5G 网络架构基础
5G 网络架构里名词很多，容易看晕。这篇先把核心网、接入网、SA/NSA、CU/DU、NG/Xn/F1/E1/Uu 等概念串起来，后面再看组网部署会顺很多。
这份笔记整理于 2022 年，适合用来复习基础架构和接口关系。网络现状、设备能力与部署策略会继续变化，工程使用时应以最新 3GPP 规范和运营商资料为准。
名词汇总
核心网与接入网
| 名词 | 定义 |
|---|---|
| 核心网 | 负责用户接入与移动性管理、会话管理、策略控制，以及把业务数据转发到外部数据网络。 |
| 接入网 | 位于终端和核心网之间，负责无线接入、无线资源管理及用户面数据传输。 |
我当时用快递系统来帮助记忆：接入网像收件和分拣入口，核心网再依据用户与会话信息决定数据往哪里走。这个类比不覆盖协议细节，但能先把两者的位置分开。
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 |
| ng-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 |
移动网络不会在一夜之间整体换代。NSA 借助既有 LTE 网络承载部分控制或接入功能，SA 则使用 5G 核心网和 5G 接入网独立组网。理解这段演进关系，比只背缩写更有用。
NG接口分为NG-C接口控制面接口和NG-U接口用户面接口。
核心网架构演进
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 |
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 |
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。
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 |
5G 接入网架构
| 名词 | 定义 |
|---|---|
| CU | 集中单元 |
| DU | 分布单元 |
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 |
5G主要网元功能
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
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
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
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
5G接口主要功能
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。
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。
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
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。
Uu接口主要功能
SA与NSA组网
常用的NSA组网方式
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 |
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 |
参考文章
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