【5G】5G NR和NG-RAN总体描述-NR网络架构、功能划分及协议栈解析

概要

本文旨在对3GPP 协议的理解，参考3GPP 38.300 NR的整体架构和功能划分。

NR总体架构与功能划分

1 总体架构

节点名称解释：
gNB：向 UE 提供 NR 用户面和控制面协议终端的节点，并且经由 NG 接口连接到 5GC；
ng-eNB：向 UE 提供 E-UTRA 用户面和控制面协议终端的节点，并且经由 NG 接口连接到 5GC；
5GC：5G 核心网 ；
NG 接口就是无线接入网和 5G 核心网之间的接口，其中：
NG-C：NG-RAN 和 5GC 之间的控制面接口；
NG-U：NG-RAN 和 5GC 之间的用户面接口；
AMF：接入和移动管理功能 ；
UPF：用户平面功能。
　　gNB与ng-eNB之间通过Xn接口连接，gNB/ng-eNB通过NG-C接口与AMF（Access and Mobility Management Function）连接，通过NG-U接口与UPF（User Plane Function）连接。
　　NOTE:关于功能划分中F1接口的描述在在TS 38.401中有定义。

5G总体架构如下图所示，NG-RAN表示无线接入网，5GC表示核心网。

2 功能划分

5G网络的功能划分如下图所示。NG-RAN包含gNB或ng-eNB节点，5G-C一共包含三个功能模块：AMF，UPF和SMF（Session Management Function）。

2.1 gNB/ng-eNB

无线电资源管理的功能:无线电观测器控制、无线电进气控制、连接移动控制、动态分配资源,在uplink和downlink(调度)中使用;

• IP和以太网头压缩、加密和完整性保护数据;

• 在UE附件中选择AMF的AMF,当没有从UE提供的信息中确定AMF的路径时;

• 将用户平面数据路由到UPF(s);

• 向AMF控制飞机信息;

• 连接设置和发布;

• 调度和传输分页消息;

• 系统广播信息的调度和传输(源自AMF或OAM);

• 测量和测量报告配置的移动和调度;

• 在uplink中传输级包标记;

• 会议管理;

• 支持网络切片;

• QoS流管理和映射到数据无线电承载器;

• 支持在rrc_不结盟状态;

• NAS信息的分配函数;

• 无线电接入网络共享;

• 双连接;

• 在NR与E-UTRA之间的紧密相互作用;

• 维护用户平面CIoT 5GS优化的安全性和无线电配置,如t23.5013中定义的。

注1:提高覆盖率仅由ng-eNB支持,见TS 36.300[2]。

注2:nbs - enb只支持NB-IoT,见TS 36.300[2]。

2.2 AMF（Access and Mobility Management Function）

• NAS信号终止;

• NAS信号安全;

• 作为安全控制;

• 3GPP接入网络之间的移动节点信号信号;

• 空闲模式UE可达性(包括控制和执行分页转发);

• 注册区域管理;

• 支持内部系统和系统间流动;

• 访问认证;

• 访问授权,包括查看漫游权利;

• 流动管理控制(订阅和政策);

• 支持网络切片;

• SMF选择。

• 选择CIoT 5GS优化;

2.3 UPF（User Plane Function）

• 区域内/区域间流动的锚点(如适用);

• 数据网互连的外部PDU会话点;

• 包路由和转发;

• 策略规则实施的报文检测和用户平面部分;

• 通讯使用情况报告;

• 上行分类器，支持路由流量到数据网络;

• 分支点支持多归属PDU会话;

• 用户平面的qos处理，例如包过滤、门控、UL/DL速率强制;

• 上行流量校验(SDF到QoS的流映射);

• 下行报文缓冲和下行数据通知触发。

2.4 SMF（Session Management Function）

• 会话管理;

• UE IP地址分配和管理;

• UP功能的选择和控制;

• 在UPF配置流量导向，将流量导向正确的目的地;

• 策略执行和QoS控制部分;

• 下行数据通知。

3 网络接口

3.1 NG接口

NG 接口：无线接入网和 5G 核心网之间的接口。
NG 接口是一个逻辑接口，规范了 NG 接口，NG-RAN 节点与不同制造商提供的 AMF 的互连；同时，分离 NG接口无线网络功能和传输网络功能，以便于引入未来的技术。

从任何一个 NG-RAN 节点向 5GC 可能存在多个 NG-C 逻辑接口。然后，通过 NAS 节点选择功能确定 NG-C接口的选择。从任何一个 NG-RAN 节点向 5GC 可能存在多个 NG-U 逻辑接口。NG-U 接口的选择在 5GC 内完成，并由 AMF 发信号通知 NG-RAN 节点。 NG 接口分为 NG-C 接口（NG-RAN 和 5GC 之间的控制面接口）和 NG-U 接口（NG-RAN 和 5GC 之间的用户面接口）。

