下一代柔性可编程用户面技术体系白皮书

前言 随着5G网络的规模化商用，5G网络不仅支撑了高清视频、网络直播、云游戏等个人应用的快速发展，更有力赋能了工业互联网、智慧医疗等垂直领域的数字化转型，成为推动数字经济发展的重要引擎。5G网络虽然借助动态会话管理、边缘业务分流等技术实现了用户面能力的显著提升，但在实际商用部署时在业务体验、管理维护等方面依然暴露出明显短板，且愈发难以适配未来不断涌现的个性化、多样化的新场景及新需求。 本白皮书重点聚焦核心网领域，并希望拉通无线网、传输网、承载网等其他领域，以协同构建下一代柔性可编程用户面；通过对5G用户面商用问题及未来用户面新场景挑战的剖析，总结了下一代用户面的发展需求，提炼出极致、灵活、高效、融合四大发展目标以及柔性可编程的设计理念。基于上述分析，本白皮书进一步提出了包括意图解析层、用户面编排层、连接与转发层、基础能力底座在内的四层用户面架构，并对下一代用户面的关键设计要素进行了论述。 未来，希望与产业合作伙伴共同打造极致、灵活、高效、融合的下一代柔性可编程用户面，以此为基石全方位深度拓展其在个人及垂直领域的应用，共同开启基于下一代网络的万物互联通信新时代，并为产业生态的发展及社会的数字化转型注入全新动力。 前言 01 1.1.1.业务体验问题1.1.2.管理维护问题1.1.3.演进需求总结010203 1.2.下一代用户面新场景挑战04 1.2.1.新业务及新场景1.2.2.通算智融合共生0404 06下一代用户面发展目标及设计理念2 2.1.发展目标2.2.设计理念0607 08 3.2.1.意图可编程解析3.2.2.网元能力可编程组合3.2.3.路径可编程规划3.2.4.跨域可编程协作3.2.5.量纲可编程扩展1011141617 18 下一代用户面发展驱动力分析 1.1 5G 用户面商用问题及演进需求 1.1.1 业务体验问题 随着5G网络商用的逐步推进，5G网络持续助力智慧城市、智能制造、智慧矿山等千行百业的数字化转型。但在实际商用推动过程中，当前5G用户面机制的弊端也逐步暴露出来： •需求解析能力受限、效率较低：5G用户面中，需求管理作为串联用户业务需求与网络资源调度的关键环节，当前高度依赖的“签约数据+终端请求”方式需进一步扩展需求描述维度以应对更加动态、多样的业务需求；以车联网为例，自动驾驶场景下网络需要传输大量的路况及车辆传感信息，对于时延、带宽、可靠性等传统指标以及算力等新兴指标有极高的要求，且网络环境和业务需求会发生实时动态变化，当前“签约数据+终端请求”主要是基于GBR、QCI、ARP等参数进行间接描述，无法直接、全面、细致地描述不同应用场景的差异化需求。另外，5G用户面在面对相似重复请求时不具备模板化复用能力，例如对于同一个车企的众多车辆，每辆车对于自动驾驶、车载娱乐等需求是相似的，但网络针对每辆车均需完成至少一次需求解析以明确其对于核心网用户面的具体要求（如就近接入、边缘计算、智能感知保障等），上述流程的重复执行会引入不必要的时延并导致网络资源浪费。 •用户面路径的粒度粗、不灵活：当前5G用户面路由构建方式为“粗管道”、“硬管道”方式。“粗管道”即过度依赖传统参数（如数据网络名称DNN、切片标识S-NSSAI(s)等）进行PDU会话级的粗粒度用户面路由选择，缺少对个性化业务需求的精准描述，故无法进行更加精细粒度的用户面路径规划；以车联网业务为例，如果车企将自动驾驶业务与车载娱乐业务等均分配到同一个“数据网络名称+切片”组合中，则5G网络只能根据上述参数为不同的业务规划一条基于PDU会话的粗粒度用户面路径，而无法根据具体业务特征进行业务粒度的精细化路径规划。