3GPP關(guān)于5G若干技術(shù)規(guī)范輯錄（一）：網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與NR協(xié)議架構(gòu)（上）

鐘 旻

3GPP（the 3rd Generation Partner Project，第三代合作伙伴計(jì)劃）是全球的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)研究和制定單位，成立于1998年12月。2018年6月，3GPP關(guān)于5G規(guī)范的R15版本凍結(jié)，即定型，其中包括獨(dú)立組網(wǎng)（SA）和非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）系統(tǒng)架構(gòu)，接口協(xié)議等；到2020年7月，作為第一個(gè)完整技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)版本R16凍結(jié)。這意味著迎來(lái)了全球統(tǒng)一規(guī)范的5G商用化時(shí)代。

1 系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[1]

5G系統(tǒng)：3GPP中的一個(gè)5G系統(tǒng)，包含5G接入網(wǎng)、5G核心網(wǎng)和用戶設(shè)備（U E）。（按照ITU的定義，系統(tǒng)是有規(guī)則的交互或相互依存的聚合項(xiàng)目形成一個(gè)統(tǒng)一的整體技術(shù)）。

[注]括號(hào)中的文字是為便于讀者理解加入的說(shuō)明，下同。

圖1（a） 基于業(yè)務(wù)接口的5G系統(tǒng)架構(gòu)（非漫游）

圖1（b） 3GPP定義的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

表1 5G系統(tǒng)中各網(wǎng)元中文名稱和功能描述

按照ITU的定義，網(wǎng)絡(luò)是為方便兩個(gè)或更多規(guī)定點(diǎn)之間的通信，而提供連接的一組節(jié)點(diǎn)和鏈路。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（體系結(jié)構(gòu)）是確定和定義了物理實(shí)體和這些實(shí)體之間物理接口的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

接入網(wǎng)是使用戶進(jìn)入核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)，完成復(fù)接、連接的傳送功能；核心網(wǎng)是“管理中樞”，負(fù)責(zé)交換和業(yè)務(wù)管理如位置管理、移動(dòng)性管理、計(jì)費(fèi)等。

2 接入網(wǎng)與核心網(wǎng)的功能[1]

接入網(wǎng)與核心網(wǎng)的功能劃分如圖2所示。

圖2 接入網(wǎng)與核心網(wǎng)的功能劃分

2.1 接入網(wǎng)

圖2中，gNB是向用戶設(shè)備（U E）提供新無(wú)線（N R，即第5代 無(wú) 線接入）用戶面和控制面協(xié)議終端的節(jié)點(diǎn)，并經(jīng)NG接口連接到5GC。ng-eNB是演進(jìn)節(jié)點(diǎn)B，向U E提供演進(jìn)通用地面無(wú)線接入（E-UTRA）。gNB和ngeNB承載以下功能：

⊙ 無(wú)線資源管理的功能：無(wú)線承載控制，無(wú)線接入控制，連接移動(dòng)性控制，在上行鏈路和下行鏈路中向UE的動(dòng)態(tài)資源分配（調(diào)度）；

