本文聚焦 3GPP TS 23.502 Section 4.3.3 PDU Session Modification 流程,深度拆解 QoS Flow 的建立(Add)、修改(Modify)、删除(Remove)、替换(Replace)四类操作,以及 N4(PFCP)接口 PDR/FAR/QER/URR 规则的动态下发机制。
在 5G 系统中,一个 PDU 会话在建立阶段(TS 23.502 Section 4.3.2)会创建一个默认 QoS Flow(通常是 Non-GBR,对应某个默认 5QI,如 5QI=9)。但用户面真正的动态性来自于 PDU Session Modification ——它是在不拆掉整个 PDU 会话的前提下,按业务需求精细化调整 QoS 资源的核心机制。
典型触发场景包括:
PDU Session Modification 与 PDU Session Establishment 的本质区别在于:前者是对已存在 PDU 会话的增量操作(incremental QoS flow manipulation),复用已有的 N4 会话隧道(TEID)和 UE IP 地址,仅对 QoS Flow 级别的规则做增删改查。
TS 23.502 Section 4.3.3 定义了两种发起方式,细分则有三个触发源:
| 发起方式 | 规范章节 | 触发源 | 典型场景 |
|---|---|---|---|
| UE-requested | 4.3.3.2 | UE 应用层(如 App 请求更好 QoS) | 终端感知 QoS 不足主动请求 |
| Network-initiated | 4.3.3.3 | PCF(策略决策) | VoNR、视频、AF 触发的 QoS 提升 |
| Network-initiated | 4.3.3.3 | SMF(本地决策) | QoS Flow 异常释放、计时器到期 |
PCF 发起是最常见的网络侧触发路径:PCF 通过 Npcf_SMPolicyControl_Update 服务通知 SMF 新的策略决策(如新的 PCC Rule),SMF 据此计算需要新增/修改的 QoS Flow。Npcf_SMPolicyControl 服务对应接口 N7,PCF 与 SMF 之间的策略关联(SM Policy Association)。
SMF 发起通常用于 QoS Flow 的去激活(deactivation),例如 UE 进入不允许某 QoS 的区域,或 GBR Flow 资源无法满足时的降级。
以下时序图展示最经典的网络发起场景——PCF 触发为 VoNR 建立 Dedicated GBR QoS Flow(媒体面 5QI=1)。这条链路完整覆盖了 N7→N11→N4→N2→N1 全部接口:
sequenceDiagram
autonumber
participant AF as AF (IMS)
participant PCF as PCF
participant SMF as SMF
participant UPF as UPF
participant AMF as AMF
participant RAN as (R)AN/gNB
participant UE as UE
Note over AF,PCF: 业务触发(如 SIP INVITE 含 SDP)
AF->>PCF: Npcf_PolicyAuthorization_Create (媒体描述)
PCF->>PCF: PCC Rule 生成 (5QI=1, GBR, ARP)
PCF->>SMF: Npcf_SMPolicyControl_UpdateNotify (新PCC Rule)
Note over SMF: 计算 QoS Flow 操作 = Add
SMF->>SMF: 分配 QFI (如 QFI=2)
SMF->>UPF: N4 Session Modification Request (PDR/FAR/QER Add)
UPF-->>SMF: N4 Session Modification Response
SMF->>AMF: Namf_Communication_N1N2MessageTransfer<br/>(N1: PDU Session Modification Command<br/>N2: PDU Session Resource Setup/Modify)
Note over AMF: N1N2 拆分转发
AMF->>RAN: N2 PDU Session Resource Setup/Modify (含QoS Flow信息+QoS Profile)
AMF->>UE: NAS: PDU Session Modification Command (QoS Rule + QFI)
RAN->>UE: RRC Reconfiguration (DRB 建立以承载新QoS Flow)
UE-->>RAN: RRC Reconfiguration Complete
Note over RAN: 承载建立成功
RAN-->>AMF: N2 PDU Session Resource Setup/Modify Response
UE-->>SMF: NAS: PDU Session Modification Complete (经AMF透传)
