5G网络入门基础--5G网络的架构与基本原理

5G的网络架构及原理

5G应用的三大场景：

eMBB(大带宽),uRLLC(高可靠，低时延迟),mMTC(超大连接)，他们分别可以用于高速下载、无人驾驶、物联网等等方面，在不远的将来，这些技术将会彻底改变我们的生活。

一、5G的网络架构

5G的组网架构图如下，5G的组网架构是一种服务化的组网架构，与4G不同的是：

1. 5G是一种总线式的服务化架构，而4G是基于参考点的架构。
2. 网元的交互方式发生了变化，不在向以前4G那样由人工进行对接，而是由服务化的接口进行对接
3. 5G的网络架构更为零散化，对部分4G网络功能做出了拆封，比如MME的会话管理、移动性管理等等，同时新增了一些网络功能(如NSSF切片选择和MRF网络功能发现)

总体来说，5G核心网架构与4G核心网络架构的区别是，架构服务化、CU分离化、网络切片化。

问：除关键网元外图中的UE、AN、AF、DN这些都是指什么？

UE：（User Equipment 用户设备）包括手机、电脑在内的各种上网或语音终端

AN：（AccessNetwork 接入网）指由业务节点接口到用户网络接口间的传送网络

AF：（Application Function 应用功能）指应用层的各种服务

DN: （Data Network 数据网络）如运营商业务，互联网或者第三方业务等

二、5G核心网网络的功能（重要）

5G网元介绍（各网元的连接见上图，以参考点进行拓扑的架构图）

1.AMF（Access and Mobility Management Function 接入和移动性管理功能）：AMF是5GC的主要功能单元，完成终端用户的接入和移动性管理，相当于MME的会话管理功能。

主要功能：

（1）注册管理：连接管理，可达性管理，移动性管理，接入鉴权，接入授权

（2）合法监听，针对公安局等机构设置的功能

（3）转发UE和SMF间的SM消息

（4）转发UE和SMSF的SMS消息

2.SMF（Session Management Function 会话管理功能）：负责处理用户的业务，可以看成是MME承载管理部分以及SGW和PGW的控制面功能的组合。

（1）会话管理：UE IP 地址分配和管理，现在和控制UPF，配置UPF的流量定向，转发至合适的目的网络

（2）计费与QoS策略控制

（3）合法监听

（4）计费数据收集

（5）下行数据通知

3.UPF（User Plane Function 用户面功能）：UPF相当于SGW和PGW的用户面功能的集合。（1）数据面锚点

（2）连接数据网络的PDU会话点

（3）报文路由和转发：报文解析和策略执行

（4）流量使用量上报

（5）合法监听（用户面收集）

4.UDM（Unified Data Management 统一数据管理功能）提供用户的签约数据，相当于HSS数据库网元

（1）用户的签约数据管理

（2）用户服务NF注册管理

（3）产生3GPP AKA鉴权参数

（4）基于签约数据的接入授权（漫游限制）

（5）保证业务/会话连续性（保证5G到4G切换，网元不变）

5.AUSF（Authentication Server Function 鉴权服务功能）提供认证和计费的功能

支持统一鉴权服务功能，包括3GPP接入鉴权和非3GPP接入鉴权

6.PCF（Policy Control Function 策略控制功能）PCF策略控制功能相当于4G的PCRF

（1）支持统一策略管理网络行为

（2）提供基于切片的策略

（3）提供移动性相关的策略规则给AMF

（4）提供会话相关策略给SMF

7.NEF（Network Exposure Function 网络开放功能）负责管理对外开放网络数据的，所有的外部应用，想要访问5G核心网内部数据，都必须要通过NEF，相当于4G的SCEF

（1）提供安全途径向AF暴露3GPP网络功能的业务和能力

（2）提供安全途径让AF向3GPP网络功能提供信息

8.NSSF（Network Slice SelectionFunction 网络切片选择功能）根据入网的UE提供NSSAI或S-NSSAI排队应该为UE提供哪个网络切片服务，进而决定由哪个AMF为该UE提供接入服务

（1）选择服务UE的一组网络切片实例

（2）确定允许的NSSAI，并且如果需要的话，映射到签约的S-NSSAI

（3）确定AMF集合用于服务UE，或者可能基于配置通过查询NRF来确定候选AMF的列表

9.NRF（NF Repository Function NF存储功能）用来进行NF登记、管理、状态检测，实现所有NF的自动化管理。

（1）支持服务发现功能

（2）维护NF信息，包括可用性及其支持服务

注：NF是指5G核心网中的某一个网元

在5G非漫游架构中，NRF与NEF并未标注，NRF是用于进行网元登记的，而NEF是介于第三方应用体与核心网之间

问：对比4G核心网元功能，5G核心网新增了哪些网元？

答：NRF、NSSF、AUSF，它们分别提供网络存储、网络切片和统一鉴权服务功能

三、5G服务化的接口

5G借鉴了IP系统服务化架构的成功经验，通过模块化实现网络功能间的解耦和整合，各解耦后的网络功能独立扩容、独立演进、按需部署。控制面所有NF之间的交互采用服务化接口，同一种服务可以被多种NF调用，降低NF之间接口定义的耦合度，最终实现整网功能的按需定制，灵活支持不同的业务场景和需求。

