5G ネットワークのアーキテクチャと原則
5G アプリケーションの 3 つのシナリオ:
eMBB (大帯域幅)、uRLLC (高信頼性、低遅延)、mMTC (超大規模接続)、それらは近い将来、高速ダウンロード、無人運転、モノのインターネットなどに使用できます。私たちの生活を完全に変えるでしょう。
1. 5G ネットワーク アーキテクチャ
5G ネットワーキング アーキテクチャの図は次のとおりです. 5G ネットワーキング アーキテクチャはサービス指向のネットワーキング アーキテクチャであり、次の点で 4G とは異なります。
- 5G はバス スタイルのサービス アーキテクチャですが、4G は基準点ベースのアーキテクチャです。
- ネットワーク要素の相互作用方法が変更され、以前の 4G のような手動接続ではなく、サービス指向のインターフェイスによって接続されます
- 5G のネットワーク アーキテクチャはより細分化されており、MME セッション管理、モビリティ管理などの一部の 4G ネットワーク機能がアンパックされ、一部のネットワーク機能が追加されています (NSSF スライスの選択や MRF ネットワーク機能の検出など)。
一般的に言えば、5G コア ネットワーク アーキテクチャと 4G コア ネットワーク アーキテクチャの違いは、アーキテクチャがサービス指向、CU 分離、およびネットワーク スライスであることです。
Q: 図中の UE、AN、AF、および DN は、重要なネットワーク要素を除いて何を指していますか?
UE: (User Equipment User Equipment) 携帯電話やコンピュータを含むさまざまなインターネットまたは音声端末
AN: (AccessNetwork アクセス ネットワーク) は、サービス ノード インターフェイスからユーザー ネットワーク インターフェイスへの伝送ネットワークを指します。
AF: (Application Function アプリケーション機能) アプリケーション層の各種サービスを指す
DN: (データ ネットワーク データ ネットワーク) オペレーター ビジネス、インターネットまたはサードパーティ ビジネスなど。
2. 5Gコアネットワークネットワークの機能（重要）
5G ネットワーク要素の概要 (各ネットワーク要素の接続については上図を参照し、基準点に基づくトポロジのアーキテクチャ図を参照してください)
1. AMF (Access and Mobility Management Function アクセスおよびモビリティ管理機能): AMF は 5GC の主要な機能単位であり、MME のセッション管理機能に相当する、エンド ユーザーのアクセスおよびモビリティ管理を完了します。
主な機能:
(1) 登録管理: 接続管理、到達可能性管理、モビリティ管理、アクセス認証、アクセス許可
(2)合法的傍受、公安局等が設置する機能
(3) UE と SMF 間の SM メッセージの転送
(4) UE と SMSF の SMS メッセージの転送
2. SMF (Session Management Function): ユーザー サービスの処理を担当し、MME ベアラー管理部分と SGW および PGW のコントロール プレーン機能の組み合わせと見なすことができます。
(1) セッション管理: UE IP アドレスの割り当てと管理、UPF の制御、UPF トラフィックの方向の構成、適切な宛先ネットワークへの転送
(2) 課金と QoS ポリシー制御
(3)合法的傍受
(4) 課金データ収集
(5) 下りデータ通知
3.UPF (User Plane Function): UPF は、SGW と PGW のユーザー プレーン機能の集合に相当します。(1) データプレーンアンカーポイント
(2) データネットワークに接続された PDU セッションポイント
(3) パケットのルーティングと転送: パケットの解析とポリシーの適用
(4) データ利用報告
(5)合法的傍受（ユーザープレーン収集）
4. UDM (統合データ管理統合データ管理機能) は、ユーザーの契約データを提供します。これは、HSS データベース ネットワーク要素に相当します。
(1) 利用契約データの管理
(2) 利用者サービスNF登録管理
(3) 3GPP AKA 認証パラメータの生成
(4) 加入データに基づくアクセス認証（ローミング制限）
(5) ビジネス/セッションの継続性の確保 (5G から 4G への切り替えを保証、ネットワーク要素は変更なし)
5. 認証・課金機能を提供するAUSF（Authentication Server Function）
3GPP アクセス認証と非 3GPP アクセス認証を含む統合認証サービス機能をサポート
6.PCF（ポリシーコントロール機能） PCFのポリシーコントロール機能は4G PCRF相当
(1) 統一されたポリシー管理ネットワークの動作をサポート
(2) スライスベースの戦略を提供する
(3) モビリティ関連のポリシー ルールを AMF に提供する
(4) セッション関連のポリシーを SMF に提供する
7.NEF (Network Exposure Function) はオープン ネットワーク データの管理を担当し、5G コア ネットワークの内部データにアクセスするすべての外部アプリケーションは、4G SCEF と同等の NEF を通過する必要があります。
(1) 3GPP ネットワーク機能のサービスと機能を AF に公開する安全な方法を提供する
(2) AF が 3GPP ネットワーク機能に情報を提供するための安全な方法を提供する
8. NSSF (Network Slice Selection Function Network Slice Selection Function) は、ネットワークに接続された UE に応じて、NSSAI または S-NSSAI キューイングを提供し、どの AMF がその UE にアクセス サービスを提供するかを決定します。 UE
(1) UE にサービスを提供するネットワーク スライス インスタンスのグループを選択します。
(2) 許可された NSSAI を決定し、必要に応じて契約済みの S-NSSAI にマップします。
(3) UE にサービスを提供する AMF のセットを決定するか、場合によっては、構成に基づいて NRF を照会することにより、候補の AMF のリストを決定します。
9.NRF (NF Repository Function NF ストレージ機能) は、NF の登録、管理、状態の検出、およびすべての NF の自動管理に使用されます。
(1) サポートサービスディスカバリー機能
(2) 可用性とそのサポート サービスを含む NF 情報の維持
注: NF は、5G コア ネットワーク内のネットワーク要素を指します。
5G 非ローミング アーキテクチャでは、NRF と NEF はマークされず、NRF はネットワーク要素の登録に使用され、NEF はサードパーティ アプリケーション本体とコア ネットワークの間にあります。
Q: 4G コア ネットワーク要素の機能と比較して、5G コア ネットワークに追加されるネットワーク要素はどれですか?
