5G核心网技术.ppt

n 5G总体情况总体情况n 5G核心网网络架构及网元功能核心网网络架构及网元功能n 5G核心网核心网关键技术关键技术n 5G核心网演进思路核心网演进思路5G网络畅想￿•5G是移动网络面向数字化转型的契机，通过一张网络满足未来差异化业务需求•5G通过大数据、云计算技术使能移动网络能力的对外开放，使得5G实现业务面向平台化的运营核心DCMECGW-UUPCP本地MEC本地GW-U大规模天线超密集组网高频通信基站集中化部署灵活的无线接入，具备网络功能和信息开放能力统一硬件平台数字化平台大数据分析及能力开放可编程化网络动态数据安全保证接入CU边缘DC汇聚DC采用通用硬件，一张网络满足多样化业务需求网络平台级运营，灵活适配业务需求，满足能力开放用户面部署下沉，减小业务时延，降低传输网压力支持多制式统一接入与管理，实现异构组网5G网络技术升级l时隙结构优化l大规模天线l新型多址l高频段通信/全频谱接入l超密集组网l灵活双工（全双工）l新型多载波l终端直通技术l频谱共享lRAN侧的云化无线网l通用硬件lSDN/NFVlQoS机制l策略控制l网络切片l边缘计算l网络能力开放核心网移动通信系统标准演进2G3GIMT-20004GIMT-Advanced5GIMT-2020~1990~2000~2010~2020•10kbps-200kbps•语音和低速数据业务•300kbps-80Mbps•移动多媒体业务•100Mbps-1Gbps•移动宽带业务•1Gbps-20Gbps•多样化移动宽带及物联网业务l移动通信每十年出现新一代技术，通过关键技术的引入，实现频谱效率和容量的成倍提升，推动新的业务类型不断涌现l随着4G在全球范围内规模商用，5G已成为全球业界的研发焦点，制定全球统一5G标准已经成为业界共识标准进展2015201620182019核心网核心网NR￿SI2017NR￿R15￿WI￿￿NR￿R16￿WINGC￿SI￿NGC￿R15￿WIR16￿NGC￿WI无线侧无线侧3GPP3GPPITUITU5G技术性能需求与评估方法5G候选提案征集5G评估与方案确定WRC-15Release 15:满足eMBB以及URLLC的部分功能Release 16: 满足ITU定义的三大场景所有需求 冻结NSA标准Release 15:满足eMBB基本功能及EPC增强支持NR功能Release 16:满足网络切片所有功能•2017年12月完成NGC第一个版本(R15)制定：仅满足eMBB业务需求，不支持与2G/3G互操作完成EPC增强支持NR功能（Option-3）•2019年底完成NGC￿R16版本：支持网络切片，满足5G全业务需求核心网•2018年9月发布NR第一个版本(R15)，满足eMBB以及URLLC的部分功能•R15￿5G标准化加速，2017年12月冻结NSA标准•2019年底发布R16，满足5G全业务需求无线网5G移动通信需求u1.开放网络和基础设施能力,提升盈利能力u2.￿新的业务（移动互联网（高清视频，AR，VR，游戏）和物联网业务（车联网等））；大流量，低时延，大连接，快速灵活部署u3.￿降低运维成本；•峰值10G•均值1G•端到端<￿10ms•空口<￿1ms•百万连接•部署灵活•新的业务增长点5G高带宽低时延灵活开放大连接5G应用场景需求3大应用场景网络流量密度连接数密度时延移动性能效用户体验速率频谱效率峰值速率4G0.1Mbps/m210万/km2空口10ms350Km/h1倍10Mbps1倍1Gbps5G10Mbps/m2100万/km2空口1ms500Km/h100倍提升100M-1Gbps3-5倍提升20Gbps8个KPI指标5G网络演进需求独立扩容独立演进u网络架构演进除了业务需求之外，独立扩容、技术发展和独立演进也是驱动网络架构发生变化的三个重要发面虚拟化技术5G服务化网络架构控制转发分离•信令处理需求增加(用户数，连接数）,扩展控制面能力•流量增加，扩展转发面能力网元形态变化•不受限于体积，重量和功耗，以网元为中心向以功能服务为中心架构演进。