“硬管道”即只能在原用户面UPF路径的基础上通过插入中间UPF网元的方式进行就近分流（如上行分流器、IPv6多归属等），这种方式仅可对用户面路径进行会话级的局部调整，难以进行业务流级的颠覆式重构；以双域专网业务为例，校园用户放假回家后希望“不换卡不换号”即可漫游访问校园内网业务，同时在本地就近访问公网业务（即针对校园内网业务进行漫游回归属地的反向分流、针对公网业务就近分流），目前5G用户面机制中基于数据网络名称、切片以及上行分流器等进行分流的技术手段均无法满足上述需求[1]。 •用户面路径构建及调整“流程冗长”导致切换时延难以满足部分业务要求：当前5G用户面采用“串行分段打通”的方式，流程相对冗长，用户位置移动、业务需求变化等导致的用户面路径重建时延难以满足时延敏感类业务的相关需求。以车联网为例，UE间协同避撞场景要求时延≤10ms[2]，但当前Xn切换用户面重建（流程中RAN<->AMF<->I-SMF<->I-UPF间进行交互以打通RAN与I-UPF之间的N3接口用户面链路，I-UPF<->I-SMF<->SMF<->UPF间进行交互以打通I-UPF与UPF之间的N9接口用户面链路）需耗时130ms至231ms，切换后的往返时延为132ms至305ms[3]，故当前机制无法在进行位置切换时满足相关业务的传输时延要求。 •端到端QoS保障存在“断点”：当前核心网用户面仅关注其内部的UPF网元，与无线网、传输网、承载网等领域的内部节点协同较弱，且应用数据离开核心网到达公网后的传输质量难以保证，SLA保障存在“木桶短板效应”。 1.1.2 管理维护问题 5G用户面作为运营商服务垂直行业的桥头堡和打开垂直行业市场的金钥匙，其灵活性和多样性对于满足愈发多样化的网络需求至关重要。但随着5G-A特色体验提升业务（如智能感知保障、高清视频加速等）及面向园区边缘业务的不断发展，用户面网元的种类和形态日趋多样，当前5G用户面存在的“功能与资源绑定困境”、“间接寻址”影响协作及管理效率、“边缘与大网耦合”等问题未来将导致规划建设、网络运维、业务运营的难度持续增加。 •用户面“功能与资源绑定困境”导致资源利用率难以保证：面向小众化、高端化场景的5G价值提升类业务（如智能感知保障、高清视频加速等）重点聚焦存量用户的差异化价值经营。随着此类业务的逐步开展，5G用户面网元UPF的种类将不断增加，需配置的特色硬件资源也将愈发多样。如果将所有的UPF进行硬件升级，不仅要付出较大的经济成本，且在商用初期UPF的特色硬件资源利用率低，导致资源闲置浪费；如果只升级部分UPF又会因“设备与服务区域存在绑定关系”导致未升级设备所对应的地区无法享受特色业务，不利于业务开展及推广。5G用户面网元UPF的升级成本与提供均质化服务的矛盾愈发凸显。 •用户面“间接寻址”导致协作及管理效率受限：当前用户面路径规划依然停留在AMF借助SMF选择UPF的“间接寻址”阶段，一方面不同SMF网元池管理下的UPF网元间协作难度大，不利于复杂用户面构建；另一方面AMF需与SMF严格拉齐参数配置才能确保业务数据的正确路由，从而避免因AMF错选SMF导致无法选择到正确的UPF。上述两个因素会导致业务规划及网络维护难度与日俱增。以车联网的插花场景为例，部分插花SMF会同时连接公网UPF（服务于车联网用户，可充当I-UPF）和专网UPF（服务于医疗专网用户，无法充当I-UPF），车联网普通用户发起PDU会话建立时可能会将插花SMF选作I-SMF，插花SMF可能会错误地选择专网UPF充当I-UPF，但专网UPF不具备I-UPF的数据转发能力，进而导致流程失败及业务受损[4]。上述问题的原因在于“间接寻址”机制导致AMF无法透过SMF完全掌握UPF信息，在未拉齐选择参数配置的情况下AMF只能“盲选”SMF，如果AMF错选SMF则可能选择到错误的UPF。未来，随着 业务需求的不断增加，用户面需要考虑的选择因素将大幅增加，网络进行配置调整、功能升级的管理成本也将随之增加。 •“边缘与大网耦合”导致边缘新业务上线周期长：当前边缘新业务上线以及服务闭环均需大网配合，一方面大网设备升级周期长、配置维护流程复杂，导致边缘业务上线周期受制于大网；另一方面业务的策略控制以及网间协作无法在边缘网络实现高效服务闭环，业务及网络调整、问题定位等均需大网配合。