ES2908154T3 - Implementación de la UPF distribuida para redes 5G - Google Patents

Implementación de la UPF distribuida para redes 5G Download PDF

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Abstract

Un sistema de comunicación que se adapta para transmitir paquetes de datos, comprendiendo el sistema: al menos un Nodo de Acceso, AN, que puede conectarse a un equipo de usuario, UE; un componente de la Función de Plano de Usuario, UPF; y una red de datos, DN; el componente de la UPF es un componente distribuido y comprende: al menos un componente de Borde de Función de Plano de Usuario, UPF-E, y un componente Central de Función de Plano de Usuario, UPF-C, el componente UPF-E que se conecta entre la AN y el UPF- C, y el UPF-C que se conecta entre el UPF-E y la red de datos, DN, u otro UPF-C; caracterizado porque: un componente de Gestión de la UPF, UPF-M, se configura para exponer una interfaz N4 con relación a una Función de Gestión de Sesión, SMF, y para controlar la funcionalidad de procesamiento de paquetes en al menos un componente UPF-E y al menos uno UPF-C.

Description

DESCRIPCIÓN
Implementación de la UPF distribuida para redes 5G
Campo de la invención
La invención se refiere a una implementación de la Función de Plano de Usuario (UPF) distribuida para redes 5G que es compatible con versiones anteriores con la transmisión del plano de usuario (UP) especificado por 3GPP mediante el uso del Protocolo de Tunelización GPRS para el plano de usuario (GTP-U). La presente invención cubre la implementación de la UPF distribuida, así como también el registro de la UPF en la red 5G de forma independiente a la red de transporte desde el punto de vista de las interfaces que la UPF expone a otros componentes de la red 5G.
Antecedentes
Las redes actuales se cambian rápidamente a anchos de banda muy altos. Es importante que los operadores logren una alta capacidad a bajo costo. Una de las opciones es usar equipos de red comerciales disponibles en el mercado (COTS) que pueden reprogramarse para necesidades de telecomunicaciones específicas.
Sin embargo, esta opción se obstaculiza por las complejas pilas de protocolos que se usan en el dominio de las telecomunicaciones. La UPF es capaz de realizar un procesamiento de tráfico muy complejo mediante el encadenamiento de reglas de procesamiento de paquetes, pero la pila de protocolo estandarizada por 3GPP se basa en GTP-U para el transporte de paquetes, un protocolo que ya se usa en las redes GSM.
Los equipos de red que se basan en COTS generalmente se basan en componentes comerciales (un término que se usa para describir los chips que diseña y fabrica una entidad distinta a la empresa que proporciona un servicio particular en el que estos se usan) que se optimizan para Ethernet y/o procesamiento de paquetes IPv4/IPv6 y son capaces de realizar procesamiento de datos de tráfico a alta capacidad y bajo costo por unidad de tráfico. Sin embargo, dichos componentes comerciales no son capaces de procesar las pilas de protocolos específicos que se usan en las telecomunicaciones.
La Figura 1 muestra la arquitectura del sistema 5G como la estandarizada por 3GPP, en TS 23.501. Un Equipo de Usuario (UE), por ejemplo, un teléfono móvil u otro dispositivo, se conecta a una Red de Acceso (AN). La AN se conecta a una Red Central (CN), que permite que el UE tenga conexión a una Red de Datos (DN), por ejemplo, una red de datos externa, como Internet. Se especifican varias interfaces de Plano de Control (CP) y UP para la UPF. Estas son, la interfaz N3 (AN-UPF UP), la interfaz N4 (una Función de Gestión de Sesión, SMF-UPF c P), la interfaz N6 (UPF-DN UP) y la interfaz N9 (UPF-UPF UP, por ejemplo, para la UPF de encadenamiento).
La implementación de la UPF distribuida de acuerdo con la invención se centra en las interfaces N3, N4 y N6 de la UPF y cómo la funcionalidad de la UPF se distribuye entre diferentes entidades, es decir, componentes de la UPF, mientras se mantiene la compatibilidad con versiones anteriores de los sistemas 3GPP actuales.
La Figura 2 muestra la pila de protocolos UP tal como se especifica en el 3GPP. Para transmitir datos, un UE usa una sesión de PDU a través de la cual se envía el tráfico de la aplicación. Los datos de la sesión de PDU se encapsulan en paquetes GTP-U.
El CN es, tal como se especifica en el 3GPP, independiente del transporte, es decir, no necesita conocer las pilas de protocolo subyacentes que se emplean para transportar su tráfico. Como ejemplo, si se usa una red de transporte basada en SRv6 para transportar el tráfico del UP entre la AN y CN, como se ve en la Figura. 3, la pila de protocolo SRv6 solo proporciona capacidades de transporte. Esta pila de protocolo general que incluye una red de transporte SRv6 se muestra en la Figura 4.
Bogineni y otros: "Optimized Mobile User Plane Solutions for 5G; draft-boginenin-dmm-optimized-mobile-user-plane-01.txt", núm. 1, 29 de junio de 2018, páginas 1-65, XP015127176", las secciones 5.2-5.4 divulgan el uso de la tecnología SRv6 para reemplazar la GTP-U, así como también el encadenamiento de funciones.
Problema técnico
Es un objeto de la presente invención proporcionar una implementación de la UPF distribuida que sea compatible con versiones anteriores con el transporte GTP-U que se especifica por 3GPP para el UP. La invención se refiere a un sistema de comunicación que se adapta para transmitir paquetes de datos como se recoge en las reivindicaciones adjuntas.
