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深度解析 3GPP TS 38.410：5.5 PDU Session Management function (PDU会话管理)

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好的，我们继续跟随5G基站工程师小雷，深入探索NG接口上那些与用户数据业务息息相关的功能。在学习了UE的“建档”和“搬家”流程后，现在我们将聚焦于数据业务的“正餐”——PDU会-话的管理。

深度解析 3GPP TS 38.410：5.5 PDU Session Management function (PDU会话管理)

本文技术原理深度参考了3GPP TS 38.410 V18.2.0 (2024-06) Release 18规范中，关于“5.5 PDU Session Management function”的核心章节，并结合其在核心网（TS 23.501/502）和NGAP协议（TS 38.413）中的具体实现，为读者完整呈现5G网络中，由NG接口支撑的PDU会话在基站侧资源的建立、修改和释放全流程。

引言：为你的“上网体验”铺设的“专属数据管道”

我们的主角，基站工程师小雷，每天的工作，除了管理用户的接入和移动，更核心的任务，是确保每个用户都能享受到高速、流畅的上网体验。无论是刷短视频、玩云游戏，还是进行高清视频通话，每一种数据业务，在5G网络中，都需要一条专属的“数字管道”来承载。

这条从UE一直延伸到数据网络（如互联网）的端到端管道，就是PDU会话（PDU Session）。

而在小雷所负责的gNB这一段，为PDU会话建立对应的无线和传输资源，是保证“最后一公里”畅通的关键。第5.5节“PDU会话管理功能”，正是NG接口为gNB定义的、用于管理这些“管道”资源的核心操作指令集。它规定了gNB如何根据核心网（AMF/SMF）的指令，来建立、修改和释放与PDU会话相关的无线承载（DRB）和用户面隧道（NG-U）。

1. PDU会话的“RAN视角”：不仅仅是透明中继

5.5 PDU Session Management function

The PDU Session function is responsible for establishing, modifying and releasing the involved PDU sessions NG-RAN resources for user data transport once a UE context is available in the NG-RAN node.

NGAP supports transparent relaying of PDU Session related information by the AMF as described in TS 23.502.

深度解读：

这段话揭示了NG接口在PDU会话管理中的双重角色：

  1. 资源管理者: gNB的核心职责，是为PDU会话管理NG-RAN侧的资源。这包括：
    • 无线资源: 在空口上建立/配置数据无线承载（DRB - Data Radio Bearer）。
    • 传输资源: 在gNB与UPF之间，建立/配置NG-U用户面隧道。
  2. 透明中继者: PDU会话的核心控制权，掌握在SMF手中。所有关于PDU会话的“商业逻辑”（如IP地址分配、QoS策略、计费规则），都封装在UE与SMF之间的NAS信令中。AMF和gNB在此过程中，扮演了透明中继的角色，将这些NAS消息在UE和SMF之间原封不动地传递。

可以理解为：SMF是“总设计师”，负责PDU会话的端到端蓝图；而gNB是“最后一公里施工队”，负责根据蓝图中与自己相关的部分，铺设好空口和NG-U这两段关键的“管道”。NG接口上的PDU会话管理流程，正是“总设计师”向“施工队”下达“施工/改造/拆除”指令的方式。

2. “管道”的铺设、改造与拆除：三大核心流程

PDU会话在gNB侧的生命周期，同样可以被划分为建立、修改、释放三个阶段。这些阶段，在NGAP协议中，由一系列PDU SESSION RESOURCE ...流程来承载。

场景设定： 用户“张三”的手机已经完成了注册，并在小雷的gNB上建立了UE上下文。现在，他打开了一个视频App，准备开始上网。

2.1 建立流程 (Establishment) - PDU SESSION RESOURCE SETUP

  1. UE → SMF (NAS: PDU Session Establishment Request):

    • “张三”的手机向SMF发起建立PDU会话的NAS请求，请求中包含了所需的业务类型（如IP）、DNN（数据网络名称，如internet）等信息。
    • 这条NAS消息，被gNB和AMF“透明地”中继到了SMF。

