5G网络架构和组网部署

课程目标

  • 5G网络整体架构组成
  • 主要网元功能
  • 网元接口关系
  • 5G网络组网部署策略

5G网络架构的演进趋势

网络架构概述

5G网络架构

5G移动通信系统包括**5GC(5G Core Network，5G核心网)和NG-RAN(Next Generation Radio Access Network，5G无线接入网)**。

5G核心网与5G接入网通过NG接口连接，实现控制面和用户面功能;

5G无线接入网之间通过Xn接口连接，实现控制面和用户面功能。

5G移动通信系统整体架构如图所示。

5G移动通信系统整体架构

知识点：

  • 5GC 5G核心网
  • NG-RAN 5G无线接入网
  • gNB 5G基站 （g-node-B）【NA组网只包含gNB】
  • ng-eNB 4G增强基站可用于5G信号（next-generation-eNodeB）
  • UPF-用户面网元
  • AMF/SMF-控制面网元
  • 5G核心与5G接入网（有线）-NG接口
  • 5G无线接入网之间-Xn接口

4G网络架构

4G移动通信系统包括EPC (Evolved Packet Core network，演进分组核心网）和**E-UTRAN (Evolved UniversaTerrestrial Radio Access Network，演进通用陆地无线接入网络)**。

4G移动通信系统整体架构如下图所示:

4G移动通信系统整体架构

知识点：

  • EPC 4G（演进分组）核心网
  • E-UTRAN 4G（演进通用陆地）无线接入网络
  • eNB 4G基站
  • MME网元（与AMF功能大致相似）
  • S-GW网元
  • 4G核心与4G接入网（有线） S1接口
  • 4G无线接入网之间 X2接口

5G与4G网络架构比较

5G移动通信系统整体架构与4G整体架构类似。

4G与5G移动通信系统整体架构对比如下图所示:

5G与4G网络架构比较

RAN网络引入CU、DU，组网更灵活，利于多小区的集中控制，利于多功能的实现。

MEC(Multi-access Edge Connection，多接入边缘计算）是支撑5G系统运行的关键技术。（将5GC的部分功能下放到MEC，就近部署到靠近基站的位置，减少时延）

虚线部分为接入网，上方为核心网

知识点：

  • BBU (Baseband Unit) 基带单元 指基站系统中负责处理基带信号的单元。
  • RRU (Radio Remote Unit ) 无线远端单元/基站射频拉远单元(射频单元)
  • CU (Centralized Unit) 中央单元
  • DU (Distributed Unit) 分布式单元
  • CU+DU 为合设；CU➡DU 为分离
  • 实际上，每个gNB有一个CU，但一个CU控制多个DU，例如一个CU可以连接超过1oo 个DU。
  • 了解 前传 中传 回传
  • AAU (Active Antenna Unit) 有源天线单元（射频+天线单元 有利于大规模天线 ）
  • 改变
    1. CU；DU灵活组网
    2. RRU变为AAU
    3. MEC 多接入边缘计算的引入

核心网架构的演进

网络架构演进的核心目标：

  • 实现从“互联网应用被动适应网络”向“网络主动、快速、灵活适应互联网应用”
  • 网络和资源的部署将打破行政管理体制和传统组网思路的制约，转向以IDC为核心的新格局。

不同阶段核心网技术特征与代表技术如下图所示:

不同阶段核心网技术特征与代表技术如下图

知识点：

  • 核心网的本质的是路由交换
  • 2G数字通信：分组交换技术
  • 3G互联网：IP化；控制和承载分离
  • 4G：CS域取消，引入IMS域
  • 5G：基于服务的 网络架构 SBA；云元生（微服务架构）；实现控制转发完全分离，网元虚拟化易于扩容（模块化，软件化）

移动通信系统核心网从3G到4G的演进特点：

取消了CS域(Circuit Switch，电路交换域）只保留PS域(Packet Switch,分组交换域）。4G移动通信系统实现了控制和承载相分离。4G核心网架构如下图所示:

4G核心网架构

注：

  • 框中引入一个IMS域：语音会话处理；

  • 框中为控制面，其它为承载面。

知识点：

  • SGW 路由转发

  • PGW IP地址分配

  • PCRF 计费策略

5G核心网颠覆了4G核心网的设计思路。

5G核心网基于SBA实现(Service Based Architecture，基于服务架构)，使用NFV技术灵活重构网络功能，使用SDN技术灵活构建数据转发通道，使用切片技术实现业务保障与资源利用率最大化，完全实现**CUPS (Control and User Plane Separation，控制与用户面分离)**，结合云技术全面支撑5G应用场景需求。为了应对5G网络的发展要求，基于服务的5G核心网架构如下图所示:

5G核心网架构

注：

  • 框中为控制面，其它为承载面。

知识点：

  • 完全实现控制与用户面分离

无线接入网的演进

从2G(第二代移动通信系统）开始到现在的5G(第五代移动通信系统)，无线接入网技术一直处于变化之中.无线接入网的实现方式也呈现出“分合分”的表象。无线接入网的发展与演进如下图

无线接入网的发展与演进

5G网元功能与接口

5G移动通信整体网络架构

5G网络功能之间的信息交互可以基于两种方式表示:

  1. 基于服务表示

  2. 基于点对点表示。

实际部署时，也可以采用两种方式相结合的表示方式。因为并不是所有的接口都适合基于服务表示，对于有些接口点对点表示方式更加适合。从图1-8可以看出，控制面内的网络功能（例如AMF)使其他授权的网络功能能够访问其服务。但是，对于接口N1和接口N2，这种表示还包括必要时的点对点表示方式。

非漫游5G移动通信系统架构-SBA

知识点：

  • (R)AN 无线接入网（基站）
  • DN 数据中心
  • UE 用户终端
  • 基于网络功能虚拟化 独立功能实体
  • NRF 网络功能注册的实体
    • “N＋模块名称”基于服务的接口（利用服务注册和服务发现的功能 ）【拓展性好】
    • ”N1/N2/N3“基于点对点的接口【可以被服务化接口替代】
  • 区分漫游与非漫游：归属地与拜访地地址是否相同
  • UE-AMF 使用N1口
  • （R）AN-AMF 使用N2口

非漫游5G移动通信系统点到点表示

如下图1-9所示:

5G移动通信系统点到点表示

5G无线接入网的基站(gNB/en-gNB)网元功能拆分

**CU(Centralized Unit，集中单元)和DU(Distributed Unit，分布单元)**5G移动通信系统NG-RAN CU与DU分离逻辑图，如下图1-10所示。

知识点：

  • CU 中央单元：RRC,PDCP
  • DU 分布式单元：RLC,MAC,H_PHY
  • “-C” Control一般指对控制面
  • “-U” User一般指对用户面
  • Xn 接口 与其它基站交换时使用的接口
  • NG 接口 与和行为交换时使用的接口
  • CU>DU>AAU (前面的可以挂载多个后面的)

CU DU的划分方案

知识点：

  • CU-DU CU越靠近底层（右侧）传输带宽要求越大，要求更低时延
  • CU-DU CU越靠近底层（右侧）集中化程度越大
  • CU-DU 中传

  • 底层功能划分方案优点:

    • 便于控制面集中，利于无线资源干扰协调;
    • 可以采用虚拟化平台;

  • 高层功能划分方案优点:

    • **3GPP标准确定了option2:**左侧为CU 右侧为DU
    • PDCP上移便于形成数据锚点，便于支持用户面的双连接/多连接

CU\DU方案策略比较：

Option4:对传输时延要求很高,且未看到其他性能增益，后续基本不考虑该方案。

5G主要网元功能

  • 掌握主要功能
  • 掌握协议栈

5G系统的组成：

  • 接入网（AN）
  • 核心网（5GC）

NG-RAN与5GC的主要功能

知识点：

  • 无线控制放到SRB（1/2/3【双链接】/0【4G】）
  • 数据放到DRB
  • 往下层传递 有不同承载
  • 连接态 移动性管理
  • AMF/SMF 控制面
  • UPF 用户面