上述两个因素共同限制了行业专网尤其是边缘行业专网的规模化发展。以5G LAN业务为例，此功能如需在园区部署开通，不仅需要对边缘UPF进行相关硬件和软件功能升级及配置，还需要在UDM中签约VN组管理策略等信息，并在SMF侧配置VN组路由映射等路由策略信息。 1.1.3 演进需求总结 综合上述针对5G用户面商用问题的分析，梳理形成用户面演进的七个方向： •业务精准解析：下一代用户面需具备更加丰富的端网交互能力，并可对更加复杂、多样、动态的业务需求进行精准解析；支持基于对网络运行状态、用户业务状态等进行实时感知以实现用户面的闭环反馈和快速调整。 •路由精细构建：下一代用户面需支持基于业务等更细粒度构建用户面路由，并支持基于业务体验、网络状况、位置变更等因素进行快速动态调整，以满足愈发复杂的数据传输需求。 •路由快速打通：下一代用户面网元间无需逐段交互即可实现路径的快速打通及快速切换，以满足车联网中自动驾驶等时延敏感类的业务苛刻需求。 •端到端QoS保障：下一代用户面需拉通核心网、无线网、传输网、承载网、公网等众多节点以实现真正的端到端QoS保障，切实提升端到端SLA体验，满足超低时延高可靠等业务需求。 •资源高效利用：随着智能识别保障、高清视频、可见光通信、太赫兹通信等新业务需求的不断涌现，用户面网元UPF上部署的特色硬件资源越来越多样，需推动下一代用户面中特色资源及能力的可流动、可共享、可调用。 •网元服务化管理：随着下一代用户面网元UPF及网络复杂度不断增加，当前5G用户面机制在网元管理及路径规划方面的工作量将呈现指数级增加，可考虑借助服务化提升用户面网络架构的灵活性和服务的开放性，实现管理敏捷性与业务开放性的双重提升。 •边缘敏捷部署：当前5G的边缘与大网已紧密耦合，为提升新业务上线速度并降低中心与边缘网络的协同运维及管理难度，推动核心网实现边缘与大网解耦“宜早不宜迟”。下一代用户面需考虑推动大网与边缘用户面的逻辑分离以助力边缘用户面的独立敏捷部署，并支持通过标准接口实现二者的协同联动。 1.2 下一代用户面新场景挑战 1.2.1 新业务及新场景 随着沉浸式多媒体业务、超大规模连接、超低时延高可靠、智能体通信等新业务场景的引入，对于下一代用户面的业务指标以及网络灵活性、兼容性等都提出了更高的要求： •指标要求更加极致：下一代网络的指标要求（如时延、速率、可靠性、连接数等）相对5G网络更加极致。以超低时延高可靠场景下机器控制与协作为例，其目标在于构建一个智能、高效的设备生态系统，使不同设备之间能够通过高速稳定的网络连接实现实时信息传递并协同完成各种复杂任务。为满足上述需求，下一代网络需进一步提高通信速率（Gbps量级）、提升可靠性（99.99999%）并降低时延（小于ms级）[5][6]。 •网络差异更加凸显：未来虽然会涌现出许多对网络指标要求更加苛刻的场景，但并非所有场景都需要如此极致的网络指标，不同场景间对于各项指标要求差异巨大。以超大规模连接场景下环境检测为例，此场景主要运用物联网技术将各种监测设备和环保、消防、应急等资源接入网络并联动，以实现对广域环境的动态感知、智能研判以及精准防控。相对于机器控制与协作场景，此场景对于用户面传输的速率（1kbps至10kbps）、时延（秒级）等要求不高，但连接数要求达到每平方公里百万级连接及以上[7]。 •多业务流严格同步：5G网络中单个PDU会话最多支持64个QoS Flow，但随着全息通信等业务场景的引入，要求下一代网络至少应支持大约1000个独立并发流（包括视觉、听觉、触觉等众多类型的数据）,且这些并发流需要具备跨流同步调度机制以保持严格同步，确保同一全息业务的所有并发流在终端侧的接收时差控制在微秒级，以满足全息交互的沉浸式体验[7]。 1.2.2 通算智融合共生 下一代网络的发展不仅需实现速率、时延等传统指标的性能提升，还需借助人工智能