【大唐杯备考】——5G网元功能与接口（学习笔记）
前言：本期介绍5G网元功能与接口。
目录
- 1. 5G移动通信系统整体网络架构
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- 1.1 5G核心网架构
- 1.2 5G接入网架构
- 2. 5G主要网元功能
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- 2.1 UPF（用户面功能）
- 2.2 SMF（会话管理功能）
- 2.3 AMF（访问和移动性管理功能）
- 2.4 gNB/en-gNB（基站）
- 3. 5G系统接口功能与协议
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- 3.1 NG接口
- 3.2 Xn接口
- 3.3 E1接口
- 3.4 F1接口
- 3.5 Uu接口
1. 5G移动通信系统整体网络架构
5G移动通信系统基于SBA（Service Based Architecture，服务化架构）方式的架构如下图所示。接下来的例子都属于非漫游（注册地和服务区相同）5G移动通信系统架构。
与以往有什么不同？以往是层级的拓扑网络结构，节点与节点之间是层级交错的网络关系，而且节点集成度很高，各种功能大包大揽，这样有它的好处，入网简单，但缺点也很明显：扩展性困难、升级困难，所以我们看到以前的核心网扩容，要么加新节点，要么在现有节点上升级，在现有节点上升级风险比较大，升级错误可能造成网络瘫痪，而且，升级只能在原硬件平台上进行。
而SBA架构则不同，由于将网络功能（NF）拆分了，而所有的NF又都通过接口接入到系统中，这样做的好处：
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负荷分担：相同的网络功能（NF）一起来承担和提供网络功能服务（NFS），负荷可以均衡分担。
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容灾：任何的网络功能（NF）出现故障，智能化的网络管理可以让它暂时退出服务，将服务转给其它相同的网络功能（NF）上处理。
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扩容简单：只需要增加新的网络功能接入系统即可，丝毫不影响现网运行。
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升级容易：都是基于标准接口的接入，无论是硬件还是软件功能，需要推出新一代的，都可以直接接入，旧的需要淘汰则直接退网。
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实现网络的开放能力，在标准接口下，其它系统也可以接入。
1.1 5G核心网架构
| 名词 | 定义 |
|---|---|
| UE | 终端 |
| AN（Access Network） | 接入网 |
| CN（Core Network） | 核心网 |
| UPF（User Plane Function） | 用户面功能 |
| DN（Data Center） | 数据中心 |
| NF | 网元功能体 |
| NSSF（Network Slice Selection Function） | 网络切片选择功能 |
| NEF（Network Exposure Function） | 网络开放功能 |
| NRF（NF Repository Function） | 网络仓储功能，支持服务发现功能 |
| PCF（Policy Control function） | 策略控制功能，主要功能是使用统一的策略框架来管理网络行为 |
| UDM（The Unified Data Management） | 统一数据管理，通过生成3GPPAKA身份验证凭据，通过对SUPI的存储和管理，对用户进行识别处理，对用户进行合法性验证 |
| AF（Application Function） | 应用功能，指应用层的各种服务 |
