[5G学习]01-5G无线接口架构介绍

Posted 2023-02-20 雾里赏花

以下知识总结于《5G NR标准——下一代无线通信技术》、《5G移动通信技术系统设计与标准详解》及网上资料

3GPP组织，制定了NR（New Radio，新空口）无线接入技术，同时也重新考虑了无线接入网（Radio-Access Network,RAN），和核心网（Core Network,CN,5GC）的总体系统架构，包括二者之间功能划分的问题。

RAN负责无线相关的功能，如调度、无线资源管理、重传协议、编码以及各种多天线方式。
5GC负责与无线接入无关但是提供一个完整网络所需的功能，如鉴权、计费功能和端到端连接的设置。

5G核心网

5G核心网建立在EPC（Evolved Packet Core，演进分组核心网——4G LTE核心网）的基础上，在其上增强了三个方面：基于服务的架构（service-based architecture）、支持网络切片、控制面和用户面分离。

基于服务的架构是5G核心网的基础。服务和功能是核心网设计的重点。

网络切片是5G常用术语，一个网络切片 是指 服务于特定业务或客户需求的一个逻辑网络。这些切片运行在同共同的物理核心网和无线网络上，但从用户角度看，它们像运行在各自独立的网络中。

控制面和用户面的分离，包括两者容量的独立缩放（scaling）。即对控制面的扩大，不影响用户面。控制面功能集中部署、用户面功能可以根据业务需可下沉到网络边缘，减少路由迂回。控制面功能模块化设计 ，将网元（ NE ）拆解为多个网络功能（ NF ）服务，网络功能服务可以独立扩展，按需编排和分布式部署。

下图为5G网络架构图(基于服务的描述)。

NF（Network Function）网络功能
用户平面的功能
• UPF（User Plane Function，用户面功能）：它是RAN和外部网络（如互联网）之间的网关，负责处理数据包路由和转发、数据包检测、服务质量处理和数据包过滤、流量测量等；
控制平面的功能
• AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移动性管理）：负责核心网和终端之间的控制信令、用户数据的安全性、空闲态移动性和鉴权；
• SMF（Session Management Function，会话管理功能）：处理终端的IP地址分配、策略实施的控制以及一般会话管理功能（建立、修改、释放）；
• PCF （Policy Control Function，策略控制功能）：负责策略规则，支持统一的策略控制框架、提供策略规则到控制平面功能执行（SMF, AMF）；支持面向QoS、计费、按需 会话管理、按需接入及移动性管理制定策略；
• AUSF（Authentication Server Function，鉴权服务器功能）：认证服务器功能，为UE执行认证流程、保持安全上下文等；
• NRF（NR Repository Function，NR存储功能）：维护部署的NF实例信息，提供网络功能注册和发现功能，使得控制平面功能能够彼此发现和直接通信；
• UDM（Unified Data Management，统一数据管理）：负责鉴权认证和接入授权，存储用户签约数据、策略数据等；
• NSSF：为UE选择服务的网络切片实例、决定为UE服务的AMF Set或候选AMF列表；
• NEF（Network Exposure Function，网络能力开放功能）：维护开放的网络服务列表、作为面向应用的入口功能等；
• BSF：实现5G用户会话绑定功能；
• NWDAF: 网络数据分析功能，负责采集并分析网络状态信息，并将网络状态分析信息通知/发布给订阅它的PCF和 NSSF，供PCF决策和NSSF切片选择；Rel-15仅支持对切片负载级别的分析

核心网（具体是AMF）和终端之间运行的功能称为非接入层（Non Access Stratum，NAS），无线接入网和终端之间成为接入层（Access Stratum，AS）。

AMF处理控制平面的移动性管理功能，主要包括：①非接入层信令的处理；②非接入层信令的安全；③接入层安全控制；④移动性管理涉及核心网节点之间的信令控制；⑤空闲态UE移动性控制（包括控制并执行寻呼消息的重传）；⑥注册区域管理；⑦系统内（Intra-system）和系统间（Inter-system）移动性的支持；⑧访问认证、授权，包括检查漫游权；⑨移动性管理控制（签约和策略）；⑩网络切片的支持；⑪SMF的选择。

UPF处理用户平面功能，主要包括：①系统内（Intra-RAT）和系统间（Inter-RAT）的移动性锚点；②连接外部数据网络的协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）会话节点；③分组数据的路由与转发；④分组数据的监测以及用户平面部分的策略决策执行；⑤业务流量使用报告；⑥用于路由业务流至数据网络的上行数据分类；⑦支持多连接PDU会话的分叉点；⑧用户平面的QoS处理，包括分组数据的过滤、门控，以及上下行数据速率控制；⑨上行数据校验（业务数据流（Service Data Flow，SDF）到QoS流的映射）；⑩下行分组数据的缓存以及下行分组数据到达指示的触发。

SMF处理控制平面的会话管理功能，主要包括：①会话管理；②UE IP地址的分配和管理；③用户平面功能的选择和控制；④在UPF上配置业务路由和流量引导；⑤策略执行以及与QoS相关的控制；⑥下行数据到达指示。

无线接入网

无线接入网有两种连接到5G核心网的节点类型：
• gNB（next generation Node B，下一代B节点），通过使用NR用户面和控制面协议为NR终端提供服务；
• ng-eNB，通过使用LTE用户面和控制面协议为LTE终端提供服务。

一个包含 ng-eNB节点和gNB节点 的 无线接入网 称为 NG-RAN，以下简称RAN。基站是gNB的一个可能实现方式，但不是等价概念。
gNB通过NG接口连接到5G核心网，具体说是通过用户面（NG-u）连接到UPF，通过控制面（NG-c）连接到AMF。
gNB彼此之间通过Xn接口用于激活模式的移动性和双连接，该接口还可以用于多小区的无线资源管理（Radio Resource Management，RRM）功能。

同时，gNB分成两个部分，一个中央单元（gNB-CU）和一个或多个分布式单元（gNB-DU），它们之间的接口是F1接口。

gNB（或gNB-DU）与终端之间的接口称为Uu接口。

gNB和ng-eNB具有以下功能：①无线资源管理功能，包括无线承载控制、无线接入控制、连接移动性控制、UE上下行链路动态资源分配（调度）；②IP头压缩及用户数据流加密和完整性保护；③UE附着时的AMF选择；④路由用户平面数据至UPF；⑤路由控制平面信息至AMF；⑥连接建立和释放；⑦寻呼消息的组织和发送；⑧系统广播信息的组织和发送（由AMF或O&M产生）；⑨以移动性或调度为目的测量及测量报告配置；⑩上行传输层分组数据的标记；⑪会话管理；⑫网络切片支持；⑬QoS流的管理以及和无线数据承载的映射；⑭UE非激活态（RRC_INACTIVE）的支持；⑮非接入层（Non-Access Stratum，NAS）信令的传送；⑯接入网共享；⑰双连接支持；⑱NR和E-UTRA之间的紧耦合。

小结

5G系统整体包括核心网、接入网以及终端部分，其中核心网与接入网间需要进行用户平面和控制平面的接口连接；接入网与终端间通过无线空口协议栈进行连接。5G接入网架构需要重点考虑接入网基站间的连接架构，以及接入网与核心网的连接架构两方面的问题。