面向5G-A及6G的用户面演进研究及趋势分析

张雪贝 王立文 杨文聪 张帅

(中国联合网络通信有限公司研究院，北京 100048)

0 引言

随着5G网络的逐步规模部署，业界已进一步开展未来面向5G-Aavanced和6G的新场景、新架构、新技术的探索研究，以期更好地适应未来多样化的业务场景。从4G提出控制与转发分离的网络架构以来，用户面作为移动网中重要的转发环节，其实现方式及部署位置对于保障用户业务体验发挥着至关重要的作用，用户面可以按需分布式部署于中心、汇聚、边缘甚至本地位置，贴近用户业务下沉部署，以满足未来用户低时延、大带宽等的诉求。未来网络的演进趋势，是以用户和业务为中心，由应用需求驱动，高度自治高度敏捷的网络，因此，有必要围绕用户面的演进展开深入研究和探讨。

1 面向5G-A及6G的用户面演进新需求及标准研究

用户面功能(User Plane Function，UPF)作为5G用户面网元，通过N4 接口与会话管理功能(Session Management Function，SMF)进行交互，受SMF控制和管理，依据SMF下发的各种策略执行业务流的处理，其主要功能包括如下方面。

(1)移动网络与数据网络DN之间的互联点，用于用户面GTP隧道协议的封装和解封装。

(2)作为协议数据单元(Protocol Data Unit，PDU)会话锚点，即PDU会话锚点(PDU Session Anchor，PSA)，用于在无线接入时的提供移动性。

(3)数据包的路由和本地分流，作为中继I-UPF充当上行分类器或者分支节点。

(4)支持应用监测、QoS流处理、流量使用情况报告、IP 管理、策略控制和计费执行等功能。

随着5G-A及6G不断涌现出的新业务和新技术，未来用户面承担着海量数据的处理转发，为用户提供极致性能，满足用户面极限带宽的诉求，是网络中提升用户体验、降低运营商运营成本的关键网元，需要不断演进和深入研究。未来新的用户面除了上述基本能力之外，还会融入多种垂直行业能力[1]，例如高可靠保障、确定性转发、内生算力增强、定制安全加固等。同时，为满足用户极致体验的诉求，其部署位置和部署方式也不再局限于运营商网络的中心位置，可贴近用户下沉部署于5G边缘站点甚至客户本地网络，通过高集成度的服务器实现极简组网和自动开站的极简部署能力。

1.1 业务驱动的用户面演进新需求

(1)交互式和沉浸式：驱动用户面的分布式、应用感知、业务质量保障能力

未来，沉浸式扩展现实(Extended Reality，XR)、全息通信、感官互联、智能交互、数字孪生新兴业务新需求不断涌现[2]。随着视频编解码技术、成像和屏显技术等不断发展和成熟，视频业务朝着超高清、强交互的方向发展；随着云化XR技术发展，将显著降低 XR 终端设备的计算负荷和能耗；随着终端能力变得更轻便、更沉浸、更智能， XR 技术将进入全面沉浸化时代；同时随着无线网络能力、高分辨率渲染及终端显示设备的不断发展，未来的全息信息传递将通过自然逼真的视觉还原，实现人、物及其周边环境的三维动态交互，极大满足人与人、人与物、人与环境之间的沟通需求，将为提供高质量的用户体验。这驱动了用户面向着支持实时业务感知监控、分布式局域实时决策反馈、端到端业务质量保障等能力发展，同时为满足业务交互的实时性要求，也要求用户面下沉至网络边缘部署与用户业务深度融合。

(2)全域化和异构化，驱动用户面的开放共享、多接入能力、算力增强

4G实现人人互联，5G实现万物互联，随着5G-A及6G网络的演进，未来网络还将支持空天地等多种全域化接入，以及移动网、家庭网、卫星网、体域网等多种异构网络域的深度融合，实现泛在连接下的连续通信，为用户提供全时全域无缝覆盖的高可靠通信服务和端到端服务连续性保障等[3]。6G网络架构将进一步走向大集中与深分布的网络形态，一方面网络控制面功能进一步集中，数字化、智能化与数字孪生等技术使能网络大脑的形成，另一方面由于低时延与边缘本地业务驱动及网络资源的下沉，用户面走向深分布。用户面的异构自治特征更加突出，驱动了用户面的向着支持多种接入、内生算力增强、资源开放共享等方向演进，以更好地为用户提供无感知的网络接入、数据传输及切换体验。

