5G网络架构网络接口及协议栈
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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网络架构网络接口及协议栈相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
目录
1、5G整体网络架构
5G网络架构宏观上分为接入网和核心网两部分，5G接入层成为NG-RAN（NR），由5G基站（gNB）组成；5G核心网由控制面（AMF）、用户面（UPF）分离组成。
2、5G网络接口及无线协议栈
2.1 5G网络接口及协议
5G网络接口分为Xn和NG两种接口。
| 接口 | 功能 | 协议 |
| Xn | gNB与gNB间的接口，支持数据和信令传输 Xn-C：Xn接口管理、UE移动性管理（跨栈切换、上下文转移和RAN寻呼）、双连接（DC） Xn-U：提供用户面PDUs非保证传递，主要功能包括数据转发和流控制 | 控制面：Xn-C、NG-C、F1-C接口信令连接基于SCTP协议（可靠性高）； 数据面：Xn-U、NG-U、F1-U用户面传输基于GTP-U协议； |
| NG | gNB与核心网的接口 NG-C(NG2)：NG接口管理、UE上下文管理、UE移动性管理、NAS消息传输、PDU会话管理、配置转换、告警信息传输、寻呼 NG-U(NG3)：提供NG-RAN和UPF间的用户面会话（user plane PUDs）非保证传递 | |
| F1 | gNB-CU和gNB-DU之间的接口 F1-C：F1接口管理、gNB-DU管理、系统消息管理、负载管理、寻呼、F1 UE上下文管理…… F1-U：用户数据转发、流控制功能 | |
| 其他 | gNB和UE之间使用NR控制面和用户面协议 |
2.2 5G无线端到端协议栈
1、5G无线协议栈
SDAP：QoS flow与无线承载的映射。
2、5G端到端控制面协议栈
3、5G端到端用户面协议栈
因此，5G中重要的端口包括：NG2、NG3、NG6、NG9、NG11。
3、5G核心网新架构
5GC基于服务化架构（网络功能服务解耦）和SDN/NFV框架（网络云化），结合网络切片（端到端逻辑专用网络）、边缘计算、5G非公共网络（NPN）、5G局域网等行业专网使能技术，实现网络架构开放性、网元虚拟化、资源灵活调度及定制化场景应用。
5G核心网必须满足低时延业务处理的时效性需求。5G核心网控制面的逻辑功能被进一步细分，AMF和SMF分离为两个逻辑节点，网络用户面进一步下沉，如图7所示。
与4G网络架构相比，5G网络用户面的接口和服务不变，控制面借鉴IT思想，采用服务化网络架构，网络功能拆解为模块化网络服务，接口采用服务化网络接口，实现网络功能的灵活定制。
| 5G网元 | 功能描述 | 与4G网元的对应关系 |
| AMF(Access and Mobility Management Function) | NG1、NG2接口终止； 移动性管理、SM消息的路由； 接入鉴权、安全锚点功能（SEA）； 安全上下文管理功能（SCM） | 类似MME |
| SMF（Session Management Function） | 会话管理（建立、修改、释放等）、UP选择和控制； IP地址分配； 配置UPF的QoS策略 | 类似PGW-C |
| UPF（User Plane Function） | 用户平面的业务处理功能 intra-RAT移动的锚点（锚定功能）； 数据报文路由、包转发、检测及QoS映射和执行； 上行链路的标识识别并路由到数据网络（流量统计及上报）； 下行包缓存和下行链路数据到达的通知出发 | 类似PGW-U |
| UDM（Unified Data Management） | 产生AKA过程需要的数据； 签约数据管理、用户鉴权处理、短消息管理； 支持ARPF | 类似HSS |
| AUSF（Authentication Server Function） | 为鉴权服务器，生成鉴权向量，实现对用户的鉴权和认证 | 类似HSS中的Auc功能 |
| PCF（Policy Control Function） | 应用和业务数据流检测； UE策略配置（网络发现和选择策略、SSC模式选择策略、网络切片选择策略）； 数据流分流管理（不同DN）； QoS控制、额度管理、基于流的计费； 背景数据传送策略协商； 对通过NEF和PFDF从第三方AS配置进行的PDF进行管理； 具备UDR前端功能以提供用户签约信息； 提供网络选择和移动性管理相关的策略 | 类似PCRF |
