5G UPF (User Plane Function)

**5G UPF (User Plane Function)**에 대한 핵심 정리입니다.
역할, 기능, 구조, 인터페이스, 진화 방향, 벤더별 차이점까지 실무 중심으로 설명드립니다.

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■ 5G UPF란?

**UPF (User Plane Function)**는 5G Core의 사용자 데이터 전송을 담당하는 핵심 데이터 플레인 NF입니다.
4G의 SGW-U + PGW-U 기능을 통합하고, 5G의 Control-User Plane Separation(CUPS)을 완전히 구현합니다.

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1. 핵심 역할

기능	설명
GTP-U 터널 처리	UE–gNB 간 데이터 터널 (N3), DN(인터넷 등) 간 트래픽 처리 (N6)
QoS Flow 처리	PDR/FAR/QER에 따른 트래픽 필터링 및 우선순위 처리
ULCL (Uplink Classifier)	상향 트래픽을 목적지별(DNN, MEC 등)로 분기
Buffering & Forwarding	Session 이탈 시 패킷 버퍼링 및 지연 전달
Charging Data Collection	과금 기록용 Usage Report 생성 (N4→SMF→CHF)
Traffic Steering	정책에 따른 다중 경로 처리 (MEC, 로컬브레이크아웃 등)

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2. 인터페이스 요약

인터페이스	연결 대상	주요 기능
N3	gNB	GTP-U 사용자 데이터 터널
N4	SMF	세션 룰(PDR, FAR, QER) 수신, 제어 명령
N6	DN(Data Network)	인터넷, MEC, 엔터프라이즈망 등 외부 연결
N9 (선택)	다른 UPF	다단계 UPF 구성 (e.g., Branching, Anchor UPF)
N1/N2	없음	Control Plane 없이 독립 운영됨

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3. Rel-15~Rel-18 기능 진화

Release	주요 진화 내용
Rel-15	기본 UPF 구조 도입, GTP-U, QoS Flow 기반 처리
Rel-16	ULCL, MEC 분기 처리, Lawful Interception 강화
Rel-17	MB-UPF: Multicast/Broadcast 전용 데이터 경로
Rel-18	TSC-UPF: 초저지연 Time Sensitive Comm 전용 UPF Edge-aware UPF 최적화, Slice-aware UPF 확장

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4. UPF 배포 구조 예시

구성	설명	활용 예
Centralized UPF	코어망 중심에 위치, 전국 통합 트래픽 처리	기본형 (eMBB, 소비자 서비스)
Edge UPF	DU/CU 근처 MEC 노드에 배치	MEC 연동, 저지연 서비스
ULCL UPF	상향 패킷 분기 전용	슬라이싱/MEC 라우팅 최적화
Branching UPF (N9)	다단계 UPF 구성	지역망, 백본망 분리 구성

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5. UPF 성능 설계 기준 예시

항목	사양
Throughput	20200 Gbps (대형 기준), MEC용 520 Gbps
Session 처리량	50K~500K GTP 세션
CPU	16~64 vCPU (DPDK 활용 시 코어 고정)
RAM	64~256 GB
NIC	2x10G ~ 4x100G NIC 구성

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6. 벤더별 UPF 특성 비교 (요약)

항목	Samsung	Ericsson	Huawei	Mavenir
UPF 종류	Central, Edge, ULCL, TSC-UPF 모두	중앙+ULCL 대응	Central + MEC 통합	vUPF, Cloud-Native 집중
DNN-aware 처리	지원	지원	자사 플랫폼 우선	표준 기반 일부 한계
MEC 최적화	AWS Wavelength 등과 협력	ENM 기반 연동	자체 Cloud Stack 우선	O-RAN 기반 연동성 높음
구성 형태	VNF/CNF 모두, 클라우드 최적화	VNF 우세	자사 서버 최적화	Pure CNF(K8s Native)

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7. 실제 운영 시 고려사항

• UPF는 성능 병목 지점 → DPDK 기반 가속 필수
• MEC 분기 기능(ULCL) 필요 시: 슬라이스별 DNN-aware 구성 추천
• 로컬 UPF 배포 시: 로밍/법적 감청(LI) 기능 여부도 확인 필요

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8. [시각 흐름 요약]

UE ⇄ gNB ⇄ UPF ⇄ Internet / MEC
     │       │
     │     (N3, GTP-U)
     ▼
   SMF ⇄ UPF (N4) ← PDR/FAR 설정
         |
         → QoS Flow 분기, 정책 실행

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5G UPF에 대한 다음 세 가지 내용을 모두 정리해 드립니다:

