5G系统架构及关键技术

2020-10-12 来源:广东省电信规划设计院有限公司 王劲

一、5G系统架构模型

5G的系统架构可以通过两种架构模型来体现,一种是服务化架构视图,另一种是参考点视图。

2017 5 月,在3GPP SA2 的第121 次会议中,确定了服务化架构(Service Based ArchitectureSBA)作为5G的基础架构。服务化架构是云化架构的进一步演进,是对应用层逻辑网元和架构的进一步优化,把各网元的能力通过服务进行定义,并通过应用程序编程接口(Application Programming InterfaceAPI)形式供其他网元进行调用,进一步适配底层基于NFVSDN等技术的原生云基础设施平台。非漫游场景5G 架构服务化架构示意如图1所示。

图1 非漫游场景5G架构服务化架构示意

1  NSSFNetwork Slice Selection Function,网络切片选择功能)。

2  NEFNetwork Exposure Function,能力开放功能)。

3  NRFNF Repository Function,网络储存功能)。

4  PCFPolicy Control Function,策略控制功能)。

5  UDMUnified Data Management,统一数据管理)。

6  AFApplication Function,应用功能)。

7  AUSFAuthentication Server Function,认证服务器功能)。

8     AMFAccess and Mobility Management Function,接入及移动性管理功能)。

9     SMFSession Management Function,会话管理功能)。

10   UEUser Equipment,用户设备)。

11 RAN((RadioAccess Network,(无线)接入网)。

12 UPFUser Plane Function,用户面功能)。

13 DNData Network,数据网络)。

  在5G服务化网络架构中,控制面功能被分解成多个独立的网络功能(Network FunctionNF)。例如,接入及移动性管理功能(Access and  Mobility Management FunctionAMF)、会话管理功能(Session Management FunctionSMF)。这些NF可以根据业务需求进行合并。例如,合并为统一数据管理(Unified Data ManagementUDM+ 认证服务器功能(Authentication Server FunctionAUSF),即UDM+AUSFNF间在业务功能上解耦,对外呈现单一的服务化接口。NF的注册、发现、授权、更新、监控等由网络存储功能(NF Repository FunctionNRF)负责。NF相互独立,在新增或升级某一个NF的过程中,其余的NF不受影响,只需要NRF针对单个NF进行更新即可。相比现有的紧耦合网络控制功能,服务化的控制面架构通过NF的灵活编排大大简化了新业务的拓展及上线流程,通过服务的注册、发现和调用,构建NF间的基本通信框架,为5G核心网新功能的部署提供了即插即用式的便捷方式。通过NRF进行服务的注册、发现和API调用示意如图2所示。

2 通过NRF进行服务的注册、发现和API调用示意

服务化结构提供了基于服务化的调用接口,3GPPR15选定的SBA接口协议栈为传输控制协议(Transmission Control ProtocolTCP+ 超文本传输协议(Hyper Text Transfer ProtocolHTTP+ 表述性状态转移(Representational State TransferRestful+JS对象简谱(Java Script Object NotationJSON+ 开放应用编程接口(Open Application Programing InterfaceOpenAPI),即TCP+HTTP 2.0+Restful+JSON+OpenAPI 3.0。基于TCP/HTTP 2.0进行通信,使用JSON作为应用层通信协议的封装,基于TCP/HTTP 2.0/JSON的调用方式,使用轻量化IT技术框架,以适应5G网络灵活组网、快速开发、动态部署的需求。SBA的协议将持续优化,如HTTP 2.0承载于IETF QUIC/UDP、采用二进制编码方法(例如,二进制对象展现(Concise Binary Object RepresentationCBOR))等是后续演进的可能的技术方向。

参考点视图方式主要用于表现网络功能之间的互动关系,在说明业务流程时更为直观。非漫游场景5G架构参考点示意如图3 所示。

3 非漫游场景5G架构参考点示意

1  NSSFNetwork Slice Selection Function,网络切片选择功能)。

2  AUSFAuthentication Server Function,认证服务器功能)。

3  UDMUnified Data Management,统一数据管理)。

4  AMFAccess and Mobility Management Function,接入及移动性管理功能)。

5  SMFSession Management Function,会话管理功能)。

6  PCFPolicy Control Function,策略控制功能)。

7  AFApplication Function,应用功能)。

8  UEUser Equipment,用户设备)。

9    RAN((RadioAccess Network,(无线)接入网)。

10 UPFUser Plane Function,用户面功能)。

11 DNData Network,数据网络)。

二、主要接口介绍

1.NG接口

NG接口是无线接入网与核心网的接口, 包括NG控制(NG-ControlNGC)接口和NG用户(NG-UserNGU)接口两种,分别为5G无线接入网和5G核心网间的控制接口和数据接口。NGC接口,即N2接口,是5G无线接入网与5G核心网控制面接口。NGC接口协议栈如图4 所示。

4 NGC 接口协议栈

1 IPInternet Protocol,互联网协议层)。

2 DLLData Link Layer,数据链路层)。

3 PLPhysical Layer,物理层)。

传输网络层建立在IP 传输之上。为了可靠地传输信令消息,在IP之上添加流控制传输(Stream Control Transmission ProtocolSCTP)。应用层信令协议称为NG应用协议(NG Application ProtocolNGAP)。SCTP层提供有保证的应用层消息传递。在传输中,IP层点对点传输用于传递信令分组数据单元(Packet Data UnitPDU)。

NGC 接口提供以下8 项功能,具体描述如下。

1NG 接口管理

确保定义NG 接口操作的开始(复位)。

2UE 上下文管理

UE上下文管理功能允许AMFNG-RAN节点中建立、修改或释放UE上下文。

3UE 移动性管理

ECM-CONNECTED 中的UE移动性功能包括用于支持NG-RAN内的移动性的系统内切换功能和用于支持来自/ EPS 系统的移动性系统间切换功能。它包括通过NG 接口准备、执行和完成切换。

4NAS 消息的传输

非接入层(Non-Access StratumNAS)信令传输功能提供用于通过NG接口传输或重新路由特定UE NAS 消息(例如,用于NAS移动性管理)的装置。

5)寻呼

寻呼功能支持向寻呼区域中涉及的NG-RAN节点发送寻呼请求。

6PDU 会话管理

一旦UE 上下文在NG-RAN节点中可用, 协议数据单元(Protocol Data UnitPDU)会话功能负责建立、修改和释放所涉及的PDU会话NG-RAN资源,以用于用户数据的传输。

7)配置专业

配置传递功能是允许经由核心网络在两个RAN节点之间请求和传送RAN配置信息(例如,SON消息)的通用机制。

8)告警信息传输

NGU接口,即N3接口,是5G无线接入网与5G核心网转发面接口。NGU接口的协议栈如图5所示。传输网络层建立在IP 传输上,GPRS隧道协议用户面(GPRS Tunnelling Protocol-UserGTP-U)用于用户数据报协议(User Datagram ProtocolUDP/IP 之上,承载NG-RAN节点和UPF之间的用户平面PDUNGU用户面接口在NG-RAN节点和UPF节点之间提供无保证(UDP)的用户平面PDU传送。

5 NGU 接口的协议栈

1 User Plane PDUs,用户面协议数据单元。