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深度解析 3GPP TS 23.501：5.32 Support for ATSSS (双连接增强：蜂窝与Wi-Fi的协同作战)

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本文技术原理深度参考了3GPP TS 23.501 V18.9.0 (2025-03) Release 18规范中，关于“5.32 Support for ATSSS”的核心章节，旨在为读者提供一个5G网络如何通过ATSSS（Access Traffic Steering, Switching, and Splitting）技术，智能地聚合与调度3GPP（蜂窝）和non-3GPP（如Wi-Fi）两种接入网络，实现“双路并行”的数据传输，从而提升用户体验的全景视图。

深度解析 3GPP TS 23.501：5.32 Support for ATSSS (双连接增强：蜂窝与Wi-Fi的协同作战)

欢迎来到“解构5G核心网”系列。在之前的文章中，我们已经深入探讨了5G如何为CIoT设备开启节能高效的控制面传输模式。今天，我们将把目光重新聚焦到我们最熟悉的场景——智能手机的数据体验上，并探索5G如何解决一个长期困扰用户的痛点：蜂窝网络和Wi-Fi网络能否协同工作，而不是“有你没我”？

答案就是规范5.32章节中定义的ATSSS（Access Traffic Steering, Switching, and Splitting）技术。ATSSS是5G的一项革命性创新，它允许一个PDU会话（即一次数据连接）同时跨越3GPP（如5G/LTE）和non-3GPP（主要是Wi-Fi）两种接入网络，并根据网络状况和应用需求，智能地进行流量导向（Steering）、切换（Switching）和分流（Splitting）。

为了直观地理解这项技术，我们的主角小晴将面临一个新的挑战。她正在家中使用光纤宽带Wi-Fi进行一场重要的云游戏直播，同时后台还在上传一部巨大的4K视频素材。突然，小区光纤出现抖动，Wi-Fi网络质量急剧下降。在传统的网络模式下，她的直播和上传将面临中断的风险。但现在，有了ATSSS，我们将看到她的5G手机是如何化身“智能调度大师”，上演一场“海陆空协同作战”的好戏。

1. ATSSS的核心理念：MA PDU会话 (5.32.1 General)

ATSSS的实现基础，是一种特殊类型的PDU会话——MA PDU会话（Multi-Access PDU Session）。

The ATSSS feature enables a multi-access PDU Connectivity Service, which can exchange PDUs between the UE and a data network by simultaneously using one 3GPP access network and one non-3GPP access network…

A PDU Session supporting a multi-access PDU Connectivity Service is referred to as Multi-Access PDU (MA PDU) Session…

After the establishment of a MA PDU Session and when there are user-plane resources on both access networks, the UE applies network-provided policy (i.e. ATSSS rules) and considers local conditions… for deciding how to distribute the uplink traffic across the two access networks.

1.1 从“单选”到“多选”

  • 传统PDU会话： 只能锚定在一种接入类型上。要么走蜂窝（3GPP），要么走Wi-Fi（non-3GPP）。当Wi-Fi信号好时，手机会优先使用Wi-Fi；当Wi-Fi断开时，手机会切换回蜂窝数据。这个过程通常伴随着IP地址的改变和业务的中断。

  • MA PDU会话： 打破了这种限制。它允许一个PDU会话同时在3GPP和non-3GPP两种接入上建立用户面资源。这意味着，UE和核心网（UPF）之间，同时存在两条并行的用户面路径。

1.2 智能决策：ATSSS规则

拥有了两条路之后，如何决定哪个数据包走哪条路？这就是ATSSS规则的核心作用。

  • 网络侧主导： ATSSS规则由网络侧（PCF/SMF）制定，并通过NAS信令下发给UE。

  • UE侧执行： UE根据这些规则，结合自身的实时状况（如Wi-Fi信号强度、电池电量、应用需求等），智能地决定上行流量的分配策略。

  • UPF侧协同： 与此同时，UPF也从SMF接收到相应的N4规则，用于智能地分配下行流量。

1.3 场景代入：小晴的“双通道”连接

小晴在家中启动云游戏直播时，她的手机并没有像往常一样，在连接Wi-Fi后就断开蜂窝数据连接。相反，由于她签约了运营商的“5G+Wi-Fi融合加速”套餐（背后就是ATSSS），她的手机建立了一个MA PDU会话。