UPF（用户面功能）

  • **gNodeB间切换的本地移动锚点(适用时)*【】
    • 保证终端连接路径
  • 连接到移动通信网络的外部PDU会话点【*】
    • 作为节点
  • 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
  • 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

SMF（会话管理功能）

  • 会话的建立修改删除【*】
    • 发寻呼消息
  • 包括tunnel maintain between UPF and AN node
  • UEIP地址的分配和管理【*】
    • IP化
  • DHCPv4(server and client) and DHCPv6 (server andclient) functions
  • 选择控制用户面功能【*】
  • QoS的策略与控制，终止策略控制。
  • 合法监听
  • Termination of SM parts of NAS messages
  • 下行数据的通知
  • 漫游功能

AMF（访问和移动性管理功能）

  • 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【*】
    • 透传
  • 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

CU-C (Central Unit Control plane)
  • lnterface Management包括:
    • Xn/NG/F1/E1等接口链路管理
    • 接口消息处理(如:NG-AP)
    • 数据处理(如:GTP-u)
  • Connection Management包括:
    • 单连接
    • 双连接
    • 多连接
    • D2D
  • Traffic Steering包括:系统内和系统间的负载均衡
  • Slice Support包括:系统内和系统间的切片资源动态管理。
CU-U (Central Unit User plane)
  • 数据包的处理和转换
Du (Distributed Unit)
  • 资源的调度传输模式的转换信道映射
AAU-RF(Radio Frequency)
  • 信号的收发Massive MIMO天线处理频率与时间同步AAS实现机制

5G系统接口功能与协议

5G系统的接口非常多，如果考虑接口间的协同工作及相互影响，可能涉及内容更多。本节内容仅针对NG接口、Xn接口、F1接口、E1接口和Uu接口进行描述。

5G系统接入网(AN)和核心网(5GC)的主要接口

如图1-13所示.

(AN)和核心网(5GC)的主要接

NG接口

NG接口是NG-RAN（无线基站）和5G核心网之间的接口，支持控制面和用户面分离，支持模式化设计。

NG接口协议栈如图1-14所示：

其中左侧表示控制面协议栈(NG-C接口)

右图表示用户面协议栈(NG-U接口)

知识点：

  • 发送端从上往下
  • 接收端从下往上
控制面NG-C功能：
用户面NG-U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IP传输上;
  • GTP-U在UDP/IP之上用于承载NG-RAN节点和UPF之间的用户面PDU。

Xn接口

Xn接口是NG-RAN（无线基站）之间的接口,Xn接口协议栈如下图1-15所示，

其中左侧表示控制面协议栈(Xn-C接口)

右侧表示用户面协议栈（Xn-U接口)

在CU\DU分离的情况下，Xn-C是CU-C之间的接口，Xn-U是CU-U之间的接口.

Xn-U接口的主要功能
  • 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。
CU\DU分离场景下接口详情
  • Xn-C是CU-C之间的接口
  • Xn-U是CU-U之间的接口
  • E1接口是指CU-C与CU-U之间的接口

E1接口

E1接口只有控制面接口（E1-C接口)。E1接口是开放接口，支持端点之间信令信息的交换，支持5G系统新服务和新功能。E1-C接口不能用于用户数据转发。E1接口协议栈如下图1-16所示:

E1接口的功能
  • 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NR CGI、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)
  • **TEID分配功能(gNB-CU-UP)**（隧道标识）
    • F1-U UL GTP TEID
    • S1-U DL GTP TEID
    • NG-U DL GTP TEID X2-U DL/UL GTPTEID
    • Xn-U DL/UL GTP TEID
    • Xn-U DL/UL GTP TEID