| NEF（Network Exposure Function） | 网络能力的收集、分析和重组 | 类似SCEF |
| NRF（NF Repository Function） | 业务发现，从NF实例接收你发发现请求，并向NF实例提供发现的NF实例信息 | 全新网元，类似增强DNS |
5G核心网发展的趋势是核心网下移及云化，其最终架构演进分为两个阶段：1、核心网设备虚拟化和架构云化，主要特点是VNFs分层架构、静态网络切片以及软硬件解耦等；2、原生云架构和核心网网元云化，包括EPC云化、IMS云化等，主要面向业务的动态端到端切片，控制面和用户面分离以及功能模块原子化。
4、5G接入网新架构
4.1 4G到5G基站的演进
4.2 5G基站gNB的功能
| 关键功能 | IP头压缩、数据加密和完整性保护； 到UPF的用户面数据路由； 到AMF的控制面路由； 支持网络切片，支持双连接； QoS flow管理和到DRB的映射；（类似细流水管，由图4无线协议栈中SDAP处理） 支持UE RRC_INACTIVE态； NAS消息转发； |
| 其他 | 无线资源管理：无线承载控制，无线准入控制，动态资源分配，连接移动性控制； AMF选择； 连接建立和释放； 寻呼消息和系统广播消息的调度和传输； 测量和测量上报配置； |
4.3 CU-DU的部署形态
根据3GPP，5G的BBU功能被重构为中央单元CU和分布单元DU两个功能实体，控制面集中为多业务提供灵活的扩展能力，为mMTC提供高效的处理能力；DU更靠近用户，满足uRLLC业务需求。CU与DU按处理内容的实时性进行区分：
- CU：主要包括非实时的无线高层协议栈功能，同时支持部分核心网下沉和边缘应用业务的部署。
- DU：主要处理物理层功能和实时性需求的层2（参考图4中的层级划分）功能，考虑节省RRU与DU之间的传输资源，部分物理层功能也可上移到RRU实现。
CU与DU之间的部署形态多样化，方案1主要用于URLCC场景，有理想前传，可有效控制时延。方案2可用于eMBB场景，有理想前传条件，可同时兼容FWA和mMTC场景。方案3与方案2相似，但方案3无理想前传，需要将DU和AAU放在一个站点。方案4可用于小站，热点覆盖场景。
5、5G组网架构
5G提出了非独立组网（NSA）和独立组网（SA）两种组网方案，具体见工业5G概述、应用与测试床建设。NSA作为过渡方案，以提升热点区域带宽为主要目标，依托4G基站和4G核心网工作。
| 对比维度 | NSA | SA | |
| 业务能力 | 仅支持大带宽业务 | 较优，支持大带宽和低时延业务，便于拓展垂直行业 | |
| 4G/5G组网灵活度 | 较差：option 3x同厂商，option 3a可能不同厂商 | 较优，可以不同厂商 | |
| 基本性能 | 终端吞吐量 | 下行峰值速率优（4G/5G双连接，NSA比SA优7%），上行边缘速率优 | 上行峰值速率优（终端5G双发，SA比NSA优87%），上行边缘速率低 |
| 覆盖性能 | 同4G | 初期5G连续覆盖挑战大 | |
| 业务连续性 | 较优，不涉及4G/5G系统间的切换 | 略差，初期未连续覆盖时，4G/5G系统间切换多 | |
| 对4G现网改造 | 无线网 | 改造较大：4G软件升级支持Xn接口，硬件基本无需更换，但需与5G基站连接 | 改造较小，4G升级支持与5G互操作，配置5G邻区 |
LTE架构和协议栈概述
文章目录
1 LTE网络架构和接口
完整的LTE网络架构由三个部分组成：终端(UE)+无线网络(E-UTRAN)+核心网(EPC)。
下面详细的介绍下各个部分。
1.1 终端
终端就是指用户的手机，或者是其他可以利用LTE上网的设备。
FDD LTE和TDD LTE分别是LTE的两种不同的系统模式。两者大部分的基础技术都是一样的，主要区别在于FDD为频分双工，而TDD为时分双工。两者并不互相兼容。FDD“频分双工”指传输数据时需要两个独立的信道，一个信道用来向下传送信息，另一个信道用来向上传送信息。两个信道之间存在一个保护频段， 以防止邻近的发射机和接收机之间产生相互干扰。就相当于一条双向公路，两边的车辆各走各的路，互补干扰。而保护频段就相当于公路中间的隔离带。TDD“时分双工”的发射和接收信号是在同一频率信道的不同时隙中进行的，彼此之间采用一定的保证时间予以分离。可以比作一条独木桥，在同一时段，只能有一边的人通过，也就是说，数据的上传和下载是在同一信道交替进行的。
