5G网络架构、网络接口及协议栈_smiling_sweety的博客-程序员秘密_5g网络架构

技术标签: 5g  网络  异构网络  

目录

1、5G整体网络架构

2、5G网络接口及无线协议栈

2.1 5G网络接口及协议

2.2 5G无线端到端协议栈

3、5G核心网新架构 

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

4.3 CU-DU的部署形态

5、5G组网架构


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。

图2 5G网络接口拓扑图
表1 5G的网络接口功能及协议
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
图3 5G网络接口协议栈

2.2 5G无线端到端协议栈

1、5G无线协议栈

图4 5G无线网络协议栈

 SDAP:QoS flow与无线承载的映射。

 2、5G端到端控制面协议栈

图5 5G端到端网络控制面协议栈

 3、5G端到端用户面协议栈

图6 5G端到端网络用户面协议栈

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。

图7 5G核心网控制面逻辑功能
表2 5G核心网网元及其功能
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

图8 4G到5G基站的演进

4.2 5G基站gNB的功能

表3 5G基站的功能
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。 
图9 CU-DU分离架构

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。

图10 CU-DU部署形态

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。

表4 NSA和SA的优劣比较
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

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