5G 網絡架構（核心網）總結

1.網絡組成與設計原則

1.1 組成

主要包括：接入網、承載網、核心網和空口


接入網是“窗口”，負責把數據收上來；承載網是“卡車”，負責把數據送來送去；核心網呢，就是“管理中樞”，負責管理這些數據，對數據進行分揀，然後告訴它，該去何方。

本文主要對5G核心網架構進行總結整理。

1.2 5G網絡架構設計的原則

四個原則：

1. 靈活：不同業務要求（超高可靠、超低時延）、以用戶爲中心的組網（個人、企業、M2M），更快的功能引入
2. 高效：更低的數據傳輸成本，易於擴展；簡化狀態、信令
3. 智能：資源自動分配和調整，網絡自配置，自優化
4. 開放：網元突破軟硬件耦合的限制；網絡能力向第三方開放打造新的生態環境，創新盈利點

四維架構 （4D-Architecture）

1. 轉發分離化 （Seperated）：基站的C/U分離、網關的控制轉發分離
2. 網絡虛擬化（Virtualized）：小區邏輯虛擬化，網元功能虛擬化
3. 功能模塊化（Modularized）：網元功能原子/模塊化，按需組合
4. 部署分佈化（Distributed）：支持分佈式的網元部署，內容分佈更靠近用戶

2. 5G核心網架構

2.1 架構介紹

相比於2/3/4G，5G核心網架構的網絡邏輯結構徹底改變了。2018年，我國提出了**SBA（Service Based Architecture，基於服務的架構）**的概念，將網絡功能定義爲多個相對獨立可被靈活調用的服務模塊。5G網絡採用開放的服務化架構（SBA），NF（Network Function，網絡功能）以服務的方式呈現，任何其他NF或者業務應用都可以通過標準規範的接口訪問該NF提供的服務SBA架構下。

（1） 非漫遊時的5G系統架構參考模型（基於業務，SAB）：

採用的是基於業務接口(service-based)的表現形式，也叫SBA架構。圖中的Nxxx就是基於業務的接口SBI(servec based interface)，採用HTTP/TCP協議。

服務化架構是在控制面採用API能力開放形式 進行信令的傳輸，在傳統的信令流程中，很多的消息在不同的流程中都會出現，將相同或相似的消息提取出來以API能力調用的形式封裝起來，供其它網元進行訪問，服務化架構將摒棄隧道建立的模式，傾向於採用HTTP協議完成信令交互。

（2）非漫遊下5G系統的架構模式（基於參考點）：

採用參考節點的表現形式，這是最基本的架構。

5G網絡架構借鑑IT系統服務化和微服務化架構的成功經驗，通過模塊化實現網絡功能間的解耦和整合，解耦後的網絡功能可獨立擴容、獨立演進、按需部署；控制面所有NF之間的交互採用服務化接口，同一種服務可以被多種NF調用，降低NF之間接口定義的耦合度，最終實現整網功能的按需定製，靈活支持不同的業務場景和需求。

2.2 5G核心網網元介紹

（1）AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移動管理功能）是接入和移動性管理功能實體，AMF可以類比於4G的MME。AMF的主要功能有：

• RAN信令接口（N2）的終結點，NAS（N1）信令（MM消息）的終結點；
• 負責NAS消息的加密和完整性保護，負責註冊、接入、移動性管理、鑑權、短信等功能；
• 此外在和EPS網絡交互時還負責Eps Bearer Id的分配。

（2）SMF（Session Management Function，會話管理功能）是會話管理功能實體。SMF的主要功能有：

• NAS消息的SM消息的終結點；
• 會話（session）的建立、修改、釋放；
• UE IP的分配管理；
• DHCP功能；
• ARP代理或IPv6鄰居請求代理（Ethernet PDU場景下）；
• 爲一個會話選擇和控制UPF；
• 計費數據的收集以及支持計費接口；
• 決定一個會話的SSC模式；
• 下行數據指示。

（3）UPF（User Plane Function，用戶面管理功能）是用戶面功能實體，其類似於4G下的GW（SGW+PGW）。最主要的功能是負責數據包的路由轉發、Qos流映射。