De acuerdo con la implementación de la UPF distribuida de la presente invención, un operador podría lograr una cloudificación, lo que significa distribuir un programa que se ha diseñado y diseñado específicamente para entornos en la nube, del plano de usuario que incluye: un transporte más fácil debido al uso de protocolos de red que permiten el uso de múltiples encabezados o etiquetas sin la necesidad de usar tunelización GTP-U sobre la red dentro de la UPF distribuida, el despliegue distribuido de la funcionalidad de la UPF, la compatibilidad con versiones anteriores de las especificaciones 3GPP actuales y flexibilidad mejorada para manejar diferentes flujos de QoS. Dado que la funcionalidad de la UPF puede distribuirse en diferentes plataformas como, por ejemplo, los procesadores de paquetes de equipos de caja blanca COTS (por ejemplo, compatibles con P4) y máquinas Linux, pueden realizarse diferentes etapas de procesamiento de paquetes en las plataformas más adecuadas. Por ejemplo, el reenvío de paquetes simple y de alto rendimiento puede realizarse en nodos asistidos por equipo y la inspección profunda de paquetes computacionalmente intensiva puede realizarse en servidores COTS en el procesamiento de la CPU.
La heterogeneidad de las tareas a realizar sobre el tráfico de datos dificulta el uso de una nube homogénea para procesar dicho tráfico, es decir, una nube que se compone de nodos con capacidades iguales. Un operador puede tener diferentes tipos de tráfico con diferentes necesidades. Por ejemplo, el tráfico de Internet de gran ancho de banda (por ejemplo, Tb/s) que requiere poco procesamiento podría procesarse fácilmente mediante cajas blancas con equipo de procesamiento de datos básicos con un conjunto de funciones limitado. El tráfico móvil generalmente requiere una multitud de reglas de tráfico, reglas de almacenamiento en búfer y reglas de Calidad de Servicio (QoS). En tal caso, esto puede requerir servidores COTS capaces de un procesamiento más complejo, con un mayor costo por Gb/s.
Esta implementación de la UPF distribuida permite el procesamiento de paquetes distribuidos y el transporte nativo del UP 5G a través de una red, mediante el empleo de protocolos de red que permiten el uso de múltiples encabezados o etiquetas para lograr dicho procesamiento de paquetes distribuidos como, por ejemplo, el Enrutamiento de Segmentos, versión 6 (SRv6 ) o la Conmutación de Etiquetas Multiprotocolo (MPLS), sin necesidad de usar tunelización GTP-U en la red. Por lo tanto, se permite que los componentes de la UPF y los enrutadores de la red de transporte usen la misma pila de protocolos.
Con fines explicativos e ilustrativos, la siguiente descripción se centra en el campo de aplicación del SRv6 y usa su nomenclatura para describir cómo se distribuye el procesamiento de paquetes entre los componentes de la UPF. Dichos protocolos de red se denominan protocolos de red programables, porque los encabezados de los paquetes se usan para codificar el procesamiento de datos de la UPF que requiere cada componente, es decir, para programar el procesamiento de datos.
En vista de lo anterior, la presente invención propone una implementación de la UPF distribuida que usa de manera ejemplar el SRv6 como un protocolo de red para transportar tráfico de UP de forma nativa, de esta manera facilita a los operadores implementar el procesamiento de UP mediante el uso de COTS e integrar la funcionalidad de la UPF dentro de los nodos con capacidad SRv6 en la red de transporte. Esta arquitectura también puede aplicarse a otros nodos CN, tal como la Función de Puerta de Enlace de Acceso Alámbrico (WAGF) o nodos 4G tal como la Puerta de Enlace de Servicio (SGW) y la Puerta de Enlace de Red de Paquetes de Datos (PGW).
En la arquitectura que se describe, un operador podría entonces implementar de manera óptima la funcionalidad que requiere un flujo de datos.
Como la red central es, tal como se especifica mediante 3GPP, independiente del transporte, no es posible exponer los detalles del protocolo de red programable empleado a través de los medios estandarizados por 3GPP. La presente invención también detalla cómo la UPF distribuida descrito puede registrarse en la red 5G. Como los componentes internos de la UPF no se exponen a la red 5G, el procedimiento descrito también puede aplicarse a implementaciones de la UPF distribuidas que no usan internamente un protocolo de red programable tal como el SRv6 o el MPLS.
Sumario de la invención
Los objetos anteriores se consiguen mediante las características de las reivindicaciones independientes.
De acuerdo con un primer aspecto, la invención proporciona un sistema de comunicación que se adapta para transmitir paquetes de datos, el sistema que comprende: al menos un Nodo de Acceso, AN, que puede conectarse a un equipo de usuario, UE; un componente de Función de Plano de Usuario, UPF; y una red de datos, DN. El componente de la UPF es un componente distribuido y comprende: al menos un componente de Borde de Función de Plano de Usuario, UPF-E, y un componente Central de Función de Plano de Usuario, UPF-C, el componente UPF-E se conecta entre la AN y la UPF-C, y la UPF-C se conecta entre la UPF-E y la red de datos, DN, u otra UPC-C; caracterizado porque: un componente de Gestión UPF, UPF-M, se configura para terminar una interfaz N4 con relación a una Función de Gestión de Sesión, SMF, y para controlar la funcionalidad de procesamiento de paquetes en al menos un componente UPF-E y al menos uno UPC-C.
