科普向5G核心网架构和关键技术

一、5G的定义

1.1 5G的历史演变

1.2 什么是5G

5G是第五代移动通信技术，是最新一代蜂窝移动通信技术，也是继4G、3G和2G系统之后的延伸。

1.3 5G关键技术

📒动态自组织网络(SON)：任何节点间（终端与终端、终端与基站、基站与基站等）均通过无线通信，无须任何布线，并具有支持分布式网络的冗余机制和重新路由功能。
ps：这边可以理解成微服务架构，每个节点都是一个网元设备，就是一个Service节点，只不过这边的节点是硬件设备

📒软件定义网络(SDN)：
核心思想—转发和控制分离，从而实现网络的灵活控制。
SDN网络的新角色—控制器（也是一种设备）
承上：对上层应用提供网络编程的接口；
启下：对下提供对实际物理网络网元的管理。
ps：就是通过代码来控制网络的功能

📒网络功能虚拟化(NFV)：
核心思想—软件和专用硬件解耦，软件和通用硬件联姻。
核心技术—虚拟化，把通用服务器的CPU、内存、IO等资源切片给多个虚拟机使用。把交换机路由器防火墙的功能作为软件应用运行在虚拟机里来模拟它们的功能。通过openstack来进行管理和编排；
带来的网络革命—网络搜身（专用硬件向通用硬件的转化），业务带宽随需而改变。
ps：就是在物理机上开一个个类似于docker的pod容器，里面运行的控制路由器或者交换机路由转发逻辑的代码

1.4 5G 三大场景

📒 eMBB（增强移动宽带）：
① 连接广覆盖子场景：最基本的覆盖方式，重在为用户提供无缝的高速业务体验。
② 热点高容量子场景：面向局部热点区域，为用户提供极高的数据传输速率。
📒 mMTC（海量机器类通信）：
① 旨在为海量连接、小数据包、低成本、低功耗的设备提供有效的连接方式。
② 面向智慧城市、环境监测、智慧农业等以传感和数据采集为目标的业务。
③ 关注点：系统可连接数、覆盖延伸、网络能耗和终端部署成本。
📒 uRLLC（超可靠低时延通信）：
对高可靠性和低时延有着严格的要求；主要面向车联网、工业控制、移动医疗等垂直行业的特殊应用需求

1.5 5G 八大关键指标

IMT-2020(5G)推进组于2014年发布《5G愿景与需求白皮书》时，通过性能需求和效率需求共同定义了5G的关键能力指标。

上图为“5G之花”模型，由代表性能需求的6片花瓣和代表效率需求的3片绿叶组成，前者体现5G满足面向2020年及未来多样化业务需求的能力，后者则是实现5G可持续发展的基本保障。

“5G之花”的九大技术指标被ITU接受了8个。ITU-R定义的5G关键能力指标包括用户体验速率、峰值速率、时延、移动性、流量密度、连接数密度、网络能效和频谱效率。

用户体验速率：在实际网络载荷下可保证的用户速率，具有可用5％的小区吞吐率量度。

峰值速率：在理想信道条件下单用户所能达到的最大速率。

时延：具体包括空口时延和端到端时延，实际上也对应了一定的可靠度，具体可采用OTT或RTT衡量。

移动性：满足特定QoS和无缝传输条件下可支持的最大移动速率。主要针对地铁、高铁、高速公路等特殊场景。

流量密度：在忙时测量时，典型区域单位面积上总的业务吞吐量。

连接数密度：单位面积上可支持的在线终端的总和，在线是指终端正以特定的QoS等级进行通信。

网络能效：网络侧和终端侧每消耗单位能量可收发的数据量。

频谱效率：单小区单位频谱资源上的数据吞吐量。

1.6 5G 十大应用场景

📒 云VR/AR - 实时计算机图像渲染和建模
📒 车联网 - 远程驾驶、编队行驶、自动驾驶
📒 智能制造 - 无线机器人云端控制
📒 智慧能源 - 馈线自动化
📒 无线医疗 - 具备力反馈的远程诊断
📒 无限家庭娱乐 - 超高清8K视频和云游戏
📒 联网无人机 - 专业巡检和安防
📒 社会网络 - 超高清/全景直播
📒 个人AI辅助 - AI辅助智能头盔
📒 智慧城市 - AI使能的视频监控

拓展应用：

全息 无线医疗联网 - 远程手术 无线医疗联网 - 救护车
智能制造 - 工业传感器 可穿戴设备 - 超高清穿戴摄像机无人机 - 媒体应用 智能制造 - 基于云的AGV家庭 - 服务机器人(云端AI辅助) 无人机 - 物流无人机 - 飞行出租车 无线医疗联网 - 医院看护机器人家庭 - 家庭监控 智能制造 - 物流和库存监控智慧城市 - 垃圾桶、停车位、路灯、交通灯、仪表

