第 2 章 5G 網絡結構
2.1 網絡整體結構
| 2.3 5G 系統架構 |
R15 中定義了 5G 整體架構模型和原理，規範了寬帶資料服務支援、使用者認證和服務使用授權、一般應用支援等，特别地規範了對更接近無線側的邊緣計算的支援。它對 3GPP IP 多媒體子系統的支援還包括緊急和監管服務規範。此外，5G 系統架構模型從一開始就規範了實作不同接入系統使用者服務的統一形式，例如，固定網絡接入或互通無線局域接入網（WLAN，Wireless Local AccessNetwork）（指 WLAN 與 5G 的互通）。R15 中定義的 5G 系統架構提供與 4G的互通和遷移、網絡功能暴露和許多其他功能。關于 5G 系統架構的完整描述可參見 3GPP 規範 TS 23.501、TS 23.502 和 TS 23.503。
2.3.1 網絡服務
與過去的移動通信系統不同，5G 系統架構将逐漸取消專用的網元裝置，轉而采用在通用伺服器上部署各種網絡功能（NF，Network Function）的形式。NF 是 5G 系統邏輯架構中的元件，主要包括以下幾種。
• AMF（Access and Mobility Management Function）
接入和移動管理功能，是 RAN 控制面接口（N2）的終止，也是 NAS（N1）協定的終止，為 NAS 提供加密和完整性保護。AMF 的主要功能還包括接入授權和認證、連接配接管理、移動管理等。在與 EPS 互操作的場景中，AMF 負責 EPS承載 ID 的配置設定。
• SMF（Session Management Function）
會話管理功能，主要負責會話建立、修改和釋放，以及 UPF 與接入網（AN，Access Network）節點之間的通道維護。SMF 提供 DHCP 功能，并負責為使用者終端配置設定和管理 IP 位址。SMF 作為 ARP 代理和/或 IPv6 鄰居征集代理，通過提供與請求中發送的 IP 位址對應的 MAC 位址來響應 ARP 和/或 IPv6 鄰居征集請求。SMF 另一個重要的功能是選擇和控制使用者面功能，包括控制 UPF 代理ARP 或 IPv6 鄰居發現，或将所有 ARP/IPv6 鄰居請求流量轉發到 SMF，用于以太網 PDU 會話。
• UPF（User Plane Function ）
使用者面功能，是 RAT 内及 RAT 間移動時的錨點，也是與 DN 互聯的外部PDU 會話點。UPF 負責分組路由和轉發相關功能，如支援上行鍊路分類器将業務流路由到一個資料網絡執行個體、支援分支點以支援多宿主 PDU 會話。UPF 也負責分組檢查，如服務化資料流模闆的應用檢測。
• PCF（Policy Control Function）
PCF 支援統一的政策架構來管理網絡行為。為控制面功能提供強制執行的政策規則。通路與統一資料存儲庫（UDR）中的政策決策相關的訂閱資訊。
• NEF（Network Exposure Function）
網絡暴露功能主要包含 3 類獨立的功能。（1）能力和事件曝光：3GPP NF通過 NEF 向其他 NF 公開功能和事件，NF 暴露的能力和事件可以安全地暴露給第三方、應用功能（AF，ApplicationFunction）、邊緣計算。NEF 使用标準化接口（Nudr）将資訊作為結構化資料存儲/檢索到 UDR（統一資料存儲庫）。
（2）提供從外部應用程式到 3GPP 網絡的安全資訊：為 AF 提供一種安全地向3GPP 網絡提供資訊的方法，例如，預期的使用者行為，在這種情況下，NEF 可以驗證和授權并協助限制 AF。（3）内部-外部資訊的翻譯：在與 AF 交換的資訊和與内部 NF 交換的資訊之間進行轉換，例如，在 AF 服務識别（AF-ServiceIdentifier）和内部5G 核心網資訊（如 DNN、S-NSSAI）之間進行轉換。NEF還可根據網絡政策處理對外部 AF 的網絡和使用者敏感資訊的屏蔽。
• NRF（Network Repository Function）
網絡存儲功能主要負責 NF 的發現和維護等。NF 服務發現是指從 NF 執行個體接收 NF 發現請求，并将發現的（或被發現的）NF 執行個體的資訊提供給 NF 執行個體。NF 維護是指對可用 NF 執行個體及其支援服務的 NF 配置檔案的維護。NRF 中維護 NF 執行個體的描述資訊主要包含 NF 執行個體 ID、NF 類型、PLMN ID 網絡切片相關的識别器（如 S-NSSAI、NSI ID）、NF 的 FQDN 或 IP 位址、NF 能力資訊、NF 特定服務授權資訊等。
