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5G ATSSS 多接入流量分流机制与 MA-PDU 信令全链拆解

聚焦 TS 23.316 / TS 23.502 §4.12.2 / TS 24.193,拆解"单 PDU 会话、双接入、按规则分流"的核心机制、信令时序与关键 IE。

一、ATSSS 是什么:从"二选一切换"到"双路同时发"

在 5G 之前,3GPP 对"蜂窝 + Wi-Fi"的整合是排他性的——某个时刻只用一种接入,流量在两者间切换(offload),典型如 LTE 时代的 ANDSF 与 MAPCON。这种"二选一"模型浪费了一条链路,也无法满足工业 4.0、沉浸式视频对吞吐叠加和业务连续性的苛刻要求。

ATSSS(Access Traffic Steering, Switching and Splitting,接入流量引导、切换与分裂)在 3GPP Release 16 被引入(定义于 TS 23.316,并在 TS 23.501 §5.32 给出系统架构支持),其核心创新在于:让一个 MA-PDU Session(多接入 PDU 会话) 同时跨越 3GPP 接入(NR/LTE)与非 3GPP 接入(Wi-Fi,经 N3IWF/TNGF 接入 5GC),UE 和 UPF 两侧的转向功能(Steering Functionality)依据网络下发的 ATSSS Rules,在两条用户面路径上同时(simultaneous) 进行流量的引导、分裂和切换。

ATSSS 的三阶段演进清晰地反映了诉求的升级:

阶段 标准 关键能力
Rel-16 ATSSS TS 23.316 R16 四种 steering mode(Active-Standby / Smallest Delay / Load-Balancing / Priority-based),两种 steering functionality(MPTCP / ATSSS-LL)
Rel-17 eATSSS TS 23.316 R17 新增 Autonomous 自主分流模式(UE/UPF 可独立决策如何分流)、新增 MPQUIC steering functionality、引入 PMF 性能测量
Rel-18 ATSSS TS 23.316 R18 冗余传输(Redundant Steering)——同一包在双接入复制发送(GBR 与非 GBR 均可);研究同一运营商内两条非 3GPP 路径间切换

这种演进的本质是:从"网络用固定权重指路"走向"UE/UPF 基于实时链路质量自主决策",最终达到"双路复制保可靠"。

二、核心架构:MA-PDU 会话与双锚点用户面

ATSSS 的载体是 MA-PDU Session。一个 MA-PDU 会话在 UE 侧表现为单一逻辑会话,但在 5GC 侧拥有两个用户面 leg:一个走 3GPP 接入(N3 GTP-U),一个走非 3GPP 接入(N3IWF/TNGF 经 N3'-Y1 GTP-U,UE 与 N3IWF 间是 IPsec 隧道)。两条 leg 锚定在同一个 UPF(PSA)上,UPF 作为唯一的 N6 出口对接数据网络。

flowchart TD
    UE[UE<br/>含 Steering Func + PMF]
    subgraph 3GPP接入
        NR[(NG-RAN)]
    end
    subgraph 非3GPP接入
        N3IWF[N3IWF/TNGF<br/>IKEv2/IPsec隧道]
        WIFI[(Wi-Fi / 有线)]
    end
    AMF[(AMF)]
    SMF[(SMF<br/>下发ATSSS Rules)]
    PCF[(PCF<br/>SM Policy)]
    UPF[(UPF / PSA<br/>含 Steering Func + MPTCP Proxy + PMF)]
    DN[(DN / Internet)]

    UE <-->|3GPP leg: NAS via N1/N2| AMF
    UE <-->|GTP-U N3| NR
    UE -.->|非3GPP leg: IPsec| N3IWF
    WIFI --- N3IWF
    UE <-->|NAS via N3IWF| AMF
    N3IWF <-->|GTP-U N3'| UPF
    NR <-->|N3| UPF
    SMF -->|N4 PFCP: ATSSS Rules + PMF| UPF
    SMF <-->|N7| PCF
    AMF <-->|N11| SMF
    SMF -->|N1 NAS: ATSSS Rules| UE
    UPF <-->|N6 单路径| DN

关键设计意图有三个:

