5GC基础自学系列 | 5GC基础之5GC网络架构及网元

Posted 2022-03-23 COCOgsta

视频来源：51学通信《5G核心网基础、协议与信令流程》

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主要内容

5GC（SA）架构介绍

5GC主要网元及功能对比

5GC网络架构的主要变化

• SBA架构
• 网元的注册、发现与选择
• CUPS
• 边缘计算
• MM和SM的分离
• 计算与存储的解耦
• 与非3GPP的互操作
• 能力开放
• PCC架构的变化

5G的市场驱动力

4G主打B2C业务，但人均ARPU值已经接近饱和。如某运营商财报显示，2019年上半年4G用户平均ARPU值为50元左右。较往年无明显增长。

• （简单说，人身上难增长，就从物身上想办法）

基于此，5G将重点发力与各行各业的融合、物联网、更好的服务社会。

5G主打的三大应用场景

• eMBB：增强型移动宽带（对带宽要求高）
• mMTC：海量机器类通信（低成本、海量连接数）
• uRLLC：超可靠低延迟通信（超低延迟）

5G的应用场景

5G规范时间表

4G的第一版规范：R8（2008年）

NB-IOT的第一版规范：R13（2014年）

5G的第一版规范（含NSA和SA）：R15（2018年）

• 主打eMBB

5G的第二版规范（SA）：R16（预计2020一季度）

• 主打MMTC和uRLLC以及网络的增强功能

5G核心网主要功能概述

5G核心网架构的主要功能概述

• SBA的架构，4G以网元为中心->5G以功能、服务为中心
• CUPS（控制与用户面的分离）
• 网络切片（怎么切？怎么选？）
• 移动性管理和会话管理的分离
• 统一的认证框架（3GPP和非3GPP）
• 边缘计算
• 能力开放
• 计算与存储的解耦
• 新的Qos框架
• 网元平台向NFV/SDN的演进
• 语音业务继续沿用IMS
• 。。。

5G核心网相关的主要规范

5GC网络架构表述

SBA（Service-Based Architecture）架构：

• 每个网元对外暴露多种服务，其他网元通过HTTP API的形式来调用该服务
• 对外暴露的接口称之为SBI，书写格式以大写N开头，加上小写的网元名字，如Namf
• 当有业务需要时，任意核心网网元之间均可以直接互访。没有限制。

参考点架构：

• 功能和SBA架构是一样的。但为了方便交流，给需要互访的两个网元之间依然制定了参考点，以大写的N开头，后面跟一个数字。如N11代表AMF和SMF之间的接口。
• 交流时如果N11有故障，马上知道是AMF和SMF，如果Namf，则不确定是具体哪里有问题。

注意：并不是所有网元都有SBI接口（或者对外暴露服务），只有核心网控制面网元才有SBI接口。如RAN、UPF都没有SBI接口。依然采用传统的点到点接口，如N2。

5G网络架构构成

5G网络 = UE + 5G-RAN + 5GC，其中SA的5G网络下，5G-RAN就是gNodeB。

gNodeB构成（举例）

gNodeB = AAU + CU + DU

3GPP所定义的5GC网元

3GPP的5G架构在23.501中定义，v15.4版本（2018年12月）一共定义了以下主要的5GC网元。

5GC网元部署时的合设

为支持5G和4G网络平滑切换及互操作，有很多4G/5G网元在部署时会是合设的。

5GC网络架构变化之一：SBA

4G重网元（NF），5G重网元服务。产品架构也利于向微服务化架构（虚拟机->容器）演进。提升灵活性。

网元功能被拆分成一个或多个服务（更小、更微）：

• 每个网元的服务可以被其他控制面网元直接调用
• 通过HTTP2协议，API的形式调用
• 每个SBA网元都有一个29系列规范，其本质是一个API调用手册。
• 以UDM为例：

