5G 网络架构（核心网）总结

1.网络组成与设计原则

1.1 组成

主要包括：接入网、承载网、核心网和空口


接入网是“窗口”，负责把数据收上来；承载网是“卡车”，负责把数据送来送去；核心网呢，就是“管理中枢”，负责管理这些数据，对数据进行分拣，然后告诉它，该去何方。

本文主要对5G核心网架构进行总结整理。

1.2 5G网络架构设计的原则

四个原则：

1. 灵活：不同业务要求（超高可靠、超低时延）、以用户为中心的组网（个人、企业、M2M），更快的功能引入
2. 高效：更低的数据传输成本，易于扩展；简化状态、信令
3. 智能：资源自动分配和调整，网络自配置，自优化
4. 开放：网元突破软硬件耦合的限制；网络能力向第三方开放打造新的生态环境，创新盈利点

四维架构 （4D-Architecture）

1. 转发分离化 （Seperated）：基站的C/U分离、网关的控制转发分离
2. 网络虚拟化（Virtualized）：小区逻辑虚拟化，网元功能虚拟化
3. 功能模块化（Modularized）：网元功能原子/模块化，按需组合
4. 部署分布化（Distributed）：支持分布式的网元部署，内容分布更靠近用户

2. 5G核心网架构

2.1 架构介绍

相比于2/3/4G，5G核心网架构的网络逻辑结构彻底改变了。2018年，我国提出了**SBA（Service Based Architecture，基于服务的架构）**的概念，将网络功能定义为多个相对独立可被灵活调用的服务模块。5G网络采用开放的服务化架构（SBA），NF（Network Function，网络功能）以服务的方式呈现，任何其他NF或者业务应用都可以通过标准规范的接口访问该NF提供的服务SBA架构下。

（1） 非漫游时的5G系统架构参考模型（基于业务，SAB）：

采用的是基于业务接口(service-based)的表现形式，也叫SBA架构。图中的Nxxx就是基于业务的接口SBI(servec based interface)，采用HTTP/TCP协议。

服务化架构是在控制面采用API能力开放形式 进行信令的传输，在传统的信令流程中，很多的消息在不同的流程中都会出现，将相同或相似的消息提取出来以API能力调用的形式封装起来，供其它网元进行访问，服务化架构将摒弃隧道建立的模式，倾向于采用HTTP协议完成信令交互。

（2）非漫游下5G系统的架构模式（基于参考点）：

采用参考节点的表现形式，这是最基本的架构。

5G网络架构借鉴IT系统服务化和微服务化架构的成功经验，通过模块化实现网络功能间的解耦和整合，解耦后的网络功能可独立扩容、独立演进、按需部署；控制面所有NF之间的交互采用服务化接口，同一种服务可以被多种NF调用，降低NF之间接口定义的耦合度，最终实现整网功能的按需定制，灵活支持不同的业务场景和需求。

2.2 5G核心网网元介绍

（1）AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移动管理功能）是接入和移动性管理功能实体，AMF可以类比于4G的MME。AMF的主要功能有：

• RAN信令接口（N2）的终结点，NAS（N1）信令（MM消息）的终结点；
• 负责NAS消息的加密和完整性保护，负责注册、接入、移动性管理、鉴权、短信等功能；
• 此外在和EPS网络交互时还负责Eps Bearer Id的分配。

（2）SMF（Session Management Function，会话管理功能）是会话管理功能实体。SMF的主要功能有：

• NAS消息的SM消息的终结点；
• 会话（session）的建立、修改、释放；
• UE IP的分配管理；
• DHCP功能；
• ARP代理或IPv6邻居请求代理（Ethernet PDU场景下）；
• 为一个会话选择和控制UPF；
• 计费数据的收集以及支持计费接口；
• 决定一个会话的SSC模式；
• 下行数据指示。

（3）UPF（User Plane Function，用户面管理功能）是用户面功能实体，其类似于4G下的GW（SGW+PGW）。最主要的功能是负责数据包的路由转发、Qos流映射。

