5G核心网以及网元结构.doc

5G核心网以及网元结构想必你已听说，由中国移动牵头提出的SBA构架已被3GPP确认为5G核心网基础构架，实在令人欣喜自豪。但是，相对于传统核心网，这一构架变动之大，不禁让人感叹技术创新步伐之快，有点猝不及防之感。5G核心网构架主要包含三大关键技术：SBA、CUPS和网络切片，在小编看来，这是最终实现化整为零、由硬变软的彻底演进。什么是SBA？SBA（Service Based Architecture），即基于服务的架构。它基于云原生构架设计，借鉴了IT领域的“微服务”理念。众所周知，传统网元是一种紧耦合的黑盒设计，NFV（网络功能虚拟化）从黑盒设备中解耦出网络功能软件，但解耦后的软件依然是“大块头”的单体式构架，需进一步分解为细粒度化的模块化组件，并通过开放API接口来实现集成，以提升应用开发的整体敏捷性和弹性。为此，业界提出了基于Cloud Native的设计原则。Cloud Native的使命是改变世界如何构建软件，其主要由微服务架构、DevOps和以容器为代表的敏捷基础架构几部分组成，目标是实现交付的弹性、可重复性和可靠性。微服务就是指将Monolithic（这个词太难传神翻译了，本文翻译成单体式应用程序）拆分为多个粒度更小的微服务，微服务之间通过API交互，且每个微服务独立于其他服务进行部署、升级、扩展，可在不影响客户使用的情况下频繁更新正在使用的应用。正是基于这样的设计理念，传统网元先是转换为网络功能（NF），然后NF再被分解为多个“网络功能服务”。SBA=网络功能服务+基于服务的接口。网络功能可由多个模块化的“网络功能服务”组成，并通过“基于服务的接口”来展现其功能，因此“网络功能服务”可以被授权的NF灵活使用。其中，NRF（NF Repository Function，NF贮存功能）支持网络功能服务注册登记、状态监测等，实现网络功能服务自动化管理、选择和可扩展。CUPSCUPS（Control and User Plane Separation），即控制与用户面分离。目的是让网络用户面功能摆脱“中心化”的囚禁，使其既可灵活部署于核心网（中心数据中心），也可部署于接入网（边缘数据中心），最终实现可分布式部署。事实上，核心网一直沿着控制面和用户面分离的方向演进。比如，从R7开始，通过Direct Tunnel技术将控制面和用户面分离，在3G RNC和GGSN之间建立了直连用户面隧道，用户面数据流量直接绕过SGSN在RNC和GGSN之间传输。到了 R8，出现了MME这样的纯信令节点。只是到了4.5G和5G时代，这一分离的趋势更加彻底，也更加必要。其中一大原因就是，为了满足5G网络毫秒级时延的KPI。光纤传播速度为200km/ms，数据要在相距几百公里以上的终端和核心网之间来回传送，显然是无法满足5G毫秒级时延的。物理距离受限，这是硬伤。因此，需将内容下沉和分布式的部署于接入网侧（边缘数据中心），使之更接近用户，降低时延和网络回传负荷。网络切片5G服务是多样化的，包括车联网、大规模物联网、工业自动化、远程医疗、VR/AR等等。这些服务对网络的要求是不一样的，比如工业自动化要求低时延、高可靠但对数据速率要求不高；高清视频无需超低时延但要求超高速率；一些大规模物联网不需要切换，部分移动性管理对之而言是信令浪费等等，为此5G要像一把瑞士军刀一样，多功能满足差异化的网络服务。于是，我们就要把网络切成多个虚拟且相互隔离的子网络，分别应对不同的服务。当然，这么灵活的切片工作岂是传统大块头的黑盒设备能担当的，自然要虚拟化、软件化，再将网络功能进一步细粒度模块化，才能实现灵活组装业务应用。因此，3GPP就确认了由中国移动牵头26家公司提出的SBA构架为5G核心网基础构架。5G系统构架构架如下：5G系统服务架构非漫游5G系统架构参考点Authentication Server Function (AUSF)Core Access and Mobility Management Function (AMF)Data network (DN), 比如运营商服务、互联网接入和三方服务Structured Data Storage network function (SDSF)Unstructured Data Storage network function (UDSF)Network Exposure Function (NEF)NF Repository Function (NRF)Policy Control function (PCF)Session Management Function (SMF)Unified Data Management (UDM)User plane Function (UPF)Application Function (AF)User Equipment (UE)(Radio) Access Network (R)AN)这个5G核心网基础构架正是基于云原生的微服务构架设计原则，以模块化、软件化的构建方式来构架5G核心网，以高效执行不同服务类型的网络切片。我们看到上图中网络节点名称后面都带有Function（功能），这些功能是基于软件化的，以便动态灵活调整网络。遵循控制面和用户面分离的原则，在此简单介绍一下：控制面控制面被分为AMF和SMF：单一的AMF负责终端的移动性和接入管理；SMF负责对话管理功能，可以配置多个。