5G基础学习笔记

功能软件化

刚性网络：固定连接、固定功能、固化信令交互

柔性网络：网元拆解成服务模块，基于API接口调用

服务化架构（SBA）

Service based Architecture （SBA）: 借鉴了业界成熟的SOA、微服务架构等理念，结合电信网络的现状、特点和发展趋势，进行了革新性的设计

SA核心网整体架构

基于服务的网络架构（SBA），被3GPP作为5G唯一基础架构

网络功能	与EPC网元相比
AMF	MME中NAS接入控制功能
SMF	MME+SGW-C+PGW-C中会话管理控制功能
UPF	SGW-U + PGW-U用户平面功能
UDM	HSS用户数据、SPR策略数据等
PCF	PCRF
AUSF	MME中的鉴权功能
NEF	SCEF
CHF	4G中PGW在线计费和CG离线计费的功能结合
NSSF	5G新增，用于网络切片功能
NRF	5G新增，类似DNS增强，用于NF注册、发现、授权
IWF	5G新增，转换4G用户数据为5G用户数据

AMF

Access and Mobity management Function 接入和移动性管理功能

• 注册、连接、可达性、移动性管理
• 为UE和SMF提供会话管理消息传输通道
• 为用户接入提供认证、鉴权功能
• 终端和无线的核心网控制面接入点

SMF

Session Management Function 会话管理功能

• 隧道维护、IP地址分配和管理、UPF选择
• 策略实施和Qos控制
• 计费数据采集、漫游
• 会话控制：包括PDU Session的创建、更新和删除等
• 计费控制：根据用户数使用的数据业务，通过CHF完成对用户使用的DN侧网络资源的融合计费。
• 策略控制：根据用户签约数据，通过PCF完成对UE的Qos、计费等策略的控制

AUSF

Authentication Server Function 认证服务功能

• 认证服务器，实现3GPP和非3GPP的接入认证
• 物理上与UDM（统一数据管理）合设

UDM

the Unified Data Management 统一数据管理，类比于HSS EF，提供用户签约数据方位、位置等级等功能

• 签约数据管理，3GPP AKA认证
• 用户识别、访问授权、接入授权、漫游限制
• 业务/会话连续性

UDM / PCF / NEF 在UDR 上存储和获取签约数据/策略数据/能力开放数据

UPF

User Plane Function 用户平面功能，（与4G中的SGW-U和PGW-U相似）

• 分组路由转发
• 策略实施
• 流量报告、Qos处理

UPF功能：

• 生成用户下行路由并进行数据报文转发
• 计费数据收集和上报
• 业务用量上报
• 根据SMF下发的策略执行业务识别和控制（与4G中PGW的PCEF执行PCRF的策略）
• QFI的匹配和QoS管理
• 下行数据报文缓存和数据通知
• 基于GTP / PFCP，GTP协议有N3、N6、N9接口，N4接口是PFCP协议
• 协议的路径管

CHF

the Charging Function 计费功能

• 5G融合计费的载体，同时支持在线计费和离线计费
• 计费维度为流量 / 时长 / 内容等

PCF

Policy Control Function 策略控制功能

• 提供移动性策略、会话性策略
• 切片选择策略、SSC模式选择策略、DNN策略
• 宣王策略
• PDU会话绑定

IWM

the Interwork function

• 将4G用户数据转化为5G用户数据
• 建网初期作为用户数据过度方案
• 可代理SGSN、MME、CSCF、AUSF、UDM

NRF

NF Repository Function 网络存储功能

• 为5GC各个NF提供高可靠的服务注册、发现功能
• 维护NF信息、包括可用性和其他支持的服务

NSSF

Network Slice Selection Function

• 根据UE切片进行选择、选择辅助信息、签约信息等确定UE允许接入的网络切片实例
• 确定NSSAI、有必要的话映射到签约的S-NSSAI

NEF

Network Exposure Function 网络开发功能

• 开放网络NF的能力、转换内外部信息
• 提供安全途径向AF暴露3GPP NF的业务和能力

BSF

Binding Support Function

会话绑定

N1接口（UE-5GC）

功能：一个N1 NAS连接是使用于连接UE的每次接入，用于注册、连接管理（RM / CM）以及用于UE的SM相关消息和过程

结构：包括NAS-MM、NAS-SM两部分

在NAS-MM中传输UE和核心网功能的其他协议类型，包括会话管理信令 和短信，NAS-MM中的RM / CM NAS消息和其他类型的NAS消息是**解耦（分离）**的，

