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URLLC冗余用户面传输三模式机制全链拆解

一、为什么需要冗余传输：URLLC可靠性鸿沟

工业自动化、远程手术、智能电网差动保护等URLLC场景对可靠性的要求已逼近物理极限。3GPP在TS 22.261中为URLLC定义了最高达99.9999%（六个9，即分组差错率PER ≤ 1e-6）的目标，部分TSN（时间敏感网络）透传场景甚至要求达到1e-7量级。然而单条无线链路与单条传输链路无论如何优化，受限于衰落、链路拥塞和单点故障，其端到端PER通常只能稳定在1e-5量级（对应5QI 80/82/83/84/85/86等Delay Critical GBR承载的标准PER）。

要跨越从1e-5到1e-9这道"可靠性鸿沟"，单链路优化已无能为力，空间分集（Space Diversity）成为唯一工程可行的路径——即建立两条物理上完全不相交（disjoint）的用户面路径，对同一份业务数据并行复制传输，在收端择优/去重。当两条路径的失效相互独立时，联合失效概率近似为单路径PER的平方，1e-5 × 1e-5 ≈ 1e-10，这正是3GPP在Rel-16引入冗余用户面传输（Redundant User Plane Transmission）的根本动因。

整个机制定义在TS 23.501 Section 5.33.2，并细分为三个子模式：5.33.2.1、5.33.2.2、5.33.2.3。需要特别强调的是，本文聚焦的是5GC核心网与NG-RAN联合的冗余传输架构，它与TS 38.323中定义的PDCP层复制（PDCP Duplication）是两个不同层面的机制——后者是空口无线层的复制（同一PDU Session内不同逻辑信道），前者是端到端/网络层多路径复制。两者可叠加使用，互为补充。

二、三种冗余模式总览

TS 23.501 5.33.2按冗余部署位置与粒度，定义了三种模式，覆盖从"全冗余"到"局部增强"的不同工程折衷。

flowchart LR
    subgraph M1["模式一 5.33.2.1 端到端双PDU会话冗余"]
        direction TB
        A1["两条独立PDU Session"]
        A2["双连接DC: MCG + SCG"]
        A3["双SMF + 双UPF + 双N3 + 双N6"]
        A1 --> A2 --> A3
    end
    subgraph M2["模式二 5.33.2.2 N3/N9接口冗余"]
        direction TB
        B1["单条PDU Session"]
        B2["两条N3隧道 + 两条N9隧道"]
        B3["RAN与PSA两侧复制/去重"]
        B1 --> B2 --> B3
    end
    subgraph M3["模式三 5.33.2.3 传输层冗余"]
        direction TB
        C1["单条PDU Session + 单N3"]
        C2["传输网物理双路"]
        C3["PRAS端口冗余交换"]
        C1 --> C2 --> C3
    end
    REQ["可靠性需求"] --> M1
    REQ --> M2
    REQ --> M3
    style M1 fill:#e8f5e9
    style M2 fill:#fff3e0
    style M3 fill:#e3f2fd

三模式对比

维度 模式一 5.33.2.1 模式二 5.33.2.2 模式三 5.33.2.3
冗余粒度 端到端（UE↔DN） N3+N9接口段 仅传输网段
PDU Session数量 两条（关联冗余集） 一条 一条
NG-RAN要求 双连接DC（MN+SN） 单gNB（两条N3隧道） 单gNB（无感知）
SMF/UPF数量 双SMF + 双PSA 单SMF + 双I-UPF + 单PSA 单SMF + 单UPF
复制/去重位置 RAN（PDCP）+ UE应用层 RAN与PSA（基于GTP-U序号） 传输网设备/PRAS
协议改动 NAS/URSP + NGAP + PFCP NGAP多隧道 + PFCP DUPL 无3GPP协议改动
适用场景 极高可靠（如电网差动保护） 中高可靠（如工厂AGV） 传输链路脆弱场景
标准版本 Rel-16 Rel-16 Rel-17

