5G网络架构、网络接口及协议栈

1、5G整体网络架构

2、5G网络接口及无线协议栈

2.1 5G网络接口及协议

2.2 5G无线端到端协议栈

3、5G核心网新架构

4、5G接入网新架构

4.1 4G到5G基站的演进

4.2 5G基站gNB的功能

4.3 CU-DU的部署形态

5、5G组网架构

1、5G整体网络架构

5G网络架构宏观上分为接入网和核心网两部分，5G接入层成为NG-RAN（NR），由5G基站（gNB）组成；5G核心网由控制面（AMF）、用户面（UPF）分离组成。

2、5G网络接口及无线协议栈

2.1 5G网络接口及协议

5G网络接口分为Xn和NG两种接口。

表1 5G的网络接口功能及协议
接口	功能	协议
Xn	gNB与gNB间的接口，支持数据和信令传输 Xn-C：Xn接口管理、UE移动性管理（跨栈切换、上下文转移和RAN寻呼）、双连接（DC） Xn-U：提供用户面PDUs非保证传递，主要功能包括数据转发和流控制	控制面：Xn-C、NG-C、F1-C接口信令连接基于SCTP协议（可靠性高）；数据面：Xn-U、NG-U、F1-U用户面传输基于GTP-U协议；
NG	gNB与核心网的接口 NG-C(NG2)：NG接口管理、UE上下文管理、UE移动性管理、NAS消息传输、PDU会话管理、配置转换、告警信息传输、寻呼 NG-U(NG3)：提供NG-RAN和UPF间的用户面会话（user plane PUDs）非保证传递
F1	gNB-CU和gNB-DU之间的接口 F1-C：F1接口管理、gNB-DU管理、系统消息管理、负载管理、寻呼、F1 UE上下文管理…… F1-U：用户数据转发、流控制功能
其他	gNB和UE之间使用NR控制面和用户面协议

2.2 5G无线端到端协议栈

1、5G无线协议栈

SDAP：QoS flow与无线承载的映射。

2、5G端到端控制面协议栈

3、5G端到端用户面协议栈

因此，5G中重要的端口包括：NG2、NG3、NG6、NG9、NG11。

3、5G核心网新架构

5GC基于服务化架构（网络功能服务解耦）和SDN/NFV框架（网络云化），结合网络切片（端到端逻辑专用网络）、边缘计算、5G非公共网络（NPN）、5G局域网等行业专网使能技术，实现网络架构开放性、网元虚拟化、资源灵活调度及定制化场景应用。

5G核心网必须满足低时延业务处理的时效性需求。5G核心网控制面的逻辑功能被进一步细分，AMF和SMF分离为两个逻辑节点，网络用户面进一步下沉，如图7所示。

与4G网络架构相比，5G网络用户面的接口和服务不变，控制面借鉴IT思想，采用服务化网络架构，网络功能拆解为模块化网络服务，接口采用服务化网络接口，实现网络功能的灵活定制。

表2 5G核心网网元及其功能
5G网元	功能描述	与4G网元的对应关系
AMF(Access and Mobility Management Function)	NG1、NG2接口终止；移动性管理、SM消息的路由；接入鉴权、安全锚点功能（SEA）；安全上下文管理功能（SCM）	类似MME
SMF（Session Management Function）	会话管理（建立、修改、释放等）、UP选择和控制； IP地址分配；配置UPF的QoS策略	类似PGW-C
UPF（User Plane Function）	用户平面的业务处理功能 intra-RAT移动的锚点（锚定功能）；数据报文路由、包转发、检测及QoS映射和执行；上行链路的标识识别并路由到数据网络（流量统计及上报）；下行包缓存和下行链路数据到达的通知出发	类似PGW-U
UDM（Unified Data Management）	产生AKA过程需要的数据；签约数据管理、用户鉴权处理、短消息管理；支持ARPF	类似HSS
AUSF（Authentication Server Function）	为鉴权服务器，生成鉴权向量，实现对用户的鉴权和认证	类似HSS中的Auc功能
PCF（Policy Control Function）	应用和业务数据流检测； UE策略配置（网络发现和选择策略、SSC模式选择策略、网络切片选择策略）；数据流分流管理（不同DN）； QoS控制、额度管理、基于流的计费；背景数据传送策略协商；对通过NEF和PFDF从第三方AS配置进行的PDF进行管理；具备UDR前端功能以提供用户签约信息；提供网络选择和移动性管理相关的策略	类似PCRF
NEF（Network Exposure Function）	网络能力的收集、分析和重组	类似SCEF
NRF（NF Repository Function）	业务发现，从NF实例接收你发发现请求，并向NF实例提供发现的NF实例信息	全新网元，类似增强DNS