SMF->>PCF: Npcf_SMPolicyControl_Update (确认QoS Flow建立)
Note over SMF,UPF: Dedicated GBR QoS Flow 激活,媒体面可用
这个时序图的关键设计在于步骤 8 的 N1N2 消息拆分。SMF 通过 Namf_Communication_N1N2MessageTransfer 一次下发两段信息:
PDU Session Modification Command(给 UE 的 NAS 消息,携带 QoS Rule)PDU Session Resource Setup/Modify Transfer(给 (R)AN 的 NGAP 容器,携带 QoS Flow Level QoS Parameters)AMF 作为中继,将 N2 部分通过 NGAP PDU Session Resource Setup/Modify 消息发给 gNB,将 N1 部分作为 NAS Payload 携带在同一 NGAP 消息的 NAS-PDU IE 中下发给 UE。这种"一次 SMF 调用,双路径分发"是 5G 控制面与 4G EPS 承载建立信令的显著区别。
SMF 在收到 PCC Rule 后,会根据 PCC Rule 的状态变化计算 QoS Flow 的操作类型。这是一个状态驱动的决策过程:
stateDiagram-v2
[*] --> 基线状态: 默认 Non-GBR QoS Flow 已存在
基线状态 --> Add: PCC Rule 新建 (INSTALL)
Add --> 激活态: QFI分配 + DRB建立 + N4规则下发
激活态 --> Modify: QoS参数变化<br/>(5QI/ARP/GFBR变更)
Modify --> 激活态: 仅更新QER/QoS Profile
激活态 --> Remove: PCC Rule 删除 (REMOVE)
Remove --> 基线状态: QFI回收 + DRB释放
基线状态 --> Replace: 默认QoS Flow参数整体替换
Replace --> 基线状态: 新参数生效
note right of Modify
Modify 不重新分配 QFI
仅调整已有 Flow 的 QoS Profile
可能伴随 DRB 重配置
end note
note right of Add
Add 必须分配新 QFI
GBR Flow 需要 RAN 准入控制
(Admission Control)
end note
四种操作的差异如下:
PDU Session Modification Command 消息中携带的核心 IE:
| IE 名称 | 含义 | 关键取值 |
|---|---|---|
| PDU Session ID | 标识被修改的 PDU 会话 | 1-255 |
| QoS Rules | UE 侧分类上行包的规则 | 含 Packet Filter Set + Precedence + QFI + 操作类型 |
| QoS Flow List | QFI 与操作类型映射 | QFI + Add/Modify/Remove/Replace |
| Session-AMBR | 会话聚合最大比特率 | UL/DL 速率 |
| QoS Rule Operation Code | QoS Rule 操作类型 | ADD=1, MODIFY=2, DELETE=3 |
| Reflective QoS Indicator (RQI) | 指示 UE 是否反射推导上行 QoS Rule | 0/1 |
| PDU Session Type | IPv4/IPv6/Ethernet/Unstructured | 通常修改流程中不变 |
QoS Rule 是 UE 侧行为的核心。它由 Packet Filter Set + QFI + Precedence 组成。当 UE 上行发送数据包时,匹配某个 Packet Filter Set 的数据包会被打上对应的 QFI 标记,从而走对应的 DRB。这是 5G 区别于 4G EPS(每承载一个 TI)的 QoS 模型——5G 用 QFI 而非承载标识区分 QoS。
Reflective QoS(反射 QoS) 是一个重要优化机制。对于支持反射 QoS 的 Non-GBR Flow,下行数据包在 N3 隧道封装时带有 RQI 标志(通过 QER 中的 RQI 字段),UE 收到后自动推导出对称的上行 QoS Rule,无需 SMF 显式下发上行 QoS Rule。这大幅减少了网络发起 QoS 修改时的信令开销。RQA(Reflective QoS Attribute)在 N2 SM Information 中指示该 PDU 会话支持反射 QoS。
发给 (R)AN 的 PDU Session Resource Setup/Modify Transfer 中包含:
这是 PDU Session Modification 在用户面最核心的工作——SMF 通过 N4(PFCP)向 UPF 下发四类规则:
flowchart TD
subgraph SMF["SMF N4 Session Modification"]
direction TB
