2.2 5G核心网架构设计

相比于2G/3G/4G系统，5G的核心网架构设计理念被彻底改变。5G网络架构设计遵循以下4个原则：

（1）灵活：满足不同业务要求（超高可靠性、超低时延）、以用户为中心的组网（个人、企业、M2M），快速功能引入。

（2）高效：更低的数据传输成本，易于扩展；简化状态和信令。

（3）智能：资源自动分配和调整，网络自配置、自优化。

（4）开放：网元突破软硬件耦合的限制，网络能力向第三方开放，打造新的生态环境。

5G网络架构还遵循4维架构的设计理念：

（1）转发分离化（Seperated）：基站的C/U分离、网关的控制转发分离。

（2）网络虚拟化（Virtualized）：小区逻辑虚拟化、网元功能虚拟化。

（3）功能模块化（Modularized）：网元功能原子化/模块化，按需组合。

（4）部署分布化（Distributed）：支持分布式的网元部署，内容分布更靠近用户。

2.2.1 5G基于服务的架构

2018年，我国提出了基于服务的架构（Service Based Architecture, SBA）概念，将网络功能定义为多个相对独立、可被灵活调用的服务模块。5G网络采用开放的服务化架构，网络功能以服务的方式呈现，任何其他网络功能或者业务应用都可以通过标准规范的接口访问该网络功能提供的SBA。

图2.8所示为5G SBA系统架构参考模型，采用的是基于业务接口的表现形式，图中NXXX为基于业务的接口（Serve Based Interface, SBI），全部采用超文本传输协议（Hyper Text Transfer Protocol, HTTP）/传输控制协议（Transmission Control Protocol, TCP）。SBA中的控制面采用应用程序接口（Application Programming Interface, API）能力开放模式进行信令传输。在传统的信令流程中，很多的消息在不同的流程中都会出现，将相同或相似的消息提取出来，以API能力调用的形式封装起来，供其他网元进行访问，SBA摒弃了建立隧道的模式，倾向于采用HTTP完成信令交互的方式。

5G SBA借鉴信息技术中系统服务化和微服务化架构的成功经验，通过模块化实现网络功能间的解耦合整合，解耦后的网络功能可独立扩容、独立演进、按需部署；控制面所有网络功能实体之间的交互采用服务化接口，同一种服务可以被多种网络功能调用，降低网络功能实体之间接口定义的耦合度，最终实现整网功能的按需定制，灵活支持不同的业务场景和需求。

5G核心网的主要网元如表2.1所示。

各网元功能描述如下：

（1）AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移动性管理功能）实体可以类比于4G的移动性管理实体（Mobility Management Entity, MME）。AMF的主要功能如下：

• RAN信令接口（N2）的终结点，非接入层（Non-Access-Stratum, NAS）（N1）信令（会话管理消息）的终结点；

• 负责NAS消息的加密和完整性保护，负责注册、接入、移动性管理、鉴权、短信等功能；

• 在和EPS（Evolved Packet System，演进的分组系统）网络交互时负责EPS承载识别号的分配。

（2）SMF（Session Management Function，会话管理功能）实体的主要功能如下：

• 非接入层信令会话管理消息的终结点；

• 会话的建立、修改和释放；

• UE IP地址分配管理；

• 动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol, DHCP）功能；

• 地址解析协议（Address Resolution Protocol, ARP）代理或IPv6邻居请求代理；

• 会话选择和控制UPF；

• 计费数据的收集及支持计费接口；

• 决定会话及业务连续性模式；

• 下行数据指示。

（3）UPF（User Plane Function，用户面管理功能）实体主要负责数据包的路由转发和服务质量（Quality of Service, QoS）流映射。UPF的主要功能如下：

• 作为无线接入技术内、无线接入技术间的移动性锚点；

• 外部分组数据单元（Packet Data Unit, PDU）与数据网络互联的会话点；

• 分组路由和转发；

• 数据包检查；

• 用户面部分策略规则的实施；

• 合法拦截；

• 生成流量使用报告；

• 用户面的QoS处理；

• 上行链路流量验证；

• 上行链路和下行链路传输分组标记；

• 下行数据包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；

另外，并非所有UPF功能都需要在网络切片的用户面功能实例中得到支持。

（4）PCF（Policy Control Function，策略控制功能）实体支持统一的策略框架管理网络行为，向网络实体提供策略规则，访问统一数据仓库（UDR）的订阅信息。

（5）NEF（Network Exposure Function，网络开放功能）实体的主要功能如下：

• 3GPP的网元都是通过NEF将其能力开放给其他网元的；

• 将相关信息存储到UDR中，也可以从UDR获取相关的信息；

• 提供相应的安全保障来保证外部应用到3GPP网络的安全；

• 3GPP内部和外部相关信息的转换；

• 可以通过访问UDR获取到其他网元的相关信息。

（6）NRF（NF Repository Function，网络存储库功能）实体的主要功能如下：

• 支持业务发现功能，也就是接收网元发来的网络功能发现请求，然后提供发现的网元信息回复请求方；

• 维护可用网元实例的特征和其支持的业务能力；

• 一个网元的特征参数主要有网元实例ID、网元类型、公共陆地移动网（Public Land Mobile Network, PLMN）标识、网络切片标识、网元IP或者域名、网元的能力信息、支持的业务能力名等。