NAS-SM是PDU会话使用

N2接口

功能：处理与单个UE无关的N2接口管理流程，例如N2接口的配置和重置；处理与单个UE相关的流程，与NAS Transport、UE Context、PDU会话资源、切换相关的流程

N4接口

SMF和UPF之间的接口，使用的是PCPF（Packet Forwarding Control Protocol）协议，用于传输会话管理命令、QoS策略和计费信息。PFCP协议定义了控制面和用户面之间的通信机制，确保UPF能够根据SMF的指令正确处理用户面数据。

N3接口

是5G ®AN（Radio Access Network ）与UPF（User Plane Function）间的接口，主要用于传递5G ®AN与UPF间的上下行用户面数据。使用的是GTP-U协议

N9接口

UPF（User Plane Function）和UPF之间的用户面接口，用于传递UPF间的上行、下行用户数据流。使用的是GTP-U协议

N6接口

UPF（User Plane Function）与DN（Data Network）的接口，用于传递UPF与DN之间的上下行用户数据流，基于IP和路由协议与DN网络通信。

N7接口

SMF和PCF之间的接口，用于传递PCF生成的策略信息

N11接口

AMF和SMF之间的接口

SBI接口协议栈

5GC CP内部的接口，其实就是HTTP的协议栈，意思就是SBI的接口使用的都是HTTP协议进行传输

其中加了TLS安全协议

5GC接口和协议

控制面

接口	交互网络功能	协议栈
N1	UE ------ AMF	NAS-MM / NAS SM
N2	RAN ------ AMF	NG-AP / SCTP / IP，这里的NG-AP类比于EPC的S1-AP，具有可靠传输机制
N4	UPF ------ SMF	PFCP / UDP / IP
SBI	5GC CP内部	Application / HTTP2 / TCP / IP

用户面

接口	交互网络功能	协议栈
N3	RAN------UPF	GTP-U / UDP / IP，GTP隧道具有简单和易拓展性，用于移动性管理和会话管理
N9	UPF之间	5G UP / UDP / IP

服务化架构

NF间用的SBI（服务化接口），N1~N9作为NF的参考点接口

NRF网络服务的注册、更新、发现

NRF可以当作是仓库管理员

NF（Network Function）网络功能

NF服务在NRF中注册，NF第一次注册时候通知NRF该NF的配置文件（NF Profile），NRF进行保存并标记该NF可用

去注册时候，标记该NF不可用，同时去除配置文件

更新时NRF更新NF配置文件

服务发现 由NRF提供，NF请求者携带NF或者特定服务的类型详细参数给NRF，随后NRF按照要求返回满足条件的所有NF的IP地址等NF实例标识符给NF请求者。

一个网络功能包含一组服务，每个服务包含一组服务操作

5G用户状态

5G引入新移动性管理状态，通过Mobility Pattern实现按需的移动性管理

MM状态：

• RM和CM状态独立：RM标识UE是否注册到网络，CM标识UE和核心网的连接是否存在

• RAN侧引入RRC-inactive state：UE对CN而言处于连接态，对RAN而言处于Idle态

• SM状态独立：SM状态（PDU session state，active or inactive），通过per-PDU session的activeation和deactivation流程隐式定义。

5G连接新状态：CM-connected with RRC Inactive

引入CM-CONNECTED with RRC Inactive状态的主要目的是节省终端耗电、快速恢复业务

• RRC-IDLE：用户设备处于空闲状态，没有与基站建立RRC连接。
• RRC-CONNECTED：用户设备与基站建立了RRC连接，可以进行数据传输。
• RRC-Inactive：用户设备处于一种中间状态，连接部分释放，但保留了一些上下文信息。

会话管理

5G隧道模型从承载粒度改为会话粒度、增加对以太网和非结构化报文等协议类型的支持、引入SSC（Service and Session Continuity）模式、定义优化的小包传输返赣、支持本地offload、支持不同接入技术等。

