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5G網(wǎng)元結(jié)構(gòu)和協(xié)議棧

 pipipig428 2019-02-13

一、基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 整體架構(gòu)

5G系統(tǒng)由接入網(wǎng)（AN）和核心網(wǎng)（5GC）組成（38.300）。若考慮NSA（非獨(dú)立組網(wǎng)）場景，則還需要考慮4G的網(wǎng)元。
Figure 4.1-1: Overall Architecture

圖1：Overall Architecture

AN有兩種：

  • gNB, 為UE提供NR用戶面和控制面協(xié)議終結(jié)點(diǎn)。
  • ng-eNB, 為UE提供E-UTRA的用戶面和控制面協(xié)議的終結(jié)點(diǎn)。

1.2 網(wǎng)元基本功能

各網(wǎng)元功能詳細(xì)描述太長，具體見3gpp 38.300，大致功能如下圖：
在這里插入圖片描述

圖2：Functional Split between NG-RAN and 5GC

1.3 AN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（38.401）

每個邏輯gNB 由一個gNB-CU和若干個gNB-DU組成。每個gNB-CU和gNB-DU通過F1邏輯接口連接。
在這里插入圖片描述

圖3：gNB Overall architecture

一般來說一個gNB-DU只連接一個gNB-CU。但是為了實(shí)現(xiàn)的靈活性，每個gNB-DU也可能連接到多個gNB-CU。

一個gNB CU中的控制面和用戶面是分離。一般只有一個CP，但是允許有多個UP。要注意的是，gNB-CU及連接的若干gNB-DU作為一個整體邏輯gNB對外呈現(xiàn)的，只對其他的gNB和所相連的5GC可見。
在這里插入圖片描述

圖4：Overall architecture for separation of gNB-CU-CP and gNB-CU-UP

3GPP給了一種參考的網(wǎng)元部署方式?？紤]到了gNB間的XN連接，以及與核心網(wǎng)的NG連接。
在這里插入圖片描述

圖4：Example deployment of an Logical gNB/en-gNB

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（23.501）

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

5G系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用NFV/SDN以支持?jǐn)?shù)據(jù)連接和業(yè)務(wù)靈活部署, 促使基于業(yè)務(wù)的控制面網(wǎng)絡(luò)功能和概念互動:

  • 用戶面功能和控制面功能分離, 允許獨(dú)立的可擴(kuò)展性,可演進(jìn)性及可靈活部署.比如可選擇采用集中式或者分布式的方式.
  • 功能設(shè)計(jì)模塊化, 比如采用靈活高效的網(wǎng)絡(luò)切片.
  • 無論在什么地方適用,都可以將相應(yīng)的過程(網(wǎng)絡(luò)功能之間的互動)定義為業(yè)務(wù), 以便可以復(fù)用他們.
  • 如果有需要都可以使相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)功能和其他的NF互動. 5G結(jié)構(gòu)并沒有排除中間功能幫助路由控制面信息. (比如 DRA).
  • 縮小接入網(wǎng)絡(luò)(AN)和核心網(wǎng)絡(luò)(CN)的依賴性.這個結(jié)構(gòu)是一個公共接入網(wǎng)AN連接匯聚的核心網(wǎng). 而AN可以是不同的接入類型比如3GPP接入網(wǎng)和non-3GPP接入網(wǎng).
  • 支持統(tǒng)一的鑒全架構(gòu).
  • 支持 “stateless” 網(wǎng)絡(luò)功能NF, 這些網(wǎng)絡(luò)功能的計(jì)算資源和存儲資源解耦.
  • 支持能力開放
  • 同時支持本地和集中化的業(yè)務(wù). 為了支持低延遲業(yè)務(wù)并訪問本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),用戶面功能部署需要盡可能的靠近介入網(wǎng)絡(luò)AN.
  • 在VPLMN支持基于LBO和歸屬地路由的漫游方式.