  • Wi-Fi路径： 手机通过家庭Wi-Fi，经由运营商部署在宽带网络中的TNGF（可信非3GPP网关功能），连接到核心网的同一个PSA UPF。

  • 5G路径： 手机同时通过5G蜂窝信号，连接到基站，再连接到同一个PSA UPF。

此时，小晴的手机和游戏服务器之间，已经建立起了两条并行的、共享同一个IP地址的“高速公路”。

2. “双路并行”：MA PDU会话的建立 (5.32.2 Multi Access PDU Sessions)

如何建立这样一条神奇的“双通道”连接？规范对此有详细的定义。

If the UE is registered to the same PLMN over 3GPP and non-3GPP accesses, then the UE shall send a PDU Session Establishment Request over any of the two accesses. The UE also provides Request Type as “MA PDU Request” in the UL NAS Transport message. The AMF informs the SMF that the UE is registered over both accesses and this triggers the establishment of user-plane resources on both accesses…

2.1 建立流程

  1. 前提： UE必须首先在3GPP和non-3GPP两种接入上都完成向同一个PLMN的注册。这意味着AMF已经为这个UE维护了两个独立的接入上下文。

  2. UE发起请求： UE通过任意一个可用的接入（如Wi-Fi），向AMF发送PDU Session Establishment Request。关键在于，这个请求中会包含一个特殊的请求类型——"MA PDU Request"。

  3. AMF通知SMF： AMF收到这个请求后，会通知SMF：“这个用户请求建立MA PDU会话，并且他现在同时在3GPP和non-3GPP两种接入上都处于注册状态。”

  4. SMF建立双路径： SMF收到这个信息后，就会同时为两条路径分配资源：

    • 通过AMF，向NG-RAN（3GPP接入）下发指令，建立N2/N3接口资源。

    • 通过AMF，向TNGF（non-3GPP接入）下发指令，建立N2/N3接口资源。

  5. 会话建立成功： 两条路径的用户面都建立成功后，MA PDU会话正式激活。

2.2 核心能力：ATSSS能力协商

在建立MA PDU会话时，UE还需要向网络表明自己支持哪些具体的“玩法”，即ATSSS能力。

In the PDU Session Establishment Request that is sent to request a new MA PDU Session, the UE shall provide also its ATSSS capabilities, which indicate the steering functionalities and the steering modes supported in the UE.

这些能力主要包括：

  • 高层转发功能（High-layer steering functionalities）：

    • MPTCP（Multi-Path TCP）： 针对TCP流量，利用MPTCP协议在应用层之上进行多路径聚合和切换。

    • MPQUIC（Multi-Path QUIC）： 针对QUIC（承载了大量现代视频和网页流量）流量，利用其多路径扩展协议进行优化。

  • 底层转发功能（Low-layer steering functionalities）：

    • ATSSS-LL（ATSSS Low-Layer）： 工作在IP层以下，能够对所有类型的IP包（包括TCP, UDP, ICMP等）进行转发、切换和分流，是更通用、更底层的能力。

UE和网络会协商决定，本次MA PDU会话将启用哪种或哪几种转发功能。

3. 智能的大脑：ATSSS策略控制 (5.32.3 Policy for ATSSS Control)

两条路都修好了，具体怎么开车？这就需要ATSSS的“交通规则”——由PCF制定的策略。

If dynamic PCC is to be used for the MA PDU Session, the PCF may take ATSSS policy decisions and create PCC rules that contain MA PDU Session Control information… which determines how the uplink and the downlink traffic of the MA PDU Session should be distributed across the 3GPP and non-3GPP accesses.