设计上，三种模式并非互斥，可按"可靠性需求 × 网络部署条件"组合选用：例如模式一叠加模式三，可实现空口、核心、传输三层全冗余。下面逐一深入拆解。

三、模式一：端到端双PDU会话冗余（5.33.2.1）

3.1 架构与设计意图

这是最"重"也最彻底的冗余方案。TS 23.501 5.33.2.1规定：UE建立两条到同一DN（Data Network）的PDU Session，5GC为这两条PDU Session建立物理上不相交的用户面路径。两条路径在空口侧通过双连接（Dual Connectivity, DC）分离——一条走MCG（主节点MN），一条走SCG（辅节点SN）；在核心网侧走不同的SMF、不同的PSA UPF、不同的N3与N6接口。

flowchart TD
    UE["UE<br/>应用层复制/去重"]
    MN["Master NG-RAN<br/>(MCG)"]
    SN["Secondary NG-RAN<br/>(SCG)"]
    SMF1["SMF-1"]
    SMF2["SMF-2"]
    PSA1["PSA UPF-1<br/>(N6-1)"]
    PSA2["PSA UPF-2<br/>(N6-2)"]
    DN["DN / 应用服务器<br/>(双IP)"]

    UE -->|"PDU Session #1<br/>N3-1"| MN
    UE -->|"PDU Session #2<br/>N3-2"| SN
    MN -->|"N4"| SMF1
    SN -->|"N4"| SMF2
    MN -.->|"DC Xn/F1"| SN
    MN --> PSA1
    SN --> PSA2
    SMF1 -->|"控制"| PSA1
    SMF2 -->|"控制"| PSA2
    PSA1 -->|"N6-1"| DN
    PSA2 -->|"N6-2"| DN

    style UE fill:#fce4ec
    style DN fill:#e8f5e9

设计意图有三层：

  1. 空口分集：通过DC让两条PDU Session分别承载于MCG与SCG，物理上使用不同的射频资源（不同载波/不同站点），消除无线单点故障。
  2. 核心网分集：双SMF、双PSA确保任一控制面或用户面NF宕机不影响另一路径。
  3. 传输分集：双N3、双N6走不同物理路由，避免传输网割接或光缆中断导致双路同时失效。

3.2 UE如何"知道"要建两条：URSP与冗余会话集

这是模式一最关键也最易被忽视的机制。UE并非"随意"建两条PDU Session，而是由PCF下发的URSP（UE Route Selection Policy，TS 23.503 Section 6.6.2）精确驱动。

URSP规则由Traffic Descriptor（业务描述符）+ 多个RSD（Route Selection Descriptor，路由选择描述符）构成。针对一个需要冗余的业务流，PCF会下发至少两个RSD，每个RSD指向不同的DNN和/或不同的S-NSSAI。例如：

UE的上层应用通过URSP匹配，发现同一业务需要两个RSD，于是主动发起两次PDU Session Establishment，每次携带不同的DNN/S-NSSAI组合。AMF据此选择不同的SMF（通过NRF发现，路径分集由此开始），SMF再选择不同的PSA UPF。两条PDU Session在UE侧构成一个"冗余会话集"（Redundant PDU Session Set），UE的应用层负责上行复制与下行去重。

sequenceDiagram
    participant UE
    participant AMF
    participant SMF1 as SMF-1
    participant SMF2 as SMF-2
    participant UPF1 as PSA UPF-1
    participant UPF2 as PSA UPF-2
    participant PCF

    Note over UE,PCF: 阶段0: URSP策略下发(策略容器)
    PCF->>UE: N1: URSP规则(含2个RSD,DNN/S-NSSAI不同)

