5G先进组网技术在电力行业中如何应用？

　　图|煮酒
　　文|煮酒SDN、NFV和网络切片
　　根据国际电信联盟电信标准化部门（International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector，ITU-T）制定的5G标准，5G业务可划分为3种类型： eMBB、uRLLC和mMTC。概括地说，eMBB针对移动通信提供高带宽接入服务，uRLLC提供高带宽的同时保证低延时与高可靠性，mMTC则面向大量物联网设备节点的连接。
　　在网络切片技术的支持下，运营商能在现有的物理网络架构上叠加多个虚拟网络，针对客户特殊需求提供定制化的网络服务。
　　网络切片的背后是两项网络技术：软件定义网络（Software Defined Network，SDN）和网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV） ，从而为5G网络部署提供弹性与扩展性。
　　网络切片的实现离不开SDN和NFV技术。SDN技术能够提供端到端的差异化流量控制，而NFV技术使得5G网元能够在整个5G网络中灵活部署。下面，我们选取了两个应用场景来分析不同场景下的切片部署方式，如图所示。
　　场景一：mMTC海量机器类通信需求（如远程抄表）：切片的部署方式如图4.3-1的绿色部分切片1所示。海量机器类通信的连接对连接数有比较高的要求，但对带宽和时延要求不高。因此，对于这种场景，我们可以将物联网应用以及核心网用户面部署于核心网上，将中心单元（Centralized Unit，CU）部署于传输边缘数据中心（Data Center，DC）上。这种应用部署在靠近核心网的方式使应用的服务范围越广，另外由于该场景对于时延要求不高，无需将物联网应用部署于边缘处。
　　场景二：VR（Virtual Reality，虚拟现实）：切片的部署如图4.3-1的红色部分切片2所示。实时CG类云渲染VR需要低于5ms的网络时延和高达100Mbps至9.4Gbps的带宽。因此，对于这种场景，我们可以将物联网应用以及核心网用户面下沉至边缘DC处，最好可以部署在基站侧，以更好地满足超低时延和大带宽需求。
　　移动边缘计算在5G中的部署
　　由于5G提供的低延迟特性，边缘计算在5G时代将是不可或缺的关键技术。3GPP制定的5G系统标准已经考虑了从大量简单的物联网设备到高带宽的关键设备通信等多种需求场景。
　　欧洲电信标准协会（Europe Telecommunications Standards Institute，ETSI）的技术标准中将5G系统中核心网的新模式称作基于服务的架构（Service-Based Architecture，SBA）。
　　在SBA中，网络功能可以分为两类：提供（provider）服务与使用（consumer）服务。
　　任何网络功能都可以提供一个或多个网络服务。在下图中，左侧是一组带有SBA的3GPP标准5G系统，右侧是移动边缘计算（mobileMobile Edge Computingcomputing，MEC）系统架构。所有网络功能与其提供的服务都注册到网络资源功能（Network Resource Function，NRF），而MEC系统中应用提供的服务则注册到MEC自有库中。
　　一般而言，MEC主机设置在边缘服务器或是骨干网的机房中，而处理流量的工作直接交给用户平面功能（User Plane Function，UPF）完成。
　　运营商完全可以根据自己的需要设计UPF与MEC服务器的物理机部署方案，从而将机房位置、业务内容乃至服务负载等因素纳入考虑。一般而言，有如下几种方案可供考虑，分别是：MEC与UPF同时位于基站MEC与传输节点共用UPFMEC和UPF通过一个数据汇集点相连MEC直接接入核心网数
　　3GPP在2020年制定了关于5G接入MEC系统的通信标准。
　　这项工作的目标是定义一个支持层，以促进在 UE 上运行的应用客户端 (Application Client，AC) 与部署在边缘数据网络上的边缘应用服务器 (Edge Application Server ，EAS) 之间的通信。 这包括服务供应和 EAS 发现方面。
　　此外，该工作旨在提供支持服务，例如 EAS 之间的应用程序上下文传输，以实现服务连续性、服务启用和面向 EAS 的能力公开 API。
　　上述应用架构包括边缘使能服务器（ Edge Enabler Server ，EES)，主要负责启用 EAS 的发现；