Per Session的隧道，取消承载，减少专有承载的信令交互。

• 按需会话建立，网络可以根据应用需求，UE的位置触发会话建立
• 异步会话，在Idle状态下缓存会话状态修改以减少寻呼
• 基于会话粒度的用户面连接激活机制

PDU会话

是UE发起的于数据网络之间提供PDU交换的连接，数据网络由DNN（4G是APN）标识

PDU会话类型：IPv4、IPv6、IPv4v6、Ethernet、Unstructured

IP分配方式

静态：签约在UDM里

动态：

• SMF分配（HR（4G的HSS）场景中由H-SMF分配，LBO场景由V-SMF分配）
• UPF分配
• AAA分配
• DHCP分配

PCF选择一种分配方式

Qos Flow

类似于4G的承载（EPS Bearer），用于传输具有特定Qos参数的逻辑通道，5G中必须有一个默认Qos流，且为Non-GBR Qos流（没有带宽要求限制）

• 4G中EPS 承载是端到端的，即从用户设备（UE）到数据网络（DN）的整个路径上，承载是连续的。

• 5G网络中的QoS Flow不是端到端的，而是分段管理 的。每个段之间的QoS Flow映射关系需要进行管理。一个Qos Flow映射到一个或多个DRB，一个PDU会话可以有多个Qos Flow。一个UE可以建立多个PDU会话。

QoS Flow到DRB（Data Radio Bearer）的映射 ：在5G NR 中，一个QoS Flow 可以映射到一个或多个DRB。DRB是一个物理通道，用于传输用户数据。

在5G和4G互操作场景中，一个EPS Bearer 可以映射到一个或多个QoS Flow。

SMF 负责管理PDU（Protocol Data Unit）会话，包括QoS Flow 的创建、修改和删除。

• 创建：SMF 创建QoS Flow，并将其映射到DRB。
• 修改：SMF 根据网络状况和用户需求，动态调整QoS Flow 的参数。
• 删除：SMF 删除不再需要的QoS Flow。

QFI

Qos Flow Identifier

用于标识Qos，PDU业务中具有相同QFI（唯一标识PDU）的业务流接受相同的业务转发处理

Session-AMBR

per Session Aggregate Maximum Bit Rate

Session-AMBR限制了一个PDU会话的所有non-GBR Qos Flow提供的 聚合速率

SMF从UDM获取Session-AMBR签约数据，SMF可以使用签约数据，或者基于本地策略或PCF策略修改Session-AMBR，然后通过信令发给合适的UPF以及RAN侧（用于计算UE-AMBR）。Session-AMBR限制了一个PDU会话的所有non-GBR Qos Flow提供的聚合速率。

上行Session-AMBR由UPF和UE执行，下行由UPF执行

UE-AMBR

per UE Aggregate Maximum Bit Rate

UE-AMBR限制了UE的所有non-GBR Qos Flow提供的聚合速率。

UE-AMBR为连接到它所有激活的Session-AMBR的和，但不能超过签约的UE-AMBR值。签约值由AMF和UDM提取并提供给RAN。

UE-AMBR由RAN执行

5G SA核心网元流程

5G SA核心网关键信令流程包括网元级和用户级两大类操作，其中：

服务管理属于5GC特有的网元级管理；

用户级流程包括：移动性管理、会话管理、互操作等

网络切片选择机制

NSSF触发条件：AMF判断无法为请求切片服务；或不确定允许的切片时， 请求NSSF选择切片；

NSSF基于用户接入位置即请求的切片、签约的切片信息，为用户选择可用的切片及AMF；会话建立时，AMF基于应用切片选择SMF
归纳：当第一个AMF在UDM中无法获取用户签约的切片时，则会请求NSSF决策并返回Allowed NSSAI，AMF Set，以此返回给旧的AMF选择至新的AMF，新的AMF即会选择对应的SMF

• 切片选择辅助信息NSSAI：由Slice/Service type（SST）和Slice Differentiator（SD）组成；
• 目前标准化定义了三类SST，包括eMBB、URLLC、MIoT，SST分别为1、2、3。

