5G核心网技术基础自学系列 | 5GC架构概述

书籍来源：《5G核心网 赋能数字化时代》

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3.1.1 演进和跃变之间的平衡

5G核心网和5G无线网的设计和规范工作紧密联系并且同时开展。

3GPP 5G核心网架构设计的一项重要原则是不考虑兼容前几代的无线接入网， 即GSM、WCDMA和LTE。前几代的无线接入技术都对应不同的核心网和无线网， 包括不同的无线网和核心网之间的协议。例如， GSM(2G) 的GPRS分组数据服务是在20世纪90年代中期设计的， 它在无线和核心网之间引人一个基于帧中继的接口(Gb) 。几年后设计的WCDMA(3G) 受ATM影响， 引入了Iu接口， 用于连接无线网和核心网。再后来在2007年至2008年设计LTE(4G) 的时候， 采用了新的基于IP的S 1接口， 用于连接无线网和核心网。此外，每一代技术都提供终端的省电和调度功能，虽大体类似但仍略有不同，由不同的网络层数据通信协议实现。随着时间的推移，网络架构变得很复杂，因为绝大多数服务提供商在不同频段上同时部署了2G、3G和4G，以便为大量的不同种类的终端提供尽可能好的覆盖和容量。

5G核心网带来了一个观念的转变，致力于定义一个“独立于接入技术”的接口，即5G核心网可与任何相关的接入技术包括非3GPP的技术(例如固定接入) 相连， 因此， 它也着眼于尽可能地面向未来。5G核心网架构不支持传统的无线接入网的接口或协议(用于LTE的S1， 用于WCDMA的Iu-PS和用于GSM/GPRS的Gb) ， 相反， 它为无线网和核心网之间的交互定义了一组新接口，即N2和N3，分别用于信令和用户数据的传输。N2/N3协议基于3GPP为4GLTE定义的S1协议(S 1-AP和GTP-U) ， 但通过努力在5G系统中进行了扩展和一般化，使其尽可能通用和面向未来。N2/N3在3.5节中描述。

3GPP 5G核心网架构的工作中针对GSM和WCDMA接入技术的讨论不多， 但针对LTE的接人技术有很多讨论， 这是因为LTE是当今全球最重要的移动无线接入技术， 并且可能会长期使用。3GPP做了许多努力来规定如何将LTE集成到新的5G架构中。尽管终端和LTE无线接人的后向兼容问题未被讨论， 但对LTE规范的补充规定使其成为继NR之后第二个支持相同的架构和协议(即相同的N2/N3接口)的接入技术。

从本质上讲， 这意味着任何支持N2/N3都可以选择新的5G核心网架构。就新架构而言，到目前为止，3GPP已经规范了对LTE、NR以及LTE/NR组合的支持。

3.1.2 3GPP架构选项

3GPP有关5G网络架构的工作成果包含多个架构选项， 基于此， 3GPP做出了三个重要决定(3GPP中5G网络架构技术研究的重要文献是技术报告3GPPTR 23.799) ：

• 为新的5G架构规范对LTE的支持。

• 规范对LTE和NR接人组合的支持。

• 根据LTE/EPC的演进规范一个替代性的5G架构。

下面我们将逐个讨论。

新的5G架构规定了对LTE接入的支持， 这实际上意味着LTE接人网有两种与核心网连接的方式，可能是同时连接并根据每个终端做出选择：

• 使用S1连接到EPC核心网。

• 使用N2/N3连接5GC核心网。

请注意， 从S1迁移到N2/N3时， 不仅需要更改网络接口和相关逻辑， 将LTE连接到5G核心网也需要一个新的QoS概念， 它对无线调度有影响。

尽管将LTE连接到5G核心网的方案包含在3GPP Release 15的规范中， 但是否有任何LTE网络会真正转接到5GC， 还要拭目以待。服务提供商可能会继续使用S1与EPC连接， 并结合EPC和5GC互通的解决方案(参见3.8节) 。

在定义5G无线接入网规范时， 讨论了LTE和NR(新的5G无线接人技术) 的两种组合。每种组合都假定其中一项技术具有更大的地理覆盖范围，因而用于终端与网络之间的所有信令传送，而另一个无线接入技术将用于提升地理区域内的用户流量，在该区域内两种接入技术都存在。

