基于UPF部署实现轻量化5G核心网业务发展的研究

基于UPF部署实现轻量化5G核心网业务发展的研究

李瞳

中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司  河南 郑州 450052

摘要：5G定制网实现高可靠低时延的交互协同，下沉UPF实现本地业务分流、保障数据安全，双发选收保障业务高速率不间断，通过处理用户面数据的网元，对UPF进行优化，与网络和新技术融合实现业务发展。

关键词：5G；核心网；下沉UPF

1、引言

随着新基建战略的持续推进，业内对于利用 5G 技术实现转型升级的需求愈发迫切，而不同行业的信息化特征差异明显，行业间的业务场景信息化需求程度各不相同，5G公共网络无法很好满足行业内不同应用场景的差异化需求。客户需可定制的5G专用网络，来满足安全隔离等级、低时延、云网融合等不同层面的行业数字化转型所需信息基础设施需求。5G定制专网是一种满足行业应用需求的网络解决方案，通过将UPF下沉到企业园区内，实现数据不出园，保障终端数据不泄露，同时控制面下沉保证信令不出园，保障终端行为不泄露。

2、概述

轻量级5GC指的是轻量化5G核心网，这是基于主流的专网建网模式研发的5G核心网。将原本需要笨重且多种设施设备所集成的5G核心网进行优化和缩减，已达到最低和最轻化方向迈进。它采用云部署模式，利用较少资源实现核心网主要功能，通常在单个硬件服务器上就能实现全部的核心网网元功能。轻量化5GC设备具有体积小、能耗低、可裁剪、价格低等特点，能够充分降低企业建网成本、网络运维复杂度。

3、轻量化5G核心网业务发展思路

3.1、处理用户面数据的网元

UPF在5G核心网中负责处理用户面数据的网元具有重要的作用，为实现轻量化5G核心网业务发展，UPF的部署需要考虑多种因素。支持网络切片功能，以满足不同业务的需求。支持多接入边缘计算（MEC），将计算能力下沉到网络边缘，以实现更快的网络响应速度和更低的时延。

（1）UPF支持网络切片功能

UPF可以根据业务需求，将用户流量引导到不同的网络切片中，每个切片由不同的协议栈处理，从而提供个性化的服务。UPF可以识别和路由用户面的网络流量，并确保流量的安全传输。UPF作为5GC网络的用户平面网元，主要支持UE业务数据的路由和转发、数据和业务识别、动作和策略执行等。UPF通过N4接口与会话管理功能（SMF）交互，由SMF直接控制和管理，并根据SMF发布的各种策略执行业务流处理。这些功能使得UPF能够有效地支持移动边缘计算应用和网络切片服务。

UPF可以通过静态或动态的规则，识别和分类用户流量，根据流量的特征和目的地址，可以将流量归类到不同的切片中。作为用户面网元，负责将用户流量从源地址路由到目标地址。在网络切片中，不同的虚拟网络可能使用不同的协议栈,UPF可以支持不同协议之间的转换。支持QoS策略的执行，为不同的网络切片提供不同的服务质量保障。支持多种安全机制，包括访问控制、数据加密和完整性保护等。通过与安全模块的配合，UPF可以确保不同网络切片的数据安全性和隔离性。

（2）UPF支持多接入边缘计算

UPF需要满足不同无线接入的需求。在实际网络部署中，多种接入网络可能会并存一段时间，例如2G/3G/4G/5G和Fixed等。UPF需要同时支持这些无线接入，并满足全融合接入的需求。当用户跨接入网络移动时，UPF能够实现相同会话IP地址不变，保证业务连续性。

UPF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（GWCN，GateWay Core Network）等网络技术，UPF可以支持多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。这样，每个虚拟运营商都可以根据自己的业务需求，使用独立的UPF实例，实现网络资源的隔离和保护。

