5G网络架构与组网部署

Posted 可乐飞冰5399

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了5G网络架构与组网部署相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

了解5G网络整体架构、熟悉5G核心网与接入网的网络部署。

一、5G网络架构及演进概述

Rel:工作规划
冻结时间：工作规划结束时间

5G网络概述

4G/5G的核心网：EPC/5GC
4G/5G的接入网：E-UTRAN/NG-RAN
5G核心网三大主要功能:AMF、UPF、SMF
5G接入网：gNB(5G基站)、 ng-eNB(接入5G核心网的4G基站)、 en-gNB(接入4G核心网的5G基站)、eNB(4G基站)
接口：NG接口（5G核心网与基站之间）、S1链路（4G核心网与基站之间）、 Xn接口(5G的基站之间) 、X2接口（4G基站之间）

NG-C/NG-U：基站通过该接口连接到AMF/UPF
E1：连接CU-C和CU-U
F1-C/F1-U：连接DU和CU-C/CU-U

5G网路架构整体部署

趋势:

中心处理虚拟化（上层）（SDN软件定义网络/NFV网络功能虚拟化）：把网元功能软件化，使其实现在通用服务器上。用户可以在边缘云获得服务，而不用跑到核心云。
多种接入架构并存（下层）：前向兼容，还需要在不同场景采用不同的接入架构。

不同接入架构其实是对协议的不同划分：
传统BBU+RRU 、picoRRU=RRU+天线、 Smallcell=BBU+RRU+天线（室内）
CU+DU+AAU：对BBU、RRU的功能进行了重构
一体化DU=DU+AAU

RAN网络架构变迁


3层->2层->3层，为了场景化需求和集中控制（集中调度、超密集组网、CRAN、MEC），牺牲时延最大限度利用好资源，因为可以把集中单元CU放在一个地方，让一个CU连很多个DU。

4G到5G的演进

MEC：从5GC剥离出来，小核心网，放在集中的部分（靠近和远离核心网，降低时延，提升用户访问内容效率体验，减少上层网络的流量压力，资源池化实现负载均衡，使5G网络部署灵活更好去面对时延和带宽的不确定性）
CU：BBU中非实时的部分
DU:BBU中实时部分+BBU剩下的物理层
AAU：BBU物理层+RRU+天线

5G接入网架构

控制面（虚线）锚点：负责控制
数据面（实线）分流点：负责数据分流
由于option3x的核心网是4G的，因此对5G新业务支持困难。option4已经具备了5G的基站和核心网，还存在4G的基站增加网络复杂度。option7的4G基站需要升级才能接入5G的核心网，4G迟早会退网，因此升级是没有必要的，升级后可能也无法跟随5G发展。

5G接入网演进路线

二、5G核心网架构与部署

5G核心网发展演进

4G~5G核心网架构的演进


基于服务的5G网络架构，网络功能服务既能提供也能使用服务，与其他服务无需使用固定通道，优化通信路径。

互联网化、开放的设计理念

核心网关键技术

CUPS（控制与用户面分离）


当控制面与用户面未分离且业务量增大时，对用户面进行扩容时，控制面也会跟着扩容。当增加新功能要对网元进行升级时也会遇到这种情况，无法单独部署，造成资源的浪费。

计算与存储分离


SBA(基于服务的网络架构)


“云原生”：设计软件时就考虑如何在云上运行。

由服务提供者或者是NRF去确定服务使用者是否有调用权限。

网络切片


每个切片部署和需要的的网络功能服务是不一样的，我们是按需求去进行网络切片的。

除此之外还有切片的安全性和保密性。

5G核心网功能演进

5G网元功能






三、5G接入网架构与部署

5G接入网架构




选项3的数据分流点和控制面锚点均在增强LTEeNB。选项3a的数据分流点在EPC，增加了核心网的压力的同时减缓了增强LTEeNB的压力。选项3x的数据分流点在gNB，能最大限度地利用5G基站资源。

MCG：主承载
Split：辅承载/SCG(选项3a)