F1接口

CU\DU分离场景下，F1接口是指CU与DU之间的接口，区分为用户面接口（F1-U接口）和控制面接口（F1-C接口)。F1接口支持eNB-point之间的信令交互，包括支持不同eNB-point的数据发送。F1接口协议栈如下图1-16所示

其中左侧表示控制面协议栈(F1-C接口)，右侧表示用户面协议栈(F1-U接口)。

F1-C接口主要功能
  • 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
  • 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

控制面：

控制面的主要功能:

  • RLC和MAC层功能与用户面中的功能一致
  • PDCP层完成加密和完整性保护
  • RRC层完成广播，寻呼，RRC连接管理,资源控制，移动性管理，UE测量报告控制
  • NAS层完成核心网承载管理，鉴权及安全控制
    • NAS层是控制面功能，位于核心网的AMF与终端之间，功能包括核心网承载管理、注册管理、连接管理、会话管理、鉴权、安全性和策略控制。基于服务的NAS接口如图1-20所示。
应用面：

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用户面的主要功能:

  • 头压缩，加密，调度，ARQ/HARQ
  • 5G用户面增加新的协议层SDAP (Service DataAdaptation Protocol)，完成流(5G QoS flow)到无线承载(DRB)的QoS映射，为每个报文打上流标识(QFI: Qos flow ID )

知识点：

  • 5G用户面增加加入新的协议层SDAP，完成QoS映射功能

5G网络组网部署

SA组网和NSA组网

5G组网的模式

根据3GPP定义，5G标准分为非独立组网(NSA）和独立组网(SA）两种模式。

  • SA组网是指使能5G网络不需要其他移动通信系统的辅助可以独立进行工作。（抢占市场使用）
  • NSA组网是指使能5G网络需要其他移动通信系统的辅助，如果辅助缺失，那么5G网络不可以独立进行工作。（只能实现部分功能）

通常而言，5G网络建设阶段，NSA组网方式是在表明5G网络的使用需要4G网络进行辅助。

5G移动通信系统的接入网有两种表示方式:

  • ng-eNB

  • gNB

ng-eNB和gNB都可以独立地承担与核心网之间控制面和用户面的连接，不需要其它接入网网元辅助。

SA组网方案

针对5G移动通信系统，3GPP确定的SA options如下图1-21所示：

SA组网方案

左侧option，对应接入网使用gNB-option2【最终目标方案】

右侧option，对应接入网使用ng-eNB-option5

NSA组网方案

Option3

3GPP确定的NSA option 3系列如下图1-22所示。

蓝色主节点，橙色辅节点

知识点：

Option 3

  • LTE eNB作为锚点站

Option 3A/X

  • EPC进行分流

三者区别:接口区别

  • 3➡eNB锚点
  • 3A➡eNB 控制面分流
  • 3X➡eNB 控制+用户面分流

2017年12月制定:4G基站(eNB）和5G基站(gNB)）共用4G核心网（EPC )，LTE eNB和5G gNB用户面可以直接连接到EPC，控制面则仅经由LTE eNB连接到EPC。用户面可以分别经由LTE eNB、EPC或者gNB进行分流。

  • 优点：不必新增5G核心网，利用运营商现有4G网络基础设施快速部署5G，抢占覆盖和热点**。

  • 弊端：5G信令全走4G通道，有4G核心网信令过载风险，因此该阶段主要解决初期的5G覆盖。

Option7

3GPP确定的NSA option7系列如下图1-23所示

2018年12月确定:**增强型4G基站(ng-eNB)与5G基站(gNB)共用5G核心网(5GC)**，该阶段5G核心网替代了4G核心网，

控制面则仅经由ng-eNB连接到5GC，用户面可以分别经由ng-eNB、5GC或者gNB进行分流，解决了4G核心网信令过载风险，主要面向5G容量需求。

数据锚点:5G NR接入网做数据锚点支持X架构（LTE设备处理能力弱于NR，不适合做锚点)

