5G网络架构

前言

本文简要介绍了5G网络架构中的主要网元及其功能、各网元之间的接口、协议栈以及5G用户数据流向。

概要

与EPS中的RAN和EPC类似，5GS分为接入网（AN，Access Network）和核心网（Core Network）。整个5GS的设计遵循数据面和控制面分离原则，允许单一网元伸缩扩容、升级演进和灵活部署，网元之间可直接交互或通过SCP间接交互，降低AN和CN之间的耦合度。支持统一的认证框架、无状态网元、能力开放、并行接入、漫游LBO等特性。

架构参考模型

与4G EPC相比，5G中MME分成AMF、SMF和AUSF三个网元，SGW和PGW分成SMF和UPF。并且新增NSSF、NEF、NRF等网元。

Service Based Arch(SBA)

下图描述了SBA架构下的网元关系图（没有列出全部网元）。

Reference Point Arch

下图列出了参考点架构下的网元结构图（没有列出全部网元）。

5GS网元描述网元描述

UE终端设备，如手机、CPE等

gNB5G基站

AMF接入和移动管理网元。终结RAN控制面N2接口；终结N1（NAS）接口，实现NAS的加密和完整性保护；UE注册、连接、可达性和移动管理；合法监听；UE与SMF之间SM消息透传和透传路由代理；接入验证、授权管理；UE与SMSF之间SMS消息透传；安全锚点功能；监管服务中的位置服务管理、UE与LMF和RAN与LMF之间的位置服务消息透传；与EPS交互时分配承载ID；UE移动时间通知；CIoT 5GS控制平面优化；根据UE行为和网络配置给UE提供额外参数；策略控制（N15接口）

SMF会话管理网元。会话建立、修改和释放管理；分配和管理UE IP；DHCPv4\v6客户端和服务端（分别相对真正的DHCP服务端和UE）；回复UE的ARP和IPv6 NS消息；选择UPF、配置UPF数据转发；策略控制；合法监听；计费接口和数据收集；控制UPF计费；终结NAS的SM消息；下行数据通知；发起AN特殊SM信息初始化；决定会话SSC模式；CIoT 5GS控制平面优化；头部压缩；I-SMF；根据UE行为和网络配置给UE提供额外参数；漫游

UPF数据平面网元。RAT移动锚点；基于SMF请求的UE IP分配；PDU会话与外部网络连接点；数据包路由、转发；DPI；执行策略控制用户面部分；合法监听；用量上报；用户面QoS控制；上行数据检查（SDF与QoS Flow是否匹配）；上下行数据标记（DSCP）；下行数据缓存和通知；发送End Marker；回复UE的ARP和IPv6 NS消息；GTP-U下行数据冗余复制、上行数据消除冗余处理；桥接TSN网络时负责数据翻译

PCF策略控制网元。统一的策略控制框架；提供策略规则；接入UDR获取用户数据

NSSF网络切片网元。选择服务UE的网络切片；选择允许的或者配置的NSSAI及与S-NSSAI的映射；根据配置或者询问NRF决定服务UE的AMF组或候补AMF列表。

AUSF认证服务网元。3GPP和不可信非3GPP接入认证控制

UDM统一数据管理。生成3GPP AKA认证凭证；用户ID处理（SUPI）；去隐藏受保护的用户ID（SUCI）；基于用户数据实现接入授权；管理UE服务的NF（记录服务UE的AMF、SMF等）；会话、服务连续性；MT-SMS传送；合法监听；签约数据管理；SMS管理；5GLAN组管理；根据UE行为和网络配置给UE提供额外参数

