CN115314924A - 一种upf池智能平衡系统及实现方法 - Google Patents

一种upf池智能平衡系统及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及5G通信技术领域，公开了一种UPF池智能平衡系统及实现方法，包括以下步骤：终端在核心网进行用户注册；终端请求建立PFCP会话上下文；核心网通过UPF根据终端请求选择主用GSU，主用GSU建立PFCP会话上下文，为终端提供数据业务；核心网发现当前主用GSU故障时，重新选择新主用GSU。通过5G‑UPF负荷分担方法为用户选择主用GSU，这种UPF池智能平衡系统及实现方法，既能够提供完整的5GCUPF业务处理能力，又具备负荷分担和冗余倒换的可靠性。

Description

一种UPF池智能平衡系统及实现方法
技术领域
本发明涉及5G通信技术领域，特别涉及一种UPF池智能平衡实现方法。
背景技术
3GPP(The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划)成立于1998年12月,它联合[七个]电信标准开发组织(ARIB、ATIS、CCSA、ETSI、TSDSI、TTA、TTC)，被称为“组织合作伙伴”，并为其成员提供稳定的环境来制作报告以及定义3GPP技术的规范。从3GPP第15版开始，制定了5G相关协议标准。
在3GPP的5G的协议标准中，5G核心网主要分成控制面功能(CPF，Control PlaneFunction)和用户面功能(UPF，UserPlane Function)两种类型的网元。UPF主要负责5G核心网用户面数据包的路由和转发相关功能。在核心网的架构中，UPF通过N4接口与会话管理功能(SMF，Session Management Function)进行交互，直接受SMF控制和管理，UPF路由和转发功能所依赖的各种策略也是由SMF下发而来的。
UPF作为核心网中的一个重要网元，其可靠性是非常重要的。在3GPP的23.527协议中描述了SMF和UPF彼此间的故障检测过程及故障恢复过程，但其定义的故障恢复后释放所有用户会话的操作过于简单了，会严重影响手机上网的稳定性，不适合在商用局点中使用改方案。所以通常情况下，在商用的5G核心网环境中会使用组Pool的方式来增强UPF的可靠性。
通过组Pool的方式，我们可以通过使用多个具有UPF能力的虚机来共同完成UPF网元的工作，包括控制面的各种策略生成，以及用户面的路由和转发功能。而此时新的问题也随之产生了。这些具有UPF能力的虚机该如何均衡去分担并完成自己的工作，以及当故障发生时如何将本虚机上的工作移交给其它空闲状态的虚机。
基于5G核心网的功能，为了解决上述技术空白，本发明提供一种UPF池智能平衡实现方法。
发明内容
本发明提供一种UPF池智能平衡系统及实现方法，既能够提供完整的5GC UPF业务处理能力，又具备负荷分担和冗余倒换的可靠性。
本发明提供了一种UPF池智能平衡实现方法，包括以下步骤：
终端在核心网进行用户注册；
终端请求建立PFCP会话上下文；
核心网通过UPF根据终端请求选择主用GSU，主用GSU建立PFCP会话上下文，为终端提供数据业务；
核心网发现当前主用GSU故障时，重新选择新主用GSU。
进一步地，所述核心网通过5G-UPF负荷分担方法为用户选择主用GSU。
具体地，所述通过5G-UPF负荷分担方法为用户选择主用GSU的具体步骤包括：
用户通过EMS配置5G-UPF的N+M的模型，其中N表示N个主用GSU，M表示M个备用GSU；
GSU模块上电后，会向GPU模块发送注册消息；
GPU模块收到注册消息后，记录当前上电的GSU模块的注册信息，并与配置的主用GSU个数进行比较；当上电的GSU个数小于或等于配置的主用GSU个数N时，GPU认为该GSU为主用，否则GPU认为该GSU为备用；GPU给GSU返回响应时，会将主用和备用信息带给GSU模块；