选项3a在核心网处进行分流，不能基于无线环境分流，无法根据无线环境进行及时调整。选项3x能基于无线环境进行调整，性能最好。





CU/DU分离及部署





左边的部分给CU，右边的部分给DU。


不同场景的部署

AAU=RRU+天线（对于MIMO技术提出的，节省馈线等资源）
如果DU和RRU连起来，对于fronthaul的时延要求小于5ms,不连接要求则低一些。


将所有的基带资源放在基带池中，各个小区之间能够协同管理、资源共享、集中调度，将大量的基带资源给最繁忙的RRU。

多一层架构时延会增加，要减少中间流程。

CU放在很远的地方实现大覆盖面下的多连接，将CU和核心网进行共平台的部署，减少信令交互、减少机房数量。

将一部分核心网的功能部署在更靠近车辆和核心网的地方，满足时延和可靠性需求。多个DU共享一个由一个CU集中控制的罗逻辑小区，使得CU在DU间无需做切换，降低时延。

CRAN基本概念


馈线的造价成本过低，且会对信号产生干扰。

节省资源，减少维护成本。


光纤资源不丰富采用WDM方案，利用彩光模块将不同波长的光信号合成一路传输，大大减少链路成本。但是也存在运维困难，不易管理，故障定位难的问题。

传输距离不宜太长，初期建设难度较高，后期维护成本较高。

四、仿真模块

NSA和SA概念介绍


从基站来说，谁是辅节点（其他基站作为控制面锚点），就是站在谁的角度的非独立组网，因此有4G非独立组网和5G非独立组网。

en-gNB与核心网和其他en-gNB（资源的集中调度，小区的互操作进行切换）的连接都只有用户面的连接，因为他是数据面的分流点。

NSA组网方式


为了控制5G的基站，eNB还是需要升级的。这三种组网方式的数据分流点不同，因此接口的种类也有变化。

4G基站处理能力弱于5G的，不太适合做控制面锚点和4G分流点。

SA组网方式


选项2覆盖的连续性很难保证，因为高频对应的波长小，基站数需要很多，成本很大。而且5G与4G之间的切换会影响用户的体验。

DU与AAU：F2
CU与CU：E1
BBU与RRU：IR
RRU与天线：Cable(馈线)


考虑前传资源是否丰富，丰富时可以考虑基带池方式。

大唐杯学习笔记—— 5G网络架构与组网部署

目录

一、名词汇总

1.核心网与接入网
名词定义
核心网核心网部分就是位于网络子系统内，核心网的主要作用是把A口上来的呼叫请求或数据请求，接续到不同的网络上。
接入网所谓接入网是指核心网络到用户终端之间的所有设备，其长度一般为几百米到几公里，因而被形象地称为"最后一公里"。

个人理解，核心网和接入网的定义比较好理解，就像是快递公司，会把一座城市的快递收集起来，这部分是接入网，再根据快递的信息处理其下一步应该发往哪个城市，这个快递公司的工作就是核心网。

2.5G网络架构
名词定义
SA组网(Standalone)5G独立组网
NSA组网(Non-Standalone)5G非独立组网
NB3G基站代称
eNB4G基站代称
gNB5G基站代称
en-gNB承载部分4G业务的5G基站代称
gn-eNB承载部分5G业务的4G基站代称
5GC5G核心网
NG-（R）AN由多个与5GC连接的gNB组成的(无线)接入网
NG接口无线接入网和5G核心网之间的接口
Xn接口NG-RAN节点（gNB或ng-eNB）之间的网络接口

学习网络就要学习他的发展过程。经济基础决定上层建筑，在建设5G的过程中不可能把3G、4G的基站全拆了换成5G。他是逐步演进逐步替换的过程。因此现在的5G组网也借助了4G的一些物理设备。有部分4G设备构成的5G网络就是NSA了。
从整个网络发展上看，很多新技术新协议的出现都要兼容老的一些协议，主要是我们的互联网过于庞大，想要进行迭代更新，也要考虑一些经济和一些现实问题。
NG接口分为NG-C接口控制面接口和NG-U接口用户面接口。

3.核心网架构演进
(1)2G核心网
名词定义
PCM脉冲编码调制
TDM时分复用技术
分组通信利用无线信道以分组方式传送数据或话音信息的通信
PDH准同步数字系列，美日采用μ律，欧洲和我国采用A律
SDH同步数字体系，PDH改进型，速度更快，统一了光接口
X.25是目前使用最广泛的分组交换协议
ATM异步传递方式，采用统计时分复用
STM同步传递方式，采用时分复用
(1)3G，4G核心网
名词定义
MPLS多协议标签交换，用于不同的包转发和包交换技术，面向连接
SDN软件定义网络，将数据与控制相分离
NFV网络功能虚拟化
Open Stack一个云计算平台项目，覆盖了网络、虚拟化、操作系统、服务器等各个方面

