第2章 5G端到端网络架构与关键技术

第2章5G端到端网络架构与关键技术客户或者合作伙伴的标志放在右上角.配色参考方案：建议同一页面内不超过四种颜色，以下是13组配色方案，同一页面内只选择一组使用。（仅供参考）为了适配未来各种业务场景，5G端到端网络都将发生深刻的变革，应用各种大带宽、高密度连接、超短时延的新技术。同时5G网络的架构也必将更加灵活敏捷。本章主要讲解5G端到端网络架构、5G端到端网络关键技术和5G安全技术。了解5G端到端网络架构掌握5G端到端网络关键技术掌握5G安全技术第五代（5thGeneration，5G）移动通信系统网络架构分为无线接入网、承载网、核心网三个部分，如图2-1所示。2.15G端到端网络架构图2-1移动通信网络架构部分新名词，注释如下：CSG（CellSiteGateway，基站侧网关）：移动承载网络中的一种角色名称，该角色处在接入层，负责基站的接入。ASG（AggregationSiteGateway，汇聚侧网关）：移动承载网络中的一种角色名称，该角色位于汇聚层，负责对移动承载网络接入层海量CSG业务流进行汇聚。RSG（RadioServiceGateway，无线业务侧网关）：承载网络中的一种角色名称，该角色处在汇聚层，连接无线控制器。COREPE（COREProviderEdgeRouter，运营商边界路由器）：运营商边缘路由器，服务提供商边缘设备。OTN（OpticalTransportNetwork，光传送网）：通过光信号传输信息的网络。WDM（WavelengthDivisionMultiplexing，波分复用）：一种数据传输技术，不同的光信号由不同的颜色（波长频率）承载，然后复用在一根光纤上传输。OXC（OpticalCross-Connect，光交叉连接）：一种用于对高速光信号进行交换的技术，通常使用于光Mesh网中。2.15G端到端网络架构5G无线接入网架构——DRAN架构

在DRAN架构中，每站点均独立部署机房，BBU与RRU共站部署，配电供电设备及其他配套设备均独立部署，如图2-2所示。DRAN架构中BBU与RRU/AAU共站部署，站点回传可根据站点机房实际条件，采用微波或光纤方案灵活组网。采用BBU与RRU/AAU共站部署，通用公共无线接口（CommonPublicRadioInterface，CPRI）接口光纤长度短，而单站回传只需一根光纤，整体光纤消耗低。若单站出现供电、传输方面的故障问题，不会对其他站点造成影响。受益于2G/3G/4G网络的长期建设，各运营商现网都拥有大量站点机房或室外一体化机柜，虽然5G采用的更高频率会导致无线覆盖需要更多站点，但运营商在未来较长一段时间内仍会采用利旧与新建站点机房相结合的方式，部署DRAN架构的无线接入网。2.15G端到端网络架构图2-2DRAN站点部署5G无线接入网架构——CRAN架构在CRAN架构中，多个站点的BBU模块会被集中部署在一个中心机房，如图2-3所示，各站点射频模块通过前传拉远光纤与中心机房BBU连接。DRAN架构中BBU与RRU/AAU共站部署，站点回传可根据站点机房实际条件，采用微波或光纤方案灵活组网。5G的超密集站点组网会形成更多覆盖重叠区，CRAN更适合部署载波聚合（CarrierAggregation,CA）、协作多点发送/接收（CoordinatedMultipointTransmission/Reception，CoMP）和单频网（SingleFrequencyNetwork，SFN）等特性，实现站间高效协同，大幅提升无线网络性能。CRAN可简化站点获取难度，一方面实现无线接入网快速部署，缩短建设周期，另一方面在不易于站点部署的覆盖盲区更容易实现深度覆盖。2.15G端到端网络架构图2-3CRAN站点部署5G无线接入网架构——CloudRAN架构未来无线侧也会向云化方向演进，CloudRAN引入了集中式单元（CentralizedUnits，CU）和分布式单元（DistributedUnit，DU）分离的结构，如图2-4所示。CU通常部署在边缘数据中心或者区域数据中心。该数据中心除了CU网元之外还可以按需部署用户端口功能（UserPortFunction，UPF）和移动边缘计算（MobileEdgeComputing，MEC）服务器。对于低时延业务如自动驾驶，当DU侧将用户面上行数据送到CU完成相应处理之后，CU需将数据转发到UPF，UPF再转发至相应的自动驾驶MEC中，产生控制命令再反向下行发送至DU。因此，CloudRAN架构更加适合未来多业务多场景的灵活部署。2.15G端到端网络架构图2-4CloudRAN架构5G无线接入网架构——CloudRAN整体部署实现CloudRAN架构之后，将大大增加无线接入网的协同程度及资源弹性，便于统一简化运维。总体来说CloudRAN架构的价值如下：统一架构，实现网络多制式、多频段、多层网、超密网等多维度融合；集中控制，降低无线接入网复杂度，便于制式间/站点间高效业务协同；5G平滑引入，双连接实现极致用户体验；软件与硬件解耦，开放平台，促进业务敏捷上线；便于引入人工智能实现无线接入网切片的智能运维管理，适配未来业务的多样性；云化架构实现资源池化，网络可按需部署，弹性扩/缩容，提升资源利用效率，保护投资；适应多种接口切分方案，满足不同传输条件下灵活组网；网元集中部署，节省机房，降低运营支出。2.15G端到端网络架构图2-5CloudRAN整体部署5G核心网架构核心网是移动网络的控制中心，它实现移动网络的各种功能，包括提供接入和移动性管理功能、会话管理功能、数据转发功能及运营商计费等相关功能，针对不同业务场景的策略控制功能（例如速率控制，计费控制等）等。核心网由多个逻辑实体共同实现，不同的逻辑实体部署在不同的专用硬件或者通用服务器上。

