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（5GC）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。

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。

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.
• 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, 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

• 非3gpp接入的看一个图，其他情况详见23.501
  

• 5GC和EPC互操作的结构，看一下非漫游场景，其他场景见23.501
  

三、协议栈

3.1 5G-AN和5GC的接口(N2)

NG-AP协议定义在38.413中，SCTP协议定义在RFC 4960。

N2-SM消息是NG-AP消息的一部分，这部分消息由AMF负责透传。从接入网的角度N2-SM消息终结于AMF。

3.2 XN接口

3.3 空口

3.4 UE和5GC接口

N1 NAS信令的终结点为UE和AMF，一个NAS信令连接用于注册管理/连接管理(RM/CM)和会话管理（SM）。NAS协议由NAS-MM和NAS-SM两部分组成；此外UE和5GC间还有多个其它协议（SM、SMS、UE policy、LCS等），这都协议都是通过N1 NAS-MM进行透传的。

RM/CM NAS消息和其它类型的NAS消息是解耦的，也就是AMF负责RM/CM，其它的消息就透传给对应的模块去处理。

位于AMF的NAS-MM负责：
1）维护处理RM/CM的状态和对应流程处理，
2）提供安全的NAS消息传输通道（也即NAS层的加密和完保），
3）透传其它类型的NAS消息（SM、SMS、UE Policy、LCS）。

如果UE同时通过3GPP和non-3GPP接入网接入5GC，那么每个接入模式下都有一个N1 NAS信令连接。

3.4.1 UE—AMF

NAS-MM: NAS-MM协议负责注册管理、连接管理、用户面连接的激活和去激活操作，负责NAS消息的加密和完保。5G NAS协议定义在 TS 24.501.

5G-AN Protocol layer: 接入网的协议栈取决于具体的接入网类型；如果从eNB接入，则对应的空口协议栈定义在TS36.300，如果从gNodeB接入，则对应的空口协议定义在TS38.300，如果从non-3GPP网络接入，则对应的协议栈定义在TS23.501 8.2.4章节。

3.4.2 UE—SM

NAS-SM: NAS-SM消息支持用户面PDU会话的建立、修改、释放；NAS-SM消息通过AMF传输，且其对AMF是透明的（也就是AMF负责透传SM消息、不对其进行解析处理）。具体的消息和流程见于协议TS 24.501。

3.4.2 UE PDU会话的用户面协议栈

N3口使用GTP-U协议，这和3G/4G一样，GTP-U定义于TS29.281；5G-AN用户面协议栈取决于具体的接入网类型。

3.5 F1接口协议

3.6 non-3GPP接入

IKEv2见于RFC7296《Internet Key Exchange Protocol Version 2》

3.7 5GC—5GC

5GC内部网元之间的接口为SBI接口，采用HTTP服务的形式。SBI接口有：Namf, Nsmf, Nudm, Nnrf, Nnssf, Nausf, Nnef, Nsmsf, Nudr, Npcf, N5g-eir, Nlmf。

上图就是SBI协议栈（图片来源TS29.500 5.1章节），采用互联网常用的HTTP/TCP协议，HTTP/2请参考RFC 7540。