5G网络架构分析.pdf

C o m m u n i c a t i o n&I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y N o.4.2 0 2 3通信与信息技术2 0 2 3 年第4 期(总第2 6 4 期)5 G 网络架构分析卫东1,卫宣伶21.中国通信服务四川公司，四川成都6 1 0 0 4 12.四川省成都艺术职业大学，四川成都6 1 1 4 0 0摘 要：自5 G 建设以来，现网的网络结构在渐进式的升级。结合网络的演进形式讨论了5 G 的网络架构。分析了核心网和无线接入网的网元组成和功能。讨论了独立组网和非独立组网的区别和技术特征。分析了3 种典型网络结构及其应用。关键词：5 G;独立组网；非独立组网；核心网；无线接入网中图分类号：T N 9 2 9文献标识码：A文章编号：1 6 7 2-0 1 6 4(2 0 2 3)0 4-0 0 5 3-0 4是渐进式发展，核心网也是如此，经历了演进分组核心网(E v o l v e d P a c k e t C o r e,E P C)向5 G 核心网(5 G C N)的演进。1 引言2 0 1 9 年1 0 月，5 G 在我国开始商用，标志着我国正式进入5 G 时代。5 G 将移动互联网、智能终端和物联网等领域的创新成果深度融合在一起，在用户体验速率、连接密度、传输时延等方面都达到了新的高度 。随着5 G 技术的应用和网络的部署，应用领域和业务类型也在进一步地拓展 2 。2.1 演进分组核心网演进分组核心网其实就是通常意义上的L T E 核心网，如图1 所示。P C R F5 G 网络的优化和部署有别于3 G 向4 G 的升级，并非核心网(C o r e N e t w o r k,C N)和无线接入网(R a d i o-A c c e s s N e t w o r k,7E P CS b aH S SM M Es G wP G WS I Is s/s sR A N)的同步升级，而是由非独立组网(N o n-S t a n d a l o n e,S I-M M EN S A)到独立组网(S t a n d a l o n e,S A)的渐进式部署 3 。2 0 1 8年3 月，N S A 组网模式标准冻结；同年9 月，S A 组网模式标准冻结。目前，我国正处于N S A 向S A 演变的阶段，并在很长一段时间内N S A 和S A 将会共存。通过分析5 G 核心网、无线接入网和组网类型的演进来讨论5 G 的网络架构及其应用。8 1-0U ER A NU u图1 演进分组核心网E P C 结构E P C 有4 个网元移动性管理实体(M o b i l i t yM a n a g e m e n t E n t i t y,M M E)、服务网关(S e r v i n g G a t e W a y,S G W)、分组数据网网关(P a c k e t D a t a N e t w o r k G a t e W a y,P G W)和归属用户服务器(H o m e S u b s c r i b e r S e r v e r,H S S),功能如表1 所示。此外，E P C 还连接了策略与计费规则功能(P o l i c y a n d C h a r g i n g R u l e s F u n c t i o n,P C R F),它是业务数据流和I P 承载资源的策略与计费控制策略决策点。2 核心网核心网负责向整个网络提供所需要的功能，包括端到端的连接、用户鉴权和计费等。核心网对这些功能的集成，有利于向多种类型的无线接入技术服务。如前所述，5 G 网络表1 E P C 网元功能网元缩写中文名称功能描述M M E移动性管理实体控制面(C o n t r o l P l a n e,C P)网元，负责接入控制、移动性管理、会话管理、P G W 和S G W 选择和安全认证。用户面(U s e r P l a n e,U P)接入服务的网关，负责会话管理、路由选择和数据转发、服务质量控制和计费。运营商网络和互联网的网关，包括分组包深度检查、I P 地址分配、会话管理、路由选择和数据转发、非3 G P P 接入、基S G W服务网关P G W分组数据网网关于业务的计费等。H S S 归属用户服务器存放所有属于该核心网用户的数据信息。收稿日期：2 0 2 2 年1 1 月3 0 日；修回日期：2 0 2 3 年6 月6 日5 3通信与信息技术2 0 2 3 年第4 期(总第2 6 4 期)2.2 5 G 核心网应用于5 G 网络的关键服务。在5 G 系统中，强调了控制面和用户面分离，主要是为了实现用户面功能的独立扩展，可以在不影响控制面功能的情况下，通过增加数据面节点来应对数据流量增加的问题。5 G 核心网建立在E P C 的基础上，但在三个方面进行了增强基于服务的架构、支持网络切片、控制面和用户面分离(C o n t r o l a n d U s e r P l a n e S e p a r a t i o n,C U P S)。基于服务的架构是5 G 核心网的基本思想，核心网功能都在通用计算机硬件上运行，也就是采用了网络功能虚拟化(N e t w o r k F u n c t i o n s V i r t u a l i z a t i o n,N F V)技术。图2 展示了对应的核心网架构，表2 给出了对应的网络功能。网络切片是一个服务于特定业务的逻辑网络，对服务化架构中的网络功能进行选择、配置和组合。