5G核心网技术

用户的与网络的交互行为（交互间 隔、时长、数据量）往往与时间、地 点、业务等属性相关。5G网络中为了 更好地利用网络资源，并保证用户体 验，将对不同用户进行用户移动行为 特征的统计、下发和修改，重点关注： • 用户移动行为特征的定义 • 用户移动行为特征与移动性管理参
数的映射关系 • 用户移动行为特征的下发和修改
的三大场景所有需求
NR SI
NR R15 WI
NR R16 WI
核心网
• 2017年12月完成NGC第一个版本(R15)制定：仅满足eMBB业 务需求，不支持与2G/3G互操作 完成EPC增强支持NR功能（Option-3）
• 2019年底完成NGC R16版本：支持网络切片，满足5G全业务 需求
无线网
与EPC网元 对应关系
类似于MME
类似于P-GW-C
类似于P-GW-U
类似于SCEF 全新网元，类似于增 强DNS
5G核心网架构图（3）
5G核心网采用控制转发分离架构，同时实现移动性管理和会话管理的独立进行 用户面上去除承载概念，QoS参数直接作用于会话中的不同流。通过不同的用户面网元可同时建立多个不 同的会话并由多个控制面网元同时管理，实现本地分流和远端流量的并行操作
5G网络技术升级
无线网
时隙结构优化 大规模天线 新型多址 高频段通信/全频谱接入 超密集组网 灵活双工（全双工） 新型多载波 终端直通技术 频谱共享 RAN侧的云化
核心网
通用硬件 SDN/NFV QoS机制 策略控制 网络切片 边缘计算 网络能力开放
架
• 大连接影响移动性管理和连接管理
构
• 低时延，影响移动性管理，连接管理，转发面
5G总体情况 5G核心网网络架构及网元功能 5G核心网关键技术 5G核心网演进思路
5G核心网网元（1）
5G核心网网元
功能描述
Unified Data Management (UDM) Authentication Server Function (AUSF)
5G时代，将满足不同垂直行业的需求， 不同垂直行业下的终端移动性行为差别 很大；同时，用户基于时间、地点、业 务等维度对其终端移动性管理也需要区 分对待，已达到最优的网络交互效果 • 根据UE粒度进行移动管理策略的按
需下发和修改 • 基于用户粒度的用户位置实时上报能
力 • 对不同区域进行业务接入的限制
N2和N3连接。UE可执行小区选择、小区重选和PLMN选择。空 闲态AMF应能对非MO-only模式的UE发起寻呼，执行网络发起 的业务请求过程 • 连接态：UE所属的AN和AMF间的N2连接建立后，网络进入连 接态
Registration Reject
RM-DEREGISTERED
Registration Update Accept
5G核心网移动性管理（2）
5G核心网通过切换限制列表向无线接入网提供移动性限制信息，移动性限制信息包括：RAT限制、禁止区域和限 制服务区域
• RAT限制：定义了UE不允许接入的3GPP接入类型。在受限RAT中，UE基于签约不允许发起任何与网络间的通信。 • 禁止区域：在指定接入类型的禁止区域，UE基于签约不允许发起任何与网络间的通信 • 限制服务区域 - 许可区域：在指定接入类型的许可区域，UE基于签约可以发起与网络间的通信 - 非许可区域：在指定接入类型的非许可区域。无论是处于空闲态或连接态的UE，都不允许发起UE触发的业务请 求（Service Request）或会话管理信令来获得UE发起的用户业务。UE可以执行周期性和移动性注册更新，如果UE没有 注册，可以完成附着。非许可区域内的UE应通过业务请求（Service Request）响应核心网的寻呼（Paging）消息
- 提供网络选择和移动性管理相关的策略（比如RFSP检索） - UE策略的配置（网络侧须支持向UE提供策略信息，比如： 网络发现和选择策略、SSC模式选择策略、网路切片选择策 略）
类似于PCRF
5G核心网网元（2）
5G核心网网元
功能描述
Access and Mobility Management Function (AMF)
- 会话管理、UP选择和控制 - SM NAS消息终止 - 下行数据通知
- Intra-RAT移动的锚点 - 数据报文路由、转发、检测及QoS处理 - 流量统计和上报