UDR统一数据仓库。为UDM保存或提取用户数据；为PCF保存或提取策略数据；保存或提取结构化数据；应用数据（如AF请求数据等）

CHF计费网元。支持UE入网认证、配额授信等，此处不详细描述。

NEF网络开放网元。能力和事件开放；将AF数据安全地提供给3GPP网络；翻译内外部网络信息；PFD功能；5GLAN组管理

NRF网络仓库网元。服务发现功能；维护NF配置和服务；

AF应用网元。

网元服务

5G借鉴了IT中微服务概念，各网元根据自己的能力对外提供服务接口供其他网元调用。比如SMF对外提供Nsmf_PDUSession和Nsmf_EventExposure这两种服务，从参考点架构中我们可以看到，与SMF交互的网元有AMF、PCF、CHF、UDM、NEF等，信令交互时相关的网元都是通过上面两个服务向SMF提供数据或从SMF获取数据。这一点与原来CT的那一套相差有点远，比如原来PGW与SGW网元之间是通过S5接口用GTP-v2协议进行交互，PGW与PCRF通过Gx接口用Diameter协议，与OCS通过Gy接口也是Diameter协议，即与多个网元交互就要有多个接口可能还要用到多个协议。但是到了5G微服务概念中，SMF就提供两种服务，其他网元就调用这两个服务就好，这是SMF作为Producer时的场景。SMF作为Comsumer时需要调用其他Producer如AMF、PCF提供的服务。

5GC网元服务AMF ServicesNamf_Communication

Namf_EventExposure

Namf_MT

Namf_Location

SMF ServicesNsmf_PDUSession

Nsmf_EventExposure

PCF ServicesNpcf_AMPolicyControl

Npcf_SMPolicyControl

Npcf_Authorization

Npcf_BDTPolicyControl

Npcf_UEPolicyControl

Npcf_EventExposure

UDM ServicesNudm_UECM

Nudm_SDM

Nudm_UEAuthentication

Nudm_EventExposure

Nudm_ParameterProvision

NRF ServicesNnrf_NFManagement

Nnrf_NFDiscovery

Nnrf_AccessToken

AUSF ServicesNausf_UEAuthentication

Nausf_SORProtection

NEF ServicesNnef_EventExposure

Nnef_PFDManagement

Nnef_ParameterProvision

Nnef_Trigger

Nnef_BDTPNegotiation

Nnef_TrafficInfluence

Nnef_ChargeableParty

Nnef_AFSessionWithQoS

Nnef_ServiceParameter

Nnef_APISupportCapability

Nnef_AnalyticsExposure

SMSF ServicesNsmsf_SMService

UDR ServicesNudr_DM

5G EIR ServicesN5g-eir_EquipmentIdentityCheck

NWDAF ServicesNnwdaf_AnalyticsSubscription

Nnwdaf_AnalyticsInfo

UDSF ServicesNudsf_UnstructuredDataManagement

NSSF ServicesNnssf_NSSelection

Nnssf_NSSAIAvailability

BSF ServicesNbsf_Management

LMF ServicesNlmf_Location

CHF ServicesNchf_SpendingLimitControl

Nchf_Converged_Charging

协议栈

信令面

下图列出UE、gNB、AMF、SMF、UPF之间的控制面协议栈。其中PFCP协议参考TS 29.244，5G NAS协议参考TS 24.501，NG-AP协议参考TS 38.413，SBI协议栈参考TS 29.500。

数据面

核心网数据面和4G一致，仍是使用GTP-U协议，并通过GTP扩展头的方式携带5G数据面需要的QFI参数，参考TS 29.281。

5G网络数据流与QoS

如下图所示，以UE上行数据进行说明，阐述5G系统中基础数据流向。UE上行数据封装DRB后发送到基站，基站解封装DRB并封装GTP头后发送到UP，需要注意的是在普通的GTP-U头基础上，增加GTP扩展头携带相应的QFI提供给UPF，以便UPF根据QFI快速找到相应的上下文并对数据包进行处理，UPF完成处理后发送UE报文到数据网络。

和LTE EPS中的承载不同，5G核心网中不再有承载的概念，取而代之的是QoS FLow。4G中一个Session可能有多个承载（默认承载+n个专用承载），但是在5GC中，一个Session只有一个Tunnel，这个Tunnel之上可以有多个QoS Flow。在4G中，EPC Bearer和DRB一一对应，到5G中变成QoS Flow与DRB一一对应。4G中通过EBI（EPS Bearer Id）标志一个承载，5G则是通过QFI（QoS Flow Id)标志一个QoS Flow。一个QoS Flow可以包含多个SDF，这个QoS Flow中的SDF可能执行不同的或者同一个Policy。

4G和5G QoS对比4G5G

BearerQoS Flow

EPS Bearer IDQoS Flow ID

Default BearerDefault QoS Flow

QCI5QI

NAReflective QoS

参考：

3GPP TS 23.501

3GPP TS 23.502

3GPP TS 23.503

3GPP TS 29.244

3GPP TS 24.501