ew的小天地 科技 5GC基础自学系列 | 5GC基础之5GC网络架构及网元

5GC基础自学系列 | 5GC基础之5GC网络架构及网元

视频来源:51学通信《5G核心网基础、协议与信令流程》

一边学习一边整理老师的课程内容及试验笔记,并与大家分享,侵权即删,谢谢支持!

附上汇总贴:​​​​​​5GC基础自学系列 | 汇总_COCOgsta的博客-CSDN博客


主要内容

5GC(SA)架构介绍

5GC主要网元及功能对比

5GC网络架构的主要变化

  • SBA架构
  • 网元的注册、发现与选择
  • CUPS
  • 边缘计算
  • MM和SM的分离
  • 计算与存储的解耦
  • 与非3GPP的互操作
  • 能力开放
  • PCC架构的变化

5G的市场驱动力

4G主打B2C业务,但人均ARPU值已经接近饱和。如某运营商财报显示,2019年上半年4G用户平均ARPU值为50元左右。较往年无明显增长。

  • (简单说,人身上难增长,就从物身上想办法)

基于此,5G将重点发力与各行各业的融合、物联网、更好的服务社会。

5G主打的三大应用场景

  • eMBB:增强型移动宽带(对带宽要求高)
  • mMTC:海量机器类通信(低成本、海量连接数)
  • uRLLC:超可靠低延迟通信(超低延迟)

5G的应用场景

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5G规范时间表

4G的第一版规范:R8(2008年)

NB-IOT的第一版规范:R13(2014年)

5G的第一版规范(含NSA和SA):R15(2018年)

  • 主打eMBB

5G的第二版规范(SA):R16(预计2020一季度)

  • 主打MMTC和uRLLC以及网络的增强功能

5G核心网主要功能概述

5G核心网架构的主要功能概述

  • SBA的架构,4G以网元为中心->5G以功能、服务为中心
  • CUPS(控制与用户面的分离)
  • 网络切片(怎么切?怎么选?)
  • 移动性管理和会话管理的分离
  • 统一的认证框架(3GPP和非3GPP)
  • 边缘计算
  • 能力开放
  • 计算与存储的解耦
  • 新的Qos框架
  • 网元平台向NFV/SDN的演进
  • 语音业务继续沿用IMS
  • 。。。

5G核心网相关的主要规范

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5GC网络架构表述

SBA(Service-Based Architecture)架构:

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  • 每个网元对外暴露多种服务,其他网元通过HTTP API的形式来调用该服务
  • 对外暴露的接口称之为SBI,书写格式以大写N开头,加上小写的网元名字,如Namf
  • 当有业务需要时,任意核心网网元之间均可以直接互访。没有限制。

参考点架构:

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  • 功能和SBA架构是一样的。但为了方便交流,给需要互访的两个网元之间依然制定了参考点,以大写的N开头,后面跟一个数字。如N11代表AMF和SMF之间的接口。
  • 交流时如果N11有故障,马上知道是AMF和SMF,如果Namf,则不确定是具体哪里有问题。

注意:并不是所有网元都有SBI接口(或者对外暴露服务),只有核心网控制面网元才有SBI接口。如RAN、UPF都没有SBI接口。依然采用传统的点到点接口,如N2。

5G网络架构构成

5G网络 = UE + 5G-RAN + 5GC,其中SA的5G网络下,5G-RAN就是gNodeB。

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gNodeB构成(举例)

gNodeB = AAU + CU + DU

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3GPP所定义的5GC网元

3GPP的5G架构在23.501中定义,v15.4版本(2018年12月)一共定义了以下主要的5GC网元。

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5GC网元部署时的合设

为支持5G和4G网络平滑切换及互操作,有很多4G/5G网元在部署时会是合设的。

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5GC网络架构变化之一:SBA

4G重网元(NF),5G重网元服务。产品架构也利于向微服务化架构(虚拟机->容器)演进。提升灵活性。

网元功能被拆分成一个或多个服务(更小、更微):

  • 每个网元的服务可以被其他控制面网元直接调用
  • 通过HTTP2协议,API的形式调用
  • 每个SBA网元都有一个29系列规范,其本质是一个API调用手册。
  • 以UDM为例:

