5G-Anruf – Aufbau der UPF-Benutzerebene und Datenübertragung

Die User Plane Function (UPF) ist eine der wichtigsten Netzwerkfunktionen (NFs) im 5G-Kernnetz. Sie ist die zweite Netzwerkfunktionseinheit, mit der das Funknetz (RAN) während PDU-Flüssen in 5G (NR) interagiert. Als Schlüsselelement in der Entwicklung von Control Plane und User Plane Separation (CUPS) ist die UPF für die Inspektion, das Routing und die Weiterleitung von Paketen innerhalb von QoS-Flüssen in Abonnementrichtlinien verantwortlich. Sie verwendet das SMF, um SDF-Vorlagen über die N4-Schnittstelle zu senden, um Uplink- (UL) und Downlink- (DL) Datenverkehrsregeln durchzusetzen. Wenn der entsprechende Dienst endet, ordnet die UPF QoS-Flüsse in der PDU-Sitzung zu oder beendet sie.

I. Aufbau der User PlaneBeim ersten Zugriff auf das 5G-System muss das Endgerät (UE) gemäß der Control-Plane-Anleitung für die Dienstdatenübertragung einen User-Plane-Kanal mit dem Rechenzentrum aufbauen. Während dieses Prozesses:

• Wenn das Endgerät (UE) auf das 5G-Netzwerk zugreifen möchte, durchläuft es zunächst einen Registrierungsprozess. Nach Abschluss aller Control-Plane-Prozeduren verarbeitet das SMF alle sitzungsbezogenen Informationen während der Aufbauphase der User Plane. Das AMF fordert den Downlink-DL-TEID (Terminal Equipment Identifier) aller PDU-Sitzungen an, die an das SMF übergeben werden. Das SMF wählt dann die beste UPF für das UE innerhalb des angegebenen Bereichs aus und sendet eine Sitzungsaufbauanforderung, die alle Parameter für den Standard-PDU-Sitzungsaufbau enthält.
• Anschließend wird ein Standard-QoS-Fluss (non-GBR) für den Austausch mit dem Datennetzwerk (DN) für den Datenverkehr erstellt. Der Dienstdatenverkehr umfasst eine längere Route zur Berechnung der Latenz und zur Aufrechterhaltung des Datenverkehrs.

Abbildung 1. 5G-Endgerät User Plane Aufbauprozess (Nachrichten)

• [5] Neue UE-Aufbauanforderung, erfordert die Erstellung eines Sitzungskontexts
• [1] UPF-Adresse festlegen
• [5] [10] Anforderung zur Erstellung einer Sitzung mit UPF
• [3] Sitzungskontextantwort
• [4] [5] Standard-Sitzungsaktualisierung abrufen
• [3] Standard-QoS, AMBR
• [3] Standard-Downlink- und Uplink-PDR-Regeln für IMSI hinzufügen

II. Erste Uplink-/Downlink-DatenübertragungWenn eine tatsächliche Datenübertragung (d. h. Uplink- oder Downlink-Daten) stattfindet, sendet das AMF eine weitere SM-Kontextanforderung an das SMF, in der:

• Das SMF sendet eine Sitzungsmodifikationsanforderung, die Informationen in Bezug auf den angeforderten Sitzungstyp enthält.
• Die UPF richtet eine PDU-Sitzung innerhalb der Regeln und Vorschriften gemäß den Benutzeranforderungen ein. Die UPF fügt dann QoS-Fluss-Mapping hinzu, legt den TEID fest, fügt verschiedene Regeln (wie PDR, FAR, URR usw.) und einige sitzungsbezogene Richtlinien zur PDU-Sitzung hinzu. Sie berechnet auch jeden Paketaustausch und fügt eine eindeutige Sitzungs-ID hinzu, um ihn von anderen PDU-Sitzungen zu unterscheiden. Die UPF fügt auch eine IMSI-Nummer hinzu, um das UE zu identifizieren, zu dem die aktuelle Sitzung gehört.
• Der Sitzungskontext wird von der UPF vorbereitet und über das SMF an das AMF gesendet, das ihn dann an das gNB weiterleitet. Er enthält Informationen wie den lokalen TEID der UPF, den QoS-Kontext und die Sitzungsfreigabemeldung.

Abbildung 2.5G-Endgerät User Plane Erster Datenübertragungsfluss (Nachricht)

• [2] QoS-Richtlinienverwaltung (Richtlinientyp)
• [2] Dynamische Regelsetzung
• [2] Statische und dynamische Regelaktualisierung
• [3] Mapping FDR, PDR, QDR, BAR, URR
• [3] Regeln an die Sitzung anhängen
• [3] Erstellen eines neuen TEID und Einfügen in den PDR
• [2] Festlegen des an die UPF zu übergebenden TEID
• [2] QoS/Trägerverwaltung
• [5] Erstellen einer Sitzungsanforderung
• [9] Aktualisieren und Erstellen einer Sitzung
• [6] Regelplanung verarbeiten
• [7] Ladeautorisierung empfangen
• [2] Lade-Credits initialisieren
• [2] Alle aktiven Richtlinien abrufen
• [10] UPF-Sitzung einrichten
• [4] Sitzungen lesen, erstellen, aktualisieren und suchen
• [8] Sitzungen lesen und schreiben sowie alle Sitzungsvektoren serialisieren und deserialisieren
• [5] Inaktiver Zustand, wenn die PDU-Sitzung in den Leerlaufzustand wechselt
• [6] Sitzungsaktualisierungsantwort verarbeiten
• [5] Setup-Nachrichten vom AMF verarbeiten (Anfangsanforderung oder vorhandene PDU-Sitzung)
• [3] Benachrichtigungen über Zustandsänderungen an das AMF senden
• [3] Antworten (Sitzungskontext) vorbereiten, um sie an das AMF zur Weiterleitung an das gNB zu senden
• [3] Den lokalen TEID der UPF an das AMF senden, damit er vom gNB verwendet werden kann
• [3] Den entsprechenden QoS-Kontext an das AMF senden
• [5] Die PDU-Sitzungs-ID aus dem RAT-Kontext abrufen
• [5] AMF auffordern, eine Nachricht zum Freigeben der Sitzung zu senden