基于 UPF的 5G车车通信技术

马志明 刘军雨 樊闯

中车大连电力牵引研发中心有限公司 辽宁 大连 116085

摘要：本文基于对UPF的分流技术和部署方式的阐述，结合企业实际现状，提出一种园区内基于UPF技术的5G车车通信技术实现方案，通过部署企业级UPF，借助多接入边缘计算技术，实现列车与列车之间的通信，突破5G公网速率限制，同时保证数据安全性，降低5G流量成本。

关键词：企业级UPF；5G；MEC；

中图分类号：U266.2；TP393 文献标识码：A

0引言

5G网络在峰值速率、移动性、频谱效率等方面有着质的飞跃，适用于超高速、大规模、物物通信等可满足区域范围内V2V（Vehicle to Vehicle，车辆到车辆）通信^[1]，即车车通信。而由于受到5G公网速率已经流量费用限制，采用边缘侧部署UPF打造企业内网络，使企业业务不传送到互联网上，即保障数据的私密，同时也降低了流量费用成本。

1 UPF技术

1.1 UPF分流技术

UPF作为5G网络和多接入边缘计算（MEC，Multi-Access Edge Computing）之间的连接锚点，所有核心网数据必须经过UPF转发，才能流向外部网络。MEC是5G业务应用的标志能力。基于5G的C/U分离式架构，控制面NF在中心DC集中部署，UPF下沉到网络边缘部署，这样可以减少传输时延，实现数据流量的本地分流，缓解核心网的数据传输压力^[2]，满足垂直行业对网络超低时延、超高带宽以及安全等方面的诉求。

5G用户建立会话连接将优先选择中心UPF，当用户需访问MEC应用时才选择或插入边缘UPF，边缘资源按需提供给用户，避免由于大量用户挤占造成性能瓶颈。5G网络需要配合MEC做好用户数据的本地分流，5G边缘部署分流技术主要有三种：上行分类器方案、IPv6多归属方案、本地数据网络方案和数据网络标识方案^[5]。

1.2 UPF部署方式

UPF需要按照不同业务场景对时延、带宽、可靠性等差异化的需求灵活部署^[3]，典型的部署位置包括：中心、区域、边缘、企业园区。

中心级UPF，适用于时延不敏感，吞吐量需求较高且相对集中的业务，如普通互联网访问、VoNR、NB-IoT等业务^[4]，中心级UPF需具备如下特点：一是满足ToC网络的2G/3G/4G/5G/Fixed全融合接入、报文识别、内容计费等功能需求；二是具备虚拟运营商网络共享能力；三是针对集中建设带来的高带宽转发能力；四是提供面向N6/Gi/SGi接口流量的安全防护以及网络地址转换功能。

区域级UPF，通常部署于地市级区域，主要承载地市区域范围的用户面业务，包括互联网访问、音视频以及本地企业业务等，有助于减少数据流量回传对承载网的传输压力^[4]。

边缘级UPF，通常部署于区县边缘，应对高带宽、时延敏感、数据机密性强等业务，可基于数据网络标识或IP地址等识别用户，对需要本地处理的数据流进行本地转发和路由，避免流量迂回，降低数据转发时延^[4]，提升用户体验。

企业级UPF，部署于企业机房，通过超高带宽、超低时延和超高可靠的连接提升工业控制的效率和自动化水平。

2网络架构及实现

本文就是基于企业级UPF，部署于企业机房，将5G网络通过UPF下沉到网络边缘的不同位置，灵活接入边缘计算资源，实现数据流量本地卸载和数据交互，如下图所示。

图1 企业级5G的MEC部署

核心网：机房部署MEC软硬件平台，部署地面服务器，通过MEC数据分流功能把测试数据在厂区内部分流，不经过运营商的公网，保证数据安全和保密，控制面接入运营商的核心网。

传输：接入层采用在机房新建传输设备，组建10G接入环，满足RAN-MEC接入。传输切片采用FlexE技术，物理隔离，提供基于网络切片的专用传输通道，保障数据采集传输通道安全稳定。

无线网：在环形线周围或者环形线内新建2-3个5G宏站；车辆上部署数据采集设备和TAU通过CPE终端用于把测试数据连接5G网络回传到地面服务器。

图2 UPF网络架构部署

N3接口：基站-边缘一体化UPF，通过SPN对接，本期每台边缘一体化交换机对SPN需求2*10GE单模光接口。

N4接口/Sx接口：SMF至UPF接口，接入IP承载专网，每台边缘一体化交换机对IP承载专网需求1*GE单模光或1*10GE单模光；当同局址无IP专网/CMNET接入设备、需要通过SPN/PTN传输疏通至IP专网/CMNET时，支持按照运营商实际需求，将至SPN/PTN的各局向端口合并或独立设置。

N6口业务：边缘一体化UPF至MES，考虑到用户需求数据不出园区、网络安全等，建议专线对接，本期每台边缘一体化交换机对客户平台交换机需求2*10GE单模光接口；

网管接口：承载在网管网(DCN)。边缘一体化UPF与OMC、MEMP、MEO等网络管理需接入到网管网平面，打通到网管网的路由通道；若无IP承载专网或DCN资源，可通过SPN传输疏通至IP专网。

在园区部署UPF后，结合边缘MEC技术，将轨道上相邻的两列列车作为移动终端，实现区域内通信。在系统的控制下，实现信息不经过网络中转的直接传输交互，且各终端之间可通过复用UPF资源进行通信，简单快捷^[4]。同时，结合UPF技术使得在列车终端在不接入核心网情况下仍可实现车车通信。列车与列车之间距离较远或者链路信道状态不佳时，采用UPF中转方式，对收到的信息进行转发并根据实际情况做处理。

3总结

采用UPF打造企业内网络，在此条件下实现5G的车车通信，保障数据的私密，不会导致UPF节点数据泄露，同时UPF和工业企业本地服务器之间部署防火墙进行数据隔离，既能够降低通信成本，减轻弓网压力，同时能够保证较强的安全性。

参考文献

[1]陈洁,卢斌,张琳峰,黄韬,尹君.5G专网业务能力需求及端到端网络技术实现[J].广东通信技术,2021,41(06):2-6+19.

[2]陈林,刘重军,杨波.垂直行业5G QoS解决方案研究[J].通信技术,2021,54(07):1683-1689.

[3]孙丽楠,朱红绿,孙慧.面向工业的5G组网方案研究[J].电子技术应用,2021,47(05):5-10.

[4]李朝阳,胡鹏飞,周辉福.针对数据不出园区的5G定制专网部署方案及安全策略研究[J].江西通信科技,2021(02):4-7.

[5]胡雪旸. 基于5G网络的列控系统车车通信无线资源分配算法研究[D].兰州交通大学,2019.