二、5G核心网

2.1 从4G到5G

📒 4G 核心网（EPC）

MME 专注于移动性管理，SGW 和 PGW 共同进行会话管理和
数据传输，整个网络控制与承载分离，呈扁平化结构。

整体式网元结构导致业务改动复杂、可靠性方案实现复杂，控制面和用户面消息交织导致部署运维难度大。

📒5G 核心网再次向分离式的架构演进。

控制面和用户面的彻底分离。
传统网元被拆分为多个网络功能NF。

控制面和用户面的彻底分离。
传统网元被拆分为多个网络功能NF。

使用SBA服务化架构，各个NF是独立自治的，无论是新增、升级还是改造都不会妨碍其他NF。

2.2 网元介绍

AMF：负责用户的移动性和接入管理，
SMF：负责用户会话管理功能。

这两个NF共同完成4G的EPC核心网中的MME和SGW/PGW控制面的功能。

UDM：负责前台数据的同一处理，包括用户标识、用户签约数据、鉴权数据等。

AUSF：配合UDM专门负责用户鉴权数据相关的处理。

UDR：存储结构化数据，例如UDM和PCF（策略控制功能）管理的用户签约数据、策略数据。

UDSF：非结构化数据存储功能，存储特定NF的非结构化数据，例如AMF和SMF使用的会话ID、状态数据

控制面新增了一系列网络平台相关的NF：
NEF（网络开放功能）负责对外开放网络数据，
NRF（网络存储功能）负责对NF进行登记和管理，NSSF用来管理网络切片相关的信息。

用户面由UPF（用户面功能）来管理，代替了4G中的SGW和PGW中用户面的路由和转发功能。

2.3 通讯方式

控制面 NF 摒弃了传统的点对点通讯方式，采用了基于服务化架构的 SBI 串行总线接口协议，应用层统一采用 HTTP/2 协议，在其之上携带不同的服务消息 。

应用到每个 NF 身上即为服务化接口，也就是 Nxxx 接口（Namf、Nsmf……）。因为底层传输方式相同，所有的服务化接口就可以在同一总线（下图的那根黑线）上进行传输，这种通讯方式又可以理解总线通讯方式。

ps：总线模型（广播）是一种抽象出来的模型，举个实际案例，就可以理解成pub/sub(发布/订阅模型)，每一个网元NF都可以往同一个topic中发送消息，订阅了这个topic的其他NF都可以接受并解析这种消息，因为他们所用到的网络协议栈是一样的。topic底层用一个队列queue进行存储，消息遵循FIFO模式，每次分发到多个订阅的queue里面，可以简单这么理解。
ps：某些场景可能需要NF之间点对点通信，那么就可以把所有NF注册到一个注册中心中，根据需求拿到对应NF网元地址，发送对应消息即可。

5GC 提供了两种形式的参考点：
📒 1.一种是基于服务化接口的参考点，例如控制面 NF 之间的交互关系；
ps：微服务模型、总线模型
2.一种是基于传统点对点通信的参考点，例如 NF 与无线侧以及外部网络连接时的交互关系。
ps：点对点http请求/响应

三、5G网络关键技术

3.1 网络切片定义

3.1.1 什么是网络切片？

网络切片（Network Slicing）是一种虚拟网络架构，它利用了网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）背后的原理，是指在同一网络基础设施上，将运营商的物理网络划分为多个逻辑独立的虚拟网络，每个虚拟网络具备不同的功能特点，可以灵活的应对不同的需求和服务，这些虚拟网络相互隔离，其中一个发生故障不会影响到其它虚拟网络。

3.1.2 网络切片的特性？

📒 隔离性：不同的网络切片之间互相隔离，一个切片的异常不会影响到其他的切片。
📒 虚拟化：网络切片是在物理网络上划分出来的虚拟网络。
按需定制：可以根据不同的业务需求去自定义网络切片的业务、功能、容量、服务质量与连接关系，还可以按需进行切片的生命周期管理。
📒 端到端：网络切片是针对整个网络而言，不仅需要核心网，还要包括接入网、传输网、管理网络等。

3.1.3 切片的典型类型？

3.2 网络切片架构

网络切片架构包含：

• 接入侧切片（含无线接入和固定接入）；
• 核心网切片；
• 将这些切片组成完整切片的切片选择功能单元。

选择功能单元按照实际通信业务需求选择能够提供特定服务的核心网切片。

每个网络都是一组网络功能（NF，Network Function）及其资源的集合，有这些网络功能组成一个完整的逻辑网络，每一个逻辑网络都能以特定的网络特征来满足对应业务的需求。

