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5G
网元结构和协议栈
5G
网元结构和协议栈
本文参考
3GPP
协议和网络文章整理而成，参考见
5G AN
相关结构及协议栈汇总、
5G
系统
结构定义、
5G
系统——协议栈
一、基本网络结构
1.1
整体架构
5G
系统由接入网（
AN
）和核心网（
5
GC
）组成（
38.300
）。若考虑
NSA
（非独立组网）场
景，则还需要
考虑
4G
的网元。
图
1
：
Overall Architecture
AN
有两种：
gNB,
为
UE
提供
NR
用户面和控制面协议终
结点。
ng-eNB,
为
UE
提供
E-UTRA
的用户面和控制面协议的终结点。
1.2
网元基本功能
各网元功能详细描述太长，具体见
3gpp
38.300
，大致功能如下图：
图
2
：
Functional Split between NG-RAN and 5GC
1.3 AN
网络结构（
38.401
）
每个逻辑
gNB
由一个
gNB-
CU
和若干个
gNB-
DU
组成。每个
gNB-
CU
和
gNB-DU
通过
F1
逻辑
接口连接。
图
3
：
gNB
Overall architecture
一般来说一个
gNB-
DU
只连接一个
gNB-
CU
。但是为了实现的灵活性，每个
gNB-
DU
也可能连
接到多个
gNB-
CU
。
一个
gNB CU
中的控制面和用户面
是分离。一般只有一个
CP
，但是允许有多个
< br>UP
。要注意
的是，
gNB-
CU
及连接的若干
gNB-DU
作为一
个整体逻辑
gNB
对外呈现的，只对其他的
gNB
和所相连的
5GC
可见。<
/p>
图
4
：
Overall
architecture for separation of gNB-CU-CP and gNB-
CU-UP
3GPP
给了一种参考的网元部署方式。考虑到了
gNB
间的
XN
连接，以及与核心网的
NG
连
接。<
/p>
图
4
：
Example deployment
of an Logical gNB/en-gNB
二、系统结构（
23.501
）
2.1
系统设计原则
5G
< br>系统结构采用
NFV/SDN
以支持数据连接和业务灵活
部署
,
促使基于业务的控制面网络功
能和概念互动
:
用户面功能和控制面功能分离
,
允许
独立的可扩展性
,
可演进性及可灵活部署
.
比如可选择
采用集中式或者分布式的方式
< br>.
功能设计模块化
,
比如采用灵活高效的网络切片
.
无论
在什么地方适用
,
都可以将相应的过程
(
网络功能之间的互动
)
定义为业务<
/p>
,
以便可以复
用他们
.
如果有需要都可以使相应的网络功能和其他的
NF
互动
. 5G
结构并没有排除中间功能帮助
路由控制面信息
. (
比如
DRA).
缩小接入网络
(AN)
和
核心网络
(CN)
的依赖性
.
这个结构是一个公共接入网
AN
连接汇聚的核<
/p>
心网
.
而
AN
可以是不同的接入类型比如
3GPP
接
入网和
non-3GPP
接入网
.
支持统一的鉴全架构
.
支持
“stateless”
网络功能
NF,
这些网络功能的计算资源和存储资源解耦
.
支持能力开放
同时支持本地和集中化的业务
.
为了
支持低延迟业务并访问本地数据网络
,
用户面功能部署
需要尽可能的靠近介入网络
AN.
在
VPLMN
支持基于
LBO
和归属地路由的漫游方式
.