非独立架构

在扩展新的5G架构以便囊括NR接入及LTE接入的工作之外， 3GPP Release 15中同时也进行着另一项工作。其背景是电信业广泛认为需要一个更快速、颠覆性更小的方式来启动早期的5G服务。相对于采用全新的5G无线和核心网架构，一种解决方案是最大限度地复用4G架构。实际上，它有赖于LTE无线接入支持终端与网络之间的所有信令，以及EPC网络增加若干功能以支持5G。NR无线接入仅用于用户数据传输，并且仅在终端处覆盖范围内时使用。参见图3.1。

图3.1 非独立架构

复用4G架构的一个缺点是NR只能部署在LTE覆盖范围之内。这体现在这个解决方案的名称中——NR非独立(NSA) 架构； 另一个缺点是可用的网络功能受限于LTE/EPC支持的功能。和5G架构相比， 能力方面的主要区别是网络切片、QoS处理、边缘计算的灵活性和整个核心网的可扩展性和灵活性(为的是在类似于IT的环境中对应用进行集成)。这些将在后续章节中讨论。

总之， 可以通过四种方式部署LTE和NR：

• 仅LTE用于所有信令和数据流量。

• 仅NR用于所有信令和数据流量。

• LTE和NR的组合， 其中LTE具有更大的覆盖范围并用于信令， LTE和NR均用于数据流量。

• LTE和NR的组合， 其中NR具有更大的覆盖范围并用于信令， LTE和NR均用于数据流量。

加上两个可能的核心网EPC和5GC， 因此我们将得到4×2=8个可能的网络架构。

为了统一描述无线接入技术部署的不同变体的术语，在5G架构最初的技术工作阶段(3GPP SP-160455， 2016) 就提出了“options 1-8”(选项1-8) 的概念， 如图3.2所示。

图3.2 5G无线和核心网的可能组合

在5G技术研究的早期就决定不再推进选项6和8， 因为它们将NR直接连接到EPC，因而NR提供的功能要后向兼容EPC， 这会对NR带来很多限制。由于选项1指的是现有的4G架构， 这意味着3GPP开展的技术工作针对的是选项2、3、4、5和7。选项3和选项2在规范制定当中的优先级最高，因为它们被认为最具市场价值。

尽管对选项的数量进行了限制， 人们可能仍然会认为3GPP为了自身考虑创造了太多的灵活性，这么多的变种可能会增加整个行业生态系统中无线网和终端的成本和复杂性。结果到底如何还有待观察。

从5G核心网的角度来看，无线接人技术的四种组合(选项2、4、5和7)或多或少使用了相同的接口、协议和逻辑，这是第一次尝试在核心网和接入网之间创建一个独立于接入技术的接口。

选项3是上面描述的非独立架构(NSA) 的常用称呼， 它对现有的4GLTE/EPC架构进行扩展，从而方便5G的平滑引人，是第一个进行商业部署的5G网络架构，虽然它主要针对的是现有的移动宽带服务。

NSA无线网解决方案的正式名称是EN-DC，即“E-UTRAN-NR双连接”。我们将在第4章描述支持5G NSA的EPC的主要功能，在第12章描述新空口架构概念。然后在本书的其余部分介绍3GPP Release 15中定义的的心概念。主要参考文档是3GPP的规范TS 23.501和TS 23.502。

在本章随后的小节中，我们为读者介绍5G核心网的整体架构、它的关键组件和功能、每个网络功能的细节和逻辑，以及指定用于网络架构不同部分的协议。

在3.2~3.10节中，我们首先描述5G核心网最基本和最重要的的功能。

在3.11~3.18节中，我们描述更多的功能，这些功能可以有选择地用于支持更多高级的用例。

3.19节作为本章总结，对5G无线技术和网络架构做一简要概述。

注意，在本章中，我们称连接到网络的移动终端为“终端”，而在后续章节中通常称为“UE"， 即3GPP术语“用户终端”的缩写。对无线基站也是如此， 后续将使用3GPP的术语“gNB”来表示NR的站点。