5G核心网SMF和UPF拓扑增强技术解析.pdf

通信网络中国宽带 2023 年 5 月-27-5G 核心网的出现，有效增强了移动宽带场景的基本通信需求，并且提升了传输的效率，避免出现延迟的现象，强化了网络的服务性能。但是，就目前情况来说，5G 核心网在发展中，未得到全面的覆盖，并且在一些偏远地区，网络服务信号也相对较差，为了解决这一问题，将 SMF 和 UPF 拓扑增强技术应用于其中，可以增强网络的性能。但是，在 SMF 和UPF 拓扑增强技术应用的时候，还需要结合实际情况，构建完善的架构，只有做好场景布置，才能保证良好的应用效果。一、5G 分析1、5G 也叫作第五代移动通信技术，其传输效率较高，可以达到每秒 10Gbps 以上的速度。这意味着用户可以更快地下载和上传数据，同时也可以更快地浏览网页、观看视频等。此外还具有低延时、大连接等特点，并且在不断发展中，有效实现了人机互联网络，人们在日常生活或者工作中，都提供了相对便利的条件1。同时，5G 为了满足不同应用场景的需求，其关键性指标也变得更多元化。另外，5G 作为一项新型的移动通信网络，可以有效解决人与人之间通信的问题，并且实现虚拟、超高清视频以满足各个行业发展对于网络的需求。2、5G 以全新的服务架构为主，可以灵活地支持部署和差异化业务场景等，并且采用全服务化设计、模块化功能等，实现功能重构。5G 利用服务化描述的，这样可以很好地实现能开放，并且将 IT 引入其中，将自身的网络功能得以充分发挥。同时，5G 时可以实现灵活布置，在 NFV/SDN 的基础之上，实现硬软件的解耦，控制和转发分离等功能，并且对各项网络资源进行高效的利用。5G 服务化架构是新一代移动核心网架构演进的起点，并将沿着该路线持续演进。5G 核心网采用控制转发分离架构，同时实现移动性管理和会话管理的独立进行。用户面上去除承载概念，QoS 参数直接作用于会话中的不同流。通过不同的用户面网元可同时建立多个不同的会话并由多个控制面网元同时管理，实现本地分流和远端流量的并行操作。二、UPF 分析1、定义其实，UPF 属于 5G 核心网系统的关键点，在系统中主要负责用户面数据分组的路由和转发相关功能。同时，UPF 在5G面低时延、大带宽边缘计算中，有着十分重要的作用。同时，UPF 代表着控制和用户分离策略，并且可以使分组网关控制和用户面功能进行解耦处理，这样数据转发组件可以呈现伏分散的状态，有针对性对数据分组处理以及流量聚合的操作，提升宽带的运行效率。2、架构其实，UPF 就是 3GPP 所定义的 5G 系统中一项十分重要的网元，并且在 5G 系统中，可以对会话管理功能进行控制与管理，并且根据会话单元所发出的命令，从而执行各项业务流的识别，对数据包进行处理，以及实现计费等功能。同时，5G 核心网是通过控制面以及用户面分离的，可以实现 UPF 节点的灵活使用，根据情况进行灵活布置，并且还具有一定的独立性，强化数据的执行能力，提升核心网的运行效率，避免出现延迟的现象。三、SMF 分析 单模光纤（SMF）是一种允许仅在一个单个角度进入的窄核心光纤布线。SMF 中心玻璃芯相对较细，仅仅只能传播一种模式的光，所以模间的色散相对较小。这使得 SMF 通常适用于远程通信方面。同时，SMF 可以很好地实现长距离传输，不需要再生或扩展，并且系统配置也相对灵活。每根光纤可以承载多个业务项目。此外，SMF 具有相同的损耗和色散等特点，因此可以实现设备兼容性功能。四、SMF 和 UPF 拓扑增强技术存在的价值SMF 和 UPF 拓扑增强技术在 5G 网络中，不仅可以提升网络的功能性以及服务性，也使网络系统具有一定的先进性。那么，SMF 和 UPF 拓扑增强技术在应用之前，需要对其应用目标有着一定的了解，这样才能有效将其落到实处，展现出自身的价值。具体的应用目标大致分为以下两点。