5G核心网ATSSS技术解析：接入选择、流量拆分与漫游架构实现

一、ATSSS是什么？

ATSSS，全称 Access Traffic Steering, Switching, Splitting，即接入流量控制、切换和拆分，它是3GPP为5G(NR)引入的一项核心功能。这项技术使得移动终端(UE)能够同时利用3GPP（如5G NR）和non-3GPP（如Wi-Fi）两种接入网络，并智能地管理用户数据流量。简单来说，它可以：

• 控制 (Steering)：为新的数据流选择合适的接入网络。
• 切换 (Switching)：将正在进行的数据流无缝转移到另一个接入网络，确保业务连续性。
• 拆分 (Splitting)：将单个数据流分配到多个接入网络上，以提升性能或实现冗余备份。

具体来看：

• 控制：网络依据运营商预设的策略和实时网络状况，决定一个新发起的业务（比如一个视频流请求）应该优先使用哪个接入网。这就像是为你打开导航时，系统会基于实时路况推荐最优路线。
• 切换：当一个接入网络质量下降或中断时，网络可以将正在进行的业务（如视频通话）平滑地转移到另一个接入网，用户几乎无感知。这类似于在Wi-Fi信号变差时，手机自动切到蜂窝数据，保证通话不中断。
• 拆分：网络能够将一个高带宽需求的数据流（如4K视频下载）同时通过5G和Wi-Fi两条路径传输，聚合带宽以提升下载速度；或者为了高可靠性，将同一份数据通过两条路径发送，确保即便一条路径故障，业务也不受影响。

二、ATSSS的工作原理与模式

ATSSS的工作层面可以是在IP层（例如使用MPTCP、MPQUIC等多路径协议），也可以在IP层以下（利用底层的链路聚合功能）。其控制核心是5G核心网中的策略控制功能(PCF)，PCF根据运营商配置的策略规则，并结合来自终端(UE)和网络自身的实时性能测量数据，做出智能的流量调度决策。

基于不同的优化目标，ATSSS主要支持以下几种工作模式：

• 主备模式：流量主要经由活动链路（主用）发送。一旦主用链路发生故障，流量立即切换到备用链路，确保业务不中断，重点在于可靠性。
• 负载均衡模式：流量按照预设的比例（如7:3）在可用的接入网络之间进行分配，旨在平衡各链路的负载，充分利用所有网络资源。
• 最小延迟模式：流量始终被导向当前延迟（往返时间RTT）最低的接入网络，适用于对实时性要求极高的业务，如云游戏、实时交互。
• 优先级模式：流量优先通过高优先级链路（如5G）发送。当该链路发生拥塞时，超出部分的流量可以被拆分或转移到低优先级链路（如Wi-Fi），是一种兼顾性能与资源利用的策略。

三、为支持ATSSS的5G架构扩展

为了实现上述功能，5G的系统架构进行了相应的扩展。支持ATSSS的5G终端(UE)需要集成一个或多个流量控制功能模块，包括 MPTCP功能、MPQUIC功能和ATSSS-LL功能。UE中的这些功能模块能够根据5G核心网下发的ATSSS规则，在3GPP和non-3GPP接入网之间执行精确的流量控制、切换与拆分。

相应的，网络侧的用户面功能(UPF)也需要增强以进行配合：

• UPF可以支持MPTCP代理功能，通过MPTCP协议（遵循IETF RFC 8684）与UE中的MPTCP功能进行通信。
• UPF可以支持MPQUIC代理功能，通过QUIC协议及其多路径扩展草案与UE中的MPQUIC功能进行通信。
• UPF可以支持ATSSS-LL功能，其功能定义与UE侧的ATSSS-LL功能相对应。

特别地，对于以太网类型的多接入PDU会话，UE必须具备ATSSS-LL功能。

图：支持ATSSS的非漫游及本地中断架构（图4.2.10-1）

四、ATSSS的关键应用特点

1. 对以太网类型会话的要求：在5G核心网中建立以太网类型的多接入PDU会话时，必须依赖ATSSS-LL功能进行协议转换和处理。

2. 性能测量：UPF支持性能测量功能(PMF)，UE可以利用该功能分别获取3GPP接入和non-3GPP接入的用户面性能指标（如时延、丢包率），这些数据是PCF做出智能调度决策的重要输入。

3. 控制面增强：为了支持ATSSS，AMF、SMF和PCF都扩展了新的功能接口和流程，具体在3GPP规范TS 23.502/503中定义。

4. 架构灵活性：如图4.2.10-1所示，UPF之间可以通过N9接口互联，而并非必须通过N3接口连接无线接入网，这为数据面的组网提供了更多灵活性。

五、漫游场景下的ATSSS架构

在复杂的漫游场景下，ATSSS的支持架构会根据流量路由方式和UE的注册情况有所不同。

场景一：归属地路由，UE在同一拜访地网络注册

图：支持ATSSS的漫游架构（归属地路由，UE注册于同一VPLMN）（图4.2.10-2）

如图4.2.10-2所示，当采用归属地路由方式，且UE通过3GPP和non-3GPP接入都注册在同一个拜访地公共陆地移动网络(VPLMN)时，关键的MPTCP代理、MPQUIC代理、ATSSS-LL及PMF等功能都位于归属地的UPF(H-UPF)中。

场景二：归属地路由，UE在不同网络注册

图：支持ATSSS的漫游架构（归属地路由，UE注册于不同PLMN）（图4.2.10-3）

如图4.2.10-3所示，这是一种更复杂的场景：流量仍采用归属地路由，但UE通过3GPP接入注册在VPLMN，而通过non-3GPP接入却直接注册在归属地网络(HPLMN)。此时，UE实际上同时附着于两个不同的PLMN。在这种情况下，所有的代理功能（MPTCP、MPQUIC、ATSSS-LL）和PMF同样都部署在H-UPF中，由归属网络统一控制流量的跨接入、跨地域的调度。

ATSSS功能深刻地体现了5G核心网向智能化、融合化的发展方向，它不仅是提升用户体验的关键，也是运营商优化网络资源、提供差异化服务的重要技术基石。想了解更多关于5G、网络协议和系统架构的深度讨论，欢迎访问云栈社区，与广大开发者一起交流学习。