• 用于RAT内/RAT间移动性的锚点（适用时）。
• 外部 PDU 与数据网络互连的会话点。
• 分组路由和转发（例如，支持上行链路分类器以将业务流路由到数据网络的实例，支持分支点以支持多宿主PDU会话）。
• 数据包检查（例如，基于服务数据流模板的应用流程检测以及从SMF接收的可选PFD）。
• 用户平面部分策略规则实施，例如门控，重定向，流量转向）。
• 合法拦截（UP收集）。
• 流量使用报告。
• 用户平面的QoS处理，例如UL/DL速率实施，DL中的反射QoS标记。
• 上行链路流量验证（SDF到QoS流量映射）。
• 上行链路和下行链路中的传输级分组标记。
• 下行数据包缓冲和下行数据通知触发。
• 将一个或多个“结束标记”发送和转发到源NG-RAN节点。
  注意：并非所有UPF功能都需要在网络切片的用户平面功能的实例中得到支持。

（4）PCF（Policy Control Function，策略控制功能）为策略控制功能实体。支持统一的策略框架并管理网络行为，向网络实体提供策略规则，访问统一数据仓库（UDR）的订阅信息，PCF只能访问和其相同PLMN的NDR。

（5）NEF（Network Exposure Function，网络业务呈现功能）是网络呈现功能实体。NEF的主要功能有：

• 3GPP的网元都是通过NEF将其能力呈现给其它网元的；
• NEF将相关信息存储到NDR中、也可以从NDR获取相关的信息，NEF只能访问和其相同PLMN的NDR；
• NEF提供相应的安全保障来保证外部应用到3gpp网络的安全；
• 3GPP内部和外部相关信息的转换，例如AF-Service-Identifier和5G核心网内部的DNN、S-NSSAI等的转换，尤其是网络和用户敏感信息一定要对外部网元隐藏；
• NEF可以通过访问NDR获取到其它网元的相关信息，NEF只能访问和其相同PLMN的UDR。

（6）NRF（NF Repository Function，NF贮存功能）是网络贮存功能实体。NRF的主要功能有：

• 支持业务发现功能，也就是接收网元发过来的NF-Discovery-Request，然后提供发现的网元信息给请求方；
• 维护可用网元实例的特征和其支持的业务能力；
• 一个网元的特征参数主要有：网元实例ID、网元类型、PLMN、网络分片的相关ID（如S-NSSAI、NSI
  ID）、网元的IP或者域名、网元的能力信息、支持的业务能力名字等。

（7）UDM（Unified Data Manager，统一数据管理）的主要功能有：

• 产生3GPP鉴权证书/鉴权参数；
• 存储和管理5G系统的永久性用户ID（SUPI）；
• 订阅信息管理；
• MT-SMS递交；
• SMS管理；
• 用户的服务网元注册管理（比如当前为终端提供业务的AMF、SMF等）。

（8）AUSF（Authentication Server Function，鉴权服务器功能）是鉴权服务器网元；支持3GPP接入的鉴权和untrusted non3GPP接入的鉴权。
（9）UDR（Unified Data Repository，统一数据仓库），负责的主要功能有：

• UDM存储订阅数据或读取订阅数据；
• PCF存储策略数据或者读取策略数据；
• 存储公开的数据或者从中读取公开的数据；UDR和访问UDR的NF具有相同的PLMN，也就是同一个网络下，也即Nudr接口是一个PLMN内部接口。

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

3.5G核心网系统架构主要特征

将5G核心网与4G核心网EPC进行比较，可以看出5G相比4G在基本功能如认证、移动性管理、连接、路由等方面不变，但是方式和技术手段发生了变化，更加灵活。主要体现在：移动性管理（AMF）和会话管理（SMF）分离，AMF和SMF的部署可层级分开；承载与控制分离，UPF和SMF的部署层级也可以分开；AMF和UPF根据业务需求、信令和话务流量以及传输资源灵活部署；采用服务化架构设计，网元功能进行了模块化解耦，接口进行了简化。总体上看，5C 核心网的组网更加灵活，但部署灵活性也对传输、以及网络规划、网络运营管理等能力提出更高的要求。

