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Service based Architecture #xff08;SBA#xff09;: 借鉴了业界成熟的SOA、微服务架…功能软件化 刚性网络固定连接、固定功能、固化信令交互 柔性网络网元拆解成服务模块基于API接口调用 服务化架构SBA
Service based Architecture SBA: 借鉴了业界成熟的SOA、微服务架构等理念结合电信网络的现状、特点和发展趋势进行了革新性的设计
SA核心网整体架构 基于服务的网络架构SBA被3GPP作为5G唯一基础架构 网络功能与EPC网元相比AMFMME中NAS接入控制功能SMFMMESGW-CPGW-C中会话管理控制功能UPFSGW-U PGW-U用户平面功能UDMHSS用户数据、SPR策略数据等PCFPCRFAUSFMME中的鉴权功能NEFSCEFCHF4G中PGW在线计费和CG离线计费的功能结合NSSF5G新增用于网络切片功能NRF5G新增类似DNS增强用于NF注册、发现、授权IWF5G新增转换4G用户数据为5G用户数据
AMF Access and Mobity management Function 接入和移动性管理功能 注册、连接、可达性、移动性管理为UE和SMF提供会话管理消息传输通道为用户接入提供认证、鉴权功能终端和无线的核心网控制面接入点
SMF Session Management Function 会话管理功能 隧道维护、IP地址分配和管理、UPF选择策略实施和Qos控制计费数据采集、漫游会话控制包括PDU Session的创建、更新和删除等计费控制根据用户数使用的数据业务通过CHF完成对用户使用的DN侧网络资源的融合计费。策略控制根据用户签约数据通过PCF完成对UE的Qos、计费等策略的控制
AUSF Authentication Server Function 认证服务功能 认证服务器实现3GPP和非3GPP的接入认证物理上与UDM统一数据管理合设
UDM the Unified Data Management 统一数据管理类比于HSS EF提供用户签约数据方位、位置等级等功能 签约数据管理3GPP AKA认证用户识别、访问授权、接入授权、漫游限制业务/会话连续性
UDM / PCF / NEF在UDR上存储和获取签约数据/策略数据/能力开放数据
UPF User Plane Function 用户平面功能与4G中的SGW-U和PGW-U相似 分组路由转发策略实施流量报告、Qos处理 UPF功能 生成用户下行路由并进行数据报文转发计费数据收集和上报业务用量上报根据SMF下发的策略执行业务识别和控制与4G中PGW的PCEF执行PCRF的策略QFI的匹配和QoS管理下行数据报文缓存和数据通知基于GTP / PFCPGTP协议有N3、N6、N9接口N4接口是PFCP协议协议的路径管 CHF the Charging Function 计费功能 5G融合计费的载体同时支持在线计费和离线计费计费维度为流量 / 时长 / 内容等
PCF Policy Control Function 策略控制功能 提供移动性策略、会话性策略切片选择策略、SSC模式选择策略、DNN策略宣王策略PDU会话绑定
IWM the Interwork function 将4G用户数据转化为5G用户数据建网初期作为用户数据过度方案可代理SGSN、MME、CSCF、AUSF、UDM
NRF NF Repository Function 网络存储功能 为5GC各个NF提供高可靠的服务注册、发现功能维护NF信息、包括可用性和其他支持的服务
NSSF Network Slice Selection Function 根据UE切片进行选择、选择辅助信息、签约信息等确定UE允许接入的网络切片实例确定NSSAI、有必要的话映射到签约的S-NSSAI
NEF Network Exposure Function 网络开发功能 开放网络NF的能力、转换内外部信息提供安全途径向AF暴露3GPP NF的业务和能力
