1.2　5G网元功能与接口

5G移动通信系统网络架构相比4G移动通信系统更加细化，网络功能相比4G移动通信系统更加具体，接口定义也更加明确。5G移动通信系统网络架构和网络功能对5G技术的发展影响深远。5G移动通信系统网络架构的设计原则包括以下几个方面。

·5G移动通信系统采用NFV/SDN技术，数据连接更加灵活，数据业务更加便捷，基于业务的控制面网络功能实现更加容易。

·用户面功能和控制面功能分离，允许独立的可扩展性，可演进性及可灵活部署，比如可选择采用集中式或者分布式的方式。

·功能设计模块化，比如采用灵活高效的网络切片。

·无论何时何地使用，都可以将相应的过程（网络功能之间的互动）定义为业务以便复用。

·如果有需要，可以使相应的网络功能和其他的NF互动。

·降低AN（Access Network，接入网）和CN（Core Network，核心网）的耦合度，此时CN应该作为一个公共接入网连接汇聚的核心网，而不是单纯的5GC；接入网可以是不同的接入类型，例如，3GPP接入网和non-3GPP接入网。

·支持统一的鉴权架构。

·支持“stateless”网络功能，实现网络功能与计算资源和存储资源解耦。

·支持能力开放。

·同时支持本地化和集中化业务，为了支持低时延业务并访问本地数据网络，用户面功能部署需要尽可能地靠近接入网。

本节将重点对5G移动通信系统网络架构、网元功能、网元间接口和接口协议进行描述。

1.2.1　5G移动通信系统整体网络架构

5G移动通信系统基于服务的架构如图1-8所示。

5G移动通信系统网络基于服务（SBA方式）进行架构。SBA借鉴了业界成熟的SOA（Service-Oriented Architecture，面向服务架构）、微服务架构等理念，结合电信网络的现状、特点和发展趋势，进行革新性设计，实现软件服务重构核心网以及核心网的软件化、灵活化、开放化和智能化。

5G网络功能之间的信息交互可以基于两种方式：基于服务；基于点对点。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。从图1-8可以看出，控制面内的网络功能，例如AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移动管理功能）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核心网分为控制面和用户面。AMF负责终端的移动性和接入管理；SMF（Session Management Function，会话管理功能）负责对话管理功能，可以配置多个。AMF和SMF是控制面的两个主要节点，与它们配合的网络功能还包括用户数据管理、鉴权、策略控制等。NEF和NRF用于帮助Expose（公开）和Publish（发布）网络数据，帮助其他节点发现网络服务。核心网用户面的网元是UPF（User Plane Function，用户平面功能）。与4G移动通信系统网络架构相比，5G核心网的控制面和用户面进一步分离，为了满足低时延、高速率的网络要求，5G核心网对用户面的控制和转发功能进行了重构。重构后的5G网络架构，控制面进一步集中，用户面进一步分化，并且融合SDN和NFV的思想，让整个网络更加灵活，满足不同的场景对网络差异化的需求。

5G无线接入网NG-RAN有两种表示方式：一是NG-eNB，表示升级后支持5G接口协议栈的4G基站；二是gNB，直接支持5G接口协议栈的5G基站。NG-eNB和gNB均可提供空口的控制面和用户面协议终止点。NG-eNB与NG-eNB、NG-eNB与gNB、gNB与gNB之间通过Xn接口连接。接入网与核心网通过NG接口连接，NG-RAN与AMF之间是NG-C接口，NG-RAN与UPF之间是NG-U接口，基站与SMF之间没有直接接口。5G移动通信系统点到点表示如图1-9所示。

N2接口和N3接口可以实现AMF/UPF和NG-RAN节点的多对多连接，即一个AMF/UPF可以与多个基站节点相连，一个基站节点可以连接多个AMF/UPF。这种灵活连接有助于减少由终端移动而发生的接口信令交互数量，降低5G核心网的信令处理负荷。不同运营商核心网可以连接到同一个NG-RAN网络，实现不同运营商间共建共享接入网设备和无线资源，并能够获得相同的服务水平，节约建网成本。

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分离逻辑图如图1-10所示。

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。

在3GPP历次会议中共提出了8种CU与DU分离方案，如图1-11所示。

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，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，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。8种方案中，Option2、Option7和Option8是重点讨论内容。截止到2020年12月，讨论结果如下。

