5GC知识分享 5G架构、主要网元、技术、流程

3GPP：五系列十种组网
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5GC主要网元
• 部分网元列表 • 常用网元介绍
部分网元列表
网元
UPF SMF AMF PCF UDM AUSF NSSF NRF
全名
User Plane Function Session Management Function Access and Mobility management Function Policy Control function Unified Data Management Authentication Server Function Network Slice Selection Function NetworkRepositor yFunction
NFV 三大功能模块
基础网络虚拟化架构（Network Functions Virtualization Infrastructure, NFVI ）
N F V I 就 好 比 各 手 机 厂 商 推 出 的 手 机 系 统 ， 它 给 硬 件 设 备 赋 予 基 本 的 组 件 ， 支 持 网 络 应 用 所 需 要 的 软 件 或 者 容 器 管 理 平台 。
功能
UPF 定位——家丁
UE与DN之间的重要节点，负责数据转发和策略实施等。
功能
······
SMF 定位——管家
会话控制、策略转发等。
功能
UDM 定位——库房
统一数据管理功能，类似于4G的HSS。
功能
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5GC核心技术
• SBA • 参考点 • SBI vs RP
S D N Software Defined Networking
每个 VF 就像是物理网卡硬件资源的一个切片，而 PF 则是对所有物理网卡硬件资源的统筹者，包括管理众多 VF 可以协同工作。
技术限制点：需要硬件支持，包括网卡、主板、VMM等。
S B A Service Based Architecture
主要作用领域：5GC控制面
基于业务的接口SBI(service based interface)，采用HTTP/TCP协议。
参 考 点 Reference Point
SBI vs RP
同一个功能块既可以用不同的参考点面向不同的功能块网元，也可以以相同的接口面向不同的功能网元。
SBI：网元通过服务化接口向外与其他的网元进行交互，提供了一种多对一访问的机制；由于采用服务注
册和服务发现，相互之间无需配置IP即可访问。
RP：参考点类似于传统接口，需要通信的两个网元之间由规范定义了二者唯一的参考点，为固定的互访
虚拟网络功能（Virtual Network Functions, VNF）
VNF是实现网络功能（转发服务、IP配置等）的软件应用，就好比手机上的APP。在NFV架构中，各种VNF在NFVI的基础 上实现。由于NFVI是标准化的架构，使得不同的VNF获得了通用性，不再依赖于原来的黑盒设备。
管理自动化及网络编排（Management and orchestration, MANO）
UDM等
有线网
• 接入：ONU、ONT、OLT、分光器 • 承载：光缆、波分复用、OTN、汇聚机房 • 核心：城域核心、省市核心、中心机房等
5GC系统架构
5G组网方式
• SA——Standalone，独立组网 • NSA——Non-Standalone，非独立组网
二者为3GPP定义的5G组网类型。其区别主要在于基站与核心网的搭配方式。 简单理解，5G基站+5G核心网为独立组网，其余皆为非独立组网。前者最能体现5G优越性，但因成本问题，非独立组网仍为目前主流组网方式。
问接口。两个功能体之间的参考点一般可以通过一个或更多的服务化接口来代替，从而提供完全相同却更灵 活扩展性更好的实现。
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5GC协议流程
• 无线接口协议栈 • 从接入到核心 • 典型PDU会话流程
无线接口协议栈
➢ 网络层 ➢ 数据链路层 ➢ 物理层
➢ 控制面 ➢ 用户面
空口控制面协议栈
空口用户面协议栈
That’s All. Thanks For Watching~
是一种控制与转发分离，并直接可编程的网络架构
N F V Network Function Virtualization
网络功能虚拟化 K8S、Docker等技术
针 对 服 务 器 资 源 （ 计 算 、 存 储 、 网 络 ， 如 C P U 、 M e m o r y 、 S S D 、 N e t w o r k ···） 的 虚 拟 化 。
PDU会话建立流程 详见 3GPP TS 23.502
① SM上下文产生 I. UE发起请求，找到合适的SMF为其建立档案 II. SMF则需要找到UDM作为可靠的官方数据库。
② SM上下文更新
I. SMF从UDM获取sm-data II. 从PCF获取了sm-policy
PDU会话建立流程 详见 3GPP TS 23.502
MANO是用于管理各VNF以及NFVI的统一框架，方便运维人员进行业务编排与设备管理。
SDN vs NFV
相同点
不同点
SR-IOV
SR-IOV（Single-Root I/O Virtualization，单根 I/O 虚拟化）——Multi
PF（Physical Function）：管理 PCIe 设备在物理层面的通道功能，包含了 SR-IOV 的功能结构，具有管理、配置 VF 的功能。 VF（Virtual Function）：PCIe 设备在虚拟层面的通道功能，即仅仅包含了 I/O 功能，VF 之间共享物理资源。
以数据链路层为例
下行架构
上行架构
从接入到核心
信令面协议栈
UE到5GC：信令面协议
用户面协议栈
N3 UE：PDU会话用户面协议栈
N9
N6
信令、用户面协议栈总览
典型PDU会话流程
PDU会话建立流程
前提：UE通过基站连入核心网AMF
a. UE 发起 PDU Session，携带切片信息，DNN信息，PDU Session ID 等 b. AMF 选择 SMF，发送会话建立信息 c. SMF 到 UDM 获取用户签约会话信息 d. SMF 选择 UPF，对 PDU Session 进行授权和认证 e. 认证成功，SMF 选择 PCF，获取策略 f. SMF选择 SSC 模式，分配 IP 地址 g. SMF 向 PCF 更新用户会话策略信息 h. SMF 将会话和策略信息下发到 UPF i. SMF 发送会话建立接收给 AMF j. AMF 通知基站建立无线承载 k. 无线分配承载，并通知 SMF 隧道信息，SMF 通知 UPF 下行隧道信息
③ 用户面资源分配
I. SMF根据上一个流程组获得的信息，指导UPF执行用户面的建立 II. SMF根据上一个流程组获得的信息，指示AMF执行空口资源分配 III. SMF将用户面（上行）标识发送给AMF，用于上行链路的打通
PDU会话建立流程 详见 3GPP TS 23.502
④ 上行链路打通 I. AMF从SMF获取必要信息后，开始指导gNB和UE执行空口资源的设置 II. AMF将UPF端的连接信息传播到gNB，打通从gNB到UPF的链路，UE和Internet以此作为连接的桥梁
5GC知识分享
荣晓

2022/12/09
目录
1 5GC位置何处 2 5GC主要网元 3 5GC核心技术 4 5GC协议流程
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5GC位置何处
• 通信总体架构 • 接入 - 承载 - 核心 • 5GC系统架构 • 5G组网方式
通信总体架构
有线接入关键词
• WiFi (5GHz\2.4GHz) • 光纤 • 铜线 • 同轴
功能
用户面功能 会话管理功能 接入和移动性管理功能 策略控制功能 统一数据管理 认证服务器功能 网络切片选择功能 网络仓储功能
常用网元介绍
AMF
一套简单的核心网
UDM
UPF
SMF
AMF
定位——门卫
作为5GC与基站/UE联系的纽带，执行注册、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，为用户接入时提供认证、鉴权功能，终端和无线的核心网控制面接 入点。
无线接入关键词
• 移动通信2/3/4/5G • 空中接口 • 基站 普通概念上的无线/有线网络，如笔记的Wi-Fi接入和网 线接入，均为有线接入的一部分。
接入-承载-核心
无线网
• 接入：各类基站、CPE··· • 承载：SD-WAN、IP-RAN、OTN等 • 核心：各核心网元，以5G举例：AMF、UPF、SMF、PCF、