    Note over UE,UPF1: 阶段1: 建立第一条冗余PDU Session(#1 走MCG)
    UE->>AMF: NAS: PDU Session Estab Request (DNN=urllc-a, PDU Session ID=1)
    AMF->>SMF1: Nsmf_PDUSession_CreateSMContext (DNN-a, S-NSSAI-A)
    SMF1->>UPF1: N4 Session Establishment (F-TEID N3/N9)
    SMF1-->>UE: NAS: PDU Session Estab Accept (IP-1)

    Note over UE,UPF2: 阶段2: 建立第二条冗余PDU Session(#2 走SCG)
    UE->>AMF: NAS: PDU Session Estab Request (DNN=urllc-b, ID=2)
    AMF->>SMF2: Nsmf_PDUSession_CreateSMContext (DNN-b, S-NSSAI-B)
    SMF2->>UPF2: N4 Session Establishment (F-TEID N3/N9)
    SMF2-->>UE: NAS: PDU Session Estab Accept (IP-2)

    Note over UE: 阶段3: UE关联两PDU Session为冗余集
    Note over UE: 上行: 应用层复制→经#1(MCG)与#2(SCG)并发<br/>下行: 应用层按序号去重

注意UE获得两个不同的IP地址（IPv4）或两个不同的IPv6前缀，应用服务器侧同样需要支持基于GTP-U序号或应用层序号的双流去重。

四、模式二：N3/N9接口冗余（5.33.2.2）

4.1 设计动机

模式一虽彻底，但要求双SMF、双PSA、UE双连接，部署成本极高。TS 23.501 5.33.2.2指出：当NG-RAN节点、UPF和控制面NF本身的可靠性已足够高，但单条N3隧道因部署原因（如传输网单归、单路由）可靠性不足时，可在单条PDU Session内对N3（RAN↔UPF）和N9（UPF↔UPF）接口段进行冗余。这是一种"轻量级"的核心网冗余方案。

4.2 架构：双N3隧道 + 双I-UPF + 单PSA

单条PDU Session内，SMF选择两个中间UPF（I-UPF）作为N3终结点，再汇聚到单个PSA UPF。复制与去重分别由RAN和PSA承担，I-UPF仅做透明转发。

flowchart LR
    UE["UE"]
    RAN["NG-RAN<br/>(复制UL/去重DL)"]
    IUPF1["I-UPF-1<br/>(透明转发)"]
    IUPF2["I-UPF-2<br/>(透明转发)"]
    PSA["PSA UPF<br/>(去重UL/复制DL)"]
    DN["DN"]

    UE --> RAN
    RAN -->|"N3隧道-1<br/>F-TEID-1"| IUPF1
    RAN -->|"N3隧道-2<br/>F-TEID-2"| IUPF2
    IUPF1 -->|"N9隧道-1"| PSA
    IUPF2 -->|"N9隧道-2"| PSA
    PSA -->|"N6"| DN

    style RAN fill:#fff3e0
    style PSA fill:#e8f5e9

上行（UL）数据流： 1. UE发出一份分组 → RAN 2. RAN基于GTP-U序号复制为两份，分别经N3隧道-1送I-UPF-1、N3隧道-2送I-UPF-2 3. 两个I-UPF分别经N9隧道-1/2透明转发至PSA 4. PSA按GTP-U序号去重，仅向上（N6）投递一份至DN

下行（DL）数据流：方向对称——PSA复制为两份经双N9下发，RAN侧去重投递给UE。两条N3、两条N9在传输网规划为不相交物理路径，任一段单点故障，另一路仍可达，PSA/RAN的去重保证UE/DN只收到一份。

4.3 关键信令：双N3隧道的N2与N4建立

模式二的精髓在于：单条PDU Session内如何建立两条N3隧道。这涉及NGAP（TS 38.413）与PFCP（TS 29.244）的Rel-16扩展。

sequenceDiagram
    participant UE
    participant RAN as NG-RAN
    participant AMF
    participant SMF
    participant IUPF1 as I-UPF-1
    participant IUPF2 as I-UPF-2
    participant PSA as PSA UPF