5G核心网可以分成控制面部分和用户面部分。其中控制面和用户面是分离部署的，根据不同的网络需求部署在不同的位置，有不同的逻辑实体实现控制功能和用户面转发功能。其中，核心网控制面网元用于实现核心网的控制功能，生成对应的控制策略，例如，计费控制、接入控制、移动性管理、策略控制等，核心网用户面网元用于支持用户数据报文的转发，例如，用户上下行数据传输。2.15G端到端网络架构5G核心网架构

如图2-6阐述了基于服务的5G网络架构（ServiceBasedArchitecture，SBA），包括各网络功能之间的接口，以及控制面网络功能和用户面网络功能。2.15G端到端网络架构图2-6基于SBA的5G网络架构5G核心网架构在图2-7的参考点架构中，AMF与RAN间存在参考点N2，AMF与SMF间存在参考点N11，AMF与其他AMF间存在参考点N14，AMF与AUSF间存在参考点N12，AMF与UDM间存在参考点N8，AMF与PCF间存在参考点N15，AMF与UE间存在参考点N1等2.15G端到端网络架构图2-75G参考点架构5G核心网架构

表2-1对5G网络涉及的网络功能做了简单的介绍，包括控制面网络功能和用户面网络功能。2.15G端到端网络架构表2-15G核心网功能简介5G承载网架构

5G承载网是由光缆互连的承载网设备组成，比如分片分组网(SlicingPacketNetwork,SPN)设备或者IP化无线接入网（IPRadioAccessNetwork,IPRAN）设备，并通过IP路由协议、故障检测技术、保护倒换技术等实现相应的5G业务的传输功能。5G承载网的主要功能是连接基站与基站、基站与核心网，提供数据的转发功能，并保证数据转发的时延、速率、安全等指标满足相关业务的要求。5G承载网的结构可以从物理层次和逻辑层次两个维度划分。从物理层次划分，承载网被分为前传网、中传网、回传网三个部分，前传网用来连接RRU和DU，中传网用来连接DU和CU，回传网用来连接CU和5G核心网（5GCore，5GC），如图2-8所示。2.15G端到端网络架构图2-8承载网络分类5G承载网架构

核心网UP的下移并不是一蹴而就的，而是根据实际的业务发展需求，需要综合考虑建网成本、用户体验等多个因素。为了应对Mesh化的连接以及连接的不确定性，5G承载网需要将三层网络下移，至少下移至移动边缘计算MEC所在的位置，从而实现灵活的调度。5G核心网对5G承载网的影响如图2-9所示。2.15G端到端网络架构图2-9承载网组网架构5G无线关键技术5G网络相比于传统的2G、3G、4G网络，能够提供更高的速率、更低的时延及更大的连接数。5G空口的性能目标是什么？5G的性能目标是如何实现的？带着这两个问题，下面将从5G空口性能目标、5G新频谱、5G新编码以及新天线技术等方面介绍5G无线侧关键技术。2.2

5GE2E网络关键技术5G无线关键技术——5G空口性能目标

国际电信联盟于2015年6月定义了未来5G的三大类应用场景，分别是eMBB、URLLC和mMTC。其中，eMBB指大流量移动宽带业务，如增强现实、虚拟现实、超高清视频等；URLLC指需要高可靠、低时延连接的业务，如无人驾驶、工业控制等；而mMTC则指大规模物联网业务，如面向智慧城市、环境监测等以传感和数据采集为目标的应用场景。eMBB场景下主要关注峰值速率和用户体验速率等；URLLC场景下主要关注时延和移动性；mMTC场景下主要关注连接数密度。

为了满足未来不同业务应用对网络能力的要求，对5G空口速率、时延、连接能力等性能提出了较高的要求，分别为峰值速率达到20Gbps、用户体验数据率达到100Mbps、空口时延达到1毫秒、连接密度达到100万每平方公里。2.2