通过网络功能和协议定制，网络切片为不同业务场景提供所匹配的网络功能。

其中每个切片都可以独立按照业务场景的需要和话务模型进行网络功能的定制剪裁和相应网络资源编排，是对 5G 网络架构的实例化。

3.2.1 终端设备与网络设备的连接

终端设备，接入网切片以及核心网切片之间的匹配可以安装1：1：1的关系匹配，也可以按照1：M：N进行映射，即一个终端可以使用多个接入网切片，而一个接入网切片也可以连接到多个核心网切片。

某些网络切片可以共享同一个接入网切片，如面向流媒体视频优化的切片都可以连接到转为 eMBB 场景建立的接入网切片。

而某些切片则可以共享专用接入网切片和核心网切片，如工业控制场景的低延时、高可靠性的切片网络。

3.2.2 切片功能管理

切片管理功能包含3个阶段：

1）商务设计阶段：在这一阶段，切片需求方利用切片管理功能提供的模版和编辑工具，设定切片的相关参数，包括网络拓扑、功能组件、交互协议、性能指标和硬件要求等。

2）实例编排阶段：切片管理功能将切片描述文件发送到NFV MANO功能实现切片的实例化，并通过与切片之间的接口下发网元功能配置，发起连通性测试、最终完成切片向运行态的迁移。

3）运行管理阶段：在运行态下，切片所有者可通过切片管理功能对己方切片进行实时监控和动态维护，主要包括资源的动态伸缩，切片功能的增加、删除和更新，以及告警故障处理等。

切片选择功能实现用户终端与网络切片间的接入映射。用户终端可以分别接入不同切片，也可以同时接入多个切片。用户同时接入多切片的场景形成两种切片架构变体：

• 独立架构：不同切片在逻辑资源和逻辑功能上完全隔离，只在物理上共享，每个切片包含完整的控制面和用户面功能。
• 共享架构：在多个切片间共享部分的网络功能。

3.3 5G移动边缘计算

在5G以前，核心网的C面和U面交织在一起，很难剥离。5G核心网通过SBA等技术，做到了C面和U面的彻底分离——C面的功能由若干NF担当，U面的功能由UPF独立担当，这意味着UPF就像是核心网的“自由人”，既可以与核心网控制面一起部署在核心机房，也可以部署在更靠近用户的无线接入网。

MEC可以看作是一个运行在移动网络边缘的、运行特定任务的云服务器。

ps：补充说明一下移动边缘计算和云计算的区别。

云计算：云计算的计算能力一般是部署在中心一个大的资源池里，边缘仅仅是一些带有调用中心计算功能的设备，根据边缘设备的计算需求，中心分配具体的计算能力给边缘设备。当然这个"中心"指的是一个抽象的概念，具体到物理上，服务器的地址是可以支持分布式的，部署在不同的物理节点。

移动边缘计算：云计算随着需求的增加，最终会导致中心的计算能力上的压力爆炸，只能无限扩展资源池，并且由于距离的因素计算能力对于距离较远的边缘设备的需求响应并不是很友好。那么我们自然会想到可以把一部分的计算能力下沉到边缘节点上，这样更方便支持对应区域的设备。比如我们有一个工业园，共用一个或几个移动蜂窝，对云计算能力有着较高的性能要求，就可以把一部分高频使用的任务放到这附近的一个服务器上进行运算，这样效率会得到明显提高。可以理解为缓存。

四、5G定制网（专网）

4.1 3种模式

根据与公网的共享程度，以及MEC的部署位置不同，5G专网部署主要有三种方式：

• 与公网完全共；
• 与公网部分共享；
• 独立部署。

4.2 中国电信的5G定制网（专网）- 致远、比邻和如翼

📒 致远
SA指的是5G独立组网，简单的说就是单独部署无线侧的基站天面（天线），和4G/5G共用的模式NSA性能更好（这块感兴趣可以去自行了解）。
这种模式，是没有带边缘计算能力的，所有流量都会直接过中心的核心网。
📒 比邻
这种模式带了边缘的机房，部分计算能力在边缘机房完成，也就是这块的流量到边缘机房计算完，直接返回给企业，会快很多。当然这并不是说不会去中心的核心网，部分计算能力和对边缘节点的管理功能肯定还是要访问中心的。

📒 如意
这种模式比起上一种，就是边缘机房部署在企业侧，也就是企业的数据具有局域网的性质，安全，不能够被公网访问。

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