通俗的讲， 5G是基于服务化的架构，每个网元都设计了自己的接口标准，其他网元只要符合标准就可以进行交互，就像一个个积木一样，各自独立却又能融为一体，使得5G网络更加的灵活与高效。这是5G相比于4G最为突出的优点。

1.服务建立的流程

分为4步：

服务注册、服务去注册、服务注册更新、服务发现这4个流程。如下图所示：

每个NF（5G核心网网元）启动时，必须要到NRF进行注册登记才能提供服务，登记信息包括NF类型、地址、服务列表等。

网元在注册时，会将自己支持的能力告知NRF，此过程称为注册流程，其后，其所支持的功能变化、设备下线都需要向NRF进行汇报，此过程分别被称为去注册及注册更新。在NF服务过程中，NF也会将自己感兴趣的网元告知NRF，NRF会关注并通知NF，此过程称之为发现。

简而言之，NRF就是一个中介，它帮网络中的每个网元介绍服务对象，所有的网元都依靠NRF才能得到想要的服务。

2.NF的注册与更新

NF在注册时会提供NF的模板（NF Profile），不同的NF有不同的模板，但是每个NF的模板都是大致相同的，只是某些服务的区别而已。

每个NF模板都会提供的内容包括：NF Type、NF实例ID、NF容量、NF的PLMN ID、NF的IP地址或FQDN、NF所支持的切片信息等。

如果注册和更新的是针对保存数据的NF，如UDR还会提供SUPI的范围、数据组标识（Data Set ID）

注：SUPI是用户的5G全球唯一用户永久标识符，由15位十进制数组成，可以提供UDR所支持的号段

3.NF状态订阅

当NRF发现新的NF注册、NF注册更新或者NF去注册时，NRF会给订阅了NF状态通知的订阅者（订阅的NF）发送通知消息，此过程被称为NF的状态通知。

在此期间：

（1）订阅输入的参数有： NF type、service、NF ID 其中NF type和service是取自目标NF

（2）通知的内容包含：NF ID，NF状态，NF service

（3）NRF将通知发给订阅者NF profile中对应的Notification Endpoint Information

（4）取消订阅输入的参数包含：NF type，NF ID

以上的整个过程即是NF状态订阅的流程。

4.NF服务的发现流程

前面说到过，NF会将自己感兴趣的网元告知NRF，NRF会关注并通知NF，此过程称之为发现。告知的流程其实就是订阅流程，当网络中存在合适的网元可以进行匹配时NRF就会对相应的订阅网元进行通知，这个发现新网元且更新关系的过程称之为发现。

在此期间：

1. 必选的输入参数有：目标NF type、目标NF service、请求者的NF type（用于NRF对该请求进行授权）
2. 可选的输入参数有：S-NSSAI，目标NF的PLMN ID、Serving PLMN ID、DNN、请求服务的NF service consumer ID、SUPI等
3. 必选的输出参数有：FQDN、目标service的IP地址或者URL、该NF所支持的所有service
4. 可选的输出参数有：UDR所支持的SUPI范围、Data Set Identifier

5.基于服务化的接口交互模式

包含三种：

1. 请求与相应
2. 订阅与通知
3. 互助的订阅与通知（网元A帮助网元C去往B进行的订阅与通知）

四、5G的接口及协议

1.N1接口

N1接口是一个一个NAS的接口，它用于发送NAS消息。

发送的NAS消息分为两大类

1. 移动性管理：

终端与AMF进行交互的消息

1. 会话管理：

终端与SMF、SMSF、other NF交互的消息

注：会话管理的NAS消息，承载于移动管理消息之上，其他的会话管理消息同样需要通过AMF来转发和透传。

2.N2接口

N2的接口在4G里是用于E-NodeB与MME之间连接的接口，在5G中用于对接5G基站与核心网的AMF，采用的NG-AP协议，而在此图中N11接口是一个服务化的接口，用得是HTTP/2协议。

3.服务化的接口

服务化接口包含以下接口：

Namf Nsmf Nudm Nnrf Nnssf Nausf Nnef Nsmsf Nudr Npcf N5g-eir Nlmf

服务化接口都以N开头，采用HTTP/2协议，其应用层包括JSON等解码协议

服务化接口所采用的封装协议如下：

4.N4接口

N4接口是用于SMF与UPF之间的参考点，这个接口中间会传输一些控制面的消息同时也会传输一些用户面的消息。

在控制面协议由GTP-C替换为了PFCP，而用户面协议与4G相同，依旧是采用了GTP-U的协议。

5.N3、N6、N9接口、

这三个接口是用于用户面协议栈的接口

N3位于5G接入网与UPF之间，用GTP-U的协议

N6是内部网络侧与外部网络侧的协议，同样采用GTP-U的协议

N9位于两个UPF之间，是一个5G封装的用户面接口，支持3GPP和非3GPP的接入，当使用3GPP连入时使用GTP-U的协议，而如果是非3GPP的连入则会使用其他的隧道协议。

总结一下，5G网络中不是服务化的接口有N1、N2、N3、N4、N6、N9这几个，他们是基于参考点设置的接口，而其余的接口均为服务化的接口。