5GE2E网络关键技术5G无线关键技术——5G新频谱频谱资源是无线通信的重要资源，也是影响空口速率和空口覆盖的关键因素，为了提升5G的空口速率，其频谱资源也必须是十分丰富的。在3GPP协议中，5G的总体频谱资源可以分为以下两个频率范围（FrequencyRange，RF）如图2-10所示：FR1：也就是我们说的低频频段，是5G的主用频段；其中3GHz以下的频率我们称之为sub3G，3～6GHz频段,通常称为C-band。FR2:毫米波，也就是我们说的高频频段，为5G的扩展频段，频谱资源丰富。2.2

5GE2E网络关键技术图2-105G频谱资源5G无线关键技术——5G新频谱FR1是5G的主频段，小区载波带宽最大可以到100MHz。FR1包含传统3GHz以下的频段，见表2-2。这部分频段有很多是之前2G、3G、4G使用的频率资源，5G同样支持这部分频率资源，随着用户不断迁移至5G网络，2G/3G/4G使用的频率资源可以逐渐释放出来，部分频谱资源就可以用来部署5G。2.2

5GE2E网络关键技术表2-2Sub3G频段5G无线关键技术——5G新频谱为了增强5G上下行覆盖不均衡的问题，5G使用上下行解耦技术来增强上行的覆盖，因此3GPP协议定义补充上行链路（SupplementaryUplink,SUL）频段见表2-3，用于上下行解耦场景。2.2

5GE2E网络关键技术表2-3C波段和补充上行链路频段5G无线关键技术——5G新频谱FR2是5G未来的扩展频段，见表2-4。随着5G网络发展，网络容量需求的不断增加，频谱资源的需求也会越来越大。FR2频谱资源丰富，为后续网络扩容提供频谱资源。2.2

5GE2E网络关键技术表2-4FR2频段5G无线关键技术——5G新频谱频率越低覆盖能力越强，但可用的频率资源有限；毫米波资源丰富，但覆盖能力较弱。结合可用频率资源和覆盖能力，5G不同频谱的应用场景也有所不同，如图2-11所示。毫米波主要用于密集城区利用大带宽优势吸收大业务量；C波段兼顾覆盖和带宽优势用于实现城区的连续覆盖；Sub3G利用覆盖优势实现郊区和农村地区的连续覆盖。2.2

5GE2E网络关键技术图2-115G频谱应用3. 5G新编解码技术在移动通信中，由于存在干扰和衰落，信号在传输过程中会出现差错，所以需要对数字信号采用纠错、检错编码技术，以增强数据在信道传输时抵御各种干扰的能力，提高系统的可靠性。对在信道中传送的数字信号进行的纠错、检错编码就是信道编码技术。5G三大场景eMBB、mMTC和URLLC，不同应用场景性能指标差异很大。这就对5G信道编码提出了更高要求，需支持更广泛的码块长度和更多的编码率。如果所有场景都用同样的编码效率，这就会造成数据比特浪费，进而浪费频谱资源。业界提出的主流的候选编码方案包括Polar码、Turbo码和低密度奇偶校验（Low-DensityParityCheck，LDPC）码。

下面介绍信道编码选择的基本原则。(1) 编码性能：纠错能力以及编码冗余率(2) 编码效率：复杂程度及能效(3) 灵活性：编码的数据块大小，能否支持IR-HARQ(增量冗余的混合自动重传)2.2

5GE2E网络关键技术4. 更高的频谱利用效率 5G的速率相对于4G提高很多，正因为如此，5G才能实现随时随地观看4K高清视频或者CloudVR等大带宽业务。5G速率的提升主要和载波带宽的增加和频谱效率的提升有关，下面对提高频谱利用效率的关键技术进行详细介绍。2.2

5GE2E网络关键技术4. 更高的频谱利用效率

MassiveMIMO:MassiveMIMO即大规模天线阵列，如图2-12所示，通常至少要求16根收发天线。目前网络中主流使用的是64通道收发天线，实现了64T64R。通过更多数量的天线，可以实现更灵活精确的三维立体窄波束赋形，使得更多用户复用无线时频资源，从而达到提升覆盖能力和系统容量并降低系统干扰的目的。2.2

5GE2E网络关键技术图2-12MassiveMIMO收发天线阵列示意图4. 更高的频谱利用效率

MassiveMIMO波束赋形的实现如图2-13所示，MassiveMIMO利用波的干涉和叠加原理，波峰与波峰叠加，信号增强；波峰与波谷叠加，信号减弱。基站通过终端发送的上行信号估算出下行的矢量权，或者直接通过终端上报的方式获得矢量权，最终用这个矢量权对下行待发送信号进行加权处理，从而形成定向波束。2.2

5GE2E网络关键技术图2-13窄波束赋形工作原理4. 更高的频谱利用效率 64T64R的MassiveMIMO由于波束更窄，通过空分复用，下行可以同时发送多达16个数据流，如图2-14所示。这就意味着，同一时间内，基站可以把相同的时频资源分配给16个不同的用户使用，从而大幅提升小区的整体容量，特别适合于高校、城市中央商务区等高话务量场景。同时，更窄的波束还能降低小区内用户间的干扰。2.2

