【科普向】5G核心网架构和关键技术

文章目录

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5g组网架构，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。

（编辑：成都站长网）

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