  2. SMF → AMF (Nsmf_PDUSession_CreateSMContext):

    • SMF执行一系列“总设计”工作：选择UPF、分配IP地址、确定端到端的QoS策略等。
    • SMF将需要RAN侧执行的“施工图纸”，通过服务化接口，发送给AMF。

  3. AMF → gNB (PDU SESSION RESOURCE SETUP REQUEST):

    • PDU会话管理流程启动！ AMF向小雷的gNB发送PDU SESSION RESOURCE SETUP REQUEST消息。
    • 核心内容 (施工图纸):
      • PDU Session ID: 这条“管道”的唯一编号。
      • PDU Session Aggregate Maximum Bit Rate (PDU Session AMBR): 这条“管道”的总带宽上限。
      • NG-U Tunnel Info: SMF已经选好的UPF的IP地址和GTP-U隧道ID（TEID）。这是告诉gNB：“你的数据管道，请连接到这个指定的‘主水管’接口。”
      • QoS Flow List: 这条管道内需要承载的所有QoS Flow的详细“施工要求”，包括每条QoS Flow的5QI、ARP、速率限制等。
      • NAS-PDU (可选): SMF可能还会顺便“捎带”一个需要转发给UE的NAS响应消息。

  4. gNB的“施工”工作:

    • 小雷的gNB收到了这份详尽的“施工图纸”。
    • 铺设空口管道: 对于每一条需要建立的QoS Flow，gNB会在空口上为其建立一个对应的DRB，并配置好相应的RLC/MAC/PHY参数，以满足其QoS要求。
    • 连接核心网管道: gNB建立好到指定UPF的NG-U隧道，准备好接收下行数据。

  5. gNB → AMF (PDU SESSION RESOURCE SETUP RESPONSE):

    • “施工”完成后，gNB向AMF回复响应，报告“管道已铺好！”
    • 核心内容: gNB会告知AMF，自己为这条PDU会话的NG-U隧道所分配的下行GTP-U隧道ID（TEID）。这样，UPF就知道往gNB的哪个“入口”灌水了。

至此，一条完整的从UPF到UE的用户面路径被打通，“张三”的视频开始流畅播放。

2.2 修改流程 (Modification) - PDU SESSION RESOURCE MODIFY

场景设定： “张三”的视频App，根据网络状况，决定将视频清晰度从“标清”切换到“超清”。

  1. 触发: 这个“升舱”请求，可能由UE发起，也可能由网络侧（PCF/AF）发起。最终，SMF决定需要修改PDU会話的QoS。

  2. SMF → AMF → gNB (PDU SESSION RESOURCE MODIFY REQUEST):

    • AMF向gNB发送PDU SESSION RESOURCE MODIFY REQUEST消息，请求对现有的“管道”进行“升级改造”。
    • 核心内容:
      • PDU Session ID: 明确要改造的是哪条管道。
      • QoS Flow to be Modified/Added/Released List: 包含了需要变更的QoS Flow的新“施工要求”。例如，将视频流的GBR从2Mbps提升到8Mbps。

  3. gNB的“改造”工作:

    • 小雷的gNB收到“改造图纸”后，会重新配置与该QoS Flow对应的DRB，为其分配更多的无线资源，以满足新的8Mbps速率要求。

  4. gNB → AMF (PDU SESSION RESOURCE MODIFY RESPONSE):

    • 改造完成后，gNB向AMF回复确认。

2.3 释放流程 (Release) - PDU SESSION RESOURCE RELEASE

场景设定： “张三”关闭了视频App。

  1. 触发: UE向SMF发送PDU Session Release Request NAS消息。

  2. SMF → AMF → gNB (PDU SESSION RESOURCE RELEASE COMMAND):

    • SMF决定拆除这条“管道”。AMF向gNB发送PDU SESSION RESOURCE RELEASE COMMAND消息。
    • 核心内容:
      • PDU Session ID: 明确要拆除的是哪条管道。

  3. gNB的“拆除”工作:

    • 小雷的gNB收到“拆除令”后，会释放与该PDU会话相关的所有DRB和NG-U隧道资源。

  4. gNB → AMF (PDU SESSION RESOURCE RELEASE RESPONSE):