网元功能划分•原则上把经常变化的功能单元放在一起•大流量主要影响的是核心网的转发面•大连接影响移动性管理和连接管理•低时延，影响移动性管理，连接管理，转发面n 5G总体情况总体情况n 5G核心网网络架构及网元功能核心网网络架构及网元功能n 5G核心网核心网关键技术关键技术n 5G核心网演进思路核心网演进思路5G核心网网元（1）5G核心网网元核心网网元功能描述功能描述与与EPC网元网元对应关系关系Unified Data Management (UDM)- 支持ARPF- 支持存储签约信息- 支持5G功能增强后的其它签约数据类似于HSSAuthentication Server Function (AUSF)- 生成鉴权向量类于HSS的AuC功能Policy Control function (PCF)- 应用和业务数据流检测- QoS控制、额度管理、基于流的计费- 背景数据(Background data)传送策略协商 - 对通过NEF和PFDF从第三方AS配置进来的 PFD（Packet Filter Descriptor）进行管理- 数据流分流管理（不同DN）- 具备UDR(User Data Repository )前端功能以提供用户签约信息- 提供网络选择和移动性管理相关的策略（比如RFSP检索）- UE策略的配置（网络侧须支持向UE提供策略信息，比如：网络发现和选择策略、SSC模式选择策略、网路切片选择策略）类似于PCRF5G核心网网元（2）5G核心网网元核心网网元功能描述功能描述与与EPC网元网元对应关系关系Access and Mobility Management Function (AMF)- NG1接口终止、NG2接口终止- 移动性管理、SM消息的路由- 接入鉴权、安全锚点功能（SEA）- 安全上下文管理功能（SCM）类似于MMESession Management Function (SMF)- 会话管理、UP选择和控制- SM NAS消息终止- 下行数据通知类似于P-GW-CUser plane Function (UPF)- Intra-RAT移动的锚点- 数据报文路由、转发、检测及QoS处理- 流量统计和上报类似于P-GW-UNetwork Exposure Function (NEF)- 网络能力的收集、分析和重组- 网络能力的开放类似于SCEFNF Repository Function (NRF)- 业务发现，从NF实例接收NF发现请求，并向NF实例提供发现的NF实例的信息（被发现）全新网元，类似于增强DNS5G核心网架构图（3）5G核心网采用控制转发分离架构，同时实现移动性管理和会话管理的独立进行核心网采用控制转发分离架构，同时实现移动性管理和会话管理的独立进行用户面上去除承载概念，用户面上去除承载概念，QoS参数直接作用于会话中的不同流。

通过不同的用户面网元可同时建立多个不同参数直接作用于会话中的不同流通过不同的用户面网元可同时建立多个不同的会话并由多个控制面网元同时管理，实现本地分流和远端流量的并行操作的会话并由多个控制面网元同时管理，实现本地分流和远端流量的并行操作服务化模式服务化模式点对点模式点对点模式用户标识符Subscriber Permanent Identifier (SUPI) Permanent Equipment Identifier (PEI)5G Globally Unique Temporary Identity (5G-GUTI) <5G-GUTI> := <5G-TMSI> := <5G-S-TMSI> := <5G-TMSI>IMSIIMEI5G核心网状态模型n 5G核心网定义以下两种注册管理状态，用于反映UE与AMF间的注册状态：•去注册：此状态下，UE没有注册到核心网，AMF中的UE上下文不包含有效的位置或路由信息，即UE对AMF是不可达的•已注册：此状态下，UE注册到核心网，可以接受网络提供的业务 注册管理n 5G核心网定义以下两种连接管理状态，用于在UE和AMF间通过N1接口实现信令连接的建立与释放。

上述的信令连接用于实现UE和核心网之间的NAS信令交互，包含UE和AN间的AN信令连接以及UE所属的AN和AMF间的N2连接•空闲态：UE与AMF间不存在N1接口的NAS信令连接，不存在UE N2和N3连接UE可执行小区选择、小区重选和PLMN选择空闲态AMF应能对非MO-only模式的UE发起寻呼，执行网络发起的业务请求过程•连接态：UE所属的AN和AMF间的N2连接建立后，网络进入连接态连接管理注册管理状态图（注册管理状态图（UE&网络侧）网络侧）连接管理状态图（连接管理状态图（UE侧）侧）连接管理状态图（网络侧）连接管理状态图（网络侧）5G核心网移动性管理（1）5G移动性管理与3/4G下的移动性管理相比有很大的改变，为了满足RAN-CN功能解耦、垂直行业应用、大数据、能力开放等需求，5G移动性管理提出了灵活化、智能化的移动性管理能力，重点包含轻连接、区域监测和限制、以及用户行为特征三大方面轻连接区域监测和限制用户移动行为特征UERAN连接态/空闲态CN连接态/空闲态断开/连接断开/连接自由区域限制区域禁止区域终端￿￿网络行为统计及调整n 轻连接功能，即RAN和CN各维护一套对UE的连接状态，在CN保持UE连接态时，RAN有权是放空口已获得无线资源的释放，需要重点关注如下问题进行研究：• 实现最优的寻呼覆盖区域• 具有锚点的基站平滑切换行为• 长寻呼下的终端节能行为• 信令节省效果n 5G时代，将满足不同垂直行业的需求，不同垂直行业下的终端移动性行为差别很大；同时，用户基于时间、地点、业务等维度对其终端移动性管理也需要区分对待，已达到最优的网络交互效果•根据UE粒度进行移动管理策略的按需下发和修改•基于用户粒度的用户位置实时上报能力• 对不同区域进行业务接入的限制n 用户的与网络的交互行为（交互间隔、时长、数据量）往往与时间、地点、业务等属性相关。

