5G NR系统架构

5G组网方案选择

  5G基站是5G网络的核心设备，提供无线覆盖，实现有线通信网络与无线终端之间的无线信号传输。由于5G网络的频率要比4G网络高出不少，频率越高，信号传播过程中的衰减也越大，5G基站的覆盖半径相较4G更小，因此5G网络的基站密度将比4G高。高密度给运营商带来了高投入，短期资金压力大，投资回报周期长，对于5G推广将加大难度，减缓速度。  为了减轻这种推广阻力，4G与5G融合组网模式便被纳入考虑，也就是NSA非独立组网方案。NSA组网模式是技术对现实的一次妥协，而完美的组网方案是SA独立组网，即所有核心网和基站全部为5G，这种情况下，传输时延更低，传输速率更高，可以完美发挥5G相对4G的优势。

5G系统架构

  5G系统最为常见系统架构，采用的是5G核心网+4G增强型基站+5G基站的组网模式，为NSA组网。在去掉ng-eNB后，采用的时5G核心网+5G基站组网模式，为SA组网。5G系统包括5G接入网和5G核心网,其中NG-RAN代表5G 接入网，5GC代表5G核心网。

<center>5G系统架构</center><br/>

  5GC主要包括AMF、UPF两部分，外加一个SMF模块。与LTE系统的核心网相比，5G核心网的控制面和用户面进一步分离。4G核心网分为MME,SGW和PGW三部分，MME主要负责控制面，SGW和PGW主要负责用户面，三者虽然分开但在功能上还是有所交叠。5G对用户平面的控制和转发功能进行了重构，重构后的控制平面分为AMF和SMF两个逻辑节点。AMF主要负责移动性管理，相当于4G的MME，SMF负责会话管理功能。用户平面的UPF代替了LTE网络的SGW和PGW。也就是说，5G进行重构以后，控制面和用户面集中度提高，架构更为清晰。  NG-RAN由gNB和ng-eNB两种基站组成。gNB是5G基站，ng-eNB是直接对4G基站进行软件升级，让其上面的接口支持5G核心网和Xn接口，保证了LTE原有的一些基站仍然可以很好的被利用。gNB之间、ng-eNB之间，以及gNB和ng-eNB通过Xn接口进行连接。5G接入网与核心网之间通过NG接口进行连接，gNB/ng-eNB和AMF之间是NG-C接口，和UPF之间是NG-U接口。  NG接口可以实现AMF/UPF和NG-RAN的多对多连接，即一个AMF/UPF可以连接多个gNB/ng-eNB，一个gNB/ng-eNB也可以连接多个AMF/UPF。对于UE来说，在同一AMF/UPF下的基站之间移动，发生切换时，仍然可以驻留在相同的AMF/UPF上，UE不需要发起新的注册更新过程。当AMF/UPF与NG-RAN之间的连接路径较长或进行新资源分配的情况下，可以改变与UE连接的AMF/UPF。这里AMF的主要作用是移动性控制，而UPF的主要作用是数据包的路由转发。

实体功能

  下图描述了gNB、ng-eNB、AMF、UPF、SMF功能实体各功能划分。

<center>5G实体功能划分</center><br/>

gNB和ng-eNB的主要功能

• 无线资源管理相关功能：无线承载控制，无线接入控制，连接移动性控制，上行链路和下行链路中UE的动态资源分配

• 数据的IP头压缩，加密和完整性保护

• 在用户提供的信息不能确定到AFM的路由时，为在UE在附着的时候选择到AMF路由

• 将用户平面数据路由到UPF

• 提供控制平面信息向AMF的路由

• 连接设置和释放

• 寻呼消息的调度和传输

• 广播消息的调度和传输

• 移动性和调度的测量和测量报告配置

• 上行链路中的传输级别数据包标记

• 会话管理

• QoS流量管理和无线数据承载的映射

• 支持处于RRC_INACTIVE状态的UE

• NAS消息的分发功能

• 无线接入网络共享

• 双连接

• 支持NR和E-UTRA之间的连接

5G核心网（5GC）功能

5GC主要包含三部分： AMF：主要负责访问和移动管理功能UPF：用于支持用户平面功能 SMF：用于负责会话管理功能

AMF主要功能

• NAS信令终止

• NAS信令安全性

• AS安全控制

• 用于3GPP接入网络之间的移动性的CN间节点信令

• 空闲模式下UE可达性（包括控制和执行寻呼重传）

• 注册区管理

• 支持系统内和系统间的移动性

• 访问认证、授权，包括检查漫游权

• 移动管理控制

• SMF（会话管理功能）选择

UPF主要功能

• 系统内外移动性锚点

• 与数据网络互连的外部PDU会话点

• 分组路由和转发

• 数据包检查和用户平面部分的策略规则实施

• 上行链路分类器，支持将流量路由到数据网络

• 分支点以支持多宿主PDU会话

• 用户平面的QoS处理，例如，包过滤，门控，UL / DL速率执行

• 上行链路流量验证（SDF到QoS流量映射）

• 下行链路分组缓冲和下行链路数据通知触发

SMF主要功能

• 会话管理

• UE IP地址分配和管理

• 选择和控制UP功能

• 配置UPF的传输方向，将传输路由到正确的目的地

• 控制政策执行和QoS的一部分

• 下行链路数据通知