5G网络架构、网络接口及协议栈

目录

1、5G整体网络架构

2、5G网络接口及无线协议栈

2.1 5G网络接口及协议

2.2 5G无线端到端协议栈

3、5G核心网新架构 

4、5G接入网新架构

4.1 4G到5G基站的演进

4.2 5G基站gNB的功能

4.3 CU-DU的部署形态

5、5G组网架构

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1、5G整体网络架构

5G网络架构宏观上分为接入网和核心网两部分，5G接入层成为NG-RAN（NR），由5G基站（gNB）组成；5G核心网由控制面（AMF）、用户面（UPF）分离组成。

图1 基于5G的IIoT架构

2、5G网络接口及无线协议栈

2.1 5G网络接口及协议

5G网络接口分为Xn和NG两种接口。

图2 5G网络接口拓扑图

表1 5G的网络接口功能及协议

接口	功能	协议
Xn	gNB与gNB间的接口，支持数据和信令传输 Xn-C：Xn接口管理、UE移动性管理（跨栈切换、上下文转移和RAN寻呼）、双连接（DC） Xn-U：提供用户面PDUs非保证传递，主要功能包括数据转发和流控制	控制面：Xn-C、NG-C、F1-C接口信令连接基于SCTP协议（可靠性高）； 数据面：Xn-U、NG-U、F1-U用户面传输基于GTP-U协议；
NG	gNB与核心网的接口 NG-C(NG2)：NG接口管理、UE上下文管理、UE移动性管理、NAS消息传输、PDU会话管理、配置转换、告警信息传输、寻呼 NG-U(NG3)：提供NG-RAN和UPF间的用户面会话（user plane PUDs）非保证传递
F1	gNB-CU和gNB-DU之间的接口 F1-C：F1接口管理、gNB-DU管理、系统消息管理、负载管理、寻呼、F1 UE上下文管理…… F1-U：用户数据转发、流控制功能
其他	gNB和UE之间使用NR控制面和用户面协议

图3 5G网络接口协议栈

2.2 5G无线端到端协议栈

1、5G无线协议栈

图4 5G无线网络协议栈

 SDAP：QoS flow与无线承载的映射。

 2、5G端到端控制面协议栈

图5 5G端到端网络控制面协议栈

 3、5G端到端用户面协议栈

图6 5G端到端网络用户面协议栈

因此，5G中重要的端口包括：NG2、NG3、NG6、NG9、NG11。

3、5G核心网新架构 

5GC基于服务化架构（网络功能服务解耦）和SDN/NFV框架（网络云化），结合网络切片（端到端逻辑专用网络）、边缘计算、5G非公共网络（NPN）、5G局域网等行业专网使能技术，实现网络架构开放性、网元虚拟化、资源灵活调度及定制化场景应用。

5G核心网必须满足低时延业务处理的时效性需求。5G核心网控制面的逻辑功能被进一步细分，AMF和SMF分离为两个逻辑节点，网络用户面进一步下沉，如图7所示。

与4G网络架构相比，5G网络用户面的接口和服务不变，控制面借鉴IT思想，采用服务化网络架构，网络功能拆解为模块化网络服务，接口采用服务化网络接口，实现网络功能的灵活定制。

图7 5G核心网控制面逻辑功能

表2 5G核心网网元及其功能

5G网元	功能描述	与4G网元的对应关系
AMF(Access and Mobility Management Function)	NG1、NG2接口终止； 移动性管理、SM消息的路由； 接入鉴权、安全锚点功能（SEA）； 安全上下文管理功能（SCM）	类似MME
SMF（Session Management Function）	会话管理（建立、修改、释放等）、UP选择和控制； IP地址分配； 配置UPF的QoS策略	类似PGW-C
UPF（User Plane Function）	用户平面的业务处理功能 intra-RAT移动的锚点（锚定功能）； 数据报文路由、包转发、检测及QoS映射和执行； 上行链路的标识识别并路由到数据网络（流量统计及上报）； 下行包缓存和下行链路数据到达的通知出发	类似PGW-U
UDM（Unified Data Management）	产生AKA过程需要的数据； 签约数据管理、用户鉴权处理、短消息管理； 支持ARPF	类似HSS
AUSF（Authentication Server Function）	为鉴权服务器，生成鉴权向量，实现对用户的鉴权和认证	类似HSS中的Auc功能
PCF（Policy Control Function）	应用和业务数据流检测； UE策略配置（网络发现和选择策略、SSC模式选择策略、网络切片选择策略）； 数据流分流管理（不同DN）； QoS控制、额度管理、基于流的计费； 背景数据传送策略协商； 对通过NEF和PFDF从第三方AS配置进行的PDF进行管理； 具备UDR前端功能以提供用户签约信息； 提供网络选择和移动性管理相关的策略	类似PCRF
NEF（Network Exposure Function）	网络能力的收集、分析和重组	类似SCEF
NRF（NF Repository Function）	业务发现，从NF实例接收你发发现请求，并向NF实例提供发现的NF实例信息	全新网元，类似增强DNS