BSF Binding Support Function 会话绑定 N1接口UE-5GC
功能一个N1 NAS连接是使用于连接UE的每次接入用于注册、连接管理RM / CM以及用于UE的SM相关消息和过程
结构包括NAS-MM、NAS-SM两部分
在NAS-MM中传输UE和核心网功能的其他协议类型包括会话管理信令和短信NAS-MM中的RM / CM NAS消息和其他类型的NAS消息是**解耦分离**的
NAS-SM是PDU会话使用
N2接口
功能处理与单个UE无关的N2接口管理流程例如N2接口的配置和重置处理与单个UE相关的流程与NAS Transport、UE Context、PDU会话资源、切换相关的流程
N4接口
SMF和UPF之间的接口使用的是PCPFPacket Forwarding Control Protocol协议用于传输会话管理命令、QoS策略和计费信息。PFCP协议定义了控制面和用户面之间的通信机制确保UPF能够根据SMF的指令正确处理用户面数据。
N3接口
是5G ®ANRadio Access Network 与UPFUser Plane Function间的接口主要用于传递5G ®AN与UPF间的上下行用户面数据。使用的是GTP-U协议
N9接口
UPFUser Plane Function和UPF之间的用户面接口用于传递UPF间的上行、下行用户数据流。使用的是GTP-U协议
N6接口
UPFUser Plane Function与DNData Network的接口用于传递UPF与DN之间的上下行用户数据流基于IP和路由协议与DN网络通信。
N7接口
SMF和PCF之间的接口用于传递PCF生成的策略信息
N11接口
AMF和SMF之间的接口
SBI接口协议栈 5GC CP内部的接口其实就是HTTP的协议栈意思就是SBI的接口使用的都是HTTP协议进行传输 其中加了TLS安全协议 5GC接口和协议 控制面 接口交互网络功能协议栈N1UE —— AMFNAS-MM / NAS SMN2RAN —— AMFNG-AP / SCTP / IP这里的NG-AP类比于EPC的S1-AP具有可靠传输机制N4UPF —— SMFPFCP / UDP / IPSBI5GC CP内部Application / HTTP2 / TCP / IP 用户面 接口交互网络功能协议栈N3RAN——UPFGTP-U / UDP / IPGTP隧道具有简单和易拓展性用于移动性管理和会话管理N9UPF之间5G UP / UDP / IP
服务化架构 NF间用的SBI服务化接口N1~N9作为NF的参考点接口 NRF网络服务的注册、更新、发现 NRF可以当作是仓库管理员 NFNetwork Function网络功能 NF服务在NRF中注册NF第一次注册时候通知NRF该NF的配置文件NF ProfileNRF进行保存并标记该NF可用
去注册时候标记该NF不可用同时去除配置文件
更新时NRF更新NF配置文件
服务发现由NRF提供NF请求者携带NF或者特定服务的类型详细参数给NRF随后NRF按照要求返回满足条件的所有NF的IP地址等NF实例标识符给NF请求者。 一个网络功能包含一组服务每个服务包含一组服务操作 5G用户状态 5G引入新移动性管理状态通过Mobility Pattern实现按需的移动性管理 MM状态 RM和CM状态独立RM标识UE是否注册到网络CM标识UE和核心网的连接是否存在 RAN侧引入RRC-inactive stateUE对CN而言处于连接态对RAN而言处于Idle态 SM状态独立SM状态PDU session stateactive or inactive通过per-PDU session的activeation和deactivation流程隐式定义。
5G连接新状态CM-connected with RRC Inactive 引入CM-CONNECTED with RRC Inactive状态的主要目的是节省终端耗电、快速恢复业务 RRC-IDLE用户设备处于空闲状态没有与基站建立RRC连接。RRC-CONNECTED用户设备与基站建立了RRC连接可以进行数据传输。RRC-Inactive用户设备处于一种中间状态连接部分释放但保留了一些上下文信息。 会话管理