5GE2E网络关键技术图2-1464T64R天线多流发送效果图4. 更高的频谱利用效率

如果用户终端的天线是4天线甚至更多天线，由于这时用户下行可以同时接收4个甚至更多的数据流，所以单用户的峰值速率会得到成倍提升。现阶段5G主流手机终端支持4天线配置，4天线都支持信号接收，而其中只有2天线支持信号接收的同时也支持信号的发射，实现2T4R，如图2-15所示。这样一来，结合MassiveMIMO的下行多流特征，5G终端下行的峰值速率相对于4G终端（1T2R）将至少翻倍。2.2

5GE2E网络关键技术图2-154G/5G终端天线收发模式示意图4. 更高的频谱利用效率

分布式MIMO（D-MIMO）： MassiveMIMO通过在某个基站上提升天线数量，以及强化的波束赋形技术，大大增强了在小区内的容量和覆盖。如果我们将区域内相邻的基站联合起来当作一个超级基站，用和MassiveMIMO相似的多天线技术进行波束赋形和复用处理，就可以提升整区域的容量和覆盖。这就是分布式MIMO（Distribute-MIMO）技术，简称为D-MIMO。

传统的建网方式是以网络为中心的，用户的体验受限于网络规划和设计，强干扰和弱覆盖不可避免的影响用户体验；而D-MIMO技术则将某个区域内的基站联合起来为用户提供服务，将传统网络中的同频干扰，变为有用的信号，改善边缘覆盖，并且在空间维度实现联合的波束赋形和复用，提升系统容量。所以D-MIMO可以看作是一种全新的以用户为中心的建网方式，大大减少了对网络规划和优化的依赖。展望未来，MassiveMIMO将在站内实现极致的波束赋形能力，D-MIMO则在站间增强空间协同能力，两者具有天然的互补性，将成为未来5G的核心技术。2.2

5GE2E网络关键技术5. 超级上行

5G新业务对网络带宽的需求越来越大，其中ToC业务需要网络下行高速率，同时也需要进一步提升网络上行速率，如图2-16所示的高清视频和VR业务等。而ToB行业应用更多的是将设备侧的信息传递给网络侧，因此对网络上行速率提出了更高的诉求。如图2-17所示，远程医疗中高清医疗影像的回传、智能电网中高清巡检视频的回传、智能制造中机器视觉以及自动驾驶中车载高清摄像头拍摄的画面回传等都需要极高的上行速率。2.2

5GE2E网络关键技术图2-16典型ToC业务对网络带宽需求图2-17典型ToB业务对网络带宽需求5. 超级上行

超级上行通过将上行数据分时在SUL频谱和NRTDD频谱上发送，极大地增加了用户的上行可用时频资源，如图2-18所示。在NRTDD频谱的上行时隙，使用NRTDD频谱进行上行数据发送；在NRTDD下行时隙，使用空闲的SUL频谱补充进行上行数据发送，实现上行数据可以在全时隙发送如图2-19所示。2.2

5GE2E网络关键技术图2-18超级上行收发示意图图2-19超级上行时隙使用示意图5. 超级上行

超级上行对上行速率到底有多大的提升呢？下面以C-band采用100MHz支持上行2天线发射、Sub3G采用20MHz支持1天线发射为例，如图2-20所示。上行理论峰值速率参考表2-5，理论峰值速率等于C-band上的速率加上Sub3G上速率的80%（因为终端在Sub3G上只占用了80%的资源），约为349Mbps。2.2

5GE2E网络关键技术图2-20超级上行场景举例表2-5理论上行峰值速率5G核心网关键技术

随着移动网络飞速发展，5G网络的业务场景发生了巨大变化，从之前主要面向ToC业务场景，发展到主要面向ToB业务场景，5G端到端网络都在发生深刻的变革，不同的应用对网络的需求有很大的差异性，针对网络侧提出了大带宽、高密度连接、超低时延的诉求。为了适配各种业务场景，核心网网络架构需要变得更加灵活敏捷，从而适应业务的诉求。2.2

5GE2E网络关键技术5G核心网关键技术

数据不出园区（UPF下沉）：5GtoB现网实际部署的时候，一般UPF会和MEC一起共部署，UPF充当MEC的数据面输入。欧洲电信标准化协会（EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute，ETSI）对MEC的定义是：在移动网络边缘提供IT服务环境和云计算能力。因此，MEC可以被理解为在移动网络边缘运行的云服务器，该云服务器可以处理传统网络基础架构所不能处理的任务。运营商部署的MEC一般分为两种，分别是共享式MEC和入驻式MEC，两种部署方式的区别是：共享式MEC是多个客户一起共享一个MEC资源，部署位置一般是在地市或区域，支持多个租户多个业务。入驻式MEC一般是部署在企业园区里面，主要面向一个企业的多种业务，资源独占，如图2-21所示。不同企业的不同业务可以通过同一个MEC接入不同的企业内网。2.2