| AUSF（Authentication Server Function） | 鉴权服务器功能，处理3GPP接入和非3GPP接入的认证请求 |
| AMF（Access and Mobility Management Function） | 接入和移动管理功能，负责注册管理，连接管理，可达性管理，移动性管理等功能 |
| SMF（Session Management Function） | 会话管理功能，负责会话建立，修改和释放等 |
观察核心网的网元，发现都是以F（Function）结尾，其实它们与NFV（网络功能虚拟化）相关，基于通用的x86服务器实现，这就是与4G最大的不同之处。
5G网络功能之间的信息交互可以基于两种方式：
- 基于服务：多对一
- 基于点对点（又称参考点）：一对一
实际部署时，经常共同使用这两种方式。在5G网络架构中，不是所有的接口都适合基于服务表示。从上图可以看出，控制面内的网络功能（例如AMF）使其他授权的网络功能能够访问其服务，所以AMF与其他核心网功能间基于服务进行架构。但是，对于接口N1和接口N2，由于基站按需分散部署的特点，点对点表示方式更适合这两个接口。
5G移动通信系统点到点表示如下图所示。
1.2 5G接入网架构
| 名词 | 定义 |
|---|---|
| CU（Centralized Unit） | 集中单元 |
| DU（Distributed Unit） | 分布单元 |
5G无线接入网的基站网元功能拆分为CU和DU。5G移动通信系统NG-RAN CU与DU分离逻辑图如下图所示。
通常情况下，一个gNB的DU只会连接这个gNB的CU，但是灵活性高是5G系统的重要特点，所以实际应用时，DU有可能连接到多个gNB CU。gNB CU同样实现了控制面和用户面分离。在一个逻辑gNB中，通常只有一个控制面（CU-CP），但是会有多个用户面（CU-UP）。gNB-CU及其连接的若干gNB-DU作为一个整体逻辑gNB对外呈现，此时，这个逻辑gNB只对其他逻辑gNB和与其相连的5GC可见。
在3GPP历次会议中共提出了8种CU与DU分离方案，如下图所示。
CU与DU分离方案可以分为高层功能划分方案和低层功能划分方案。分离点越趋向高层（左边），表示更多的协议栈功能位于DU，此时集中化程度越低，实现越容易；分离点越趋向低层（右边），表示更多的协议栈功能位于CU，此时集中化程度越高，实现越困难。比如Option2就是把RRC+PDCP划分给CU，剩余的划分给DU。
8种方案中，Option2、Option7和Option8是重点讨论内容。
- 底层功能划分方案：便于控制面集中，利于无线资源干扰协调，可以采用虚拟化平台。但是由于对传输和时延要求较为苛刻，所以至今没有确定分离方案。
- 高层功能划分方案：3GPP已确定采用Option2。理由是PDCP上移便于形成数据锚点，便于支持用户面的双连接/多连接。
从资源集中度、协同性能、传输带宽要求及传输时延要求4个维度出发，对CU/DU方案策略进行比较，如下表所示。
Option4：对传输时延要求很高，且未看到其他性能增益，后续基本不考虑该方案。
2. 5G主要网元功能
5G系统由接入网（AN）和核心网（5GC）组成。AN与5GC的主要功能如下图所示。
| 名词 | 定义 |
|---|---|
| 小区 | 在蜂窝移动通信系统中，其中的一个基站或基站的一部分，与大区相对应 |
| 移动锚点 | 当用户在不同接入系统之间移动时，可以保证该网元分配的用户地址保持不变 |
| PDU（Packet Data Unit） | 分组数据单元 |
| N接口 | 5G网元直接的通信接口，例如N1,N22等 |
| Nplink | 交换机上的一种端口，在点到多点系统中，由分散点到集中点的传输链路。例如：在移动通信中，由移动台到基站的链路 |
| 移动台 | 移动终端设备 |
| QoS | 服务质量，虽然翻译成服务质量，但是他是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术 |
| ul/dl | up link/down link 上行/下行链路 |
| SDF | service data flow 服务数据流 |
