5G核心网架构详解：从设计原则到关键网元

5G核心网架构详解：从设计原则到关键网元

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/Yolandalt7777777/article/details/105852009

5G技术作为新一代移动通信技术，其核心网架构的设计理念和实现方式与4G相比发生了重大变革。本文将从网络组成与设计原则出发，详细解析5G核心网的架构设计、关键网元功能以及整体逻辑架构，帮助读者全面理解5G核心网的技术特点和创新之处。

1. 网络组成与设计原则

1.1 组成

5G网络主要由接入网、承载网、核心网和空口四部分组成。其中，接入网负责数据的接入，承载网负责数据的传输，核心网则扮演着“管理中枢”的角色，负责数据的管理和调度。

1.2 5G网络架构设计的原则

5G网络架构设计遵循四大原则：

1. 灵活：满足不同业务需求（超高可靠、超低时延），支持以用户为中心的组网模式（个人、企业、M2M），并能快速引入新功能。
2. 高效：降低数据传输成本，易于扩展；简化状态和信令。
3. 智能：实现资源自动分配和调整，支持网络自配置和自优化。
4. 开放：突破软硬件耦合限制，向第三方开放网络能力，打造新的生态环境和创新盈利点。

同时，5G网络还采用了四维架构（4D-Architecture）：

1. 转发分离化（Seperated）：基站的C/U分离、网关的控制转发分离
2. 网络虚拟化（Virtualized）：小区逻辑虚拟化，网元功能虚拟化
3. 功能模块化（Modularized）：网元功能原子/模块化，按需组合
4. 部署分布化（Distributed）：支持分布式的网元部署，内容分布更靠近用户

2. 5G核心网架构

2.1 架构介绍

2018年，我国提出了SBA（Service Based Architecture，基于服务的架构）的概念，将网络功能定义为多个相对独立可被灵活调用的服务模块。5G网络采用开放的服务化架构（SBA），NF（Network Function，网络功能）以服务的方式呈现，任何其他NF或者业务应用都可以通过标准规范的接口访问该NF提供的服务。

• 非漫游时的5G系统架构参考模型（基于业务，SAB）：采用基于业务接口(service-based)的表现形式，也叫SBA架构。图中的Nxxx就是基于业务的接口SBI(servec based interface)，采用HTTP/TCP协议。
• 非漫游下5G系统的架构模式（基于参考点）：采用参考节点的表现形式，这是最基本的架构。

5G网络架构借鉴IT系统服务化和微服务化架构的成功经验，通过模块化实现网络功能间的解耦和整合，解耦后的网络功能可独立扩容、独立演进、按需部署；控制面所有NF之间的交互采用服务化接口，同一种服务可以被多种NF调用，降低NF之间接口定义的耦合度，最终实现整网功能的按需定制，灵活支持不同的业务场景和需求。

2.2 5G核心网网元介绍

5G核心网由多个关键网元组成，每个网元都有其特定的功能：

1. AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移动管理功能）：类似于4G的MME，负责RAN信令接口（N2）和NAS（N1）信令的管理，包括注册、接入、移动性管理、鉴权、短信等功能。
2. SMF（Session Management Function，会话管理功能）：负责会话的建立、修改、释放，UE IP的分配管理，ARP代理等功能。
3. UPF（User Plane Function，用户面管理功能）：类似于4G下的GW（SGW+PGW），主要负责数据包的路由转发、Qos流映射。
4. PCF（Policy Control Function，策略控制功能）：管理网络行为，提供策略规则，访问统一数据仓库（UDR）的订阅信息。
5. NEF（Network Exposure Function，网络业务呈现功能）：将3GPP网元的能力呈现给其它网元，提供安全保障和相关信息转换。
6. NRF（NF Repository Function，NF贮存功能）：支持业务发现功能，维护可用网元实例的特征和其支持的业务能力。
7. UDM（Unified Data Manager，统一数据管理）：存储和管理5G系统的永久性用户ID（SUPI），订阅信息管理等。
8. AUSF（Authentication Server Function，鉴权服务器功能）：支持3GPP接入的鉴权和untrusted non3GPP接入的鉴权。
9. UDR（Unified Data Repository，统一数据仓库）：负责存储和读取订阅数据、策略数据等。
10. SMSF（SMS Function，短信功能）：负责短信功能。
11. （R）AN（Access Network）：接入网，可以是3GPP的接入网（如LTE、5G-NR），也可以是non-3GPP的接入网（如WiFi接入）。

3. 5G核心网系统架构主要特征

与4G核心网EPC相比，5G核心网在基本功能上保持一致，但在实现方式和技术手段上进行了革新，主要体现在：

1. 移动性管理（AMF）和会话管理（SMF）分离
2. 承载与控制分离
3. AMF和UPF的部署可根据业务需求灵活调整
4. 采用服务化架构设计，网元功能模块化
5. 控制面网元之间使用服务化的接口进行交互

5G核心网架构的主要特征包括：

1. 承载和控制分离：可独立扩展和演进，灵活部署
2. 模块化功能设计：支持网络切片
3. 网元交互流程服务化：按需调用，服务可重复使用
4. 支持统一的鉴权框架
5. 支持无状态的网络功能
6. 基于流的QoS：简化架构，提升处理能力
7. 支持本地集中部署的业务大量并发接入

4. 5G网络逻辑架构

4.1 新型基础设施平台

5G新型设施平台的基础是网络功能虚拟化(NFV)和软件定义网络(SDN)技术：

• NFV技术：通过软件与硬件的分离，为5G网络提供更具弹性的基础设施平台，实现控制面功能可重构。
• SDN技术：实现控制功能和转发功能的分离，有利于全局视角的网络资源感知和调度。

4.2 逻辑架构

5G网络逻辑架构包含接入、控制和转发三个功能平面：

• 接入平面：包含各种类型基站和无线接入设备，支持快速灵活的无线接入协同控制。
• 控制平面：实现集中控制功能和简化的控制流程，面向差异化业务需求提供定制化网络资源。
• 转发平面：包含用户面下沉的分布式网关，集成边缘内容缓存和业务流加速等功能。

5G网络架构通过NFV和SDN技术，实现了网络功能的重构和优化，能够更高效地满足低时延、大容量和高速率的业务需求。同时，通过将业务存储和计算能力从网络中心下移到网络边缘，进一步提升了网络性能和用户体验。