PDR["PDR<br/>Packet Detection Rule<br/>检测上行/下行数据包"]
FAR["FAR<br/>Forwarding Action Rule<br/>转发动作"]
QER["QER<br/>QoS Enforcement Rule<br/>QoS执行/限速"]
URR["URR<br/>Usage Reporting Rule<br/>用量上报"]
end
PDR -->|匹配| QER
QER -->|限速/标记QFI| FAR
FAR -->|封装N3/N9隧道| NETWORK["外部网络 / N3隧道"]
PDR -.->|触发计量| URR
URR -.->|用量报告| SMF
classDef new fill:#e1f5ff,stroke:#0288d1,stroke-width:2px
class PDR,FAR,QER new
PDU Session Modification 时,SMF 通过 N4 Session Modification Request(PFCP Session Modification Request)下发增量规则:
| N4 规则 | 作用 | 修改流程中的操作 |
|---|---|---|
| PDR (Packet Detection Rule) | 定义如何检测数据包(Source Interface + F-TEID 或 UE IP + SDF Filter) | 新 Flow:新建 PDR ID;删除 Flow:Remove |
| FAR (Forwarding Action Rule) | 定义转发去向(Outer Header Creation = 目标 TEID+IP) | Add/Modify(可能更新对端 N9 隧道) |
| QER (QoS Enforcement Rule) | 执行 QoS:GFBR/MFBR 限速、QFI 标记、RQI 设置 | Add/Modify(调整限速参数) |
| URR (Usage Reporting Rule) | 用量统计与上报触发(Volume/Time/Quota) | 通常 Add(计费需要) |
关键设计:每个 PDR 关联一个 QER(限速+QFI 标记)和一个 FAR(转发)。PDU Session Modification 的新增 QoS Flow 本质上是在 UPF 安装一套新的 PDR→QER→FAR 处理流水线,并为其分配唯一的规则 ID(PDR ID、QER ID、FAR ID 由 SMF 在该 N4 会话内统一分配)。
值得注意的是,N4 规则采用全量替换还是增量更新取决于厂商实现,但 PFCP 协议本身支持通过 Create/New 与 Remove/Delete 标志位做精确的增量下发,避免全量重传已有规则。
UE-requested PDU Session Modification(4.3.3.2)由 UE 主动发起,链路更短:
PDU Session Modification Request(NAS 5GSM,携带期望的 QoS Rule / Packet Filter)Npcf_SMPolicyControl_Update)PDU Session Modification Command(确认或调整后的 QoS Rule)UE 发起时,SMF 不一定立即下发 N1N2 消息——如果 UE 请求的 QoS 需要网络侧(RAN/UPF)资源变更,SMF 才触发 N4 和 N2 流程;若仅是参数微调且不影响 RAN 承载,可仅通过 NAS 确认完成。TS 23.502 明确:SMF 应根据运营商策略决定是否授权 UE 请求的 QoS,未授权时返回 PDU Session Modification Reject。
在 Wireshark 中通过以下特征定位 PDU Session Modification:
PDU SESSION MODIFICATION COMMAND 的 message type = 0xCB(203);PDU SESSION MODIFICATION COMPLETE = 0xCC(204)。.../namf-comm/v1/ue-contexts/{supi}/n1-n2-messages,Body 中同时含 n1MessageContainer(SM)和 n2InfoContainer(SM)。PFCP Session Modification Request,关注 Create PDR / Create QER / Create FAR(新增)或 Remove PDR / Remove QER(删除)IE 的出现。PDU Session Resource Setup/Modify 或 PDU Session Resource Modify 消息,携带 PDU Session Resource Modify List。PDU Session Resource Setup/Modify 失败指示(Cause = Radio Resources not available)。此时 SMF 应触发 PCF 重新决策或拒绝整个修改。Q1: PDU Session Modification 与 PDU Session Establishment 中建立 QoS Flow 的区别是什么?