En este aspecto, el sistema de comunicación puede comprender además una red de transporte, TN, en el que la TN se conecta entre la UPF-E y la UPF-C.
En estos aspectos, la red de transporte, TN, puede ser una TN de Enrutamiento de Segmento versión 6, SRv6, o una TN de Conmutación de Etiquetas Multiprotocolo, MPLS.
En estos aspectos, el UPF-M puede configurarse además para: controlar qué capacidades de procesamiento de paquetes se requieren en los componentes UPF-E y UPF-C, en los que el procesamiento de paquetes comprende al menos una Regla de Detección de Paquetes, PDR, y al menos una regla de procesamiento de paquetes, en el que una PDR indica al menos una regla de procesamiento de paquetes; recibir información de procesamiento de paquetes desde una Función de Gestión de Sesión, SMF, a través de la interfaz N4, en la que la información de procesamiento de paquetes contiene información que indica qué tipo de procesamiento de paquetes requiere el al menos una PDR; decidir, para cada paquete de datos, una ruta que contenga qué componentes UPF-E y UPC-C debe atravesar cada paquete de datos; señalizar la PDR al primer componente UPF-E o UPF-C elegido en la ruta.
En estos aspectos, si uno o más componentes de la UPF de la ruta carecen de una o más capacidades de procesamiento de paquetes requeridas, el UPF-M puede configurarse para distribuir una o más capacidades de procesamiento de paquetes requeridas para cada uno o más componentes de la UPF.
En estos aspectos, el sistema de comunicación puede comprender una pluralidad de Nodos de Acceso, AN y una pluralidad de componentes UPF-E, en el que cada componente UPF-E se conecta a al menos un AN.
En estos aspectos, el sistema de comunicación puede comprender además otro componente UPF-C que se conecta entre el componente UPF-E y la TN, o entre el componente UPF-E y la DN o entre dos o más componentes UPF-C.
En estos aspectos, cada componente UPF-E puede configurarse para exponerse con relación al AN o los AN que conectan, un mismo Anclaje de Sesión de Unidad de Datos de Protocolo IP, IP-PSA.
En estos aspectos, el primer componente UPF-E o UPC-C de la ruta puede configurarse para: recibir la información de procesamiento de paquetes desde el UPF-M; ejecutar una PDR en un paquete de datos; insertar uno o más Encabezados de Enrutamiento de Segmento, SRH, en el paquete de datos, en el que el SRH indica al siguiente nodo de la ruta qué reglas de procesamiento de datos se ejecutarán en el paquete de datos, y donde el SRH contiene un localizador y una función, donde el localizador se usa para enrutar el paquete al nodo y la función identifica la acción a realizar en el siguiente nodo; aplicar las reglas de procesamiento de paquetes correspondientes para este primer componente UPF-E o UPC-C a paquetes que coincidan con la PDR; y reenviar el paquete de datos al siguiente componente de la ruta.
En estos aspectos, el siguiente componente de la ruta puede configurarse para: recibir la información de procesamiento de paquetes desde el UPF-M; aplicar las reglas de procesamiento de paquetes correspondientes para este siguiente componente UPF-E o UPC-C de acuerdo con la información presente en los localizadores y funciones; y reenviar el paquete de datos al siguiente componente de la ruta o la DN, de acuerdo con la información presente en los SRH.
En estos aspectos, cada UPF-E puede configurarse para: recibir un paquete de datos desde el AN conectado; terminar un Protocolo de Tunelización de Servicio General de Paquetes vía Radio, GPRS, para el túnel de plano de usuario, GTP-U, con el AN o los AN conectados; mapear, de acuerdo con la información de procesamiento de paquetes que se proporciona mediante el UPF-M, la información del túnel GTP-U a uno o más SRH; y reenviar el paquete de datos al componente UPF-C.
En estos aspectos, el componente UPF-C puede configurarse para: recibir un paquete de datos desde la DN; mapear, de acuerdo con la información de procesamiento de paquetes que se proporciona mediante el UPF-M, el paquete de datos a una dirección IPv6 mapeada de un túnel GTP-U; y reenviar el paquete de datos al componente UPF-E o UPF-C.
En estos aspectos, el componente UPF-E puede configurarse para registrar una instancia de Función de Repositorio de Funciones de Red, NRF, Servicio de Función de Red, NFS que exponga una o más interfaces N3, su ubicación o una combinación de las mismas; y/o el componente UPF-C puede configurarse para registrar una instancia de Función de Repositorio de Funciones de Red, NRF, Servicio de Funciones de Red, NFS que exponga una o más interfaces N6, su ubicación, sus DNN admitidos o una combinación de los mismos; y/o el componente UPF-M puede configurarse para registrar una instancia de Función de Repositorio de Funciones de Red, NRF, Servicio de Funciones de Red, NFS que exponga una o más interfaces N4, su ubicación o una combinación de las mismas.
En estos aspectos, los componentes UPF-C o UPF-E pueden implementarse en el mismo dispositivo o servidor, en el que el mismo dispositivo o servidor comprende además la funcionalidad de una Unidad Central de Nodo B de siguiente generación, gNB-CU, o componente TN.
Otros aspectos, características y ventajas serán evidentes a partir del sumario anterior, así como también de la descripción que sigue, que incluye las figuras y las reivindicaciones.