• UDM（Unified Data Management）
統一資料管理，負責對使用者的識别（例如，5G 系統中每個使用者的 SUPI 的存儲和管理），及生成 3GPP 認證與密鑰協商（AKA，Authentication and KeyAgreement）身份驗證憑據。UDM 負責訂閱管理，并基于訂閱資料進行通路授權（例如漫遊限制）。UDM 對使用者終端的服務 NF 進行注冊管理（如為使用者終端存儲服務 AMF，為使用者終端的 PDU 會話存儲服務 SMF）。UDM 支援服務/會話連續性，如通過保持 SMF/DNN 配置設定正在進行的會話。
• AUSF（Authentication Server Function）
認證伺服器功能，支援 TS 33.501 中規定的 3GPP 接入和不受信任的非 3GPP接入認證。
• AF（Application Function）
應用功能，與 3GPP 核心網互動以提供服務，支援應用對流量路由的影響、通路 NEF、與政策架構互動等。基于營運商的部署，被營運商信任的 AF 可直接與相關 NF 互動，不被信任的 AF 則需要通過 NEF 采用外部暴露架構與相關的 NF 進行互動。3GPP 僅對 AF 與 3GPP 核心網互動的能力和目的進行規範，不涉及 AF 提供的具體服務。
• NSSF（Network Slice Selection Function）
網絡切片選擇功能，主要包括為使用者終端選擇服務的網絡切片執行個體集合、确定允許的和已配置的網絡切片選擇輔助資訊（NSSAI，Network Slice SelectionAssistance Information）、确定服務使用者終端的 AMF 集合等。
• DN（Data Network）
資料網絡，如營運商服務、網際網路接入和第三方服務等。除圖 2-9 中包含的 NF，5G 系統結構中還包含以下 NF。
• N3IWF（Non-3GPP Inter Working Function）
非 3GPP 互操作功能，在不受信任的非 3GPP 通路情況下負責與 UE 建立IPSec 隧道、為控制面和使用者面 N2 和 N3 接口提供終止、為使用者終端和 AMF
之間的上行鍊路和下行鍊路控制面 NAS（N1）信令提供中繼、處理與 PDU 會話和 QoS 相關的 SMF（由 AMF 中繼）的 N2 信令、建立 IPSec 安全關聯（IPSec SA）以支援 PDU 會話流量。
• UDR（Unified Data Repository）
統一資料存儲庫中儲存的資料及主要功能包括存儲和檢索 UDM 的訂閱資料、存儲和檢索 PCF 的政策資料、存儲和檢索結構化資料以便進行暴露、存儲和檢索 NEF 的有應用資料［包括用于應用檢測的分組流描述（PFD，Packet FlowDescription）和用于多個 UE 的 AF 請求資訊］。UDR 與使用 Nudr（PLMN 内部接口）存儲和從中檢索資料的 NF 服務使用者在相同的 PLMN 中，部署時可以選擇将 UDR 與 UDSF 并置。
• UDSF（Unstructured Data Storage Function）
非結構資料存儲功能，是 5G 系統架構中可選的功能子產品，主要用于存儲任意 NF 的非結構資料。
• SMSF（Short Message Service Function）
短消息服務功能，支援基于 NSA 的短信服務，包括短信管理訂閱資料檢查和相應的短信傳送等。
• 5G-EIR（5G-Equipment Identity Register）
5G 裝置識别寄存器，是 5G 系統架構中可選的功能子產品，主要用于檢查 PEI的狀态（例如，檢查它是否已被列入黑名單）。
• LMF（Location Management Function）
位置管理功能，主要負責使用者終端的位置确定。LMF 可從使用者終端獲得下行鍊路位置政策或位置估計，也可從 NG RAN 獲得上行鍊路位置測量，同時能夠從 NG RAN 獲得非使用者終端相關的輔助資料。
• SEPP（Security Edge Protection Proxy）
安全邊緣保護代理，是一種非透明代理，主要負責 PLMN 之間的控制面接口消息過濾和監管。SEPP 從安全角度保護服務使用者和服務生産者之間的連接配接，即 SEPP 不會複制服務生産者應用的服務授權。
• NWDAF（Network Data Analytics Function）