NG 接口规范的一般原则如下：

• NG 接口是开放的;
• NG 接口支持 NG-RAN 和 5GC 之间的信令信息交换;
• 从逻辑角度来看，NG 是 NG-RAN 节点和 5GC 节点之间的点对点接口。即使在NGRAN 和 5GC 之间没有物理直接连接的情况下，点对点逻辑接口也是可行的。
• NG 接口支持控制平面和用户平面分离;
• NG 接口分离无线网络层和传输网络层;
• NG 接口是满足不同新要求和支持新服务和新功能的未来证明;
• NG 接口与可能的 NG-RAN 部署变体分离;
• NG 应用协议支持模块化过程设计，并使用允许优化编码/解码效率的算法。

NG 接口用户面
　　NG-U接口用于连接NG-RAN与UPF，其协议栈如下图所示。协议栈底层采用UDP、IP协议，提供非保证的数据交付。
　　

NG 接口控制面
　　NG-C接口用于连接NG-RAN与AMF，其协议栈如下图所示。在传输中，IP协议为信令提供点对点传输服务。SCTP保证信令的可靠交付。NG-C接口有以下功能：

l NG接口管理

l UE上下文管理

l UE移动性管理

l NAS信令传输

l 寻呼

l PDU Session管理

l 更换配置

l 警告信息传输

3.2 Xn接口

Xn 接口：NG-RAN 节点（gNB 或 ng-eNB）之间的网络接口。

• Xn 接口规范的一般原则如下：
• Xn 接口是开放的;
• Xn 接口支持两个 NG-RAN 节点之间的信令信息交换，以及 PDU 到各个隧道端点的转发;
  从逻辑角度来看，Xn 是两个 NG-RAN 节点之间的点对点接口。即使在两个 NG-RAN 节点之间没有物理直接连接的情况下，点对点逻辑接口也应该是可行的。

Xn 接口规范有助于实现以下功能：

• 不同制造商提供的 NG-RAN 节点的互连;
• 支持通过 NG 接口提供的 NG-RAN 服务的 NG-RAN 节点之间的连接;
• 分离 Xn 接口无线网络功能和传输网络功能，以便于引入未来的技术。

Xn 接口支持：

• 支持 NG-RAN 内部移动的流程;
• 支持 NG-RAN 节点之间双重连接的流程。
  Xn 接口支持控制平面（Xn-C）和用户平面（Xn-U）上的过程。

Xn 用户面
　　Xn-U接口用于连接两个NG-RAN节点。Xn-U接口协议栈如下图所示。GTP-U基于UDP、IP网络之上，为数据提供非保证服务。Xn-U主要包含两个功能：

l 数据转发

l 流控制

Xn-U 提供无保证的用户面 PDU 传送，并支持以下功能：
数据传输和流量控制和数据传输功能。
数据传输功能允许在 NG-RAN 节点之间传输数据以支持双连接或移动性操作。
流量控制功能使 NG-RAN 节点能够从第二 NG-RAN 节点接收用户平面数据，以提供与数据流相关的反馈信息。
Xn 控制面
　　Xn-C接口用于连接两个NG-RAN节点。IP协议为信令提供点对点传输，SCTP为信令提供可靠交付。Xn-C接口主要包含以下功能：

l Xn接口管理

l UE移动性管理，包括上下文传输和寻呼等

l 双链接

UE 移动性管理主要包含以下：
切换准备功能
该功能允许在源 NG-RAN 节点和目标 NG-RAN 节点之间交换信息，以便启动某个 UE 到目标的切换。
切换取消功能
该功能允许通知已准备好的目标 NG-RAN 节点，不会进行准备好的切换。它允许释放准备期间分配的资源。
检索 UE 上下文功能
Retrieve UE 上下文功能用于 NG-RAN 节点从另一个节点检索 UE 上下文。
RAN 寻呼功能
RAN 寻呼功能允许 NG-RAN 节点为处于非活动状态的 UE 启动寻呼。
数据转发控制功能
数据转发控制功能允许在源和目标 NG-RAN 节点之间建立和释放传输承载以进行数据转发。
双连接功能
双连接功能允许在 NG-RAN 中的辅助节点中使用附加资源。
激活功能
该功能通过在 Xn 接口上指示小区激活/停用来降低能耗。