• 用於RAT內/RAT間移動性的錨點（適用時）。
• 外部 PDU 與數據網絡互連的會話點。
• 分組路由和轉發（例如，支持上行鏈路分類器以將業務流路由到數據網絡的實例，支持分支點以支持多宿主PDU會話）。
• 數據包檢查（例如，基於服務數據流模板的應用流程檢測以及從SMF接收的可選PFD）。
• 用戶平面部分策略規則實施，例如門控，重定向，流量轉向）。
• 合法攔截（UP收集）。
• 流量使用報告。
• 用戶平面的QoS處理，例如UL/DL速率實施，DL中的反射QoS標記。
• 上行鏈路流量驗證（SDF到QoS流量映射）。
• 上行鏈路和下行鏈路中的傳輸級分組標記。
• 下行數據包緩衝和下行數據通知觸發。
• 將一個或多個“結束標記”發送和轉發到源NG-RAN節點。
  注意：並非所有UPF功能都需要在網絡切片的用戶平面功能的實例中得到支持。

（4）PCF（Policy Control Function，策略控制功能）爲策略控制功能實體。支持統一的策略框架並管理網絡行爲，向網絡實體提供策略規則，訪問統一數據倉庫（UDR）的訂閱信息，PCF只能訪問和其相同PLMN的NDR。

（5）NEF（Network Exposure Function，網絡業務呈現功能）是網絡呈現功能實體。NEF的主要功能有：

• 3GPP的網元都是通過NEF將其能力呈現給其它網元的；
• NEF將相關信息存儲到NDR中、也可以從NDR獲取相關的信息，NEF只能訪問和其相同PLMN的NDR；
• NEF提供相應的安全保障來保證外部應用到3gpp網絡的安全；
• 3GPP內部和外部相關信息的轉換，例如AF-Service-Identifier和5G核心網內部的DNN、S-NSSAI等的轉換，尤其是網絡和用戶敏感信息一定要對外部網元隱藏；
• NEF可以通過訪問NDR獲取到其它網元的相關信息，NEF只能訪問和其相同PLMN的UDR。

（6）NRF（NF Repository Function，NF貯存功能）是網絡貯存功能實體。NRF的主要功能有：

• 支持業務發現功能，也就是接收網元發過來的NF-Discovery-Request，然後提供發現的網元信息給請求方；
• 維護可用網元實例的特徵和其支持的業務能力；
• 一個網元的特徵參數主要有：網元實例ID、網元類型、PLMN、網絡分片的相關ID（如S-NSSAI、NSI
  ID）、網元的IP或者域名、網元的能力信息、支持的業務能力名字等。

（7）UDM（Unified Data Manager，統一數據管理）的主要功能有：

• 產生3GPP鑑權證書/鑑權參數；
• 存儲和管理5G系統的永久性用戶ID（SUPI）；
• 訂閱信息管理；
• MT-SMS遞交；
• SMS管理；
• 用戶的服務網元註冊管理（比如當前爲終端提供業務的AMF、SMF等）。

（8）AUSF（Authentication Server Function，鑑權服務器功能）是鑑權服務器網元；支持3GPP接入的鑑權和untrusted non3GPP接入的鑑權。
（9）UDR（Unified Data Repository，統一數據倉庫），負責的主要功能有：

• UDM存儲訂閱數據或讀取訂閱數據；
• PCF存儲策略數據或者讀取策略數據；
• 存儲公開的數據或者從中讀取公開的數據；UDR和訪問UDR的NF具有相同的PLMN，也就是同一個網絡下，也即Nudr接口是一個PLMN內部接口。

（10）SMSF（SMS Function，短信功能）爲短信功能；
（11）（R）AN（Access Network）就是接入網，可以是3GPP的接入網（如LTE、5G-NR），也可以是non-3GPP的接入網（如常見的WiFi接入）。

3.5G核心網系統架構主要特徵

將5G核心網與4G核心網EPC進行比較，可以看出5G相比4G在基本功能如認證、移動性管理、連接、路由等方面不變，但是方式和技術手段發生了變化，更加靈活。主要體現在：移動性管理（AMF）和會話管理（SMF）分離，AMF和SMF的部署可層級分開；承載與控制分離，UPF和SMF的部署層級也可以分開；AMF和UPF根據業務需求、信令和話務流量以及傳輸資源靈活部署；採用服務化架構設計，網元功能進行了模塊化解耦，接口進行了簡化。總體上看，5C 核心網的組網更加靈活，但部署靈活性也對傳輸、以及網絡規劃、網絡運營管理等能力提出更高的要求。

