5G 网络架构与网元设备

5G 网络架构与网元设备

• 移动通信的整体架构分为接入网、核心网和传输网。
• 接入网指基站构成的网络。
• 核心网是网络的大脑，提供路由、网络鉴权、安全控制、漫游、承载建立、网络切换、寻呼、交换机功能和计费等重要功能。
• 核心网是理解整个网络架构的关键。

4G 网络架构回顾

• 手机连接 4G 接入网（基站网），再连接到核心网。
• 4G 核心网的设备以厂家专有硬件为主，如 MME、SGW、PGW 等，不同厂家设备不兼容。

5G 核心网的 SBA 架构

• 5G 核心网采用基于服务的架构（SBA, Service Based Architecture）。
• 包含两层逻辑：网络功能虚拟化（NFV）和微服务架构。

网络功能虚拟化 (NFV)

• 关注网络功能或服务，不关注底层硬件。
• 使用通用服务器（如惠普、IBM 等的 x86 平台）替代厂家专有硬件。
• 设备商基于 OpenStack 开源平台开发虚拟化平台。
• 核心网设备不再称为网元，而是 NF (Network Function)，类似于在硬件上运行的软件。

微服务架构

• 从 4G 的单体式架构演进而来，单体式架构是一个设备具有多个功能。
• 5G 中，多个设备承载单一功能，设备数量增多，但每个设备的功能减少。
• 优点是功能升级更灵活，可独立升级特定功能，无需改动整体。

5G 的 NSA 和 SA 场景

• NSA（Non-Standalone Access，非独立组网）：在 4G 网络中外挂 5G 基站，增强 4G 网络。
• 核心网为 4G 核心网，5G 基站连接到 4G 核心网，是不完全的 5G。
• 4G 网络上的 4G 基站称为锚点基站。
• SA（Standalone Access，独立组网）：核心网和基站都是独立的 5G 设备。
• 5G 有独立的核心网，支持大带宽、低时延、海量连接和网络切片等功能。
• SA 对 5G 的连续覆盖有较高要求，信号不好时需切换到 4G。
• 5G 核心网称为 5GC (5G Core Network)。
• 5G 基站称为 gNodeB (next generation NodeB)。

3GPP 的 5G 网络部署选项

• 3GPP 提供多种 5G 网络部署方案。
• NSA 方案包括 Option 3、3A、3X、7、7A、7X 等。
• SA 方案包括 Option 1、2、4、4A、5 等。
• 中国运营商主要采用 NSA 的 Option 3X 方案，部分地区部署 SA 的 Option 2 方案。

Option 3X 和 Option 3A 的区别

• 信令控制节点都在 4G 基站上。 数据分流节点不同：
  • Option 3A：核心网将数据转发到 4G 和 5G 基站。
  • Option 3X：核心网将数据送到 5G 基站，5G 基站选择直接发给手机或分一部分数据到 4G 基站。
• SA 的 Option 2：信令和数据都走 5G 基站，与 4G 无关。
• 5G 基站之间有 Xn 接口，可以相互传递信息和数据。
• NSA 是 5G 网络的过渡方案，SA 是终极方案。

5G 核心网架构：基于服务化架构

• 手机 (UE) 通过基站连接到核心网。
• 核心网的接口采用总线式架构，接口以 "N" + 网元名称命名。
• 总线式架构是因为核心网网元都是软件化定义的，类似于计算机网络架构。

核心网控制面和用户面分离

• 控制面：虚拟化的软定义。
• 用户面：可下沉到基站侧，更有利于边缘计算，降低网络时延。
• 边缘计算：信息处理离用户越近越好，减少数据往返时延。

用户面和控制面的理解

• 控制面：发号施令，如批准手机上网申请。
• 用户面：提供实际的数据通道，如建立手机到百度的数据通道。
• 类比：控制面是水龙头，用户面是管道。
• 总线式接口在协议中称为 SBI 接口，采用类似于 HTTP 协议的接口形式。
• 手机与基站之间的接口称为空中接口（空口），是一个电磁波通信，没有实体线路。

5G 核心网架构：基于参考点架构

• 与传统 2/3/4G 架构类似，基于各种接口。
• N1 接口：逻辑接口，传送 NAS（非接入层）消息，基站对数据不做处理，直接转发给 AMF。
• 设备之间的自连接接口：代表网络漫游，如不同网络之间的 UPF 连接，接口为 N9。

定义不同接口的意义

• 不同接口连接不同设备，每个接口连接的是不同的设备，不同的设备通信必须有相关的协议。
• 定义接口规定了设备之间使用的通信协议。
• 协议：确定数据包是否给特定设备、数据包大小、数据包格式、出错处理、数据加密方式和发送频率等。

核心网设备：AMF（接入与移动性管理功能）

• 重要设备，负责注册管理、网络连接、终端可达性、移动性管理、接入鉴权和授权等。
• 提供手机和 SMF 之间的消息传输 (N1 接口)。
• 提供手机和 SMSF 之间的短消息传输
• 核心是手机的接入和移动性管理。