2.2 設(shè)計(jì)的功能實(shí)體

5G系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義了如下網(wǎng)元功能實(shí)體 (NF)：

  • UE: 用戶終端設(shè)備User Equipment (UE)
  • RAN: 接入網(wǎng)絡(luò)(Radio) Access Network (RAN)
  • AMF: 接入及移動性管理功能Access and Mobility Management Function
  • UPF: 用戶面功能User plane Function (UPF)
  • AUSF: 鑒權(quán)服務(wù)功能Authentication Server Function
  • DN: 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)Data Network (DN), 比如運(yùn)營商業(yè)務(wù)，互聯(lián)網(wǎng)接入或者第三方業(yè)務(wù)等。
  • UDFS: 非結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)存儲功能Unstructured Data Storage Function
  • NEF: 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)呈現(xiàn)功能Network Exposure Function (NEF)
  • NRF: 網(wǎng)元數(shù)據(jù)倉庫功能NF Repository Function (NRF)
  • NSSF: 網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能Network SliceSelection Function (NSSF)
  • PCF: 策略控制功能Policy Control function (PCF)
  • SMF: 進(jìn)程管理功能Session Management Function (SMF)
  • UDM: 統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能Unified Data Management (UDM)
  • UDR: 統(tǒng)一數(shù)據(jù)倉庫功能Unified Data Repository (UDR)
  • AF: 應(yīng)用層功能Application Function (AF)
  • EIR: 5G設(shè)備標(biāo)識注冊設(shè)備5G-Equipment Identity Register (5G-EIR)

2.3 設(shè)計(jì)的接口

2.3.1 基于業(yè)務(wù)service-based，控制面相關(guān)的網(wǎng)元功能實(shí)體能夠授權(quán)其他網(wǎng)元來訪問它的業(yè)務(wù)。

5G系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中包含如下基于業(yè)務(wù)service-based的接口

  • Namf: Service-basedinterface exhibited by AMF.
  • Nsmf: Service-basedinterface exhibited by SMF.
  • Nnef: Service-basedinterface exhibited by NEF.
  • Npcf: Service-basedinterface exhibited by PCF.
  • Nudm: Service-basedinterface exhibited by UDM.
  • Naf: Service-basedinterface exhibited by AF.
  • Nnrf: Service-basedinterface exhibited by NRF.
  • Nnssf: Service-basedinterface exhibited by NSSF.
  • Nausf: Service-basedinterface exhibited by AUSF.
  • Nudr: Service-basedinterface exhibited by UDR.
  • Nudsf: Service-based interfaceexhibited by UDSF.
  • N5g-eir: Service-based interface exhibited by 5G-EIR.

2.3.2 基于參考點(diǎn)reference point ，點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)元功能業(yè)務(wù)之間互作用點(diǎn)。

5G結(jié)構(gòu)中定義了如下參考點(diǎn)：

  • N1: Referencepoint between the UE and the AMF.
  • N2: Referencepoint between the ?AN and the AMF.
  • N3: Referencepoint between the ?AN and the UPF.
  • N4: Referencepoint between the SMF and the UPF.
  • N6: Referencepoint between the UPF and a Data Network.
  • N9: Referencepoint between two UPFs.
  • N5: Referencepoint between the PCF and an AF.
  • N7: Referencepoint between the SMF and the PCF.
  • N8: Referencepoint between the UDMand the AMF.
  • N10: Referencepoint between the UDM and the SMF.
  • N11: Reference point between the AMF andthe SMF.
  • N12: Reference point between AMF andAUSF.
  • N13: Reference point between the UDM andAuthentication Server function the AUSF.
  • N14: Reference point between two AMFs.
  • N15: Referencepoint between the PCF and the AMF in case of non-roaming scenario, PCF in thevisited network and AMF in case of roaming scenario.
  • N16: Reference point between two SMFs,(in roaming case between SMF in the visited network and the SMF in the homenetwork).
  • N17: Referencepoint between AMF and 5G-EIR.
  • N18: Referencepoint between any NF and UDSF.
  • N22: Reference pointbetween AMF and NSSF.
  • N24: Referencepoint between the PCF in the visited network and the PCF in the home network.
  • N27: Reference pointbetween NRF in the visited network and the NRF in the home network.

