51学通信

深度解析 3GPP TS 23.501：5.34 I-SMF - 跨越边界的会话“接力棒”

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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“5.34 Support of deployments topologies with specific SMF Service Areas”的核心章节，旨在为读者提供一个5G核心网如何通过引入中间SMF（I-SMF），来解决UE跨越不同SMF服务区的移动性问题，并实现用户面功能的灵活下沉与业务连续性的全景视图。

深度解析 3GPP TS 23.501：5.34 I-SMF - 跨越边界的会话“接力棒”

欢迎来到“解构5G核心网”系列的第七篇。在之前的文章中，我们已经深入探讨了5G如何通过切片、冗余传输等高级功能，为用户提供差异化、高可靠的服务。然而，随着5G网络规模的扩大和边缘计算的深入部署，一个新的挑战浮出水面：当用户在一个广域网络中高速移动，穿越由不同SMF（会话管理功能）所管辖的服务区域时，如何保证其PDU会话不中断？

传统的移动性管理主要由AMF负责，但AMF变更相对复杂。而如果每次跨区域移动都需要重建PDU会话，那将严重影响用户体验，尤其是对于长连接业务。为了解决这个问题，3GPP在规范的5.34章节引入了一个精巧的“接力”机制——中间SMF（I-SMF, Intermediate SMF）。

今天，我们将聚焦于这个在大型网络中至关重要的“中间人”，揭示它是如何被动态地插入和移除，以实现跨SMF服务区的无缝会话连续性的。

为了让这个概念更清晰，让我们引入今天的场景。“高速智能铁路”项目正在测试一套覆盖全国的5G网络。一列搭载了无数乘客和物联网传感器的高速列车，正从A市（由SMF-A服务区覆盖）出发，高速驶向B市（由SMF-B服务区覆盖）。我们的主角，商务人士张先生，正在列车上进行一场重要的跨国视频会议。他的PDU会话最初由A市的SMF-A管理。

我们将跟随这趟列车，看看当它驶出SMF-A的服务边界，进入SMF-B的领地时，5G网络是如何通过动态插入一个I-SMF，来确保张先生的视频会议全程流畅、IP地址不变，实现“一次连接，畅行千里”的。

1. 问题的根源：SMF服务区的边界 (5.34.1 General)

首先，我们需要理解为什么需要I-SMF。这源于5G核心网功能（特别是用户面功能UPF）的分布式部署。

When the UE is outside of the SMF Service Area, or current SMF cannot serve the target DNAI for the traffic routing for local access to the DN, an I-SMF is inserted between the SMF and the AMF. The I-SMF has a N11 interface with the AMF and a N16a interface with the SMF and is responsible of controlling the UPF(s) that the SMF cannot directly control.

1.1 SMF服务区 (SMF Service Area)

  • 定义： 一个SMF实例能够管理的UPF实例的地理范围集合，被称为该SMF的服务区。这个范围通常由一组TA（Tracking Area）来定义。

  • 部署现实： 在一个大规模的PLMN中，运营商不可能只用一个（或一个集群的）SMF来管理全国所有的UPF。出于性能、扩展性和容灾的考虑，通常会按地理区域（如省、市）部署多个独立的SMF Set。例如，A市由AMF-Set1和SMF-Set-A管理，B市由AMF-Set2和SMF-Set-B管理。

1.2 跨越边界的挑战

当张先生的列车从A市驶向B市时，他连接的基站会从A市的基站切换到B市的基站。新的基站可能只连接了位于B市的UPF。问题来了：

  • 管理张先生PDU会话的SMF-A，其“管辖范围”仅限于A市的UPF。它无法直接控制B市的UPF。

  • 如果不做任何处理，当UE切换到B市的基站后，原有的PDU会话因为SMF-A无法管理新的UPF而中断。

  • 如果要切换SMF（从SMF-A到SMF-B），则意味着要重建PDU会话，IP地址会改变，张先生的视频会议将断线。

如何既不改变会话的主SMF（保持IP地址和会话连续性），又能让UE使用新区域的UPF？I-SMF应运而生。

2. “接力赛跑”：I-SMF的架构与角色 (5.34.2 Architecture)

I-SMF的引入，改变了AMF-SMF-UPF的传统线性交互模式，形成了一个“三级跳”的架构。

Figure 5.34.2.2-1 depicts the non-roaming architecture with an I-SMF insertion to the PDU Session without UL-CL/BP, using reference point representation.