基于灵活的微服务构架的AMF和SMF对应不同的网络切片.AMF和SMF是控制面的两个主要节点，配合它俩的还有UDM、AUSF、PCF，以执行用户数据管理、鉴权、策略控制等。另外还有NEF和NRF这两个平台支持功能节点，用于帮助expose和publish网络数据，以及帮助其他节点发现网络服务。用户面5G核心网的用户面由UPF（用户面功能）节点掌控大局，UPF也代替了原来4G中执行路由和转发功能的SGW和PGW。比较一下2/3/4G核心网构架.简化的2G&3G网络构架到了4G时代，核心网构架再次发生了变化，这一次引入了移动管理实体（MME）和分组数据网关（PGW）等网元。通用的LTE网络构架4G核心网中的MME、SGW和PGW消失了。4G中MME的功能被分解到AMF（接入和移动管理功能）和SMF（会话管理功能）中，SGW和PGW被UPF替代。网络注册流程也变成了这样从2G时代的MSC/HLR到软交换，再到4G时代引入MME和GW，总得来说，核心网一直沿着分离和软件化方向演进。这一次更加彻底。传统“黑盒”硬件被解耦，网络功能软件进一步分解为微服务，以灵活构建网络功能，网络功能运行于通用COTS服务器或迁移至云，实现灵活的网络切片。总的来说，是一次化整为零、由硬变软的彻底演进。传统核心网网元的物理形式从此在我们眼前消失了？2/3时代的核心网机房2G时代，我们一走进交换机房，可以清晰的辨别出哪些设备是MSC或HLR，但是到了5G时代，它们虚拟化的存在于通用的物理/虚拟资源之中，我们或许很难通过物理特征来辨别。不过，不管怎么演进，核心网的三大功能：服务管理、会话管理和移动管理始终存在。躯壳不存，灵魂犹在。赶紧学学写代码吧！5G帧结构3GPP正在定义5G NR(New Radio)的物理层，相对于4G，5G最大的特点是支持灵活的帧结构。WHY？因为5G要支持更多的应用场景，其中，超高可靠低时延（URLLC）是未来5G的关键服务，需要比LTE时隙更短的帧结构。这是怎样的一种帧结构呢？1 NumerologyNumerology这个概念可翻译为参数集，大概意思指一套参数，包括子载波间隔，符号长度，CP长度等等。5G的一大新特点是多个参数集（Numerology），其可混合和同时使用。Numerology由子载波间隔（subcarrier spacing）和循环前缀（cyclic prefix）定义。在LTE/LTE-A中，子载波间隔是固定的15kHz，5G NR定义的最基本的子载波间隔也是15kHz，但可灵活可扩展。所谓可灵活扩展，即NR的子载波间隔设为15*(2m) kHz，m -2, 0, 1, ., 5，也就是说子载波间隔可以设为3.75kHz、7.5kHz、15kHz、30kHz、60kHz、120kHz.（如下表）：2 帧结构对于5G帧结构，由固定结构和灵活结构两部分组成。如上图，与LTE相同，无线帧和子帧的长度固定，从而允许更好的保持LTE与NR间共存。这样的固定结构，利于LTE和NR共同部署模式下时隙与帧结构同步，简化小区搜索和频率测量。不同的是，5G NR定义了灵活的子构架，时隙和字符长度可根据子载波间隔灵活定义。3 Mini-Slots5G定义了一种子时隙构架，叫Mini-Slot。Mini-slots主要用于超高可靠低时延（URLLC）应用场景。如上图（红色方框），Mini-Slot由两个或多个符号组成（待进一步研究），第一个符号包含控制信息。对于低时延的HARQ可配置于Mini-Slot上，Mini-Slot也可用于快速灵活的服务调度，估计仅一些5G 终端支持Mini-Slot。4 同步信号为了连接网络，5G UE需执行初始小区搜索，其主要目的：寻找信号最强的小区来连接获取系统帧timing，即帧的起始位置确定小区的PCI解调参考信号为了支持小区搜索，需用到PSS（Primary Synchronization Signal，主同步信号）和SSS（Secondary Synchronization Signal，辅同步信号）。PSS和SSS在同步信号块（Synchronisation Signal Block）里传输，与PBCH（物理广播信道）一起，配置于固定的时隙位置，如下图：在初始小区搜索期间，UE通过匹配滤波器对接收信号和同步信号序列进行相关，并执行以下步骤：1）发现主同步序列，获得符号和5ms帧timing。2）发现辅同步序列，检测CP长度和FDD / TDD双工模式，并从匹配滤波器结果中获得准确的帧timing，从参考信号序列索引获取CI。3）解码PBCH并获得基本的系统信息。为了支持波束扫描，同步信号块被组织成一系列脉冲串（burst），并周期性发送。5 PBCH（物理广播信道）PBCH向UE提供基本的系统信息，任何UE必须解码PBCH上的信息后才能接入小区。例如，PBCH提供的信息包括（待进一步讨论）：下行系统带宽无线电帧内的定时信息同步信号脉冲发送的周期性系统帧号其他较高层信息（待进一步讨论）其他广播信息被映射到共享信道上。6 同步信号和PBCH的映射目前，3GPP正在讨论同步信号和PBCH如何映射到物理资源。一种可能的映射如下图：PSS/SSS/PBCH只有4个符号，这样可确保快速的获得时间。 PSS/SSS的保护带