　　边缘使能客户端（Edge Enabler Client ，EEC)，为UE中的 AC 提供 EAS 发现等支持功能；以及边缘配置服务器 (Edge Configuration Server ，ECS)，为 EEC 提供配置以与 EAS 连接。
　　UE 上的应用客户端可以是＂边缘感知＂和＂边缘不感知＂的。借助边缘感知应用程序，AC 通过直接与 EEC 交互并利用 EEC 的所有优势。
　　总之，在使能层的支持下，3GPP 网络为多种边缘功能提供了原生支持，包括：丰富的发现：ECS的按需服务提供和EES上查询过滤器的支持，允许AC通过EEC对EAS进行丰富的发现。动态可用性：由于边缘网络的灵活性和可用性，EAS 功能可能会因多种原因而变化，例如部署变化、UE 的移动性等。UE 可以订阅此类动态变化以微调所提供的服务到交流电。网络能力公开：EAS可以利用EES公开的服务API，这些API建立在服务能力暴露功能（Service Capability Exposure Function，SCEF）或网络暴露功能（Network Exposure Function，NEF）北向API的能力之上，使EAS能够访问3GPP网络能力公开功能。支持服务连续性：随着 UE 移动性提升，服务边缘或云可能会改变或变得更适合为 AC 服务。为了在这种情况下实现服务的连续性，该架构支持在边缘网络之间传输 UE 的应用程序上下文，以实现无缝的服务连续性。
　　用户面功能UPF及其在电力行业中的应用方式
　　第五代网络预计将为垂直行业有不同需求的客户提供服务。
　　5G核心由多个SBA元素组成。
　　5G系统的控制平面包括接入和移动性管理功能（Access and Mobility Management Function ，AMF）和会话管理功能（Session Management Function ，SMF），用于执行认证、移动性相关程序和在UE及数据网络之间建立通信流的请求。
　　5G数据平台的任务由5G基站和用户面功能（UPF，User Plane Function)执行，UPF提供了在终端设备和各种数据网络之间传输数据流的必要程序。
　　在认证步骤之后，用户设备使用用于到特定数据网络的数据通信的信令协议消息来请求协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）会话，并且SMF基于系统的实际条件和PDU会话的服务质量（Quality of Service，QoS）要求来决定接受。
　　一旦接受，PDU会话通过传输网络隧道传输到UPF，并且UE和数据网络之间的通信可以开始。
　　（1）背景介绍
　　2016年前后，3GPP在Release 14规范中作为对EPC的扩展而引入了控制面用户面分离（Control and User Plane Separation ，CUPS）策略，把分组网关（PDN Gateway ，PGW）和服务网关（Service Gateway ，SGW）进行了功能解耦，拆分为控制面（PGW-C和SGW-C）和用户面（PGW-U和SGW-U）。PGW-U可以分散化部署，增加了流量转发的灵活性。
　　CUPS策略允许核心网用户面的下沉，能够支撑对大带宽和低时延有强烈需求的业务场景，其设计本身对4G EPC演进力度大，虽然用户平面得以分离下沉，但与核心网其它 功能实体间的交互环节仍存在巨大的限制。随着5G摒弃了传统设备功能实体的设计，核心网白盒化和虚拟化，采用了SBA微服务的设计理念，CUPS策略中拆分出的用户面网络功能也逐步演进为了目前5G核心网架构中的UPF网元。演进历程如下图所示。
　　（2）功能概述
　　根据3GPP TS 23.501 V16.7.0，本文涉及到的UPF主要功能如下：无线接入网络与数据网络（Data Network，DN）之间的互联点，用于用户面的GTP隧道协议（GPRS Tunneling Protocol for User Plane，GTP-U）的封装和解封装；协议数据单元会话锚点（PDU Session Anchor，PSA），用于在无线接入时的提供移动性；5GSA数据包的路由和本地分流，作为中继UPF（Intermediate UPF，I-UPF充当上行分类器（Up link Classifier，L-CL）或者分支节点UPF（Branching Point UPF）。
　　除上述功能外，UPF还有应用程序监测、数据流QoS处理、流量使用情况报告、IP管理、移动性适配、策略控制和计费等功能，可参考3GPP TS 23.501规范。除了网络功能性需求外，UPF还要考虑数据安全性、物理环境需求和部署功耗等指标。
