5G網元結構和協議棧
2018年11月23日 00:13:50?四平馬?閱讀數：141
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本文參考3GPP協議和網絡文章整理而成，參考見?5G AN相關結構及協議棧匯總、5G系統結構定義、5G系統——協議棧
5G系統由接入網（AN）和核心網（5GC）組成（38.300）。若考慮NSA（非獨立組網）場景，則還需要考慮4G的網元。
圖1：Overall Architecture
AN有兩種：
gNB, 為UE提供NR用戶面和控制面協議終結點。
ng-eNB, 為UE提供E-UTRA的用戶面和控制面協議的終結點。
各網元功能詳細描述太長，具體見3gpp 38.300，大致功能如下圖：
圖2：Functional Split between NG-RAN and 5GC
每個邏輯gNB 由一個gNB-CU和若干個gNB-DU組成。每個gNB-CU和gNB-DU通過F1邏輯接口連接。
圖3：gNB Overall architecture
一般來說一個gNB-DU只連接一個gNB-CU。但是為了實現的靈活性，每個gNB-DU也可能連接到多個gNB-CU。
一個gNB CU中的控制面和用戶面是分離。一般只有一個CP，但是允許有多個UP。要注意的是，gNB-CU及連接的若干gNB-DU作為一個整體邏輯gNB對外呈現的，只對其他的gNB和所相連的5GC可見。
圖4：Overall architecture for separation of gNB-CU-CP and gNB-CU-UP
3GPP給了一種參考的網元部署方式。考慮到了gNB間的XN連接，以及與核心網的NG連接。
圖4：Example deployment of an Logical gNB/en-gNB
5G系統結構采用NFV/SDN以支持數據連接和業務靈活部署, 促使基于業務的控制面網絡功能和概念互動:
用戶面功能和控制面功能分離, 允許獨立的可擴展性,可演進性及可靈活部署.比如可選擇采用集中式或者分布式的方式.
功能設計模塊化, 比如采用靈活高效的網絡切片.
無論在什么地方適用,都可以將相應的過程(網絡功能之間的互動)定義為業務, 以便可以復用他們.
如果有需要都可以使相應的網絡功能和其他的NF互動. 5G結構并沒有排除中間功能幫助路由控制面信息. (比如 DRA).
縮小接入網絡(AN)和核心網絡(CN)的依賴性.這個結構是一個公共接入網AN連接匯聚的核心網. 而AN可以是不同的接入類型比如3GPP接入網和non-3GPP接入網.
支持統一的鑒全架構.
支持 “stateless” 網絡功能NF, 這些網絡功能的計算資源和存儲資源解耦.
支持能力開放
同時支持本地和集中化的業務. 為了支持低延遲業務并訪問本地數據網絡,用戶面功能部署需要盡可能的靠近介入網絡AN.
在VPLMN支持基于LBO和歸屬地路由的漫游方式.
5G系統結構定義了如下網元功能實體 (NF)：
UE: 用戶終端設備User Equipment (UE)
RAN: 接入網絡(Radio) Access Network (RAN)
AMF: 接入及移動性管理功能Access and Mobility Management Function
UPF: 用戶面功能User plane Function (UPF)
AUSF: 鑒權服務功能Authentication Server Function
DN: 數據網絡Data Network (DN), 比如運營商業務，互聯網接入或者第三方業務等。
UDFS: 非結構性數據存儲功能Unstructured Data Storage Function
NEF: 網絡業務呈現功能Network Exposure Function (NEF)
NRF: 網元數據倉庫功能NF Repository Function (NRF)
NSSF: 網絡切片選擇功能Network SliceSelection Function (NSSF)
PCF: 策略控制功能Policy Control function (PCF)
SMF: 進程管理功能Session Management Function (SMF)
UDM: 統一數據管理功能Unified Data Management (UDM)
UDR: 統一數據倉庫功能Unified Data Repository (UDR)
AF: 應用層功能Application Function (AF)
EIR: 5G設備標識注冊設備5G-Equipment Identity Register (5G-EIR)
2.3.1 基于業務service-based，控制面相關的網元功能實體能夠授權其他網元來訪問它的業務。
5G系統結構中包含如下基于業務service-based的接口
Namf: Service-basedinterface exhibited by AMF.
Nsmf: Service-basedinterface exhibited by SMF.
Nnef: Service-basedinterface exhibited by NEF.
Npcf: Service-basedinterface exhibited by PCF.
Nudm: Service-basedinterface exhibited by UDM.
Naf: Service-basedinterface exhibited by AF.
Nnrf: Service-basedinterface exhibited by NRF.
Nnssf: Service-basedinterface exhibited by NSSF.
Nausf: Service-basedinterface exhibited by AUSF.
Nudr: Service-basedinterface exhibited by UDR.
Nudsf: Service-based interfaceexhibited by UDSF.