3.1 从PCC规则到ATSSS规则

  1. AF/PCF决策： AF（如云游戏服务器）可以向PCF请求特定的ATSSS策略。PCF结合AF的请求、用户签约和网络策略，生成包含MA PDU会话控制信息的PCC规则。

  2. SMF翻译与下发： SMF接收到PCC规则后，会将其“翻译”成UE能理解的ATSSS规则和UPF能理解的N4规则。

  3. 规则内容： ATSSS规则会为不同的业务流（SDF）定义不同的转发策略，即转向模式（Steering Mode）。

3.2 丰富的转向模式（Steering Mode）

ATSSS规则的核心就是为每个业务流指定一个转向模式，例如：

  • Active-Standby (主备模式): 将流量全部发送到一条主路径（如Wi-Fi）。只有当主路径不可用时，才瞬时切换到备用路径（如5G）。

  • Smallest Delay (最低时延): UE和UPF会实时测量两条路径的往返时延（RTT），并总是选择当前时延最低的路径来发送数据。

  • Load-Balancing (负载均衡): 将一个数据流按照指定的百分比（如Wi-Fi 70%, 5G 30%）拆分到两条路径上同时传输。

  • Priority-based (基于优先级): 优先使用高优先级路径，只有当该路径出现拥塞时，才将部分流量分流到低优先级路径。

3.3 场景代入：小晴的智能流量调度

小晴的“5G+Wi-Fi融合加速”套餐，在PCF中被配置了如下的PCC规则，并由SMF转化为了ATSSS规则下发到她的手机：

  • 对于云游戏控制流（低时延要求）： 采用Smallest Delay模式。手机和UPF会实时探测Wi-Fi和5G的延迟，永远选择最快的那条路来传输游戏操作指令。

  • 对于4K视频上传流（大带宽要求）： 采用Load-Balancing模式，规则为Wi-Fi:70%, 5G:30%。在正常情况下，70%的上传数据通过Wi-Fi发送，30%通过5G发送，实现带宽聚合。

4. 协同作战：ATSSS的实际运作

现在，让我们回到小晴的直播现场，看看当Wi-Fi网络发生抖动时，ATSSS是如何力挽狂澜的。

  1. 初始状态：

    • 云游戏控制流：Wi-Fi的RTT为5ms，5G为15ms。根据Smallest Delay规则，所有控制流都走在Wi-Fi路径上。

    • 4K视频上传流：根据Load-Balancing规则，70%的流量走Wi-Fi，30%走5G。

  2. Wi-Fi抖动发生：

    • 小区光纤抖动，Wi-Fi的RTT瞬间飙升到50ms。

    • 游戏流切换： UE和UPF的实时测量机制立即检测到这一变化。根据Smallest Delay规则，它们自动、无感地将所有游戏控制流切换到了时延仅为15ms的5G路径上。小晴的游戏操作没有感到任何卡顿。

  3. Wi-Fi质量持续恶化：

    • Wi-Fi的可用带宽急剧下降。

    • 视频流分流比调整： 对于视频上传流，UE的ATSSS-LL功能检测到Wi-Fi路径的吞吐量下降，它可能会智能地（或根据更精细的规则）调整分流比，例如，将分流比调整为Wi-Fi:10%, 5G:90%，将更多的流量导向稳定的5G网络，确保视频上传的整体速率。

  4. Wi-Fi恢复：

    • 光纤抖动结束，Wi-Fi的RTT和带宽恢复正常。

    • 网络自动将游戏控制流切换回更优的Wi-Fi路径，并将视频上传的分流比恢复到70%/30%。

整个过程中，小晴的直播和上传业务从未中断，ATSSS在后台默默地完成了这场复杂的“海陆空”协同调度，为她提供了稳定、可靠的融合网络体验。

5. FAQ

Q1: 使用ATSSS时，我的手机会消耗更多电量吗？

A:

可能会，也可能不会，取决于具体的使用场景和策略。

  • 可能更耗电： 如果ATSSS策略是同时使用Wi-Fi和蜂窝两条链路进行数据传输（如负载均衡或冗余模式），那么手机需要同时维持两个无线模块的活跃状态，这无疑会比只使用单条链路更耗电。

  • 可能更省电： 如果ATSSS策略主要是Active-Standby模式，例如，优先使用低功耗的Wi-Fi，仅在Wi-Fi不可用时才瞬时启动高功耗的5G。这种“智能备用”模式，相比于Wi-Fi断开后手机长时间搜索并重连蜂窝网络，可能反而更省电。此外，通过聚合带宽，ATSSS可以更快地完成数据传输任务，让手机的无线模块能更快地进入休眠状态，从而节省电量。