Breve descripción de los dibujos
En los dibujos
La Figura 1 ilustra una arquitectura ilustrativa de sistema 5G del Plano de Control y el Plano de Usuario tal como se define en el 3GPP TS 23.501.
La Figura 2 ilustra la Pila de Protocolo de Plano de Usuario tal como se define en el 3GPP TS 23.501.
La Figura 3 ilustra una red 5G que usa el transporte SRv6 entre la AN y el núcleo 5G para el UP.
La Figura 4 ilustra un ejemplo de una pila de protocolos de plano de usuario 5G con una red de transporte SRv6 de acuerdo con la técnica anterior.
La Figura 5 ilustra un ejemplo de la arquitectura y la Plataforma de Protocolo de Plano de Usuario 5G con implementación de la UPF distribuida de acuerdo con una realización de la presente invención. La Figura 6 ilustra un ejemplo de un despliegue que usa la implementación de la UPF convencional.
La Figura 7 ilustra un ejemplo de un despliegue que usa la implementación de la UPF distribuida de acuerdo con una realización de la presente invención.
La Figura 8 ilustra un ejemplo de movilidad y Unidad de Datos de Protocolo (PDU) Anclaje de Sesión (PSA) que usan de la implementación de la UPF convencional.
La Figura 9 ilustra un ejemplo de movilidad y Anclaje de Sesión de PDU (PSA) que usan la implementación de la UPF distribuida de acuerdo con la presente invención.
La Figura 10 ilustra un ejemplo de direccionamiento de interfaz N3 para el UPF-E.
La Figura 11 ilustra el flujo de procesamiento de paquetes del Plano de Usuario (UP) 7a en la UPF tal como se define en el 3GPP TS 29.244.
La Figura 12 ilustra un ejemplo de la decisión de ruta y la distribución lógica que usan la implementación de la UPF distribuida de acuerdo con la presente invención.
La Figura 13 ilustra la división funcional para paquetes salientes que usa de la implementación de la UPF distribuida de acuerdo con la presente invención.
La Figura 14 ilustra la Pila de Protocolo de Plano de Usuario para la Función de Puerta de Enlace de Acceso por Cable (W-AGF) de acuerdo con la técnica anterior.
La Figura 15 ilustra un ejemplo de campo de aplicación de la implementación de la UPF distribuida de acuerdo con la presente invención en la Función de Puerta de Enlace de Acceso por Cable (W-AGF). La Figura 16 ilustra un ejemplo de campo de aplicación de la implementación de la UPF distribuida de acuerdo con la presente invención en la Puerta de Enlace de Servicio (S-GW) y la Puerta de Enlace de Red de Datos en Paquetes (PDN GW/PGW) tal como se define en el Núcleo de Paquetes Evolucionado (EPC) 3GPP TS 23.401.
La Figura 17 ilustra la Arquitectura General de la Red de Acceso de Siguiente Generación (NG-RAN) tal como se define en el 3GPP.
La Figura 18 ilustra un ejemplo de una implementación de la UPF distribuida con GTP-U contenido en un dispositivo local.
La Figura 19 ilustra los datos de registro NRF de los Servicios de Función de Red (NFS) de la UPF
Descripción detallada de la invención
La presente invención asume que la Red de Acceso (AN) y el núcleo 5G de la red se conectan por medio de una red de transporte (TN).
Como se muestra en la Figura 3, el SRv6 se usa como red de transporte entre el núcleo 5G y la AN. La Figura 3 muestra un Equipo de Usuario (UE) que se comunica, a través de la An y el núcleo 5G, con una Red de Datos, DN (por ejemplo, una Red Externa tal como Internet).
De acuerdo con una realización preferida de la presente invención, la UPF se divide en uno o más componentes de Borde (UPF-E) y uno o más componentes Centrales (UPF-C), en el Plano de Usuario (UP), y una UPF de Gestión, UPF-M, que se describirá más adelante, en el Plano de Control (CP). Desde una perspectiva funcional, sigue siendo una única UPF (como es el caso que se muestra en la Figura 1), tal como se define en el 3GPP y mediante el uso de la pila de protocolos especificados por 3GPP (como se muestra en la Figura 2), pero se implementa y despliega en una arquitectura distribuida.
La Figura 5 ilustra un ejemplo de la arquitectura y la Pila de Protocolo de Plano de Usuario 5G con implementación de la UPF distribuida de acuerdo con una realización de la presente invención. La Figura 5 muestra un UPF-E y un UPF-C que se despliegan entre la AN y la red de transporte, mientras que al menos un UPC-C se despliega entre la red de transporte y la red externa (notar que la Figura 5 muestra la arquitectura de Plano de Usuario, de manera que no se muestra el UPF-M, que forma parte del Plano de Control).
Como se ilustra en la Figura 5, funcionalmente la UPF, como entidad funcional, ahora se extiende a ambos lados de la red de transporte (es decir, es una UPF distribuida). Además, como se muestra en la Figura 5, el Protocolo de Tunelización GPRS para el plano de usuario (GTP-U) se termina en el UPF-E y, por tanto, antes de entrar en la red de transporte. La pila de protocolo que usa el UPC-C y la red de transporte es común, en ambos casos se basa en el SRv6, como red ilustrativa.