注册流程

5G注册与会话管理流程分离

注册只需要连接到响应的切片即可（例如只需要连接到SMF），会话建立需要SMF和UPF等网元参与工作

下图的权重应该是优先级，或者是负载均衡

会话建立流程

1. UE向AMF发起请求
2. AMF向NRF提供S-NSSAL、DNN（类似于APN，需要选择的目标网络）等信息去发现SMF，AMF结合负载、签约数据、本地策略等选择SMF，建立会话
3. SMF根据AMF的指示或者本地配置选择PCF，也可以通过S-NSSAI、DNN、SUPI等信息去NRF发现PCF
4. SMF根据UPF的位置、DNN、权重信息去选择UPF
5. SMF发起N4（SMF与UPF建立连接）会话
6. N1、N2资源建立完成
7. 通知SMF会话建立完成，将AN Tunnel info返回给UPF

总结：可以根据前者网元的指示去选择下一跳的路由网元，也可以通过将S-NSSAI、DNN、SUPI等信息发送给NRF去决策寻找下一跳网元

与4G的会话连理流程对比，可以发现：

• AMF和功能类比于MME
• SMF类似于MME + SGW-C + PGW-C
• UPF类似于SGW-C + PGW-C

5G SA核心网EPS Fallback

在5G用户发起语言业务时触发，时机在5G语言专有承载的建立。PCF发起建立专用Qos Flow的流程，当流程到NG-RAN后，NG-RAN决策是否回落。

• 在EPS Fallback之前，NG RAN会通知终端测量LTE信号，然后再通过切换或重定向的方式向E-UTRAN的回落
• 在EPS Fallback回落后，5G用户回落到LTE，然后像4G用户一样接入IMS，由VoLTE提供语言服务，消息中携带的用户位置信息也是4G的，RAT-TYPE由NG-RAN变为E-UTRAN

5G SA核心网EPS Fallback-PDU会话建立流程

SA用户IMS PDU会话建立与IMS初始注册流程与VoLTE相似，会话绑定数据由BSF保存

• 用户注册后创建IMS PDU会话和IMS信令Qos Flow
• PCF向BFS登记用户IMS会话IP地址
• 后续IMS初始注册于普通VoLTE用户相同

EPS fallback呼叫流程

SA用户语音业务EPS Fallback流程三个阶段：

1. NR（相对于4G的LTE）拒绝5G语音专载
2. 终端5G->4G回落
3. 4G建立语音专载

用户呼叫流程

1. 呼叫建立，IMS通过Rx接口发送消息给DRA通知建立语音承载
2. DRA判断无用户信息，先去BSF进行PCF信息查询后，再将消息转发给PCF
3. PCF通知5GC创建语音承载，5GC通知无线gNB创建语音承载
4. gNB判断不支持创建语音承载，拒绝创建并通知UE进行4G测量，发起切换请求
5. MME和AMF通过N26接口交互，完成5G/4G侧切换准备，并通知终端回落
6. 用户回落到4G，在4G创建数据承载和IMS信令承载
7. PGW继续发起创建语音专有承载，通话建立

组网架构

目标组网架构：NR基站同时挂接大区ToC核心网和大区ToB核心网，基站配置ToC核心网的AMF为default AMF，通过用户签约的切片分流用户至不同的核心网。

当前组网架构：基站通过N2接口同时挂载省内SA核心网和大区SA核心网的AMF，业务符合通过AMF配置的权重进行业务调整，省内SMF的计费信息送到大区CHF。

端到端网络切片技术

无线侧：Qos调度优先级、RB资源预留、独立频谱切片

传输侧：Qos软切片、FlexE硬切片

核心网：全隔离、部分隔离和完全共享

URSP策略

User Plane Route Selection Policy，用户面路由选择策略

URSP策略是由PCF生成，并通过AMF传递给用户设备（UE）。让终端根据网络侧下发的策略，为应用/业务选择匹配的网络资源。

服务接口的演进

华为将控制面产品叫做UNC，内部也是微服务化架构的，全部都有一个SBIM的微服务，用于服务化接口。

NFS

NFS是NF的能力，微服务是NF的软件载体，NFS最终还是通过微服务承载。

SMF共有Nsmf_PDUSession和Nsmf_EventExposure两个承载

• Nsmf_PDUSession ：管理PDU会话，使用从PCF接收的策略和计费规则
• Nsmf_EventExposure：将PDU会话上发生的事件公开给其他NF

UPF的分布式组网

在5G网络中，用户面可以跟随应用灵活部署在城域、边缘或中心位置，该部署场景下，同一个用户可能同时访问边缘业务/本地业务或中心业务，为避免业务流量迂回问题，5G 核心网用户面引入了ULCL（Uplink Classifier）/ BP（Branching Point）功能，对业务数据进行分流。