  1. 统一 PSA 锚点:两条 leg 共用一个 UPF,使下行分流(DL steering)有了"汇聚决策点"——UPF 看到完整会话状态,可基于 ATSSS Rules 决定把 DL 流量从 N3 还是 N3' 送出。这是与"两个独立 PDU 会话"的根本区别。
  2. 转向功能双侧部署:Steering Functionality 部署在 UE(负责 UL)和 UPF(负责 DL),二者基于同一套 ATSSS Rules 独立但对称地工作,避免信令频繁交互。
  3. PMF(Performance Measurement Function):UE 与 UPF 在两条接入上持续测量 RTT 与丢包(Rel-17 引入),为 Smallest Delay 模式提供实时输入。

三、五种 Steering Mode:流量如何在两路间分布

TS 23.316 定义了分流策略(注意:是策略/意图,由网络配置;具体如何发包取决于下文的 Steering Functionality)。

Steering Mode 行为 典型场景 关键参数
Active-Standby 主路径承载全部流量,备路径待命;主路径故障/劣化时切换到备路径 业务连续性保障(主备切换) 主路径接入类型(3GPP / 非 3GPP)
Smallest Delay 流量走实时 RTT 最小的接入;RTT 变化则迁移 时延敏感应用(云游戏、V2X) 依赖 PMF 测量结果
Load-Balancing 流量按百分比权重在两路间分裂(如 70%/30%) 吞吐叠加、带宽扩展 路径百分比权重
Priority-based 流量走优先级最高的可用接入;高优先级不可用/拥塞时才用低优先级 计费/策略偏好(如优先走运营商自有 Wi-Fi) 优先级指示
Autonomous(R17 新增) UE 与 UPF 自主、独立决定如何跨两路分布 充分利用实时链路质量、最大化吞吐 无固定权重(按本地算法)
flowchart TD
    R[ATSSS Rule<br/>Steering Mode] --> C{模式?}
    C -->|Active-Standby| AS[主路径全发<br/>备路径待命<br/>故障即切换]
    C -->|Smallest Delay| SD[PMF测RTT<br/>走最小延迟路径]
    C -->|Load-Balancing| LB[按百分比<br/>两路并发分流]
    C -->|Priority-based| PB[走高优先接入<br/>不可用则降级]
    C -->|Autonomous R17| AU[UE/UPF自主<br/>按实时质量分配]
    AS --> OUT[3GPP leg & 非3GPP leg]
    SD --> OUT
    LB --> OUT
    PB --> OUT
    AU --> OUT

设计要点:Active-Standby 与 Priority-based 是"非同时"模型(同一时刻只用一路),Load-Balancing 与 Smallest Delay 是"同时"模型(两路并发)。Autonomous 则把决策权下放,是网络运维"管策略、不管细节"的体现。

四、三种 Steering Functionality:流量在协议栈哪一层被分流

这是最容易混淆、也最能体现 ATSSS 工程精巧之处的地方。同一个 steering mode,靠不同的 functionality 来落地——后者决定了流量在哪一层被打散。

Functionality 工作层 适用流量 工作方式 限制
MPTCP 传输层(TCP 之上) 仅 TCP UE↔UPF 跑 Multipath TCP,每条接入一个 subflow;UPF↔DN 跑普通单路径 TCP,UPF 作 MPTCP Proxy 做转换 非不支持 MPTCP 的 TCP 应用、UDP、以太网流量均无法用
ATSSS-LL IP 以下(底层) UDP / TCP / 以太网全部 在 IP 层之下直接把包分流到两路 leg,对应用完全透明 需 UE 与 UPF 同时支持;分裂粒度受限于底层
MPQUIC(R17) QUIC 层 仅 QUIC 流量 类似 MPTCP,但针对 QUIC 多路径;UPF 同样作 proxy 仅 QUIC;R17 起
flowchart TB
    subgraph UE侧
        APP[应用程序]
        TCP[TCP流] -.MPTCP功能.-> U1[MPTCP subflow1: 3GPP]
        TCP -.MPTCP功能.-> U2[MPTCP subflow2: 非3GPP]
        UDP[UDP/非TCP流] -.ATSSS-LL.-> U3[底层分流到双路]
        APP --> TCP
        APP --> UDP
    end
    subgraph UPF侧
        P[MPTCP Proxy<br/>多路径↔单路径TCP转换]
        LL[ATSSS-LL<br/>DL底层分流]
    end
    U1 & U2 --> P
    U3 --> LL
    P --> N6[→ DN 单路径TCP]
    LL --> N6