En términos de componentes desplegados en una red, la Figura 6 muestra una UPF que se coloca después de la red de transporte de acuerdo con la técnica anterior, mientras que la Figura 7 ilustra un despliegue del mismo sistema, que usa la implementación de la UPF distribuida de acuerdo con una realización de la presente invención. El hecho de que el UPF-C y TN usen la misma pila de protocolo, como se muestra en la Figura 5, permite que el UPC-C y la tN puedan ejecutarse en el mismo equipo de red (por ejemplo, equipo de red basado en componentes comerciales) o plataforma (por ejemplo, implementación del protocolo SRv6 basado en Linux).
Con referencia a la Figura 6, los Nodos de Acceso AN-1 a AN-5 se conectan, a través de la red de transporte, que se compone de la TN-1 a TN-8, hasta la UPF, en la que la UPF se implementa de manera convencional. La UPF se conecta con la DN.
Con referencia de nuevo a la Figura 7, desde la perspectiva del UP, la invención considera dos aspectos que difieren de la implementación como se muestra en la Figura 6: 1) la funcionalidad del UPF-E puede ubicarse junto con la funcionalidad de la AN o TN (por ejemplo, una unidad de Computación de Borde Móvil (MEC) que alberga la funcionalidad de la AN y la funcionalidad del UPF-E); y 2) la funcionalidad del UPF-C puede ubicarse junto con la funcionalidad de la red de transporte (por ejemplo, un dispositivo COTS con capacidad SRv6 que admita el procesamiento de encabezados SRv6 para la funcionalidad de la UPF, así como también encabezados SRv6 para la funcionalidad de la red de transporte).
Con respecto a la movilidad de los UE dentro y entre Tecnologías de Acceso por Radio (RAT), los estándares 3GPP actuales definen un Anclaje de Sesión (PSA) de Unidad Datos de Protocolo (PDU), que es el punto de terminación de una sesión de PDU. La pila de protocolo para la capa PDU termina en el PSA. El PSA corresponde a la UPF como se muestra en la Figura 3.
En el caso de la movilidad anterior, el mantenimiento del PSA requiere que el IP de extremo de la AN de la UPF y los nodos de la AN se conecten a través de las interfaces N3 de manera que los extremos del túnel GTP-U permanezcan sin cambios. Esto se ilustra en la Figura 8, que muestra un ejemplo de Anclaje de Sesión (PSA) de Unidad de Datos de Protocolo (PDU) y movilidad que usan la implementación de la UPF tradicional, donde el IP de extremo para las interfaces N3 con relación a los nodos de la AN se representa como IP-PSA. La dirección del IP-PSA de extremo se comunica entre los nodos de la AN y el tráfico del Ue permanece anclado allí antes y después del procedimiento de movilidad.
De acuerdo con una realización preferida de la invención y con referencia a la Figura 9, para aparecer como una sola UPF, cada UPF-E se expone, con relación a la AN o An que conectan, la misma dirección IP (IP-PSA). Como se muestra en la Figura 10, se usan redes separadas y aisladas para la subred IP del IP-PSA para proporcionar conectividad entre los nodos UPF-E y AN. De esa manera, se asegura el soporte de la movilidad, que usa la implementación de la UPF distribuida.
Por lo tanto, se admite la movilidad sin necesidad de reasignación de anclaje, como se ve desde la perspectiva de la AN. Los métodos existentes se pueden emplear para garantizar que el tráfico llegue al UPF-E adecuado en caso de movilidad. Esto puede incluir una reconfiguración de la ruta del paquete y/o el reenvío de paquetes por parte del UPF-M (que se describirá más adelante). Desde la perspectiva del Ue y la AN, hay un punto de extremo de PSA, que es el IP-PSA y el hecho de que hay uno o varios UPF-E que exponen el mismo IP-PSA no es visible.
De manera análoga a cómo una UPF asigna paquetes entrantes a una interfaz N3 determinada (como se describió anteriormente con referencia a las Figuras 8 y 9, es decir, túnel GTP-U, dirección IP), se realiza el mapeo entre la sesión de PDU y el destino UPF-E como sigue.
El UPC-C, que recibe los paquetes de la red externa, mapea el paquete entrante a la dirección IPv6 asignada del túnel GTP-U. Con esta dirección se pueden enrutar los paquetes entrantes al UPF-E correspondiente. El mismo principio se aplica al tráfico saliente (es decir, que se origina en el Equipo de Usuario (UE)).
A continuación, el modelo de reenvío de paquetes, que usa la implementación de la UPF distribuida de la presente invención, se explica a continuación.
El flujo de procesamiento de paquetes en la UP, que cumple con 3GPP TS 29.255, se muestra en la Figura 11 y consta de Regla(s) de Detección de Paquetes (PDR) y varias reglas de procesamiento de paquetes. Entre las reglas de procesamiento de paquetes: La Regla de Acción de Reenvío (FAR), Regla de Aplicación de QoS (QER), Regla de Informes de Uso (URR), Regla de Acción de Almacenamiento en Búfer (BAR).
De acuerdo con una realización de la invención, la implementación de la UPF distribuida permite distribuir el procesamiento de paquetes entre los nodos UPF-E y UPF-C. Esto es posible gracias a la introducción de una tercera entidad denominada UPF-M, que controla qué funcionalidad de procesamiento de paquetes se despliega en cada componente.
