5G核心网深度剖析：RAN发起QoS流迁移机制详解
1. 机制概述与技术背景
1.1 什么是RAN发起QoS流迁移？
在5G网络架构中，为了提升用户体验、优化网络资源分配，特别是当用户设备（UE）处于双连接（Dual Connectivity, DC）激活状态时，网络侧需要灵活地管理用户面的数据传输路径。
RAN发起QoS流迁移 (RAN Initiated QoS Flow Mobility) 是一种核心网控制面与接入网协同工作的重要过程，其主要目的是在主RAN节点（Master RAN Node）和辅助RAN节点（Secondary RAN Node）之间转移特定的QoS流（QoS Flows）。这一机制允许网络在不中断PDU会话的前提下，动态调整哪些QoS流通过哪个RAN节点进行数据传输。
对于涉及多个PDU会话的QoS流需要迁移的情况，该流程会针对每个PDU会话重复执行。
1.2 核心实体与不变原则
理解这一流程的关键在于明确哪些网络功能实体（NFs）的职能保持不变。
在整个RAN发起QoS流迁移过程中，服务性移动性管理功能（SMF）和用户面功能（UPF）的位置和分配是永远不会重新分配的。
这意味着，无论QoS流如何从主RAN节点切换到辅助RAN节点，控制面锚点（SMF）和N3接口的UPF都保持固定。这里提到的UPF，特指在5GC（5G Core）中终结N3接口的UPF。该流程的前提条件是UPF与主RAN节点之间、以及UPF与辅助RAN节点之间都存在IP连接。
这一原则保证了迁移过程的轻量化和高效率，避免了核心网路径的复杂重建，主要关注的是接入网侧N3隧道端点的更新。
2. 信令流程深度解析
RAN发起的QoS流迁移流程涉及NG-RAN（主节点、辅助节点）、AMF（接入和移动性管理功能）、SMF和UPF之间的复杂交互。图4.14.1-1描述了标准的NG-RAN发起QoS流迁移流程。
整个流程的核心在于更新N3隧道信息，以便将特定QoS流的数据路径导向新的RAN节点（或从新节点导回原节点）。
2.1 触发与初步交互 (RAN AMF SMF)
步骤 1：主RAN节点发起迁移指示
当主RAN节点决定将一个或多个QoS流转移到或从辅助RAN节点转移时，它会向AMF发送N2 QoS Flow mobility Indication消息。
该消息携带关键信息，用于通知核心网需要修改用户面上下文：
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PDU Session ID： 标识需要进行QoS流迁移的PDU会话。 -
QFI(s)： 标识需要被迁移的具体QoS流的ID列表。 -
AN Tunnel Info： 包含需要修改AN隧道信息（AN Tunnel Info）的QFI列表对应的新的RAN隧道端点信息。这是切换用户面数据路径的关键数据。 -
User Location Information： 用户的位置信息，包括服务小区的ID。如果UE激活了双连接（DC），则还应包含PSCell ID（辅小区主小区ID）。
步骤 2：AMF向SMF转发请求
AMF接收到N2 QoS Flow mobility Indication后，由于这涉及用户面会话的修改，AMF会向相关的SMF发送Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext Request消息。
该请求中包含步骤1中收到的N2 QoS Flow mobility Indication消息中的PDU会话ID，从而启动核心网用户面上下文的更新。
2.2 SMF与UPF的用户面切换 (SMF UPF)
步骤 3：SMF请求UPF修改会话
SMF收到AMF的请求后，需要通知UPF更新其N3接口的隧道信息，以实现QoS流的数据路径切换。SMF向UPF发送N4 Session Modification Request消息。
该请求的关键参数包括：
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PDU Session ID(s)： 标识需要修改的PDU会话。 -
QFI(s)： 需要切换的QoS流ID。 -
AN Tunnel Info for downlink user plane： 这是从RAN侧收到的新隧道信息，指示UPF应将该QFI的下行用户面流量发送至哪个新的RAN隧道端点。
步骤 4：UPF响应并完成切换
UPF收到N4请求后，执行QoS流的隧道切换操作。一旦请求的QFI切换完成，UPF会返回N4 Session Modification Response消息给SMF。
该响应消息中包含：
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CN Tunnel Info for uplink traffic： 核心网隧道信息，用于通知SMF关于上行流量的隧道端点信息。
2.3 核心网确认与数据处理 (SMF AMF RAN)
步骤 5：SMF响应AMF
