5G網(wǎng)元結(jié)構(gòu)和協(xié)議棧
2018年11月23日 00:13:50?四平馬?閱讀數(shù)：141
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本文參考3GPP協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)文章整理而成，參考見?5G AN相關(guān)結(jié)構(gòu)及協(xié)議棧匯總、5G系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義桨螺、5G系統(tǒng)——協(xié)議棧
一竞思、基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
5G系統(tǒng)由接入網(wǎng)（AN）和核心網(wǎng)（5GC）組成（38.300）鱼填。若考慮NSA（非獨(dú)立組網(wǎng)）場(chǎng)景橘沥，則還需要考慮4G的網(wǎng)元臀晃。
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)觉渴。
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)。
各網(wǎng)元功能詳細(xì)描述太長(zhǎng)徽惋，具體見3gpp 38.300案淋，大致功能如下圖：
圖2：Functional Split between NG-RAN and 5GC
1.3 AN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（38.401）
每個(gè)邏輯gNB 由一個(gè)gNB-CU和若干個(gè)gNB-DU組成。每個(gè)gNB-CU和gNB-DU通過(guò)F1邏輯接口連接险绘。
圖3：gNB Overall architecture
一般來(lái)說(shuō)一個(gè)gNB-DU只連接一個(gè)gNB-CU踢京。但是為了實(shí)現(xiàn)的靈活性，每個(gè)gNB-DU也可能連接到多個(gè)gNB-CU隆圆。
一個(gè)gNB CU中的控制面和用戶面是分離漱挚。一般只有一個(gè)CP，但是允許有多個(gè)UP渺氧。要注意的是旨涝，gNB-CU及連接的若干gNB-DU作為一個(gè)整體邏輯gNB對(duì)外呈現(xiàn)的，只對(duì)其他的gNB和所相連的5GC可見侣背。
圖4：Overall architecture for separation of gNB-CU-CP and gNB-CU-UP
3GPP給了一種參考的網(wǎng)元部署方式白华。考慮到了gNB間的XN連接贩耐，以及與核心網(wǎng)的NG連接弧腥。
圖4：Example deployment of an Logical gNB/en-gNB
二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（23.501）
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(dòng):
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(wú)論在什么地方適用,都可以將相應(yīng)的過(guò)程(網(wǎng)絡(luò)功能之間的互動(dòng))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(dòng). 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(gè)結(jié)構(gòu)是一個(gè)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(chǔ)資源解耦.
支持能力開放
同時(shí)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(wèn)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.
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(dòng)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(yíng)商業(yè)務(wù)潮太，互聯(lián)網(wǎng)接入或者第三方業(yè)務(wù)等管搪。
UDFS: 非結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(cāng)庫(kù)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(cāng)庫(kù)功能Unified Data Repository (UDR)
AF: 應(yīng)用層功能Application Function (AF)
EIR: 5G設(shè)備標(biāo)識(shí)注冊(cè)設(shè)備5G-Equipment Identity Register (5G-EIR)
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 更鲁，點(diǎn)對(duì)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.
非漫游情況下基于業(yè)務(wù)接口的5G系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
非漫游情況下使用參考點(diǎn)的5G系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下奇钞，此圖展現(xiàn)網(wǎng)元功能之間相互作用澡为。和其他傳統(tǒng)的蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)理解思路類似。
非漫游條件下UE使用多個(gè)PDU Session同時(shí)接入兩個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的情況景埃。此圖使用參考點(diǎn)來(lái)展示了為多個(gè)PDU Session選用兩個(gè)SMF的場(chǎng)景媒至。在這種情況下每個(gè)SMF也能夠?yàn)橐粋€(gè)PDU Session來(lái)控制local和central的UPF。
非漫游場(chǎng)景下使用單一PDU session同時(shí)接入兩個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò) (local andcentral)的結(jié)構(gòu)谷徙。
漫游場(chǎng)景的系統(tǒng)圖很多拒啰，也很復(fù)雜，詳見23.501
非3gpp接入的看一個(gè)圖完慧，其他情況詳見23.501
5GC和EPC互操作的結(jié)構(gòu)图呢，看一下非漫游場(chǎng)景，其他場(chǎng)景見23.501
NG-AP協(xié)議定義在38.413中蛤织，SCTP協(xié)議定義在RFC 4960赴叹。
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?jìng)髦秆痢慕尤刖W(wǎng)的角度N2-SM消息終結(jié)于AMF乞巧。
N1 NAS信令的終結(jié)點(diǎn)為UE和AMF，一個(gè)NAS信令連接用于注冊(cè)管理/連接管理(RM/CM)和會(huì)話管理（SM）摊鸡。NAS協(xié)議由NAS-MM和NAS-SM兩部分組成绽媒；此外UE和5GC間還有多個(gè)其它協(xié)議（SM、SMS免猾、UE policy是辕、LCS等），這都協(xié)議都是通過(guò)N1 NAS-MM進(jìn)行透?jìng)鞯摹?/p>
RM/CM NAS消息和其它類型的NAS消息是解耦的猎提，也就是AMF負(fù)責(zé)RM/CM获三，其它的消息就透?jìng)鹘o對(duì)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(duì)應(yīng)流程處理锨苏，
2）提供安全的NAS消息傳輸通道（也即NAS層的加密和完保）疙教，
3）透?jìng)髌渌愋偷腘AS消息（SM、SMS伞租、UE Policy贞谓、LCS）。
如果UE同時(shí)通過(guò)3GPP和non-3GPP接入網(wǎng)接入5GC葵诈，那么每個(gè)接入模式下都有一個(gè)N1 NAS信令連接裸弦。
NAS-MM: NAS-MM協(xié)議負(fù)責(zé)注冊(cè)管理、連接管理作喘、用戶面連接的激活和去激活操作理疙，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)類型徊都；如果從eNB接入，則對(duì)應(yīng)的空口協(xié)議棧定義在TS36.300广辰，如果從gNodeB接入暇矫，則對(duì)應(yīng)的空口協(xié)議定義在TS38.300，如果從non-3GPP網(wǎng)絡(luò)接入择吊，則對(duì)應(yīng)的協(xié)議棧定義在TS23.501 8.2.4章節(jié)李根。
NAS-SM: NAS-SM消息支持用戶面PDU會(huì)話的建立、修改几睛、釋放房轿；NAS-SM消息通過(guò)AMF傳輸，且其對(duì)AMF是透明的（也就是AMF負(fù)責(zé)透?jìng)鱏M消息、不對(duì)其進(jìn)行解析處理）囱持。具體的消息和流程見于協(xié)議TS 24.501夯接。
3.4.2 UE PDU會(huì)話的用戶面協(xié)議棧
N3口使用GTP-U協(xié)議，這和3G/4G一樣纷妆，GTP-U定義于TS29.281盔几；5G-AN用戶面協(xié)議棧取決于具體的接入網(wǎng)類型。
IKEv2見于RFC7296《Internet Key Exchange Protocol Version 2》
5GC內(nèi)部網(wǎng)元之間的接口為SBI接口掩幢，采用HTTP服務(wù)的形式逊拍。SBI接口有：Namf, Nsmf, Nudm, Nnrf, Nnssf, Nausf, Nnef, Nsmsf, Nudr, Npcf, N5g-eir, Nlmf。
上圖就是SBI協(xié)議棧（圖片來(lái)源TS29.500 5.1章節(jié)）际邻，采用互聯(lián)網(wǎng)常用的HTTP/TCP協(xié)議芯丧，HTTP/2請(qǐng)參考RFC 7540。