规范中的该图清晰地展示了I-SMF插入后的信令路径：

UE ←> RAN ←> AMF ←> I-SMF ←> SMF

2.1 I-SMF的角色定位

I-SMF本质上也是一个SMF，但它在PDU会话中扮演一个临时的、中间的、代理的角色。

  • 对AMF而言： I-SMF看起来就像是服务于当前UE位置的“本地SMF”。AMF将所有与该PDU会话相关的NAS-SM消息和N2信令都转发给I-SMF。

  • 对主SMF而言： I-SMF扮演了AMF的角色，通过N16a接口与主SMF进行交互。它将UE的会话管理请求转发给主SMF，并从主SMF接收策略和控制指令。

  • 对本地UPF而言： I-SMF是本地UPF的直接控制者。它通过N4接口，管理着UE在新区域中连接的UPF。

2.2 场景代入：I-SMF的动态插入

列车高速行驶，即将跨越A市和B市的边界。

  1. 切换与AMF检测：

    • 列车上的UE切换到了一个属于B市TA的新基站。

    • UE向其服务的AMF（可能仍在A市，也可能已切换到B市的AMF）发起Mobility Registration Update。

    • AMF检测到UE进入了一个新的SMF服务区。它发现，管理张先生PDU会话的SMF-A无法服务于B市。

  2. I-SMF的选择与插入 (5.34.3 I-SMF selection, V-SMF reselection):

    • AMF立即在B市的网络中，根据UE的新位置、S-NSSAI等信息，选择一个合适的SMF来扮演I-SMF的角色（我们称之为I-SMF-B）。

    • AMF向I-SMF-B发起一个“上下文创建”请求，告知它需要为一个已有的PDU会话（由SMF-A管理）提供中间代理服务。

    • AMF同时通知主SMF（SMF-A）：“你的用户已经跑出你的地盘了，现在由I-SMF-B作为你的代理人。”

  3. 建立新的用户面路径：

    • I-SMF-B现在负责控制本地用户面。它选择一个B市的UPF（I-UPF-B），并通过N4接口为其配置会话规则。

    • I-SMF-B通过AMF，向B市的基站下发指令，建立从UE到I-UPF-B的N3隧道。

    • I-SMF-B同时与主SMF（SMF-A）交互，获取用于连接I-UPF-B和主锚点UPF（PSA-A，仍在A市）的N9隧道信息。

  4. 会话“接力”完成：

    • 新的用户面路径 UE ←> RAN-B ←> I-UPF-B ←> PSA-A ←> DN 建立完成。

    • 数据流开始走新的路径。张先生的IP地址（由PSA-A分配）保持不变，视频会议无感地继续进行。

此时，I-SMF-B就像一个尽职的“本地向导”，在不惊动“总指挥”（SMF-A）的情况下，为张先生安排好了在B市的“本地交通”（用户面路径）。

3. “物归原主”：I-SMF的移除

Conversely if the AMF detects that an I-SMF is no more needed (as the service area of the SMF includes the new UE location) it removes the I-SMF and interfaces directly with the SMF of the PDU Session.

如果列车最终又回到了A市，或者张先生在B市结束会议后，重新回到了A市，这个临时的I-SMF就需要被优雅地移除。

场景代入： 张先生的列车返回A市。

  1. AMF检测： UE切换回A市的基站，并发起移动性注册。

  2. AMF决策： AMF检测到UE的新位置已经回到了主SMF（SMF-A）的服务区内。它判断I-SMF-B不再需要。

  3. 路径切换与I-SMF移除：

    • AMF直接与主SMF-A交互，告知UE已返回。

    • SMF-A直接选择一个A市的UPF，并建立 UE ←> RAN-A ←> UPF-A ←> DN 的路径。

    • 路径切换完成后，SMF-A通知I-SMF-B，其代理任务结束。I-SMF-B释放它所管理的用户面资源（I-UPF-B和N9隧道），并删除相关的会话上下文。

整个PDU会话的控制权，又重新回到了主SMF-A手中，实现了“物归原主”。

4. I-SMF与边缘计算：UL CL/BP的控制权 (5.34.4 & 5.34.5)

I-SMF机制不仅仅用于广域移动性，它也是实现边缘计算中**本地流量疏导（UL CL/BP）**动态部署的关键。

When I-SMF is involved for a PDU Session, it is possible that the UL CL controlled by I-SMF is inserted into the data path of the PDU Session.

The I-SMF determines whether UL CL will be inserted based on information received from SMF and the I-SMF selects the UPFs acting as UL CL and/or PDU Session Anchor providing local access to the Data Network.