　　（3）接口设计
　　UPF作为移动网络和数据网络的连接点，重要接口包括N3、N4、N6、N9、N19、Gi/SGi、S5/S8-U、S1-U等。
　　以N开头是UPF与5G核心网控制面网元或者外部网络交互的接口，如上图所示。其余部分接口可满足对现网已有网络设施的兼容，UPF在5G组网建设中仍需兼容现网已有的网络设施，实际部署中UPF将整合SGW-U和PGW-U的职能，兼容已有的核心网络，物理层面将会存在UPF+PGW-U的融合网元。
　　N3接口是RAN与UPF间的接口，采用GTP-U协议进行用户数据的隧道传输。
　　N4接口是SMF和UPF之间的接口，控制面用于传输节点消息和会话消息，采用包转发控制协议（Packet Forwarding Control Protocol，PFCP），用户面用于传输SMF需要通过UPF接收或发送的报文，采用GTP-U协议。
　　N6接口是UPF和外部DN之间的接口，在特定场景下（例如企业专用MEC访问），N6接口要求支持专线或L2/L3层隧道，可基于IP与DN网络通信。
　　N9接口是UPF之间的接口，在移动场景下，UE与PSA、UPF之间插入I-UPF进行流量转发，两个UPF之间使用GTP-U协议进行用户面报文的传输。
　　N19接口是使用5G LAN业务时，两个PSA UPF之间的用户面接口，在不使用N6接口的情况下直接路由不同PDU会话之间的流量，如下图所示。
　　（4）分流技术
　　UPF是5G网络和MEC之间的连接锚点，核心网数据经过UPF转发才能流向外部网络。MEC是5G业务应用的标志能力。
　　基于5GC的C/U分离式架构，控制面网络功能（Network Function，NF）在中心DC集中部署，UPF下沉到网络边缘部署。
　　5G用户建立会话的连接将优先选择通过中心UPF，而当用户需访问MEC边缘应用时才选择或接入边缘UPF，这时边缘资源按需提供给用户，从而避免由于大量用户涌入挤占造成的性能瓶颈。
　　主流的5GC边缘部署分流技术主要有四种：基于单PDU会话本地分流的上行分类器（Uplink Classifier ，ULCL）方案、IPv6多归属（Multi-homing）方案以及基于多PDU会话本地分流的本地数据网络（Local Area Data Network ，LADN）方案和数据网络标识（Data Network Name ，DNN）方案。
　　ULCL和IPv6 Multi-homing用户数据分流在网络侧进行；DNN和LADN用户数据分流从终端开始。
　　1ULCL方案
　　IPv4、IPv6、IPv4v6或Ethernet的PDU会话支持Uplink Classifier。
　　上行链路业务流到不同PDU Session Anchor的路由例如基于用于IP PDU会话的上行链路分组的目的地IP地址/Prefix。SMF可以在PDU会话建立或修改期间，通过提供以下内容来插入Uplink Classifier：
　　-两个或多个UL包检测规则（Packet Detection Rule ，PDR），具有适当的包检测信息（Packet Detection Information，PDI），并且具有相应的FAR，以将上行链路业务流路由到适当的PDU Session Anchor；
　　-两个或多个DL PDR，具有适当的PDI，并且具有一个或多个FAR，以将隧道上的下行链路业务流路由到UE。
　　ULCL支持基于SMF提供的流量检测和流量转发规则向不同的PDU会话锚点UPF转发上行业务流，分流至MEC平台；
　　并且将来自链路上的不同PDU会话锚点UPF的下行业务流合并到5G终端，有点像路由表的作用。ULCL采用流过滤规则（例如检查UE发送的上行IP数据包的目的IP地址/前缀）来决定数据包如何路由。
　　UE不感知ULCL的分流，不参与ULCL的插入和删除。UE将网络分配的 单一IPv4地址或者单一IP前缀或者两者关联到该PDU会话。
　　上图展示了一个PDU会话拥有两个锚点的场景。
　　ULCL插在N3口终结点的UPF上，锚点1和锚点2终结N6接口，上行分类器UPF和锚点UPF之间通过N9接口传输。
　　基于不同的触发条件，ULCL方案可以分为以下几种：
　　特定位置ULCL方案：分流策略配置在SMF。
　　在用户移动到MEC区域时，SMF根据配置策略和AMF上报的用户位置信息，触发ULCL插入流程。特定位置触发ULCL和LADN场景类似，都是用户移动到特定位置时触发分流，触发条件简单易实现，适用于对公众用户开放的MEC场景。
