S^2: 5GS的会话管理功能

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文|niuyx

持续了一周的3GPP会议终于快要结束了，今天可以抽时间写一写本周的公众号啦。最近，小编翻阅了一些关于5GS会话管理的资料，其主要功能可以总结为两点：1）负责为UE建立到DN（Data Network，数据网络）的连接；2）负责对该连接的用户面进行管理。今天小编就从上述两点出发，跟大家分享一下5GS会话管理的功能吧，如有任何错误，请大家多多指正！

一、为UE建立到DN的连接

1. PDU会话建立

5GS会话管理的关键任务之一是为UE提供到DN的数据连接。为了建立UE到DN的连接，需要建立PDU（Protocol Data Units，协议数据单元）会话。PDU会话是UE与特定DN之间的逻辑连接，它为UE提供到DN的用户面连接，其中，“PDU”是PDU会话携带的基本的用户协议类型，它可以是IP数据包或以太网帧，取决于PDU会话类型。5GS目前支持了3种PDU会话类型，包括基于IP的PDU会话类型、以太网PDU会话类型以及非结构化PDU会话类型，基于IP的PDU会话承载的“PDU”是IP数据包，以太网PDU会话承载的“PDU”是以太网帧，对于非结构化PDU会话，5GS并不解释其承载的“PDU”。

在PDU会话建立过程中，UE与DN之间相应的用户面连接将被激活，用户面连接提供UE和DN之间的PDU的传输，承载着的实际数据，比如说语音和视频。一个UE可以请求同时建立多个PDU会话，这多个PDU会话可以分别连接到不同的DN，例如，在UE同时需要Internet连接和IMS服务，可以同时建立到Internet的PDU会话和到IMS的PDU会话，另外，一个UE也可以同时向单个DN请求建立多个PDU会话。

下图展示了简化的PDU会话建立流程：

对该流程图的描述为：

• UE通过基站和AMF向SMF发起PDU会话请求；
• SMF收到请求后从UDM获取该UE的订阅数据；
• SMF收到请求后从PCF获取针对该UE的策略规则；
• SMF收到请求后与UPF建立用户面连接；
• SMF向基站发起无线资源请求；
• 基站收到请求后设置相应的无线资源并响应SMF的请求；
• SMF收到响应后更新UPF以建立UPF到基站的隧道；
• 最终生成一条隧道：UE<->AN<->UPF；
• UE通过该隧道到达UPF进而连接到目标DN；
  
  

2. IP寻址/MAC寻址

接下来有个问题，5GC（尤其是UPF）是如何将DN的下行数据映射到正确的PDU会话并路由到正确的UE的呢？显然，为了能够将DN的下行数据映射到正确的PDU会话并路由到正确的UE，5GC需要知道UE的地址，

1）对于基于IP的PDU会话类型，5GC SMF负责为UE分配IP地址，分配给UE的IP地址属于UE正在访问的DN。基于IP的PDU会话类型包括IPv4、IPv6或IPv4v6，每个DN可能会使用IPv4和/或IPv6提供服务，因此PDU会话建立连接时必须设置正确的IP版本，当UE发起基于IP的PDU会话时，UE将基于其支持的IP版本来设置请求的PDU会话类型，设置规则如下：

• 支持IPv4和IPv6的UE应根据其本地配置或者运营商提供的策略（即IPv4、IPv6或IPv4v6）来设置请求的PDU会话类型；

• 只支持IPv4的UE应将请求的PDU会话类型设置为“IPv4”；
• 只支持IPv6的UE应将请求的PDU会话类型设置为“IPv6”；
• 如果UE对IP版本的支持情况不明，则UE应将请求的PDU会话类型设置为“IPv4v6”；
  
  

当SMF接收到PDU会话建立请求时，将根据DN支持的IP版本（比如：仅支持IPv4的DN或仅支持IPv6的DN）以及SMF中的配置和运营商策略，选择PDU会话的会话类型，然后基于PDU会话的会话类型，为UE分配IPv4地址或IPv6前缀。

2）对于以太网PDU会话类型，由于以太网地址（通常称为MAC地址）通常在设备制造时被嵌入设备中，所以在以太网中不使用动态地址分配，5GC不会为UE分配任何以太网地址，但是，5GC支持了多种MAC寻址方案来获得可用的MAC地址。

3）对于非结构化PDU会话类型，5GC并不向UE分配任何协议地址。

二、PDU会话用户面管理

1. 概述

管理PDU会话的用户面是会话管理功能的主要任务之一。PDU会话的用户面由多个分支组成：      

• UE到AN的用户面连接（使用接入技术，例如NG-RAN）；
• AN到核心网中UPF的用户面连接（在N3参考点上）；
• 核心网中UPF之间的用户面连接（在N9参考点上）；
• 用户面连接继续进入DN（在N6参考点上）。
  
  