·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。但是Option7最终胜出的可能性最大。

·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，如表1-1所示。

1.2.2　5G主要网元功能

5G系统由接入网（AN）和核心网（5GC）组成。AN与5GC的主要功能如图1-12所示。

下面主要对UPF（User Plane Function，用户面功能）、SMF（Session Management Function，会话管理功能）、AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移动性管理功能）和gNB/NG-eNB的功能进行描述。

（1）UPF

在UPF的单个实例中可以支持部分或全部UPF功能：

·gNodeB间切换的本地移动锚点（使用时）；

·连接到移动通信网络的外部PDU（Packet Data Unit，分组数据单元）会话点；

·基于N接口切换过程中，数据分组路由与转发；

·数据分组检查和用户面部分的策略计费；

·合法的监听拦截（集合）；

·流量使用情况报告；

·Uplink支持路由流量到一个数据网络；

·分支点以支持多类的PDU会话；

·对用户平面的QoS处理，例如包过滤、门控、UL/DL速率执行；

·Uplink流量验证（SDF到QoS流映射）；

·对上下行链路上传输的数据分组进行标记；

·下行数据分组缓冲和下行数据通知触发；

·将一个或多个“结束标记”发送和转发到源NG-RAN节点；

·ARP代理和/或以太网PDU的IPv6 NS（Neighbor Solicitation，邻居请求）代理。UPF通过提供与请求中发送的IP地址相对应的MAC地址来响应ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）和/或IPv6邻居请求。

（2）SMF

在SMF的单个实例中可以支持部分或全部SMF功能：

·会话的建立、修改、删除；

·包括UPF和AN节点之间的通道维护；

·UE IP地址的分配和管理；

·DHCPv4（服务器和客户端）和DHCPv6（服务器和客户端）功能；

·选择控制用户面功能；

·QoS的策略与控制，终止策略控制；

·合法监听；

·下行数据的通知；

·ARP代理和/或以太网PDU的IPv6邻居请求代理。SMF通过提供与请求中发送的IP地址相对应的MAC地址来响应ARP和/或IPv6邻居请求代理；

·配置UPF的流量控制，将流量路由到正确的目的地；

·收费数据收集和支持计费接口，控制和协调UPF的收费数据收集；

·终止NAS-SM消息；

·特定SM信息的发起者，通过AMF N2将信息发送到AN；

·确定会话的SSC模式；

·漫游功能：处理本地实施以应用QoS SLA（VPLMN），计费数据收集和计费接口（VPLMN），合法拦截（在SM事件的VPLMN和LI系统的接口），支持与外部DN的交互，以便通过外部DN传输PDU会话授权/认证的信令。

（3）AMF

在AMF的单个实例中可以支持部分或全部AMF功能：

·NAS（Non-Access Stratum，非接入层）信令的加密和完整性保护；

·终止运行RAN网络接口（N2）；

·注册管理；

·连接管理；

·NAS移动性管理；

·可达性管理；

·合法截取/监听（用于AMF事件和LI系统的接口）；

·为在UE和SMF之间的SM消息提供传输；

·路由SM消息的透明代理；

·访问验证；

·在UE和SMF之间提供SMS消息的传输；

·用户鉴权及密钥管理；

·承载管理功能，包括专用承载建立过程；

·安全锚定功能（AF）；

·监管服务的定位服务管理；

·为UE和LMF之间以及RAN和LMF之间的位置服务消息提供传输；

·用于与EPS互通的EPS承载ID分配；

·UE移动事件通知；

·支持N2接口与N3IWF。在该接口上，可以不应用通过3GPP接入定义的一些信息（如3GPP小区标识）和过程（如切换），并且可以应用不适用于3GPP接入的非3GPP接入特定信息；