回答: NRF、NSSF、AUSF は、それぞれネットワーク ストレージ、ネットワーク スライシング、および統合認証サービス機能を提供します。
3. 5Gサービスインターフェース
5Gは、IPシステムのサービスベースのアーキテクチャの成功経験を利用し、モジュール化によってネットワーク機能の分離と統合を実現します.分離されたネットワーク機能は、独立して拡張され、独立して進化し、オンデマンドで展開されます. コントロール プレーン上のすべての NF 間の相互作用は、サービス指向のインターフェイスを採用し、複数の NF から同じサービスを呼び出すことができ、NF 間のインターフェイス定義の結合度を減らし、最終的にネットワーク機能全体のオンデマンド カスタマイズを実現します。さまざまなビジネス シナリオやニーズに柔軟に対応します。
簡単に言えば、5Gはサービス指向アーキテクチャに基づいています.各ネットワーク要素は独自のインターフェース標準を設計しています.他のネットワーク要素は、それらが標準を満たす限り相互作用できます.ビルディングブロックのように,それらは独立していますが、統合することができます. 5G ネットワークをより柔軟かつ効率的にします。これは、4G に対する 5G の最も顕著な利点です。
1. サービス確立の流れ
4 つのステップに分かれています。
サービス登録、サービス登録解除、サービス登録更新、およびサービス検出の 4 つのプロセスがあります。以下に示すように：
各 NF (5G コア ネットワーク要素) が開始されると、サービスを提供するために NRF に登録する必要があります. 登録情報には、NF の種類、アドレス、サービス リストなどが含まれます。
ネットワーク要素が登録されると、サポートされている機能が NRF に通知されます. このプロセスは登録プロセスと呼ばれます. その後、サポートされる機能の変更と機器のオフライン化を NRF に報告する必要があります. このプロセスは登録解除と呼ばれますそして登録更新。NF サービス プロセス中に、NF は、関心のあるネットワーク要素の NRF にも通知し、NRF は注意を払い、NF に通知します. このプロセスは、検出と呼ばれます.
つまり、NRF はネットワーク内の各ネットワーク要素にサービス オブジェクトを導入する仲介者であり、すべてのネットワーク要素は NRF に依存して目的のサービスを取得します。
2.NFの登録と更新
NF は登録時に NF テンプレート (NF プロファイル) を提供します. 異なる NF には異なるテンプレートがありますが、各 NF のテンプレートはほぼ同じであり、一部のサービスの違いのみです.
各 NF テンプレートによって提供されるコンテンツには、NF タイプ、NF インスタンス ID、NF 容量、NF PLMN ID、NF IP アドレスまたは FQDN、NF がサポートするスライス情報などが含まれます。
UDR などのデータ保存用 NF の登録・更新の場合、SUPI の範囲とデータグループの識別 (Data Set ID) も提供されます。
注: SUPI は、ユーザーの 5G グローバルで一意のユーザーの永続的な識別子であり、15 の 10 進数で構成され、UDR によってサポートされる番号セグメントを提供できます。
3. NF ステータス サブスクリプション
NRF は、新規 NF 登録、NF 登録更新、または NF 登録解除を検出すると、NF ステータス通知に加入している加入者 (加入 NF) に通知メッセージを送信します. このプロセスは、NF ステータス通知と呼ばれます.