Option4

3GPP确定的NSA option4系列如下图1-24所示

2019年12月确定:增强型4G基站(ng-eNB)与5G基站（gNB)共用5G核心网(5GC)，该阶段5G核心网替代了4G核心网，控制面则仅经由5G gNB连接到5GC，用户面可以分别经由gNB、5GC或者ng-eNB进行分流。该阶段不仅面向5G的增强型移动带宽场景(eMBB),还面向大规模网联网(mMTC)和低时延高可靠物联网(uRLLC)。是面向万物连接时代5G的多样化业务。

基站的定义
  • eNB:面向终端（UE）提供E-UTRAN用户面和控制面协议，并且通过S1接口连接到EPC的网络节点;
  • ng-eNB:面向终端(UE)提供E-UTRAN用户面和控制面协议，并且通过NG接口连接到5GC的网络节点;
  • gNB:面向终端（UE）提供NR用户面和控制面协议，并且通过NG接口连接到5GC的网络节点;
  • en-gNB:面向终端(UE）提供NR用户面和控制面协议，并且通过S1-U接口连接到EPC的网络节点。
SA与NSA组网的对比

MR-DC技术

定义

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。不同场景下DC的名称如表1-3所示。

以option3x组网场景为例

从控制面看:

网络侧MN(eNB）和终端之间会建立面向核心网的控制平面连接，维护唯一的RRC状态。MN(eNB)和SN(gNB)具有各自的RRC实体，可以生成要发送到**终端的RRC PDU (Protocol Data Unit，协议数据单元)**。

NSA option 3x控制面协议栈如下图1-25所示:

从用户面看:

DC场景下，UE和网络可能建立MCG Bearer、SCG Bearer和Split Bearer。NSA option 3x用户面承载概念如下图1-26所示:

知识点：

  • MCG 主小区组
  • SCG 辅小区组
  • 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

DC与CA (Carrier Aggregation，载波聚合）对比

3GPP在R10版本引入CA这一概念。CA技术中终端也会与多个接入网网元建立连接，但是控制面连接仅有一个。双连接与载波聚合的对比如下表1-4所示。

CU/DU组网部署

根据不同的业务和部署场景，NR架构总体可以分为CU和DU两级，但是实际部署可以出现CU、DU和AAU分离的三级配置，也可以出现AAU直接连入中心结点。

eMBB

为了支持eMBB业务的覆盖和容量需求，CU和DU需要进行分离部署，分为两种形式: Macro(宏)方式和Micro(微)方式。CU/DU分离Macro和Micro组网部署如图1-27所示。

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知识点：

  • 前传资源有限-分离（就近部署）

  • 前传资源丰富-合设

当业务容量需求变高，在密集部署情况下，基于理想前传条件，多个DU可以联合部署，形成基带池，提高基站资源池的利用率，并且可以利用多小区协作传输和协作处理以提高网络的覆盖和容量。CU\DU分离DU资源池组网方式如图1-28所示:

CU/DU分离针对高时延和低时延部署方式如图1-29所示。

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  • 语音业务对带宽和时延要求不高，此时DU可以部署在基站侧;

  • 对于大带宽低时延业务〈如视频或者虚拟现实)，一般需要高速传输网络或者光纤直接连接中心机房，并在中心机房部署缓存服务器，以降低时延并提升用户体验。

mMTC

对于面向垂直行业的机器通信业务，在建设5G网络时，需要考虑机器通信的特点。

【大连接】****大规模机器通信普遍对时延要求较低,其特点有2个:

  • 数据量少而且站点稀疏

  • 站点数量多，且分布密集。

CU/DU分离针对mMTC的部署方式如图1-30所示。

附录

Option划分方案

划分方案

缩略词目录