5G核心网发展的趋势是核心网下移及云化，其最终架构演进分为两个阶段：1、核心网设备虚拟化和架构云化，主要特点是VNFs分层架构、静态网络切片以及软硬件解耦等；2、原生云架构和核心网网元云化，包括EPC云化、IMS云化等，主要面向业务的动态端到端切片，控制面和用户面分离以及功能模块原子化。 

4、5G接入网新架构

4.1 4G到5G基站的演进

图8 4G到5G基站的演进

4.2 5G基站gNB的功能

表3 5G基站的功能

关键功能	IP头压缩、数据加密和完整性保护； 到UPF的用户面数据路由； 到AMF的控制面路由； 支持网络切片，支持双连接； QoS flow管理和到DRB的映射；（类似细流水管，由图4无线协议栈中SDAP处理） 支持UE RRC_INACTIVE态； NAS消息转发；
其他	无线资源管理：无线承载控制，无线准入控制，动态资源分配，连接移动性控制； AMF选择； 连接建立和释放； 寻呼消息和系统广播消息的调度和传输； 测量和测量上报配置；

4.3 CU-DU的部署形态

根据3GPP，5G的BBU功能被重构为中央单元CU和分布单元DU两个功能实体，控制面集中为多业务提供灵活的扩展能力，为mMTC提供高效的处理能力；DU更靠近用户，满足uRLLC业务需求。CU与DU按处理内容的实时性进行区分：

• CU：主要包括非实时的无线高层协议栈功能，同时支持部分核心网下沉和边缘应用业务的部署。
• DU：主要处理物理层功能和实时性需求的层2（参考图4中的层级划分）功能，考虑节省RRU与DU之间的传输资源，部分物理层功能也可上移到RRU实现。 

图9 CU-DU分离架构

CU与DU之间的部署形态多样化，方案1主要用于URLCC场景，有理想前传，可有效控制时延。方案2可用于eMBB场景，有理想前传条件，可同时兼容FWA和mMTC场景。方案3与方案2相似，但方案3无理想前传，需要将DU和AAU放在一个站点。方案4可用于小站，热点覆盖场景。

图10 CU-DU部署形态

5、5G组网架构

5G提出了非独立组网（NSA）和独立组网（SA）两种组网方案，具体见工业5G概述、应用与测试床建设。NSA作为过渡方案，以提升热点区域带宽为主要目标，依托4G基站和4G核心网工作。

表4 NSA和SA的优劣比较

对比维度		NSA	SA
业务能力		仅支持大带宽业务	较优，支持大带宽和低时延业务，便于拓展垂直行业
4G/5G组网灵活度		较差：option 3x同厂商，option 3a可能不同厂商	较优，可以不同厂商
基本性能	终端吞吐量	下行峰值速率优（4G/5G双连接，NSA比SA优7%），上行边缘速率优	上行峰值速率优（终端5G双发，SA比NSA优87%），上行边缘速率低
	覆盖性能	同4G	初期5G连续覆盖挑战大
	业务连续性	较优，不涉及4G/5G系统间的切换	略差，初期未连续覆盖时，4G/5G系统间切换多
对4G现网改造	无线网	改造较大：4G软件升级支持Xn接口，硬件基本无需更换，但需与5G基站连接	改造较小，4G升级支持与5G互操作，配置5G邻区