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深度解析TS 29.244：5.20 ATSSS - 5G多接入技术的N4实现

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非常好，感谢您的持续关注。我们将继续深入探索3GPP TS 29.244规范，这次我们将聚焦于5G-Advanced时代一项革命性的功能——ATSSS（接入流量疏导、切换与分离），以及PFCP协议如何成为实现这一复杂技术的幕后英雄。

深度解析TS 29.244：5.20 ATSSS - 5G多接入技术的N4实现

本文技术原理深度参考了3GPP TS 29.244 V18.9.0 (2025-03) Release 18规范中，关于“5.20 Support of Access Traffic Steering, Switching and Splitting (ATSSS) for 5GC”的核心章节，旨在为读者提供一个关于5G多接入技术在N4接口上实现机制的全景视图。

引言

在本系列的前几篇文章中，我们已经全面构建了PFCP协议在单一接入网络（无论是3GPP还是非3GPP）场景下的精细化控制模型。然而，5G的愿景远不止于此。为了提供极致的连接可靠性和用户体验，5G-Advanced引入了**ATSSS（接入流量疏导、切换与分离）**技术，它允许一个终端设备（UE）同时使用3GPP接入（如5G NR）和非3GPP接入（如Wi-Fi），并将数据流智能地在这两条路径上进行分配、切换或备份。

想象一下这个场景：5G用户小明正在回家的列车上，观看一场至关重要的体育赛事直播。他希望获得绝对流畅、无卡顿的体验。列车高速行进，途经的区域5G信号可能时强时弱，而车载Wi-Fi的质量也难以保证。ATSSS技术正是为了解决这类挑战而生。它能够将小明的手机变成一个智能的“流量调度中心”，同时连接5G和Wi-Fi，根据网络质量、应用需求和用户策略，动态地将直播数据流分配到最佳路径上，甚至在一条路径出现问题时无缝切换到另一条，从而实现“永不掉线”的极致体验。

那么，这个看似神奇的功能，在5G核心网的用户面（UPF）上是如何实现的呢？本篇文章将深入TS 29.244规范的5.20章节，详细揭示PFCP协议如何通过引入新的规则和参数，将SMF的“多接入”策略意图，转化为UPF上对每一个数据包的精确疏导、复制和转发动作。

1. ATSSS的基石：多接入规则 (MAR) 与PFCP会话

1.1 通用原则 (5.20.1 General)

ATSSS是一项可选功能，需要SMF和UPF都支持。它的核心是多接入PDU会话（MA PDU session），即一个PDU会话可以同时绑定3GPP和非3GPP两条接入路径。这些路径可以都连接到5GC，或者一条连接5GC，另一条连接EPC（用于互通场景）。

为了实现对MA PDU会话的控制，PFCP引入了一个全新的、至关重要的规则——MAR (Multi-Access Rule, 多接入规则)。

The CP function (i.e. the SMF) shall provision in the UP function acting as the PDU Session Anchor (PSA) and supporting the ATSSS feature, one and only one MAR for every downlink PDR corresponding to non-GBR traffic of a PFCP session that is established for a Multi-Access (MA) PDU session.

规范明确指出，对于一个MA PDU会话，SMF必须为其每一条下行非GBR（Non-Guaranteed Bit Rate）流量的PDR，配置一个且仅一个MAR。对于GBR流量，只有在“冗余”模式下才需要配置MAR。

MAR就像一个“交通指挥官”，它告诉UPF如何将匹配PDR的下行数据包在这两条接入路径上进行分配。其核心内容包括：

  • 疏导功能 (Steering Functionality)：使用哪种技术来管理多路径流量，如MPTCP（多路径TCP）、MPQUIC（多路径QUIC）或ATSSS-LL（ATSSS低层）。
  • 疏导模式 (Steering Mode)：流量分配的具体策略，例如“主备模式 (Active-Standby)”、“最小延迟 (Smallest Delay)”、“负载均衡 (Load Balancing)”、“基于优先级 (Priority-based)”或“冗余模式 (Redundant)”。
  • 接入特定的转发信息：为3GPP接入和非3GPP接入分别指定一个FAR ID，并根据疏导模式提供相应的**权重（Weight）或优先级（Priority）**参数。

