5G系统结构_system architecture for the 5g system (5gs). 3gpp

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5G系统结构

摘要

文本介绍3GPP 5G系统架构，并重点介绍了其主要特点和特征。

关键词：3GPP，系统架构，5G

1 简介

定义3GPP 5G系统架构的里程碑是在2017年底实现的。两年内，3GPP 5G架构工作从2016年的研究阶段发展到提供一个整套阶段2级别的规范。截止到这一里程碑实现的时间，3GPP在R15中定义了5G系统架构，提供部署商用5G系统所需的3GPP 5G第1阶段特性和功能。整个5G系统架构详细介绍了特性、功能和服务，包括由信息流定义的动态系统行为。

本文简要介绍了5G系统架构，重点介绍了它的一些主要特性。 本文于2017年12月首次在3GPP.org上发布。完整的描述由3GPP规范TS 23.501 [1]，TS 23.502 [2]和TS 23.503 [3]提供。

R15中定义了5G整体架构模型和原理，规范了宽带数据服务支持、用户认证和服务使用授权、一般应用支持等，特别地规范了对更接近无线侧的边缘计算的支持。它对3GPP IP多媒体子系统的支持还包括紧急和监管服务规范。此外，5G系统架构模型从一开始就规范了实现不同接入系统用户服务的统一形式，例如固定网络接入或互通WLAN（interworked WLAN，指WLAN与5G的互通）。R15中定义的5G系统架构提供与4G的互通和迁移、网络功能暴露（network capability exposure）和许多其他功能。

2 服务架构

与前几代移动通信系统不同的是，3GPP 5G系统架构是基于服务的。这意味着架构元素在任何适合的位置被定义为网络功能，通过基于通用架构的接口向任何被允许的网络功能提供服务。网络存储功能（Network Repository Function，NRF）允许每个网络功能发现其他网络功能提供的服务。这种架构模型进一步在用模块化、复用和自包含等网络功能原则，旨在使部署能够利用最新的虚拟化技术和软件技术。TS 203.501[1]中相应的基于服务的架构图通过显示网络功能（主要是核心网功能）及其与系统其余部分的单个互联来描述那些基于服务的基本原则。阶段2的规范同样提供了基于参考点的架构图，其更具体地表现了用于提供系统级功能的网络功能之间的交互，以及跨各种网络功能的PLMN之间互联。在3GPP规范的语境内，公共陆地移动网络（Public Land Mobile Network，PLMN）通常表示基于3GPP标准的网络。各种建构图可参见[1]。

图1显示了一个基于服务的5G系统架构图，用于本地分汇（local breakout）漫游场景，即漫游UE访问受访网络（VPLMN）中的数据网络（Date Network，DN），归属网路（HPLMN）提供来自统一数据管理（Unified Data Manamgement, UDM）和认证服务功能（Authentication Server Function, AUSF）的订阅信息以及来自策略管理功能（Policy Control Function, PCF）的用户特有策略。网络切片选择功能（Network Slice Selection Function, NSSF）、接入控制和移动管理功能（Access control and Management Function, AMF），数据会话管理功能（Session Management Function, SMF）和应用功能（Application Function, AF）有VPLMN提供。用户面功能（User Plane Function, UPF）提供的用户面控制管理遵循与3GPP 4G标准相似的控制/用户面分离模型。安全边缘保护代理（Security Edge Protection Proxies，SEPP）为PLMN之间的交互提供保护。

在本地突破场景中，UE通常完全从服务运营商的管理域接收PLMN的服务。家庭路由数据服务是漫游场景的替代方案，同样具有来自所涉及的归属运营商管理域的网络功能以及UE与HPLMN中DN的接口。

                                               图1  基于服务架构图

基于服务的原则适用于核心网控制面网络功能之间。此外，5G系统架构允许网络功能将其上下文存储在数据存储功能（DSF）中。释放UE特定的AN-CN传输关联的能力（即断开当前AMF连接、重新绑定另一AMF）使得数据存储功能与AMF分离。早期的系统架构具有更持久的UE特定传输关联，使得改变用户服务节点比改变AMF更复杂。新功能简化了对服务UE的AMF实例的更改。同时支持增加AMF弹性和负载均衡，因为来自为同一个网络切片部署的一组AMF中的每个AMF都可以处理该网络切片服务的任何UE。

