NR接入网从标准到原理：第一篇·NR网络架构（一）

Chapter 1. NR网络架构 （一）

目前的市面上的书籍往往以5G指标、标准化进展、LTE整体介绍等模块作为开端。这些内容大同小异，随便翻阅一本书籍都能得到较为完整的认知。而本系列文章重点在于查缺补漏，为NR的学习者和从业者提供快速的参考，故跳过这一部分，直接进入正题。
作者长期从事物理层相关工作，在涉及到高层内容时，哪怕只是一个小小的控制信令也往往会需要一番信息查阅。归其本质，是对NR整体架构缺少一个完整的认知，对于网络有哪些部分，各部分有哪些功能不够熟悉。
故根据自己的经验，选取NR网络架构作为开篇，对网络形成整体认知，有利于形成较为完整的5G知识网络。

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1 NR整体网络架构

由于本系列主要面向接入网，故对于5G核心网部分，本篇只介绍其与接入网相关联的部分.NR网络的整体架构示意图如下图所示。

1.1 核心网网络架构

与LTE相比，5G核心网的特点主要有三个：基于服务的架构(service-based architecture)，支持网络切片（Network slicing）, 控制面用户面分离（control-plane/user-plane split）

• 基于服务的架构：把为网络提供某一的功能的所有部分归为同一单位，而不是具体流程的某个节点。
• 网络切片：切片的概念在NR中十分常见，也是NR引入的一大新特点。简言之，可以把5G网络理解为一条公路，即使路况好如北京的环路，在高峰期也会产生拥堵延迟；而切片就是公路上的公交专用道，是针对特定用户/服务的逻辑架构，保证特定的服务质量。
• 用户面和控制面分离：分离具体体现在控制数据和用户数据相互独立，二者各自有用于承载的逻辑单元和物理单元，其中之一负担增加时也并不会造成另一的减少。

NR的核心网络架构特点与“面向对象的编程”十分类似，在逻辑或物理层面将有相同功能的单元归为同一“类”，方便后续的管理和功能的扩充。

核心网的诸多功能单元有:

• NEF（Network Exposure Function）
• NRF（NR Repository Function）
• PCF（Policy Control Function）
• UDM（Unified Data Management）
• AF（Application Function）
• AUSP（Authentication Server Function）
• SMF（Session Management Function）
• AMF（Acess and Mobility Management Function）：管理核心网与device之间的控制信令，用户数据安全，idle状态的移动性以及授权。如果device不通过AMF直接与network相连，则UE被称作被称作NAS(Non-Acess Stratum)。通俗解释：管理控制信令的
• UPF（User Plane Function）：是接入网与其他外部网络之间的网关（如互联网）。具体功能包括了packet的路由转发、检测、QoS处理和packet过滤以及traffic测量。通俗解释：管理数据信息的

这些功能模块的名字即体现了核心网的整体功能，也充分展现了核心网以服务为基础的网络架构。其中AMF与UPF分别作为接入网的信令与数据信息接口，与接入网有直接的联系。AMF本来就是控制信令的管理，可直接与核心网中其他模块相连接；而UPF作为数据的接口，还需要对各种数据进行进程的分配和管理，故还需要通过SMF接入核心网其他模块。
接入网的网络架构是本专利的重点，将在下文单独介绍。

1.2 接入网网络架构

由于LTE和NR长期共存的特点，为了实现LTE向NR的低成本平滑过度，NR的接入网与核心网连接同时保留了gNB/ng-eNB两类；类似地，核心网也有NGC/EPC两类节点。核心网与接入网的连接架构有多种，具体如下图所示，其中option 4还可以分为option 4和option 4a，Option 7还可分为Option 7,7a,7x。也因此产生了常说的SA（Standalone）和NSA（non-standalone）两种网络架构。

• option2和5为SA架构，其余均为NSA架构，具体判断依据为：核心网必须为NGC，同时c&u plane不能分流向不同的接入网结点。
• 为便于实现LTE向NR的过度，5G初期选择option3作为网络架构，这样既保证了5G最常见的eMBB应用场景对于数据流量的要求，又因只需要新的gNB设备连入原有网络有较低的成本。
• 设备与核心网的相连不一定经过gNB，也有被称为NAS的终端可与核心网直接相连。
  p.s. 本文的文字即使出现在引用框里，也指出与美观目的，均为原创。图片若出现在引用框里，则多为直接引用内容，下同
  

NR的接入网络被称作NG-RAN，由gNB和ng-eNB所构成。

• NG-RAN与核心网之间的接口被称作NG-c/NG-u
• gNB之间的接口被称作Xn-c/Xn-u，这一接口可用于双连接和移动性管理；
• 同时为了便于实现5G的覆盖，gNB存在CU-DU的级联架构，二者之间的接口为F1接口，当采用这一架构时，CU主要处理RRC（L3），PDCP，SDAP层（L2层高2层）的功能；DU处理RLC，MAC（L2低2层）和PHY（L1）的相应功能
• 用户和gNB之间的接口为uu接口，通常1个用户与1个gNB相连接，当同一个用户存在2个与gNB的连接时即为双连接Dual Connectivity（DC）。

双连接技术通过载波的聚合有效地提高了系统的容量。类似的技术还有载波聚合（Carrier Aggregation）CA和补充上行（Supplement Uplink）SUL，三者的主要区别如下：

• DC：每个载波分别属于一个gNB，即用户和两个gNB相连，分别独立调度
• CA：不同的载波属于不同的cell，但是共同属于同一个gNB
• SUL：不同的载波属于同一cell

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2 QoS管理

更加高效的QoS管理是实现网络切片的重要基础，这一过程在核心网的UPF中完成。

对于UE来说，每个UE有多个PDU进程，每一个PDU对应着多个QoS流和无线承载（data bearers）。核心网侧对业务需求是已知的，UPF实现QoS流和IP 包的映射关系，同时每个包会被一个QoS Flow Identifier(QFI)标记；RAN侧只需要知道无线承载和QoS流的映射关系，上行网络中具体的映射方式有两种：

• reflective mapping: UE通过观察下行PDU和QFI的对应关系从而获取QoS流和IP包的映射关系，上行采用相同的映射。/UE决定的/
• explicit mapping：由RRC信令直接配置。/网络决定的/

PDU和SDU

• PDU（Protocol data unit）：协议数据单元，是计算机网络各层对等实体间交换的单位信息
• SDU（Service data unit）：服务数据单元，指定层的用户服务的数据集。
  上述的描述看起来十分晦涩，但实际理解非常简单，二者的本质都是数据信息，但是SDU是指当前协议层纯粹的数据，将其封装后就成为PDU,同时也是下层的SDU
  

QoS管理较为复杂，为此NR还专门引入了SDAP层，本小节只对其流程做出粗略的介绍，在后面介绍SDAP时还会再次提及。