主用GSU模块收到GPU模块的响应时，根据携带的主用消息来设置主用GSU模块的状态，备用GSU模块收到GPU模块的响应时，根据携带的备用消息来设置备用GSU模块的状态，主用GSU模块进入工作状态，备用GSU模块进入空闲状态；
GPU模块给GSU模块返回响应后，会向IPU模块同步所有的GSU模块的注册消息。
进一步地，所述注册消息中携带GSU模块的ID，槽位信息和内部通信地址信息。
具体地，所述建立PFCP会话上下文的具体步骤包括：
当手机用户上线时，即3GPP 29.244协议中的PFCP会话建立流程发生时，终端会将PFCP会话建立请求消息通过SMF网元发送到UPF的IPU模块；
IPU模块根据PFCP会话建立请求消息中携带的CP F-SEID结合工作状态GSU模块的数量经过平衡算法，选择出一个GSU模块用于处理该用户的会话流程，并将PFCP会话建立请求消息通过内部通讯地址转发到该GSU模块；
GSU模块收到PFCP会话建立请求消息后，按照3GPP协议为用户创建会话资源和转发规则，之后GSU模块生成PFCP会话响应消息，同时根据该GSU模块的APP计算出UP F-SEID并将其填充在PFCP会话响应消息内，之后再将该PFCP会话响应消息发回IPU模块；
GSU模块发送完PFCP会话响应消息后，会将为该用户创建的会话上下文及本模块的ID构成用户会话上下文同步消息发送给CDU模块；
CDU模块收到GSU模块发来的会话上下文同步消息，会以ID作为索引，将用户会话上下文保持在自己的内存数据库中；
IPU模块收到PFCP会话响应消息后将其通过SMF网元转发给终端；
终端按照3GPP协议，将该用户后续的PFCP会话消息通过SMF网元发给IPU模块；
IPU模块收到该用户后续的PFCP会话消息后会从UP F-SEID解析出GSU模块的ID，再根据该ID查找到GSU模块的内部通信地址，并将该用户后续的PFCP会话消息发给该GSU模块处理。
进一步地，所述核心网发现当前主用GSU故障时，通过5G-UPF冗余倒换方法重新选择新主用GSU。
具体地，所述通过5G-UPF冗余倒换方法重新选择新主用GSU的具体步骤包括：
当GPU模块检测出一个主用的GSU模块发生故障时，GPU模块会从M个备用GSU模块列表中选择出一个备用GSU模块，作为新主用GSU模块；
GPU模块会发送主备倒换消息给新主用GSU模块，并在消息中携带原主用GSU模块的ID；
新主用GSU模块收到主备倒换消息后，首先将自己从空闲模式切换到工作模式，然后新主用GSU模块发送请求PFCP会话上下文同步消息给CDU模块，并在消息中携带原主用GSU模块的ID；
CDU模块收到请求PFCP会话上下文同步消息后会在内存数据库里面查找该ID对应的所有PFCP会话上下文，并将这些PFCP会话上下文信息同步给新主用GSU模块；
新主用GSU模块收到CDU模块同步PFCP会话上下文信息后，会根据这些信息为用户重新创建会话资源和转发规则；
GPU模块给新主用GSU模块发送主备倒换消息之后，会发送主备倒换信息给IPU模块，主备倒换消息中携带原主用GSU模块的ID和新主用GSU模块的ID；
IPU模块收到主备倒换消息之后，会将原主用GSU模块的ID和新主用GSU模块的ID生成映射关系，并保存在自己的内存中；同时IPU模块将原主用GSU模块即故障GSU模块从自己保存的主用GSU列表中移除；
终端发生PFCP会话消息，终端会将PFCP会话消息通过SMF网元发送到UPF的IPU模块；
IPU模块收到终端发来用户PFCP会话消息中携带了UP F-SEID，IPU模块从中解析出原主用GSU模块的ID，但此时该ID已经无法从主用GSU列表中找到原主用GSU模块，所以IPU需要从主备GSU映射表中查询新的GSU模块，并将该PFCP会话消息转发给新主用GSU模块。
一种UPF池智能平衡系统，包括：
