3GPP關于5G若干技術規范輯錄（一）：網絡架構與NR協議架構（上）

鐘 旻

3GPP（the 3rd Generation Partner Project，第三代合作伙伴計劃）是全球的移動通信標準研究和制定單位，成立于1998年12月。2018年6月，3GPP關于5G規范的R15版本凍結，即定型，其中包括獨立組網（SA）和非獨立組網（NSA）系統架構，接口協議等；到2020年7月，作為第一個完整技術標準版本R16凍結。這意味著迎來了全球統一規范的5G商用化時代。

1 系統與網絡架構[1]

5G系統：3GPP中的一個5G系統，包含5G接入網、5G核心網和用戶設備（U E）。（按照ITU的定義，系統是有規則的交互或相互依存的聚合項目形成一個統一的整體技術）。

[注]括號中的文字是為便于讀者理解加入的說明，下同。

圖1（a） 基于業務接口的5G系統架構（非漫游）

圖1（b） 3GPP定義的5G網絡架構

表1 5G系統中各網元中文名稱和功能描述

按照ITU的定義，網絡是為方便兩個或更多規定點之間的通信，而提供連接的一組節點和鏈路。網絡架構（體系結構）是確定和定義了物理實體和這些實體之間物理接口的網絡結構。

接入網是使用戶進入核心網的網絡，完成復接、連接的傳送功能；核心網是“管理中樞”，負責交換和業務管理如位置管理、移動性管理、計費等。

2 接入網與核心網的功能[1]

接入網與核心網的功能劃分如圖2所示。

圖2 接入網與核心網的功能劃分

2.1 接入網

圖2中，gNB是向用戶設備（U E）提供新無線（N R，即第5代 無 線接入）用戶面和控制面協議終端的節點，并經NG接口連接到5GC。ng-eNB是演進節點B，向U E提供演進通用地面無線接入（E-UTRA）。gNB和ngeNB承載以下功能：

⊙ 無線資源管理的功能：無線承載控制，無線接入控制，連接移動性控制，在上行鏈路和下行鏈路中向UE的動態資源分配（調度）；

⊙ IP報頭壓縮，數據加密和完整性保護；

⊙ 當不能從UE提供的信息確定到AMF的路由時，在UE附著處選擇AMF；

⊙ 用戶面數據向UPF的路由；

⊙ 控制面信息向AMF的路由；

⊙ 連接設置和釋放；

⊙ 調度和傳輸尋呼消息；

⊙ 調度和傳輸系統廣播信息（源自AMF或O＆M）；

⊙ 用于移動性和調度的測量和測量報告配置；

⊙ 上行鏈路中的傳輸級別數據包標記；

⊙ 會話管理；

⊙ 支持網絡切片；

⊙ QoS流量管理和映射到數據無線承載；

⊙ 支持處于RRC_INACTIVE狀態的UE；

⊙ NAS消息的分發功能；

⊙ 無線接入網共享；

⊙ 雙連接（雙連接是實現LTE和5G融合組網、靈活部署場景的關鍵技術）；

⊙ NR和E-UTRA之間的緊密互通。

2.2 5G核心網（5GC）

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

（1）AMF的主要功能是控制面上主要負責接入和移動管理功能：

⊙ 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接入網絡之間的移動性的核心網（CN）間節點信令；

⊙ 空閑模式下UE可達性（包括控制和執行尋呼重傳）；

⊙ 注冊區管理；

⊙ 支持系統內和系統間的移動性；

⊙ 訪問認證、授權，包括檢查漫游權；

⊙ 移動管理控制；

⊙ SMF（會話管理功能）選擇。

（2）UPF的主要功能是用于支持用戶面功能：

⊙ 系統內外移動性錨點；

⊙ 與數據網絡互連的外部協議據單元（PDU）會話點；

⊙ 分組路由和轉發；

⊙ 數據包檢查和用戶面部分的策略規則實施；

⊙ 上行鏈路分類器，支持將流量路由選擇到數據網絡；

⊙ 分支點以支持多宿主PDU會話；

⊙ 用戶面的服務質量（QoS）處理，例如，包過濾、門控、UL/DL速率執行；

⊙ 上行鏈路流量驗證（SDF到QoS流量映射）；

⊙ 下行鏈路分組緩沖和下行鏈路數據通知觸發。

（3）SMF的主要功能是用于負責會話管理功能：

⊙ 會話管理；

⊙ 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；

⊙ 控制政策執行和QoS的一部分；

⊙ 下行鏈路數據通知。

3 網絡接口[1]