5G核心網架構爲用戶提供數據連接和數據業務服務，基於NFV（Network Function Virtualization，網絡功能虛擬化）和 SDN（Software Defined Network，軟件定義網絡）等新技術，其控制面網元之間使用服務化的接口進行交互。5G核心網系統架構主要特徵如下：

1. 承載和控制分離：承載和控制可獨立擴展和演進，可集中式或分佈式靈活部署；
2. 模塊化功能設計：可以靈活和高效地進行網絡切片；
3. 網元交互流程服務化：按需調用，並服務可重複使用；
4. 每個網元可以與其他網元直接交互，也可通過中間網元輔助進行控制面的消息路由；
5. 無線接入和核心網之間弱關聯：5G核心網是與接入無關並起到收斂作用的架構，3GPP和非3GPP均通過通用的接口接入5G核心網；
6. 支持統一的鑑權框架；
7. 支持無狀態的網絡功能，即計算資源與存儲資源解耦部署；
8. 基於流的QoS：簡化了QoS架構，提升了網絡處理能力； 9) 支持本地集中部署的業務的大量併發接入， 用戶面功能可部署在靠近接入網絡的位置，以支持低時延業務、本地業務網絡接入。

4. 5G網絡邏輯架構

根據“IMT-2020(5G) 5G網絡技術架構白皮書”。

4.1 新型基礎設施平臺

實現5G新型設施平臺的基礎是網絡功能虛擬化(NFV)和軟件定義網絡(SDN) 技術。

• NFV技術通過軟件與硬件的分離，爲5G網絡提 供更具彈性的基礎設施平臺，組件化的網絡功 能模塊實現控制面功能可重構。NFV使網元功 能與物理實體解耦，採用通用硬件取代專用硬 件，可以方便快捷的把網元功能部署在網絡中 任意位置，同時對通用硬件資源實現按需分配 和動態伸縮，以達到最優的資源利用率。
• SDN 技術實現控制功能和轉發功能的分離。控制功 能的抽離和聚合，有利於通過網絡控制平面從 全局視角來感知和調度網絡資源，實現網絡連 接的可編程。

4.2 邏輯架構

爲了滿足業務與運營需求，5G接入網與核心網功能需要進一步增強。接人網和核心網的邏輯功能界面清晰，但是部署方式卻更加靈活，甚至可以融合部署。

• 5G接入網是一個滿足多場景的以用戶爲中心的多層異構網絡。宏站和微站相結合，統一容納空口多種接入技術，提升小區邊緣協同處理效 率，提高無線和回傳資源利用率。5G無線接入網 由孤立的接入“盲”管道轉向支持多接人和多連 接、分佈式和集中式、自回傳和自組織的複雜網 絡拓撲，並且具備無線資源智能化管控和共享能 力，支持基站的即插即用。
• 5G核心網需要支持低時延、大容量和高速率 的各種業務。能夠更高效的實現對差異化業務需 求的按需編排功能。核心網轉發平面進一步 簡化下沉，同時將業務存儲和計算能力從網絡中心下移到網絡邊緣，以支持高流量和低時延的業務要 求，以及靈活均衡的流量負載調度功能。

5G網絡邏輯架構如下圖所示：

新型5G網絡架構包含接入、控制和轉發三個功能平面。控制平面主要負責全局控制策略的生成，接人平面和轉發平面主要負責策略執行。

• 接入平面
  包含各種類型基站和無線接入設備。基站間交互能力增強，組網拓撲形式豐富，能夠實現快速靈活的無線接入協同控制和更高的無線資源利用率。
• 控制平面
  通過網絡功能重構，實現集中 的控制功能和簡化的控制流程，以及接人和轉發資源的全局調度。面向差異化業務需求，通過按需編排的網絡功能， 提供可定製的網絡資源，以及友好的能 力開放平臺。
• 轉發平面
  包含用戶面下沉的分佈式網關，集成邊緣內容緩存和業務流加速等功 能，在集中的控制平面的統一控制下，數據轉發效率和靈活性得到極大提升。

參考鏈接：https://www.jianshu.com/p/f9c013ac8eff