在UE到AN之间，用户面数据通过基础无线连接传输；在AN和UPF之间以及在UPF之间，用户面数据通过基础传输网络（也称为传输层）承载。下图展示了用户面协议栈（来自TS 23.501）。

2. 用户面路径方案

在5GC中，只有一个用户面实体：UPF (User Plane Function)，但是PDU会话的用户面路径可能由单个UPF或多个UPF组成。基于UPF在用户面链条中的位置、UPF的功能以及从SMF获取的规则，UPF在用户面路径上可以扮演以下几种不同角色：

• PDU会话锚点（PSA，PDU Session Anchor）：指向DN的、终结N6接口的UPF；
• 中间UPF（I-UPF）：插入(R)AN和PSA之间的用户面路径上的UPF，它在(R)AN和PSA之间转发的流量；
• 具有上行分类器（UL-CL）或分支点（BP）的UPF：用于”分流“上行PDU会话的流量，“合并”下行的用户面路径。
  
  

请注意：单个UPF实例，针对不同的PDU会话来说，可以担任多种角色，不会受到UPF实例的限制。

下图描述了PDU会话的三种不同的用户面方案。

• 在最简单的场景中，仅需要PSA；
• 如果由于移动性，UE移动到新的RAN节点并且新的RAN节点不支持到达旧的PSA的N3隧道，则需要插入一个I-UPF；
• 在流量疏导（例如边缘计算）的情况下，可以插入UL-CL/BP来分流/合并UP流量，实现UE和多个PSA UPF/DN的连接。
  
  

3. UPF的发现和选择

SMF和UPF通过N4接口互通，SMF负责选择UPF。SMF选择UPF时，需要了解哪些UPF可用以及他们各自的属性，例如UPF功能、UPF负载状态等。可以通过以下方法进行选择：

• 通过O&M为SMF配置可用的UPF；
  
• 使用NRF发现可用的UPF，SMF通过查询NRF获取UPF列表以及有关每个UPF的一些基本信息；
• 使用N4协议发现可用的UPF，SMF和UPF建立N4连接时，N4协议支持SMF和UPF的能力交换，SMF可以通过N4协议获取UPF的信息；
  
  

信息获取完成后，SMF将根据PDU会话的需求或移动性需求，来决定以哪些信息为标准去选择UPF实例，这些信息有些从UPF获取，有些是从AMF处接收的，还有一些是在SMF中预先配置的。

4. UP连接的选择性激活

在EPS中，当UE从空闲状态转移到连接状态时，即使没有数据通过这些PDN连接发送，也将会激活所有的PDN连接的用户面，这样做是为了简化流程并在系统中始终保持在线的行为。

而在5GS中，只有当PDU会话存在待处理数据时，其用户面连接（N3隧道）才能够被激活，即使UE处于连接状态时，如果没有待处理数据的话，该PDU会话的N3隧道也不会被激活，这样做是为了增强网络切片之间的隔离性，避免切片之间的PDU会话相互影响。但是，针对那些时延敏感性业务，5GS也规定了，当UE从空闲态转到连接态时，即使没有待发送的数据，UE也可以决定请求激活附加的PDU会话的用户面连接，这样做是为了避免以后实际需要发送数据时的延迟。

5. 服务和会话连续性（SSC）

提供有效的用户面连接是5GC会话管理的主要目标之一。PDU会话建立后，PSA UPF也已选择并将保持为PDU会话的IP锚点。在PDU会话建立时，可能会在靠近UE的位置选择PSA UPF，但是随着UE的移动，PSA UPF可能不再处于最佳位置，但更改PSA UPF需要更改UE的IP地址，这可能会对UE上运行的应用/服务造成影响，因为某些应用/服务可能需要IP地址的连续性才能平稳运行。

为了解决UE对IP地址连续性的不同要求，5GS定义了三种SSC模式：SSC模式1、2和3，三种SSC模式如下图所示（由左到右依次是SSC模式1、2和3）。

• SSC模式1：在整个PDU会话的生命周期中，可以不改变UE的IP地址，这种模式有更好的连续性，适合那些对连续性有要求的应用或服务。
• SSC模式2：工作机制是“break-before-make”，在切换过程中需要将原有的会话释放掉，重新选择SMF和UFP后创建一个新的会话，因此切换过程会导致短暂的业务中断。整个过程需要保证DNN和S-NSSAI不变，但是UE的IP地址将发生变化，因此该模式适合那些可以容忍业务瞬断的应用或服务。
• SSC模式3：这种模式跟SSC模式2类似，允许PSA UPF在切换中发生改变，但是做出了优化，该模式的工作机制是“make-before-break”，即先创建新的会话后释放原有的会话，在切换过程中应用或服务不会感知到业务的中断。
  
  

PDU会话建立时，将为其分配一种SSC模式，由SMF根据用户签约中允许的SSC模式、特定PDU会话类型允许的SSC模式以及UE请求的SSC模式（如果存在）来完成SSC模式选择。