| NAS（Non-Access Stratum） | 非接入层 作为核心网与用户设备之间的功能层。该层支持在这两者之间的信令和数据传输 |
| 信令 | 控制信号 |
| SM | 服务消息 |
| SMS | 短信消息 |
| SMSF | 短信消息管理功能 |
| GTP | GPRS隧道协议 |
| RRC | 无线资源控制层 |
| PDCP | 分组数据汇聚协议 |
| RLC | 无线链路控制协议 |
2.1 UPF（用户面功能）
- gNodeB间切换的本地移动锚点（适用时）
- 连接到移动通信网络的外部PDU会话点
- 基于N接口切换过程中，数据包路由与转发
- 数据包检查和用户面部分的策略计费
- 合法的监听拦截（集合）
- 流量使用情况报告
- Uplink支持路由流量到一个数据网络
- 分支点以支持多类的PDU会话
- 对用户平面的QoS处理，例如包过滤、门控、UL/DL速率执行
- Uplink流量验证（SDF到QoS流映射）
- 上下行链路上传输级别的数据包标记
- 下行数据包缓冲和下行数据通知触发
2.2 SMF（会话管理功能）
- 会话（PDU）的建立、修改、删除
- 包括UPF和AN节点之间的隧道维护
- UE IP地址的分配和管理
- DHCPv4（服务器和客户端）和DHCPv6（服务器和客户端）功能
- 选择控制用户面功能
- QoS策略与控制，终止策略与控制
- 合法监听
- 下行数据的通知
- 终止NAS消息的SM部分
- 漫游功能
2.3 AMF（访问和移动性管理功能）
- NAS信令及信令的加密和完整性保护
- 终止运行RAN网络接口(N2)
- 注册管理
- 连接管理
- NAS移动性管理
- 可达性管理
- 合法截取/监听（用于AMF事件和对Ll系统的接口）
- 为在UE和SMF之间的SM消息提供传输
- 路由SM消息的透明代理
- 访问验证
- 在UE和SMSF之间提供SMS消息的传输
- 用户鉴权及密钥管理
- 承载管理功能，包括专用承载建立过程
2.4 gNB/en-gNB（基站）
- 中央单元-控制面CU-C（Central Unit - Control plane）
| 功能 | 解释 |
|---|---|
| 接口管理（Interface Management） | 包括:Xn/NG/F1/E1等接口链路管理、接口消息处理（如：NG-AP）和数据处理（如：GTP-U） |
| 连接管理（Connection Management） | 单连接、双连接、多连接和D2D |
| 流量导向（Traffic Steering） | 系统内和系统间的负载均衡 |
| 切片支持（Slice Support） | 系统内和系统间的切片资源动态管理 |
- 中央单元-用户面CU-U（Central Unit - User plane）
主要功能：数据包的处理和转换 - 分布单元DU（Distributed Unit）
主要功能：资源的调度、传输模式的转换、信道映射 - 有源天线处理单元 - 天线AAU-RF（Active Antenna Unit - Radio Frequency）
主要功能：信号的收发、Massive MIMO天线处理、频率与时间同步、AAS实现机制
3. 5G系统接口功能与协议
5G系统的接口非常多，如果考虑接口间的协同工作及相互影响，可能涉及的内容更多。本节内容仅针对NG接口、Xn接口、F1接口、E1接口和Uu接口进行描述。5G系统接入网（AN）和核心网（5GC）的主要接口如图所示。
3.1 NG接口
NG接口是NG-RAN和5G核心网之间的接口，支持控制面和用户面分离，支持模块化设计。NG接口协议栈如下图所示，其中左侧表示控制面协议栈（NG-C接口），右侧表示用户面协议栈（NG-U接口）。
| NG-C接口功能与流程 | 具体描述 |
|---|---|
| PDU会话管理过程 | 完成PDU会话的NG-RAN资源建立，释放或修改过程 |
| UE上下文管理过程 | 完成UE上下文建立，释放或修改过程 |
| NAS发送过程 | 完成AMF和UE间的NAS信令数据透传过程； 初始UE消息（NG-RAN node发起）、上行NAS传输（NG-RAN node发起）、上行NAS传输（NG-RAN node发起）、下行NAS传输（AMF发起）、NAS无法传输指示（NG-RAN node发起）、重新路由NAS请求（AMF发起） |
