF 能否正确进行心跳检测的功能。通过节点信息上报测试，验证UPF 是否具备向SMF 报告节点信息功能。

（2）PFCP 会话管理

PFCP 会话管理功能模块测试SMF 发起会话建立、SMF 发起会话修改、SMF 发起会话删除3 项用例。UE IP 地址管理、数据监测与转发、路由协议支持、CN 隧道信息管理以及QoS 控制功能模块测试内容在PFCP 会话管理模块均有涉及。上述五个测试大类共计14 个测试用例如表1 所示：

表1 部分测试类及相应测试用例

（3）计费

计费功能模块测试URR 规则下发、流量统计上报（到达阈值上报）、流量统计上报（会话删除时上报）3 项用例。通过SMF 下发URR 规则测试，验证UPF 支持URR规则解析功能。通过流量统计上报测试，验证UPF 支持流量统计的上报功能。

（4）切换（End Marker 构造）

切换（End Marker 构造）功能模块测试SMF 构造End Marker（Xn 与N2 切 换）与UPF 构 造End Marker（Xn 与N2 切换）两项用例。通过SMF 构造End Marker（Xn 与N2切换）测试，验证在Xn 与N2 切换中，由SMF 构造End Marker 发送给源基站释放UE 的资源的功能。通过UPF 构造End Marker（Xn 与N2 切换），验证在Xn 与N2 切换中，由UPF构造End Marker发送给源基站释放UE的资源的功能。

（5）寻呼

寻呼功能模块测试UE 进入IDLE 状态后，SMF 会下发BAR 规则，请求UPF 缓存UE 的下行数据，当下行数据到达时UPF 会触发下行数据到达上报的消息报文的功能。

2.3 验证结果及分析

本次N4 接口对接验证共覆盖90% 的N4 接口必选功能，31 个测试用例共通过26 项，剩余5 项未测试。验证过程突出个别技术层面问题，一是由于厂商的会话请求消息携带大量的私有IE，URANUS 1000S 不能正确解析，导致用户上线失败的问题；二是由于厂商提供的5G 核心网不支持个别功能，从而影响相应部分的对接测试。针对第一个问题，通过修改URANUS 1000S 产品代码，使其忽略相关私有IE。第二个问题则证实目前N4 接口解耦需面对某些功能尚未完全定义，厂商实现各异的问题，进一步说明相关技术规范亟待标准化。

URANUS 1000S 的整机性能测试结果如表2 所示：

表2 URANUS 1000S整机性能测试结果

本次N4 接口对接验证未测试的5 项用例中，UPF分 配UE IP 地 址（IPv4/IPv6）、SMF 分 配F-TEID、SMF 构 造End Marker（Xn 与N2 切 换） 均 属3GPP标准可选功能，参与测试厂商采用替代功能实现了与URANUS 1000S 的对接验证。仅节点信息上报1 项用例属URANUS 1000S 尚未支持功能。因此，本次N4 接口对接验证已从技术层面初步证明了N4 接口开放的可行性，不仅为进行DPI 等增强功能及性能的对接测试奠定了基础，也为下一步推动轻量级UPF 系列产品进入现网服务于工业企业客户提供了重要的手段。

3 部署模式与案例分析

3.1 部署模式分析

随着N4 接口开放的推进，UPF 对垂直行业的服务化能力也将进一步释放，促进5G 与行业应用的深度融合。针对不同的行业需求和场景，中国电信基于轻量级UPF、自研MEC、天翼云等产品，提供“致远”、“比邻”、“如翼”三种服务模式，满足不同行业客户完成数字化转型升级的差异化需求。

致远模式是中国电信面向广域优先型行业客户提供的定制网服务模式。该模式基于中国电信5G 网络资源，通过QoS、DNN 定制和切片等技术，为行业客户提供端到端差异化保障的网络连接、行业应用等服务。致远模式部署方案如图4 所示：

图4 致远模式部署方案

比邻模式是中国电信面向时延敏感型政企客户提供的定制网服务模式。该模式通过多频协同、边缘节点、切片等技术的灵活定制，为企业客户提供一张带宽增强、低时延、数据本地卸载的专有网络。比邻模式下，轻量级UPF可以部署于临近企业园区的运营商机房内，根据客户需求和业务特征，选择独享或与其他企业共享UPF；还可以直接部署于企业园区的机房内，达到私有化部署，数据不出园区的业务要求。比邻模式部署方案如图5 所示：

图5 比邻模式部署方案

如翼模式是中国电信面向安全敏感型政企客户提供的定制网服务模式。该模式利用超级上行、5G 网络切片、边缘计算等技术，按需定制专用基站、专用频率和专用轻量级UPF 等专用网络设备，为企业客户提供一张隔离的、端到端高性能的专用接入网络。如翼模式部署方案如图6 所示：

图6 如翼模式部署方案

3.2 应用案例

基于比邻模式与如翼模式，轻量级UPF 分别在天津、广东两地部署行业5G 项目。其中，天津某工业园区要求用户控制及数据本地化，希望企业具有对网络的自主开号开卡、管控、监测权限，同时需满足工业视觉检测、巡检机器人、无人夹抱车等多业务场景。故采用比邻模式，将UPF 下沉部署在企业机房内，建设低时延的本地接入虚拟专网，实现数据不出园区，为企业提供安全、可靠、高速的确定性网络，并且部署了5G 对外能力服务平台，构建5G 行业虚拟专网自服务系统，实现工业系统对网络能力的自动化调用。具体部署方案如图7 所示：

图7 天津某工业园区方案示意图

广东某电力企业采用如翼模式，为企业建设园区5G专网（含UDM/SMF/PCF/UPF 等），2C 与2B 基站采用不同频段，园区内的2B 业务由边缘UPF 分流，同时建设MEC 平台，实现应用按需迁移。该方案具备高可靠、高安全、高灵活的优势，保障客户的5G 专网独立运行，用户数据自主可控，同时2B 业务流量不出园区，根据业务分区实现独立UPF 的本地分流。具体部署方案如图8 所示：

图8 广东某电力企业方案示意图

4 结束语

轻量级UPF N4 接口开放技术研究工作充分证实了N4 接口开放的技术可行性，为运营商解决UPF 与SMF 同厂商绑定问题提供了明确的思路，同时也证明了中国电信URANUS 1000S 具备支持N4 接口开放的能力。基于URANUS 1000S 开展的5G 行业园区部署项目也从实践层面表明N4 接口开放对5G 赋能垂直行业具有巨大的增益作用。

为此，针对下一阶段的N4 接口开放工作，中国电信将进一步增强轻量级UPF N4 接口的广泛兼容性，实现与5G核心网的高效对接。同时提升轻量级UPF 的自主研发力度，完善对R16 的支持能力，打造更加灵活开放、极简运维功能，提升边缘安全防护能力。在此基础上，依托轻量级UPF 系列产品率先发力行业应用，快速响应行业5G 专网客户定制化需求，助力中国电信开拓5G 行业市场。