5G架构5G 核心网架构概述

Posted 2022-01-13 从善若水

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本人就职于国际知名终端厂商，负责modem芯片研发。
在5G早期负责终端数据业务层、核心网相关的开发工作，目前牵头6G算力网络技术标准研究。


博客内容主要围绕：
       5G协议讲解
       算力网络讲解（云计算，边缘计算，端计算）
       高级C语言讲解
       Rust语言讲解

5G 核心网架构概述

5G 核心网组成

网元	全称	功能
AMF	Core Access and Mobility Management Function	核心接入和移动性管理功能
AUSF	Authentication Server Function	鉴权服务器功能
NSSF	Network Slice Selection Function	网络切片选择功能
UDM	Unified Data Management	统一数据管理功能（类似4G 中的 HSS）
SMF	Session Management Function	会话管理功能
UDP	User Plane Function	用户面功能
PCF	Policy Control Function	策略控制功能（类似于4G中的 PCRF）
DN	Data Network	数据网络，如运营商服务、互联网接入或第三方服务
AF	Application Function	应用功能
NEF	Network Exposure Function	网络开放功能
NRF	NF Repository Function	网元查询功能
5G-EIR	5G Equipment Identity Register	5G 设备标识注册功能
UDSF	Unstructured Data Storage Function	非结构化数据存储功能
UDR	Unified Data Repository	统一数据存储功能

       其中，用户面的UPF和控制面的 AMF和SMF是5G 核心网的关键节点：

• UPF节点的功能
  • 数据分组路由和传递；
  • 外部网络路由；
  • QoS操作；
  • 数据分组检查；
  • 业务测量（Traffic Measurements）；
  • inter-RAT移动性锚点。
    
    
• SMF节点的功能（SMF是LTE中MME和SGW、PGW中的会话管理功能的融合体）
  • 会话管理；
  • UE IP地址分配与管理；
  • UP 面功能选择和控制；
  • 合法监听。
    
    
• AMF节点的功能（AMF是MME中除了会话管理功能以外的其他功能的集合）
  • 注册管理；
  • 连接管理；
  • 可达性管理；
  • 移动性管理；
  • 鉴权。

5G 核心网 VS. LTE 核心网的变化

变化一： 核心网和接入网解耦

       接入网系统为用户提供独立的接入能力，它与部署场景、业务场景紧密相关。接入网追求的是让用户可以更高效、便利地接入网络。
       核心网系统为用户多样化的接入技术提供统一汇聚，它一方面为用户业务服务，另一方面也为运营商业务编排服务，核心网追求的是可扩展和兼容性。
       上图中可以看出，5GS 的接入网系统并非与 LTE 一样只由一个制式的接入网技术组成，而是由 5G NR 接入网技术和演进后的 LTE接入网 E-UTRAN 组成，在 3GPP 中统称为 NG-RAN。具体来讲，演进后的 LTE 接入网的网络节点就是 NG-eNB，而5G 接入网网络节点就是 gNB。

变化二： 用户面和控制面分离

       5GS 的用户面功能由部署于NG-RAN 和外部网络之间的UPF承担。UPF是 LTE SGW 和 PGW 用户面功能的融合，相比LTE SGW+PGW 的用户面结构更加简洁、集中。UPF 的出现为SDN 和 NFV 技术的实现奠定了基础，也为实现边缘计算铺平了道路。
       用户面和控制面分离使用户面更具灵活性，可以提供更为个性化的路由服务，这也给降低时延奠定了基础。

变化三： 基于服务的网络架构

       上图中的 “总线” 其实就是基于服务的网络架构思想。基于服务的网络架构是5G 核心网架构和设计思路的重要变化。所谓 “基于服务的” ，其核心思想是核心网设计重心在于对内、对外服务和功能的提供，解除网络功能与服务间的耦合性，从点对点通信模式改变为 “生产者” 和 “消费者” 之间的相互独立关系。

变化四： 对业务多样性能力的增强

       说到业务多样性，大家一定会想到QoS，从3G系统以来，QoS都是移动通信系统中实现业务多样性的核心技术。但是，随着移动互联网技术的发展，业务多样性问题更加突出，传统的QoS并不能满足多样化的业务需求，特别是在垂直业务场景中，其对网络的技术需求与传统业务有天壤之别。因此，5G 中除了继续对QoS体系进行增强以外，还引入了网络切片的概念。
       网络切片实质上是一种虚拟网络。5G 核心网可以根据特定的用户需求，在物理层网络中虚拟出特定能力的网络，比如针对一般的eMBB场景，可以提供移动环境下的大带宽接入；针对工业物联网场景，降低对移动性的优化，加强可靠性、低时延的优化。这两个虚拟网络对于用户来说是完全隔离的两个网络，但在物理上共用同一个核心网和接入网实现。这个关系类似于电脑上的虚拟机，基于同一套资源，虚拟机可以同时模拟多个不同且相互独立的系统，但对于用户来说，虚拟机之间完全隔离。网络切片技术为运营商提供了无限的商业可能，为运营商的业务形态创新奠定了基础。

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