　　由于MEC区域所有用户（即使不使用MEC业务）都会接入边缘UPF，可能会对边缘UPF造成压力。
　　位置及用户签约ULCL方案：分流策略配置在策略控制功能（Policy Control Function，PCF），需要用户在PCF上签约支持使用MEC业务。
　　在用户移动到MEC区域时，AMF通过SMF向PCF上报用户位置信息，PCF根据用户位置信息及签约信息，触发ULCL插入流程，新增边缘UPF锚点并插入ULCL。
　　当在MEC区域内要区分用户群体时，可采用位置及用户签约触发ULCL的方案，避免MEC区域所有用户都占用边缘UPF资源。
　　位置及应用检测ULCL方案：分流策略配置在PCF，需要将应用相关信息（五元组信息、应用URL）配置在PCF。
　　在用户移动到MEC区域并使用特定应用时，UPF根据应用标识对应的过滤器检测出业务流，通过SMF上报PCF。
　　PCF结合用户位置信息及应用流检测结果，触发ULCL插入流程。位置及应用检测ULCL方案可按应用触发分流策略，可控粒度更细；缺点是缺乏合适的ULCL删除触发机制。
　　能力开放ULCL方案：分流策略配置在MEC/APP。在用户移动到MEC区域时，AMF通过NEF把用户位置信息通知给MEC/APP。
　　MEC/APP通过N5/N33接口与PCF/NEF进行交互，将分流规则告知PCF。PCF结合用户位置信息及应用流检测结果，触发ULCL插入流程。能力开放ULCL是一种与应用紧耦合的方案，应用可根据业务需求动态地触发ULCL策略，更为灵活，但是能力开放接口的调用请求需提供用户标识（5GC分配的私网IP地址），应用还需要感知用户位置信息，有一定开发门槛。
　　2）IPv6 Multi-homing方案
　　IPv6多归属（Multi-homing）方案只能应用于IPv6类型的PDU会话。UE在请求建立类型为IPv6或IPv4v6的PDU会话时，要告知网络其是否支持IPv6 Multi-homing PDU会话。
　　在实际部署中，网络将会为终端分配多个IPv6前缀地址，对不同业务使用不同的IPv6前缀地址，可以一个IP地址做远端业务，一个IP地址做本地MEC业务，通过分支点进行分流。
　　在PDU会话建立过程中或建立完成后，SMF可以在PDU会话的数据路径中插入或者删除多归属（Multi-homing）会话分支点（Branching Point ）。在Multi-homing场景下，一个PDU会话可以关联多个IPv6前缀，分支点UPF根据SMF下发的过滤规则，通过检查数据包源IP地址进行分流，将不同IPv6前缀的上行业务流转发至不同的PDU会话锚点UPF，再接入数据网络，以及将来自链路上的不同PDU会话锚点UPF的下行业务流合并到5G终端。
　　UPF可同时作为IPv6多归属的分支点和PDU会话锚点。IPv6 Multi-homing分流如下图所示。
　　3DNN方案
　　数据网络标识（DNN，Data Network Name）方案中，需要终端配置专用DNN并在核心网统一数据管理功能（Unified Data Management ，UDM）上面签约专用DNN。用户通过专用DNN发起会话建立请求，SMF选择UPF时，根据5G终端提供的专用DNN以及所在的 TA选择目的边缘UPF，完成边缘PDU会话的建立，即可接入与边缘UPF对接的MEC平台。
　　4LADN方案
　　LADN方案中，用户签约LADN DNN，AMF上配置LADN服务区域（Tracking Area，TA）与LADN DNN的关系。
　　5G终端在向网络注册时，可以从核心网获取LADN信息（如LADN服务区和LADN DNN）。当5G终端移动到LADN服务区域时，将会请求建立这个LADN DNN的PDU会话。
　　AMF确定5G终端出现在该LADN区域，且请求的DNN在AMF中配置为LADN DNN，则转发给SMF；
　　SMF通过选择合适的本地边缘UPF，建立本地PDU会话，实现本地网络接入和本地应用访问。此时一个5G用户可能拥有两个PDU会话：Internet会话及LADN会话如，下图4.3-10所示。
　　AMF跟踪终端的位置信息，并通知SMF终端位置和LADN服务区的关系，包括：在服务区、不在服务区和不确定在不在服务区等。
　　当用户的位置不在LADN的服务区内时，不能接入LADN。LADN服务区用一组TA标识，使用LADN用于边缘计算流量分流时，通常LADN的TA和边缘计算上应用的服务区域是对应的。