    UE->>AMF: NAS PDU Session Estab Request
    AMF->>SMF: Nsmf_CreateSMContext (DNN/S-NSSAI=URLLC)
    Note over SMF: SMF决策启用N3/N9冗余<br/>(基于DNN订阅与本地策略)

    par 并行N4会话建立
        SMF->>IUPF1: N4 Estab (PDR/FAR, F-TEID N3-1)
        SMF->>IUPF2: N4 Estab (PDR/FAR, F-TEID N3-2)
    end
    SMF->>PSA: N4 Estab (含双N9 F-TEID,<br/>配置复制/去重规则)

    Note over SMF,AMF: SMF组装两个CN侧N3 F-TEID
    SMF-->>AMF: Nsmf_CreateSMContext Response<br/>(含N2 SM信息)
    AMF->>RAN: N2 PDU Session Resource Setup Request<br/>(UL NG-U UP TNL列表: 2个F-TEID)

    Note over RAN: RAN识别为冗余传输<br/>为该PDU Session准备两个DL F-TEID
    RAN-->>AMF: N2 PDU Session Resource Setup Response<br/>(DL NG-U UP TNL列表: 2个F-TEID)
    AMF->>SMF: Nsmf_UpdateSMContext (双DL F-TEID)

    par SMF将双DL F-TEID分别下发
        SMF->>IUPF1: N4 Modify (DL F-TEID-1)
        SMF->>IUPF2: N4 Modify (DL F-TEID-2)
    end
    SMF-->>UE: PDU Session Estab Accept (含冗余指示)

4.4 关键Information Element解析

协议层 IE名称 所在消息 作用
NGAP (TS 38.413) UL NG-U UP TNL Information List PDU Session Resource Setup Request Transfer 列表化携带两个CN侧N3 F-TEID，指示RAN需双路复制
NGAP QoS Flow Per TNL Information 同上 将QoS Flow映射到具体TNL，URLLC的5QI绑定到冗余隧道
NGAP DL NG-U UP TNL Information List PDU Session Resource Setup Response RAN返回两个DL F-TEID，对应两条隧道
PFCP (TS 29.244) Apply Action: DUPL FAR (Forwarding Action Rule) 指示UPF对该流执行复制，向多个Outer Header Creation目标分发
PFCP Outer Header Creation (多实例) FAR 分别指向两条隧道的目的F-TEID
PFCP Redundant Transmission相关检测 PDR 基于GTP-U序号识别重复分组，触发去重
NAS-SM (TS 24.501) PDU Session Type / QoS规则 PDU Session Estab Accept 携带URLLC的5QI与GBR参数

NGAP侧的核心改动是：Rel-16之前UL NG-U UP TNL Information是单个值，Rel-16将其升级为列表（List），从而单条PDU Session可承载多条N3隧道。这是支撑模式二的协议基石。

五、模式三：传输层冗余（5.33.2.3）

Rel-17引入的模式三面向一种现实：运营商不愿改动3GPP节点，但传输网天然支持物理双路。其核心是PRAS（Port-Redundant Access Switch，端口冗余接入交换机）——在NG-RAN与UPF之间、或UPF与UPF之间，通过两台PRAS构成冗余对，传输网内部自动复制/去重。

3GPP节点（RAN、UPF）对传输层冗余完全无感知：RAN只看到单条N3，但物理上分组经两台PRAS双发选收。模式三的优势在于零3GPP协议改动、对现网透明，代价是依赖传输网设备（如支持冗余的交换机/路由器）与TSN网络集成能力。它常与TSN集成（TS 23.501 5.27，5GS作为TSN网桥）配合，用于工业URLLC。