MPTCP Proxy 的精妙设计(TS 23.316):UE 与 UPF 之间用 MPTCP 协商出多条 subflow(每个接入一条),UPF 作为代理把这些 subflow 上的数据重组后,用标准的单路径 TCP发往 DN——这样对应用服务器完全透明,服务器无需改造。为区分 ATSSS 的 MPTCP 与普通 MPTCP,UPF 使用约定的 MPTCP option 交互(如私有 option 0x1E/MP-ATSSS 相关),并在 MA-PDU 会话建立时把 MPTCP Proxy 的 IP 地址/端口下发给 UE。

ATSSS-LL 的价值:解决了 MPTCP 管不到 UDP 的问题(云游戏、视频、DNS 都是 UDP),以及非 MPTCP-capable 应用的分流,是 ATSSS 实用化的关键。值得注意的是,UE 可同时支持 MPTCP 与 ATSSS-LL——TS 23.316 规定 MPTCP 用于 TCP 流量、ATSSS-LL 用于其余流量,二者按流的传输层协议自动分工,互不干扰。

五、MA-PDU 会话建立信令全链拆解(TS 23.502 §4.12.2)

这是本文的核心。典型的 ATSSS 部署流程是:UE 先经 3GPP 接入注册并建立 PDU 会话,再经非 3GPP 接入注册,然后通过 MA-PDU 请求为该会话添加非 3GPP leg(也支持直接建立 MA-PDU 会话)。

前置:非 3GPP 接入注册(TS 23.502 §4.12 / TS 24.502)

UE 经 N3IWF 接入 5GC:① UE 与 N3IWF 建立 IKEv2 SA(认证 UE 身份);② 建立 IPsec 隧道作为信令承载;③ 在该隧道内发起 5G Registration(NAS over IKEv2/IPsec),AMF 为 UE 建立非 3GPP 接入的 RM 连接。这一步是 ATSSS 的"第二通道"基础。

MA-PDU 会话建立主流程

sequenceDiagram
    participant UE
    participant AMF
    participant SMF
    participant PCF
    participant UDM
    participant UPF
    participant N3IWF

    Note over UE: 已有3GPP PDU会话; 已经非3GPP接入注册
    UE->>AMF: UL NAS TRANSPORT<br/>(PDU Session Establishment Request)<br/>MA PDU Req=1, ATSSS能力指示, SSC, DNN, S-NSSAI
    AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_CreateSMContext<br/>(含 MA PDU指示, ATSSS能力)
    SMF->>UDM: Nudm_SDM_Get (订阅数据/会话信息)
    SMF->>PCF: Npcf_SMPolicyControl_Create (N7)
    PCF-->>SMF: SM Policy + ATSSS Rules<br/>(steering mode/functionality/traffic desc)
    SMF->>UPF: N4 PFCP Session Establishment Request<br/>(ATSSS Rules + PMF参数 + MPTCP Proxy信息)
    UPF-->>SMF: N4 PFCP Session Establishment Response
    SMF-->>AMF: Nsmf_PDUSession_CreateSMContext Response<br/>(N2 SM Info: 非3GPP leg用户面)
    AMF->>N3IWF: N2 PDU Session Resource Setup (非3GPP leg)
    N3IWF-->>AMF: N2 PDU Session Resource Setup Response
    AMF-->>UE: DL NAS TRANSPORT<br/>PDU Session Establishment Accept<br/>ATSSS Rules + MPTCP Proxy地址
    Note over UE,UPF: 用户面双leg就绪, UE(UL)与UPF(DL)<br/>按ATSSS Rules在两路分流

关键信令 IE 解析

① UL NAS TRANSPORT — PDU Session Establishment Request(UE→AMF)

IE 含义 ATSSS 相关作用
Request type "initial request" 或 "existing PDU session" 标识新建或为已有会话加 leg
MA PDU session indicator 指示这是 MA-PDU 请求(非普通 PDU) 触发 SMF 按 MA-PDU 流程处理、准备双 leg
DNN / S-NSSAI 数据网络名 / 切片 UPF/SMF 选择与切片约束
PDU session type IPv4 / IPv6 / IPv4v6 / Ethernet MA-PDU 支持的类型
SSC mode 会话与服务连续性模式 与 MA-PDU 交互(SSC Mode 1/3)
UE ATSSS 能力 UE 支持的 steering functionality(MPTCP/ATSSS-LL/MPQUIC) 网络据此选择可用的 functionality