(3)智能化和灵活化，驱动用户面的智能自治、安全隔离增强、极简运维能力

随着网络的演进，按需下沉的分布式用户面架构对其部署运维管理上也提出了新的需求。在未来6G的多样化分布式的边缘业务场景中，由于单个节点的算力资源有限，需要多节点协作，需要网络具备灵活快速响应的能力，并根据不同的边缘业务场景，实现快速灵活的网络部署、精准感知应用、智能决策反馈、实时/准实时保障业务等能力。驱动用户面向着跟随业务需求具备一定程度自管理、自优化、自演进的内生智能，简化to B用户的管理运维成本，安全方面需要融入区块链、统一身份识别等技术，在实现“碳达峰碳中和”目标、资源开放共享的同时也能够为用户提供业务的安全隔离保障能力[4]。

1.2 标准研究进展

围绕用户面演进的技术研究，在国内外各个标准组织都有开展相关的研究。

(1)第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project，3GPP)

3GPP对用户面演进的研究经历了从4G时代提出控制与转发CU分离架构，到5G进一步增强并引入边缘计算MEC功能，再到如今5G-A乃至6G研究对于用户面的进一步服务化、开放化、融合化的研究逐步深入。为满足多样化的垂直行业应用场景，3GPP在车联网、工业控制、沉浸式XR等多个细分领域开展了对用户面功能的增强研究。

(2)欧洲电信标准化协会(European Telecommunications Standards Institute，ETSI)

ETSI从2014年开始MEC规范研究，旨在定义基于NFV架构的MEC平台架构标准，重点关注MEC的应用场景、技术要求、整体框架及参考架构。随着to B业务场景的逐渐丰富，目前也在积极与3GPP开展联合研究，考虑适应垂直行业业务的多样化需求，拓展MEC及5G网络的服务能力，研究与5G网络架构协同联动、与用户面UPF共平台部署及跨UPF/MEC的协同等技术方案。

(3)国际互联网工程任务组(The Internet Engineering Task Force，IETF)

IETF主要关注互联网相关技术标准协议的研发制定和演进，其下多个工作组开展路由转发、确定性网络TSN和DetNet研究、应用感知等研究工作。随着5G用户面节点和MEC节点的按需下沉、算力网络的发展，目前也与积极3GPP等多个标准组织展开联合研究，关注6G网络中移动网络用户面节点与传输网络协同研究、应用与网络感知、端到端确定性以及基于UDP的QUIC安全传输协议等研究，通过研究特定应用适用的上层传输协议实现与网络侧协同感知，将应用信息传递给底层网络，共同打造用户端到端的业务体验。

(4)中国通信标准化协会(China Communications Standards Association，CCSA)

国内的5G及5G-A的用户面标准化工作主要在中国通信标准化协会CCSA开展，其中相关的子组主要有 TC5(无线通信组)主要负责移动网用户面的面向2C用户的基本功能和部分增强功能研究；ST8(工业互联网组)主要负责面向工业互联网相关研究，结合工业行业如园区、矿山、钢铁等具有明显行业属性的业务对用户面演进提出需求能力；此外在其他的工作组中也有面向车联网业务、非3GPP接入业务等多种垂直行业场景的研究项目，都对用户面的安全、多接入、可靠传输等能力演进提出了诉求。

(5)IMT-2030推进组(International Mobile Telecommunications 2030 Promotion Group，IMT-2030)和6G网络AI联盟(6G Alliance of Network AI，6GANA)

随着5G的商用部署，当前全球都在积极布局6G研究工作，IMT-2030[2]和6GANA[5-6]主要承担了国内的6G预研工作。IMT-2030网络组的研究包括确定性网络、算力网络、分布式网络、数字孪生、智能内生等的网络技术；6GANA则主要关注内生智能，专注于6G网络AI相关技术、标准化、监管和产业的持续探索和推广，推动AI成为6G网络全新的能力与服务。目前业界已达成一定共识，6G网络的新用户面要能针对“感算智数”类新业务的数据包具备按需灵活的可编程和分流功能，实现与数据包适配的流转和传输服务；靠近业务部署的用户面要具备一定的本地AI能力，提供实时的AI能力支持如模型算法等，能够联合云、网、边、端侧算力和智能，共同保障用户业务体验。

2 面向5G-A及6G的用户面演进趋势分析

2.1 按需下沉，与边缘深度融合趋势

用户面下沉是以数据分流技术为基础，按需下沉用户面网元功能，满足用户业务数据本地卸载的需求，为用户提供部分逻辑/物理资源独享的网络。用户面下沉的组网架构根据业务需求及物理范围，可下沉一个或多个UPF网元，并部署在不同的位置如图1所示。随着更加深入地挖掘垂直行业领域的业务需求，网络的部分控制面、管理面等功能也可实现与用户面设备集成一体，实现一键式下沉部署，以支持端到端网络功能。