3 通用核心网

功能的通用设计以及对AN-CN接口的前向兼容，使得5G在与不同AN互通式可使用统一的核心网接口。在3GPP R15中涉及的不同AN包括3GPP定义的NG-RAN以及3GPP定义的非信任WLAN接入。对可能在未来版本中使用的其他接入系统的研究已经开始。5G系统架构允许通过相同的AMF为两个接入网络提供服务，同时支持3GPP和非3GPP接入网之间的无缝移动。各自的认证功能基于统一的认证框架，可根据不同使用场景的需求实现用户认证的定制，如每个网络切片使用不同的认证过程。在本文中介绍的大部分其他5G系统网络架构功能对不同接入网来说是通用的。某些功能提供了更适合特定接入网络的变体，例如稍后描述的某些服务质量（QoS）功能。

4 网络切片

5G系统架构一个独特的关键特征是网络切片。 上一代中在专业核心网中支持网络切片功能的某些方面。 与此相比，5G网络切片是一个更强大的概念，涵盖了整个PLMN。 在3GPP 5G系统架构的范围内，网络切片是指3GPP定义的特征和功能的集合，共同形成了向UE提供服务的完整PLMN。 网络切片允许来自指定网络功能的PLMN的受控组合及其特定和提供特定使用场景所需的服务。网络切片可以根据具体的应用场景需求对一个PLMN内指定的网络功能及其提供的服务进行组合。

早期的系统结构通常部署唯一的PLMN，并使其具备满足所有预期应用场景所需的全部特性、功能和服务。实际上，这种唯一的通用部署中的许多能力和特性仅被PLMN下的部分用户/UEs所需。网络切片使得运营商能够部署多个独立的PLMN，其中每个PLMN通过对满足一部分用户/UE或相关的业务客户需求所需的特性、能力和服务进行实例化来实现定制化。

图2非常抽象地表示出了部署四个网络片的PLMN示例，每个切片都包括形成完整PLMN所需的全部内容。用于智能手机的两个网络切片用来说明，运营商可针对相同的系统特性、能力和服务提供多个网络切片，每个网络切片可专用于不同的业务分组，因而每个切片可提供不同的UE数量和数据流量能力。图中其他切片表明网络切片之间的区别也可以体现在所提供的系统特性、能力和服务。比如，M2M网络切片云为UE提供电池省电功能，这一功能并不适用于智能手机切片，因为省电功能意味着较大的延迟，这在典型智能手机应用中是不能被接受的。

 

                                        图2 部署网络切片的网络的抽象表示

基于服务的架构以及软件化和虚拟化为运营商快速响应客户需求提供了灵活性。可根据对功能、特性、可用性和能力的需求部署专属和定制化的网络切片。通常，此类部署将基于服务级别协议。采用一种可包含3GPP规范和3GPP中未做定义、但运营商可能希望或需要在其网络或管理域中部署的网络能力的通用的虚拟化、平台和管理基础设施对运营商来说是有益的。这种结构允许按需求和优先级灵活分配相同的资源，而需求和优先级是随时间变化。

无论是3GPP定义功能的小范围部署，还是运营商管理域内全部定义功能的大范围部署都可称为“网络”。由于这种模糊性，并且术语“切片”在工业和学术界用于切片几乎任何类型的（网络）资源，需要着重强调3GPP系统架构规范定义的网络切片仅限于3GPP规范的资源内，也就组成PLMN的具体资源。 这并不妨碍一个PLMN网络切片部署使用切片的传输网络资源。但请注意，后者完全独立于3GPP系统架构描述的范围。针对上述举例，PLMN切片部署使用切片的传输网络资源，也可以使用不切片的传输网络资源。

图3展示了3GPP网络切片的更多细节。图中，网络片＃3是直接部署，其中所有网络功能仅服务于单个网络片。该图还示出了UE如何从多个网络片段（＃1和＃2）接收服务。在这样的部署中，存在被一组切片共用的网络功能，包括AMF和相关策略控制（PCF）和网络功能服务存储库（NRF）。这是因为每个UE存在唯一的访问控制和移动性管理实例，其负责UE的所有服务。用户平面服务，特别是数据服务，可以通过多个独立的网络片获得。图中，切片＃1为UE提供数据网络＃1的数据服务，而切片＃2为UE提供数据网络＃2的数据服务。除了与适用于用户/ UE所有服务的通用访问和移动性控制之间的交互之外，这些切片和数据服务彼此独立。这使得可对网络切片量身定做，例如针对不同QoS数据服务或不同应用功能，而这些都可有策略控制框架决定。