② N7 SM Policy(PCF→SMF)

PCF 基于用户签约、URSP 策略生成 ATSSS Rules,随 SM Policy 经 N7 下发。每条 ATSSS Rule 包含:steering mode + steering functionality + traffic description(见下节 IE 结构)。这是 ATSSS 规则的源头——运维在 PCF/UDM 侧配置分流意图,PCF 翻译为下发规则。

③ N4 PFCP Session Establishment(SMF→UPF)— TS 29.244

SMF 通过 PFCP 把 ATSSS Rules 安装到 UPF 的 DL 方向,并下发 PMF 测量参数(测量周期、测量接入集合)。关键 IE 在 IE Type 中扩展:ATSSS Steering information、ATSSS Measurement information。UPF 收到后建立对应的下行分流逻辑与 PMF 探测逻辑。

④ DL NAS TRANSPORT — PDU Session Establishment Accept(→UE)

IE 含义
MA PDU session indicator(确认) 确认该会话已升级为 MA-PDU
ATSSS Rules 下发给 UE 的 UL 分流规则(与 UPF 侧对称)
MPTCP Proxy 信息 UPF 侧 MPTCP Proxy 的 IP 地址 + 端口(仅当使用 MPTCP functionality)
PMF 相关参数 测量周期、PMF 地址(R17)
QoS Rules 与普通 PDU 会话一致的 QoS 规则

设计意图:UE 与 UPF 拿到同一套 ATSSS Rules,各自独立工作,无需在数据面频繁信令交互——这是"控制面集中下发、数据面分布式执行"思想的体现,兼顾了灵活性与效率。

六、ATSSS Rules 的 IE 结构(TS 24.193 / TS 29.244)

ATSSS Rule 是 ATSSS 的"指挥棒"。其结构在 TS 24.193(UE 侧过程)与 TS 29.244(N4 接口,UPF 侧)中定义,二者对称。

flowchart TD
    RULE[ATSSS Rule] --> S1[1. Traffic Description<br/>匹配哪些流量]
    RULE --> S2[2. Steering Mode<br/>用什么策略]
    RULE --> S3[3. Steering Functionality<br/>在哪层落地]
    RULE --> S4[4. Mode 相关参数]
    S1 --> T1[QFI 可选]
    S1 --> T2[IP Description<br/>五元组: IP/端口/协议]
    S1 --> T3[OS Id + App Id 可选]
    S1 --> T4[Non-IP / Ethernet Description]
    S1 --> T5[DNN / S-NSSAI 可选]
    S2 --> M1[Active-Standby / Smallest Delay<br/>/ Load-Balancing / Priority / Autonomous]
    S3 --> F1[MPTCP / ATSSS-LL / MPQUIC]
    S4 --> P1[Load-Balancing: 百分比权重]
    S4 --> P2[Active-Standby: 主路径接入类型]
    S4 --> P3[Priority: 优先级]
字段 取值/说明
Traffic Description QFI、IP description(源/目的 IP、端口、协议号)、OS App Id、Ethernet description、DNN、S-NSSAI 的组合,用于精确匹配待分流的业务流
Steering Mode Active-Standby(0) / Standby-Active(1) / Smallest Delay(2) / Load-Balancing(3) / Priority-based(4) / Autonomous(R17)
Steering Functionality MPTCP / ATSSS-LL / MPQUIC(可组合:MPTCP 管 TCP,ATSSS-LL 管其余)
完整性参数 Load-Balancing 模式下两路的百分比(如 Path=3GPP 70%, Path=非3GPP 30%)

七、PMF 性能测量机制(Rel-17)

Smallest Delay 模式依赖准确的链路时延测量。PMF(Performance Measurement Function) 运行在 UE(UL 侧)与 UPF(DL 侧),通过在两条 leg 上交换测量包来估算 RTT 与丢包率。

PMF 是 Rel-16 ATSSS"只用固定权重、不看实时质量"短板的补丁——arxiv 论文 2302.05439 明确指出 Rel-16 的分流"基于运营商 PCF 预设权重,无法根据实时链路状态灵活分布",这正是 Rel-17 引入 PMF + Autonomous 的动机。

