5G基础学习1、5G网络架构、网络接口及协议栈
最后更新：2022-08-02 10:14:34 手机定位技术交流文章
1/5G全局网络架构
5G网络架构在宏观上分为两个部分:输入网络和核心网络;5G输入层是NG-RAN(NR),由5G基地站(gNB)组成;5G核心网络由控制侧(AMF)和用户侧(UPF)分开。
图1基于5G的IoT架构
2,5G网络接口和无线协议堆栈
2.15G网络接口及协议
5G网络接口分为Xn和NG接口。
图25G网络接口拓扑图
表15G网络接口功能和协议
图35G网络接口协议堆
2.2 5G无线端到端协议堆栈
1、5G无线协议栈
图45G无线网络协议堆
SDAP: QoS流量和无线载体映射。
2,5G端到端控制表面协议堆栈
图55G端到端网络控制表面协议堆栈
3/5G端到端用户端协议堆栈
图65G端到端网络用户界面堆栈
因此,5G中的重要港口包括:NG2、NG3、NG6、NG9和NG11。
新3/5G核心网络架构
5GC基于服务架构(网络功能服务分离)和SDN/NFV框架(网络云),结合网络芯片(端到端逻辑专用网络),边缘计算,5G非公共网络(NPN),5G本地区域网络等。实现网络架构开放性 、 网络要素虚拟化 、 资源灵活性部署和定制场景应用.
5G核心网络必须满足低延误业务处理的时效要求。 5G核心网络控制表面的逻辑功能进一步分开,AMF和SMF被分成两个逻辑节点,网络用户表面进一步被淹没,如图7所示。
与4G网络架构相比,5G网络使用者的接口和服务保持不变,控制侧则从资讯科技观念中提取,采用服务网络架构,网络功能分解为模块化网络服务,接口采用服务网络接口,实现网络功能的灵活定制。
图75G核心网络控制线逻辑功能
表25G核心网络元素及其功能
| 5G网元 | 功能描述 | 与4G网络的关联 |
|---|---|---|
| AMF(Access and Mobility Management Function) | NG1、NG2接口终止;移动管理、SM消息路由;访问识别、安全锚点功能(SEA);安全上下文管理功能(SCM) | 类似MME |
| SMF（Session Management Function） | 对话管理(创建、修改、发布等),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） | 用于移动的用户飞机内RAT锚点业务处理功能(锚点功能);数据消息路由、数据传输、检测和QoS映射和执行;上游链路的识别和数据网络的路由(交通统计和上游报告);下游数据缓存和上游链路数据到达通知开始 | 类似PGW-U |
| UDM（Unified Data Management） | 生成为AKA过程所需的数据;登记数据管理、用户识别处理、短消息管理;支持ARPF | 类似HSS |
| AUSF（Authentication Server Function） | 生成授权服务器的授权向量,并实现用户授权和认证 | HSS中的Auc类函数 |
| 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） | 收集、分析和重组网络能力 | 类似SCEF |
| NRF（NF Repository Function | 业务发现从NF实例接收您的发现请求,并向NF实例提供找到的NF实例信息 | 新网络,类似增强的DNS |
5G核心网络的发展趋势是分散和云化。其最终的架构演化分为两个阶段:核心网络设备虚拟化和架构云化。主要特点为VNF层级架构、静态网络芯片组和硬件分离等;2、原型云架构和核心网络元云化;包括EPC、IMS等。动态端到端芯片主要面向业务,控制和用户侧的分离,功能模块的原子化.
4G及5G互联网接入新架构
4.14G至5G基地站的发展
图84G到5G基地站的演化
4.25G基站gNB的功能
表35G基地站的功能
| 关键功能 | IP头压缩、数据加密和完整性保护;用户端数据路由到UPF;控制端路由到AMF;网络芯片支持;支持双向连接; QoS流量管理和向DRB映射;(类似细流水管,通过SDAP处理(图4无线协议堆栈)支持UE RRC_INACTIVE状态;NAS消息传输; |
|---|---|
| 其他 | 无线资源管理:无线载荷控制、无线访问控制、动态资源分配、连接流动控制;AMF选择;连接建立和发布;呼叫消息和系统广播消息;测量和测量报告配置; |
其他
无线资源管理: 无线负载控制 、 无线访问控制 、 动态资源分配 、 连接移动控制;
AMF选择；
连接建立和释放；
调用消息和系统广播消息的配置和传输;
测量和测量报告的配置;
4.3 CU-DU的部署
根据3GPP，5G的BBU功能被重组为两个功能实体,中央单元CU和分布单元DU。控制中心为多个操作提供灵活的扩展能力,为mMTC提供高效的处理能力;DU更接近用户,以满足浦路斯理工有限公司的业务需要。CU与DU按处理内容的实时性进行区分：
CU的全称是Centralized Unit，顾名思义就是集中单元；DU的全称是Distributed Unit，含义自然就是分布单元了。
CU:主要包括非实时无线高级别协议堆栈功能,同时支持一些核心网络下游和边缘应用程序操作的部署。
DU:它主要处理2层函数的物理层函数和实时需求(图4),考虑在RRU和DU之间节省传输资源,一些物理层函数也可以转移到RRU实现中。
图9CU-DU分离结构
CU和DU的部署形态多样性,方案1主要用于URLCC场景,有理想前传，可有效控制时延。选项2可用于eMBB场景,有理想前传条件，兼容FWA和mMTC场景。方案3与方案2相似,但方案3没有理想的前身,DU和AAU需要在一个位置上置。方案4可用于小站，热点覆盖场景。
图10 CU-DU部署表格
切削CU和DU是根据不同协议层的实时要求进行的。在这样的原则下，将原型BBU的物理基底浸入AAU,高物理高度满足实时要求,MAC，RLC层在 DU中进行处理,低实时需求的PDCP和RRC层在CU中处理。
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的比较
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