N5g-eir: Service-based interface exhibited by 5G-EIR.
2.3.2 基于參考點reference point ，點對點網元功能業務之間互作用點。
5G結構中定義了如下參考點：
N1: Referencepoint between the UE and the AMF.
N2: Referencepoint between the ?AN and the AMF.
N3: Referencepoint between the ?AN and the UPF.
N4: Referencepoint between the SMF and the UPF.
N6: Referencepoint between the UPF and a Data Network.
N9: Referencepoint between two UPFs.
N5: Referencepoint between the PCF and an AF.
N7: Referencepoint between the SMF and the PCF.
N8: Referencepoint between the UDMand the AMF.
N10: Referencepoint between the UDM and the SMF.
N11: Reference point between the AMF andthe SMF.
N12: Reference point between AMF andAUSF.
N13: Reference point between the UDM andAuthentication Server function the AUSF.
N14: Reference point between two AMFs.
N15: Referencepoint between the PCF and the AMF in case of non-roaming scenario, PCF in thevisited network and AMF in case of roaming scenario.
N16: Reference point between two SMFs,(in roaming case between SMF in the visited network and the SMF in the homenetwork).
N17: Referencepoint between AMF and 5G-EIR.
N18: Referencepoint between any NF and UDSF.
N22: Reference pointbetween AMF and NSSF.
N24: Referencepoint between the PCF in the visited network and the PCF in the home network.
N27: Reference pointbetween NRF in the visited network and the NRF in the home network.
非漫游情況下基于業務接口的5G系統結構圖
非漫游情況下使用參考點的5G系統結構圖如下，此圖展現網元功能之間相互作用。和其他傳統的蜂窩移動網絡結構理解思路類似。
非漫游條件下UE使用多個PDU Session同時接入兩個數據網絡的情況。此圖使用參考點來展示了為多個PDU Session選用兩個SMF的場景。在這種情況下每個SMF也能夠為一個PDU Session來控制local和central的UPF。
非漫游場景下使用單一PDU session同時接入兩個數據網絡 (local andcentral)的結構。
漫游場景的系統圖很多，也很復雜，詳見23.501
非3gpp接入的看一個圖，其他情況詳見23.501
5GC和EPC互操作的結構，看一下非漫游場景，其他場景見23.501
NG-AP協議定義在38.413中，SCTP協議定義在RFC 4960。
N2-SM消息是NG-AP消息的一部分，這部分消息由AMF負責透傳。從接入網的角度N2-SM消息終結于AMF。
N1 NAS信令的終結點為UE和AMF，一個NAS信令連接用于注冊管理/連接管理(RM/CM)和會話管理（SM）。NAS協議由NAS-MM和NAS-SM兩部分組成；此外UE和5GC間還有多個其它協議（SM、SMS、UE policy、LCS等），這都協議都是通過N1 NAS-MM進行透傳的。
RM/CM NAS消息和其它類型的NAS消息是解耦的，也就是AMF負責RM/CM，其它的消息就透傳給對應的模塊去處理。
位于AMF的NAS-MM負責：
1）維護處理RM/CM的狀態和對應流程處理，
2）提供安全的NAS消息傳輸通道（也即NAS層的加密和完保），
3）透傳其它類型的NAS消息（SM、SMS、UE Policy、LCS）。
如果UE同時通過3GPP和non-3GPP接入網接入5GC，那么每個接入模式下都有一個N1 NAS信令連接。
NAS-MM: NAS-MM協議負責注冊管理、連接管理、用戶面連接的激活和去激活操作，負責NAS消息的加密和完保。5G NAS協議定義在 TS 24.501.
5G-AN Protocol layer: 接入網的協議棧取決于具體的接入網類型；如果從eNB接入，則對應的空口協議棧定義在TS36.300，如果從gNodeB接入，則對應的空口協議定義在TS38.300，如果從non-3GPP網絡接入，則對應的協議棧定義在TS23.501 8.2.4章節。
NAS-SM: NAS-SM消息支持用戶面PDU會話的建立、修改、釋放；NAS-SM消息通過AMF傳輸，且其對AMF是透明的（也就是AMF負責透傳SM消息、不對其進行解析處理）。具體的消息和流程見于協議TS 24.501。
N3口使用GTP-U協議，這和3G/4G一樣，GTP-U定義于TS29.281；5G-AN用戶面協議棧取決于具體的接入網類型。
IKEv2見于RFC7296《Internet Key Exchange Protocol Version 2》
5GC內部網元之間的接口為SBI接口，采用HTTP服務的形式。SBI接口有：Namf, Nsmf, Nudm, Nnrf, Nnssf, Nausf, Nnef, Nsmsf, Nudr, Npcf, N5g-eir, Nlmf。
上圖就是SBI協議棧（圖片來源TS29.500 5.1章節），采用互聯網常用的HTTP/TCP協議，HTTP/2請參考RFC 7540。