5G核心网发展的趋势是核心网下移及云化，其最终架构演进分为两个阶段：1、核心网设备虚拟化和架构云化，主要特点是VNFs分层架构、静态网络切片以及软硬件解耦等；2、原生云架构和核心网网元云化，包括EPC云化、IMS云化等，主要面向业务的动态端到端切片，控制面和用户面分离以及功能模块原子化。

4、5G接入网新架构

4.1 4G到5G基站的演进

4.2 5G基站gNB的功能

表3 5G基站的功能
关键功能	IP头压缩、数据加密和完整性保护；到UPF的用户面数据路由；到AMF的控制面路由；支持网络切片，支持双连接； QoS flow管理和到DRB的映射；（类似细流水管，由图4无线协议栈中SDAP处理）支持UE RRC_INACTIVE态； NAS消息转发；
其他	无线资源管理：无线承载控制，无线准入控制，动态资源分配，连接移动性控制； AMF选择；连接建立和释放；寻呼消息和系统广播消息的调度和传输；测量和测量上报配置；

4.3 CU-DU的部署形态

根据3GPP，5G的BBU功能被重构为中央单元CU和分布单元DU两个功能实体，控制面集中为多业务提供灵活的扩展能力，为mMTC提供高效的处理能力；DU更靠近用户，满足uRLLC业务需求。CU与DU按处理内容的实时性进行区分：

CU：主要包括非实时的无线高层协议栈功能，同时支持部分核心网下沉和边缘应用业务的部署。
DU：主要处理物理层功能和实时性需求的层2（参考图4中的层级划分）功能，考虑节省RRU与DU之间的传输资源，部分物理层功能也可上移到RRU实现。

CU与DU之间的部署形态多样化，方案1主要用于URLCC场景，有理想前传，可有效控制时延。方案2可用于eMBB场景，有理想前传条件，可同时兼容FWA和mMTC场景。方案3与方案2相似，但方案3无理想前传，需要将DU和AAU放在一个站点。方案4可用于小站，热点覆盖场景。

5、5G组网架构

5G提出了非独立组网（NSA）和独立组网（SA）两种组网方案，具体见工业5G概述、应用与测试床建设。NSA作为过渡方案，以提升热点区域带宽为主要目标，依托4G基站和4G核心网工作。

表4 NSA和SA的优劣比较
对比维度		NSA	SA
业务能力		仅支持大带宽业务	较优，支持大带宽和低时延业务，便于拓展垂直行业
4G/5G组网灵活度		较差：option 3x同厂商，option 3a可能不同厂商	较优，可以不同厂商
基本性能	终端吞吐量	下行峰值速率优（4G/5G双连接，NSA比SA优7%），上行边缘速率优	上行峰值速率优（终端5G双发，SA比NSA优87%），上行边缘速率低
	覆盖性能	同4G	初期5G连续覆盖挑战大
	业务连续性	较优，不涉及4G/5G系统间的切换	略差，初期未连续覆盖时，4G/5G系统间切换多
对4G现网改造	无线网	改造较大：4G软件升级支持Xn接口，硬件基本无需更换，但需与5G基站连接	改造较小，4G升级支持与5G互操作，配置5G邻区