A: Establishment 阶段只能建立默认 QoS Flow(Non-GBR),且伴随完整的 PDU 会话生命周期创建(分配 UE IP、N3/N9 隧道、UPF 选择)。Modification 可以在已有 PDU 会话上按需增删任意类型的 QoS Flow(含 GBR),复用已有隧道与 IP 地址,仅调整 QoS Flow 级规则。Modification 是 5G QoS 动态性的主要载体。
Q2: 反射 QoS(Reflective QoS)何时启用,节省了什么信令?
A: 当 PDU 会话的 QoS Flow 支持 Reflective QoS(N2 携带 RQA),且下行数据包标记 RQI=1 时,UE 自动推导上行 QoS Rule。它节省的是网络侧向 UE 显式下发上行 QoS Rule 的 NAS 信令。但对 GBR Flow 和需要精确控制上行分类的场景,仍需显式 QoS Rule。
Q3: QFI 为什么由 SMF 而非 RAN 分配?
A: QFI 是 PDU 会话内的逻辑标识(0-63),需要在 UE、(R)AN、UPF、SMF 全链路一致。SMF 作为 PDU 会话的中央管理点统一分配,保证与 N4 规则、QoS Rule、QoS Profile 的全局一致。RAN 仅根据收到的 QFI 建立 DRB,无权重新分配。
Q4: 一个 DRB 可以承载多个 QoS Flow 吗?
A: 可以。5G 的 DRB 与 QoS Flow 是多对多的灵活映射(区别于 4G 承载的一一对应)。RAN 可将多个相似 QoS 特性的 QoS Flow 复用到同一 DRB 上,由 SDAP 层通过 QFI 标记区分。Modification 建立 Flow 时,RAN 可选择复用已有 DRB 或新建 DRB,这是 RAN 的本地决策。
Q5: PCF 发起修改后,SMF 如何决定是 Add 还是 Modify?
A: SMF 比较 PCC Rule 的变更前后状态。若 PCC Rule 是 INSTALL(新增规则 ID)则为 Add;若是已有规则的 QoS 参数变更则为 Modify;若是 REMOVE 则为 Remove。PCC Rule ID 是映射到 QFI 的桥梁,SMF 维护 PCC Rule ID → QFI 的映射表。
本文由「51学通信」技术团队出品。51学通信由通信行业18年老兵爱卫生(微信ID: gprshome201101)维护,聚焦5G/6G核心网、3GPP标准解读、通信前沿技术深度分析。 出版作品有《5G核心网原理与实践》《IMS原理与实践》等4本通信专业书籍。知识星球「51学通信」提供深度技术答疑和行业洞察。
[!tip] 51学通信知识星球 星主:爱卫生(微信:gprshome201101)——公众号「51学通信」创办者,19 年通信行业运维与讲师经验,著有《GPRS网络信令实例详解》《EPC原理与实践》《5G核心网原理与实践》三本纸质书(各大电商平台有售)。 星球定位:深耕 5G 核心网、IMS、NFV/AI、云原生等 ICT 领域,主打运维岗位与信令分析。 当前规模:5200 篇主题 / 990 个回答,198 元/年。 加入福利:加入星球后请加爱卫生微信,拉您进知识星球年度陪伴与答疑群——不限量回复您的各种问题,另有群内分享。 AI 加持:51学通信知识星球已作为 skill 接入 WorkBuddy,使用 deepseek-4-flash 在海量星球帖子中精准找贴、找视频、找 FAQ 和案例,做总结、找文档和 PPT 等场景全覆盖。