- 网络能力的收集、分析和重组 - 网络能力的开放
- 业务发现，从NF实例接收NF发现请求，并向 NF实例提供发现的NF实例的信息（被发现）
能效 1倍
8个KPI指标 用户体验速率 频谱效率
10Mbps
1倍
峰值 速率
1Gbps
5G Baidu Nhomakorabea0Mbps/m2 100万/km2 空口1ms 500Km/h 100倍提升 100M-1Gbps 3-5倍提升
20Gbps
5G网络演进需求
网络架构演进除了业务需求之外，独立扩容、技术发展和独立演进也是驱动网络架构发生变化的三个重要发面
UPF
N6
DN
N9
点对点模式
用户标识符
Subscriber Permanent Identifier (SUPI)
IMSI
Permanent Equipment Identifier (PEI)
IMEI
5G Globally Unique Temporary Identity (5G-GUTI)
<5G-GUTI> := <GUAMI> <5G-TMSI>
独立扩容 虚拟化技术 独立演进
控制转发分离
5
• 信令处理需求增加(用户数，连接数）,扩展控制面能力
G
• 流量增加，扩展转发面能力
服
网元形态变化
务
• 不受限于体积，重量和功耗，以网元为中心向
化
以功能服务为中心架构演进。
网
网元功能划分
络
• 原则上把经常变化的功能单元放在一起 • 大流量主要影响的是核心网的转发面
5G技术性能需求与评估方法
5G候选提案征集
Release 15:满足eMBB基本功能
及EPC增强支持NR功能
NGC SI
NGC R15 WI
冻结NSA标准
R16 NGC WI
Release 15:满足eMBB以
及URLLC的部分功能
5G评估与方案确定 Release 16:满足网络
切片所有功能
Release 16: 满足ITU定义
文不包含有效的位置或路由信息，即UE对AMF是不可达的 • 已注册：此状态下，UE注册到核心网，可以接受网络提供的
业务
连接管理
5G核心网定义以下两种连接管理状态，用于在UE和AMF间通 过N1接口实现信令连接的建立与释放。上述的信令连接用于实 现UE和核心网之间的NAS信令交互，包含UE和AN间的AN信令连 接以及UE所属的AN和AMF间的N2连接 • 空闲态：UE与AMF间不存在N1接口的NAS信令连接，不存在UE
移动通信系统标准演进
2G
~1990
3G IMT-2000
~2000
4G IMT-Advanced
~2010
5G IMT-2020
~2020
• 10kbps-200kbps • 语音和低速数据业务
• 300kbps-80Mbps • 移动多媒体业务
• 100Mbps-1Gbps • 移动宽带业务
• 1Gbps-20Gbps • 多样化移动宽带及物联网业务
基站集中化部署
本地MEC 本地GW-U
灵活的无线接入 超密集组网
CP
接入CU
MEC
GW-U
边缘DC
数字化平 台
大数据分析及能力 开放
可编程化 网络
动态 数据 安全 保证
统，一 具备网络功能和信息开放能力
硬件平台
汇聚DC
核心DC
• 5G是移动网络面向数字化转型的契机，通过一张网络满足未来差异化业务需求 • 5G通过大数据、云计算技术使能移动网络能力的对外开放，使得5G实现业务面向平台化的运营
• 2018年9月发布NR第一个版本(R15)，满足eMBB以及URLLC的 部分功能 • R15 5G标准化加速，2017年12月冻结NSA标准
• 2019年底发布R16，满足5G全业务需求
5G移动通信需求
1.开放网络和基础设施能力,提升盈利能力
2. 新的业务（移动互联网（高清视频，AR，VR，在线游戏）和物联网业务（车联网等））；大流量，低时延，大连接， 快速灵活部署
Deregistration Registration Reject
Registration Accept
RM-REGISTERED
注册管理状态图（UE&网络侧）
CM- IDLE
AN signaling connection re l ea se d
CM- CONNECTED
AN signaling connection e sta b li sh e d
3. 降低运维成本；