5GC网络架构变化之二：5GC中的网元注册、发现和选择

5GC中引入了SBA架构，每个网元都需要支持多种服务并引入了HTTP2作为SBI接口的唯一协议，因此网元的选择和发现不再依赖DNS，而是引入了NRF网元来完成。

同样也是三部曲：

1. 新网元上线后，主动向NRF注册自己的信息（地址和能力信息）
2. NRF登记该网元信息，供其他网元选择
3. 其他网元查询NRF，选择自己需要的网元

4G EPC和5GC网元发现和选择方面的主要异同：

5GC网络架构变化之三：CUPS

CUPS（Control Plane User Plane Seperation）即控制平面与用户平面的分离，有利于业务的集中控制。

最早在3GPP R14中提出，可应用于4G、5G NSA和5G SA核心网。

可支持边缘计算、切片、分布式云化部署以及和SDN的集成。

CUPS架构图（5G EPC vs 5GC）

5G EPC中是Sx接口，5GC中是N4接口，协议都采用PFCP协议（29.244）

5GC网络架构变化之四：MM和SM的分离

作为MME的演进，AMF不再负责SM（会话管理），会话管理交给专门的网元SMF来处理。

插曲：回顾通信网络的那些“分离”

5GC网络架构变化之五：边缘计算

为支持URLLC此类延迟高度敏感的业务，光提升延迟是不够的，还得依赖于架构的优化。将延迟敏感类业务通过5G网络分流到本地服务器就是这样一种设计，也叫边缘计算。

5GC中的边缘计算是通过ULCL（上行分类器，适用于IPv4/v6）和Branching Point（IPv6）两种方法来实现的。首推ULCL。

架构图如下所示：

5GC网络架构变化之六：计算与存储的解耦

UDSF：Unstructured Data Storage Function

AMF的容灾方案（已部署UDSF）

5GC网络架构变化之七：对非3GPP网络的支持

为支持和非3GPP网络互操作，引入了N3IWF网元。

和4G的主要差别在于实现了控制和用户面的分离：

• 4G的非3GPP主要互操作接口->S2b：ePDG - PGW(CP+UP)
• 5G的非3GPP主要互操作接口->N2：N3IWF-AMF(CP) + N3：N3IWF - UPF(UP)

5G支持和以下非3GPP网络互操作：

• 非可信WIFI（R15）：即非运营商建的WIFI网络
• 非可信+可信WIFI（R16）：即运营商建的WIFI网络

5GC网络架构变化之八：能力开放（拥抱各行各业）

4G改变生活（B2C），5G改变社会（B2B2X）

商业模式的改变，意味着5G网络需要加强和社会各行业的互动，而且是自动化的（不是来一个需求就去静态修改很多网元的配置）、有标准的规范（而不是某厂家私有方案）

NEF（Network Exposure Function）应运而生。

能力开放及NEF网元功能简介 - NEF网元的主要功能（23.501）

QoS能力开放

• 例如：第三方AF可请求为某个业务流量进行加速或保障

移动性状态事件订阅（只要你感兴趣且合规，我就开放给你）

• 例如：第三方AF可向5GC订阅UE的可达性、某TA下UE总数、漫游状态等

AF请求的流量引导（或叫流量疏导）

• 例如：AF可请求5GC对特定业务流重定向到特定的UPF下

AF请求的参数发放

• 例如：AF可通过NEF，修改UDM中的用户参数，如期望的UE移动轨迹参数

PFD管理

• 即：由第三方AF提供的应用检测规则，可由AF通过NEF下发给SMF，SMF发给UPF用于应用检测。可以更精准的做应用检测。

5GC网络架构变化之九：PCC架构的变化

和4G相比，变化不是很大。主要有以下差别：

• PCF和PCRF功能基本相同，完成QoS策略控制、业务授权、门控、使用量监控等功能
• PCEF因为引入了CUPS，拆分成PCEF-CP（即SMF）和PCEF-UP（即UPF）
• 新增NWDAF网元，可生成网络状态报告（如网络拥塞状态）并提供给PCF，用于制定策略
• 离线和在线计费合并为CHF网元实现
• PCF只负责前端的业务处理，用户数据存放在后端的UDR中