2.3.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

  • 非漫游情況下基于業(yè)務(wù)接口的5G系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
    在這里插入圖片描述

  • 非漫游情況下使用參考點(diǎn)的5G系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下，此圖展現(xiàn)網(wǎng)元功能之間相互作用。和其他傳統(tǒng)的蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)理解思路類似。
    在這里插入圖片描述

  • 非漫游條件下UE使用多個PDU Session同時接入兩個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的情況。此圖使用參考點(diǎn)來展示了為多個PDU Session選用兩個SMF的場景。在這種情況下每個SMF也能夠?yàn)橐粋€PDU Session來控制local和central的UPF。
    在這里插入圖片描述

  • 非漫游場景下使用單一PDU session同時接入兩個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò) (local andcentral)的結(jié)構(gòu)。
    在這里插入圖片描述

  • 漫游場景的系統(tǒng)圖很多，也很復(fù)雜，詳見23.501

  • 非3gpp接入的看一個圖，其他情況詳見23.501
    在這里插入圖片描述

  • 5GC和EPC互操作的結(jié)構(gòu)，看一下非漫游場景，其他場景見23.501
    在這里插入圖片描述

三、協(xié)議棧

3.1 5G-AN和5GC的接口(N2)

NG-AP協(xié)議定義在38.413中，SCTP協(xié)議定義在RFC 4960。

在這里插入圖片描述

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N2-SM消息是NG-AP消息的一部分，這部分消息由AMF負(fù)責(zé)透傳。從接入網(wǎng)的角度N2-SM消息終結(jié)于AMF。

3.2 XN接口

3.3 空口

在這里插入圖片描述

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3.4 UE和5GC接口

N1 NAS信令的終結(jié)點(diǎn)為UE和AMF，一個NAS信令連接用于注冊管理/連接管理(RM/CM)和會話管理（SM）。NAS協(xié)議由NAS-MM和NAS-SM兩部分組成；此外UE和5GC間還有多個其它協(xié)議（SM、SMS、UE policy、LCS等），這都協(xié)議都是通過N1 NAS-MM進(jìn)行透傳的。

RM/CM NAS消息和其它類型的NAS消息是解耦的，也就是AMF負(fù)責(zé)RM/CM，其它的消息就透傳給對應(yīng)的模塊去處理。

位于AMF的NAS-MM負(fù)責(zé)：
1）維護(hù)處理RM/CM的狀態(tài)和對應(yīng)流程處理，
2）提供安全的NAS消息傳輸通道（也即NAS層的加密和完保），
3）透傳其它類型的NAS消息（SM、SMS、UE Policy、LCS）。

如果UE同時通過3GPP和non-3GPP接入網(wǎng)接入5GC，那么每個接入模式下都有一個N1 NAS信令連接。
在這里插入圖片描述

3.4.1 UE—AMF

在這里插入圖片描述
NAS-MM: NAS-MM協(xié)議負(fù)責(zé)注冊管理、連接管理、用戶面連接的激活和去激活操作，負(fù)責(zé)NAS消息的加密和完保。5G NAS協(xié)議定義在 TS 24.501.

5G-AN Protocol layer: 接入網(wǎng)的協(xié)議棧取決于具體的接入網(wǎng)類型；如果從eNB接入，則對應(yīng)的空口協(xié)議棧定義在TS36.300，如果從gNodeB接入，則對應(yīng)的空口協(xié)議定義在TS38.300，如果從non-3GPP網(wǎng)絡(luò)接入，則對應(yīng)的協(xié)議棧定義在TS23.501 8.2.4章節(jié)。

3.4.2 UE—SM

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NAS-SM: NAS-SM消息支持用戶面PDU會話的建立、修改、釋放；NAS-SM消息通過AMF傳輸，且其對AMF是透明的（也就是AMF負(fù)責(zé)透傳SM消息、不對其進(jìn)行解析處理）。具體的消息和流程見于協(xié)議TS 24.501。

3.4.2 UE PDU會話的用戶面協(xié)議棧

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N3口使用GTP-U協(xié)議，這和3G/4G一樣，GTP-U定義于TS29.281；5G-AN用戶面協(xié)議棧取決于具體的接入網(wǎng)類型。

3.5 F1接口協(xié)議

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3.6 non-3GPP接入

在這里插入圖片描述

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IKEv2見于RFC7296《Internet Key Exchange Protocol Version 2》

3.7 5GC—5GC

5GC內(nèi)部網(wǎng)元之間的接口為SBI接口，采用HTTP服務(wù)的形式。SBI接口有：Namf, Nsmf, Nudm, Nnrf, Nnssf, Nausf, Nnef, Nsmsf, Nudr, Npcf, N5g-eir, Nlmf。
在這里插入圖片描述

上圖就是SBI協(xié)議棧（圖片來源TS29.500 5.1章節(jié)），采用互聯(lián)網(wǎng)常用的HTTP/TCP協(xié)議，HTTP/2請參考RFC 7540。

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