【5G架构】5G 核心网架构概述
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本人就职于国际知名终端厂商,负责modem芯片研发。
在5G早期负责终端数据业务层、核心网相关的开发工作,目前牵头6G算力网络技术标准研究。博客内容主要围绕:
5G协议讲解
算力网络讲解(云计算,边缘计算,端计算)
高级C语言讲解
Rust语言讲解
5G 核心网架构概述
5G 核心网组成 |
网元 | 全称 | 功能 |
---|---|---|
AMF | Core Access and Mobility Management Function | 核心接入和移动性管理功能 |
AUSF | Authentication Server Function | 鉴权服务器功能 |
NSSF | Network Slice Selection Function | 网络切片选择功能 |
UDM | Unified Data Management | 统一数据管理功能(类似4G 中的 HSS) |
SMF | Session Management Function | 会话管理功能 |
UDP | User Plane Function | 用户面功能 |
PCF | Policy Control Function | 策略控制功能(类似于4G中的 PCRF) |
DN | Data Network | 数据网络,如运营商服务、互联网接入或第三方服务 |
AF | Application Function | 应用功能 |
NEF | Network Exposure Function | 网络开放功能 |
NRF | NF Repository Function | 网元查询功能 |
5G-EIR | 5G Equipment Identity Register | 5G 设备标识注册功能 |
UDSF | Unstructured Data Storage Function | 非结构化数据存储功能 |
UDR | Unified Data Repository | 统一数据存储功能 |
其中,用户面的UPF和控制面的 AMF和SMF是5G 核心网的关键节点:
- UPF节点的功能
- 数据分组路由和传递;
- 外部网络路由;
- QoS操作;
- 数据分组检查;
- 业务测量(Traffic Measurements);
- inter-RAT移动性锚点。
- SMF节点的功能(SMF是LTE中MME和SGW、PGW中的会话管理功能的融合体)
- 会话管理;
- UE IP地址分配与管理;
- UP 面功能选择和控制;
- 合法监听。
- AMF节点的功能(AMF是MME中除了会话管理功能以外的其他功能的集合)
- 注册管理;
- 连接管理;
- 可达性管理;
- 移动性管理;
- 鉴权。
5G 核心网 VS. LTE 核心网的变化 |
变化一: 核心网和接入网解耦
接入网系统为用户提供独立的接入能力,它与部署场景、业务场景紧密相关。接入网追求的是让用户可以更高效、便利地接入网络。
核心网系统为用户多样化的接入技术提供统一汇聚,它一方面为用户业务服务,另一方面也为运营商业务编排服务,核心网追求的是可扩展和兼容性。
上图中可以看出,5GS 的接入网系统并非与 LTE 一样只由一个制式的接入网技术组成,而是由 5G NR 接入网技术和演进后的 LTE接入网 E-UTRAN 组成,在 3GPP 中统称为 NG-RAN。具体来讲,演进后的 LTE 接入网的网络节点就是 NG-eNB,而5G 接入网网络节点就是 gNB。
变化二: 用户面和控制面分离
5GS 的用户面功能由部署于NG-RAN 和外部网络之间的UPF承担。UPF是 LTE SGW 和 PGW 用户面功能的融合,相比LTE SGW+PGW 的用户面结构更加简洁、集中。UPF 的出现为SDN 和 NFV 技术的实现奠定了基础,也为实现边缘计算铺平了道路。
用户面和控制面分离使用户面更具灵活性,可以提供更为个性化的路由服务,这也给降低时延奠定了基础。
变化三: 基于服务的网络架构
上图中的 “总线” 其实就是基于服务的网络架构思想。基于服务的网络架构是5G 核心网架构和设计思路的重要变化。所谓 “基于服务的” ,其核心思想是核心网设计重心在于对内、对外服务和功能的提供,解除网络功能与服务间的耦合性,从点对点通信模式改变为 “生产者” 和 “消费者” 之间的相互独立关系。
变化四: 对业务多样性能力的增强
说到业务多样性,大家一定会想到QoS,从3G系统以来,QoS都是移动通信系统中实现业务多样性的核心技术。但是,随着移动互联网技术的发展,业务多样性问题更加突出,传统的QoS并不能满足多样化的业务需求,特别是在垂直业务场景中,其对网络的技术需求与传统业务有天壤之别。因此,5G 中除了继续对QoS体系进行增强以外,还引入了网络切片的概念。
网络切片实质上是一种虚拟网络。5G 核心网可以根据特定的用户需求,在物理层网络中虚拟出特定能力的网络,比如针对一般的eMBB场景,可以提供移动环境下的大带宽接入;针对工业物联网场景,降低对移动性的优化,加强可靠性、低时延的优化。这两个虚拟网络对于用户来说是完全隔离的两个网络,但在物理上共用同一个核心网和接入网实现。这个关系类似于电脑上的虚拟机,基于同一套资源,虚拟机可以同时模拟多个不同且相互独立的系统,但对于用户来说,虚拟机之间完全隔离。网络切片技术为运营商提供了无限的商业可能,为运营商的业务形态创新奠定了基础。
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