5G隧道模型从承载粒度改为会话粒度、增加对以太网和非结构化报文等协议类型的支持、引入SSCService and Session Continuity模式、定义优化的小包传输返赣、支持本地offload、支持不同接入技术等。
Per Session的隧道取消承载减少专有承载的信令交互。
按需会话建立网络可以根据应用需求UE的位置触发会话建立异步会话在Idle状态下缓存会话状态修改以减少寻呼基于会话粒度的用户面连接激活机制
PDU会话 是UE发起的于数据网络之间提供PDU交换的连接数据网络由DNN4G是APN标识 PDU会话类型IPv4、IPv6、IPv4v6、Ethernet、Unstructured
IP分配方式
静态签约在UDM里
动态
SMF分配HR4G的HSS场景中由H-SMF分配LBO场景由V-SMF分配UPF分配AAA分配DHCP分配 PCF选择一种分配方式 Qos Flow 类似于4G的承载EPS Bearer用于传输具有特定Qos参数的逻辑通道5G中必须有一个默认Qos流且为Non-GBR Qos流没有带宽要求限制 4G中EPS 承载是端到端的即从用户设备UE到数据网络DN的整个路径上承载是连续的。 5G网络中的QoS Flow不是端到端的而是分段管理的。每个段之间的QoS Flow映射关系需要进行管理。一个Qos Flow映射到一个或多个DRB一个PDU会话可以有多个Qos Flow。一个UE可以建立多个PDU会话。 QoS Flow到DRBData Radio Bearer的映射在5G NR 中一个QoS Flow 可以映射到一个或多个DRB。DRB是一个物理通道用于传输用户数据。
在5G和4G互操作场景中一个EPS Bearer 可以映射到一个或多个QoS Flow。 SMF 负责管理PDUProtocol Data Unit会话包括QoS Flow 的创建、修改和删除。 创建SMF 创建QoS Flow并将其映射到DRB。修改SMF 根据网络状况和用户需求动态调整QoS Flow 的参数。删除SMF 删除不再需要的QoS Flow。
QFI Qos Flow Identifier 用于标识QosPDU业务中具有相同QFI唯一标识PDU的业务流接受相同的业务转发处理
Session-AMBR per Session Aggregate Maximum Bit Rate Session-AMBR限制了一个PDU会话的所有non-GBR Qos Flow提供的 聚合速率 SMF从UDM获取Session-AMBR签约数据SMF可以使用签约数据或者基于本地策略或PCF策略修改Session-AMBR然后通过信令发给合适的UPF以及RAN侧用于计算UE-AMBR。Session-AMBR限制了一个PDU会话的所有non-GBR Qos Flow提供的聚合速率。
上行Session-AMBR由UPF和UE执行下行由UPF执行
UE-AMBR per UE Aggregate Maximum Bit Rate UE-AMBR限制了UE的所有non-GBR Qos Flow提供的聚合速率。 UE-AMBR为连接到它所有激活的Session-AMBR的和但不能超过签约的UE-AMBR值。签约值由AMF和UDM提取并提供给RAN。
UE-AMBR由RAN执行 5G SA核心网元流程
5G SA核心网关键信令流程包括网元级和用户级两大类操作其中
服务管理属于5GC特有的网元级管理
用户级流程包括移动性管理、会话管理、互操作等
网络切片选择机制
NSSF触发条件AMF判断无法为请求切片服务或不确定允许的切片时 请求NSSF选择切片 NSSF基于用户接入位置即请求的切片、签约的切片信息为用户选择可用的切片及AMF会话建立时AMF基于应用切片选择SMF 归纳当第一个AMF在UDM中无法获取用户签约的切片时则会请求NSSF决策并返回Allowed NSSAIAMF Set以此返回给旧的AMF选择至新的AMF新的AMF即会选择对应的SMF 切片选择辅助信息NSSAI由Slice/Service typeSST和Slice DifferentiatorSD组成目前标准化定义了三类SST包括eMBB、URLLC、MIoTSST分别为1、2、3。
