N4 接口解耦的可行性试验

冷不防 2023-10-05 21:26 76阅读 0赞

## 目录 ##

#### 文章目录 ####

*  目录
 *  前言
 *  N4 接口开放的背景
 *  N4 接口开放技术验证与分析
 *   *  验证环境
     *  验证内容
     *   *  PFCP Node 管理
         *  PFCP 会话管理
         *  计费
         *  切换（End Marker 构造）
         *  寻呼
     *  验证结果及分析
 *  结束语

## 前言 ##

本文内容转载自《轻量级 UPF N4 接口开放性技术研究与应用》— 中国电信股份有限公司研究院网络能力研发中心，中国电信集团股份有限公司科技创新部。

## N4 接口开放的背景 ##

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。

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\[。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：

1.  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；
2.  另一种是运营商自主研发 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。

## N4 接口开放技术验证与分析 ##

### 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。测试拓扑下图所示：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0ptaWxr_size_16_color_FFFFFF_t_70]

### 验证内容 ###

本次测试涉及 PFCP Node 管理、PFCP Session 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。

#### PFCP Node 管理 ####

PFCP 节点管理功能模块测试 8 个用例：

1.  SMF 发起偶联建立
2.  UPF 发起偶联建立
3.  SMF 发起偶联更新
4.  UPF 发起偶联更新
5.  SMF 发起偶联释放
6.  SMF 发起心跳请求
7.  UPF发起心跳请求
8.  节点信息上报

#### PFCP 会话管理 ####

PFCP 会话管理功能模块测试：

1.  SMF 发起会话建立
2.  SMF 发起会话修改
3.  SMF 发起会话删除
4.  UE IP 地址管理
5.  数据监测与转发
6.  路由协议支持
7.  CN 隧道信息管理
8.  QoS 控制功能模块

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#### 计费 ####

计费功能模块测试：

1.  URR 规则下发
2.  流量统计上报（到达阈值上报）
3.  流量统计上报（会话删除时上报）

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。

#### 切换（End Marker 构造） ####

切换（End Marker 构造）功能模块测试：

1.  SMF 构造 End Marker（Xn 与 N2 切换）：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。
2.  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。

#### 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。

### 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：

1.  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；
2.  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下表所示：

![在这里插入图片描述][20210307225027173.png]

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。

## 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。

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