4 无线协议栈

NR无线协议栈分为两个平面：用户面和控制面。用户面(User Plane, UP）协议栈即用户数据传输采用的协议簇，控制面(Control Plane, CP)协议栈即系统的控制信令传输采用的协议簇。

NR用户面和控制面协议栈稍有不同，下面详细介绍。

4.1 用户面

NR用户平面相比LTE协议栈多了一层SDAP层，用户面协议从上到下依次是：

l SDAP层：Service Data Adaptation Protocol

l PDCP层：Packet Data Convergence Protocol

l RLC层：Radio Link Control

l MAC层：Medium Access Control

l PHY层：Physical

上图显示了用户面的协议栈，其中 SDAP，PDCP，RLC 和 MAC 子层（在网络侧的 gNB 中终止）执行用户面的功能。

4.1.1 MAC 子层

服务和功能
MAC 子层的主要服务和功能包括：

• 逻辑信道和传输信道之间的映射;
  将属于一个或不同逻辑信道的 MAC SDU 复用/复用到传输信道上传送到物理层/从传输信道上传输的传输块
  （TB）;
• 调度信息报告;
• 通过 HARQ 进行纠错（在 CA 的情况下每个小区一个 HARQ 实体）;
• 通过动态调度在 UE 之间进行优先级处理;
• 通过逻辑信道优先级排序在一个 UE 的逻辑信道之间进行优先级处理;
• 填充。
  单个 MAC 实体可以支持多个数字，传输定时和小区。逻辑信道优先级控制中的映射限制，即逻辑信道可以使用的
  数字参数配置，小区和传输定时。

4.1.2 逻辑信道

MAC 提供的不同种类的数据传输服务，每种逻辑信道类型由传输的信息类型定义。逻辑信道分为两组：控制信道
和业务信道。

控制信道仅用于传输控制面信息：

• 广播控制信道（BCCH）：用于广播系统控制信息的下行链路信道。
• 寻呼控制信道（PCCH）：一种下行链路信道，它传输寻呼信息，系统信息变化通知和正在进行的 PWS 广播的
  指示。
• 公共控制信道（CCCH）：用于在 UE 和网络之间发送控制信息的信道。该信道用于与网络没有 RRC 连接的 UE。
• 专用控制信道（DCCH）：在 UE 和网络之间发送专用控制信息的点对点双向信道。由具有 RRC 连接的 UE 使
  用。

业务信道仅用于传输用户面信息：专用业务信道（DTCH）：专用于一个 UE 的点对点信道，用于传输用户信息。
DTCH 可以存在于上行链路和下行链路中。

映射到传输信道
在下行链路中，存在逻辑信道和传输信道之间的以下连接：

• BCCH 可以映射到 BCH;
• BCCH 可以映射到 DL-SCH;
• PCCH 可以映射到 PCH;
• CCCH 可以映射到 DL-SCH;
• DCCH 可以映射到 DL-SCH;
• DTCH 可以映射到 DL-SCH。
  在上行链路中，存在逻辑信道和传输信道之间的以下连接：
• CCCH 可以映射到 UL-SCH;
• DCCH 可以映射到 UL-SCH;
• DTCH 可以映射到 UL-SCH。
  HARQ
  HARQ功能确保在物理层的对等实体之间的传递。当物理层未配置用于下行链路/上行链路空间复用时，单个HARQ
  进程支持一个 TB，并且当物理层配置用于下行链路/上行链路空间复用时，单个 HARQ 进程支持一个或多个 TB。

4.1.3 RLC 子层

传输模式
RLC 子层支持三种传输模式：

• 透明模式（TM）;
• 未确认模式（UM）;
• 已确认模式（AM）。
  RLC 配置是每个逻辑信道，不依赖于数字和/或传输持续时间，并且 ARQ 可以在逻辑信道配置的任何数字和/或传输持续时间上操作。对于 SRB0，寻呼和广播系统信息，使用 TM 模式。对于其他 SRB 使用的 AM 模式。对于 DRB，使用 UM 或 AM 模式。

服务和功能
RLC 子层的主要服务和功能取决于传输模式，包括：

• 传输上层 PDU;
• 序列编号独立于 PDCP（UM 和 AM）中的序列编号;
• 通过 ARQ 纠错（仅限 AM）;
• RLC SDU 的分段（AM 和 UM）和重新分段（仅 AM）;
• 重新组装 SDU（AM 和 UM）;
• 重复检测（仅限 AM）;
• RLC SDU 丢弃（AM 和 UM）;
• RLC 重建;
• 协议错误检测（仅限 AM）。
  ARQ
  RLC 子层内的 ARQ 具有以下特征：
• ARQ 根据 RLC 状态报告重传 RLC SDU 或 RLC SDU 段;
• RLC 需要轮询 RLC 状态报告;
• 在检测到丢失的 RLC SDU 或 RLC SDU 段之后，RLC 接收器还可以触发 RLC 状态报告。