| UE移动性管理过程 | 完成UE移动切换的准备，执行或取消过程；切换准备、切换资源分配、切换通知、路径切换请求、上下行RAN状态转发、切换取消 |
| 寻呼过程 | 完成寻呼区域内向NG-RAN节点发送寻呼请求过程 |
| AMF管理过程 | 完成AMF告知NG-RAN节点AMF状态和去激活与指定UE NGAP UE组合过程 ；AMF状态指示、NGAP组合去激活（FFS） |
| NG接口管理过程 | 完成NG接口管理过程；NG建立、NG重置、RAN配置更新、AMF配置更新、错误指示 |
NG-U接口主要功能：
- NG-U接口在NG-RAN节点和UPF之间提供非保证的用户平面PDU传送；
- 协议栈传输网络层建立在lP传输上；
- GTP-U在UDP/IP之上用于承载NG-RAN节点和UPF之间的用户面PDU。
3.2 Xn接口
Xn接口是NG-RAN之间的接口，即存在于基站之间。Xn接口可以为不同设备厂商的NG-RAN设备提供互联。通过NG接口协同在NG-RAN节点之间提供业务连续性。Xn接口协议栈如下图所示，其中左侧表示控制面协议栈（Xn-C接口），右侧表示用户面协议栈（Xn-U接口）。在CU/DU分离的情况下，Xn-C是CU控制面之间的接口，Xn-U是CU用户面之间的接口。
主要功能：Xn-C接口管理和差错处理功能（1~5）、UE移动管理功能（6~10）、双连接功能（11）
| Xn-C接口功能与流程 | 功能描述 |
|---|---|
| Xn建立功能 | 允许两个NG-RAN nodes间Xn接口的初始建立，包括应用层数据交互 |
| 差错指示功能 | 允许应用层上一般错误情况上报 |
| Xn重置功能 | 允许NG-RAN node告知另一个NG-RAN node其已经从非正常失败状态恢复，第二个node内需要删除与第一个node相关的所有上下文（应用层数据除外）并释放伴生资源 |
| Xn配置数据更新功能 | 允许两个NG-RAN nodes随时更新应用层数据 |
| 切换准备功能 | 允许源和目的NG-RAN node间的信息交互从而完成给定UE到目的NG-RAN node初始切换 |
| 切换取消功能 | 允许通知已准备好的目的NG-RAN node准备的切换不进行，同时释放切换准备期间的资源分配 |
| 恢复UE上下文功能 | 允许NG-RAN node从其他node恢复UE上下文 |
| RAN寻呼功能 | 允许NG-RAN node初始化非激活态UE的寻呼功能 |
| 数据转发控制功能 | 允许源和目的NG-RAN nodes间用于数据转发传输承载的建立和释放 |
| 双链接功能 | 使能NG-RAN中辅助节点内额外资源的使用 |
Xn-U接口主要功能：
- Xn-U接口提供用户平面PDU的非保证传送，并支持分离Xn接口为无线网络功能和传输网络功能，以促进未来技术的引入；
- 数据转发功能，允许NG-RAN节点间数据转发从而支持双连接和移动性操作；
- 流控制功能，允许NG-RAN节点接收第二个节点的用户面数据从而提供数据流相关的反馈信息。
3.3 E1接口
在CU与DU分离的场景下，E1接口是指CU控制面与CU用户面之间的接口，E1接口只有控制面接口（E1-C接口）。E1接口是开放接口，支持端点之间信令信息的交换，支持5G系统新服务和新功能。E1-C接口不能用于用户数据转发。E1接口协议栈如下图所示。
E1接口管理功能：
- 错误指示（gNB-CU-UP或者gNB-CU-CP向gNB-CU-CP或者gNB-CU-CP 发出错误指示）；
- 复位功能用于gNB-CU-UP与gNB-CU-CP建立之后和发生故障事件之后初始化对等实体；
- gNB-CU-UP与gNB-CU-CP之间应用层数据的互操作；
- gNB-CU-UP配置更新: gNB-CU-UP将NRCGl、s - nssai、PLMN-ID和gNB-CU-UP支持的QoS信息通知给gNB-CU-CP。
E1上下文管理功能：
- 上下文承载建立（ gNB-CU-CP ） ;
- 上下文承载修改与释放（可以由gNB-CU或gNB-DU发起）；
- QoS流映射（gNB-CU执行）；