UPF还可以下沉到企业园区内，实现数据不出园，保障终端数据不泄露。这种部署方式可以减少数据传输距离和网络时延，同时保障企业数据流量安全性和网络低时延。此外，下沉到企业园区的UPF还可以融入行业内部网络，与外部物理隔离，保障行业内部网络数据安全。

3.2、UPF优化

实现轻量化5G核心网业务的发展，需要对UPF进行优化，通过简化UPF的部署和配置过程，降低部署成本和运维成本；优化UPF的性能，以提高其处理数据的能力和效率；考虑UPF的容灾和备份方案，以保证其稳定性和可靠性。

（1）简化UPF的部署和配置过程

可以使用脚本或配置管理工具来自动化部署和配置UPF的过程，减少手动干预和错误的可能性。制定标准化的UPF部署和配置流程，并使用模板来简化配置过程，使部署过程更加一致和可重复，减少配置错误的可能性。选择预先配置好的UPF解决方案，通过预配置和测试的解决方案，可以直接部署和使用，从而简化部署和配置过程。通过集中管理和运维UPF设备，使用统一的网络管理平台来管理所有的UPF设备，实现设备的自动化部署、配置和监控等操作。

（2）优化UPF的性能

使用硬件加速器通过优化网络接口来加速数据传输，针对不同的网络接口和传输协议，进行不同的优化。通过多线程加速技术，同时处理多个数据包，保证每个数据包的处理顺序来提高UPF的吞吐量和处理速度。使用高速缓存优化内存管理，提高缓存的命中率和访问速度来缓存数据来提高UPF的效率。

通过协议优化、负载均衡、缓存策略等网络优化方式；通过模块化设计将复杂的系统拆分成模块，每个模块负责特定的功能或任务，每个模块可以独立开发、测试和优化，以提高整体系统的可维护性和性能；对复杂的算法进行分解，将其拆分为更简单、可复用的子算法，通过优化每个子算法的性能，可以改善整体算法的执行效率。

（3）考虑UPF的容灾和备份方案

需要综合考虑故障检测和恢复、会话保持、数据备份和恢复、负载均衡以及高可用性架构等方面的方案，通过使用自动化工具和自定义脚本来快速检测和恢复故障，保持用户会话信息的连续传输，采用定时备份或增量备份的方式确保数据的安全性，并使用负载均衡器或动态负载均衡算法将用户流量分配到不同节点上，以提高整体系统的性能，并采用主备节点方式和集群方式等高可用性架构来保证UPF的容灾能力，从而确保用户的数据传输和服务连续性。

3.3、与网络和新技术融合

要将UPF与现有网络进行融合，需要满足多接入需求，实现虚拟运营商网络共享，支持集中建设带来的高带宽转发能力要求，简化部署和配置过程，并考虑容灾和备份方案。通过采取这些措施，可以实现UPF与现有网络的顺利融合，提高网络性能和可靠性，并为用户提供更好的数据传输和服务支持。将不同类型的网络，如数据传输层和应用层，融合在一起以实现多媒体、电话和数据的支持。这种融合可以通过协议转换模型实现，将不同网络之间的传输媒体格式及其控制信令协议进行转换。

将UPF与4G网络、5G网络以及物联网、云计算等新技术进行融合，可以实现多网络融合、高带宽转发能力支持、简化部署和配置、容灾和备份方案等目标。UPF作为5G核心网用户面网元，需要支持4G/5G网络融合以及物联网、云计算等技术融合，同时需要考虑安全性问题。通过融合，可以提高网络性能和可靠性，并为用户提供更好的数据传输和服务支持。

5、结束语

UPF 下沉实现了物理独立的 5G 网络，保障网络信息安全，确保客户数据私有性及安全性，无线通信网络与运营商公网数据相互隔离，可以减少传输时延、减轻传输网压力、提升业务体验效果、实现端到端业务的下沉处理以及增强数据安全性，实现轻量化5G核心网业务发展，UPF下沉需要解决的问题也是将来需要研究的方向，由此可见，本文的研究也就显得十分的有意义。

参考文献：

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