终端，指无线接入核心网的终端，终端成功接入核心网完成注册后，根据业务需要发起PFCP会话建立请求或修改请求；
基站，在终端和核心网间转发请求和响应消息，实现空口的消息交互；
核心网，包括：
SMF网元，终端接入和注册后，SMF据用户签约信息为用户建立PFCP会话上下文和转发规则，并将PFCP会话上下文和转发规则信息发送给UPF，请求UPF为终端建立用户面传输隧道；
UPF，用于根据SMF传递过来的PFCP会话上下文和转发规则，选择主用GSU，并建立PFCP会话上下文，为终端建立用户面传输隧道，当前主用GSU故障时，重新选择新主用GSU，并根据PFCP会话上下文和转发规则转发或丢弃终端用户面数据报文；
EMS，为UPF配置5G-UPF的N+M的模型；
CDU，用于保存UPF中所有用户的PFCP会话上下文信息；
DN，与经过UPF转发规则处理的流量进行交互，完成用户与外部网络的通信。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明所述的一种UPF池智能平衡实现方法，提供了一种5G-UPF负荷分担方法，能够允许UPF业务模块动态的扩展，并保证业务的自平衡。
本发明所述的一种UPF池智能平衡实现方法，提供了一种5G-UPF冗余倒换方法，能够保证UPF业务模块宕机时用户的流量不中断，保证用户业务的稳定性。
附图说明
图1为本发明提供的一种UPF池智能平衡实现方法的系统示意图。
图2为本发明提供的一种UPF池智能平衡实现方法中5G-UPF负荷分担方法流程图。
图3为本发明提供的一种UPF池智能平衡实现方法中5G-UPF冗余倒换方法流程图。
图4为本发明实施例的示意图。
图5为本发明在矿用通信领域中的一种UPF池智能平衡建立会话流程图。
具体实施方式
下面结合附图1-5，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
本发明所述的一种UPF池智能平衡实现方法，提供了一种5G-UPF负荷分担方法，能够允许UPF业务模块动态的扩展，并保证业务的自平衡；
本发明所述的一种UPF池智能平衡实现方法，提供了一种5G-UPF冗余倒换方法，能够保证UPF业务模块宕机时用户的流量不中断，保证用户业务的稳定性。
本发明提供的一种UPF池智能平衡实现方法，实现了UPF的N+M冗余备份。具体包括了5G-UPF负荷分担方法，及5G-UPF冗余倒换方法。
全局处理单元GPU(Global ProcessingUnit)，一般服务单元GSU(GeneralService Unit)，接口处理单元IPU(Interface Processing Unit)，上下文数据单元CDU(Context DataUnit)，报文转发控制协议PFCP(Packet Forwarding Control Protocol)。
如图2，步骤1，本发明中5G-UPF负荷分担方法包括如下步骤：
步骤1.1，用户通过EMS(ElementManagement System)配置5G-UPF的N+M的模型，其中N表示N个主用GSU，M表示M个备用GSU；
步骤1.2，UPF的GSU模块上电后，会向UPF的GPU模块发送注册消息。消息中携带本模块的ID，槽位信息，内部通信地址信息；
步骤1.3，GPU模块收到注册消息后会记录当前上电的GSU模块的信息，并与配置信息进行比较。当上电的GSU个数小于等于配置的N时，GPU认为该GSU为主用，否则GPU认为该GSU为备用。GPU给GSU返回响应时，会将主用或备用信息带给GSU模块；
步骤1.4，GSU模块收到GPU模块的响应消息时，根据消息中携带的主用或备用角色来设置本版的状态；主用的GSU模块进入工作模式，备用的GSU模块进入空闲模式；
步骤1.5，GPU模块给GSU模块返回响应后，会向IPU模块同步所有的GSU模块信息，信息中包括GSU模块的ID，槽位信息，内部通信地址信息；
