5G系統的總體架構模型和原則

2017年12月底，3GPP架構工作組，即SA2宣布，經過兩年的努力，3GPP Release 15已經完成了5G系統架構的標準規範——為商用5G系統定義了特徵集、功能和業務需求（包括由信息流確定的動態行為）。TS 23.501, TS 23.502 and TS 23.503詳細描述了這些特徵集、功能和業務需求。

5G stage 2 level標準規範包括了總體架構模型和原則，eMBB數據業務，用戶鑒權和業務（service）使用授權，對一般性應用（application）和與邊緣計算或射頻有關的特定應用（application）的支持。5G stage 2 level標準規範支持IMS，包括特定的緊急業務和監管業務。而且，從一開始，5G系統架構模型就支持使用不同的接入系統，比如固定網路接入或WLAN，來統一實現用戶業務員。5G系統架構提供了與4G網路的互通和基於4G網路的演進、網路能力展現，和許多其它功能。

一，5G用戶案例

5G支持的用戶案例包括：

1， 增強的移動寬頻

2， 車聯網

3， 增強的多媒體

4， 海量物聯網

5， 高可靠、低時延應用

6， 固定無線接入（早期的5G部署）

增強的移動寬頻（eMBB）的特徵是在特定的位置——比如人流密集場所、辦公區域、高速公共交通設施——提供大覆蓋範圍的寬頻數據接入。它提供最佳的室內和室外用戶體驗，即便在惡劣的網路條件下都能夠實現高QoS的寬頻連接。多用戶交互、增強現實、背景識別是這類用戶案例的基本特性。

車聯網是5G網路的重要驅動力量。這類用戶案例必須支持先進的安全應用以減少道路事故，提高交通效率，舒緩交通壓力。這些應用需要一個協調框架，其特性是支持告警信號的超低時延、車輛——交通設施見視頻信息共享的高數據速率、高移動性、高可靠性和靈活擴展性。

增強的多媒體用戶案例的目標是提供在任何場所提供高解析度視頻，以滿足日益增長的用戶視頻需求。目標用戶是媒體、付費電視運營商、新內容製造者、內容批發商和OTT提供商的常客。近期部署的基於多樣化終端的4K、8K 3D視頻、HD電視、流媒體服務和互動式視頻，是這類用戶案例的驅動因素。

海量物聯網用戶案例主要解決新興的LPWA（低功率大區域）對低成本設備、覆蓋擴展和長時間電池使用的需求。這類用戶案例包括了海量的設備，比如感測器、執行器、相機，等等。

高可靠、低時延應用的用戶案例是物聯網應用中，對可靠性、實用性和低時延有著非常高要求的重點保障IoT應用。這類用戶案例的設備數量不多，但是用戶的商業價值很大。時延要求往往在0.5毫秒到5毫秒之間。這類用戶案例也被歸到mission-critical MTC一類，包括實時控制、工業流程自動化和製造、能源分配、智能交通系統等。

二， 基於業務的架構

與前幾代通信系統相比，3GPP 5G系統完全是基於業務（service）的。這意味著，無論在哪裡，只要適合，架構元素（architecture elements）就被定義成網路功能（network function）——這些網路功能經由一個公共框架的介面，來為任何其它網路功能（network function）提供自身具有的業務，只要這些網路功能（network function）被允許使用這些被提供的功能。網路倉儲功能（Network repository functions，NRF）允許每一個網路功能發現其它網路功能提供的業務。這種架構模型——進一步採取了網路功能的類似模塊化、可重用性和自足性等原則——使得網路部署能夠充分利用最新的虛擬化和軟體技術。相關的基於業務的架構圖通過顯示網路功能，特別是核心網路功能，描述了基於業務的原則。基於參考點（reference point）的架構圖也是由stage 2規範——它更加詳盡地說明了提供系統級功能的網路功能（NF）之間的互通，以及不同PLMN之間的不同網路功能（NF）的互通——作出規定。

下圖顯示了其中一個基於業務的架構圖；它適用於本地疏導（local breakout）方式的漫遊場景，即漫遊UE在拜訪地網路（VPLMN）直接與數據業務網接通，而歸屬地網路（VPLMN）為UE提供簽約信息 (UDM)，簽約鑒權(AUSF) and UE的相關策略(PCF)。和4G網路一樣，用戶平面（UPF）的控制面和用戶面是分開的。安全代理（SEPP）負責保護不同PLMN之間的互通。

在本地疏導（local breakout）場景中，UE獲得當前服務區域內的運營商PLMN提供的業務。而Home-routed數據業務是另一種漫遊場景——提供歸屬地運營商的網路功能，而UE與歸屬地網路HPLMN的數據網路（DN）接通。