5G网络中为了更好地利用网络资源，并保证用户体验，将对不同用户进行用户移动行为特征的统计、下发和修改，重点关注：• 用户移动行为特征的定义• 用户移动行为特征与移动性管理参数的映射关系•用户移动行为特征的下发和修改5G核心网移动性管理（2）n 5G核心网通过切换限制列表向无线接入网提供移动性限制信息，移动性限制信息包括：RAT限制、禁止区域和限制服务区域• RAT限制：定义了UE不允许接入的3GPP接入类型在受限RAT中，UE基于签约不允许发起任何与网络间的通信• 禁止区域：在指定接入类型的禁止区域，UE基于签约不允许发起任何与网络间的通信• 限制服务区域 - 许可区域：在指定接入类型的许可区域，UE基于签约可以发起与网络间的通信 - 非许可区域：在指定接入类型的非许可区域无论是处于空闲态或连接态的UE，都不允许发起UE触发的业务请求（Service Request）或会话管理信令来获得UE发起的用户业务UE可以执行周期性和移动性注册更新，如果UE没有注册，可以完成附着非许可区域内的UE应通过业务请求（Service Request）响应核心网的寻呼（Paging）消息 n 服务区域限制可能包括一个或多个完整的跟踪区域。

用户签约数据可以以跟踪区域标识来显式的标记许可区域或非许可区域许可区域也可以限制在最大许可的跟踪区数量，也可以配置为无限许可区域n UDM负责保存业务区域限制信息，PCF可以通过调整跟踪区域数量随时配置区域限制策略AMF将实时通知处于连接态的UE和RAN区域变更信息，对空闲态的UE，AMF可以通过寻呼（Paging）或暂存的方式，完成区域变更当发生AMF变更时，老的AMF将UE的服务区域限制告知新AMF 5G核心网会话管理（1）—￿总体描述n 5G核心网支持UE和数据网络间的PDU（Packet Data Unit）连接业务PDU连接业务通过PDU会话的形式来体现，PDU会话应UE请求而建立n 每个PDU会话支持单一的PDU会话类型，目前定义的PDU会话类型包括：IPv4, IPv6, 以太网(Ethernet)和Unstructured（UE和数据网之间交互的类型对5G网络透明）n PDU会话通过N1接口（UE和SMF间）的NAS SM信令实现建立、修改和释放的操作n SMF负责检查UE的请求是否与用户签约一致，因此SMF需要从UDM获取SMF方面的签约数据，主要包括：准许的PDU会话类型、准许的SSC模式等n 建立PDU会话时，UE应提供PDU会话标识，以及PDU会话类型、切片信息和数据网络名和SSC模式 n 经由3GPP或者非3GPP接入网，UE可与同一或不同数据网络同时建立多个PDU会话。

UE与同一个数据网络建立多个PDU会话，可以由不同的UPF（终结N6接口）提供服务建立了多个PDU会话的UE可以与多个SMF建立服务关系n 属于同一UE的不同PDU会话的用户面路径（AN到数据网络终接的UPF）可以是完全不相交的，即归不同的SMF管理并经过不同的UPFPDU 会话属性会话属性Slicing informationDNN (Data Network Name)PDU session TypeSSC modePDU session Id描述描述PDU Session的关键参数的关键参数建立建立PDU Session架构图架构图5G核心网会话管理（2）—￿支持多会话方案5G多多PDU会话功能会话功能为了支持流量疏导和业务连续性，SMF需控制PDU会话的数据路径，使得PDU会话可以与一个或多个N6接口关联，每个中介N6接口的UPF应支持PDU会话锚点功能支持PDU会话的每一个PDU会话锚点为同一数据网络提供不同的接入n 方案一：插入上行分类功能针对IPv4、IPv6和以太网的PDU会话，SMF可以决定给会话的数据路径插入上行分类标记（UL CL），按SMF提供的流量模板匹配业务留的UPF支持UL CL功能。