　　LADN仅用于非漫游场景或者本地业务分流漫游场景，在实际部署中，用户通过LADN会话访问MEC业务，其余业务通过Internet会话访问。
　　5部署方式
　　在实际部署时，UPF需要按照不同业务场景对时延、带宽、可靠性等差异化的需求灵活部署，典型的部署位置包括：中心、区域、边缘、企业园区。
　　下表为不同UPF部署场景对应的通信需求和解决思路概述：
　　中心级UPF
　　中心级UPF需具备如下特点：
　　一是满足ToC网络的2G/3G/4G/5G/Fixed全融合接入、报文识别、内容计费等功能需求。在实际网络部署中，在一定时间内会存在多种接入网络并存的情况，UPF须同时支持多种无线接入，满足全融合接入需求；当用户跨接入网络移动时，实现相同会话IP地址不变，保证业务连续性。
　　二是具备虚拟运营商网络共享能力，通过网络切片、网关核心网络（GateWay Core Network，GWCN）等网络技术，支持多UPF实例、多租户、分权分域运维，满足不同虚拟运营商的差异化业务需求。
　　三是针对集中建设带来的高带宽转发能力要求，可通过扩展计算资源规模叠加单根I/O虚拟化Single Root I/O Virtualization，SR-IOV）+矢量转发技术来提升转发效率，或者采用基于智能网卡的异构硬件来实现转发能力提升。
　　四是提供面向N6/Gi/SGi接口流量的安全防护以及网络地址转换（Network Address Transform ，NAT）功能，可以选用外置硬件防火墙、虚拟化防火墙以及UPF内置防火墙功能等方式进行部署。其中防火墙以及NAT作为UPF的业务功能组件存在，提升集成度，降低部署成本。
　　区域级UPF
　　区域级UPF较为典型的应用场景为大视频业务，为了提升用户体验，需要在各地市部署区域UPF，就近接入本地视频业务服务端，还可以通过在区域数据中心联合部署UPF和CDN/Cache节点的方式来缩短传输路径，如下图所示。
　　区域级UPF部署带来了运维管理方面的复杂度，存在集中运维管理的需求，可以通过网元管理系统（Element Management System ，EMS）拉远的方式来接入区域级UPF或者通过扩展N4/Sx接口的方式来实现配置下发以及运维数据上报，考虑到未来对N4/Sx接口解耦的需要，目前业界更倾向于前者的实现方式。
　　边缘级UPF
　　边缘业务分流场景如图所示
　　使用到的分流策略分为以下几种，其中网元级和会话级分流已在前面章节中说明：
　　边缘级UPF在部署运维上可通过软硬件预装、自动纳管、配置自动下发等方式实现设备即插即用；在正常运维中，可通过EMS进行集中配置下发和运维管理。
　　边缘级UPF下沉部署，通过N4接口对接中心的SMF，需要考虑N4接口安全，一般可以通过将N4接口划分成独立的网络平面，或者通过部署防火墙/IPSEC进行安全策略增强。
　　企业级UPF
　　行业应用和工业环境与公众网有很大的不同，企业级UPF除了满足基本的流量转发、本地分流以外，还需要重点满足以下要求：
　　基于5G LAN实现的私网接入和管理能力。通过UPF内的本地交换和UPF间的N19隧道技术，构建企业专属的＂局域网＂，如下图所示。
　　基于uRLLC技术的超高传输可靠性。通过在N3/N9接口建立双GTP-U隧道，实现用户面冗余传输；或者建立端到端双PDU会话，将相同的报文在两个会话中传输，确保连接的可靠性，如下图所示。
　　企业级UPF需要解决起步成本高、设备功能复杂、部署和运维难度高等问题，需要引入轻量化的最简UPF解决方案，功能更有针对性，可以根据场景需求灵活搭配，并且实现出厂预安装、现场开箱即用，同时支持本地运维和远程运维。
　　全场景UPF部署
　　在＂5G新基建＂引领下，中国移动为满足分布式建网、集约化运维需求，5G核心网采用大区制建设方案，提供全场景UPF。因为ToC和ToB网络在产业成熟度、网络功能、市场应用上存在较大差异，采用两张网独立建设，UPF也进行分开建设。为满足业务差异及各行业碎片化需求，UPF采用分布式多级部署，如下图所示。
　　ToC UPF部署在中心级和区域级，兼顾业务时延和传输成本，满足大带宽、低时延需求，从成本和长期演进维度，全部采用100G智能网卡加速，配置一步到位，更加契合5G长期业务发展需求。
　　ToB UPF部署在中心级、区域级、边缘级和企业园区级，ToB UPF的选型主要考虑四个方面：
　　参考文献：
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