2.2
设计的功能实体
5G
系统结构定义了如下网元功能实体
(NF)
：
UE:
用户终端设备
User
Equipment (UE)
RAN:
接入网络
(Radio) Access Network
(RAN)
AMF:
接入及移动性管理功能
Access and
Mobility Management Function
UPF:
用户面功能
User plane Function
(UPF)
AUSF:
鉴权服务功能
Authentication Server
Function
DN:
数据网络
Data Network (DN),
比如运营商业务，互联网接入或者第三方业务等。
UDFS:
非结构性数据存储功能
Unstructured Data
Storage Function
NEF:
网络业务呈现功能
Network Exposure
Function (NEF)
NRF:
网元数据仓库功能
NF Repository
Function (NRF)
NSSF:
网络切片选择功能
Network
SliceSelection Function (NSSF)
PCF:
策略控制功能
Policy Control
function (PCF)
SMF:
进程管理功能
Session Management
Function (SMF)
UDM:
统一数据管理功能
Unified Data
Management (UDM)
UDR:
统一数据仓库功能
Unified Data
Repository (UDR)
AF:
应用层功能
Application Function
(AF)
EIR:
5G
设备标识注册设备
5G-Equipment
Identity Register (5G-EIR)
2.3
设计的接口
2.3.1
基于业务
service-based
，控制面相关的网元功能实体能够授权其他网元来访问它
的业务。
5G
系统结构中包含如下基于业务
service-based
的接口
Namf: Service-basedinterface exhibited
by AMF.
Nsmf: Service-basedinterface
exhibited by SMF.
Nnef: Service-
basedinterface exhibited by NEF.
Npcf:
Service-basedinterface exhibited by PCF.
Nudm: Service-basedinterface exhibited
by UDM.
Naf: Service-basedinterface
exhibited by AF.
Nnrf: Service-
basedinterface exhibited by NRF.
Nnssf:
Service-basedinterface exhibited by NSSF.
Nausf: Service-basedinterface exhibited
by AUSF.
Nudr: Service-basedinterface
exhibited by UDR.
Nudsf: Service-based
interfaceexhibited by UDSF.
N5g-eir:
Service-based interface exhibited by 5G-EIR.
2.3.2
基于参考点
reference point
，点对点网元功能业务之间互作用点。
5G
结构中定义了如下参考点：
N1: Referencepoint between
the UE and the AMF.
N2: Referencepoint
between the ?AN and the AMF.
N3: Referencepoint between the ?AN and
the UPF.
N4: Referencepoint
between the SMF and the UPF.
N6:
Referencepoint between the UPF and a Data Network.
N9: Referencepoint between two UPFs.
N5: Referencepoint between the PCF and
an AF.
N7: Referencepoint between the
SMF and the PCF.
N8: Referencepoint
between the UDMand the AMF.
N10:
Referencepoint between the UDM and the SMF.
N11: Reference point between the AMF
andthe SMF.
N12: Reference point
between AMF andAUSF.
N13: Reference
point between the UDM andAuthentication Server
function the
AUSF.
N14:
Reference point between two AMFs.
N15:
Referencepoint between the PCF and the AMF in case
of non-roaming
scenario, PCF in
thevisited network and AMF in case of roaming
scenario.
N16: Reference point between
two SMFs,(in roaming case between SMF in the
visited network and the SMF in the
homenetwork).
N17: Referencepoint
between AMF and 5G-EIR.
N18:
Referencepoint between any NF and UDSF.
N22: Reference pointbetween AMF and
NSSF.
N24: Referencepoint between the
PCF in the visited network and the PCF in the
home network.
N27: Reference
pointbetween NRF in the visited network and the
NRF in the home
network.
2.3.3
系统结构
非漫游情况下基于业务接口的
5G
系统结构图
非漫游情况下
使用参考点的
5G
系统结构图如下，此图展现网元功能之间相互
作用。和其他
传统的蜂窝移动网络结构理解思路类似。
非漫游条件下
UE
使用多个
PDU Session
同时接入两个数据网络的情况。此图使用参考点来
展示了为多个
PDU Session
选用两个
SMF
< br>的场景。在这种情况下每个
SMF
也能够为一个
PDU Session
来控制
local
和
central
的
UPF
。
非漫游场景下使用单一
PDU
session
同时接入两个数据网络
(local
andcentral)
的结构。
漫游场景的系统图很多，也很复杂，详见
23.501