5G架构基础知识

0. 概述

1. 三大应用场景

1. eMBB， Enhanced Mobile Broadband 增强移动带宽，在现有移动宽带业务场景的基础上，提升用户体验。
2. URLLC, Ultra Reliable Low Latency Communication 高可靠、低时延、极高可用性。工业应用控制、远程手术。
3. mMTC，massive Machine-Type Communication 海量机器类通信。大规模物联网，主要是人与物之间的信息交互。

2. 5G接入网

5G的解决方案是BBU、RRU重构，核心网下沉、切片

BBU、RRU被重构为CU+DU+AAU

• CU, Centralized Unit，集中单元，负责处理非实时协议和服务

• DU,Distribute Unit, 分布单元，负责处理实时协议和物理层协议

• AAU: Active Antenna Unit, 有源天线单元，部分物理层处理功能和原RRU及无源天线组成

EPC(4G核心网)被分成New Core (5GC, 5G核心网)和MEC(移动网络边界计算平台)。MEC移动到和CU一起，物理层下移，被称为**“下沉”**。

切片，是一个物理意义上网络，按照多个应用场景划分成多个逻辑上的网络，不同逻辑网络服务不同应用场景。

1. 5G整体架构

主要由5GC（5G核心网）、NG-RAN（下一代-无线接入网）、UE（用户终端）组成，5G基站主要就是负责NG-RAN的服务。

一个NG-RAN节点有两种：

• gNB, 向UE提供NR用户面和控制面终端
• ng-eNB, 向UE提供 E-UTRA用户面和控制终端

gNB和ng-eNB是通过Xn接口相互连接；gNB和ng-eNB通过NG接口与5GC相连接，具体地，通过NG-C接口与AMF（访问和移动管理功能），通过NG-U接口与UPF（用户面功能）相连接。

2. 各个网元的功能划分

5G网络有NG-RAN（接入网）和5GC（核心网）组成，其中NG-RAN由gNB和ng-eNB（基站）构成，5GC有AMF、UPF、SMF组成，各个网元的简要功能如下：

• AMF: 主要负责访问和移动管理功能（控制面）
• UPF：用于支持用户面功能
• SMF：用于负责会话管理功能
• ng-eNB\gNB：用于负责UE接入5GC相关功能

2.1 gNB和ng-eNB的主要功能

• RRM, Radio Resource Management功能： 无线承载控制、无线接纳控制，接入移动控制，上下行链路中对UE的动态资源分配；
• IP头压缩、数据的加密和完整性保护；
• 当不能从UE提供的信息中确定AMF时，从UE附属信息中选择一个AMF
• 用户面数据向UPF的路由
• 控制面数据向AMF的路由
• 连接的安装和释放
• 传话信息的调度和传输
• 系统广播信息的调度和传输（信息源自AMF或者OAM）
• 测量移动性和调度的测量配置
• 上行链路中的传输级别包标记
• 会话管理
• 网络切片支持
• QoS流管理和到数据无线电承载器的映射
• 对于NAS消息的分布式功能
• 无线接入网络共享
• 双向连接性
• NR和E-UTRA之间的紧密互通

2.2 AMF的主要功能

• NAS信号终止
• NAS信号安全
• AS安全控制
• 空闲模式UE可达性（包括传呼转播的控制和执行）
• 注册区域管理
• 支持系统内部和系统见移动性
• 访问权限
• 访问权限包括查询漫游权限
• 移动管理控制（订阅和策略）
• 网络切片支持
• SMF挑选

2.3 UPF主要功能

• 为RAT内部/外部移动性锚点（如适用）
• 连接到数据网络的外部PDU会话点
• 分组路由和转发
• 包检查和用户面部分政策策略实施
• 流量使用情况报告
• 支持将流量路由到数据网络的上行链路分类器
• 分点，以支持多宿主PDU会话
• 用户面的QoS处理，比如数据包过滤，门控，UL/DL率实施
• 上行链路的流量验证（SDF到QoS流映射）
• 下行数据包缓冲和下行数据通知触发