步骤1.6，当手机用户上线时，即3GPP 29.244协议中的PFCP会话建立流程发生时，SMF网元会将PFCP会话建立请求消息发送到UPF的IPU模块；
步骤1.7，IPU模块根据消息中携带的CP F-SEID(Control Plane FullyQualified Session Endpoint Identifier)结合工作态GSU模块的数量经过平衡算法，选择出一个GSU模块用于处理该用户的会话流程，并将消息通过内部通讯地址转发到该GSU模块；
步骤1.8，GSU模块收到消息后，按照3GPP协议为用户创建会话资源和转发规则等，之后GSU模块生成PFCP会话响应消息，同时根据该GSU模块的APP计算出UP F-SEID(UserPlane Fully Qualified Session Endpoint Identifier)并将其填充在消息内，之后再将该响应消息发回IPU模块；
步骤1.9，GSU模块发送完响应消息后，会将为该用户创建的会话上下文及本模块的ID构成用户会话上下文同步消息发送给CDU模块；
步骤1.10，CDU模块收到GSU模块发来的会话上下文同步消息，会以ID作为索引，将用户会话上下文保持在自己的内存数据库中；
步骤1.11，IPU模块将步骤1.8中收到的PFCP会话响应消息转发给SMF网元消息；
步骤1.12，按照3GPP协议，SMF网元在该用户后续的PFCP会话消息中都会带上UPF-SEID；
步骤1.13，IPU模块收到这些消息后会从UP F-SEID解析出GSU模块的ID，再根据该ID查找到GSU模块的内部通信地址，并将消息发给该GSU模块处理；
如图3，步骤2，本发明中5G-UPF冗余倒换方法包括如下步骤：
步骤2.1，当GPU模块通过心跳检测等手段监测出一个主用的GSU模块发生故障时，GPU模块会从M个备用GSU模块列表中选择出一个备用GSU模块；
步骤2.2，GPU模块会发送主备倒换消息给该备用GSU模块，并在消息中携带原主用GSU模块的ID；
步骤2.3，备用GSU模块收到主备倒换消息后，首先将自己从空闲模式切换到工作模式，然后会发送请求会话上下文同步消息给CDU模块，并在消息中携带原主用GSU模块的ID；
步骤2.4，CDU模块收到请求会话上下文同步消息后会在内存数据库里面查找该ID对应的所有会话上下文，并将这些会话上下文信息同步给GSU模块；
步骤2.5，GSU模块收到CDU模块同步到会话上下文信息后，会根据这些信息为用户重新创建会话资源和转发规则等；
步骤2.6，GPU模块给GSU模块发送主备倒换消息之后，会发送主备倒换信息给IPU模块，消息中携带原主用GSU模块的ID和新主用GSU模块的ID；
步骤2.7，IPU模块收到GSU模块主备倒换消息之后，会将原主用GSU模块的ID和新主用GSU模块的ID生成映射关系，并保存在自己的内存中。同时IPU模块还会将故障GSU模块从自己保存的主用GSU列表中移除；
步骤2.8，终端发送请求PFCP会话消息，SMF网元会将请求PFCP会话消息发送到UPF的IPU模块；
步骤2.9，IPU模块收到SMF发来的请求PFCP会话消息，消息中携带了UPF-SEID，IPU模块从中解析出GSU模块的ID，但此时该ID已经无法从主用GSU列表中找到GSU模块，所以IPU需要从主备GSU映射表中查询新的GSU模块，并将该会话消息转发给新的主用GSU模块；
为了实现本发明的目的，采用如下技术方案：
本发明是基于5G通信架构的一种UPF池智能平衡实现方法；既能够提供完整的5GCUPF业务处理能力，又具备负荷分担和冗余倒换的可靠性。
包括以下各个单元，如图1和图4所示：
终端，这里的终端是指无线接入的5G终端；终端在成功附着到5GC网络后，完成注册；后续，终端可以根据业务需要发起PFCP会话建立修改请求。
