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📖 前言：本期介绍5G网元功能与接口。 目录 🕒 1. 5G移动通信系统整体网络架构🕘 1.1 5G核心网架构🕘 1.2 5G接入网架构 🕒 2. 5G主要网元功能🕘 2.1 UPF（用户面功能）🕘 2.2 SMF（会话管理功能）🕘 2.3 AMF（访问和移动性管理功能）🕘 2.4 gNB/en-gNB（基站） 🕒 3. 5G系统接口功能与协议🕘 3.1 NG接口🕘 3.2 Xn接口🕘 3.3 E1接口🕘 3.4 F1接口🕘 3.5 Uu接口 🕒 1. 5G移动通信系统整体网络架构5G移动通信系统基于SBA（Service Based Architecture，服务化架构）方式的架构如下图所示。接下来的例子都属于非漫游（注册地和服务区相同）5G移动通信系统架构。
而SBA架构则不同，由于将网络功能（NF）拆分了，而所有的NF又都通过接口接入到系统中，这样做的好处： 负荷分担：相同的网络功能（NF）一起来承担和提供网络功能服务（NFS），负荷可以均衡分担。 容灾：任何的网络功能（NF）出现故障，智能化的网络管理可以让它暂时退出服务，将服务转给其它相同的网络功能（NF）上处理。 扩容简单：只需要增加新的网络功能接入系统即可，丝毫不影响现网运行。 升级容易：都是基于标准接口的接入，无论是硬件还是软件功能，需要推出新一代的，都可以直接接入，旧的需要淘汰则直接退网。 实现网络的开放能力，在标准接口下，其它系统也可以接入。 🕘 1.1 5G核心网架构 名词定义UE终端AN（Access Network）接入网CN（Core Network）核心网UPF（User Plane Function）用户面功能DN（Data Center）数据中心NF网元功能体NSSF（Network Slice Selection Function）网络切片选择功能NEF（Network Exposure Function）网络开放功能NRF（NF Repository Function）网络仓储功能，支持服务发现功能PCF（Policy Control function）策略控制功能，主要功能是使用统一的策略框架来管理网络行为UDM（The Unified Data Management）统一数据管理，通过生成3GPPAKA身份验证凭据，通过对SUPI的存储和管理，对用户进行识别处理，对用户进行合法性验证AF（Application Function）应用功能，指应用层的各种服务AUSF（Authentication Server Function）鉴权服务器功能，处理3GPP接入和非3GPP接入的认证请求AMF（Access and Mobility Management Function）接入和移动管理功能，负责注册管理，连接管理，可达性管理，移动性管理等功能SMF（Session Management Function）会话管理功能，负责会话建立，修改和释放等观察核心网的网元，发现都是以F（Function）结尾，其实它们与NFV（网络功能虚拟化）相关，基于通用的x86服务器实现，这就是与4G最大的不同之处。 5G网络功能之间的信息交互可以基于两种方式： 基于服务：多对一基于点对点（又称参考点）：一对一实际部署时，经常共同使用这两种方式。在5G网络架构中，不是所有的接口都适合基于服务表示。从上图可以看出，控制面内的网络功能（例如AMF）使其他授权的网络功能能够访问其服务，所以AMF与其他核心网功能间基于服务进行架构。但是，对于接口N1和接口N2，由于基站按需分散部署的特点，点对点表示方式更适合这两个接口。 5G移动通信系统点到点表示如下图所示。 5G无线接入网的基站网元功能拆分为CU和DU。5G移动通信系统NG-RAN CU与DU分离逻辑图如下图所示。