由圖1可見，5GC與gNB和ng-eNB之間通過NG接口，而gNB和ng-eNB之間則通過Xn接口。（按照ITU-R V.662-3建議書，接口是指兩個系統或者一個系統中的兩個部分之間的邊界，由適當的特征規范來定義，通常用于確保邊界處格式、功能、信號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節點和用戶面功能之間。NG接口的用戶面協議棧如圖3所示。傳輸網絡層是在IP傳輸和用戶面通用分組無線業務（GPRS）隧道協議（GTP-U）上建立。GTP-U在UDP/IP的上方用以在NG-RAN節點和用戶平面功能之間，傳送用戶面協議數據單元。

圖3 NG接口的用戶面協議棧

3.1.2 NG控制面（NG-C）

NG控制面接口定義在NG-RAN節點和AMF之間。NG的控制面協議棧如圖4所示。傳輸網絡層基于IP傳輸（層）構建。為可靠地傳輸信令信息，在IP層上加一流控制傳輸協議（SCTP），稱為NG應用協議（NGAP）。SCTP層提供應用層信息有保證的傳送。傳輸中，IP層點到點傳輸用于傳遞信令協議數據單元（的信息）。

圖4 NG-C協議棧

NG-C提供以下功能：

⊙ NG接口管理；

⊙ 用戶設備（UE）上下文（語境或前后關系）

管理；（所謂上下文，在程序中，可以理解為當前對象在程序中所處的一個環境，一個與系統交互的過程。如微信聊天，此時的“環 境”是指聊天的界面以及相關的數據請求與傳輸等） 。

⊙ UE移動性管理；

⊙ 非接入層（NAS）信息傳輸；

⊙ 尋呼；

⊙ 協議數據單元會話管理；

⊙ 結構（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NG-RAN節點之間，X n接口的用戶面協議棧如圖5所示。傳輸網絡在I P傳輸層上面構建。用戶面的通用分組無線業務隧道協議（GTP-U）位于用戶電報協議/互聯網協議（UDP/IP）層上，承載用戶面協議數據單元（PDU）的信息。

圖5 Xn用戶面協議棧

Xn-U提供非保證傳遞用戶平面協議數據單元（PDU）的信息，支持以下功能：

⊙ 數據前向傳送；

⊙ 流控制。

3.2.2 Xn控制面

Xn控制面接口（Xn-C）定義在兩個NG-RAN節點之間，其協議棧如圖6所示。

圖6 Xn控制面協議棧

傳輸網絡層基于 I P 層和流控制傳輸協議（SCTP）層構成，應用層信令協議稱為Xn應用協議（Xn-AP），SCTP層提供有保證的應用層信息傳遞。在傳輸IP層中點對點傳輸用于信令協議數據單元的信息。

Xn-C接口支持以下功能：

⊙ Xn接口管理；

⊙ UE移動性管理，包括內容傳遞和無線接入網（RAN）尋呼；

⊙ 雙連接。

4 多無線雙連接[1]

NG-RAN支持多無線雙連接（MR-DC）運作，為此，在無線資源控制-連接（RRC-CONNECTED）中，UE有兩個特定的編排結構，提供無線資源的利用。在位于兩個不同的NG-RAN節點，通過一非理想的回傳連接，一個提供NR接入，另一提供演進通用地面無線接入（E-UTRA）。

5 無線協議架構[1]

5.1 用戶面

用戶面與gNB一樣，其協議棧如圖7所示，物理層為第一層；其上為第二層，由媒質（體）接入控制（MAC）、無線鏈路控制（RLC）、分組數據聚合協議（PDCP）和業務數據適配協議（SDAP）四個子層組成；第三層為網絡層，其中僅無線資源控制（RRC）子層在接入層，圖中未畫出。