4.1.3 PDCP 子层

服务和功能
用户面的 PDCP 子层的主要服务和功能包括：

• 序号;
• 标头压缩和解压：仅限 ROHC;
• 传输用户数据;
• 重新排序和重复检测;
• PDCP PDU 路由（在分离承载的情况下）;
• 重传 PDCP SDU;
• 加密，解密和完整性保护;
• PDCP SDU 丢弃;
• RLC AM 的 PDCP 重建和数据恢复;
• 重复 PDCP PDU。
  用于控制面的 PDCP 子层的主要服务和功能包括：
• 序号;
• 加密，解密和完整性保护;
• 控制面数据的传输;
• 重新排序和重复检测;
• PDCP PDU 的重复。
  由于 PDCP 不允许 COUNT 在 DL 和 UL 中环绕，因此由网络来防止它发生（例如，通过使用相应的无线承载的释
  放和添加或完整配置）。

4.1.4 SDAP 子层

SDAP 的主要服务和功能包括：

• QoS 流和数据无线承载之间的映射;
• 标记 DL 和 UL 数据包中的 QoS 流 ID（QFI）。
• 为每个单独的 PDU 会话配置 SDAP 的单个协议实体。
  2.1.5 控制面协议栈
  下图显示了控制面的协议栈，其中：
• PDCP，RLC 和 MAC 子层（在网络侧的 gNB 中终止）执行前面列出的功能;
• RRC（在网络侧的 gNB 中终止）执行子条款 7 中列出的功能;
• NAS 控制协议（在网络侧的 AMF 中终止）执行核心网中列出的功能，例如：身份验证，移动性管理，安全控
  制…

4.2 控制面

NR控制面协议几乎与LTE协议栈一模一样，从上到下依次为：

l NAS层：Non-Access Stratum

l RRC层：Radio Resource Control

l PDCP层：Packet Data Convergence Protocol

l RLC层：Radio Link Con trol

l MAC层：Medium Access Control

l PHY层：Physical

　　UE所有的协议栈都位于UE内；而在网络侧，NAS层不位于基站gNB上，而是在核心网的AMF （Access and Mobility Management Function）实体上。还有一点需要强调的是，控制面协议栈不包含SDAP层。

4.2.1 无线资源管理（RRC）

手机和网络通过无线信道相互通信，彼此交换大量的信息，因此双方需要一种控制机制来交换配置信息并达
成一致，这种控制机制就是 RRC，即无线资源控制，我们可以把它理解为终端 UE 和网络相互沟通的共同语言。

RRC 子层的主要服务和功能包括：
广播与 AS 和 NAS 相关的系统信息;由 5GC 或 NG-RAN 发起的寻呼;
建立，维持和释放 UE 与 NG-RAN 之间的 RRC 连接，包括：

• 载波聚合的添加，修改和释放;
• 在 NR 内部或在 E-UTRA 和 NR 之间添加，修改和释放双连接。
• 安全功能包括密钥管理;
• 信令无线承载（SRB）和数据无线承载（DRB）的建立，配置，维护和发布;
  移动功能包括：
• 切换和上下文转移;
• UE 小区选择和重选以及小区选择和重选的控制;
• RAT 间移动性。
• QoS 管理功能;
• UE 测量报告和控制报告;
• 无线链路故障的检测和恢复;
• NAS 向/从 UE 传送 NAS 的消息。

5G NR 上 RRC 支持三种状态，RRC_IDLE、RRC_INACTIVE 、RRC_CONNECTED，是的，5G 与 3G/4G 并不相同，
相较于 4G LTE 只有 RRC IDLE 和 RRC CONNECTED 两种 RRC 状态，5G NR 引入了一个新状态——RRC INACTIVE。

5G 为什么要引入 RRC INACTIVE 状态？

原因很简单，为了减少信令和功耗。5G 要面向万物互联，要连接大量的依靠电池供电的终端，这些终端的电
池寿命动辄需维持 5-10 年，否则维护成本太高。同时，关键任务型物联网要求超低的时延，任务触发时，首个数
据包必须快速的传送到网络或终端。此外，在大规模物联网下，大量的设备零星传送少量的数据，会带来过高的
信令开销。