·通过N3IWF上的UE支持NAS信令；

·支持通过N3IWF连接的UE认证；

·管理通过非3GPP接入连接或通过3GPP和非3GPP同时连接的UE的移动性，认证和单独的安全上下文状态；

·支持协调的RM管理上下文，该上下文对3GPP和非3GPP访问均有效；

·支持针对UE的专用CM管理上下文，用于通过非3GPP接入进行连接。

（4）gNB/NG-eNB

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

·数据的IP头压缩，加密和完整性保护；

·当UE提供的信息不包括指向AMF的路由信息时，基站向该UE提供指向AMF的路由信息；

·将用户平面数据路由到UPF；

·提供控制平面信息给AMF的路由；

·连接和释放；

·寻呼消息的调度和传输；

·广播消息的调度和传输；

·移动性和调度的测量和测量报告配置；

·对上行链路中的传输数据分组进行标记；

·会话管理；

·QoS流量管理和无线数据承载的映射；

·支持处于RRC_INACTIVE状态的UE；

·NAS消息的分发功能；

·无线接入网络共享；

·双连接；

·支持NR和E-UTRA之间的连接。

1.2.3　5G系统接口功能与协议

由前文可知，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1-13所示。

·NG接口是NG-RAN与5GC之间的接口，包括N2、N3；

·N1接口是终端与AMF之间的逻辑接口，为非接入层接口；

·N2接口是基站与AMF之间的接口，也称NG-C接口；

·N3接口是基站与UPF之间的接口，也称NG-U接口；

·E1接口是gNB-CU-CP与gNB-CU-UP之间的接口；

·F1接口是gNB-CU与gNB-DU之间的接口；

·F2接口是gNB-DU与AAU之间的接口，使用CPRI（Common Public Radio Interface，通用公共无线接口）或eCPRI来实现；

·Uu接口是UE与gNB的接口，通常称为空口。

（1）NG接口功能与协议

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接口协议栈如图1-14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-C接口的主要功能如下。

·PDU会话管理过程，完成PDU会话的NG-RAN资源建立、释放或修改过程：PDU会话资源建立、修改、释放、通告、修改指示。

·UE上下文管理过程，完成UE上下文建立、释放或修改过程：初始上下文建立、UE上下文修改、UE上下文释放请求、UE上下文释放。

·NAS发送过程，完成AMF和UE间的NAS信令数据透传过程：NAS发送过程，完成AMF和UE间的NAS消息透明传递，初始UE消息（NG-RAN节点发起）、上行NAS传输（NG-RAN节点发起）、下行NAS传输（AMF发起）、NAS无法传输指示（NG-RAN节点发起）、NAS重路由请求（AMF发起）。

·UE移动管理过程，完成UE移动切换的准备、执行或取消过程：切换准备、切换资源分配、切换通知、路径切换请求、上下行RAN状态转发、切换取消。

·寻呼过程，完成寻呼区域内向NG-RAN节点发送寻呼请求过程。

·AMF管理过程，完成AMF告知NG-RAN节点AMF状态和去激活与指定UE NGAP组合过程。

·AMF状态指示、NGAP组合去激活。

·NG接口管理过程。完成NG接口管理过程：NG建立、NG重置、RAN配置更新、AMF配置更新、错误指示。

NG-U接口主要功能如下。

·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IP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。

（2）Xn接口

Xn接口是NG-RAN之间的接口，存在于gNB与gNB之间、NG-eNB与NG-eNB之间、gNB与NG-eNB之间，用户面协议栈基于GTP-U，控制面协议栈是基于SCTP的Xn-AP。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接口协议栈如图1-15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-C接口的主要功能如下。

·Xn-C接口管理和差错处理功能。Xn建立功能，允许两个NG-RAN节点间Xn接口的初始建立，包括应用层数据交互；差错指示功能，允许应用层错误情况上报；Xn重置功能，允许NG-RAN节点告知另一个NG-RAN节点其已经从非正常失败状态恢复，第二个节点需要删除与第一个节点相关的所有上下文（应用层数据除外）并释放资源；Xn配置数据更新功能，允许两个NG-RAN节点随时更新应用层数据；Xn移除功能，允许两个NG-RAN节点删除各自的Xn接口。

·UE移动管理功能。切换准备功能，允许源和目的NG-RAN节点间的信息交互从而完成指定UE到目的NG-RAN节点初始切换；切换取消功能，允许通知已准备好的目的NG-RAN节点取消切换，同时释放切换准备期间的资源分配；恢复UE上下文功能，允许NG-RAN节点从其他节点恢复UE上下文；RAN寻呼功能，允许NG-RAN节点初始化非激活态UE的寻呼功能；数据转发控制功能：允许源和目的NG-RAN节点间用于数据转发传输承载的建立和释放。

·双连接功能：使能NG-RAN辅助节点内额外资源的使用。

Xn-U接口的主要功能如下。

·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）E1-C接口功能与协议

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接口协议栈如图1-16所示。

E1接口的主要功能如下。

·E1接口管理功能。错误指示功能，CU-U向CU-C发出错误指示；复位功能，用于CU-U与CU-C建立之后和发生故障事件之后初始化对等实体，以及CU-U与CU-C之间应用层数据的互操作；CU-U配置更新：CU-U将NR CGI、S-NSSAI、PLMN-ID和CU-U支持的QoS信息通知给CU-C。