在成功切换了QoS流后，SMF向AMF返回Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext response消息。
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该响应包含N2 SM information，即成功切换的QoS流对应的CN Tunnel Info for uplink traffic。 -
失败处理： 如果请求的QoS流都没有成功切换，SMF应发送N2 QoS Flow mobility Failure消息。
步骤 6：UPF发送“End Marker”
为了协助主RAN节点和/或辅助RAN节点的重排序功能（reordering function），UPF在为某个QFI切换隧道后，会立即在旧隧道上发送一个或多个“end marker”（结束标记） 数据包。
发送完结束标记后，UPF开始将下行数据包发送到目标NG-RAN（即使用新的AN Tunnel Info）。
步骤 7：AMF转发确认
AMF将步骤5中的响应消息中继（relays）给主RAN节点。
注意： 步骤7可以在SMF收到N4 Session Modification Response后的任何时间发生。
3. 关键知识点、消息与参数总结
本节通过Markdown表格对RAN发起QoS流迁移中的关键要素、接口以及消息参数进行系统总结，以方便通信行业工程师快速查阅。
3.1 核心实体与接口总结
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3.2 关键信令流程重绘
以下表格总结了RAN发起QoS流迁移流程中的核心信令交互步骤，侧重于信令实体、消息名称及主要目的。
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3.3 关键消息与参数总结
以下表格总结了流程中出现的核心消息及其中携带的关键参数，这些参数是通信工程师维护和故障排查时的重点。
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4. 生活化场景举例：王工的DC体验与流量优化
想象一位5G网络维护工程师王工，他周末休息时正在驾驶一辆支持L3级别自动驾驶的汽车，同时通过5G网络观看一场高分辨率的4K足球比赛直播。
王工的手机正处于双连接（DC） 状态，由附近的一个主RAN节点（Master RAN，例如宏站）和一个辅助RAN节点（Secondary RAN，例如灯杆微站）共同提供服务。他观看直播的QoS流（QFI=5，高优先级）和后台应用更新的QoS流（QFI=8，低优先级）都通过这个PDU Session传输。
场景描述：RAN发起QoS流迁移
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网络决策（主RAN Node）： 王工的汽车进入了辅助RAN节点覆盖更强的区域，并且主RAN节点负载开始升高。主RAN节点决定进行流量优化，计划将低优先级的QFI=8（后台更新流量）转移到辅助RAN节点，以减轻主节点的负载，并将高优先级的QFI=5保留在主节点或保持在最优路径。
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触发流程（步骤 1）： 主RAN节点立即向AMF发送N2 QoS Flow mobility Indication消息。该消息中包含PDU Session ID、QFI(s)=8，以及辅助RAN节点提供的新的AN Tunnel Info，该隧道信息指向辅助RAN节点。同时，消息中还携带了当前的服务小区ID和PSCell ID，确认UE处于DC状态。
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核心网更新（步骤 2, 3, 4）： AMF将请求转发给SMF。SMF接收到请求后，意识到需要切换QFI=8的用户面路径。SMF向UPF发送N4 Session Modification Request，指示UPF将QFI=8的下行流量目标切换到新的AN Tunnel Info。UPF执行切换并返回N4 Session Modification Response，其中携带了UPF期望接收上行QFI=8流量的CN Tunnel Info。
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用户面路径切换与数据处理（步骤 6）： UPF成功更新了QFI=8的内部映射。它立即在QFI=8的旧隧道上发送End Marker。这样做是为了确保主RAN节点知道旧路径的数据已经结束，并帮助辅助RAN节点（如果QoS流是迁移到辅助RAN）进行数据包的正确重排序，避免数据乱序。随后，UPF开始通过新的AN Tunnel Info向辅助RAN节点发送QFI=8的下行数据。
