3GPP关于5G若干技术规范辑录（一）：网络架构与NR协议架构（上）

2021-12-08钟旻

数字通信世界 2021年11期

钟旻

3GPP（the 3rd Generation Partner Project，第三代合作伙伴计划）是全球的移动通信标准研究和制定单位，成立于1998年12月。2018年6月，3GPP关于5G规范的R15版本冻结，即定型，其中包括独立组网（SA）和非独立组网（NSA）系统架构，接口协议等；到2020年7月，作为第一个完整技术标准版本R16冻结。这意味着迎来了全球统一规范的5G商用化时代。

1 系统与网络架构[1]

5G系统：3GPP中的一个5G系统，包含5G接入网、5G核心网和用户设备（U E）。（按照ITU的定义，系统是有规则的交互或相互依存的聚合项目形成一个统一的整体技术）。

[注]括号中的文字是为便于读者理解加入的说明，下同。

图1（a）基于业务接口的5G系统架构（非漫游）

图1（b） 3GPP定义的5G网络架构

表1 5G系统中各网元中文名称和功能描述

按照ITU的定义，网络是为方便两个或更多规定点之间的通信，而提供连接的一组节点和链路。网络架构（体系结构）是确定和定义了物理实体和这些实体之间物理接口的网络结构。

接入网是使用户进入核心网的网络，完成复接、连接的传送功能；核心网是“管理中枢”，负责交换和业务管理如位置管理、移动性管理、计费等。

2 接入网与核心网的功能[1]

接入网与核心网的功能划分如图2所示。

图2 接入网与核心网的功能划分

2.1 接入网

图2中，gNB是向用户设备（U E）提供新无线（N R，即第5代无线接入）用户面和控制面协议终端的节点，并经NG接口连接到5GC。ng-eNB是演进节点B，向U E提供演进通用地面无线接入（E-UTRA）。gNB和ngeNB承载以下功能：

⊙ 无线资源管理的功能：无线承载控制，无线接入控制，连接移动性控制，在上行链路和下行链路中向UE的动态资源分配（调度）；

⊙ IP报头压缩，数据加密和完整性保护；

⊙ 当不能从UE提供的信息确定到AMF的路由时，在UE附着处选择AMF；

⊙ 用户面数据向UPF的路由；

⊙ 控制面信息向AMF的路由；

⊙ 连接设置和释放；

⊙ 调度和传输寻呼消息；

⊙ 调度和传输系统广播信息（源自AMF或O＆M）；

⊙ 用于移动性和调度的测量和测量报告配置；

⊙ 上行链路中的传输级别数据包标记；

⊙ 会话管理；

⊙ 支持网络切片；

⊙ QoS流量管理和映射到数据无线承载；

⊙ 支持处于RRC_INACTIVE状态的UE；

⊙ NAS消息的分发功能；

⊙ 无线接入网共享；

⊙ 双连接（双连接是实现LTE和5G融合组网、灵活部署场景的关键技术）；

⊙ NR和E-UTRA之间的紧密互通。

2.2 5G核心网（5GC）

5 G的核心网主要包括接入和移动管理功能（AMF）、用户面功能（UPF）和会话管理功能（SMF）。

（1）AMF的主要功能是控制面上主要负责接入和移动管理功能：

⊙ 非接入层（NAS）信令终止；

⊙ NAS信令安全性；

⊙ 接入层（AS）安全控制；

⊙ 用于3GPP接入网络之间的移动性的核心网（CN）间节点信令；

⊙ 空闲模式下UE可达性（包括控制和执行寻呼重传）；

⊙ 注册区管理；

⊙ 支持系统内和系统间的移动性；

⊙ 访问认证、授权，包括检查漫游权；

⊙ 移动管理控制；

⊙ SMF（会话管理功能）选择。

（2）UPF的主要功能是用于支持用户面功能：

⊙ 系统内外移动性锚点；

⊙ 与数据网络互连的外部协议据单元（PDU）会话点；

⊙ 分组路由和转发；

⊙ 数据包检查和用户面部分的策略规则实施；

⊙ 上行链路分类器，支持将流量路由选择到数据网络；

⊙ 分支点以支持多宿主PDU会话；

⊙ 用户面的服务质量（QoS）处理，例如，包过滤、门控、UL/DL速率执行；

⊙ 上行链路流量验证（SDF到QoS流量映射）；

⊙ 下行链路分组缓冲和下行链路数据通知触发。

（3）SMF的主要功能是用于负责会话管理功能：

⊙ 会话管理；

⊙ UE IP地址分配和管理；

⊙ 选择和控制UP功能；

⊙ 配置UPF的传输方向，将传输路由选择到正确的目的地；

⊙ 控制政策执行和QoS的一部分；

⊙ 下行链路数据通知。

3 网络接口[1]

由图1可见，5GC与gNB和ng-eNB之间通过NG接口，而gNB和ng-eNB之间则通过Xn接口。（按照ITU-R V.662-3建议书，接口是指两个系统或者一个系统中的两个部分之间的边界，由适当的特征规范来定义，通常用于确保边界处格式、功能、信号和相互连接的兼容性）。

3.1 NG接口

3.1.1 NG用户面

NG用户面接口（NG-U）定义在NG-RAN节点和用户面功能之间。NG接口的用户面协议栈如图3所示。传输网络层是在IP传输和用户面通用分组无线业务（GPRS）隧道协议（GTP-U）上建立。GTP-U在UDP/IP的上方用以在NG-RAN节点和用户平面功能之间，传送用户面协议数据单元。

图3 NG接口的用户面协议栈

3.1.2 NG控制面（NG-C）

NG控制面接口定义在NG-RAN节点和AMF之间。NG的控制面协议栈如图4所示。传输网络层基于IP传输（层）构建。为可靠地传输信令信息，在IP层上加一流控制传输协议（SCTP），称为NG应用协议（NGAP）。SCTP层提供应用层信息有保证的传送。传输中，IP层点到点传输用于传递信令协议数据单元（的信息）。