图1 用户面节点下沉多种部署方案

未来，下沉的用户面将呈现在架构、业务、设备形态、管理运维等方面与边缘深度融合的趋势。

架构融合：传统的移动网络和数据网络通常以边界网关区分隔离，通过N6接口实现基本互联能力，但在架构设计、业务服务质量(Quality of Service，QoS)以及管理编排上仍相对独立，会在边界区域产生业务分割离散，用户跨多接入边缘计算(Multi-access Edge Computing，MEC)节点切换时易产生异常等问题。因此，秉承灵活开放、智能自治的理念，需要考虑用户面与边缘节点从架构设计上融合，打破传统方案的层间域间壁障，探索设计以用户和任务为中心的新用户面架构，提高网络按需定制、灵活编排以及互操作的能力，突破5G边缘场景业务部署开通时“一事一议”、逐点打通的工程困境，构建算网边端业一体化的基础设施，逐步实现现场自适应柔性网络。

业务融合：即实现移动网用户链路与数据网络用户链路的贯通和自适应，用户面向内生算力增强演进[7]。一是根据业务需求除了选择终端用户到用户面节点间的链路外，还可感知用户面节点与多边缘计算节点间的路径、跨计算节点的业务切换，实现节点间灵活互联和端到端路径定制等，保障确定性网络服务；二是为路径选择互相提供相应的灵活开放能力，如当前/预测的网络服务质量状态、终端用户位置信息、应用的部署信息等；三是为业务应用的分布式设计提供灵活的流量路径定制、负载分担等服务，如5G UPF下沉分流方案，目前业务内重点研究的基于IPv6的段路由(Segment Routing IPv6，SRv6)具备IPv6可达即服务可达和灵活的三层编程空间等特性在边缘场景端到端跨域流量路径定制方面极具潜力。随着网络新技术和业务应用的不断创新探索，未来网络和业务融合的模式也会有更多的方式，新的融合模式也将会进一步地促进新型业务应用的创新。

设备形态融合：用户面作为移动网络和边缘网络的关键结合点，网络功能服务化除了使用户面功能可以借助边缘的平台即服务(Platform as a Service，PaaS)能力实现快速开发和灵活设计，还具备了软硬解耦的优点，使其可以按需下沉部署在边缘场景服务器中，不再必须依赖专用的硬件设备，实现了与边缘服务器在设备形态上的融合。同时，用户面设备也在向着白盒化发展，通过开源网络操作系统、云原生技术、P4编程等技术实现对网元功能的二次开发，支持更加灵活的用户面能力，使边缘业务有可能直接部署在白盒网络设备中实现更加紧密的业务协同和算力共享。

管理运维融合：网络与边缘在业务、平台能力和设备形态方面的深度融合在为业务应用带来更灵活、更丰富、更精细的网络服务的同时，也增加了网络和边缘算力、业务应用的管理和运维的难度，网络如何按需快速开通业务、如何针对不同的业务需求配置和优化QoS提供差异化的服务级别协议(Service Level Agreement，SLA)服务、如何在大规模多业务并发的情况下实时监控网络的运行和服务质量状态；边缘算力如何感知网络的能力和状态、如何使网络随业务调度同步调度；端到端的业务异常时，如何快速定界定位网络故障等等，都对未来的网络和边缘算力/业务应用的管理和运维提出了挑战。为此，也需要管理运维的深度融合，打破以往技术其他因素造成的分界面，打通算-网-业三者协同所需的数据流通路径[8]。同时结合智能化、可视化等技术，降低管理运维的复杂性。

2.2 大集中+深分布，分层分布式趋势

传统的用户面从4G的集中式部署演变为5G UPF的按需灵活下沉，跟随用户面下沉趋势，应用可通过多接入边缘计算(Multi-access Edge Computing，MEC)实现内容源靠近用户的分布式部署，可以看到未来用户面也呈现分层分布式的架构。中国联通在《CUBE-Net 3.0:5G确定性服务质量保障体系白皮书》中，结合目前用户面下沉与边缘深度融合的分层分布式网络架构，提出提供确定的服务质量保障能力，构建局域+广域相辅相成的分层闭环感知架构[9](见图2)。结合AI智能化技术，实现全局业务及资源的感知和分析网络路径规划，生成全局及各域的决策配置并下发，配合下沉的用户面节点，为未来广域、局域及多种定制化业务实现SLA保障[10]。

图2 5G确定性服务质量保障体系架构图

其中，边缘网络局域闭环利用下沉的用户面和部分控制面和算力能力，负责靠近终端侧的实时业务及网络信息感知与收集，评估与控制，形成局域内网络资源优化，实现对局域网络的实时SLA保障和动态调整[11]。同时，整体的广域闭环则利用分布式的用户面节点上报信息收集全域数据及网络和切片资源使用情况，通过智能化分析与决策，实现广域网络的配置调整。另外，局域闭环的决策也会实时向集中的广域闭环反馈，保持整个网络的协同一致。