• 峰值10G
高带宽 • 均值1G
• 端到端< 10ms • 空口< 1ms
低时延
5G
• 百万连接
大连接
灵活开 放
• 部署灵活 • 新的业务增长点
5G应用场景需求
网络
3大应用场景
流量密度
连接数密度
时延
移动性
4G 0.1Mbps/m2 10万/km2 空口10ms 350Km/h
- 支持ARPF - 支持存储签约信息 - 支持5G功能增强后的其它签约数据
- 生成鉴权向量
与EPC网元 对应关系
类似于HSS
类于HSS的AuC功能
Policy Control function (PCF)
- 应用和业务数据流检测 - QoS控制、额度管理、基于流的计费 - 背景数据(Background data)传送策略协商 - 对通过NEF和PFDF从第三方AS配置进来的 PFD（Packet Filter Descriptor）进行管理 - 数据流分流管理（不同DN） - 具备UDR(User Data Repository )前端功能以提供用户签约 信息
<GUAMI> := <MCC> <MNC> <AMF Region ID> <AMF Set ID> <AMF Pointer>
<5G-S-TMSI> := <AMF Set ID> <AMF Pointer> <5G-TMSI>
5G核心网状态模型
注册管理
5G核心网定义以下两种注册管理状态，用于反映UE与AMF间 的注册状态： • 去注册：此状态下，UE没有注册到核心网，AMF中的UE上下
移动通信每十年出现新一代技术，通过关键技术的引入，实现频谱效率和容量的成倍提升，推动新的业 务类型不断涌现
随着4G在全球范围内规模商用，5G已成为全球业界的研发焦点，制定全球统一5G标准已经成为业界共 识
标准进展
2015
ITU
3GPP
核心网
无线侧
2016
2017
2018
2019
WRC-15
(Initial NAS message)
连接管理状态图（UE侧）
CM-IDLE
N2 Connection released
CM-CONNECTED
N2 Connection established
连接管理状态图（网络侧）
5G核心网移动性管理（1）
5G移动性管理与3/4G下的移动性管理相比有很大的改变，为了满足RAN-CN功能解耦、垂直行业应用、大数据、能力开放等需 求，5G移动性管理提出了灵活化、智能化的移动性管理能力，重点包含轻连接、区域监测和限制、以及用户行为特征三大方面
5G总体情况 5G核心网网络架构及网元功能 5G核心网关键技术 5G核心网演进思路
5G网络畅想
采用通用硬件，一张网络满足多样化业务需求 网络平台级运营，灵活适配业务需求，满足能力开放 用户面部署下沉，减小业务时延，降低传输网压力
支持多制式统一接入与管理，实现异构组网
大规模天线
UP
高频通信
Session Management Function (SMF)
User plane Function (UPF)
Network Exposure Function (NEF) NF Repository Function (NRF)
- NG1接口终止、NG2接口终止 - 移动性管理、SM消息的路由 - 接入鉴权、安全锚点功能（SEA） - 安全上下文管理功能（SCM）
NEF NRF Nnef Nnrf
PCF
UDM
Npcf Nudm
Nausf Namf AUSF AMF
Nsmf SMF
AF Naf
N1
N2
N4
UE
(R)AN
N3
UPF
N6
DN
服务化模式
AUSF
N13
UDM
N12
N8
N10
AMF N11
SMF
N7
PCF
N14
N15
N1
N2
N4
N5
AF
UE
(R)AN
N3
轻连接
区域监测和限制
用户移动行为特征
UE
断开/连接
RAN
连接态/
断开/连接
CN
连接态/
空闲态
空闲态
自由区域
限制区域
禁止区域
终端
行为统计及调整
网络
轻连接功能，即RAN和CN各维护 一套对UE的连接状态，在CN保持UE 连接态时，RAN有权是放空口已获 得无线资源的释放，需要重点关注 如下问题进行研究： • 实现最优的寻呼覆盖区域 • 具有锚点的基站平滑切换行为 • 长寻呼下的终端节能行为 • 信令节省效果