網絡資料分析功能，代表營運商管理的網絡分析邏輯功能。NWDAF 為 NF提供切片層面的網絡資料分析，在網絡切片執行個體級别上向 NF 提供網絡分析資訊（即負載級别資訊），其并不需要知道使用該切片的目前訂閱使用者。NWDAF将切片層面的網絡狀态分析資訊通知給訂閱它的 NF。 NF 可以直接從 NWDAF收集切片層面的網絡狀态分析資訊。此資訊不是訂閱使用者特定的。
2.3.2 服務化架構
與之前幾代移動通信系統不同，5G 系統架構是服務化的。這意味着，架構元素在任意适合的位置被定義為網絡功能（NF），通過具有通用架構的接口向獲得許可的其他 NF 提供其服務。5G 系統架構中的網絡存儲功能（NRF）允許每個 NF 發現其他 NF 提供的服務。服務化的架構模型進一步采用了 NF 的子產品化、可重用性和自包含等原理，旨在使部署能夠利用最新的虛拟化技術和軟體技術。
圖 2-9 所示是非漫遊場景下 5G 系統的服務化架構。圖中 Nnssf、Nnef 等是服務化接口，NF 借助服務化接口向其他 NF 提供服務。5G 系統主要的服務化接口包括以下幾類。
• Namf：AMF 的服務化接口。
• Nsmf：SMF 的服務化接口。
• Nnef：NEF 的服務化接口。
• Npcf：PCF 的服務化接口。
• Nudm：UDM 的服務化接口。
• Naf：AF 的服務化接口。
• Nnrf：NRF 的服務化接口。
• Nnssf：NSSF 的服務化接口。
• Nausf：AUSF 的服務化接口。
• Nudr：UDR 的服務化接口。
• Nudsf：UDSF 的服務化接口。
• N5g-eir：5G-EIR 的服務化接口。
• Nnwdaf：NWDAF 的服務化接口。
圖 2-10 顯示了本地分彙（Local Breakout）漫遊場景下服務化系統架構。本地分彙漫遊場景中漫遊使用者終端接入受訪的公共陸地移動網絡（VPLMN，Visited Public Land Mobile Network）中的 DN，歸屬 PLMN（HPLMN，HomePLMN）提供來自 UDM 和 AUSF 的訂閱資訊和來自 PCF 的使用者終端特定政策。使用者服務所需的 NSSF、AMF、SMF 和 AF 由 VPLMN 提供。UPF 提供的使用者面控制管理遵循與 3GPP 4G 标準相似的控制/使用者面分離模型。SEPP 為 PLMN之間的互動提供保護。
2.3.3 參考點架構
基于參考點的架構圖側重于表示系統及 NF 之間的互通。圖 2-11 描述了非漫遊場景的 5G 系統參考點架構。
5G 系統架構中的參考點用來描述 NF 之間的互操作，或者描述 NF 中的 NF服務之間的互操作。NF 服務間的參考點通過相應的基于 NF 服務的接口，以及為識别的消費者和生産者指定 NF 服務和服務的互動來實作，進而實作特定的系統過程。下述是 5G 系統架構中主要的參考點。
• N1：使用者終端與 AMF 之間的參考點。
• N2：接入網與 AMF 之間的參考點。
• N3：接入網與 UPF 之間的參考點。
• N4：SMF 與 UPF 之間的參考點。
• N6：UPF 與一個資料網絡之間的參考點。
• N9：兩個 UPF 之間的參考點。
• N5：PCF 和一個 AF 之間的參考點。
• N7：SMF 與 PCF 之間的參考點。
• N8：UDM 與 AMF 之間的參考點。
• N10：UDM 與 SMF 之間的參考點。
• N11：AMF 與 SMF 之間的參考點。
• N12：AMF 與 AUSF 之間的參考點。
• N13：UDM 與 AUSF 之間的參考點。
• N14：兩個 AMF 之間的參考點。
• N15：非漫遊場景中 AMF 與 PCF 之間的參考點，漫遊場景中 AMF 與受訪網絡 PCF 之間的參考點。
• N16：兩個 SMF 之間的參考點，在漫遊場景中為受訪網絡 SMF 與歸屬網絡 SMF 之間的參考點。
• N17：AMF 與 5G-EIR 之間的參考點。
• N18：任意 NF 與 UDSF 之間的參考點。
• N22：AMF 與 NSSF 之間的參考點。
• N23：PCF 與 NWDAF 之間的參考點。
• N24：受訪網絡的 PCF 與歸屬網絡的 PCF 之間的參考點。
• N27：受訪網絡中的 NRF 與歸屬網絡中的 NRF 之間的參考點。
• N31：受訪網絡中的 NSSF 與歸屬網絡中的 NSSF 之間的參考點。
• N32：受訪網絡中的 SEEP 與歸屬網絡中的 SEEP 之間的參考點。