2.4 SMF主要功能

会话管理功能

• 会话管理
• UE IP地址分配和管理
• UP功能的挑选和控制
• 配置UPF的交通转向，为了将交通路由到适当目的地
• 控制部分策略实施和QoS
• 下行数据通知

3. NG-RAN架构

3.1 一般性原则

• 信令和数据传输网络逻辑分离
• NG-RAN和5GC与数据传输相互独立。NG-RAN和5GC的寻址方案和数据传输的寻址方案没有相关性，即同一个设备中，数据传输功能不是NG-RAN或5GC的一部分
• RRC连接的移动性完全由NG-RAN控制

3.2 架构

NG-RAN由一系列通过NG接口连接到5GC（5G核心网）的gNB组成，gNB支持FDD模式，TDD模式或双模式。

NG, Xn, F1都是逻辑接口，gNB之间通过$Xn$接口相互连接；一个gNB由一个gNB-CU和一个或者多个gNB-DU组成， gNB-CU与gNB-DU之间通过$F1$接口连接；gNB通过$NG$接口与5GC相连接。UE和gNB-DU通过空口进行连接

gNB-DU只能与一个gNB-CU建立连接，为了恢复能力，通过合理的设置，一个gNB-DU也许能被多个gNB-CU连接。

对于NG-RAN，gNB的NG接口和Xn-C接口在gNB-CU中终止，对于EN-DC，gNB的S1-U和X2-C接口同样也是终止与CU。

gNB-CU和其连接的gNB-DUs 对于其他的gNB和5GC视为gNB。

4. gNB架构

4.1 组成

主要由CU-C、CU-U、DU 3种网元组成，依据3种网元部署方式的不同，可以分成3种不同系统架构模型：

• CU-C、CU-U、DU一体化架构模型
• CU(包括CU-C和CU-U)、DU分离模型
• CU-C、CU-U、DU全分离模型

4.2 内部关系

gNB采用的是gNB-CU-CP和gNB-CU-UP分离的架构，一个gNB由一个gNB-CU-CP, 多个gNB-CU-UP以及多个gNB-DU构成。

他们之间的关系如下：

• gNB-CU-CP通过$F1-C$接口与gNB-DU连接；
• gNB-DU通过$F1-U$接口与gNB-CU-UP连接；
• gNB-CU-UP通过$E1$接口与gNB-CU-CP连接；
• gNB-DU只和一个gNB-CU-CP相连接；
• gNB-CU-UP只和一个gNB-CU-CP相连接；
• 一个gNB-DU可以与同一个gNB-CU-CP控制下的多个gNB-CU-UP相连接；
• 一个gNB-CU-UP可以与同一个gNB-CU-CP控制下的多个gNB-DU相连接

4.3 功能描述

1. CU-C主要功能

是CU协议栈控制面板，其功能包括

• 通过NG、F1、Xn、E1接口与5GC、DU、gNB、CU-U进行信令交互；
• 负责RRC连接与控制、承载建立/释放、测量管理、移动性、系统消息广播等；
• 负责接纳控制、负载控制、无线资源管理等RRM功能；
• 对UE和Cell不同的流程中进行相应的参数配置或者状态管理

2. CU-U主要功能

通过upApp线程接收配置消息、上行业务数据和下行业务数据，并将收到的配置消息和业务数据分发至对应work线程中，在work线程中处理对应时间

3. DU主要功能

DU主要功能又划分成DU-PHY和DU-UP来进行表述，

• DU-PHY：总体上负责完成上下行物理信道的信号处理，及其他与物理层L1相关的接口和OAM处理
• DU-UP：负责DU上用户面的处理，包括高层业务数据和RRC消息。DU-UP包括RLC、MAC两部分协议处理，对上承接CU-U上的PDCP层，对下则与PHY层相连。RLC 服务链路层的处理，如数据的分段、串接、重传和确认等，而MAC层 负责给予业务特性的调度处理，以及物理层各种信道的适配处理。