⊙ IP報(bào)頭壓縮，數(shù)據(jù)加密和完整性保護(hù)；

⊙ 當(dāng)不能從UE提供的信息確定到AMF的路由時(shí)，在UE附著處選擇AMF；

⊙ 用戶面數(shù)據(jù)向UPF的路由；

⊙ 控制面信息向AMF的路由；

⊙ 連接設(shè)置和釋放；

⊙ 調(diào)度和傳輸尋呼消息；

⊙ 調(diào)度和傳輸系統(tǒng)廣播信息（源自AMF或O＆M）；

⊙ 用于移動(dòng)性和調(diào)度的測(cè)量和測(cè)量報(bào)告配置；

⊙ 上行鏈路中的傳輸級(jí)別數(shù)據(jù)包標(biāo)記；

⊙ 會(huì)話管理；

⊙ 支持網(wǎng)絡(luò)切片；

⊙ QoS流量管理和映射到數(shù)據(jù)無(wú)線承載；

⊙ 支持處于RRC_INACTIVE狀態(tài)的UE；

⊙ NAS消息的分發(fā)功能；

⊙ 無(wú)線接入網(wǎng)共享；

⊙ 雙連接（雙連接是實(shí)現(xiàn)LTE和5G融合組網(wǎng)、靈活部署場(chǎng)景的關(guān)鍵技術(shù)）；

⊙ NR和E-UTRA之間的緊密互通。

2.2 5G核心網(wǎng)（5GC）

5 G的核心網(wǎng)主要包括接入和移動(dòng)管理功能（AMF）、用戶面功能（UPF）和會(huì) 話 管 理功能（SMF）。

（1）AMF的主要功能是控制面上主要負(fù)責(zé)接入和移動(dòng)管理功能：

⊙ 非接入層（NAS）信令終止；

⊙ NAS信令安全性；

⊙ 接入層（AS）安全控制；

⊙ 用于3GPP接入網(wǎng)絡(luò)之間的移動(dòng)性的核心網(wǎng)（CN）間節(jié)點(diǎn)信令；

⊙ 空閑模式下UE可達(dá)性（包括控制和執(zhí)行尋呼重傳）；

⊙ 注冊(cè)區(qū)管理；

⊙ 支持系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間的移動(dòng)性；

⊙ 訪問(wèn)認(rèn)證、授權(quán)，包括檢查漫游權(quán)；

⊙ 移動(dòng)管理控制；

⊙ SMF（會(huì)話管理功能）選擇。

（2）UPF的主要功能是用于支持用戶面功能：

⊙ 系統(tǒng)內(nèi)外移動(dòng)性錨點(diǎn)；

⊙ 與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)互連的外部協(xié)議據(jù)單元（PDU）會(huì)話點(diǎn)；

⊙ 分組路由和轉(zhuǎn)發(fā)；

⊙ 數(shù)據(jù)包檢查和用戶面部分的策略規(guī)則實(shí)施；

⊙ 上行鏈路分類器，支持將流量路由選擇到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)；

⊙ 分支點(diǎn)以支持多宿主PDU會(huì)話；

⊙ 用戶面的服務(wù)質(zhì)量（QoS）處理，例如，包過(guò)濾、門控、UL/DL速率執(zhí)行；

⊙ 上行鏈路流量驗(yàn)證（SDF到QoS流量映射）；

⊙ 下行鏈路分組緩沖和下行鏈路數(shù)據(jù)通知觸發(fā)。

（3）SMF的主要功能是用于負(fù)責(zé)會(huì)話管理功能：

⊙ 會(huì)話管理；

⊙ UE IP地址分配和管理；

⊙ 選擇和控制UP功能；

⊙ 配置UPF的傳輸方向，將傳輸路由選擇到正確的目的地；

⊙ 控制政策執(zhí)行和QoS的一部分；

⊙ 下行鏈路數(shù)據(jù)通知。

3 網(wǎng)絡(luò)接口[1]

由圖1可見(jiàn)，5GC與gNB和ng-eNB之間通過(guò)NG接口，而gNB和ng-eNB之間則通過(guò)Xn接口。（按照ITU-R V.662-3建議書，接口是指兩個(gè)系統(tǒng)或者一個(gè)系統(tǒng)中的兩個(gè)部分之間的邊界，由適當(dāng)?shù)奶卣饕?guī)范來(lái)定義，通常用于確保邊界處格式、功能、信號(hào)和相互連接的兼容性） 。

3.1 NG接口

3.1.1 NG用戶面

NG用戶面接口（NG-U）定義在NG-RAN節(jié)點(diǎn)和用戶面功能之間。NG接口的用戶面協(xié)議棧如圖3所示。傳輸網(wǎng)絡(luò)層是在IP傳輸和用戶面通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（GPRS）隧道協(xié)議（GTP-U）上建立。GTP-U在UDP/IP的上方用以在NG-RAN節(jié)點(diǎn)和用戶平面功能之間，傳送用戶面協(xié)議數(shù)據(jù)單元。