六、安全考量：双路径密钥分离（TS 33.501 Annex N.2）

冗余传输的安全在TS 33.501 Annex N.2专门规范，核心原则是两条冗余路径不应共用同一份用户面加密密钥，否则密钥泄露会同时危及双路。

flowchart TD
    KAMF["KAMF (AMF根密钥)"]
    KAMF -->|"KDF-1"| KSEAF1["→KSMF-1 (SMF-1)"]
    KAMF -->|"KDF-2"| KSEAF2["→KSMF-2 (SMF-2)"]
    KSEAF1 -->|"KDF"| KUPF1["UPF-1 N3/N9加密密钥"]
    KSEAF2 -->|"KDF"| KUPF2["UPF-2 N3/N9加密密钥"]

    style KUPF1 fill:#e8f5e9
    style KUPF2 fill:#e3f2fd

这条安全约束也是模式一必须使用双SMF而非单SMF的深层原因——单SMF会派生出共享密钥，违背密钥分离原则。

七、实战：抓包识别与排错

7.1 抓包识别冗余传输

在N3/N9接口抓包（Wireshark/tshark解GTP-U）时，识别模式二的关键标志：

  1. 同一TEID出现两条流的复制分组：对同一对RAN F-TEID ↔ CN F-TEID，相同Inner IP分组（含相同应用层序号）在极短时间内（通常<1ms）出现两次。
  2. GTP-U序号相同的重复包：去重前可见Sequence Number相同的两个GTP-U包分别落在两条隧道上。
  3. NGAP层：在PDU Session Resource Setup Request中可见UL NG-U UP TNL Information为LIST结构，含两个Transport Layer Address + GTP-TEID对。

识别模式一：在NG接口上看到两条独立的PDU Session（不同PDU Session ID、不同F-TEID、不同DNN），且承载于不同NG-RAN节点（Xn/F1接口存在DC信令）。

7.2 常见故障点

故障现象 可能原因 排错思路
双路建立后只走单路 传输网未真正物理分集，两N3走同一光路 核查传输拓扑，确认两条N3/N9路由不相交
去重失败，UE/DN收到重复包 PSA/RAN的GTP-U序号去重窗口未配置或序号回绕 检查PFCP去重规则、GTP-U序号位宽（8/16bit）配置
一条PDU Session建立失败 URSP的某个RSD指向的DNN/S-NSSAI未订阅或未部署 查UDM订阅数据、NRF中SMF/UPF的S-NSSAI支持
模式二N4建立失败 I-UPF不支持Rel-16冗余转发（DUPL Apply Action） 核查UPF版本与PFCP能力集
DC场景下SCG链路频繁切换 辅节点信号不稳，频繁重建冗余会话 优化SCG邻区与门限，或回退模式二
## 八、可靠性增益的量化

设单路径PER = p₁（典型URLLC 5QI为1e-5），两路径独立失效，联合PER ≈ p₁²。则：

配置 单路径PER 端到端PER 可靠性等级
单路（无冗余） 1e-5 1e-5 99.999%（五个9）
模式二（N3/N9冗余） 1e-5 ~1e-8（仅核心段冗余，空口仍单点） 优于五个9
模式一（端到端双PDU+DC） 1e-5 ~1e-10（空口+核心+传输全冗余） 接近十个9

可见，只有模式一才能在空口段也实现分集，真正逼近1e-9级；模式二与模式三主要消除核心网与传输网单点。这也是电网差动保护（要求1e-9）必须选模式一、而工厂AGV（1e-6可接受）可选模式二的工程依据。

九、常见问题

Q1: 模式二（N3/N9冗余）与PDCP Duplication有什么区别？ A: 二者作用层不同。PDCP Duplication（TS 38.323）是空口无线层的复制，在同一个PDU Session内将PDCP PDU复制到多个逻辑信道/leg，解决的是单基站内无线链路的可靠性，覆盖范围仅限空口。模式二是核心网N3/N9接口段的复制，由RAN与PSA基于GTP-U序号复制/去重，解决的是RAN到UPF、UPF到UPF之间传输段的可靠性。两者可叠加：空口用PDCP Duplication + 核心网用模式二，实现无线+传输双重分集。