    • 拆除完成后，gNB向AMF回复确认。

总结：精细化“管道”管理，5G业务承载的基石

通过对5.5节“PDU会话管理功能”背后三大核心流程的深度剖析，我们看到了NG接口是如何将核心网的业务层决策，精确地转化为无线接入网侧的资源层操作的。

  • 职责清晰: SMF负责端到端的业务逻辑（IP、QoS策略），而gNB则专注于RAN侧的资源实现（DRB、NG-U隧道），双方通过AMF这个“信使”，以结构化的NGAP消息进行协作。
  • 流程完备: 覆盖了PDU会话在gNB侧从建立、修改到释放的全生命周期，确保了网络资源能够被按需分配、动态调整和及时回收。
  • QoS的最终落地: PDU会话管理流程，是5G精细化QoS体系（QoS Flow）在无线侧最终落地的执行者。SMF制定的QoS蓝图，正是通过PDU SESSION RESOURCE SETUP/MODIFY流程，才真正转化为了gNB的DRB配置和调度行为。

对于基站工程师小雷来说，PDU会话管理流程是他日常监控和排障的核心。网络慢、视频卡、游戏延迟高……很多用户体验问题的根源，往往就出在这些“管道”的建立是否顺畅、QoS配置是否正确、资源分配是否充足上。精通这套流程，是他从一个“基站管理员”成长为“网络性能优化专家”的必经之路。

FAQ

Q1：一个UE可以同时建立多个PDU会话吗？ A1：可以。这是5G相比于4G（通常只有一个默认承载）的一个重要进步。UE可以根据不同的业务需求，建立多个并行的PDU会话。例如，手机可以同时建立一个连接到互联网的PDU会话（用于普通上网），和一个连接到企业内网的PDU会话（用于移动办公），这两个会话可以有完全不同的IP地址、QoS策略和安全配置，实现了业务的安全隔离。

Q2：PDU Session AMBR和UE-AMBR有什么区别？ A2：PDU Session AMBR是针对单个PDU会话内，所有非GBR QoS Flow的总带宽上限。而UE-AMBR是针对一个UE的所有非GBR QoS Flow的总带宽上限，无论这些Flow属于哪个PDU会话。UE-AMBR是“总闸”，PDU Session AMBR是“分路闸”。一个UE的总非GBR流量，既不能超过UE-AMBR，其在某个PDU会话内的非GBR流量，也不能超过该PDU会话的AMBR。

Q3：在PDU会话建立时，UPF是谁选择的？gNB知道有多少个UPF吗？ A3：UPF是由SMF选择的。gNB不知道核心网中有多少个UPF，也不关心。SMF会根据UE的位置、业务类型（DNN）、网络拓扑、UPF的负载等多种因素，为这个PDU会话选择一个最合适的UPF。然后，SMF会将这个选定的UPF的地址，通过PDU SESSION RESOURCE SETUP REQUEST消息，明确地告知gNB。gNB只需要“遵命”与这个指定的UPF建立NG-U隧道即可。这种机制，实现了用户面功能的灵活部署和控制。

Q4：为什么AMF要“透明中继”UE和SMF之间的NAS消息？它不能自己处理吗？ A4：这是5G核心网CUPS（控制面与用户面分离）和服务化架构思想的体现。AMF的职责被严格限定在接入和移动性管理，它不应该也无需理解与PDU会话相关的复杂逻辑（如IP地址分配、计费策略等）。将会话管理功能（Session Management）完全剥离出来，由一个独立的SMF来负责，使得两个功能实体的设计更简洁、职责更单一、更容易独立演进。AMF在此过程中扮演“路由器”或“交换机”的角色，根据消息的类型（如会话管理类消息），将其精确地转发给正确的处理单元（SMF）。

Q5：如果PDU SESSION RESOURCE SETUP流程失败了，会发生什么？ A5：如果gNB因为资源不足等原因，无法满足AMF的建立请求，它会回复一个PDU SESSION RESOURCE SETUP FAILURE消息，其中包含了失败的原因。AMF收到后，会将这个失败结果，通过SMF，最终以一条PDU Session Establishment Reject的NAS消息，通知给UE。用户的手机屏幕上可能会显示“数据网络连接失败”或类似的提示。

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