基站，在终端和核心网间转发请求和响应消息，实现空口的消息交互。由于本发明中，并未对终端建立PFCP会话流程作修改，因此基站不需要做额外的修改。后续流程图中，会省略基站的描述，认为基站在终端和核心网，对业务实现仅作透传处理。
SMF，终端附着和集群注册后，SMF需要根据用户签约信息为用户建立特定的会话上下文，转发规则，QoS(Quality ofService)流等，并将相关规则信息发送给UPF网元，请求UPF网元为终端建立用户面传输隧道。
UPF，本发明的核心在于5GC核心网中的UPF网元。UPF要负责根据SMF传递过来的会话上下文，转发规则，QoS流等为终端建立用户面传输隧道，并根据上述信息转发或丢弃终端用户面数据报文。
CDU，本发明增加的辅助功能模块，用于保存UPF中所有的用户会话上下文等信息。
DN(DataNetwork)，经过UPF转发规则处理的流量会与DN进行交互，完成用户与外部网络的通信，本发明中，并未对DN作修改。
EMS，本系统中可以为UPF配置相应的N+M模型。
本发明所述的一种UPF池智能平衡实现方法，提供了一种5G-UPF负荷分担方法，能够允许UPF业务模块动态的扩展，并保证业务的自平衡；
本发明所述的一种UPF池智能平衡实现方法，提供了一种5G-UPF冗余倒换方法，能够保证UPF业务模块宕机时用户的流量不中断，保证用户业务的稳定性。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种UPF池智能平衡实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
终端在核心网进行用户注册；
终端请求建立PFCP会话上下文；
核心网通过UPF根据终端请求选择主用GSU，主用GSU建立PFCP会话上下文，为终端提供数据业务；
核心网发现当前主用GSU故障时，重新选择新主用GSU；
新主用GSU重建会话上下文，并继续为用户提供数据业务。
2.如权利要求1所述的UPF池智能平衡实现方法，其特征在于，所述核心网通过5G-UPF负荷分担方法为用户选择主用GSU。
3.如权利要求2所述的UPF池智能平衡实现方法，其特征在于，所述通过5G-UPF负荷分担方法为用户选择主用GSU的具体步骤包括：
用户通过EMS配置5G-UPF的N+M的模型，其中N表示N个主用GSU，M表示M个备用GSU；
GSU模块上电后，会向GPU模块发送注册消息；
GPU模块收到注册消息后，记录当前上电的GSU模块的注册信息，并与配置的主用GSU个数进行比较；当上电的GSU个数小于或等于配置的主用GSU个数N时，GPU认为该GSU为主用，否则GPU认为该GSU为备用；GPU给GSU返回响应时，会将主用和备用信息带给GSU模块；
主用GSU模块收到GPU模块的响应时，根据携带的主用消息来设置主用GSU模块的状态，备用GSU模块收到GPU模块的响应时，根据携带的备用消息来设置备用GSU模块的状态，主用GSU模块进入工作状态，备用GSU模块进入空闲状态；
GPU模块给GSU模块返回响应后，会向IPU模块同步所有的GSU模块的注册消息。
4.如权利要求3所述的UPF池智能平衡实现方法，其特征在于，所述注册消息中携带GSU模块的ID，槽位信息和内部通信地址信息。
5.如权利要求4所述的UPF池智能平衡实现方法，其特征在于，所述建立PFCP会话上下文的具体步骤包括：
当手机用户上线时，即3GPP 29.244协议中的PFCP会话建立流程发生时，终端会将PFCP会话建立请求消息通过SMF网元发送到UPF的IPU模块；
IPU模块根据PFCP会话建立请求消息中携带的CP F-SEID结合工作状态GSU模块的数量经过平衡算法，选择出一个GSU模块用于处理该用户的会话流程，并将PFCP会话建立请求消息通过内部通讯地址转发到该GSU模块；
GSU模块收到PFCP会话建立请求消息后，按照3GPP协议为用户创建会话资源和转发规则，之后GSU模块生成PFCP会话响应消息，同时根据该GSU模块的APP计算出UP F-SEID并将其填充在PFCP会话响应消息内，之后再将该PFCP会话响应消息发回IPU模块；