从IMT-2030网络组的研究中也可看到，随着用户数量、网络设备数量、协议数量、接口数量以及网络设备之间的互连/交互数量快速增长，以及网络功能的快速增多，集中架构的设计使得网络正变得越来越复杂。为提供更极致的网络性能、更好的业务体验，6G网络架构也呈现出向着集中+分布式协同转变的发展趋势。一方面将更多的用户面功能节点集成部分轻量级的控制面功能扩展到网络边缘，使网络边缘具备一定的自组织自决策自适应能力；另一方面将面向全局的通用核心功能集中，通过云网融合、分层分布式协同，支持更加复杂的业务。

用户面的分布式，使可根据用户的业务需求实现“搭积木”式的网络部署能力，利用分布式的用户面和控制面网络的协同，实现信息共享和高效联动。同时，分布式的新用户面架构不仅可以抵御分布式拒绝服务攻击(Distributed Denial of Service，DDoS) 攻击和降低单点故障的风险，也可以为每一个用户提供定制化的安全策略。为用户提供更为灵活的网络功能组合、动态实时的网络资源调度能力，以及提供6G网络服务的连续性及高质量保障。

2.3 业务驱动的行业定制化趋势

随着5G垂直行业场景的多样化，用户面UPF已有多种下沉部署方案，对应不同业务场景，也设计了相应的用户面定制化能力增强。可以看到，下沉的用户面节点功能呈现出越来越明显的与垂直行业密切相关的行业定制化趋势(见图3)。

图3 面向行业定制化需求的用户面方案

在面向垂直行业多样化的场景中，如何部署满足行业特性需求的用户面节点，联通也在不断开展实践探索：面向政务、校园网络的内网漫游场景需求，设计了支持漫游场景安全接入的用户面方案，打造了覆盖全国的随行专网；面向煤炭矿山等封闭但对安全可靠要求较高的场景，设计了多套保障业务永远在线的用户面下沉方案，打造高可靠专网[12]；针对园区等制造行业，通过下沉用户面UPF节点，与边缘MEC节点深度协同[13]，满足了园区用户的多种本地应用需求；面向AR/VR/云游戏等大视频需求，也在探索适合实时大流量转发业务的用户面功能；围绕这些不同行业的用户面也需设计配套的定制安全能力。

未来，6G多样化场景需要用户面功能越来越趋向定制化和模块化。未来用户面将不仅仅包括分布式下沉的UPF节点，随着算力泛在化，终端、无线节点的转发面以及边缘节点等都将构成新的用户面的一部分，实现对分布式算力、分布式网络和分布式业务的统一高效的一体化编排和动态调度，满足定制化的网络需求。与此同时，未来业务驱动的定制化用户面和公共网络用户面将是互补协同的关系，相互之间可以进行互通，网络根据不同的业务需求，能够将用户迁移到不同网络，或者将用户请求路由到不同网络来获取相应的服务，实现不同业务场景下的局部域内自治。

2.4 用户面资源共享趋势

随着“碳达峰碳中和”目标的进一步推进以及边缘计算、AI、数字孪生网络等的发展演进，运营商从之前的独享网络，到探索共建共享接入网络共享频谱，再到未来6G网络的算力、数据、智能等的深度共享合作，未来6G网络用户面的共享也将成为一种重要趋势。

未来6G网络中的全面共享，一方面表现在参与共享的主体从最初的不同运营商，逐渐扩大到终端用户、云服务提供商、应用服务提供商等等，甚至会是接入6G网络的各个实体；另一方面表现在可共享的资源种类趋向多样化，不限于运营商拥有的基站和频谱资源，可以是边缘UPF等新用户面资源，可以是集成在用户面一体机上的部分控制面功能，也可以是6G网络中不同用户面节点拥有的算力、AI模型算法、数据服务等。

3 结束语

在数据、运营、互联网与通信技术融合趋势下，通信服务的对象被重新定义，其数据和服务被重新认识和利用，未来的网络将提供以用户和任务为中心的网络服务，而不仅是单一的PDU会话提供流量无差别转发的通信链路，因此新的用户面节点也会与边缘节点、汇聚和中心节点乃至可提供算力资源的终端节点，共同构成新的用户面[14-15]。随着新用户面的不断演进，未来新的用户面设计和部署，需要克服现有5G用户面的不足，从与边缘算力深度融合一体化、功能定制化差异化、部署编排智能化自治化、资源能力开放化等角度展开进一步研究。除了服务传统的移动用户外，新的用户面还可针对日益多样化的垂直行业业务应用，根据不同的业务特点，提供定制化的业务编排和用户面编排，以更好地满足垂直行业对于安全隔离、高可靠低时延、实时交互、确定性、多接入等等不同多样化的需求，助力5G-A和6G赋能千行百业。