在3GPP历次会议中共提出了8种CU与DU分离方案，如下图所示。 8种方案中，Option2、Option7和Option8是重点讨论内容。 底层功能划分方案：便于控制面集中，利于无线资源干扰协调，可以采用虚拟化平台。但是由于对传输和时延要求较为苛刻，所以至今没有确定分离方案。高层功能划分方案：3GPP已确定采用Option2。理由是PDCP上移便于形成数据锚点，便于支持用户面的双连接/多连接。从资源集中度、协同性能、传输带宽要求及传输时延要求4个维度出发，对CU/DU方案策略进行比较，如下表所示。 5G系统由接入网（AN）和核心网（5GC）组成。AN与5GC的主要功能如下图所示。 5G系统的接口非常多，如果考虑接口间的协同工作及相互影响，可能涉及的内容更多。本节内容仅针对NG接口、Xn接口、F1接口、E1接口和Uu接口进行描述。5G系统接入网（AN）和核心网（5GC）的主要接口如图所示。 NG接口是NG-RAN和5G核心网之间的接口，支持控制面和用户面分离，支持模块化设计。NG接口协议栈如下图所示，其中左侧表示控制面协议栈（NG-C接口），右侧表示用户面协议栈（NG-U接口）。 NG-U接口主要功能： NG-U接口在NG-RAN节点和UPF之间提供非保证的用户平面PDU传送；协议栈传输网络层建立在lP传输上；GTP-U在UDP/IP之上用于承载NG-RAN节点和UPF之间的用户面PDU。 🕘 3.2 Xn接口Xn接口是NG-RAN之间的接口，即存在于基站之间。Xn接口可以为不同设备厂商的NG-RAN设备提供互联。通过NG接口协同在NG-RAN节点之间提供业务连续性。Xn接口协议栈如下图所示，其中左侧表示控制面协议栈（Xn-C接口），右侧表示用户面协议栈（Xn-U接口）。在CU/DU分离的情况下，Xn-C是CU控制面之间的接口，Xn-U是CU用户面之间的接口。
Xn-U接口主要功能： Xn-U接口提供用户平面PDU的非保证传送，并支持分离Xn接口为无线网络功能和传输网络功能，以促进未来技术的引入；数据转发功能，允许NG-RAN节点间数据转发从而支持双连接和移动性操作；流控制功能，允许NG-RAN节点接收第二个节点的用户面数据从而提供数据流相关的反馈信息。 🕘 3.3 E1接口在CU与DU分离的场景下，E1接口是指CU控制面与CU用户面之间的接口，E1接口只有控制面接口（E1-C接口）。E1接口是开放接口，支持端点之间信令信息的交换，支持5G系统新服务和新功能。E1-C接口不能用于用户数据转发。E1接口协议栈如下图所示。
E1上下文管理功能： 上下文承载建立（ gNB-CU-CP ） ;上下文承载修改与释放（可以由gNB-CU或gNB-DU发起）；QoS流映射（gNB-CU执行）；下行数据通知（ gNB-CU-UP发起）；承载不活动通知；数据使用情况报告（gNB-CU-UP发起）。TE ID分配功能（gNB-CU-UP）： F1-U UL GTP TEID、S1-U DL GTP TEID、NG-U DL GTP TEID X2-U DL/UL GTP TEID、Xn-D DL/UL GTP TEID 🕘 3.4 F1接口在CU与DU分离的场景下，F1接口是CU与DU之间的接口，通常称为中传接口，F1接口分为用户面接口（F1-U接口）和控制面接口（F1-C接口）。F1接口支持eNB-point之间的信令交互，包括支持不同eNB-point的数据发送。F1接口协议栈如下图所示，其中左侧表示控制面协议栈（F1-C接口），右侧表示用户面协议栈（F1-U接口）。