• N33：NEF 與 AF 之間的參考點。
• N34：NSSF 與 NWDAF 之間的參考點。
在實際應用中，使用者終端可能需要同時與多個不同的資料網絡進行連接配接。在 5G 的系統架構中，這種場景可以通過建立多個 PDU 會話實作，也可以由單個 PDU 會話完成。圖 2-12 所示為多 PDU 會話支援連接配接多個資料網絡的參考點架構。圖中，使用者終端通過兩個 PDU 會話同時連接配接兩個資料網絡（例如，一個本地資料網絡和一個中心資料網絡），兩個 PDU 會話選用了兩個不同的 SMF。但是，每個 SMF 也可以支援在一個 PDU 會話中控制一個本地 UPF 和一個中心UPF，如圖 2-13 所示。
圖 2-14 為本地分彙漫遊場景的參考點架構。為了使架構清晰，圖中省略了SEEP（可參見圖 2-10）。在本地分彙漫遊場景中，使用者終端連接配接受訪網絡的AMF 和 SMF。受訪網絡中的 AMF 和 SMF 分别通過 N8 接口和 N10 接口與使用者終端歸屬網絡的 UDM 互通，同時 AMF 需要通過 N12 接口與歸屬網絡的AUSF 互通以擷取認證資訊。為了為使用者終端确定适當的傳輸政策，vPCF 與hPCF 需要通過 N24 接口互通。
3GPP 标準明确了多種典型場景下的系統架構，更多架構可參閱 TS 23.501。
2.3.4 通用的網絡架構
能夠與多種接入網（AN）實作互通是 5G 的重要特征之一。是以，5G 網絡架構設計中充分考慮了網絡功能的通用性以及對 AN-CN 接口的前向相容。在目前的 R15 版本中涉及的不同 AN 包括 3GPP 定義的下一代無線接入網（NG-RAN，Next Generation Radio Access Network）以及非 3GPP 定義的 WLAN。3GPP 已經在進行對其他接入系統的研究，未來的 5G 規範必将引入更多不同的接入網。
5G 系統架構允許通過相同的 AMF 為兩個不同的接入網提供服務，同時支援 3GPP 和非 3GPP 接入網之間的無縫移動。各自的認證功能基于統一的認證架構，可根據不同使用場景的需求實作使用者認證的制，如每個網絡切片使用不同的認證過程。
2.3.5 應用支援
資料服務是應用支援的基礎。與前幾代相比，5G 的資料服務為實作定制化提供了更大的靈活性，其中新的 QoS 模型是主要的推動力之一。5G 系統架構的 QoS 模型将資料服務進行差異化處理，不但能夠支援各種不同的應用需求，同時還實作了對無線資源的有效利用。圖 2-15 舉例說明了 5G 的 QoS 模型。圖中，服務資料流（SDF，Service Data Flow）代表特定 QoS 規則适用的使用者面資料。實際的 SDF 描述采用通用的 SDF 模闆。此外，該 QoS 模型可支援不同的接入網，包括固定接入（固定接入的 QoS 可能會要求盡量減少甚至取消額外信令）。标準化分組标記可在沒有任何 QoS 信令的情況下通知 QoS 執行功能提供何種 QoS。同時，5G 系統也可以利用 QoS 信令提供更多的靈活性和 QoS粒度。此外，5G 新引入了反射 QoS 機制，即在沒有 QoS 信令的情況下使用者終端也可以基于接收到的下行資料推導出上行 QoS 規則，進而進一步減少對 QoS信令的依賴。
在 5G 系統架構中，提供資料連接配接的網絡功能兼顧了對邊緣計算的支援，以實作快速、靈活的 5G 應用服務。為了支援邊緣計算的連續性，除了上行鍊路分類器（Uplink Classifier）和分支（Branching Point）之外，5G 還定義了3 種不同的會話和服務連續（SSC，Session and ServiceContinuity）模式。圖 2-16描繪了不同的 SSC 模式。其中，SSC 模式 1 等同于傳統模式，在使用者終端移動過程中 IP 錨點保持不變，負責提供對應用的連續支援，以及當 UE 位置更新時維護對 UE 的轉發路徑。新引入的模式允許對 IP 錨點重新定位，具體有兩種可選的方式：先斷後合（Break-Before-Make，SSC 模式 2）和先接後斷（MakeBefore-Break，SSC模式 3）。
5G 網絡部署的目标之一是支援大量移動資料流量的高品質服務，是以，高效的使用者面路徑管理至關重要。除了上述 SSC 模式之外，5G 系統架構中還定義了上行鍊路分類器和分支點功能，為流量轉發提供多個可選的使用者面路徑。此外，如果政策允許，應用功能可以通過提供與優化業務路由相關的資訊來與網絡協調，參與業務轉發路徑的選擇。
2.4 網絡切片技術