                                                  图3 构成网络切片的网络功能

5 应用支持

数据服务是应用支持的基础。与前几代相比，数据服务为定制化提供了更大的灵活性。其中一个主要部分是3GPP 5G系统架构的新QoS模型，如图4所示，它利用差异化的数据服务在有效利用无线资源的同时支持各种应用需求。服务数据流（Service Data Flows，SDF）代表某些QoS规则适用的用户平面数据。SDF的实际描述采用SDF模板。此外，QoS模型被设计为支持不同的接入网络，包括固定接入（可能希望没有额外信令的QoS）。标准化分组标记在没有任何QoS信令的情况下通知QoS执行功能提供何种QoS。虽然具有QoS信令的选项提供了更多的灵活性和QoS粒度。此外，此外，通过新引入的反射QoS，可利用最少的控制面信令支持上/下行的对称QoS区分。

                                                             图4 QoS模型

提供数据连接的大部分功能是用于支持边缘计算所需的网络拓扑中应用功能的弹性部署，边缘计算可由三种不同的会话和服务连续性（Session and Service Continuity，SSC）模式支撑，或通过上行链路分类器（Uplink Classifiers）和分支点（Branching Points）支撑。

图5中描绘了不同的SSC模式。SSC模式包括更传统的模式（SSC 1），SSC 1中IP锚点保持稳定，以在提供对应用的持续支持和当UE位置更新时维护对UE路径的。新模式允许重新定位IP锚点。有两种选择，先接后断（make-before-break，SSC模式3）和先断后合（break-before-make，SSC模式2）。该架构使应用程序能够影响对适当的数据服务特性和SSC模式的选择。

                                           图5 会话和服务连续性模型

5G网络部署希望实现为大量移动数据流量提供服务，因此高效的用户面路径管理至关重要。除了SSC模式之外，系统体系结构还定义了上行链路分类器和分支点的功能，以允许在IP锚点之前有选择地在用户面路径上向或从应用功能分汇或注入流量。此外，如策略所允许，应用功能可以通过提供与优化业务路由相关的信息来与网络协调，或者可以订阅可能与应用相关的5G系统事件。

6 后续工作

交付的第2阶段规范从整体架构角度定义了3GPP 5G系统。RAN、安全、OAM和CT工作组继续针对一些具体的第2阶段方面展开工作，以及进行将于2018年6月提交第3阶段规范相关工作。

本文重点介绍了5G阶段1中引入的3GPP系统架构的一些最重要的进展。 在即将发布的版本中将引入进一步的改进和增强。有关5G第2阶段功能的研究已经开始。

3GPP中的规范工作是一个连续的过程。 可以在3GPP.org上找到更多和最新的信息。

参考文献

[1] 3GPP TS 23.501 – System Architecture for the 5G System; Stage 2.

[2] 3GPP TS 23.502 – Procedures for the 5G System; Stage 2.

[3] 3GPP TS 23.503 – Policy and Charging Control Framework for the 5G System; Stage 2.

7 作者简介

Frank Mademann于1991年开始从事GSM电路交换数据服务的研究和开发。这也是他在ETSI SMG中的最初工作，之后他的工作内容随着GPRS标准化的开始而改变。从那时起，他参与了SMG和3GPP指定的所有分组域架构和服务的设计和定义。这包括最初的GPRS以及UMTS和LTE / SAE的分组域。

 

弗兰克已经在电信和移动行业工作了二十多年。自1999年以来，他一直积极参与3GPP架构工作组，在那里他被公认为SMG和3GPP指定的所有分组域架构的技术方面的关键贡献者，并且还为领导和组织事务做出贡献。早些时候担任副主席一职，自2015年起担任3GPP建筑工作组主席。

 

Journal of ICT, Vol. 6_1&2, 77–86. River Publishers
doi: 10.13052/jicts2245-800X.615
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