大唐杯学习笔记—— 5G网络架构与组网部署

Posted 2022-03-03 Obs_cure

目录

• • 一、名词汇总
  • • • • 1.核心网与接入网
        • 2.5G网络架构
        • 3.核心网架构演进
        • • (1)2G核心网
          • (1)3G，4G核心网
        • 4.4G核心网架构
        • 5.5G核心网架构
        • 6.5G接入网网架构
        • 7.主要网元功能
  • 二、5G主要网元功能
  • • • • 1.用户面功能UPF(User Plane Function)
        • 2.会话管理功能SMF(Session Management Function)
        • 3.访问和移动性管理功能AMF(Access and Mobility Management Function)
        • 4.gNB/en-gNB（基站）
  • 三、5G接口主要功能
  • • • • 1.NG接口主要功能
        • 2.Xn接口主要功能
        • 3.E1接口主要功能
        • 4.F1接口主要功能
        • 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
  • 五、MR-DC技术
  • 六、总结
  • 七、参考资料

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
NB	3G基站代称
eNB	4G基站代称
gNB	5G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
5GC	5G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-U	eNodeB（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-U	Gateway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/dl	up link/down link 上行/下行链路
SDF	service 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
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

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SA	SA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
EPC	E-UTRA	E-UTRA	DC
EPC	E-UTRA	NR	EN-DC
5GC	NG-RAN E-UTRA	NR	NGEN-DC
5GC	NR	E-UTRA	NE-DC
5GC	NR	NR	NR-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

• 5GC中名词解释_蟹老板不会CPP的博客
• 5G系统中无线接入网中接口的定义和功能
• LTE网络主要接口信息
• 老猿学5G随笔：RAN、RAT以及anchor移动性锚点的概念
• 5G网络结构核心网侧接口介绍