·E1接口UE上下文管理功能。CU-C发起并根据准入控制标准确定UE上下文承载建立是否被CU-U接受；UE上下文承载修改与释放，此操作可以由CU或DU发起；用于设置和修改QoS流到DRB的映射配置，并将生成的SDAP和PDCP配置到CU-U，完成QoS流与DRB间的相互映射。

·下行数据通知（CU-U）。承载不活动通知，CU-C通知用户不活动的事件，CU-U指示与承载者关联的不活动计时器是否过期；CU-U向CU-C发出数据使用报告。

·TEID分配功能。CU-U为每个数据无线承载分配F1-U UL GTP TEID；CU-U为每个PDU会话分配NG-U DL GTP TEID；CU-U为每个数据无线承载分配X2-U DL/UL GTP TEID或Xn-U DL/UL GTP TEID。

（4）F1接口功能与协议

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接口协议栈如图1-17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）。

F1-C接口的主要功能如下。

·F1接口管理功能，包括错误指示和复位功能。复位功能是指在节点建立之后和发生故障事件之后初始化对等实体。

·系统信息管理功能。系统消息调度功能在gNB-DU中执行，gNB-DU负责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；F1 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可以由gNB-CU发起；建立、修改和释放DRB和SRB资源。

·RRC消息传送功能。RRC消息通过F1-C传送，CU使用DU提供的辅助信息对专用RRC消息进行编码。

F1-U接口的主要功能如下。

·用户数据传输（Transfer of User Data）；

·CU和DU之间用户数据传输；

·流量控制功能（Flow Control Function）；

·控制下行用户数据流向DU。

（5）无线接入Uu接口功能与协议

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接口控制面协议栈如图1-18所示；Uu接口用户面协议栈如图1-19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。

·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接口如图1-20所示。

·RRC可实现控制面功能，位于gNB和UE之间。RRC层用于处理无线接入相关的控制面过程，完成系统消息广播、寻呼、RRC连接管理、资源控制、移动性管理、UE测量报告控制、终端能力处理等。

·SDAP（Service Data Adaptation Protocol，服务数据适配协议）层用来实现Uu接口用户面功能。SDAP用于为每个报文打上流标识（QFI，QoS Flow ID），根据QoS要求在QoS流与DRB之间进行相互映射。在5G系统中，NG接口基于QoS流对业务进行保障，空口基于DRB承载对业务进行保障，PDCP子层及以下各层进行QoS保障是基于DRB进行的。因此，在5G系统中需要新增一个适配子层SDAP，以便将QoS流映射到DRB，或者反过来将DRB映射到QoS流。在这个过程中，每个PDU会话对应一个SDAP实体。

·PDCP位于gNB和UE之间。在控制面主要实现加密、解密和完整性保护功能，在用户面为SDAP层提供无线承载实体，主要实现IP报头压缩和加密、解密。在5G通信系统中，完整性保护功能对于用户面的PDCP子层是可选项。在UE切换时，PDCP层还要负责重传、按顺序递交和重复数据删除等功能。对于双连接情况下的分离承载，PDCP提供路由功能和复制功能，即为终端的每个无线承载配置一个PDCP实体。

·RLC（Radio Link Control，无线链路控制）层位于gNB和UE之间。RLC层的重要功能是数据分段、重传和重复数据删除。RLC层以RLC信道的方式向PDCP层提供服务，每个RLC信道（对应每个无线承载）针对一个终端配置一个RLC实体。根据服务类型，RLC层可以配置为透明模式、非确认模式和确认模式，实现部分或全部功能。透明模式是指数据分组在RLC层透传，并且不添加报头；非确认模式支持分段和重复检测；确认模式支持全部功能，且支持错误数据分组重传。与LTE相比，NR中的RLC不支持数据按序递交以减小时延。

·MAC（Medium Access Control，媒体接入控制）层位于gNB和UE之间。MAC层的主要功能是逻辑信道复用、HARQ重传、资源调度以及和调度相关的功能。MAC层以逻辑信道的形式为RLC层提供服务。NR改变了MAC层的报头结构，可更有效地支持低时延处理。

·PHY（PHYsical，物理）层负责编解码、调制解调、多天线映射以及其他典型物理层功能。物理层以传输信道的形式向MAC层提供服务。