Con referencia a la Figura 12, el UPF-M expone una interfaz CP N4 compatible con los estándares con relación a los otros componentes de la red, normalmente el componente de Función de Gestión de Sesión, SMF, como se muestra en la Figura 1. El UPF-M controla los nodos del u PF-E y el UPF-C. El UPF-M que se muestra en la Figura 12 realiza la siguiente funcionalidad:
• Recibir a través de la interfaz N4 las acciones a realizar sobre un determinado flujo de datos.
• Decidir, para cada flujo de datos que se solicita proporcionar y para cada dirección del flujo de datos, es decir, la dirección de la AN-DN y la dirección de DN-AN, la ruta que toma el flujo de datos, es decir, qué componentes UPF-E y UPC-C atraviesa.
• Señalar la Regla de Detección de Paquetes (PDR) al primer componente de la UPF en la(s) ruta(s).
• Distribuir la lógica de procesamiento de datos (FAR, QER, URR, BAR, ...) entre los componentes de la(s) ruta(s) si es necesario. Por ejemplo, si la UPF-C2 no tiene la lógica o las capacidades necesarias para ejecutar URR2, el UPF-M despliega la lógica necesaria en la UPF-C2.
• Señalizar la lógica de procesamiento de datos (FAR, QER, URR, BAR, ...) sobre los componentes de la UPF de la(s) ruta(s).
En relación con lo anterior, la Figura 13 ilustra la división funcional para paquetes salientes para la solicitud de ejemplo N4 que se ilustra en la Figura 12. Para los paquetes que se originan en la DN (paquetes entrantes), la ejecución de PDR y la inserción de encabezados se realizan primero en el UPF-C. En otras palabras, la etapa se realiza dentro de la entrada del flujo de datos en la UPF.
Como se muestra en la Figura 13, se ejecuta una PDR en el primer elemento de la ruta (en el caso de la Figura 13 por el UPF-E-1). Se agregan uno o más Encabezados de Enrutamiento de Segmento (SHR) al paquete de datos. Los SRH indican a los siguientes elementos qué reglas de procesamiento de datos deben ejecutarse en el flujo de paquetes. En el ejemplo actual de la Figura 13, se añade el SRH1 por el UPF-C-1, que es el siguiente elemento, y se añade el SRH2 por el UPF-C-2, que es el elemento que sigue al UPF-C-2. Los SRH contienen un localizador y una función, donde el localizador se usa para enrutar el paquete al nodo y una función, que identifica la acción que se realizará en el nodo.
El conocimiento del mapeo entre el contenido de SRH y las acciones que desencadenan es conocimiento local en el nodo y se configura mediante el UPF-M. En el ejemplo que se muestra en la Figura 13, el UPF-C-2 sabe que la información que contiene el SRH2 se mapea para realizar FAR1 y URR2 en el flujo de paquetes. El mapeo entre el contenido del SRH y el procesamiento que realiza cada nodo (UPF-E o UPF-C) lo controla el UPF-M.
Los siguientes elementos tienen la tarea de ejecutar el procesamiento de datos para el (los) paquete (s) de datos. El UPF-M ya se ha asegurado de que se despliega la lógica necesaria en cada elemento.
Por ejemplo, como se muestra en la Figura 13, se requiere el UPC-C-1 para ejecutar QER1 para el flujo de datos A, pero el UPF-M es consciente de que el módulo de programa que se requiere para que el UPC-C-1 ejecute esta tarea no se instala en el UPC-C-1. Por lo tanto, el UPF-M despliega el módulo en el UPC-C-1 (Figura 12).
En continuación con el mismo ejemplo anterior, como se representa en las Figuras 12 y 13, se requiere el UPC-C-2 para ejecutar FAR1 y URR2 para el flujo de datos A, pero el UPF-M es consciente de que el módulo de programa que se requiere para que el UPC-C-2 ejecute estas tareas no se instala en el UPC-C2. Por lo tanto, el UPF-M despliega el módulo en el UPC-C-2 (Figura 12). En el caso de que el módulo de programa ya estuviera desplegado en el nodo (por ejemplo, si otro flujo de procesamiento de paquetes lo usa), el UPF-M no necesita implementar el programa.
El campo de aplicación de la implementación de la UPF distribuida de la presente invención puede aplicarse a otros componentes de Núcleo 5G que emplean GTP-U para encapsulación de UP, tal como la Función de Puerta de Enlace de Acceso por Cable (W-AGF), la Puerta de Enlace de Servicio (S-GW), la Puerta de Enlace PDN (P-GW).
La W-AGF proporciona una Red de Acceso por Cable 5G que se conecta a la Red Central 5G. El campo de aplicación de la implementación de la UPF distribuida a la W-AGF, con fines comparativos, se ilustra en las Figuras 14 y 15. Las Figuras 14 y 15 ilustran la Pila de Protocolo de Plano de Usuario para la W-AGF de acuerdo con la técnica anterior y una realización de la presente invención, respectivamente.
La pila de protocolo (UP) para la W-AGF, que se muestra en la Figura 14 es similar a la que usa la UPF, que se muestra en la Figura 2, con la diferencia de que la parte GTP-U de la W-AGF está en el lado opuesto de la división.
Esta implementación distribuida también se puede aplicar a otros componentes de la red.
La Figura 15 ilustra cómo puede dividirse una W-AGF con el mismo principio. En este caso, la funcionalidad de W-AGW, tal como el mapeo entre los flujos de QoS hasta Línea Alámbrica de UP, W-UP, (también se representan en la Figura 14) los recursos y las referencias de QoS específicas de la AN pueden basarse en las decisiones de un W-AGW -M, que se distribuye en varios W-AGF-E y/o W-AGW-C.
