5G核心网技术

5G总体情况5G核心网网络架构及网元功能5G核心网关键技术5G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时隙结构优化大规模天线新型多址高频段通信/全频谱接入超密集组网灵活双工（全双工）新型多载波终端直通技术频谱共享RAN侧的云化无线网通用硬件SDN/NFVQoS机制策略控制网络切片边缘计算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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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NRSI2017NRR15WINRR16WINGCSINGCR15WIR16NGCWI无线侧3GPPITU5G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-15Release15:满足eMBB以及URLLC的部分功能Release16:满足ITU定义的三大场景所有需求冻结NSA标准Release15:满足eMBB基本功能及EPC增强支持NR功能Release16: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NGCR16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•R155G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1.开放网络和基础设施能力,提升盈利能力2.新的业务（移动互联网（高清视频，AR，VR，在线游戏）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3.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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5G总体情况5G核心网网络架构及网元功能5G核心网关键技术5G核心网演进思路5G核心网网元（1）5G核心网网元功能描述与EPC网元对应关系UnifiedDataManagement(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HSSAuthenticationServerFunction(AUSF)-生成鉴权向量类于HSS的AuC功能PolicyControlfunction(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(Backgrounddata)传送策略协商-对通过NEF和PFDF从第三方AS配置进来的PFD（PacketFilterDescriptor）进行管理-数据流分流管理（不同DN）-具备UDR(UserDataRepository)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PCRF5G核心网网元（2）5G核心网网元功能描述与EPC网元对应关系AccessandMobilityManagementFunction(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MMESessionManagementFunction(SMF)-会话管理、UP选择和控制-SMNAS消息终止-下行数据通知类似于P-GW-CUserplaneFunction(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-UNetworkExposureFunction(NEF)-网络能力的收集、分析和重组-网络能力的开放类似于SCEFNFRepositoryFunction(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DNS5G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UE(R)ANUPFAFAMFSMFPCFUDMDNN6N1NRFNEFN3N2N4AUSFNausfNamfNsmfNpcfNnrfNnefNudmNafAMFPCFUE(R)ANUPFDNN13N7N3N6N2N4N1AFN5SMFN11N9AUSFN8N12UDMN10N14N15服务化模式点对点模式用户标识符SubscriberPermanentIdentifier(SUPI)PermanentEquipmentIdentifier(PEI)5GGloballyUniqueTemporaryIdentity(5G-GUTI)5G-GUTI:=GUAMI5G-TMSIGUAMI:=MCCMNCAMFRegionIDAMFSetIDAMFPointer5G-S-TMSI:=AMFSetIDAMFPointer5G-TMSIIMSIIMEI5G核心网状态模型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RM-REGISTEREDRegistrationAcceptDeregistrationRegistrationRejectRegistrationRejectRegistrationUpdateAcceptRM-DEREGISTERED注册管理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UEN2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CM-CONNECTEDANsignalingconnectionestablished(InitialNASmessage)ANsignalingconnectionreleasedCM-IDLECM-CONNECTEDN2ConnectionestablishedN2ConnectionreleasedCM-IDLE注册管理状态图（UE&网络侧）连接管理状态图（UE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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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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）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（ServiceRequest）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（ServiceRequest）响应核心网的寻呼（Paging）消息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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