（7）UDM（Unified Data Manager，统一数据管理）的主要功能如下：

• 产生3GPP鉴权证书或鉴权参数；

• 存储和管理5G系统的永久性用户ID；

• 订阅信息管理；

• SMS管理；

• 用户的服务网元注册管理（比如当前为终端提供业务的AMF、SMF等）。

（8）AUSF（Authentication Server Function，鉴权服务器功能）是鉴权服务器网元，支持3GPP接入鉴权和非3GPP接入鉴权。

（9）NSSF（Network Slice Selection Function，网络切片选择功能）是SDN/NFV技术应用于5G网络的关键服务。5G通过NSSF为UE选择提供服务的网络切片实例集，将一个物理网络切分为多个逻辑网络，实现一网多用，并为用户提供个性化的网络服务。

（10）UDR（Unified Data Repository，统一数据仓库）的主要功能如下：

• 通过UDM存储订阅数据或读取订阅数据；

• 通过PCF存储策略数据或者读取策略数据；

• 存储公开的数据或者从中读取公开的数据。

（11）短消息服务功能（SMS Function, SMSF）。

2.2.2 5G核心网架构特征

5G核心网架构基于NFV和SDN等新技术，控制面网元之间使用服务化的接口进行交互，为用户提供数据连接和数据业务服务。5G核心网系统架构的主要特征如下：

（1）承载和控制分离：承载和控制可独立扩展和演进，可集中式或分布式灵活部署。

（2）模块化功能设计：可以灵活和高效地进行网络切片。

（3）网元交互流程服务化：按需调用，并且服务可重复使用。

（4）每个网元既可以与其他网元直接交互，也可通过中间网元辅助进行控制面的消息路由。

（5）无线接入和核心网之间弱关联：5G核心网是与接入无关并起到收敛作用的架构，3GPP和非3GPP均通过通用接口接入5G核心网。

（6）支持统一的鉴权框架。

（7）支持无状态的网络功能，即计算资源与存储资源解耦部署。

（8）基于流的QoS：简化了QoS架构，提升了网络处理能力。

（9）支持本地集中部署业务的大量并发接入，用户面功能可部署在靠近接入网络的位置，从而支持低时延业务和本地业务网络接入。

2.2.3 5G核心网融合组网

考虑业务需求和产品成熟度，在5G商用初期将部署控制层、信令层、数据层、应用层、媒体转发层共5类、8种网元；控制层、信令层、数据层、应用层网元将全部采用虚拟化方式，基于网络云集中部署；媒体转发层网元将靠近用户部署，以降低时延、提升体验。2G/4G/5G核心网独立组网与融合组网架构如图2.9所示。

（1）UDM/HSS、PCF/PCRF：支持用户不换号、不换卡使用SA，UDM/UDR、PCF/UDR采用2G/4G/5G融合组网方式，以省（地市/号段）为单位考虑数据融合。

（2）NSSF、NRF和SMSF是5G核心网特有网元，采用5G独立设置方式，NSSF与NRF多切片共享网元。

（3）在5G核心网中，AMF、SMF、UPF存在独立设置和2G/4G/5G融合组网两种方案。其中AMF/MME、SMF/PGW-C建议以覆盖区域连续的本地网为单位进行组Pool规划，用户面UPF/PGW-U则以地市为单位下沉部署。融合组网在资源利用率、规划建设、管理维护等方面均优于独立组网，建议在规划期尽早以融合组网方式统筹2G/4G/5G网络规划建设。

以支撑业务发展和网络演进为核心，未来5G核心网建设将以NFV网络云建设和5G SA融合核心网建设为抓手，加快推进传统核心网NFV云化转型及5G SA成熟商用，不断优化网络架构，构建2G/4G/5G云化融合核心网。

2.2.4 5G核心网目标架构演进

为了全面支撑5G万物互联的前景，5G核心网架构将基于NFV网络云集中策略部署核心网控制层、信令层、数据层和媒体转发层。一方面核心网功能按需下沉到地市及边缘节点部署，提前布局边缘计算能力；另一方面通过网络切片支撑2C和2B业务发展，服务2G/4G/5G协同和5G赋能千行百业。5G核心网目标架构包括以下5个方面：

（1）集中的网络云：控制层、信令层、数据层和应用层集中化部署。

（2）2G/4G/5G融合核心网：构建面向2C的2G/4G/5G融合核心网。

（3）融合数据层：面向2C，支持在用户不换卡、不换号的情况下实现2G/4G/5G用户数据、策略数据融合。

（4）分布式部署的媒体转发层：用户面下沉分布式部署，满足低时延、大带宽等业务需求。

（5）边缘计算使能垂直行业：MEC按需部署至地市、区县、园区等。 AYxQZJijf+WiA9ckuXmxf5hpepMpZqhrCyRDjExR7tmsKL8XLO7QLmnS4YX8/jBf