一文简单读懂5G核心网

  系统架构  


在5GC中,每个节点称为网络功能(NF),下面简要介绍一下每个NF的名称及功能。

• NSSF(网络切片选择功能)
管理网络切片相关信息,比如负责为终端选择网络切片
• AUSF(认证服务器功能)
完成用户接入的身份认证功能,对应4G MME中鉴权功能
• UDM(统一数据管理)
管理和存储签约数据、鉴权数据
• AMF(接入和移动性管理功能)
完成移动性管理、NAS MM信令处理、NAS SM信令路由、安全锚点和安全上下文管理等
• SMF(会话管理功能)
完成会话管理、UE IP地址分配和管理、UP选择和控制等
• PCF(策略控制功能)
支持统一策略框架,提供策略规则
• AF(应用程序功能)
外部应用程序服务器
• UPF(用户面功能)
负责用户面处理,比如在无线接入网和Internet之间转发流量、报告流量使用情况、QoS策略实施等,对应4G EPC中的S/PGW的用户面
• DN(数据网络)
5GC外部数据网络(Internet等)

再来与4G EPC架构对比一下:

EPC架构


可以发现,5GC的变化似乎并不大,不过增加了一些新节点(比如NSSF),以及一些节点被重新命名(比如原来的PCRF重新命名为CF)。

但这只是你看到的表明!

事实上,两者在功能方面有很多变化。

下面就简单说说5GC的6大变化,也是6大关键能力......


  控制面与用户面分离  

啥叫控制面?啥叫用户面?简单说,用户面负责数据包传输,控制面负责连接的建立与断开等。

控制面与用户面分离并不是新鲜事,早在4G时代R14标准就定义了CUPS(EPC节点的控制面与用户面分离),也就是将SGW和PGW的控制平面和用户平面分离。

R14中的EPC控制面与用户面分离

但在5GC中,分离更明显,更彻底...

如上图,用户面(UPF)仅负责传输数据包,控制面(比如SMF)仅负责处理会话连接的建立和断开......这种控制面与用户面分离的架构,允许分别增强控制面功能和用户面(UPF)功能,更重要的是,可以将用户面(UPF)下沉到离用户更近的地方,从而大幅降低网络时延。


  不依赖于接入网的统一架构  

在4G时代,3GPP接入网(比如LTE、WCDMA)与非3GPP接入网(比如Wi-Fi)以不同的方式连接到EPC。

但5G时代,不管是“3GPP接入网”(比如5G NR、LTE),还是其他“非3GPP接入网”都使用相同的接口连接到5GC。


为此,R15定义了如何基于此原理使用N3IWF将“Untrusted non-3GPP access”(比如公共Wi-Fi)连接到5G系统。R16还研究了将有线接入网纳入统一的接入,这就是真正的“固网和无线融合”了。



  基于服务的架构(SBA)

前面我们讲过5GC的系统架构图,这是我们熟悉的以“参考点表示”的架构图,这让我们易于理解核心网的节点之间是如何连接。但事实上,5G标准还给出了另一个更“真实”的5GC系统架构图......

5GC架构(基于服务的架构)


如上图所示,5GC控制面引入了基于服务的架构(SBA)。在SBA中,每个NF并非一对一(点对点)连接,而是所有NF共享一条通信通道,每个NF都可以与任何NF通信。

为啥要采用SBA?在过去的EPC中,每一个节点单独定义“参考点”,每个节点之间采用单独的协议进行通信,这显然太复杂,不灵活。5GC认为不能再这么干了,于是将每个NF定义为“服务”,任何一个NF都采用相同的协议(HTTP/2),这样一来NF之间的连接就更弹性了,也大大增强了灵活扩展性。

但问题来了,在这样的SBA架构下,一个NF如何知道另一个NF提供的是什么服务呢?都提供了哪些服务呢?

于是,NRF(网络存储库功能)被引入到5G核心网控制面,其提供“服务注册”,“服务授权”和“服务发现”功能,具体点讲,就是负责对网络功能服务注册登记、状态监测等,实现网络功能服务自动化管理、选择和可扩展,并允许每个网络功能发现其它网络功能提供的服务。

另外,还引入了NEF(网络开放功能),其解决了诸如AF(应用功能)之类的外部节点与5G核心网控制面中的节点之间基于SBA架构通信,比如AF可以通过NEF要求PCF将流量卸载到本地服务器。


  NWDAF(网络数据分析功能)  

不知你注意到没有,在上面的5GC SBA架构图中,还引入了一个新的功能——NWDAF(网络数据分析功能)。顾名思义,NWDAF就是提供网络分析的NF,引入它的目的是实现网络自动化。

NWDAF定义了收集什么样的数据,怎样将分析结果反馈到网络等内容。但是,如何具体分析收集的数据,这很难用标准化来规范。NWDAF从整网收集数据,并与AI结合,可在5G网络中实现从数据收集,到数据分析,再到结果反馈的闭环自动化流程。

  分布式UPF  

如上所述,在4G EPC中,SGW和PGW被分离为用户面节点,但在5GC中,只有UPF负责用户面,这是为了减少用户面节点数量来进一步减少网络时延。

下面你就能理解仅有一个UPF作为用户面的简洁设计所带来的好处了...

如上图,通常在面向行业专网的5G组网中会配置两个(或两个以上)的UPF,一个通过N6接口连接DN,一个部署于边缘节点并连接到本地服务器,负责将本地流量卸载到本地,保障数据不出园区和网络低时延。要是用户面有SGW和PGW两个网元功能,带来更多节点,岂不是太累赘?

  网络切片  

网络切片是个老熟人了,不用做太多介绍。

这里要介绍的是,通过网络切片,一个终端可以使用多个切片,好像最多可以连接8个切片。在切片网络中,AMF负责终端级的处理,例如用户身份验证和终端位置管理,因此,无论终端连接多少个切片,都由相同的AMF来负责处理。不过,每个切片都有单独的SMF和UPF,并分别连接不同的DN,这样终端上运行的多个应用可以通过各自的切片来保障网络能力,并且互不影响。


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