4.4G核心网架构
名词定义
LTE长期演进技术，3G与4G技术之间的过渡
UE终端
Uu空中接口
E-UTRAN演进的UMTS陆地无线接入网，即LTE移动通信无线网络
S1-UeNodeB（基站）与 EPC（分组核心网）之间的通讯接口，-U同上表示用户数据部分
GW-UGateway是网关，百度上有GW-S表示服务网关，猜测这里表示用户(User)网关
SGi与外部数据网络对接
HSS归属用户服务器，负责管理用户的签约数据及移动用户的位置信息
MME移动性管理实体，负责处理信令
SGW服务网关，负责处理业务流
CG计费网关/计费网关，负责完成计费话单的检错、纠错和话单的合并,并完成话单格式的转换
PGW分组数据网网关，负责分组数据包路由和转发；3GPP和非3GPP网络间的Anchor功能；P地址分配等
PCRF策略和计费规则功能，是业务数据流和IP承载资源的策略和计费控制判决单元

从图中可以很好的看出数据和控制分离。

5.5G核心网架构
名词定义
UE终端
AN接入网
UPF用户面功能
DN数据中心
NF网元功能体
NSSF网络切片选择功能
NEF网络开放功能
NRF网络仓储功能，支持服务发现功能
PCF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应用功能，指应用层的各种服务
AUSF鉴权服务器功能，处理3GPP接入和非3GPP接入的认证请求
AMF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会话管理功能，负责会话建立，修改和释放等

6.5G接入网网架构
名词定义
CU集中单元
DU分布单元

7.主要网元功能
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协议数据单元
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/dlup link/down link 上行/下行链路
SDFservice data flow 服务数据流
NAS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
GTPGPRS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

二、5G主要网元功能

1.用户面功能UPF(User Plane Function)
  • 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.会话管理功能SMF(Session Management Function)
  • 会话的建立修改删除
  • 包括tunnel maintain between UPF and AN node（UPF和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
  • Termination of SM parts of NAS messages（终止NAS消息的SM部分）
  • 下行数据的通知
  • 漫游功能
3.访问和移动性管理功能AMF(Access and Mobility Management Function)
  • 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
  • 合法的截距(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
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(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

三、5G接口主要功能

1.NG接口主要功能
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UDPIIP之上用于承载NG-RAN节点和UPF之间的用户面PDU。
2.Xn接口主要功能
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.E1接口主要功能

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
4.F1接口主要功能

F1接口管理功能：

  • 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。
5.Uu接口主要功能

四、SA与NSA组网

1.常用的NSA组网方式


2.NSA与SA组网方案对比
分类非独立NR(NSA)架构独立NR(SA)架构
支持功能仅支持eMBB全部5G功能
LTE现网需要升级LTE基站以及核心网支持NSA不影响现网LTE
终端5G NR下需要提供Customized 4G NAS UE with 5G RRC；eLTE理论支持LTE终端5G NR下使用5G UE；LTE终端继续使用在LTE网络下
5G新频NR以及天线全部新加，不管高低频全部新加，不管高低频
核心网初期只需要升级现网EPC，后期可以选择新建5G核心网支持eLTE新加5G核心网
初期成本低高
后期维护成本高（升级软件需要升级LTE基站）低
组网复杂(需要考虑到LTE的链路)简单
IOT对接不需要5GNR接入与核心网跨异厂家IOT测试LTE或eLTE跟升级后的EPC IOT需要对接验证需要5G NR与5G核心网跨异厂家IOT测试成熟loT需要很长时间
演进可以通过升级与网络调整变成SASA是最终模式

五、MR-DC技术

MR-DC(Multi-RAT Dual Connectivity，多接入网技术双连接)是指一部终端可以同时连接4G网络和5G网络，同时使用两个网络进行业务，此时终端需要具备至少两个MAC实体，支持双发双收。对应不同的网络架构，双连接有不同的名称。

核心网主节点辅节点名称
EPCE-UTRAE-UTRADC
EPCE-UTRANREN-DC
5GCNG-RAN E-UTRANRNGEN-DC
5GCNRE-UTRANE-DC
5GCNRNRNR-DC

六、总结

2021年参加过一次大唐杯，基本没准备，随便玩了玩。今年把比赛准备时间调到了寒假，也算是给了一定的复习和准备时间。（主要是考研太累了学会别的放松放松哈哈哈）去年的学习过程中感觉出干听课的效率极低，今年稍微下点功夫，多百度、多记笔记，不管怎样多学点知识，毕竟以考研为主，不指望能拿什么奖。另外感觉我大三的专业课水平并不能支撑我学习5G的知识，对我来说有种空中楼阁的感觉，尽量做到有据可考，但是难免写出来的东西也很幼稚，轻喷~

七、参考资料

以上是关于5G网络架构与组网部署的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

大唐杯学习笔记---5G网络架构和组网部署

5G无线技术基础自学系列 | SA及NSA组网架构

5G网络学习——5G网络部署及架构详解(未完待续)

5G网络入门基础--5G网络的架构与基本原理

通信工程大三下课程设计-5G核心网功能设计与部署

通信工程大三下课程设计-5G核心网功能设计与部署