El S-GW y el P-GW proporcionan la funcionalidad de UP al Núcleo de Paquetes Evolucionado (EPC). La pila de protocolo (UP) que se usa en el EPC para la Puerta de Enlace de Servicio (S-GW) y la Puerta de Enlace de Red de Datos en Paquetes (PDN GW/PGW), que se muestra en la Figura 16 es la misma que en 5G (que se muestra en la Figura 5). Como tal, puede aplicarse la misma implementación distribuida a estos componentes de EPC: un S-GW, P-GW o para una combinación S/P-GW.
La aplicación de la implementación de la UPF distribuida de acuerdo con la invención permite lograr una eliminación efectiva del GTP-U cuando se despliega con Redes de Acceso de Radio (RAN) distribuidas.
Como se muestra en la Figura 17, la RAN de Siguiente Generación (NG) de 5G permite una arquitectura distribuida. Esto significa que la funcionalidad que se proporciona mediante un nodo de radio 5G (gNB) se despliega en varios nodos. Como se muestra en la Figura 17 (derecha), un gNB puede descomponerse en una o varias Unidades Distribuidas gNodoB (gNB-DU) que se conectan a una Unidad Central gNodoB (gNB-CU). Si bien los gNB-DU tienen requisitos rigurosos de procesamiento en tiempo real y generalmente se implementan en plataformas especializadas, los gNB-CU se despliegan más fácilmente en los COTS.
Mediante la ubicación conjunta de un gNB-CU y UPF-E, es decir, al aplicar la división de la UPF como se describió anteriormente, es posible contener la parte GTP-U de la pila de protocolos para la comunicación local, de esta manera se elimina efectivamente de la red.
A manera de ejemplo, la Figura 18 ilustra un despliegue en la que una Unidad Central gNB (gNB-CU) y un UPF-E logran que la parte GTP-U de la transmisión este contenida en un dispositivo, en el ejemplo que se representa, un servidor de Computación Periférica de Acceso Múltiple (MEC) (es decir, conexión de red local, por ejemplo, servidor local a servidor local), y logra efectivamente la eliminación de GTP-U de la red mientras mantiene la pila de protocolos en línea con los estándares actuales.
Para que la Función de Gestión de Sesiones, SMF, pueda aprovechar aún más la naturaleza distribuida de la UPF, la presente invención permite que la UPF registre Servicios de Función de Red (NF) (NFS) que expone interfaces compatibles con 3GPP en la Función de Repositorio NF (NRF). Los NF y NFS que se registran en el NRF pueden detectarse en el sistema 5G.
Esta implementación se registra en las instancias NRF NFS de los siguientes tres tipos, como se muestra en la Figura 19:
• N3 NFS: instancia que expone el mineral o más interfaces N3, es decir, una instancia del UPF-E. Incluye la ubicación de esta instancia, así como también la dirección o direcciones de las interfaces N3
• N6 NFS: instancia que expone una o más interfaces N6, es decir, una instancia del UPF-C. Incluye la ubicación de esta instancia, así como también la dirección o direcciones de las interfaces N6 y los DN admitidos, que se expresan como Nombres de Red de Datos (DNN)
• N4 NFS: instancia que expone una o más interfaces N4, es decir, una instancia del UPF-M. Incluye la ubicación de esta instancia, así como también la dirección o direcciones de las instancias del UPF-C de la interfaz N4 que no exponen una interfaz 3GPP, tal como un UPF-C-1 en el ejemplo de la Figura 12 no se registran.
Si bien la invención se ha ilustrado y descrito en detalle en los dibujos y la descripción anterior, dicha ilustración y descripción deben considerarse ilustrativas o ejemplares y no restrictivas.
El ámbito de protección de la presente invención estará sujeto al ámbito de protección que se confiere mediante las reivindicaciones. En las reivindicaciones, la palabra “comprendiendo" no excluye otros elementos o etapas, y el artículo indefinido “un" o “una" no excluyen una pluralidad. Una sola unidad puede cumplir las funciones de varias características que se enumeran en las reivindicaciones. Los términos "esencialmente", "alrededor", "aproximadamente" y similares en relación con un atributo o un valor en particular también definen exactamente el atributo o exactamente el valor, respectivamente. Cualquier signo de referencia en las reivindicaciones no debe interpretarse como limitante del ámbito.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de comunicación que se adapta para transmitir paquetes de datos, comprendiendo el sistema:
al menos un Nodo de Acceso, AN, que puede conectarse a un equipo de usuario, UE;
un componente de la Función de Plano de Usuario, UPF; y
una red de datos, DN;
el componente de la UPF es un componente distribuido y comprende:
al menos un componente de Borde de Función de Plano de Usuario, UPF-E, y un componente Central de Función de Plano de Usuario, UPF-C, el componente UPF-E que se conecta entre la AN y el UPF-C, y el UPF-C que se conecta entre el UPF-E y la red de datos, DN, u otro UPF-C; caracterizado porque:
un componente de Gestión de la UPF, UPF-M, se configura para exponer una interfaz N4 con relación a una Función de Gestión de Sesión, SMF, y para controlar la funcionalidad de procesamiento de paquetes en al menos un componente UPF-E y al menos uno UPF-C.