5G 核心网 SMF 和 UPF 拓扑增强技术解析 郭岐锐【摘要】5G 网络主要是在 3G、4G 等网络的基础之上，所生成的一种新型网络体系，但是在信号覆盖方面，尚未得到完善，这样严重影响了用户的体验感。对此，为了保证 5G 核心网的覆盖面积，提升用户的体验感，将 SMF 和 UPF 拓扑增强技术应用于其中，从而增强 5G 核心网的运行性能，并且对其后期发展，也给予了基础性的保障。本文通过对 5G 核心网的了解，对 SMF 和 UPF 拓扑增强技术的具体应用，展开分析和阐述。【关键词】SMF；UPF；拓扑增强技术；5G 核心网通信网络中国宽带 2023 年 5 月-28-（1）SMF 和 UPF 拓扑增强技术在应用的时候，可以结合实际情况，对网络进行细化，实现每个区域的自我管理2。同时，也对归属路由进行了定义，以增强网络的使用性能。（2）可以有效强化 5G 架构的能力，促使一个UPF 由多个SMF进行控制，减少网络异常问题的产生。五、SMF 和 UPF 拓扑增强技术的应用要点SMF 和 UPF 拓扑增强技术在 5G 核心网应用的时候，一定要掌握其应用要点，并且落到实处，只有这样才能保证SMF和UPF拓扑增强技术的应用效果，以确保 5G 核心网运行的功能性以及服务性，进而满足用户对于核心网的需求3。在 SMF 和 UPF 拓扑增强技术应用的时候，主要包括 UPF 硬件加速、UPF的建设、UPF 位置部署、归属地路由的实现、移动场景实现、SMF 的工作机制等方面，详细内容如下。（一）SMF 的工作机制SMF 的工作机制作为一项基础内容，在 SMF 和UPF 拓扑增强技术应用的时候，一定要重点考虑该方面，这样才能保证最终的应用效果。1.SMF 的主要工作机制有 I-SMF 选择及管理、I-SMF 控制、ULCL/BP 支持业务分流等方面，从 I-SMF选择及管理的角度来说，主要是根据会话的需求，决定什么时候添加会话或者移除4。同时，在 I-SMF选择及管理应用的时候，通过网络储存功能，可以对网络服务信息进行快速查询，对于移动时，如果切换或者 AMF 变化的时候，SMF 的服务区不会支持新的 UE位置，这时为了强化 5G 核心网的运行性能，可以再设置一个服务 UE 位置和 S-NSSAI 的 I-SMF。另外，SMF 服务区域已经出现一个新的 UE 位置，并且已经不需要I-SMF，这时可以将PDU会话的I-SMF与I-SMF之间的接口删除，以此满足 5G 核心网的运行需求。2.根据用户的需求，PDU 会话构建或者已经建成以后，并且用户产生移动，I-SMF 应当结合情况，将 UL CL/BP 设置其中，通过利用 I-SMF 向 SMF 服务。同时，结合所收到的信息，可以向 I-SMF 提供针对该 PDU 会话可使用的 DNAI 用于本地网络使用。另外，根据所受到的 PDU 会话分流的 DNAI 以及 UE 位置，对 DNAI 进行判断或者选择，并且根据 DNAI 对UL CL/BP 的 UPF 和作为 PDU 等进行合理的选择，以及将对应的 UPF 设置到 PDU 会话的数据路径中，以此保证核心网的运行性能。3.SMF 还包括会话建立、修改和发布等方面。在 SMF 单个实例中可以支持部分或全部 SMF 功能：会话管理、UE IP 地址分配和管理（包括可选授权）等方面。（二）移动场景实现通常情况下，路由方式主要是利用本地出网方式，主要是用户从不同区域与 5G 核心网进行连接，流量从不同场景的 UPF 出口到数据网络中，这时随着用户移动到其他场景，并且还会再次移动到之前场景中。如果用户进入其他场景以后，这时如果会话中没有 1-SMF，其他场景的 AMF 从原 AMF 获取 SMF信息后，并且确定 SMF 无法覆盖到用户接入位置的话，可以根据 S-NSSAI/TAI 将其他场景的 SMF 作为I-SMF 插入，以此满足用户会话的需求5。