ULCL提供到不同PDU锚点的业务流前转和下行数据流汇聚功能UL CL功能插入在网络侧UPF上，UE无感知n 方案二：Multi-home功能PDU会话可以与多个IPv6前缀关联，即multi-homed PDU会话PDU会话将提供多个IPv6 PDU锚点来接入数据网络不同用户平面路径的IP锚点引出特定的支持“Branching点”的UPF功能Branching点”提供到不同IP锚点的上行流量，汇聚到UE的下行流量UE来决定不同应用数据包与不同IPv6地址的绑定关系方案一：插入方案一：插入UL CL功能功能方案二：方案二：Multi-home功能功能5G核心网会话管理（3）￿—￿SSC模式选择Ø SSC模式模式1：：Session对应的UPF始终不变Ø SSC模式模式2：：UPF服务一定的区域，当终端离开该区域后，使用新的UPF先释放掉原有Session在选择新的UPF进行重建SessionØ SSC模式模式3：：允许为同一DN选择新的UPF，可以同时有两个激活的连接，能够保持业务的连续性先建立新的Session,然后将Session迁移到新Session的UPF上SCC Mode3业务连续性（SSC）种类n 5G总体情况总体情况n 5G核心网网络架构及网元功能核心网网络架构及网元功能n 5G核心网核心网关键技术关键技术n 5G核心网演进思路核心网演进思路5G￿QoS机制n5G系统中采用QoS Flow ID（QFI）来标识QoS流。

一个PDU会话中QFI保持唯一，具有相同QFI的用户面业务流获得相同的转发处理方式QFI封装在N3接口报头内，可以被用于不同类型的净荷，如IP数据包、非IP数据包和以太网帧n 每一个QoS流（GBR and 非GBR）包含下列QoS参数• 5G QoS Indicator (5QI)• Allocation and Retention Priority (ARP)• Guaranteed Flow Bit Rate (GFBR)——上行和下行• Maximum Flow Bit Rate (MFBR) ——上行和下行• Notification controlØ对对A-type QoSA-type QoS流流，所有的需要的QoS文档（即QoS参数）或者在PDU会话建立时，或者在PDU会话的用户面激活时，通过N2接口发送到RAN，无需额外的QoS信令Ø 对对B-type QoSB-type QoS流流，所有需要的QoS文档（即QoS属性和QoS参数）通过N2、N7和N11接口发送到RANB-type QoS流可以在PDU会话中通过信令动态的增加和移除 n 5G QoS参数分为参数分为A-Type和和B-Type两种两种5G策略控制ü 5G PCC架构在引入PFDF网元进行业务识别规则和路由路径的统一管理，并向第三方开放识别规则信息的添加、更新和删除能力以及加密流量识别能力ü 引入NWDA模块，专注于大数据分析，提供PCF和NWDA之间的接口进行数据的上报和策略建议的下发ü 5G PCC规则将区分MM和SM类型，并采用两个独立的接口分别与AMF和SMF进行交互•1）PCF(Policy Control Function)必须支持与AMF、SMF、NEF、AF、OCS之间的接口•2）PCF能够正确接受和处理来自AMF、SMF、NEF、AF、OCS的策略请求•3）PCF能够提供应用和业务数据流检测规则、门控、QoS和基于流的计费规则给SMF•4）策略架构能够通过NEF和PFDF管理来自第三方AS的应用和业务数据流描述模板（PFD）。