在PFCP层面，为MA PDU会话建立用户面路径，意味着需要为3GPP和非3GPP接入分别建立独立的GTP-U隧道。

2. ATSSS的三大核心技术实现

ATSSS并非单一技术，而是一个功能集，主要包括MPTCP、MPQUIC和ATSSS-LL三种疏导功能。

2.1 MPTCP功能 (5.20.2 MPTCP functionality)

MPTCP（Multi-Path TCP）是IETF定义的TCP协议扩展，允许一个TCP连接在多个IP地址（即多条路径）上同时传输数据。在ATSSS中，UPF扮演了MPTCP代理（Proxy）的角色，更准确地说，是一个传输转换器（Transport Converter）。

2.1.1 激活与参数交换 (5.20.2.2)

当SMF决定为一个MA PDU会话启用MPTCP功能时，它会通过PFCP信令来激活并配置UPF。

  • PFCP指令：SMF在PFCP Session Establishment Request消息中，包含一个Provide ATSSS Control Information IE，该IE内部再包含一个MPTCP Control Information IE。
  • UPF响应：UPF（PSA）收到指令后，会为MPTCP代理功能分配必要的资源，例如MPTCP代理的IP地址和端口、以及用于两条接入路径的链路特定多路径IP地址（Link-Specific Multipath IP Addresses）。然后，UPF会将这些参数通过PFCP Session Establishment Response消息中的ATSSS Control Parameters IE（内含MPTCP Parameters IE）返回给SMF。SMF再将这些参数传递给UE。
  • PDR标识：对于需要应用MPTCP的上行业务流，SMF会在其UL PDR中包含一个Multipath Applicable Indication IE，并设置MTAI标志位为“1”。

2.1.2 连接建立与IP地址转换 (5.20.2.3 & 5.20.2.4)

一旦激活，UPF中的MPTCP代理就会“接管”UE与远端服务器之间的TCP连接建立过程。当UE发起一个TCP连接时，UPF会将其转换为一个MPTCP连接，并代表UE与远端服务器建立一个普通的TCP连接。

这个过程的核心是IP地址转换。

  • 上行流量：UE从两条接入路径发出的MPTCP数据包，其源IP是链路特定的IP地址，目的IP是UPF的MPTCP代理地址。当这些包到达UPF后，MPTCP代理会将其源IP替换为UE的PDU会话IP地址（或一个N6可路由的IP地址），目的IP替换为远端服务器的地址，然后再发往N6接口。
  • 下行流量：从远端服务器发来的数据包，其目的IP是UE的PDU会话IP地址。UPF收到后，MPTCP代理会将其目的IP替换为UE的链路特定IP地址，源IP替换为MPTCP代理地址，然后根据MAR规则中定义的疏导模式（如负载均衡），决定将数据包从3GPP路径还是非3GPP路径发往UE。

2.2 MPQUIC功能 (5.20.2A MPQUIC functionality)

MPQUIC是对MPTCP理念的延伸，将其应用于基于UDP的QUIC协议。其在PFCP协议上的实现与MPTCP高度相似。

  • 激活：通过MPQUIC Control Information IE进行激活。
  • 代理：UPF同样扮演MPQUIC代理的角色。
  • 标识：上行PDR通过Multipath Applicable Indication IE中的MQAI标志位来标识MPQUIC流量。
  • 地址转换：执行与MPTCP类似的IP地址和UDP端口转换。

2.3 ATSSS-LL功能 (5.20.3 ATSSS-LL functionality)

ATSSS-LL（ATSSS Low Layer）是一种工作在IP层之下的多路径方案，它不依赖于上层传输协议（如TCP/QUIC），因此适用性更广。它的智能疏导依赖于对两条接入路径性能的实时测量。