5GE2E网络关键技术图2-21不同企业共享MEC5G核心网关键技术

如图2-22所示，显示了APN分流和ULCL业务分流的差异，APN级分流是所有流量统一不区分送到一个网络，通过将入驻式UPF下沉到园区，使用主锚点下沉方式实现专用DNN分流（需要在下沉到园区的UPF配置接入数据）；ULCL业务分流模式会根据业务不同分流到不同的目标网络。用户会首先选择大网的UPF，然后触发插入下沉的UPF，由下沉ULCLUPF实现业务级分流。APN级分流一般通过自定义专用APN/DNN的形式实现，业务级分流可以通过专用或大网APN/DNN都可以实现。2.2

5GE2E网络关键技术图2-22分流模式5G核心网关键技术

通过ULCLUPF分流的场景，如图2-23所示，需要通过核心网控制面网元SMF等网元决策，是否使用ULCL分流，然后通过ULCLUPF根据配置实现业务分流。ULCLUPF作为分流器，根据配置的分流规则，决定将数据包分流到辅锚点UPFPSA2和本地网，还是分流到主锚点UPFPSA1。用户在园区里面访问本地业务直接通过PSA2访问本地DN，如果访问目标是互联网通过PSA1转发。2.2

5GE2E网络关键技术图2-23入驻式本地流量卸载5G核心网关键技术

业务隔离（5G切片解决方案）：网络切片是一个端到端的复杂的系统工程，实现起来相当复杂，需要端到端网络的配合，切片贯穿了无线接入网络，承载网，核心网三个子域的网络。同样通过切片也可以实现客户各种各样的极致差异的业务体验需求，如图2-24所示，不同的垂直行业对网络的需求不同，所以产生了各种各样的极致差异的网络需求，为了满足这一需求，5G网络通过切片技术实现一张网络满足用户不同业务需求。2.2

5GE2E网络关键技术图2-245G网络切片5G核心网关键技术

为了实现不同的业务隔离性需求，网络切片技术满足一系列特征，解决各种业务挑战。网络切片具备端到端、资源隔离、可定制、虚拟网络、专用网络和能力开放等特征。端到端：每个切片都同时需要无线接入网、传输网和核心网功能的支持，从而实现端到端的业务隔离。资源隔离：各切片之间不会相互干扰，各自独占网络资源，具有很高的安全性。图2-25显示了核心网关于完全独占、部分独占和完全共享的部署情况。可定制：每个切片可以根据用户需要选择相应的业务指标，如带宽大小、时延大小等。虚拟网络：切片都是基于一个物理网络在逻辑上划分出来的虚拟网络，而不是对真实物理网络的拆分。专用网络：切片提供的都是专用网络，该网络为专门的业务服务且未经许可不允许其他用户接入或访问。能力开放：切片可基于5G的API接口完成二次开发，以满足不同用户的定制需求。2.2

5GE2E网络关键技术图2-25核心网切片的隔离模式5G核心网关键技术

5G局域网：简单地说5GLAN是网络或切片的一种业务，在一张网络或者一个切片上提供的一种二层交换业务模式，如图2-26，通过二层的方式连接手机和手机或者手机和服务器等；实际应用场景中，5GLAN业务主要支持二层交换，原有5GDNN业务主要支持三层路由。5GLAN业务是网络切片的业务形态之一。切片更多的理解在于资源的管理,包括预留及隔离等，与切片对应的是一个逻辑网络。切片通过增强支持5GLAN、5G时延敏感网络等特性，可进一步实现不同切片间的差异化和确定性的SLA保障。5GLAN对应一个逻辑网络内部的VLAN。2.2

5GE2E网络关键技术图2-265GLAN组网5G核心网关键技术

3GPP对5GLAN的接入方式做了定义，如图2-27所示，5GLAN终端通过5G接入，网络侧提供LAN和虚拟专用网（VirtualPrivateNetwork，VPN）类似功能的服务。5GLAN终端需要支持对应的特性，比如，UE必须支持5G网络接入和5G相关的链路层协议，5GLAN类型业务，UE需要支持创建Ethernet类型的PDU会话。5GLAN业务的PDU部分，就是一个EthernetFrame，UE需要支持Ethernet相关的交换协议。Application部分，取决于具体的应用要求，不需要5GLAN进行适配。端到端流程中需要UE和5GC支持，无线侧对这些上层业务应用不感知。5GLAN业务，没有对5G的QoS机制提出额外要求，基于5G系统的端到端QoS机制保证业务即可。2.2

5GE2E网络关键技术图2-27UE协议栈5G核心网关键技术

业务不中断（边缘高可用网关解决方案）：通常提到的边缘高可用网关解决方案一般指的是通过园区UPF增加单板，实现下沉AMF/SMF/UDM服务，充当临时应急模块。如图2-28，应急场景下，核心网控制面故障，如果园区有新用户接入，用户会选择本地应急控制面设备；已经在线用户（存量业务）不受影响，惯性运行。大网控制面网元失联场景（N2、N4全断）使用园区应急控制面处理用户接入。2.2