基於業務的原則應用於核心網路的網路功能（NF）控制平面之間。進一步地，5G系統架構允許網路功能（NF）在數據儲存功能（Data Storage Functions，DSF）儲存上下文背景（context）信息。從一個AMF釋放UE的專用「接入網——核心網」傳輸關聯，並且與另一個AMF關聯的功能 使得也可以為AMF分開儲存數據。早期系統的UE專用傳輸關聯更為持久，因此改變UE的服務節點更為複雜。5G的新功能簡單地改變服務UE的AMF instance。它也支持AMF彈性恢復和負載均衡。

三， 公共核心網

為了支持和啟用已知和未知的用戶實例，5G網路定義了一種新的核心網路。這個新核心網路被稱為5G下一代核心網（NG-Core或者NGC），和5G NR（New Radio）一起工作。Release 15考慮了兩種架構建議——基於參考點的架構和基於服務(service)的架構。最後，3GPP選擇了基於服務(service)的架構來設計5G NGC，而網路功能之間的互通是通過兩種方法來表示：1，5G控制平面內的網路功能,2，位於RAN的與5G控制平面連接的網路功能。5G控制平面內的網路功能進行互通時，應該只使用基於服務(service)的介面。這與LTE網路架構不同；LTE網路中，所有的核心網網元都有一個參考點表示法。參考點介面仍然在控制平面和無線中存在。除了基於服務(service)的架構，5G網路還包含了另外兩個新概念：「控制平面/用戶平面(CP/UP)」分離，和網路切片。

主要的網路功能NF和它們的能力描述如下：

Authentication Server Function (AUSF)

1， 主要包含了EAP鑒權服務區功能；

2， 密鑰的存儲

Core Access and Mobility Management Function (AMF)

1， RAN控制面介面（N2介面）的終結點；

2， UE鑒權和接入安全性；

3， 移動性管理（空閑態/激活態下的移動狀態處理）

4， SMF選擇

5， NAS信令，包括NAS加密和完整性保護，終結移動性管理（MM）NAS，轉發會話管理（SM）NAS（N1介面）

6， 向RAN發送/接收來自RAN的移動性管理（MM）信息的N2信令，以及轉發N2 會話管理（SM）信息，比如QoS。

7， NSSF選擇

Data Network (DN)

1， 服務提供

（1） 運營商服務

（2） 互聯網服務

（3） 第三方服務

Network Exposure Function (NEF)

1， 當服務或者Application Functions (AF)接入5G核心網節點時提供安全性；

2， 可以被認為是一個代理或者API匯聚點，或者接入核心網的翻譯器

NF Repository Function (NRF)

1，提供網路功能（NF）instance的檔案，和它們在這個網路內支持的服務；

Policy Control Function (PCF)

1， 與4G中的PCRF類似

2， 增加了5G標準中基於移動性的策略

Session Management Function (SMF)

1， 會話管理SM的NAS處理；

2， 通過AMF向接入網發送QoS/策略 N2信息；

3， 空閑態/激活態識別

4， UE的IP地址分配和管理

5， 策略和計費（線下/線下）介面終結；

6， 合法監聽

7， 用戶平面選擇和N4介面的終結；

Unified Data Management (UDM)

1，類似於Release 14 EPC中的HSS

User Plane Function (UPF)

1， 提供起到降低5G時延作用的多種配置

2， 能在核心網路內被分配，也可以在用戶側被分配；

3， 同一RAT或不同RAT的移動性管理的錨點

4， 互通的外部IP點

5， 用戶平面的QoS處理

6， 分組包視察和PCC規則增強

7， 合法監聽（用戶平面收集）

8， 漫遊介面（用戶平面）

9， 流量計數和報告

功能塊的通用設計和前向兼容的接入網——核心網介面使得5G公共核心網可以和不同的接入網一起運營。在3GPP Release 15，已經有了3GPP定義的NG-RAN和非信任WLAN接入。其它接入系統的研究將在今後的release中展開。5G系統架構允許相同AMF為兩個接入系統服務，因此也能實現3GPP接入和非3GPP接入之間的無縫移動。分開的鑒權功能結合統一的鑒權框架，使得能夠根據不同用戶場景的需要，比如不同的網路切片（slice），定製用戶鑒權方式。

四 網路切片Network Slicing

下一代5G網路將迎合廣泛的新業務機會，其中有些甚至還沒有形成明確的概念。5G網路將提供對領先的移動寬頻業務，比如大眾媒體分發業務的支持。諸如遠程機械操控、遠程外科手術和智能抄表等應用都需要網路連接，但是具有明顯不同的網路服務特徵。有能力提供定製化的網路連接將給很多產業帶來益處，使其能夠快速地將新產品和服務投向市場。但是，未來的網路將如何為人們和企業提供恰當的平台，和恰當標準的網路連接呢？