1. AMF–SMF–UPF 간 Call Flow
2. UPF 구성도 및 시스템 요구사양
3. 벤더별 UPF 특성 비교 (Samsung, Ericsson, Huawei, Mavenir 등)

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① AMF–SMF–UPF Call Flow (PDU 세션 수립)

[기본 시나리오: UE 최초 접속 및 PDU 세션 설정]

UE
│
├─N1: Registration Request ──────────────▶ AMF
│                                          │
│                   + 인증 (AUSF/UDM 연동)
│                   + 슬라이스 선택 (NSSF)
│                   + SMF 탐색 (NRF)
│
├─N1: PDU Session Request ──────────────▶ AMF
│                                          │
│           ┌──────N11──────▶ SMF
│           │                 + IP 할당 요청 (N10 → UDM)
│           │                 + 정책 요청 (N7 → PCF)
│           │                 + UPF 선택/설정 (N4)
│           │
│           └──────N2──────▶ gNB
│                                + N3 Tunnel 생성 (gNB ↔ UPF)
│
└─N1: PDU Session Accept ◀─────────────── AMF

주요 포인트

• SMF가 UPF를 제어 (세션 규칙, 터널 생성)
• AMF는 접속과 NAS signaling만 담당
• UPF는 사용자 트래픽만 처리 (N3/N6 데이터 경로)

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② UPF 구성도 및 시스템 요구 사양

[UPF 모듈 구조 예시]

     +-----------------------------------------+
     |                 UPF (CNF)               |
     +-----------------------------------------+
     |   Session Manager      |   Usage Report |
     |------------------------|----------------|
     |   QoS Engine           |   DPI Module   |
     |------------------------|----------------|
     |   PDR/FAR/QER Engine   |   Buffer Mgmt  |
     |------------------------|----------------|
     |   N3/N6 Tunnel Handler |   N4 Agent     |
     +-----------------------------------------+

[시스템 요구 사양 예시]

항목	기본형 구성	고성능/Edge용 구성
CPU	16~32 vCPU	64~128 vCPU (DPDK Core 고정)
RAM	64~128 GB	256 GB 이상
NIC	2x10G ~ 4x25G	2x40G ~ 2x100G
GTP 세션 처리량	10~50K	100K 이상
Throughput	10~50 Gbps	100 Gbps 이상
Cloud 지원	OpenStack/K8s	AWS, Azure, On-prem 모두 가능
특이사항	DPDK, SR-IOV 필수	MEC-LBO 연동 시 ULCL 적용 필요

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③ 벤더별 UPF 특성 비교

항목	Samsung	Ericsson	Huawei	Mavenir
UPF 제품명	vUPF / CMC	User Plane Gateway	5GC UPF	MAVcore UPF
구성 형식	VNF + CNF 완전 대응	주로 VNF, 일부 CNF	자사 HW 최적화	Pure CNF, K8s-native
Edge 배포	AWS Wavelength, on-prem 지원	ENM과 연계	자체 Cloud 우선 (FusionSphere)	자유 배포, O-RAN 연계 용이
MEC 연동성	DNN-aware, ULCL 지원 우수	일부 한계	기능은 있음, 연동 제한	MEC API 오픈형
성능 (고객 사례 기준)	80~200 Gbps (Verizon, AT&T)	수백 Gbps 이상 (SKT 등)	초고성능, 중국 대형망	10~50 Gbps 중심
정책 제어 연동성	N4 + PCF 유연 연동	내부 PCRF 최적화	폐쇄형, 외부 연동 제약	표준 연동 기반
장점	글로벌 호환성, 성능/유연성 균형	고성능, 안정성, 대규모 상용화	고성능, 자체 플랫폼 최적화	O-RAN 호환성, 가격 경쟁력
단점	일부 Edge/RIC 초기 단계	유연성/라이선스 비용 부담	개방성 부족, 외부 연동 제약	대규모 사례 제한, SLA 부족

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✅ 정리 요약

• UPF는 사용자 트래픽의 핵심 처리 NF로,
  • SMF 제어 하에 GTP-U 터널, QoS, 트래픽 라우팅을 수행
  • 5G MEC, 슬라이싱, 로컬 브레이크아웃(LBO) 구현에 필수적
• Samsung vs Ericsson vs Huawei vs Mavenir
  • 삼성: 글로벌 호환성 + DNN 분기 + MEC 강점
  • 에릭슨: 고성능, 대형 사업자 중심
  • 화웨이: 초고속 처리량 + 자사 통합형 구조
  • 마베니어: Open RAN/MEC 특화형, 중소망 적합

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