5GE2E网络关键技术图2-28边缘高可用网关解决方案5G核心网关键技术

下面针对部署边缘高可用网关解决方案之后，大网中断场景的接入情况进入梳理，如图2-29所示。

类型1.新开机用户：gNodeB选择园区应急AMF接入，业务接入无影响。

类型2.在线业务用户（连接态）：园区gNodeB保持连接态；大网控制面网元和园区UPF保持用户的业务注册状态，业务无影响（惯性运行）。

类型3.已注册的用户，发起移动性信令连接（终端发起，移动引起的切换）：园区gNodeB选择应急AMF处理，如果已有业务则会中断，此时应急AMF引导用户重新注册，业务快速恢复。2.2

5GE2E网络关键技术图2-29大网失联5G核心网关键技术

在大网失联恢复之后，网络处理如图2-30所示。

类型1.新开机的用户：选择大网ToBAMF接入，业务无影响。

类型2.在线业务不中断的用户：用户发起移动性信令流程，和大网AMF恢复通信，携带大网AMF分配的全局唯一的临时标识（GloballyUniqueTemporaryIdentity，GUTI），业务无影响。

类型3.已接入应急AMF的用户：用户的信令（GUTI）包含应急AMF的全球唯一AMFID，仍然选择应急AMF，业务无影响。（大网AMF的残留注册用户会通过SMF核查机制清除。）2.2

5GE2E网络关键技术图2-30大网失联恢复5G承载网关键技术

5G承载网切片技术：在传统以太网中，接口包括MAC/PHY两层，MAC层和PHY层是紧耦合的，例如接口在承载业务时，MAC把业务流打个包，穿一件衣服，PHY再穿一件外套。传统以太网接口在应用中带来的技术限制，首先是接口制作成本高，接口速率提升缓慢，当前最大速率是200Gbps，400Gbps的接口速率还有待商用；其次是多条业务之间抢带宽，一个接口上承载多条业务，他们共用一个MAC，那么各条不同的业务之间就会抢带宽，这是传统以太网的“尽力而为”决定的，无法避免，比如某条业务来了个长包，那么在这个长包传递期间，其他业务的所有报文都会在接口位置阻塞。灵活以太网（FlexibleEthernet，FlexE）是5G承载网中主要的网络切片技术，它是一种基于以太网的多速率子接口在多PHY链路上的承载技术，支持捆绑、通道化和子速率，可以有效地解决传统以太网接口存在的技术限制问题。接下来我们一起学习5G承载网中的FlexE如何实现网络切片的。2.2

5GE2E网络关键技术5G承载网关键技术

技术架构：如图2-31，FlexE包括FlexEClient、FlexEShim和FlexEGroup三个部分。2.2

5GE2E网络关键技术图2-31FlexE技术架构图5G承载网关键技术

FlexE新的以太网端口的功能主要有以下三个方面：（１）通道化功能。FlexE端口通道化图如图2-32所示，将不同的Client的数据放在同一个PHY的不同时隙传输。2.2

5GE2E网络关键技术图2-32FlexE端口通道化图5G承载网关键技术

（2）端口绑定功能。FlexE端口绑定图如图2-33，通过FlexEShim将多路PHY捆绑，以实现更大容量的端口。2.2

5GE2E网络关键技术图2-33FlexE端口绑定图5G承载网关键技术

（3）子速率功能。FlexE端口子速率图如图2-34，将PHY的一部分时隙分配给Client。2.2

5GE2E网络关键技术图2-34FlexE端口子速率图5G承载网关键技术

FlexE交叉原理：FlexEClient交叉的基本原理如图2-35所示。2.2

5GE2E网络关键技术图2-35FlexE交叉技术原理图5G承载网关键技术

SRv6一些关键技术：1) SRH的定义IPv6报文是由IPv6标准头+扩展头+负载数据组成。为了基于IPv6转发平面实现SegmentRouting，IPv6路由扩展头新增加一种类型，称作SRH扩展头，该扩展头指定一个IPv6的显式路径，存储的是IPv6的SegmentList信息，其作用与SR-MPLS里的SegmentList一样。转发路径的头节点设备在IPv6报文中增加一个SRH扩展头，中间节点只需要按照SRH扩展头里包含的路径信息转发，SRH扩展头格式如图2-36所示。2.2

5GE2E网络关键技术图2-36SRH扩展头格式图5G承载网关键技术

SRv6一些关键技术：2) SRH的处理过程在SRv6中，每经过一个SRv6节点，SegmentsLeft字段减1，IPv6目标地址信息变换一次。SegmentsLeft和SegmentList字段共同决定了IPv6目标地址信息。具体过程如图2-37所示。2.2

5GE2E网络关键技术图2-37SRH的处理过程图5G承载网关键技术

SRv6一些关键技术：（3）SRv6SegmentID定义：SRv6Segment是IPv6地址形式，总计128bit，通常也称为SRv6SID。如图2-38所示，SRv6SID由Locator和Function两部分组成，格式是Locator:Function，其中Locator占据IPv6地址的高比特位，Function部分占据IPv6地址的剩余低比特部分。2.2