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流程确认（步骤 5, 7）： SMF向AMF发送响应，确认QFI=8的切换成功，并将UPF返回的上行CN Tunnel Info通过N2 SM information传递给AMF。AMF最终将此信息中继给主RAN节点。
结果： 在王工看来，4K直播（QFI=5）没有受到任何影响，而后台应用更新（QFI=8）的流量路径已平滑地切换到了辅助RAN节点。网络实现了负载均衡，王工的体验也得到了保障。这个过程对SMF和UPF是透明的，它们仅更新了N4接口的隧道信息，体现了SMF和UPF不重新分配的原则。
5. 维护工程师FAQ（至少10个问答对）
本FAQ旨在帮助5G维护工程师理解和排查RAN发起QoS流迁移过程中的常见问题。
Q1: RAN发起QoS流迁移的触发条件是什么？
A1: 触发条件通常是RAN基于负载均衡、无线资源优化、或UE的DC状态变化（例如，决定将某些流量分流到辅助节点或从辅助节点撤回）的内部决策。
Q2: 为什么在QoS流迁移过程中，SMF和UPF不会重新分配？
A2: 因为该流程的目的是在已建立的PDU会话内，仅仅调整接入网侧（Master/Secondary RAN）的N3用户面隧道端点。SMF和UPF作为核心网的控制面锚点和N3的终结点，保持不变可以保证流程的轻量化和高效性。
Q3: 步骤1中提到的“AN Tunnel Info”具体指的是什么？
A3: AN Tunnel Info（接入网隧道信息）指的是RAN侧的隧道端点标识符，通常是TEID (Tunnel Endpoint Identifier) 和传输层地址（IP地址）的组合。它指示了UPF应该将下行数据发送到RAN侧的哪个地址和端口。
Q4: N2 QoS Flow mobility Indication消息中包含PSCell ID有什么意义？
A4: PSCell ID (Primary Secondary Cell ID) 是在UE激活双连接（DC）时才会包含的。它的存在是确认UE处于DC状态，并且帮助核心网或AMF了解当前辅助RAN节点的情况，以确保迁移操作的准确性。
Q5: 为什么UPF在切换隧道后需要发送“End Marker”？
A5: UPF发送“End Marker”的目的是通知旧隧道上的RAN节点，该QFI的所有下行数据已传输完毕，以便协助Master RAN Node和/或Secondary RAN Node的重排序功能。这能有效防止数据在隧道切换过程中发生乱序。
Q6: 如果RAN请求迁移多个PDU会话的QoS流，流程如何执行？
A6: 如果有多个PDU会话的QoS流需要迁移，流程图4.14.1-1所示的过程需要针对每个PDU会话重复执行一次。
Q7: 如果SMF在步骤5中返回N2 QoS Flow mobility Failure，可能的原因是什么？
A7: 失败通常发生在核心网侧无法完成上下文更新或资源分配时。最直接的原因是UPF在步骤4中没有成功完成请求的QFI切换，或者SMF在处理Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext Request时内部出现了错误。
Q8: 流程中的AN Tunnel Info和CN Tunnel Info分别代表什么流量方向？
A8:AN Tunnel Info（步骤 1, 3）在流程中主要用于定义下行用户面的新RAN侧端点,。 CN Tunnel Info（步骤 4, 5）是由UPF返回给SMF/AMF，用于告知RAN侧上行用户面数据的接收端点。
Q9: 步骤7提到AMF中继消息5，这条消息最终到达谁？
A9: 步骤7中，AMF将步骤5中SMF的响应消息中继给Master RAN Node（主RAN节点）。主RAN节点接收到该消息后，确认核心网已完成更新，并获得了新的上行CN Tunnel Info，以便指示UE或自身如何处理上行数据。
Q10: 谁负责确保UPF和RAN节点之间的IP连接？
A10: 流程假设UPF与主RAN节点以及UPF与辅助RAN节点之间都存在IP连接。虽然源材料未明确指出具体负责建立连接的实体，但在5G网络中，网络规划和基础设施配置需要保证N3接口的连通性。
Q11: 流程中，N4 Session Modification Request消息中携带的AN Tunnel Info是针对上行还是下行流量？
A11: N4 Session Modification Request消息中携带的AN Tunnel Info明确用于下行用户面流量 (AN Tunnel Info for downlink user plane)。
Q12: Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext Request消息中包含了哪些来自RAN的原始信息？
A12: 该请求消息至少包含从N2 QoS Flow mobility Indication消息中获取的PDU Session ID。AMF通过这个ID找到对应的SMF并转发请求。