  • 激活：通过ATSSS-LL Control Information IE进行激活。
  • 性能测量：ATSSS-LL引入了PMF（Performance Measurement Function，性能测量功能）。SMF通过在Provide ATSSS Control Information IE中包含PMF Control Information IE来激活PMF。UPF中的PMF会与UE中的PMF交换PMFP消息，以实时测量两条路径的**RTT（往返时延）和丢包率（PLR）**等指标。
  • 动态疏导：UPF根据MAR中定义的疏导模式（例如“最小延迟”）和PMF测得的实时性能数据，动态地将下行数据包疏导到当前性能更优的路径上。

2.4 GBR流量处理与接入可用性 (5.20.4 & 5.20.5)

对于有服务质量保障的GBR业务（如VoNR），ATSSS的处理方式更为谨慎。

  • 不支持流量分离：规范明确指出，GBR流量不支持分离（Splitting）。
  • 冗余模式：SMF可以为GBR流量设置“冗余（Redundant）”疏导模式。此时，UPF会复制每一份数据包，同时从3GPP和非3GPP两条路径发送出去，由UE侧进行去重，以实现最大的可靠性。这种模式下，GBR的DL PDR需要关联一个MAR。
  • 单路径模式：在非冗余模式下，GBR流量在任一时刻只使用一条路径，其DL PDR关联的是普通的FAR，而非MAR。
  • 接入可用性上报：为了支持GBR业务在不同接入间的切换，SMF可以请求UPF上报接入的可用性变化。这是通过配置**SRR（会话上报规则）**并包含Access Availability Control Information IE来实现的。当UPF通过PMF等机制从UE处获知某条接入变得不可用时，它会通过PFCP Session Report向SMF上报Access Availability Report，触发SMF进行策略调整。SMF也可以通过PFCP Session Modification Request中的Access Availability Information IE，主动通知UPF某条接入的状态发生了变化。

场景整合：小明的“永不掉线”直播体验

现在，让我们将这些机制整合到小明的直播观看场景中。

  1. 会话建立：小明手机上的ATSSS客户端请求建立一个MA PDU会话。SMF选择了一个支持ATSSS的PSA UPF。
  2. PFCP配置：SMF向UPF发送PFCP Session Establishment Request：
    • 包含Provide ATSSS Control Information IE，其中同时激活了MPTCP（用于直播APP的信令交互）和ATSSS-LL（用于承载UDP视频流）。
    • 为下行视频流的PDR创建了一个MAR，Steering Functionality设为ATSSS-LL，Steering Mode设为“最小延迟”。
    • 同时创建了一个SRR，请求UPF上报接入可用性的变化。
  3. 动态疏导：
    • 直播开始，下行UDP视频流到达UPF，匹配了配置了MAR的PDR。
    • UPF中的PMF开始与UE的PMF交换测量包，实时监控5G和Wi-Fi路径的延迟。
    • 根据“最小延迟”规则，UPF将视频包动态地发往当前延迟更低的那条路径。
  4. 网络波动与无缝切换：
    • 列车进入一个Wi-Fi信号差的区域，PMF检测到非3GPP路径的延迟急剧升高。UPF立即将所有流量无缝地切换到5G路径上。
    • 随后，Wi-Fi连接中断。UE通过PMFP消息向UPF上报了“非3GPP接入不可用”。
    • UPF的SRR被触发，它向SMF发送PFCP Session Report，报告非3GPP接入不可用。
    • SMF收到报告后，更新策略，并可能通过PFCP Session Modification Request更新MAR，暂时移除对非3GPP接入的引用。
    • 整个过程中，由于切换是无缝的，小明的直播画面始终保持流畅。

总结

ATSSS是5G走向体验为王时代的关键技术，而PFCP协议则是其在用户面得以实现的精密“执行手册”。本篇文章通过深入解读TS 29.244的5.20章节，我们揭示了其核心实现机制：