在5 G 核心网中新增的网络切片选择功能(N e t w o r k S l i c e S e l e c t i o n F u n c t i o n,N S S F)是软件定义网络(S o f t w a r e D e f i n e d N e t w o r k,S D N)和N F V 技术N S S FN E FN R FP C FU D MA FA U S FA M FS M FN、N 2U EU P FR A NS G C N图2 5 G 核心网的服务化架构表2 5 G 核心网网络功能网元缩写中文名称功能描述与4 G 网元对比完成移动性管理、N A S M M 信令处理、N A S S M 信令路由、安全锚点和安全上下A M F 接入和移动性管理功能M M E 中N A S 接入控制功能文管理、合法监听等。完成会话管理、U E I P 地址分配和管理、U P 选择和控制等、下行数据通知、合M M E、S G W 和P G W 中会话和承S M F会话管理功能法监听等。载管理的控制面功能签约数据管理、用户服务N F 注册管理、产生3 G P P A K A 鉴权参数、保证业务/U D M统一数据管理H S S会话连续性。A U S F 认证服务器功能完成用户接入的身份认证功能。M M E 的鉴权功能数据面锚点、连接数据网络的P D U 会话点、报文路由和转发、报文解析和策略U P F 用户平面功能S G W 和P G W 中用户面功能执行、合法监听。P C F策略控制功能支持统一策略框架，提供策略规则。P C R FN S S F 网络切片选择功能 根据U E 的切片选择辅助信息、签约信息等确定U E 允许接入的网络切片实例。新增N R F网络存储功能维护已部署N F 的信息，处理从其他N F 过来的N F 发现请求。新增N E F网络开放功能网络能力的收集、分析和重组，使内部或外部应用可以访问网络提供的信息或业务，为不同的使用场景定制化网络能力。新增3 无线接入网无线接入网是利用无线接入技术把所有终端连接到通信网络的功能性网络。它的网元就是基站。在5 G 的无线接入网中，有两种类型的基站：n g-e N B(增强型L T E 基站),通过使用L T E 用户面和控制面协议为L T E 终端提供服务；g N B,通过使用新空口(N e w R a d i o,N R)用户面和控制面协议为N R 终端提供服务。以接入5 G 核心网为例，基站通过N G 接口与核心网网元A M F 和U P F 对接，如图3 所示。基站与基站之间通过X n 接口进行偶联。A M F5 G C NU P Fg N Bg N Bn g-e N Bn g-e N B图3 无线接入网更为特别的是，g N B 进一步分离为集中单元(C e n t r a l i z e dU n i t,C U)和分布式单元(D i s t r i b u t e d U n i t,D U)。C U 和D U 之间通过F 1 标准化接口对接。C U 负责处理高层协议和非实时服务，在接入网内部可以控制和协调多个小区。D U 则处理物理层协议和实时服务，提供低成本部署。一个C U 可以负责多个D U 的管理。换言之，直接接入到核心网的是C U,而D U 连接的则是终端。这种分离可以有效降低前传对带宽的需求，并且C U 内部的移动性不可见，从而降低C N 的信令开销和复杂度。4 组网技术4.1 组网结构5 G 网络的建设是由N S A 到S A 的渐进式过程，一方面可以利用L T E 的现有资源，节约初期的建设成本，另一方面可以迅速占领市场。N S A 和S A 的区分方式，目前有两种观点。第一种是以网络中是否存在“双连接”来区分。所谓双连接，就是接入网中存在g N B 和n g-e N B 两种基站节点，由其中一个负责控制面的信令处理(该节点称为锚点),而另一个负责用户面数据的分流(该节点称为数据分流点)。第二种是以核心网的类型和控制面锚点的位置来区分。组网类型的区分，如图4 所示。3 G P P 提出的8 种选项5 就是以第一种方式进行区分的。表3 对8 种选项的组网结构和技术特征进行了总结。其中，选项1 是纯4 G 的架构，选项2 是5 G 的最终形态。N S A 的5 4行业观察5 G 网络架构分析选项3、4、7 都有子选项。不同子选项在结构上是完全一样的，区别在于数据分流点的位置。以选项3 系列为例，都采用E P C 作为核心网，控制面锚点都在L T E 基站。但是，选项3以L T E 基站为数据分流点，将从核心网下来的数据分为两路，一路发给终端，另一路分流到5 G 基站再转发到终端；选项3 a 由核心网向L T E 和5 G 基站分发用户面数据，这种方式需要对核心网进行升级；选项3 x 利用了5 G 基站的速度快能力强的优势，将数据分流点放在5 G 基站。显然，选项3 x 的组网E P C+e N B结构兼顾了现有资源的利用和5 G 基站高速处理能力的优点，更适合在建网初期进行部署。从结构特征来看，N S A 到S A 的变化体现为：在4 G 网络的基础上引入g N B 分担业务，然后升级核心网为5 G 提升网络能力，最后转移控制面锚点到g N B。因此，4 G 向5 G 网络的演进路线可以视为“选项1 选项3 系列选项7 系列选项4 系列选项2”。但是，在网络建设过程中，并非严格按照这条路线进行，可以只选择部分架构进行建设。5组网随立想因的指德唐区真5 G C N-g N B5 G C N+n g-e N BE P C+g N BE P C-e N B+g N BE P C+n g-e N B+g N BS G C N+n g-e N B+z N B5组网独立坦同器非横位描区落5 G C N+g N B5 G C N+g N B(C P)+n g-e N BE P C+g N BE P C-g N B+n g-e N BS G C N+g N B+n g-c N B(C P)(a)方式一图4 N S A 与S A 的区分表3 3 G P P 提出的组网结构(b)方式二名称选项1独立选项2组网选项5选项6选项3 系列选项4 系列非独立组网选项7 系列选项8结构E P C+e N B5 G C N+g N B5 G C N+n g-e N