一边是功耗，一边是快速接入，还要减少信令开销，要兼顾三者，5G 就引入了 RRC INACTIVE 状态。

在 RRC INACTIVE 状态下，终端处于省电的“睡觉”状态，但它仍然保留部分 RAN 上下文（安全上下文，UE 能
力信息等），始终保持与网络连接，并且可以通过类似于寻呼的消息快速从 RRC INACTIVE 状态转移到 RRC
CONNECTED 状态，且减少信令数量。

其特征如下：
RRC_IDLE（空闲模式）：

• PLMN 选择;
• 广播系统信息;
• 小区重选移动性;
• 移动终止数据的寻呼由 5GC 发起;
• 移动终接数据区域的寻呼由 5GC 管理;
• 由 NAS 配置的用于 CN 寻呼的 DRX。

RRC_INACTIVE（激活模式）：

• PLMN 选择;
• 广播系统信息;
• 小区重选移动性;
• 寻呼由 NG-RAN（RAN 寻呼）发起;
• 基于 RAN 的通知区域（RNA）由 NG-RAN 管理;
• 由 NG-RAN 配置的 RAN 寻呼 DRX;
• 为 UE 建立 5GC-NG-RAN 连接（包括控制面 / 用户面）;
• UE AS 上下文存储在 NG-RAN 和 UE 中;
• NG-RAN 知道 UE 所属的 RNA。

RRC_CONNECTED（连接模式）：

• 为 UE 建立 5GC-NG-RAN 连接（包括控制面 / 用户面）;
• UE AS 上下文存储在 NG-RAN 和 UE 中;
• NG-RAN 知道 UE 所属的小区;
• 向或从 UE 传输单播数据;
• 网络控制移动性，包括测量。
  
  RRC 状态变化图

需要指出的是，对于 RRC 状态，3GPP 目前为止还在继续研究，就是上面的 FFS（未来继续研究的），即在
RRC_INACTIVE 下网络是否始终配置基于 RAN 的通知区域，如果确定不总是配置基于 RAN 的通知区域，则未来继续研究 UE 行为来达到目的。

下图是 5G 与 4G 网络之间的网络状态迁移

关于 RRC 协议和参数的详情，我们在后面章节的无线接入网部分有更详细描述。

4.2.2 NAS 控制协议

NAS 控制协议（在网络侧的 AMF 中终止）执行 3GPP TS 23.501 [3]中列出的功能，例如：身份验证，移动性
管理，安全控制…

对于 NAS 触发的请求，UE NAS 确定给定接入尝试的一个接入类别和接入标识，并将它们提供给 RRC 以进行
接入控制检查，RRC 基于接入控制信息和所确定的接入类别和接入标识来执行接入限制检查，RRC 指示是否允许
对 NAS 层进行接入尝试。NAS 还执行与对建立原因的接入尝试相关联的接入类别和接入标识的映射，并向 RRC
提供建立原因以包括在连接请求中以使 gNB 能够决定是否拒绝该请求。

对于 AS 触发的请求（即 RNA 更新），RRC 确定恢复原因值和相应的接入类别。AS 在小区中提供可靠的序列
传送 NAS 消息。在切换过程中，会出现 NAS 消息的消息丢失或复制。AS 消息与 RRC 消息连接或在 RRC 中不带
级联。当同一 UE 的并发 NAS 消息到达时，需要同时连接 RRC 用于高优先级队列，也不需要连接低优先级队列，
消息首先根据需要排队以维持顺序递送。

在下行链路中，当 EPS 承载（EPC）或 PDU 会话（5GC）建立或释放过程被触发时，或者在控制平面 CIoT EPS
优化的情况下，对于 EDT，NAS 消息通常应该与关联的 RRC 消息连接。当 EPS 承载（EPC）或 PDU 会话（5GC）
被修改时，并且当修改还取决于无线承载的修改时，NAS 消息和相关的 RRC 消息通常应该被连接，不允许将 DL
NAS 与 RRC 消息级联。

在上行链路中，NAS 消息与 RRC 消息的连接仅用于在连接建立期间传输初始 NAS 消息，并且在控制平面 CIoT
EPS 优化的情况下用于 EDT。在 E-UTRAN 中不使用初始直接传输，并且没有 NAS 消息与 RRC 连接请求级联。在
EPS 承载（EPC）或 PDU 会话（5GC）建立或修改期间，可以在单个下行链路 RRC 消息中发送多个 NAS 消息。在
这种情况下，RRC 消息中的 NAS 消息的顺序应保持与对应的 S1-AP(EPC)或 NG-AP(5GC)消息中的顺序相同，以确
保 NAS 消息的顺序传递。

注意：除了 NAS 执行的完整性保护和加密之外，NAS 消息还通过 PDCP 进行完整性保护和加密。

小结

持续更新中…