PFDF能够下发应用和业务数据流描述模板（PFD），准确识别业务并关联从PCF下发的其它相应的PCC规则•5）策略架构支持通过NEF与第三方AS协商background data transfer 策略•6）PCF须提供UDR前端设备以提供与策略生成相关的签约信息•7）通过N6接口实现向DN侧业务分流•8）PCF必须支持与AMF的接口 PCF关关键能力能力网络切片技术ü网络切片功能包括切片管理器，切片选择功能，共享切片或独立切片实体，切片的虚拟化管理与编排功能üUE获取NSSAI，可以配置或者AMF分配￿￿￿￿￿￿NSSF功能独立网络切片技术n 网络切片分为公共部分和独立部分•公共部分是可以共用的功能，一般包括签约信息、鉴权、策略等相关功能模块•独立部分是每个切片按需定制的功能，一般包括会话管理、移动性管理等相关功能模块n 为了能够正确的选择网络切片，3GPP协议中引入了S-NSSAI（单一网络切片选择辅助信息）标识，S-NSSAI包括：• 切片业务类型（SST），指示所需切片的业务特性与业务行为• 切片租户标识（SD），在切片业务类型的基础上进一步区分接入切片的补充信息n UE可提供网络切片选择的信息，以网络侧的决定为准UEUEUE共有切片垂直应用1鉴权切片选择策略公有切片公有切片会话管理移动性管理管理用户面垂直应用2垂直应用2私有切片私有切片…………5G网络切片架构图网络切片架构图从业务需求向网络能力需求的匹配，以生成自定义网络切片基于商业模式的业务需求输入自动化的网络功能配置和实例化，以及热上线部署Local￿DC汇聚DC核心DCCO￿/￿边缘DC回传网骨干网NFVO(虚拟资源分配)NG￿EMS(业务数据配置)个性化网络切片设计切片3UPCPCDNDRANCRANAPP需求匹配拓扑关联MobilitySessionAccess……CO/边缘DCChargingQOS切片2UPCPCDNDRANCRANAPP切片1UPCPCDNDRANCRANAPP部件选择业务需求网络能力需求转发流图定制NFVO￿￿￿￿OSS￿￿￿￿CN￿￿￿￿RAN网络切片自定义运营商基础切片蓝图切片服务设计eMBB增强的移动宽带uMTC低延迟高可靠mMTC海量连接机器通信……5G网络切片设计网络切片部署汇聚DC核心DC边缘计算技术边缘计算，也称Edge Computing（EC），技术使得运营商和第三方业务能够部署在靠近UE附着的接入点，因而能降低端到端时延和传输网的负载，实现高效的业务交付。

5G5G核心网支持边缘计算的能力包括：核心网支持边缘计算的能力包括：• 本地路由：5G核心网选择UPF引导用户流量到本地数据网络• 流量加速：5G核心网选择需引导至本地数据网络中应用功能的业务流量• 支持会话和业务连续性，支持QoS与计费 • EC服务兼容移动性限制要求• 用户面选择和重选，如基于来自应用功能的输入网络能力开放l5G网络将构建端到端的业务域、平台域和网络域的能力开放基于SCEF的网络能力开放架构4G-5G核心网互操作n为了支持5GC和EPC的互操作，以实现语音等时延敏感业务的无缝切换，需要支持Nx接口为了简化信令交互，引入复合网元PCF+PCRF、SMF+PGW-C、UPF+PGW-U、HSS+UDM来实现更简便的无缝切换复合网元用于在切换过程中对相关的UE信息、策略、MM上下文、SM上下文、QoS等信息进行直接的映射，避免了更多的交互过程n UE支持“单注册”模式• 为了5G核心网与EPC进行互操作，UE必须支持“单注册”模式• 在单注册模式下，UE在任意时间点上只有一个激活的移动性管理状态（5GC的RM状态或EPC的EMM状态），在5GC NAS模式或EPC NAS模式下进行工作。

类似的，网络侧在AMF或MME上维护该状态UE须维护对5GC和EPC的“单注册”行为• 为了支持“单注册”模式下的移动性管理，Nx接口（AMF和MME）为必选接口以满足5G语音无缝切换的需求n 5G总体情况总体情况n 5G核心网网络架构及网元功能核心网网络架构及网元功能n 5G核心网核心网关键技术关键技术n 5G核心网演进思路核心网演进思路5G引入模式演进场景区分SA演进分析NSA演进分析核心网演进思路(v)EPC+LTE+NR5GCoreNR(v)EPC+LTE+NR5GCoreLTE+第一阶段第一阶段Ø升级EPC网络，对接LTE和NRØ重点实现控制转发分离，Ø采用虚拟化技术实现vEPCØ主要针对部分eMBB业务第二阶段第二阶段Ø在原有的EPC增强的基础上实现PGW-C/U、HSS、PCRF等平滑升级支持NGC，实现上述网元的供设Ø新建5G￿AMF网元与MME实现对接，支持与EPC的无缝切换Ø实现网络架构的搭建，承载部分专网业务第三阶段第三阶段Ø扩建5G核心网并支持接入所有4G和5G基站Ø逐步淘汰专有硬件的EPC网元Ø将vEPC资源释放，实现NGC网元重构Ø将大部分eMBB￿、￿mMTC和URLLC等业务迁移到5G网络5G核心网发展兼顾EPC演进和NGC部署两种情况，选择EPC还是直接上NGC，取决于如下因素：1）￿3GPP核心网标准及产品成熟度（预计2018年Q4成熟）2）RAN产品成熟度和部署策略（若NR先于NGC成熟则考虑优选EPC增强，反之建议直接上NGC）3）SDN/NFV基础设施部署成熟度（5G核心网需要通过NFV/SDN基础设施上实现“自上而下”￿按需、灵活的网络切片定制）4）IMS语音成熟度（5GC必须且只支持VoLTE语音业务）。