系统信息管理功能： 系统广播信息的调度在gNB-DU中执行，gNB-DU负责NR-MIB、SIB1的编码，gNB-CU负责其他SI消息的编码。F1 UE上下文管理功能： 基于接纳控制准则、由gNB-CU发起并由gNB-DU接受或拒绝F1 UE上下文的建立；UE上下文的修改（可以由gNB-CU或gNB-DU发起）；QoS流和无线承载之间的映射（gNB-CU执行）；管理建立,修改和释放DRB和SRB资源（DRB资源的建立和修改由gNB-CU触发）。RRC消息传送功能： RRC消息通过F1-C传送，gNB-CU负责用gNB-DU提供的辅助信息对专用RRC消息进行编码。F1-U接口主要功能： 用户数据传输（Transfer of user data）；CU和DU之间传输用户数据；流量控制功能（Flow control function）；控制下行用户数据流向DU。 🕘 3.5 Uu接口Uu接口又称为空中接口，是UE与网络之间的接口，这里的网络既可以是NG-RAN，也可以是5GC网络。Uu接口支持控制面和用户面分离，Uu接口控制面和用户面协议栈如下图所示。Uu接口控制面和用户面共享PDCP、RLC、MAC和PHY。对于PDCP、RLC、MAC和PHY，控制面和用户面使用时会有差异。 控制面的主要功能： PDCP层完成加密和完整性保护RRC层完成广播，寻呼，RRC连接管理，资源控制，移动性管理，UE测量报告控制NAS层完成核心网承载管理，鉴权及安全控制NAS是控制面功能，位于核心网的AMF与终端之间，功能包括核心网承载管理、注册管理、连接管理、会话管理、鉴权、安全性和策略控制。基于服务的NAS接口如下图所示。
用户面的主要功能： PDCP层完成头压缩，加密，调度，ARQ/HARQ（混合自动重传），但是没有完整性保护5G用户面增加新的协议层SDAP（Service DataAdaptation Protocol），完成流（5G Qos flow）到无线承载（DRB）的QoS映射，为每个报文打上流标识（QFI: QoS flow ID ）参考文献 🔎 5G核心网的颠覆：SBA架构 🔎 老猿学5G随笔：5G网元功能体NF以及NF之间的两种接口–服务化接口和参考点 🔎 5G架构（非漫游）及主要实体介绍 🔎 大唐杯学习笔记(1)—— 5G网络架构与组网部署 🔎 《5G系统技术原理与实现》——人民邮电 OK，以上就是本期知识点“5G网元功能与接口”的知识啦~~ ，感谢友友们的阅读。后续还会继续更新，欢迎持续关注哟📌~ 💫如果有错误❌，欢迎批评指正呀👀~让我们一起相互进步🚀 🎉如果觉得收获满满，可以点点赞👍支持一下哟~ ❗ 转载请注明出处 作者：HinsCoder 博客链接：🔎 作者博客主页 |
与以往有什么不同？以往是层级的拓扑网络结构，节点与节点之间是层级交错的网络关系，而且节点集成度很高，各种功能大包大揽，这样有它的好处，入网简单，但缺点也很明显：扩展性困难、升级困难，所以我们看到以前的核心网扩容，要么加新节点，要么在现有节点上升级，在现有节点上升级风险比较大，升级错误可能造成网络瘫痪，而且，升级只能在原硬件平台上进行。
通常情况下，一个gNB的DU只会连接这个gNB的CU，但是灵活性高是5G系统的重要特点，所以实际应用时，DU有可能连接到多个gNB CU。gNB CU同样实现了控制面和用户面分离。在一个逻辑gNB中，通常只有一个控制面（CU-CP），但是会有多个用户面（CU-UP）。gNB-CU及其连接的若干gNB-DU作为一个整体逻辑gNB对外呈现，此时，这个逻辑gNB只对其他逻辑gNB和与其相连的5GC可见。
CU与DU分离方案可以分为高层功能划分方案和低层功能划分方案。分离点越趋向高层（左边），表示更多的协议栈功能位于DU，此时集中化程度越低，实现越容易；分离点越趋向低层（右边），表示更多的协议栈功能位于CU，此时集中化程度越高，实现越困难。比如Option2就是把RRC+PDCP划分给CU，剩余的划分给DU。
Option4：对传输时延要求很高，且未看到其他性能增益，后续基本不考虑该方案。
主要功能：Xn-C接口管理和差错处理功能（1~5）、UE移动管理功能（6~10）、双连接功能（11）
E1接口管理功能：
F1接口管理功能：
控制面与用户面相同功能：
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