另外，如果当前会话存在 I-SMF，这时不同场景可以从 MF获取锚点 SMF 和 I-SMF 信息后，确定两者都无法覆盖到接入位置,AMF 基于 S-NSSAI/TAI 选择当前场景的 SMF 作为 I-SMF，从而对当前对话进行替换。（三）归属地路由的实现在一些场景用户会话的时候，需要回到归属地UPF 中才能进行访问。用户需要在归属地中设置专门的 DNN，并且如果用户与拜访地连接以后，这时 AMF可以利用归属地，对各项数据进行统一管理，以及获取其中用户所签约的信息。同时，将用户签约信息和接入信息进行组合，从而实现 SMF 信息查询。此外，在 5G 核心网运行的时候，如果 NRF 的范围内无法支持 TAI/DNN/S-NSSAI 的 SMF,NRF 需要转发至上一级的 NRF，这时归属地的 NRF 就会返回到固定的 SMF 信息。最后，在 5G 核心归属地实现的时候，AMF 发送以后，就会创建会话请求，并且会自动携带锚点 SMF 地址，从而增强 5G 核心网的运行性能，避免业务方面出现损失。（四）UPF 位置部署由于 5G 核心网具有多样化的特点，并且灵活性和安全性也相对较高，对此根据微服务力度进行交付，这样可以尽最大可能满足不同业务的需求。同时，5G 核心网可以通过利用多样化的形式，与垂直行业进行融合，并可以根据不同行业的需求，提供合理的无线方案。另外，通过利用 UPF，可以有效增强5G 核心网的服务性能，并且为用户提供就近的分流，以强化数据的安全性7。（五）UPF 的建设面向 5G 网络的发展，需要根据用户对于网络的需求，例如：宽带、时延、可靠性、功能性等方面，以确定UPF的建设方案。主要表现为以下几点内容。1.需要注重对承载公众业务流量等方面的建设，需要承担适量的 ToB 业务，并且如果在特定的情况下，需要承担更多的业务流量，这样才能满足用户对 5G 网络的需求。2.在 UPF 建设初期，应当对各个方面进行综合性的考虑，并且需要结合流量做好相应的部署，这样可以为后期具体建设，提供基础性的保证。同时，在 UPF 建设的时候，需要对 UPF 设备进行综合性的选择，并且根据用户的需求，合理进行部署。另外，在UPF建设的时候，一般不建设于运营商网络以外，并且还需要对网络安全问题进行综合性的考虑，需要根据相关要求，做好相应的安全防范措施，以此保证 5G 网络运营的安全性和稳定性。（六）UPF 硬件加速UPF 硬件加速也是 SMF 和 UPF 拓扑增强技术在5G 网络中应用的一项重点内容，并且在应用的时候，可以从以下几个方面展开。通信网络中国宽带 2023 年 5 月-29-1.需要根据 5G 网络运行的实际需求，对 UPF的业务功能进行分流处理，这样可以有效提升 UPF的运行速度。同时，需要对加速器进行合理的选择，通常情况下不限于 10 个，然而硬件加速器的加速功能，需要根据成本以及其他特性的需求，适当进行调整，以确保良好的运行效率8。另外，由于厂商的不同，加速器芯片方案存在着一定的差异，并且差异性不大，都是将其嵌入到硬盘中。2.在加速器芯片上得到上一级传输的快速进度以后，需要结合实际情况，获取具体的匹配表，并且进行综合性的判断，但是如果匹配不完整的话，就需要传递给CPU，再通过DPI和GTP模块共同处理，将转移到的硬件加速器进行卸载，避免带来负面影响。同时，在 UPF 内多功能卸载以后，且转移到硬件加速器中，这时可以利用 UPF 提升加速器的运转效率，从而满足 5G 核心网的运行需求。从常规网卡加速器的角度来说，通常适用于各种场景和环境，并且结合实际需求，以确保加速处理的标准性。然而，具有 UPF 相关功能的加速器更加有针对性，主要是针对具有 UPF 功能，以及使用流程设置，进而确保5G 核心网运行的有效性。3.UPF 的加速流程主要表现以下几点：第一，加速芯片需要根据相关要求，对各项加速数据进行采集，并且进行整合，形成元组，判断元组是否与所需求的数据一致。如果呈现一致的状态，这时就需要进行加速处理。