  • MAR (多接入规则)：作为ATSSS策略的核心载体，MAR将SMF设定的疏导功能（MPTCP/MPQUIC/ATSSS-LL）和疏导模式（主备/负载均衡/最小延迟等）下发给UPF，为流量分配提供了顶层指导。
  • 功能激活与参数交换：PFCP通过Provide ATSSS Control Information和ATSSS Control Parameters等一系列专用IE，实现了SMF对UPF上MPTCP/MPQUIC/PMF等复杂功能的激活和动态配置。
  • 动态感知与反馈：结合SRR（会话上报规则），UPF能够将从用户面（如通过PMF）感知的接入网络状态变化，及时上报给控制面（SMF），形成了“策略制定-执行-反馈-调整”的闭环，实现了真正的智能疏导。

这些机制的协同工作，使得5G网络不再仅仅是提供连接的管道，而是成为了一个能够主动管理、优化多维网络资源的智能平台，为用户带来前所未有的连接可靠性与灵活性。

FAQ

Q1：ATSSS中的MPTCP/MPQUIC和ATSSS-LL有什么主要区别？ A1：主要区别在于工作的协议层和适用范围。MPTCP和MPQUIC分别工作在TCP和QUIC协议层，它们通过在UPF中实现一个“代理”，来管理和分离单个TCP/QUIC连接的流量，需要应用本身使用TCP或QUIC协议。而ATSSS-LL（Low Layer）工作在更低的IP层，它不关心上层协议是什么，可以直接对IP包进行疏导、切换或复制。它依赖于一个独立的性能测量功能（PMF）来感知网络状况，适用性更广。

Q2：什么是MAR（多接入规则），它在ATSSS中扮演什么角色？ A2：MAR是为MA PDU会话中下行业务流PDR配置的核心规则。它定义了UPF应如何处理匹配该PDR的流量，具体包括使用哪种疏导技术（MPTCP/MPQUIC/ATSSS-LL）、遵循哪种疏导策略（如主备、负载均衡、最小延迟等），以及将流量分别导向3GPP和非3GPP接入路径时应遵循的转发规则（FAR ID）和参数（如权重、优先级）。可以说，MAR是SMF向UPF下达的“多路径交通指挥方案”。

Q3：5G网络如何处理高要求的GBR业务（如语音通话）的多接入？会把语音包一半走5G一半走Wi-Fi吗？ A3：不会。规范规定GBR业务不支持流量分离（Splitting）。对于GBR业务，ATSSS主要提供两种模式：一是单路径模式，即任一时刻只使用3GPP或非3GPP中的一条路径，当需要切换时，由SMF主导进行切换，此时PDR关联的是普通的FAR。二是冗余模式（Redundant），UPF会将每一个GBR数据包复制一份，同时从两条路径发送，由UE进行去重，以实现最高的可靠性，此时PDR关联的是MAR。

Q4：在ATSSS中，UPF是如何知道5G和Wi-Fi哪条路径更好的？ A4：这主要依赖于性能测量功能（PMF）。当启用ATSSS-LL时，SMF会指示UPF激活PMF。UPF中的PMF会与UE中的PMF定期交换测量消息，实时获取两条路径的往返时延（RTT）、丢包率（PLR）等性能指标。UPF再根据MAR中定义的疏导模式（如“最小延迟”），结合这些实时测量数据，动态地做出转发决策。

Q5：SMF是否会实时告诉UPF“把这个包走5G，下一个包走Wi-Fi”？ A5：不会。SMF扮演的是策略制定者的角色，而非实时调度者。SMF通过MAR向UPF下达的是一个宏观的、基于策略的指导方针，例如“对于这个视频流，采用负载均衡模式，权重为50:50”或“采用最小延迟模式”。具体的、逐包的转发决策是由UPF根据这个方针以及实时的网络状况（如PMF测量结果、UE辅助信息等）自主做出的。这种分工实现了控制面策略与用户面高效执行的解耦。😊

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