Q2: 为什么模式一要求双SMF，单SMF不行吗？ A: 出于安全考虑。TS 33.501 Annex N.2要求冗余路径密钥分离。单SMF会从同一KAMF经相同KDF派生出共享的用户面密钥，两条路径共用密钥，一旦密钥泄露双路同时失守，违背密钥分离原则。双SMF各自独立派生密钥（KSMF-1/KSMF-2），才能实现真正的安全隔离。这也是运营商在部署模式一时必须规划SMF池冗余的原因。

Q3: URSP的两个RSD，DNN不同还是S-NSSAI不同？ A: 二者皆可，且常组合使用以最大化分集。仅DNN不同时，两条PDU Session仍可能落在同一SMF/UPF（取决于SMF选择逻辑），分集不彻底；S-NSSAI不同则强制走不同切片实例，路径分集更彻底。实践中高可靠场景通常同时使用不同DNN和不同S-NSSAI，配合NRF的拓扑感知SMF选择，确保双路完全不相交。

Q4: 模式三（传输层冗余）的PRAS是3GPP定义的网元吗？ A: 不是。PRAS属于传输网/数据网络设备，3GPP仅定义其行为要求（TS 23.501 5.33.2.3），具体实现由传输设备厂商提供。5GS节点（RAN/UPF）对PRAS透明，这也是模式三"零3GPP协议改动"的由来。它常与TSN集成方案（5GS作为TSN桥）结合，PRAS本质上扮演TSN中冗余节点的角色。

Q5: 三种模式可以组合使用吗？ A: 可以，且这是高可靠场景的常见做法。例如"模式一（端到端双PDU+DC）+ 模式三（每条路径再叠加传输层PRAS冗余）"可实现空口、核心、传输三层全冗余，端到端PER逼近1e-10，满足电网差动保护等极致可靠需求。组合时需注意资源开销——模式一已消耗双倍PDU Session资源，叠加模式三会进一步增加传输带宽，需在可靠性与成本间权衡。

参考来源

  1. 3GPP TS 23.501 V20.x.x — Section 5.33.2 Redundant transmission for high reliability communication — 三种子模式5.33.2.1/5.33.2.2/5.33.2.3的权威定义
  2. 3GPP TS 23.501 Section 5.33.2.1 — Dual Connectivity based end to end Redundant User Plane Paths — 端到端双PDU会话冗余架构与UE侧冗余集机制
  3. 3GPP TS 23.501 Section 5.33.2.2 — Support of redundant transmission on N3/N9 interfaces — 单PDU Session内N3/N9双隧道冗余架构
  4. Ultra Reliable and Low Latency Communications — 3GPP官方技术专题 — Rel-16引入冗余传输提升URLLC可靠性的总体说明
  5. 3GPP TS 33.501 Annex N.2 — Security support on redundant transmission — 冗余路径密钥分离安全要求
  6. 3GPP TS 38.413 — NGAP PDU Session Resource Setup (UL/DL NG-U UP TNL Information List) — 支持多N3隧道的NGAP IE扩展
  7. 3GPP TS 29.244 — PFCP Apply Action DUPL与冗余转发规则 — N4接口冗余复制/去重的PFCP机制
  8. 3GPP TS 23.503 Section 6.6.2 — URSP与RSD机制 — 驱动UE建立冗余双PDU Session的策略规则

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。 S 33.326 — Security Assurance Specification (SCAS) for the NSSAAF](https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3821) — NSSAAF 网元安全保证要求 5. 3GPP — Network Slicing Security for 5G and 5G Advanced Systems — 官方对 NSSAA 框架与 EAP（RFC 3748）使用的概览说明 6. TS 23.502 §4.2.9.2 流程解读（iTECspec） — AMF 经 Nnssaaf_NSSAA_Authenticate 转发 EAP 的步骤解析

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