5GE2E网络关键技术图2-38SRv6SID图5G承载网关键技术

SRv6一些关键技术：4) L3VPNv4overSRv6BE简介L3VPNv4overSRv6BE主要指基于SRv6BE隧道来承载三层虚拟专用网（L3VPN）的业务，用来传递L3VPNv4的数据，L3VPNv4overSRv6BE的典型组网如图2-39所示。2.2

5GE2E网络关键技术图2-39L3VPNv4overSRv6BE典型组网图5G承载网关键技术

SRv6一些关键技术：L3VPNv4overSRv6BE具有如下特点：（1）通过扩展的BGP协议传输路由报文。（2）使用SRv6BE对私网数据报文进行封装传输。L3VPNv4overSRv6BE的关键实现步骤包括SRv6BE路径建立、VPN路由互通和数据转发等，其业务建立详细过程如图2-40所示。2.2

5GE2E网络关键技术图2-40L3VPNv4overSRv6BE业务建立过程图3. 5G承载网关键技术 5G承载网是面向5G业务，实现用户从下一代基站（thenextgenerationNodeB，gNB，也就是5G网络基站）到5G核心网访问接入的一张新的移动承载网络，相对传统的4G承载网主要引入了网络切片、SRv6等技术，从而满足5G业务大带宽、低时延、广连接的承载需求。2.2

5GE2E网络关键技术3. 5G承载网切片技术

技术架构：如图2-31，FlexE包括FlexEClient、FlexEShim和FlexEGroup三个部分。2.2

5GE2E网络关键技术图2-31FlexE技术架构图3. 5G承载网切片技术FlexE主要功能：FlexE新的以太网端口的功能主要有以下三个方面：（１）通道化功能。FlexE端口通道化图如图2-32所示，将不同的Client的数据放在同一个PHY的不同时隙传输。2.2

5GE2E网络关键技术图2-32FlexE端口通道化图3. 5G承载网切片技术（2）端口绑定功能。FlexE端口绑定图如图2-33，通过FlexEShim将多路PHY捆绑，以实现更大容量的端口。2.2

5GE2E网络关键技术图2-33FlexE端口绑定图3. 5G承载网切片技术（3）子速率功能。FlexE端口子速率图如图2-34，将PHY的一部分时隙分配给Client。2.2

5GE2E网络关键技术图2-34FlexE端口子速率图3. 5G承载网切片技术FlexE交叉原理：FlexEClient交叉的基本原理如图2-35所示。2.2

5GE2E网络关键技术图2-35FlexE交叉技术原理图3. 5G承载网切片技术SRv6技术：基于IPv6转发平面的段路由（SegmentRoutingIPv6，SRv6）是基于源路由理念而设计的在网络上转发IPv6数据包的一种协议。SRH的定义：IPv6报文是由IPv6标准头+扩展头+负载数据组成。为了基于IPv6转发平面实现SegmentRouting，IPv6路由扩展头新增加一种类型，称作SRH扩展头，该扩展头指定一个IPv6的显式路径，存储的是IPv6的SegmentList信息，其作用与SR-MPLS里的SegmentList一样。转发路径的头节点设备在IPv6报文中增加一个SRH扩展头，中间节点只需要按照SRH扩展头里包含的路径信息转发，SRH扩展头格式如图2-36所示。2.2

5GE2E网络关键技术图2-36SRH扩展头格式图3. 5G承载网切片技术SRH的处理过程：在SRv6中，每经过一个SRv6节点，SegmentsLeft字段减1，IPv6目标地址信息变换一次。SegmentsLeft和SegmentList字段共同决定了IPv6目标地址信息。具体过程如图2-37所示。2.2

5GE2E网络关键技术图2-37SRH的处理过程图3. 5G承载网切片技术SRv6SegmentID定义：SRv6Segment是IPv6地址形式，总计128bit，通常也称为SRv6SID。如图2-38所示，SRv6SID由Locator和Function两部分组成，格式是Locator:Function，其中Locator占据IPv6地址的高比特位，Function部分占据IPv6地址的剩余低比特部分。2.2

5GE2E网络关键技术图2-38SRv6SID图3. 5G承载网切片技术L3VPNv4overSRv6BE简介：L3VPNv4overSRv6BE主要指基于SRv6BE隧道来承载三层虚拟专用网（L3VPN）的业务，用来传递L3VPNv4的数据，L3VPNv4overSRv6BE的典型组网如图2-39所示。2.2

5GE2E网络关键技术图2-39L3VPNv4overSRv6BE典型组网图3. 5G承载网切片技术L3VPNv4overSRv6BE的关键实现步骤包括SRv6BE路径建立、VPN路由互通和数据转发等，其业务建立详细过程如图2-40所示。2.2

5GE2E网络关键技术图2-40L3VPNv4overSRv6BE业务建立过程图1. 5G安全标准

5G时代，移动通信不仅为ToC用户提供高速上网连接，构建新的互联网形态，更将成为万物互联的新型基础网络设施。新型的ToB业务如工业互联网、车联网、智能电网、智慧医疗、智慧城市等都将构建在5G网络上。因此对5G网络的安全提出了更高的要求。2.3