LTE的频段是区分FDD和TDD制式的。LTE规范定义了非常多的工作频段，这从侧面说明了LTE技术受欢迎的程度：拥有各个频段的运营商都想部署LTE，因此需要LTE技术支持这些频段。
1.2 无线网络(E-UTRAN)
1.2.1 无线网络的结构
在移动通信系统中，无线网络承上启下，连接核心网和终端设备，实现移动通信业务的覆盖，是移动通信系统的关键组成部分。LTE无线网络中只有一种网元：基站eNodeB（简写eNB）。基站eNB之间通过X2接口互连，通过S1接口与核心网设备相连。
1.2.2 无线网络的功能
eNB 的主要功能就是连接、管理和控制终端，并且为核心网连接、管理以及控制终端提供沟通的管道。为了实现这些功能，eNB需要与终端和核心网进行交互，也就是要大量传递大量的信息，下面介绍LTE无线网络是如何传递信息的。
在介绍LTE无线网络如何传递信息之前，我们需要知道与信息传递密不可分的接口——空中接口。空中接口是终端和eNB两种设备之间的无线接口，终端只有通过空中接口连接到无线网络，才能获得移动通信系统提供的服务。
LTE无线网络上的信息利用承载来传递。LTE无线网络的根据承载的内容不同分为SRB（signaling radio bearer，信令承载）和DRB（data radio bearer，业务承载）。
SRB承载控制面（信令）数据，根据承载的信令不同分为以下三类SRB：
1）SRB0：承载RRC连接建立之前的RRC信令，通过CCCH逻辑信道传输，在RLC层采用TM模式；
2）SRB1承载RRC信令（可能会携带一些NAS信令）和SRB2之间之前的NAS信令，通过DCCH逻辑信道传输，在RLC层采用AM模式；
3）SRB2承载NAS信令，通过DCCH逻辑信道传输，在RLC层采用AM模式，SRB2优先级低于SRB1，安全模式完成后才能建立SRB2；DRB承载用户面数据，根据Qos不同，UE与eNB之间可能最多建立8个DRB。
业务承载的具体情况：
在LTE系统中，一个UE到一个PGW之间，具有相同Qos的业务流称为一个EPS承载。EPS承载中UE到eNB空口之间的一段称为无线承载RB；eNB到SGW之间的一段称为S1承载。无线承载与S1承载统称为E-RAB。
1.3 核心网（EPC）
EPC主要是包括5大网元：MME+SGW+PGW+HSS+PCRF
1.3.1 MME
MME是Mobility Management Entity的缩写，是核心网中最重要的实体之一，提供以下的功能：NAS 信令传输、用户鉴权与漫游管理（S6a）、移动性管理、EPS承载管理。在这里所述的功能中，NAS信令指的是三层信令，包含EMM, ESM 和NAS 安全；然后移动性管理的话主要有寻呼，TAI管理和切换；承载（承载是WCDMA引入的概念）的话主要是EPS 承载（bearer）的建立，修改，销毁等。
1.3.2 SGW
SGW是Serving Gateway 的缩写，负责处理用户的业务，用来完成移动数据业务的承载。SGW相当于数据业务的中转站。
1.3.3 PGW
PGW是PDN Gateway的缩写，其中PDN是Packet Data Network 的缩写，通俗地讲，可以理解为互联网，这是整个LTE架构与互联网的接口处，所以UE如果想访问互联网就必须途径P-GW实体，从另外一方面说，如果想通过P-GW而访问互联网的话，必须要有IP地址，所以P-GW负责了UE的IP地址的分配工作，同时提供IP路由和转发的功能。此外，为了使互联网的各种业务能够分配给不同的承载，P-GW提供针对每一个SDF和每一个用户的包过滤功能。（也就是说在P-GW处，进出的每一个包属于哪个级别的SDF和哪一个用户都已经被匹配好了。这里的SDF是服务数据流Service Data Flow的缩写，意思就是P-GW能区分每一个用户的不同服务的数据包，从而映射到不同的承载上去。以后会有关于SDF的更详细的说明）。此外，P-GW还有其他的一些功能，比如根据用户和服务进行不同的计费和不同的策略，这部分对于每个运营商都会有差异，在此不做多的赘述。
1.3.4 HSS
HSS是Home Subscriber Server的缩写，归属用户服务器，这是存在于核心网中的一个数据库服务器，里面存放着所有属于该核心网的用户的数据信息。当用户连接到MME的时候，用户提交的资料会和HSS数据服务器中的资料进行比对来进行鉴权。
1.3.5 PCRF