5G核心网架构为用户提供数据连接和数据业务服务，基于NFV（Network Function Virtualization，网络功能虚拟化）和 SDN（Software Defined Network，软件定义网络）等新技术，其控制面网元之间使用服务化的接口进行交互。5G核心网系统架构主要特征如下：

1. 承载和控制分离：承载和控制可独立扩展和演进，可集中式或分布式灵活部署；
2. 模块化功能设计：可以灵活和高效地进行网络切片；
3. 网元交互流程服务化：按需调用，并服务可重复使用；
4. 每个网元可以与其他网元直接交互，也可通过中间网元辅助进行控制面的消息路由；
5. 无线接入和核心网之间弱关联：5G核心网是与接入无关并起到收敛作用的架构，3GPP和非3GPP均通过通用的接口接入5G核心网；
6. 支持统一的鉴权框架；
7. 支持无状态的网络功能，即计算资源与存储资源解耦部署；
8. 基于流的QoS：简化了QoS架构，提升了网络处理能力； 9) 支持本地集中部署的业务的大量并发接入， 用户面功能可部署在靠近接入网络的位置，以支持低时延业务、本地业务网络接入。

4. 5G网络逻辑架构

根据“IMT-2020(5G) 5G网络技术架构白皮书”。

4.1 新型基础设施平台

实现5G新型设施平台的基础是网络功能虚拟化(NFV)和软件定义网络(SDN) 技术。

• NFV技术通过软件与硬件的分离，为5G网络提 供更具弹性的基础设施平台，组件化的网络功 能模块实现控制面功能可重构。NFV使网元功 能与物理实体解耦，采用通用硬件取代专用硬 件，可以方便快捷的把网元功能部署在网络中 任意位置，同时对通用硬件资源实现按需分配 和动态伸缩，以达到最优的资源利用率。
• SDN 技术实现控制功能和转发功能的分离。控制功 能的抽离和聚合，有利于通过网络控制平面从 全局视角来感知和调度网络资源，实现网络连 接的可编程。

4.2 逻辑架构

为了满足业务与运营需求，5G接入网与核心网功能需要进一步增强。接人网和核心网的逻辑功能界面清晰，但是部署方式却更加灵活，甚至可以融合部署。

• 5G接入网是一个满足多场景的以用户为中心的多层异构网络。宏站和微站相结合，统一容纳空口多种接入技术，提升小区边缘协同处理效 率，提高无线和回传资源利用率。5G无线接入网 由孤立的接入“盲”管道转向支持多接人和多连 接、分布式和集中式、自回传和自组织的复杂网 络拓扑，并且具备无线资源智能化管控和共享能 力，支持基站的即插即用。
• 5G核心网需要支持低时延、大容量和高速率 的各种业务。能够更高效的实现对差异化业务需 求的按需编排功能。核心网转发平面进一步 简化下沉，同时将业务存储和计算能力从网络中心下移到网络边缘，以支持高流量和低时延的业务要 求，以及灵活均衡的流量负载调度功能。

5G网络逻辑架构如下图所示：

新型5G网络架构包含接入、控制和转发三个功能平面。控制平面主要负责全局控制策略的生成，接人平面和转发平面主要负责策略执行。

• 接入平面
  包含各种类型基站和无线接入设备。基站间交互能力增强，组网拓扑形式丰富，能够实现快速灵活的无线接入协同控制和更高的无线资源利用率。
• 控制平面
  通过网络功能重构，实现集中 的控制功能和简化的控制流程，以及接人和转发资源的全局调度。面向差异化业务需求，通过按需编排的网络功能， 提供可定制的网络资源，以及友好的能 力开放平台。
• 转发平面
  包含用户面下沉的分布式网关，集成边缘内容缓存和业务流加速等功 能，在集中的控制平面的统一控制下，数据转发效率和灵活性得到极大提升。

参考链接：https://www.jianshu.com/p/f9c013ac8eff