5G安全技术1. 5G安全标准

5G安全面临的威胁：5G网络安全威胁分为运营商网络域外安全威胁和运营商网络域内安全威胁，其中域外安全威胁如图2-41所示，包括空口安全威胁、Internet安全威胁、网络漫游安全威胁、外部访问EMS安全威胁。2.3

5G安全技术图2-415G网络域外安全威胁1. 5G安全标准运营商域内安全威胁，包括SBA服务化架构威胁、MEC模块间威胁、网元间接口以及网元内部模块间接口威胁，如图2-42所示。2.3

5G安全技术图2-425G网络域内安全威胁1. 5G安全标准3GPP制定了5G安全标准目标，确保合法接入网络、保障空口的机密性和完整性、确保3GPP网元间连接安全。5GSA安全架构在Rel-15版本开始定义，后续版本功能持续增强，如图2-43所示。2.3

5G安全技术图2-435G安全标准演进2. 5G安全关键特性 5G的安全关键特性包括6个，分别是SUPI加密、5G密钥增强、用户面完整性保护、切片安全、URLLC安全和mMTC安全。

SUPI加密：4G终端注册认证前IMSI明文传输如图2-44所示，存在泄露可能。2.3

5G安全技术图2-44IMSI明文注册2. 5G安全关键特性

如图2-45所示，USIM卡里面会保存公钥，USIM或UE将SUPI进行加密计算得到SUCI。UE与网络进行信令交互的时候实际上使用的是SUCI。安全流程之后，核心网会给用户分配临时标识5G-GUTI。整个过程避免空口直接交互SUPI，保护用户信息安全。2.3

5G安全技术图2-45SUCI加密后注册2. 5G安全关键特性

5G密钥增强：当前网络中2G/3G/4G加密密钥长度为64bit或128bit，如图2-46所示。即使使用超级计算机解密，也无法破解128bit密钥，并且超级计算机仅少量国家的国家级实验室拥有，目前足够安全。2.3

5G安全技术图2-46当前密钥长度2. 5G安全关键特性

未来量子计算机可将破解对称密码算法的复杂度减半，因此可能在较短时间内破解当前基于128bit密钥的对称密码算法。故5G将密钥提升为256bit以增强保护能力，如图2-47所示。2.3

5G安全技术图2-47密钥增强2. 5G安全关键特性

用户面完整性保护：空口加密是指发送方使用协商的加密算法对消息进行加密，然后将加密后的消息发送给接收方，接收方使用协商的加密算法对加密的消息进行解密。4G网络空口用户面采用了加密，但未启用完整性保护。基于这样的事实，研究团队在实验室环境中展示了主动攻击者通过重定向DNS（域名系统）请求，然后执行DNS欺骗攻击，导致受害移动设备使用恶意DNS服务器，最终将受害者重定向到一个伪装的恶意网站，如图2-48所示。2.3

5G安全技术图2-48DNS欺骗攻击2. 5G安全关键特性 5G增加用户面完整性保护如图2-49所示，防止信息被篡改。2.3

5G安全技术图2-49用户面完整性保护2. 5G安全关键特性

切片安全：用户可以接入多个切片、切片管理权限开放给第三方等。针对非法访问和越权管理，网络切片面临的安全风险如图2-50所示。2.3

5G安全技术图2-50网络切片面临的安全风险2. 5G安全关键特性

为应对非法访问和越权管理，网络采用多重安全措施协同保障切片安全，如图2-51所示。2.3

5G安全技术图2-51切片安全保障2. 5G安全关键特性

通过资源按需预留、关键绩效指标（KeyPerformanceIndicator，KPI）监控等手段，确保有效的切片资源隔离，削减切片间相互影响如图2-52所示。2.3

5G安全技术图2-52切片资源隔离2. 5G安全关键特性

URLLC安全：为保障URLLC业务数据的低时延和可靠性，可以采用两个路径传输相同的数据，如图2-53所示。2.3

5G安全技术图2-53双通道连接2. 5G安全关键特性 mMTC安全：随着无线业务快速发展，基站需支持海量物联网连接，而大量物联网终端安全能力不足。攻击者可能会窃听和篡改IoT数据。为规避此风险，对于非频繁小数据（例如电表等），可以采用NAS信令传输小数据，基于UE与AMF之间的NAS保护方式，来保护非频繁小数据的传输。2.3

5G安全技术图2-54空口DDoS攻击2. 5G安全关键特性

为了规避此类风险，可以采用基于流控机制削减空口DDoS风险，如图2-55所示，当核心网负载过高时触发Overload机制，核心网将OverloadStart消息反压给基站，要求基站根据指定的无线资源控制（RadioResourceControl，RRC）建立原因值拒绝接入的业务，或者按比例流控接入的业务。过载消除后，通过Overloadstop