- 下行数据通知（ gNB-CU-UP发起）；
- 承载不活动通知；
- 数据使用情况报告（gNB-CU-UP发起）。
TE ID分配功能（gNB-CU-UP）：
- F1-U UL GTP TEID、S1-U DL GTP TEID、NG-U DL GTP TEID X2-U DL/UL GTP TEID、Xn-D DL/UL GTP TEID
3.4 F1接口
在CU与DU分离的场景下，F1接口是CU与DU之间的接口，通常称为中传接口，F1接口分为用户面接口（F1-U接口）和控制面接口（F1-C接口）。F1接口支持eNB-point之间的信令交互，包括支持不同eNB-point的数据发送。F1接口协议栈如下图所示，其中左侧表示控制面协议栈（F1-C接口），右侧表示用户面协议栈（F1-U接口）。
F1接口管理功能：
- 错误指示；
- 复位功能用于在节点建立之后和发生故障事件之后初始化对等实体；
系统信息管理功能：
- 系统广播信息的调度在gNB-DU中执行，gNB-DU负责NR-MIB、SIB1的编码，gNB-CU负责其他SI消息的编码。
F1 UE上下文管理功能：
- 基于接纳控制准则、由gNB-CU发起并由gNB-DU接受或拒绝F1 UE上下文的建立；
- UE上下文的修改（可以由gNB-CU或gNB-DU发起）；
- QoS流和无线承载之间的映射（gNB-CU执行）；
- 管理建立,修改和释放DRB和SRB资源（DRB资源的建立和修改由gNB-CU触发）。
RRC消息传送功能：
- RRC消息通过F1-C传送，gNB-CU负责用gNB-DU提供的辅助信息对专用RRC消息进行编码。
F1-U接口主要功能：
- 用户数据传输（Transfer of user data）；
- CU和DU之间传输用户数据；
- 流量控制功能（Flow control function）；
- 控制下行用户数据流向DU。
3.5 Uu接口
Uu接口又称为空中接口，是UE与网络之间的接口，这里的网络既可以是NG-RAN，也可以是5GC网络。Uu接口支持控制面和用户面分离，Uu接口控制面和用户面协议栈如下图所示。Uu接口控制面和用户面共享PDCP、RLC、MAC和PHY。对于PDCP、RLC、MAC和PHY，控制面和用户面使用时会有差异。
控制面与用户面相同功能：
- RLC（Radio Link Control，无线链路控制）层位于gNB和UE之间。RLC层的重要功能是数据分段、重传和重复数据删除。
- MAC（Medium Access Control，媒体接入控制）层位于gNB和UE之间。MAC层的主要功能是逻辑信道复用、HARQ重传、资源调度以及和调度相关的功能。
- PHY（PHYsical，物理）层负责编解码、调制解调、多天线映射以及其他典型物理层功能。物理层以传输信道的形式向MAC层提供服务。
控制面的主要功能：
- PDCP层完成加密和完整性保护
- RRC层完成广播，寻呼，RRC连接管理，资源控制，移动性管理，UE测量报告控制
- NAS层完成核心网承载管理，鉴权及安全控制
NAS是控制面功能，位于核心网的AMF与终端之间，功能包括核心网承载管理、注册管理、连接管理、会话管理、鉴权、安全性和策略控制。基于服务的NAS接口如下图所示。
用户面的主要功能：
- PDCP层完成头压缩，加密，调度，ARQ/HARQ（混合自动重传），但是没有完整性保护
- 5G用户面增加新的协议层SDAP（Service DataAdaptation Protocol），完成流（5G Qos flow）到无线承载（DRB）的QoS映射，为每个报文打上流标识（QFI: QoS flow ID ）
参考文献
5G核心网的颠覆：SBA架构
老猿学5G随笔：5G网元功能体NF以及NF之间的两种接口–服务化接口和参考点
5G架构（非漫游）及主要实体介绍
大唐杯学习笔记(1)—— 5G网络架构与组网部署
《5G系统技术原理与实现》——人民邮电
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作者：HinsCoder
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