5G系統架構的一個獨特的關鍵特點是網路切片（Network slicing）。之前的幾代通信系統通過專用的核心網路，部分支持實現了這個特點。與之相比，5G的網路切片（Network slicing）是一個更為強大的功能，包括了整個PLMN。在5G系統架構中，一個網路切片（Network slicing）代表了3GPP定義的特徵和功能集，形成了一個完整的PLMN，為UE提供業務。網路切片（Network slicing）允許從特定的網路功能中，可控地組成一個PLMN，並且提供一個特定使用場景所需要的業務。

早期的系統架構的做法是只有單一的PLMN部署，來為所有需要的使用場景提供所有的特性、能力和業務。這個單一、公共的PLMN部署提供的許多能力和特性，事實上只為一部分PLMN用戶/UE所需要。網路切片（Network slicing）使得運營商能夠多個相互獨立的PLMN，每個PLMN都通過僅僅具現化（instantiating）滿足所服務的用戶/UE子集或相關商業用戶的需求的特性、能力和業務，而加以定製。

下面的抽象圖展示了一個部署了四個網路切片的PLMN實例。每個網路切片都包括了組成一個完整PLMN的所有必須組件。有兩個網路切片用於智能手機說明，運營商也許需要部署多個特性、能力和業務都完全一樣，但是專用於不同的業務板塊，因UE數量和流量不同因此具有不同的容量的網路切片。其它網路切片表示，運營商可以提供不同的特性、能力和業務。比如，M2M網路切片能夠提供不同於智能手機網路切片的UE低電池消耗的特性，同時意味著為智能手機用戶所不同容忍的大時延特性。

基於業務的架構和網路軟體化、虛擬化一起帶來了更大的靈活性，使得運營商能夠快速響應用戶的需要。運營商可以根據需要的功能、特性、有效性和容量，部署專用的和定製化的網路切片（network slices）。具有代表性地，這樣的部署將基於一個服務水平協議（SLA）。而且，運營商能夠通過應用虛擬化、公共的平台基礎設施和管理基礎設施而獲益；這些公共的平台基礎設施和管理基礎設施能同時用於3GPP定義的網路能力，和非3GPP定義，但是運營商希望或者需要在自己的網路領域部署。這使得相同的資源可以因為需求和優先順序隨時間的變化而靈活分配。

下圖中說明了3GPP網路切片的更多功能。在圖中，網路切片#3是直接的部署，即所有的網路功能都只為一個網路切片服務。這張圖還顯示了UE接收到來自多個網路切片，#1和#2的業務。在這樣的部署中，存在著為幾個網路切片服務的公共網路功能，包括AMF和與其相關的PCF（policy control）、NRF（network function services repository）。這是因為每個UE上只有一個接入控制和移動性管理的instance，對UE上的所有業務負責。用戶平面的業務，特別是數據業務，能夠經由多個、彼此分隔的網路切片而獲得。在圖中，切片#1為UE提供數據網路#1的數據業務，而切片#2為UE提供數據網路#2的數據業務。通過為UE中所有業務服務的公共接入功能塊和公共移動控制功能塊互通，這些切片和數據業務彼此獨立，互不影響。這就使得剪裁每個切片成為可能，比如為了不同數據業務的不同QoS，或者不同的應用功能——這些剪裁都取決於策略控制框架提供的方法。

五 應用支持

應用支持的基礎是為用戶定製提供更多的靈活性（相比較之前幾代的通信系統）的數據業務（data services）。其主要組成部分是3GPP 5G系統架構中的新QoS模型，能夠在高效利用無線資源的同時，讓差異化的數據業務來支持多樣的應用需求。而且，它被設計成支持不同的接入網路，包括QoS不需要考慮額外信令的固定接入方式。而QoS信令的多種選項提供了更多的靈活性和QoS顆粒度。而且，通過新引入的Reflective QoS ，5G支持在控制平面信令最小化基礎上的上行鏈路和下行鏈路的對稱QoS差異化。

提供數據連接的功能中的很大一部分是為了支持邊緣計算所需要的網路拓撲中的應用功能的靈活部署——它經由，比如說，3個不同那個的SSC（Session and Service Continuity）模式，或Uplink Classifiers 和Branching Points功能，而獲得支持。

SSC模式包括了更傳統的模式SSC1——IP錨點保持穩定以為應用提供持續支持，並在UE位置更新時保持通向UE的路徑。新的模式允許重新安置IP錨點。有兩種選項，先建後拆 (SSC mode 3) 和先拆後建 (SSC mode 2)。這個架構使得應用能夠去影響恰當的數據業務特徵的選擇和SSC模式。

由於5G網路部署被期望服務于海量的移動數據流量，一個高效的用戶平面路徑管理是至關重要的。除了SSC模式，5G系統架構定義了Uplink Classifiers 和Branching Points功能，允許在IP錨點前，有選擇性地疏導和注入來自或者去往應用功能的用戶平面的流量。同樣，只要政策允許，應用功能可以通過提供與優化流量路由有關的信息，而與網路更好地合作。

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