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5GC网络架构变化之二:5GC中的网元注册、发现和选择

5GC中引入了SBA架构,每个网元都需要支持多种服务并引入了HTTP2作为SBI接口的唯一协议,因此网元的选择和发现不再依赖DNS,而是引入了NRF网元来完成。

同样也是三部曲:

  1. 新网元上线后,主动向NRF注册自己的信息(地址和能力信息)
  2. NRF登记该网元信息,供其他网元选择
  3. 其他网元查询NRF,选择自己需要的网元

4G EPC和5GC网元发现和选择方面的主要异同:

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5GC网络架构变化之三:CUPS

CUPS(Control Plane User Plane Seperation)即控制平面与用户平面的分离,有利于业务的集中控制。

最早在3GPP R14中提出,可应用于4G、5G NSA和5G SA核心网。

可支持边缘计算、切片、分布式云化部署以及和SDN的集成。

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CUPS架构图(5G EPC vs 5GC)

5G EPC中是Sx接口,5GC中是N4接口,协议都采用PFCP协议(29.244)

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5GC网络架构变化之四:MM和SM的分离

作为MME的演进,AMF不再负责SM(会话管理),会话管理交给专门的网元SMF来处理。

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插曲:回顾通信网络的那些“分离”

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5GC网络架构变化之五:边缘计算

为支持URLLC此类延迟高度敏感的业务,光提升延迟是不够的,还得依赖于架构的优化。将延迟敏感类业务通过5G网络分流到本地服务器就是这样一种设计,也叫边缘计算。

5GC中的边缘计算是通过ULCL(上行分类器,适用于IPv4/v6)和Branching Point(IPv6)两种方法来实现的。首推ULCL。

架构图如下所示:

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5GC网络架构变化之六:计算与存储的解耦

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UDSF:Unstructured Data Storage Function

AMF的容灾方案(已部署UDSF)

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5GC网络架构变化之七:对非3GPP网络的支持

为支持和非3GPP网络互操作,引入了N3IWF网元。

和4G的主要差别在于实现了控制和用户面的分离:

  • 4G的非3GPP主要互操作接口->S2b:ePDG - PGW(CP+UP)
  • 5G的非3GPP主要互操作接口->N2:N3IWF-AMF(CP) + N3:N3IWF - UPF(UP)

5G支持和以下非3GPP网络互操作:

  • 非可信WIFI(R15):即非运营商建的WIFI网络
  • 非可信+可信WIFI(R16):即运营商建的WIFI网络

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5GC网络架构变化之八:能力开放(拥抱各行各业)

4G改变生活(B2C),5G改变社会(B2B2X)

商业模式的改变,意味着5G网络需要加强和社会各行业的互动,而且是自动化的(不是来一个需求就去静态修改很多网元的配置)、有标准的规范(而不是某厂家私有方案)

NEF(Network Exposure Function)应运而生。

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能力开放及NEF网元功能简介 - NEF网元的主要功能(23.501)

QoS能力开放

  • 例如:第三方AF可请求为某个业务流量进行加速或保障

移动性状态事件订阅(只要你感兴趣且合规,我就开放给你)

  • 例如:第三方AF可向5GC订阅UE的可达性、某TA下UE总数、漫游状态等

AF请求的流量引导(或叫流量疏导)

  • 例如:AF可请求5GC对特定业务流重定向到特定的UPF下

AF请求的参数发放

  • 例如:AF可通过NEF,修改UDM中的用户参数,如期望的UE移动轨迹参数

PFD管理

  • 即:由第三方AF提供的应用检测规则,可由AF通过NEF下发给SMF,SMF发给UPF用于应用检测。可以更精准的做应用检测。

5GC网络架构变化之九:PCC架构的变化

和4G相比,变化不是很大。主要有以下差别:

  • PCF和PCRF功能基本相同,完成QoS策略控制、业务授权、门控、使用量监控等功能
  • PCEF因为引入了CUPS,拆分成PCEF-CP(即SMF)和PCEF-UP(即UPF)
  • 新增NWDAF网元,可生成网络状态报告(如网络拥塞状态)并提供给PCF,用于制定策略
  • 离线和在线计费合并为CHF网元实现
  • PCF只负责前端的业务处理,用户数据存放在后端的UDR中

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