注册流程 5G注册与会话管理流程分离 注册只需要连接到响应的切片即可例如只需要连接到SMF会话建立需要SMF和UPF等网元参与工作 下图的权重应该是优先级或者是负载均衡 会话建立流程
UE向AMF发起请求AMF向NRF提供S-NSSAL、DNN类似于APN需要选择的目标网络等信息去发现SMFAMF结合负载、签约数据、本地策略等选择SMF建立会话SMF根据AMF的指示或者本地配置选择PCF也可以通过S-NSSAI、DNN、SUPI等信息去NRF发现PCFSMF根据UPF的位置、DNN、权重信息去选择UPFSMF发起N4SMF与UPF建立连接会话N1、N2资源建立完成通知SMF会话建立完成将AN Tunnel info返回给UPF 总结可以根据前者网元的指示去选择下一跳的路由网元也可以通过将S-NSSAI、DNN、SUPI等信息发送给NRF去决策寻找下一跳网元 与4G的会话连理流程对比可以发现 AMF和功能类比于MMESMF类似于MME SGW-C PGW-CUPF类似于SGW-C PGW-C 5G SA核心网EPS Fallback 在5G用户发起语言业务时触发时机在5G语言专有承载的建立。PCF发起建立专用Qos Flow的流程当流程到NG-RAN后NG-RAN决策是否回落。 在EPS Fallback之前NG RAN会通知终端测量LTE信号然后再通过切换或重定向的方式向E-UTRAN的回落在EPS Fallback回落后5G用户回落到LTE然后像4G用户一样接入IMS由VoLTE提供语言服务消息中携带的用户位置信息也是4G的RAT-TYPE由NG-RAN变为E-UTRAN 5G SA核心网EPS Fallback-PDU会话建立流程
SA用户IMS PDU会话建立与IMS初始注册流程与VoLTE相似会话绑定数据由BSF保存
用户注册后创建IMS PDU会话和IMS信令Qos FlowPCF向BFS登记用户IMS会话IP地址后续IMS初始注册于普通VoLTE用户相同
EPS fallback呼叫流程
SA用户语音业务EPS Fallback流程三个阶段
NR相对于4G的LTE拒绝5G语音专载终端5G-4G回落4G建立语音专载 用户呼叫流程 呼叫建立IMS通过Rx接口发送消息给DRA通知建立语音承载DRA判断无用户信息先去BSF进行PCF信息查询后再将消息转发给PCFPCF通知5GC创建语音承载5GC通知无线gNB创建语音承载gNB判断不支持创建语音承载拒绝创建并通知UE进行4G测量发起切换请求MME和AMF通过N26接口交互完成5G/4G侧切换准备并通知终端回落用户回落到4G在4G创建数据承载和IMS信令承载PGW继续发起创建语音专有承载通话建立 组网架构
目标组网架构NR基站同时挂接大区ToC核心网和大区ToB核心网基站配置ToC核心网的AMF为default AMF通过用户签约的切片分流用户至不同的核心网。
当前组网架构基站通过N2接口同时挂载省内SA核心网和大区SA核心网的AMF业务符合通过AMF配置的权重进行业务调整省内SMF的计费信息送到大区CHF。
端到端网络切片技术
无线侧Qos调度优先级、RB资源预留、独立频谱切片
传输侧Qos软切片、FlexE硬切片
核心网全隔离、部分隔离和完全共享
URSP策略 User Plane Route Selection Policy用户面路由选择策略 URSP策略是由PCF生成并通过AMF传递给用户设备UE。让终端根据网络侧下发的策略为应用/业务选择匹配的网络资源。 服务接口的演进 华为将控制面产品叫做UNC内部也是微服务化架构的全部都有一个SBIM的微服务用于服务化接口。 NFS NFS是NF的能力微服务是NF的软件载体NFS最终还是通过微服务承载。 SMF共有Nsmf_PDUSession和Nsmf_EventExposure两个承载