网络侧能根据网络的运行状态、应用位置、UE位置等信息制定分流策略，并把分流策略下发给ULCL/BP UPF，用户访问业务时，ULCL/BP UPF根 据分流策略实现业务分流。

Fullmesh组网

UPF采用Pool容灾组网，UPF与SMF组成Full Mesh组网，SMF和UPF全互联，任意SMF可管理所有UPF，任意UPF同时归属所有SMF。

• 单个SMG可以管理256个UPF
• 单个UPF可以对接32个SMF
• 单个UPF支持接入10万eNodeB / gNodeB

会话管理的演进

5G移动性管理和会话管理分离，为什么分离？

在4G网络场景下，用户Attach附着之后会建立一个默认承载，该承载提供永久的IP连接，当默认承载不满足业务需求时，会建立对应的专有承载。5G为了更好地适应物联网用户需要，采用移动性管理与会话管理分离的架构，用户附着时可以不建立会话：

• 针对不需要VoLTE的物联网终端，不需要用户随时可达，不需要建立默认的PDU会话。
• 不建立会话，终端不用监听无线寻呼，利于节电。

为什么新增对已有PDU会话用户面独立激活/去激活流程？

与4G EPC不同，5G 中永久在线（always-on PDU session,）是可选的。5G里这一特性为了节约无线侧资源的同时，便于快速恢复PDU会话，不影响其他会话。

SSC Mode

4G网络提供IP连续性，而5G网络中，业务场景更加多样。为了满足不同业务对连续性的不同要求，5G系统新增支持不同的SSC Mode。一个PDU会话的SSC Mode在该会话的生命周期里保持不变。当已有PDU会话的SSC Mode不满足应用要求时，UE会为应用建立新的PDU会话。

• SSC MODE1（普通业务）： PDU会话建立时选择的PDU会话锚点UPF， 不会因为终端用户的移动而发生改变，即用户的IP地址保持不变。
• SSC MODE2（高带宽低可靠业务）： 用户离开原UPF区域，网络会触发释放原有 PDU会话及锚点UPF，并指示终端用户选择新的UPF与同一DN建立新的PDU会话。
• SSC MODE3（低时延高可靠业务）： 网络允许在新的PDU会话（新的PDU会话锚点接入同一DN） 建立完成前依然保持用户与原有PDU会话锚点间的PDU会话，此时用户同时拥有两个UPF会话锚点和PDU会话，最后释放掉原有的PDU会话。

5G计费流程

计费方式划分为离线计费和在线计费：

• 在线计费：计费会话创建时，SMF需要到CHF申请业务 的配额和相关计费参数。
• 离线计费：计费会话创建时，SMF只需要到CHF申请相 关计费参数，但无需申请业务的配额。

计费粒度划分为PDU会话计费和业务流计费：

• PDU会话计费：PDU会话计费不区分业务，一个PDU会话中的所有业务使用统一的费率，即普通计费。
• 业务流计费：业务流计费是基于业务的计费，对用户使用的业务 进行差别计费，不同的业务使用不同的费率（Rating Group）， 即内容计费。

PDU会话修改流程

在UE能力变更、QoS参数有修改等场景下，UE和网络侧都可以发起PDU会话修改流程。

• UE发起PDU会话修改（当UE由于业务改变需要 更新QoS时）
• SMF发起PDU会话修改（当PCF或UDM识别本地 配置策略有修改时，或本地配置的QoS策略发生 变化时）
• RAN发起PDU会话修改（当RAN侧识别现有QoS 不能满足业务要求）

PDU会话释放流程

发生场景：

• 当UE不再需要相关业务时（UE发起）
• PCF、SMF本地配置释放策略（SMF发起）
• UDM订阅数据发生变化（SMF发起）
• DN需要取消UE的接入权限（SMF发起）
• UE不在LADN服务区（SMF发起）
• 所有PDU会话的QoS Flow已经释放（SMF发起）
• 当UE与AMF的会话状态不匹配，或者UE的网络切片 不可用时（AMF发起）

现网中，UE的IP地址是由SMF向UPF请求的，UPF根据DHCP或者静态配置给UE分配IP，然后返回给SMF，SMF再返回给UE。