この期間に：
(1) サブスクリプションの入力パラメーターは次のとおりです。NF タイプ、サービス、NF ID。NF タイプとサービスはターゲット NF から取得されます。
(2) 通知内容：NF ID、NFステータス、NFサービス
(3) NRF は、加入者 NF プロファイルの対応する通知エンドポイント情報に通知を送信します。
(4) 登録解除の入力パラメータには、NF タイプ、NF ID が含まれます。
上記のプロセス全体が、NF ステータス サブスクリプションのプロセスです。
4. NF サービスの発見プロセス
前述のように、NF は関心のあるネットワーク要素を NRF に通知し、NRF は NF に注目して通知することをディスカバリと呼びます。通知プロセスは、実際にはサブスクリプション プロセスです. ネットワーク内に一致する適切なネットワーク要素がある場合、NRF は対応するサブスクリプション ネットワーク要素に通知します. 新しいネットワーク要素を発見し、関係を更新するこのプロセスは、発見と呼ばれます.
この期間に：
- 必須の入力パラメーターは、ターゲット NF タイプ、ターゲット NF サービス、リクエスターの NF タイプ (NRF がリクエストを承認するため) です。
- オプションの入力パラメータは、S-NSSAI、ターゲット NF の PLMN ID、サービング PLMN ID、DNN、サービスを要求する NF サービス コンシューマ ID、SUPI などです。
- 必要な出力パラメーターは次のとおりです。ターゲット サービスの FQDN、IP アドレスまたは URL、NF によってサポートされるすべてのサービス
- オプションの出力パラメーターは次のとおりです。UDR でサポートされる SUPI 範囲、データ セット識別子
5. サービスベースのインターフェース相互作用モード
次の 3 つのタイプが含まれます。
- リクエストとレスポンス
- 購読と通知
- 相互扶助のサブスクリプションと通知 (ネットワーク要素 A は、ネットワーク要素 C がサブスクリプションと通知のために B に行くのを支援します)
4. 5G インターフェースとプロトコル
1. N1 インターフェース
N1 インターフェースは、NAS メッセージの送信に使用される NAS インターフェースです。
送信される NAS メッセージは 2 つのカテゴリに分けられます
- モビリティ管理:
端末が AMF と対話するためのメッセージ
- セッション管理:
端末と SMF、SMSF、その他の NF 間のメッセージ
注: セッション管理用の NAS メッセージは、モビリティ管理メッセージの上に載せて運ばれます。また、その他のセッション管理メッセージも転送し、AMF を介して透過的に送信する必要があります。
2.N2 インターフェース
4GではN2のインターフェースがE-NodeBとMME間の接続に使用され、5GではNG-APプロトコルを使用して5G基地局のAMFとコアネットワークを接続するために使用されます.この図では、 N11 インターフェイスはサービス指向インターフェイスで、HTTP/2 プロトコルを使用します。
3. サービスインターフェース
サービス インターフェイスには、次のインターフェイスが含まれます。
Namf Nsmf Nudm Nnrf Nnssf Nausf Nnef Nsmsf Nudr Npcf N5g-eir Nlmf
サービス インターフェイスはすべて N で始まり、HTTP/2 プロトコルを採用し、そのアプリケーション レイヤーには JSON などのデコード プロトコルが含まれます。
サービス インターフェイスで採用されているカプセル化プロトコルは次のとおりです。
4. N4 インターフェース
N4 インターフェースは、SMF と UPF の間の基準点として使用されます. このインターフェースは、いくつかのコントロール プレーン メッセージを送信し、いくつかのユーザー プレーン メッセージも送信します.
コントロール プレーン プロトコルは PFCP を使用した GTP-C に置き換えられますが、ユーザー プレーン プロトコルは 4G と同じですが、GTP-U プロトコルを引き続き使用します。
5. N3、N6、N9 インターフェイス、
これら 3 つのインターフェイスは、ユーザー プレーン プロトコル スタックのインターフェイスです。
N3 は、GTP-U プロトコルを使用して、5G アクセス ネットワークと UPF の間に配置されます。
N6 は、内部ネットワーク側と外部ネットワーク側の間のプロトコルであり、GTP-U プロトコルも使用します。
N9 は 2 つの UPF の間に位置します. 3GPP および非 3GPP アクセスをサポートする 5G カプセル化されたユーザー プレーン インターフェイスです. 3GPP を使用して接続する場合は GTP-U プロトコルを使用し、非 3GPP 接続の場合はそれを使用します.他のトンネリング プロトコルを使用します。
要約すると、5G ネットワークにはサービス指向ではない N1、N2、N3、N4、N6、および N9 インターフェースがあり、これらは基準点設定に基づくインターフェースであり、残りのインターフェースはサービス指向インターフェースです。 .
4Gコアネットワークの勉強はひとまず終了し、5Gネットワークにも触れ始めましたが、今回共有する知識ポイントは5Gの入門知識であり、非常に重要です。5Gを学ぶことに興味のある業界関係者や、本専攻の後輩・女子が暗唱できます。重要なポイントに焦点を当て、トポロジーとネットワーク要素を記憶し、その他の雑多なことをメモして、印象を残します. 仕事で使用するときは、どこを探せばよいかがわかります.