PCRF是Policy and Charging Rules Function的缩写，策略与计费规则，它会根据不同的服务制定不同的PCC计费策略。
1.4 接口
1.4.1 LTE-Uu
LTE-Uu接口是位于终端与基站之间的空中接口。在这中间，终端会跟基站建立信令连接与数据连接，信令连接叫做RRC Connection，相应的信令在SRB上进行传输，（如前所述，SRB有三类，分别是SRB0, SRB1和SRB2，SRB可以理解为是传输信令的管道），而数据的连接是逻辑信道，相关的数据在DRB上传输。这两个连接是终端与网络进行通信所必不可少的。
1.4.2 X2-控制面
X2是两个基站之间的接口，利用X2接口，基站间可以实现SON功能（Self Organizing Network），比如PCI的冲突检测等。
1.4.3 X2-控制面
X2用户面的接口是建立在GTP-U协议的基础上，连接两个基站，传输基站间的数据。（X2 handover等）
1.4.4 S1-控制面
S1是基站与MME之间的接口，相关NAS信令的传输都必须建立在S1连接建立的基础上。
1.4.5 S1-用户面
S1用户面的接口是建立在GTP-U协议的基础上，连接基站与MME，传输基站与MME之间的数据。S1 handover，上网的数据流等。
1.4.6 S6a接口
MME与HSS通过S6a接口连接。
1.4.7 S11接口
MME与SGW通过S11接口连接。
2 LTE协议栈
首先对控制面和用户面进行解释：
（1）控制面：负责传送和处理系统协调信令的协议。
（2）用户面：负责传送和处理用户数据流工作的协议。
2.1 用户面协议
2.1.1 LTE-Uu接口协议
2.1.1.1 PDCP
PDCP（Packet Data Convergence Protocol, 分组数据汇聚协议子层）协议针对传输的数据包执行以下的操作：数据包头压缩（ROHC）、AS层的安全（包括加密与完整性检验）、包的重排序和重传。
2.1.1.2 RLC
RLC层(Radio Link Control，无线链路控制子层)针对传输的数据包执行以下的操作：在发送端，提供数据包的分段与串联、在接收端，提供透明，确认模式与非确认模式三种模式、RLC层也执行对RLC PDU的重排序与重传。
2.1.1.3 MAC
MAC层(Medium Access Control, 媒介接入控制子层)对从高层传来的MAC PDU和从底层传来的包做以下的处理：在物理层和RLC层之间提供逻辑信道的连接、逻辑信道的复用与解复用、对逻辑信道根据QoS来进行调度和分配优先级。
2.1.2 S1-U/S5/X2接口协议
2.1.2.1 GTP-U
GTP-U协议主要是用来转发用户的IP数据包，GTP-U协议还有个特点，只要GTP-U连接建立后传输数据，那么在数据结束之后总会有END Marker来标志着数据流的结束。
2.2 控制面协议
2.2.1 LTE-Uu接口协议
2.1.1.1 NAS
提供移动性管理和承载管理，比如说eNB的信息的更新，或者MME的配置信息的更新会触发Configuration Update信令的下发或者上载，然后E-RAB的建立，修改，销毁都是属于NAS管理的范围之内。
2.1.1.2 RRC协议
RRC协议(Radio Resource Control，无线资源控制子层)支持传输NAS信令， 同时也提供对于无线资源的管理。广播系统消息，例如MIB，SIB1，SIB2 ……；RRC连接的建立，重建立，重配置和释放；无线承载(RB)的建立，修改与释放。
2.1.1.3 X2接口协议
X2AP协议支持无线网（E-UTRAN）中的UE移动性管理和SON功能。比如通过X2AP的数据转发（在X2 Handover的时候的数据转发），SN status的转发（Handover时），或者时eNB之间的资源状态消息交换等。
2.1.1.4 SI-MME接口协议
S1AP协议如前所述，是S1 连接建立的时候用来传输信令的协议，该协议负责S1接口的管理，E-RAB的管理，还有NAS信令的传输，以及UE上下文的管理。
参考书籍：《LTE教程：原理与实现（第2版）》
参考博客：https://blog.csdn.net/starperfection/article/details/78719935
以上是关于5G网络架构网络接口及协议栈的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章