核心网设备：SMF（会话管理功能）

• 非常核心的网元，负责绘画管理、IP 地址分配和管理、选择和控制 UPF、QoS 控制、计费数据收集和计费接口、下行链路通知等。
• 控制手机的任何业务，如上网、打电话等，必须经过 SMF 的允许。
• UPF：相当于路由器，SMF 管理 UPF。
• QoS (Quality of Service)：根据用户业务类型控制网络服务质量，如电话要求低时延，上网要求低误码。

计费流程

• SMF 收集计费信息 → CHF 产生话单 → OCS 在线计费系统根据用户使用量计费。
• SMF 仅提供原始计费数据，不负责实际计费。
• SMF 会进行下行链路通知，告诉手机准备接收数据。

核心网设备：UPF（用户面功能）

• 相当于路由器，负责分组数据的路由和转发。
• 作为移动性锚点，保证手机切换基站后 UPF 不变。
• 提供流量使用报告、用户面策略实施、限速、重定向和流量转发等。

核心网设备：PCF（策略控制功能）

• 提供接入和移动性相关的策略给 AMF，如限制手机漫游。
• 与用户套餐紧密相关，可设置特殊套餐策略。
• 提供会话相关的策略给 SMF，如无限流量策略。
• 提供网络切片策略。

核心网设备：UDM（统一数据管理功能）

• 存储用户基本信息和数据，如签约情况、标识管理、鉴权参数生成、网络功能体注册管理等。
• 存储 SUPI（用户永久标识），相当于 5G 网络用户的身份证号码。
• 存储 4G 核心网设备地址，方便 5G 往 4G 切换。
• 本质是类似于硬盘的存储器。

核心网设备：AUSF（鉴权服务功能）

• 支持 3GPP 和非 3GPP 的鉴权，如 WiFi 设备接入 5G 核心网时的鉴权。
• 与 UDM 和 AMF 配合完成完整的鉴权流程。
• 健全流程
• 手机开机后发申请到AMF
  • AMF 发识别码到 AUSF
  • AUSF 从 UDM 申请鉴权向量
  • UDM 提供四个参数（鉴权向量）
  • AUSF 运算得到变化版的参数发送给 AMF
  • AMF 把参数发给手机
  • 手机验证网络是否合法并计算 RES
  • 手机将 RES 上传给 AMF
  • AMF 和 AUSF 验证手机是否合法

核心网设备：AF（应用功能）

• 运营商内部功能或第三方服务器，是核心网的附加功能，可有可无。
• 如视频服务器、游戏服务器等。

核心网设备：NSSF（网络切片选择功能）

• 为 5G 网络提供网络切片功能。
• 选择为手机服务的网络切片实例集、确定允许的网络切片实例集，并映射到单独的网络切片上。

网络切片

• 类似于电脑上的虚拟机，共享硬件资源，逻辑上是独立的。
• 单独的网络切片叫做 SNSSAI，多个切片组合到一起就叫做 NSSAI（网络切片集）。
• NSSF 选择网络切片集，再在集里面选择具体的网络切片。

核心网设备：NEF（网络开放功能）

• 对外开放核心网的网络数据给外部应用。
• 保证核心网安全，相当于网络门卫。

核心网设备：NRF（网络存储功能）

• 网络网元需要在 NRF 上进行登记，包括管理和状态检测。
• 核心是通过网络切片，对AMF之类的设备进行管理

核心网总结

• 手机通过基站，经过相当于路由器的 UPF，连接到外部网络（如互联网）。
• AMF 负责接入网络的移动管理，与 AUSF 和 UDM 完成网络鉴权。
• SMF 控制用户业务的申请。
• PCF 提供策略控制，如与套餐相关的策略。
• AF 是附加的应用功能。
• UDM 类似于硬盘，存储用户数据。
• NEF 是网络门卫，负责网络开放时的安全。
• 网络存储及AUSF等和 网络切片有关

5G 基站的架构与组件

• 5G 基站由 BBU 和 AAU 组成。
• AAU 采用大规模阵列天线，性能优于 4G。
• 天线数量从 4 天线升级到 64 天线，带宽从 20 兆升级到 100 兆。

5G 基站的 CU 和 DU 分离

• 将基站拆分为集中单元 (CU) 和分布单元 (DU)。
• CU 集中处理单元相当于放到一起集中处理
• DU 靠近基站侧，对应于天线侧。
• CU 连 DU，DU 连 AAU。
• 基站侧只有 DU 加 AAU，CU 集中放置在机房。

CU 和 DU 分离的优点

• 资源共享，动态调整资源分配，CU 是基带处理单元，集中处理信息信号。
• DU 处理实时性要求高的部分，CU 处理实时性要求低的部分。

基站部署方式

• D-RAN：分布式部署，沿用以前的BBU+AAU，目前主要是主流方式99%。
• C-RAN：集中式部署，将 BBU 放到机房，站点只有天线，BBU的做资源池。
• CU-DU 分离： CU 云化部署，CU 使用通用服务器和软件，实现云化部署。
• 云化部署仍为未来方向，目前进展缓慢。