圖3 NG接口的用戶面協(xié)議棧

3.1.2 NG控制面（NG-C）

NG控制面接口定義在NG-RAN節(jié)點(diǎn)和AMF之間。NG的控制面協(xié)議棧如圖4所示。傳輸網(wǎng)絡(luò)層基于IP傳輸（層）構(gòu)建。為可靠地傳輸信令信息，在IP層上加一流控制傳輸協(xié)議（SCTP），稱為NG應(yīng)用協(xié)議（NGAP）。SCTP層提供應(yīng)用層信息有保證的傳送。傳輸中，IP層點(diǎn)到點(diǎn)傳輸用于傳遞信令協(xié)議數(shù)據(jù)單元（的信息）。

圖4 NG-C協(xié)議棧

NG-C提供以下功能：

⊙ NG接口管理；

⊙ 用戶設(shè)備（UE）上下文（語(yǔ)境或前后關(guān)系）

管理；（所謂上下文，在程序中，可以理解為當(dāng)前對(duì)象在程序中所處的一個(gè)環(huán)境，一個(gè)與系統(tǒng)交互的過(guò)程。如微信聊天，此時(shí)的“環(huán) 境”是指聊天的界面以及相關(guān)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求與傳輸?shù)龋?。

⊙ UE移動(dòng)性管理；

⊙ 非接入層（NAS）信息傳輸；

⊙ 尋呼；

⊙ 協(xié)議數(shù)據(jù)單元會(huì)話管理；

⊙ 結(jié)構(gòu)（配置）變換；

⊙ 信息傳輸警告。

3.2 Xn接口

3.2.1 Xn用戶面

Xn用戶面（Xn-U）定義在兩個(gè)NG-RAN節(jié)點(diǎn)之間，X n接口的用戶面協(xié)議棧如圖5所示。傳輸網(wǎng)絡(luò)在I P傳輸層上面構(gòu)建。用戶面的通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)隧道協(xié)議（GTP-U）位于用戶電報(bào)協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（UDP/IP）層上，承載用戶面協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）的信息。

圖5 Xn用戶面協(xié)議棧

Xn-U提供非保證傳遞用戶平面協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）的信息，支持以下功能：

⊙ 數(shù)據(jù)前向傳送；

⊙ 流控制。

3.2.2 Xn控制面

Xn控制面接口（Xn-C）定義在兩個(gè)NG-RAN節(jié)點(diǎn)之間，其協(xié)議棧如圖6所示。

圖6 Xn控制面協(xié)議棧

傳輸網(wǎng)絡(luò)層基于 I P 層和流控制傳輸協(xié)議（SCTP）層構(gòu)成，應(yīng)用層信令協(xié)議稱為Xn應(yīng)用協(xié)議（Xn-AP），SCTP層提供有保證的應(yīng)用層信息傳遞。在傳輸IP層中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸用于信令協(xié)議數(shù)據(jù)單元的信息。

Xn-C接口支持以下功能：

⊙ Xn接口管理；

⊙ UE移動(dòng)性管理，包括內(nèi)容傳遞和無(wú)線接入網(wǎng)（RAN）尋呼；

⊙ 雙連接。

4 多無(wú)線雙連接[1]

NG-RAN支持多無(wú)線雙連接（MR-DC）運(yùn)作，為此，在無(wú)線資源控制-連接（RRC-CONNECTED）中，UE有兩個(gè)特定的編排結(jié)構(gòu)，提供無(wú)線資源的利用。在位于兩個(gè)不同的NG-RAN節(jié)點(diǎn)，通過(guò)一非理想的回傳連接，一個(gè)提供NR接入，另一提供演進(jìn)通用地面無(wú)線接入（E-UTRA）。

5 無(wú)線協(xié)議架構(gòu)[1]

5.1 用戶面

用戶面與gNB一樣，其協(xié)議棧如圖7所示，物理層為第一層；其上為第二層，由媒質(zhì)（體）接入控制（MAC）、無(wú)線鏈路控制（RLC）、分組數(shù)據(jù)聚合協(xié)議（PDCP）和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)適配協(xié)議（SDAP）四個(gè)子層組成；第三層為網(wǎng)絡(luò)層，其中僅無(wú)線資源控制（RRC）子層在接入層，圖中未畫出。