核心思想：

  • SMF决策，I-SMF执行： 当UE漫游到一个新的区域，主SMF根据从PCF收到的PCC规则，判断出UE需要访问一个本地的数据网络（例如，一个边缘计算应用）。

  • 但是，主SMF无法直接控制这个边缘UPF。于是，它指示I-SMF：“请在你的地盘上，为这个UE插入一个UL CL（上行分类器），并将特定流量导向到本地的DNAI-X。”

  • I-SMF接收到这个指令后，就在本地选择并配置一个UPF作为UL CL，实现了流量的本地疏导。

场景代入： 列车行驶途中，经过一个部署了高清VR观景应用的边缘计算站点（C市）。

  1. 张先生的PDU会话此时由SMF-A（主）和I-SMF-C（中间）共同管理。

  2. 他打开了VR观景APP。AF通过PCF→SMF-A下发了策略，要求将VR流量疏导到C市的本地DNAI。

  3. SMF-A将这个“疏导指令”通过N16a接口发送给I-SMF-C。

  4. I-SMF-C在C市选择了一个边缘UPF作为UL CL，将VR流量从主数据流中分离出来，直接送往本地的VR应用服务器。

这确保了张先生的VR体验具有最低的时延，而他的其他上网流量，则继续通过N9隧道，回到A市的PSA-A访问互联网。

5. FAQ

Q1: I-SMF和V-SMF（拜访地SMF）有什么区别？

A:

虽然它们都处理漫游或移动场景，但角色和架构位置完全不同。

  • V-SMF 用于漫游（Roaming）场景。它位于拜访地网络（VPLMN），为来自其他运营商的漫游用户提供服务。它与HPLMN的H-SMF通过N16接口交互，共同管理一个Home-Routed的PDU会話。V-SMF是跨运营商边界的产物。

  • I-SMF 用于同一个PLMN内部的移动性或边缘计算场景。它与主SMF属于同一个运营商网络。当UE移动到主SMF服务区之外时，I-SMF被动态插入，作为主SMF的“代理”。它的存在是为了扩展主SMF的控制范围，保障会话连续性。I-SMF是单个运营商网络内部为了解决大规模部署和分布式UPF管理而引入的机制。

Q2: 为什么I-SMF与主SMF之间使用一个新的接口N16a，而不是直接用标准的N11接口？

A:

N16a接口是专门为SMF与I-SMF之间交互而定义的。虽然它在功能上与AMF和SMF之间的N11接口有相似之处（都用于传递会话管理信令），但它承载的信息和交互的上下文是不同的。

  • 上下文不同： N11上传递的是UE的原始NAS请求和AMF的上下文。而N16a上传递的是经过I-SMF初步处理和“代理”后的会话管理请求，以及I-SMF和主SMF之间的控制信息（如本地UPF的隧道信息）。

  • 功能差异： I-SMF对主SMF屏蔽了与AMF交互的细节。例如，AMF的变更对于主SMF是不可见的，由I-SMF来处理。定义一个新的接口，可以清晰地界定I-SMF和SMF各自的职责和交互模型。

Q3: 在有I-SMF的场景下，PCF和CHF与哪个SMF交互？

A:

PCF（策略控制功能）和CHF（计费功能）始终与主SMF（Anchor SMF）交互。

When a PDU Session is served by both an SMF and an I-SMF, the SMF is the NF instance that has the interfaces towards the PCF and CHF.

这是因为主SMF是整个PDU会话的生命周期的“所有者”和“最终负责人”。

  • 策略： 只有主SMF才拥有完整的会话策略视图，PCF只需要与它交互，下发PCC规则。主SMF再根据需要，将执行指令（如N4规则）分解给它自己直接管理的PSA UPF和由I-SMF管理的中间UPF。

  • 计费： 所有的计费事件和流量统计，最终都需要汇聚到主SMF，由主SMF与CHF进行交互，生成统一的CDR。

I-SMF在这个过程中，对PCF和CHF是透明的。

Q4: I-SMF的引入是否会增加业务时延？

A:

它会轻微增加控制面的信令时延，但其目的是为了避免用户面业务的重大中断和时延。

  • 控制面时延： PDU会话建立或修改的信令需要多经过I-SMF这一跳，因此信令交互的时延会略有增加。

  • 用户面收益： 相比于因为跨区移动而导致PDU会话重建所带来的秒级业务中断和IP地址变更，I-SMF机制通过保持会话连续性，极大地优化了用户体验。对于已经建立的会话，数据流虽然可能多经过一个I-UPF，但由于路径更贴近用户当前位置，端到端的用户面时延甚至可能会降低（尤其是在访问本地边缘应用时）。

Q5: 所有的5G网络都需要部署I-SMF吗？

A:

不是。I-SMF是针对特定部署拓扑的解决方案，并非所有网络都需要。

  • 小型或集中式网络： 在一个较小的网络（如一个城市或一个大型园区），如果所有的UPF都可以由一个中心的SMF Set来管理，那么就不需要I-SMF。

  • 大型、分布式网络： 在全国性的大网，或者广泛部署了边缘计算节点的网络中，UPF的分布范围远超单个SMF Set的服务能力。在这种场景下，I-SMF就成为了实现广域移动性和动态流量疏导的必要技术。

是否部署I-SMF，是运营商根据其网络规模、拓扑结构和业务发展规划所做的架构决策。

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