八、抓包识别与故障排错

抓包如何识别 ATSSS 流程

常见故障点

故障现象 可能原因 排查思路
MA-PDU 建立失败 UE 未支持 ATSSS 能力、PCF 未配置 ATSSS 策略、UDM 签约未开通 查 N1 Request 中 ATSSS 能力指示、查 PCF SM Policy 是否含 ATSSS Rules
双路建立了但流量只走一路 Steering Mode 配为 Active-Standby 且主路径正常 属正常行为;若要并发应改 Load-Balancing/Smallest Delay
MPTCP subflow 起不来 UPF 未启用 MPTCP Proxy、Proxy 地址未下发、NAT/MTU 截断 MPTCP option 查 Accept 中 Proxy 地址、抓包看 MP_CAPABLE 是否完成
分流比例与配置不符 PMF 测量异常、ATSSS-LL 实现差异 查 PMF 周期/可达性;不同厂商 ATSSS-LL 分包算法有差异
## 常见问题

Q1:MA-PDU 会话与两个独立 PDU 会话有什么本质区别? A:MA-PDU 是"一会话双 leg 共锚点"——两条用户面路径锚定同一 UPF/PSA,下行有统一汇聚决策点,能真正按比例/延迟在同一 IP 流内分裂。两个独立 PDU 会话则是"两套独立用户面、各自 N6",下行无法在一个流内分流,只能按"业务流整体"分配到不同会话,做不到包级分裂和 MPTCP subflow 合并。

Q2:MPTCP 和 ATSSS-LL 能否同时使用? A:可以,且这是推荐组合。TS 23.316 规定 UE 可同时支持二者:MPTCP 负责处理 TCP 流量(利用 MPTCP Proxy 做透明多路径),ATSSS-LL 负责 UDP/以太网等非 TCP 流量。两者按传输层协议自动分工,互不干扰。UE 在 PDU 会话建立时会上报支持哪些 functionality,网络据此选择。

Q3:Smallest Delay 模式如何知道哪条路时延更小? A:靠 PMF。UE(上行)与 UPF(下行)在两条 leg 上周期性交换测量包,算出每条 leg 的 RTT,选择 RTT 较小的一路承载流量;RTT 动态变化时流量随之迁移。这正是 Rel-17 eATSSS 相对 Rel-16"固定权重"的核心增强。

Q4:ATSSS 与 UL CL 本地分流(MEC)是同一回事吗? A:不是。UL CL 是单接入内用上行分类器把流量分流到本地 DN(边缘计算本地卸载),解决"流量就近出网"。ATSSS 是多接入间用同一会话的双 leg 做流量引导/分裂/切换,解决"双路叠加与冗余"。两者可叠加:例如 MA-PDU 的某条 leg 上再叠加 UL CL 做本地分流。

Q5:Rel-18 的"冗余传输"和 Load-Balancing 都用双路,有何不同? A:Load-Balancing 是把不同的包按比例分到两路(带宽叠加);Rel-18 Redundant Steering 是把同一个包在两路都发一份(复制),接收侧去重,用于超高可靠性场景(类似 URLLC 端到端冗余,但作用在接入层)。前者为吞吐,后者为可靠。

参考来源

  1. 3GPP TS 23.316 — Wireless and wireline convergence access support for the 5G System — ATSSS 总体机制、steering mode/functionality、PMF、MPTCP Proxy 定义(Rel-16/17/18)。
  2. 3GPP TS 23.501 §5.32 — System architecture: Support for ATSSS — MA-PDU 会话架构与 ATSSS 系统支持。
  3. 3GPP TS 23.502 §4.12.2 — UE-requested PDU Session Establishment for MA PDU Session — MA-PDU 会话建立信令流程。
  4. ETSI TS 124 193 — Access Traffic Steering, Switch and Splitting; UE procedures — ATSSS Rules 结构、UE 侧行为(R18)。
  5. ATSSS in 5G networks — RomARS — MA-PDU Request 标志、steering functionality 与 UPF MPTCP Proxy 工程解读。
  6. Enhanced ATSSS with Utility-Based Decisioning — arXiv:2302.05439 — Rel-16/17/18 三阶段演进、Autonomous 模式与 PMF 动机分析。
  7. White paper: 5G interworking and ATSSS — Rohde & Schwarz — 网络融合、MPTCP Proxy 与测试视角。

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。

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