5G NR系统架构
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5G NR系统架构 柒号华仔 2023-01-11 14:52:49

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5G组网方案选择

  5G基站是5G网络的核心设备,提供无线覆盖,实现有线通信网络与无线终端之间的无线信号传输。由于5G网络的频率要比4G网络高出不少,频率越高,信号传播过程中的衰减也越大,5G基站的覆盖半径相较4G更小,因此5G网络的基站密度将比4G高。高密度给运营商带来了高投入,短期资金压力大,投资回报周期长,对于5G推广将加大难度,减缓速度。
  为了减轻这种推广阻力,4G与5G融合组网模式便被纳入考虑,也就是NSA非独立组网方案。NSA组网模式是技术对现实的一次妥协,而完美的组网方案是SA独立组网,即所有核心网和基站全部为5G,这种情况下,传输时延更低,传输速率更高,可以完美发挥5G相对4G的优势。

5G系统架构

  5G系统最为常见系统架构,采用的是5G核心网+4G增强型基站+5G基站的组网模式,为NSA组网。在去掉ng-eNB后,采用的时5G核心网+5G基站组网模式,为SA组网。5G系统包括5G接入网和5G核心网,其中NG-RAN代表5G 接入网,5GC代表5G核心网。
在这里插入图片描述

5G系统架构


  5GC主要包括AMF、UPF两部分,外加一个SMF模块。与LTE系统的核心网相比,5G核心网的控制面和用户面进一步分离。4G核心网分为MME,SGW和PGW三部分,MME主要负责控制面,SGW和PGW主要负责用户面,三者虽然分开但在功能上还是有所交叠。5G对用户平面的控制和转发功能进行了重构,重构后的控制平面分为AMF和SMF两个逻辑节点。AMF主要负责移动性管理,相当于4G的MME,SMF负责会话管理功能。用户平面的UPF代替了LTE网络的SGW和PGW。也就是说,5G进行重构以后,控制面和用户面集中度提高,架构更为清晰。
  NG-RAN由gNB和ng-eNB两种基站组成。gNB是5G基站,ng-eNB是直接对4G基站进行软件升级,让其上面的接口支持5G核心网和Xn接口,保证了LTE原有的一些基站仍然可以很好的被利用。gNB之间、ng-eNB之间,以及gNB和ng-eNB通过Xn接口进行连接。5G接入网与核心网之间通过NG接口进行连接,gNB/ng-eNB和AMF之间是NG-C接口,和UPF之间是NG-U接口。
  NG接口可以实现AMF/UPF和NG-RAN的多对多连接,即一个AMF/UPF可以连接多个gNB/ng-eNB,一个gNB/ng-eNB也可以连接多个AMF/UPF。对于UE来说,在同一AMF/UPF下的基站之间移动,发生切换时,仍然可以驻留在相同的AMF/UPF上,UE不需要发起新的注册更新过程。当AMF/UPF与NG-RAN之间的连接路径较长或进行新资源分配的情况下,可以改变与UE连接的AMF/UPF。这里AMF的主要作用是移动性控制,而UPF的主要作用是数据包的路由转发。

实体功能

  下图描述了gNB、ng-eNB、AMF、UPF、SMF功能实体各功能划分。
在这里插入图片描述

5G实体功能划分


gNB和ng-eNB的主要功能 

  • 无线资源管理相关功能:无线承载控制,无线接入控制,连接移动性控制,上行链路和下行链路中UE的动态资源分配
  • 数据的IP头压缩,加密和完整性保护 
  • 在用户提供的信息不能确定到AFM的路由时,为在UE在附着的时候选择到AMF路由 
  • 将用户平面数据路由到UPF 
  • 提供控制平面信息向AMF的路由 
  • 连接设置和释放
  • 寻呼消息的调度和传输 
  • 广播消息的调度和传输 
  • 移动性和调度的测量和测量报告配置 
  • 上行链路中的传输级别数据包标记
  • 会话管理 
  • QoS流量管理和无线数据承载的映射 
  • 支持处于RRC_INACTIVE状态的UE
  • NAS消息的分发功能 
  • 无线接入网络共享
  • 双连接
  • 支持NR和E-UTRA之间的连接

    5G核心网(5GC)功能

    5GC主要包含三部分: 
    AMF:主要负责访问和移动管理功能
    UPF:用于支持用户平面功能 
    SMF:用于负责会话管理功能

    AMF主要功能 

  • NAS信令终止 
  • NAS信令安全性 
  • AS安全控制 
  • 用于3GPP接入网络之间的移动性的CN间节点信令 
  • 空闲模式下UE可达性(包括控制和执行寻呼重传) 
  • 注册区管理 
  • 支持系统内和系统间的移动性 
  • 访问认证、授权,包括检查漫游权 
  • 移动管理控制 
  • SMF(会话管理功能)选择

    UPF主要功能 

  • 系统内外移动性锚点 
  • 与数据网络互连的外部PDU会话点 
  • 分组路由和转发 
  • 数据包检查和用户平面部分的策略规则实施 
  • 上行链路分类器,支持将流量路由到数据网络 
  • 分支点以支持多宿主PDU会话 
  • 用户平面的QoS处理,例如,包过滤,门控,UL / DL速率执行 
  • 上行链路流量验证(SDF到QoS流量映射)
  • 下行链路分组缓冲和下行链路数据通知触发

    SMF主要功能 

  • 会话管理 
  • UE IP地址分配和管理 
  • 选择和控制UP功能 
  • 配置UPF的传输方向,将传输路由到正确的目的地 
  • 控制政策执行和QoS的一部分 
  • 下行链路数据通知
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