Nsmf_PDUSession 管理PDU会话使用从PCF接收的策略和计费规则Nsmf_EventExposure将PDU会话上发生的事件公开给其他NF
UPF的分布式组网 在5G网络中用户面可以跟随应用灵活部署在城域、边缘或中心位置该部署场景下同一个用户可能同时访问边缘业务/本地业务或中心业务为避免业务流量迂回问题5G 核心网用户面引入了ULCLUplink Classifier/ BPBranching Point功能对业务数据进行分流。 网络侧能根据网络的运行状态、应用位置、UE位置等信息制定分流策略并把分流策略下发给ULCL/BP UPF用户访问业务时ULCL/BP UPF根 据分流策略实现业务分流。 Fullmesh组网
UPF采用Pool容灾组网UPF与SMF组成Full Mesh组网SMF和UPF全互联任意SMF可管理所有UPF任意UPF同时归属所有SMF。
单个SMG可以管理256个UPF单个UPF可以对接32个SMF单个UPF支持接入10万eNodeB / gNodeB
会话管理的演进 5G移动性管理和会话管理分离为什么分离 在4G网络场景下用户Attach附着之后会建立一个默认承载该承载提供永久的IP连接当默认承载不满足业务需求时会建立对应的专有承载。5G为了更好地适应物联网用户需要采用移动性管理与会话管理分离的架构用户附着时可以不建立会话 针对不需要VoLTE的物联网终端不需要用户随时可达不需要建立默认的PDU会话。不建立会话终端不用监听无线寻呼利于节电。 为什么新增对已有PDU会话用户面独立激活/去激活流程 与4G EPC不同5G 中永久在线always-on PDU session,是可选的。5G里这一特性为了节约无线侧资源的同时便于快速恢复PDU会话不影响其他会话。 SSC Mode 4G网络提供IP连续性而5G网络中业务场景更加多样。为了满足不同业务对连续性的不同要求5G系统新增支持不同的SSC Mode。一个PDU会话的SSC Mode在该会话的生命周期里保持不变。当已有PDU会话的SSC Mode不满足应用要求时UE会为应用建立新的PDU会话。 SSC MODE1普通业务 PDU会话建立时选择的PDU会话锚点UPF 不会因为终端用户的移动而发生改变即用户的IP地址保持不变。SSC MODE2高带宽低可靠业务 用户离开原UPF区域网络会触发释放原有 PDU会话及锚点UPF并指示终端用户选择新的UPF与同一DN建立新的PDU会话。SSC MODE3低时延高可靠业务 网络允许在新的PDU会话新的PDU会话锚点接入同一DN 建立完成前依然保持用户与原有PDU会话锚点间的PDU会话此时用户同时拥有两个UPF会话锚点和PDU会话最后释放掉原有的PDU会话。
5G计费流程
计费方式划分为离线计费和在线计费
在线计费计费会话创建时SMF需要到CHF申请业务 的配额和相关计费参数。离线计费计费会话创建时SMF只需要到CHF申请相 关计费参数但无需申请业务的配额。
计费粒度划分为PDU会话计费和业务流计费
PDU会话计费PDU会话计费不区分业务一个PDU会话中的所有业务使用统一的费率即普通计费。业务流计费业务流计费是基于业务的计费对用户使用的业务 进行差别计费不同的业务使用不同的费率Rating Group 即内容计费。
PDU会话修改流程
在UE能力变更、QoS参数有修改等场景下UE和网络侧都可以发起PDU会话修改流程。
UE发起PDU会话修改当UE由于业务改变需要 更新QoS时SMF发起PDU会话修改当PCF或UDM识别本地 配置策略有修改时或本地配置的QoS策略发生 变化时RAN发起PDU会话修改当RAN侧识别现有QoS 不能满足业务要求
PDU会话释放流程
发生场景
当UE不再需要相关业务时UE发起PCF、SMF本地配置释放策略SMF发起UDM订阅数据发生变化SMF发起DN需要取消UE的接入权限SMF发起UE不在LADN服务区SMF发起所有PDU会话的QoS Flow已经释放SMF发起当UE与AMF的会话状态不匹配或者UE的网络切片 不可用时AMF发起 现网中UE的IP地址是由SMF向UPF请求的UPF根据DHCP或者静态配置给UE分配IP然后返回给SMFSMF再返回给UE。