Q2: 所有的Wi-Fi网络都可以和5G组成ATSSS吗？

A:

不是。ATSSS对non-3GPP接入（Wi-Fi）有一定的要求。规范中定义了**可信（Trusted）和不可信（Untrusted）**两种非3GPP接入。

  • 可信非3GPP接入： 通常指由运营商自己部署或管理的Wi-Fi网络。UE可以通过SIM卡认证（EAP-AKA’）直接接入，并通过**TNGF（Trusted Non-3GPP Gateway Function）**连接到5G核心网。

  • 不可信非3GPP接入： 指任何UE可以接入的公共Wi-Fi、家庭Wi-Fi等。UE需要先连接上Wi-Fi获取IP地址，然后通过建立到**N3IWF（Non-3GPP InterWorking Function）**的IPsec隧道来安全地接入5G核心网。

ATSSS可以同时支持这两种模式。这意味着，无论是运营商的公共Wi-Fi，还是您家里的宽带，理论上都可以与蜂窝网络协同工作。

Q3: MPTCP/MPQUIC（高层）和ATSSS-LL（底层）这几种转发功能有什么区别？我应该用哪个？

A:

它们作用的协议栈层次不同，各有优劣。

  • MPTCP/MPQUIC (高层):

    • 优点: 工作在传输层或之上，能够感知应用的TCP/UDP流，可以进行更精细的流级别调度。对于TCP，MPTCP的拥塞控制和重传机制已经非常成熟。

    • 缺点: 只对TCP或QUIC流量有效，对其他IP包（如ICMP, GRE隧道等）无能为力。需要在UPF侧部署相应的Proxy功能。

  • ATSSS-LL (底层):

    • 优点: 工作在IP层以下，对所有IP流量都透明有效，是一个“通用”的解决方案。

    • 缺点: 由于它不感知上层的TCP流状态，在进行路径切换时可能会导致TCP乱序，需要依赖TCP自身的重排机制来恢复，可能会引起短暂的性能波动。

在实际应用中，网络会根据业务类型和UE/网络的能力来智能选择。例如，对于网页浏览（TCP），可能会优先使用MPTCP；对于视频流（QUIC），可能会使用MPQUIC；而对于一些未知的或非TCP/QUIC的IP流量，则使用ATSSS-LL作为“兜底”方案。

Q4: ATSSS规则是由谁下发的？我可以自己修改吗？

A:

ATSSS规则完全由网络侧（运营商）下发，用户不能自行修改。

整个流程是：AF（应用提供商）可以向PCF请求策略 → PCF（策略控制功能）根据AF请求、用户签约和运营商策略做出最终决策，生成PCC规则 → SMF（会话管理功能）将PCC规则翻译成ATSSS规则，通过NAS信令下发给UE。

虽然UE不能修改规则，但规范也定义了**“UE辅助（UE Assistance）”**模式。在这种模式下，网络下发的规则是一个“建议值”（如50/50分流），但允许UE根据自身状况（如电池电量低）临时调整这个策略（如改为100%走Wi-Fi），并将调整结果通知UPF，以便下行流量也进行相应调整。这赋予了UE一定的灵活性。

Q5: 如果我只有一个PDU会话，ATSSS能同时为不同的应用设置不同的转发策略吗？

A:

是的，可以。ATSSS规则的精细度可以达到**SDF（Service Data Flow）**级别。一个SDF可以通过五元组（源/目的IP、源/目的端口、协议号）或其他方式来定义，精确地对应到一个应用的数据流。

因此，在一个MA PDU会话内，SMF可以下发多条ATSSS规则，例如：

  • 规则1 (高优先级): 匹配SDF为“云游戏控制流”（如目标端口为UDP 8888），转向模式为“Smallest Delay”。

  • 规则2 (次高优先级): 匹配SDF为“4K视频上传流”（如目标端口为TCP 443，且目标IP为某视频服务器），转向模式为“Load-Balancing”。

  • 规则3 (默认规则): 匹配所有其他流量（match-all），转向模式为“Active-Standby”，主用Wi-Fi。

这使得手机可以在同一个PDU会话（同一个IP地址）下，为不同的应用执行截然不同的、最优的多路径转发策略。

关系图谱