GSU模块发送完PFCP会话响应消息后，会将为该用户创建的会话上下文及本模块的ID构成用户会话上下文同步消息发送给CDU模块；
CDU模块收到GSU模块发来的会话上下文同步消息，会以ID作为索引，将用户会话上下文保持在自己的内存数据库中；
IPU模块收到PFCP会话响应消息后将其通过SMF网元转发给终端；
终端按照3GPP协议，将该用户后续的PFCP会话消息通过SMF网元发给IPU模块；
IPU模块收到该用户后续的PFCP会话消息后会从UP F-SEID解析出GSU模块的ID，再根据该ID查找到该GSU模块的内部通信地址，并将该用户后续的PFCP会话消息发给该GSU模块处理。
6.如权利要求4所述的UPF池智能平衡实现方法，其特征在于，所述核心网发现当前主用GSU故障时，通过5G-UPF冗余倒换方法重新选择新主用GSU。
7.如权利要求6所述的UPF池智能平衡实现方法，其特征在于，所述通过5G-UPF冗余倒换方法重新选择新主用GSU的具体步骤包括：
当GPU模块检测出一个主用的GSU模块发生故障时，GPU模块会从M个备用GSU模块列表中选择出一个备用GSU模块，作为新主用GSU模块；
GPU模块会发送主备倒换消息给新主用GSU模块，并在消息中携带原主用GSU模块的ID；
新主用GSU模块收到主备倒换消息后，首先将自己从空闲模式切换到工作模式，然后新主用GSU模块发送请求PFCP会话上下文同步消息给CDU模块，并在消息中携带原主用GSU模块的ID；
CDU模块收到请求PFCP会话上下文同步消息后会在内存数据库里面查找该ID对应的所有PFCP会话上下文，并将这些PFCP会话上下文信息同步给新主用GSU模块；
新主用GSU模块收到CDU模块同步PFCP会话上下文信息后，会根据这些信息为用户重新创建会话资源和转发规则；
GPU模块给新主用GSU模块发送主备倒换消息之后，会发送主备倒换信息给IPU模块，主备倒换消息中携带原主用GSU模块的ID和新主用GSU模块的ID；
IPU模块收到主备倒换消息之后，会将原主用GSU模块的ID和新主用GSU模块的ID生成映射关系，并保存在自己的内存中；同时IPU模块将原主用GSU模块即故障GSU模块从自己保存的主用GSU列表中移除；
终端发生PFCP会话消息，终端会将PFCP会话消息通过SMF网元发送到UPF的IPU模块；
IPU模块收到终端发来用户PFCP会话消息中携带了UP F-SEID，IPU模块从中解析出原主用GSU模块的ID，但此时该ID已经无法从主用GSU列表中找到原主用GSU模块，所以IPU需要从主备GSU映射表中查询新的GSU模块，并将该PFCP会话消息转发给新主用GSU模块。
8.一种UPF池智能平衡系统，其特征在于，包括：
终端，指无线接入核心网的终端，终端成功接入核心网完成注册后，根据业务需要发起PFCP会话建立请求或修改请求；
基站，在终端和核心网间转发请求和响应消息，实现空口的消息交互；
核心网，包括：
SMF网元，终端接入和注册后，SMF据用户签约信息为用户建立PFCP会话上下文和转发规则，并将PFCP会话上下文和转发规则信息发送给UPF，请求UPF为终端建立用户面传输隧道；
UPF，用于根据SMF传递过来的PFCP会话上下文和转发规则，选择主用GSU，并建立PFCP会话上下文，为终端建立用户面传输隧道，当前主用GSU故障时，重新选择新主用GSU，并根据PFCP会话上下文和转发规则转发或丢弃终端用户面数据报文；
EMS，为UPF配置5G-UPF的N+M的模型；
CDU，用于保存UPF中所有用户的PFCP会话上下文信息；
DN，与经过UPF转发规则处理的流量进行交互，完成用户与外部网络的通信。
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