但是，如果产生较大的偏差，这时就需要针对数据上报到 UCPU 中，在 CPU 部分处理后，再利用 GTP 等模块处理。第二，在处理完成以后，需要进行二次判断，以确定该数据是否需要卸载，如果需要卸载就需要将其生成流标，发生于硬件减速芯片中，以供用户参考。4.就目前情况来说，加速芯片主要包括编程交换芯片、TCAM、ASIC、NPU、GPU 和 FPGA 等方面，其中常用的芯片就是 GPU，主要是因为其在各个方面的运算，都具有良好的性能，并且也可以根据相关需求，适当提升数据转发的速度，以及应用到不同网络层次中。同时，在网络数据转发的时候，需要对转发的速度进行严格的把控，这样可以有效提升 5G 核心网运行的质量。另外，还需要结合实际情况，将数据容纳量进行扩充，扩充的最大数值，可以实现以及提升转发的效果，并以此降低成本，以及能源的消耗，从而提升 5G 核心网的功能性。但是，需要记住的是交换芯片一定不能重复使用，否则，会带来不利的影响。六、技术应用效果根据相关调查，将 SMF 和 UPF 拓扑增强技术应用于 5G 核心网中，其技术效果是非常明显的，大致表现为以下几点。1.SMF 和 UPF 拓扑增强技术应用以后，可以有效降低 5G 负能，以及降低对能源的消耗，减少成本。同时，将线网 SA 用户以 5G 方式接入网络割接到 SMF/UPF，这样可以有效解决传统网络运行中存在的缺陷和不足。2.与 SGW 功能融合以后，可以有效提升 5G 核心网的运行性能，强化其功能性和服务性，增强网络的体验感，并且也可以适当降低业务访问时延9。同时，SMF 和 UPF 拓扑增强技术的应用，可以利用MF/UPF 融合 SGW 功能，这样 UPF 就可以实现转传到外网上，从而降低时延。3.在 5G 核心网运行期间，通过利用 SMF 和 UPF拓扑增强技术，可以适当降低承载网络的负荷，并且接入网不需要通过线网 SGW 绕行,而 SGW 到 UPF之间需要经过承载，进而提升核心网运行的效果。七、结束语综上所述，5G 核心网的出现，不仅给人们的生活、工作带来了便利的条件，也给各行各业的发展，给予了一定的支持。但是，为了提升 5G 核心网运行的功能性以及服务性，将 SMF 和 UPF 拓扑增强技术应用其中，明确其应用要点，以此提升核心网的可靠性，以及可拓展性，促使 5G 核心网可以更好地满足各个方面的需求，也为其更好地发展，给予了技术性保障。参考文献：1 陈 钏,丁 毅,周 文 维,金 建 宁,肖娟.4/5G 核心网融合组网策略研究 J.江苏通信,2023,39(01):44-48.2 薛瑞卿.浅析 5GSA 网络 SMF/UPF 网元兼容 4GSGW 功能的改造 J.长江信息通信,2022,35(11):161-164.3 陈曦.5G 核心网 UPF 硬件加速技术研究 J.信息技术与信息化,2021(11):190-192.4 方晓农,周化虎.面向 5GToB 应用的 UPF建设策略探讨 J.电信快报,2021(10):8-11.5 周洋.5G 核心网 UPF 硬件加速技术分析 J.通信电源技术,2021,38(03):79-81.6 刘霄阳,费翔,段勇,黄鸿儒,欧亮.轻量级 UPFN4 接口开放性技术研究与应用 J.移动通信,2021,45(01):66-70.7 邢 燕 霞,聂 衡.5G 核 心 网 SMF 和 UPF拓扑增强技术研究 J.电子技术应用,2020,46(11):45-47+518 王立文,王友祥,唐雄燕,杨文聪,张雪贝,李沸乐.5G 核心网 UPF 硬件加速技术 J.移动通信,2020,44(01):19-23+32.9 陈 云 斌,王 全,黄 强,白 云 龙.5GMECUPF 选择及本地分流技术分析 J.移动通信,2020,44(01):48-53.作者简介：郭岐锐（1984.1）男，汉，陕西人，硕士，中级工程师，研究方向：移动核心网技术。（作者单位：新疆联通）