2. El sistema de comunicación de la reivindicación 1, que comprende además una red de transporte, TN, en el que la TN se conecta entre el UPF-E y el UPF-C.
3. El sistema de comunicación de la reivindicación 2, en el que la TN es una TN de Enrutamiento de Segmentos, versión 6, SRv6, o una TN de Conmutación de Etiquetas Multiprotocolo, MPLS.
4. El sistema de comunicación de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el UPF-M se configura además para:
controlar qué capacidades de procesamiento de paquetes se requieren en los componentes UPF-E y UPF-C, en el que el procesamiento de paquetes comprende al menos una Regla de Detección de Paquetes, PDR, y al menos una regla de procesamiento de paquetes, en el que una PDR indica al menos una regla de procesamiento de paquetes;
recibir información de procesamiento de paquetes desde una Función de Gestión de Sesión, SMF, a través de la interfaz N4, en la que la información de procesamiento de paquetes contiene información que indica qué tipo de procesamiento de paquetes requiere la al menos una PDR;
decidir una ruta que contenga qué componentes UPF-E y UPC-C, para cada paquete de datos, debe atravesar cada paquete de datos;
señalizar la PDR al primer componente UPF-E o UPF-C que se elige en la ruta.
5. El sistema de comunicación de la reivindicación 4, en el que, si uno o más componentes de la UPF de la ruta carecen de una o más capacidades de procesamiento de paquetes requeridas, el UPF-M se configura para distribuir una o más capacidades de procesamiento de paquetes requeridas a cada uno o más componentes de la UPF.
6. El sistema de comunicación de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el sistema de comunicación comprende una pluralidad de Nodos de Acceso, AN, y una pluralidad de componentes UPF-E, en el que cada componente UPF-E se conecta al menos a un AN.
7. El sistema de comunicación de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el sistema de comunicación comprende además otro componente UPF-C que se conecta entre el componente UPF-E y la TN, o entre el componente UPF-E y la DN o entre dos o más componentes UPF-C.
8. El sistema de comunicación de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que cada componente UPF-E se configura para exponerse con relación al AN o los AN que conecta, un mismo Anclaje de Sesión de Unidad de Datos de Protocolo IP, IP-PSA.
9. El sistema de comunicación de la reivindicación 4 a 8, en el que el primer componente UPF-E o UPC-C de la ruta se configura para:
recibir la información de procesamiento de paquetes desde el UPF-M;
ejecutar una PDR en un paquete de datos;
insertar uno o más Encabezados de Enrutamiento de Segmento, SRH, en el paquete de datos, en el que el SRH indica al siguiente nodo de la ruta, qué reglas de procesamiento de datos se ejecutarán en el paquete de datos, y en el que el SRH contiene un localizador y una función, donde el localizador se usa para enrutar el paquete al nodo y la función identifica la acción a realizar en el siguiente nodo; aplicar las reglas de procesamiento de paquetes correspondientes para este primer componente UPF-E o UPF-C a paquetes que coincidan con la p DR; y
reenviar el paquete de datos al siguiente componente de la ruta.
10. El sistema de comunicación de la reivindicación 9, en el que el siguiente componente de la ruta se configura para:
recibir la información de procesamiento de paquetes desde el UPF-M;
aplicar las reglas de procesamiento de paquetes correspondientes para este siguiente componente UPF-E o UPF-C de acuerdo con la información presente en los localizadores y funciones; y
reenviar el paquete de datos al siguiente componente de la ruta o la DN, de acuerdo con la información presente en los SRH.
11. El sistema de comunicación de la reivindicación 9 o 10, en el que cada UPF-E se configura para:
recibir un paquete de datos desde el AN conectado;
terminar un Protocolo de Tunelización de Servicio General de Paquetes Vía Radio, GPRS, para el túnel de plano de usuario, GTP-U, con el AN o los AN conectados;
mapear, de acuerdo con la información de procesamiento de paquetes que se proporciona mediante el UPF-M, la información del túnel GTP-U a uno o más SRH; y
reenviar el paquete de datos al componente UPF-C.
12. El sistema de comunicación de cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en el que el componente UPF-C se configura para:
recibir un paquete de datos de la DN;
mapear, de acuerdo con la información de procesamiento de paquetes que se proporciona mediante el UPF-M, el paquete de datos a una dirección IPv6 mapeada de un túnel GTP-U; y
reenviar el paquete de datos al componente UPF-E o UPF-C.
13. El sistema de comunicación de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que:
el componente UPF-E se configura para registrar una instancia de Función de Repositorio de Funciones de Red, NRF, Servicio de Funciones de Red, NFS que expone una o más interfaces N3, su ubicación o una combinación de las mismas; y/o
el componente UPF-C se configura para registrar una instancia de Función de Repositorio de Funciones de Red, NRF, Servicio de Funciones de Red, NFS que expone una o más interfaces N6, su ubicación, sus DNN admitidos o una combinación de los mismos; y/o
el componente UPF-M se configura para registrar una instancia de Función de Repositorio de Funciones de Red, NRF, Servicio de Funciones de Red, NFS que expone una o más interfaces N4, su ubicación o una combinación de las mismas.
14. El sistema de comunicación de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que:
los componentes UPF-C o UPF-E se implementan en el mismo dispositivo o servidor, en el que el mismo dispositivo o servidor comprende además la funcionalidad de una Unidad Central de Nodo B de siguiente generación, gNB-CU o componente TN.
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