第3章 5G无线网
3.1 系统架构
3.1.1 网络结构
5G无线接入网称为NG-RAN，其总体系统架构在3GPP TS 38.300中定义。NG-RAN包括gNB和ng-eNB两种基站，其中gNB基站用于向UE提供5G NR用户面和控制面协议，ng-eNB基站用于向UE提供E-UTRAN用户面和控制面协议。
NG-RAN字体架构如图3-1所示。
图3-1 NG-RAN总体架构
gNB和ng-eNB之间是Xn接口，gNB和5GC之间以及ng-eNB和5GC之间是NG接口。NG接口又分为NG-C（NG控制面接口）和NG-U（NG用户面接口），其中，gNB和ng-eNB通过NG-C接口连接到AMF，通过NG-U接口连接到UPF。5G中gNB可划分为CU和DU，关于CU/DU功能划分的架构及CU与DU之间的F1接口在3GPP TS 38.401中定义。
3.1.2 网元功能
gNB和ng-eNB具备以下功能。
（1）无线资源管理的功能包括无线承载控制、无线接入控制、连接移动性控制及在上行链路和下行链路中向UE动态资源分配和调度。
（2）IP头压缩、加密和数据完整性保护。
（3）当不能从UE提供的信息确定到AMF的路由时，在UE附着处选择AMF。
（4）将用户面数据路由到UPF。
（5）将控制面信令路由到AMF。
（6）连接发起和释放。
（7）调度和传输寻呼消息。
（8）调度和传输系统广播消息（AMF或OAM发起）。
（9）用于移动性和调度的测量和测量报告配置。
（10）上行链路中的传输级别数据包标记。
（11）会话管理。
（12）支持网络切片。
（13）QoS流管理、QoS流到数据无线承载之间的映射。
（14）支持UE RRC_INACTIVE。
（15）NAS消息的分发功能。
（16）无线接入网共享。
（17）双连接。
（18）NR和E-UTRAN之间的互通。
NG-RAN在5G系统中的功能划分如图3-2所示。
图3-2 NG-RAN在5G系统中的功能划分
3.1.3 网络接口
1. NG接口
（1）接口定义
NG接口分为NG-U接口和NG-C接口。
根据5G无线网总体架构图，NG-U在NG-RAN节点和UPF之间定义，其用户面协议栈如图3-3所示。传输网络层（Transport Network Layer，TNL）采用IP方式传输，GTP-U位于用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）/IP之上，用于承载NG RAN中gNB或ng-eNB与UPF之间的用户面PDU。NG-U在NG-RAN中gNB或ng eNB与UPF之间提供无保证的用户面PDU传送。
图3-3 NG-U协议栈
NG-C在gNB或ng-eNB与AMF之间定义，其控制面协议栈如图3-4所示。传输网络层采用IP方式传输，为了可靠地传输信令消息，在IP之上增加SCTP层，提供有保证的应用层消息传递。在传输中，IP层点对点传输用于传递信令PDU。
图3-4 NG-C协议栈
（2）接口功能
接口功能具体包括以下19种功能。
① 寻呼功能：该功能支持向寻呼区域中的NG-RAN节点发送寻呼请求，例如UE所注册的跟踪区内的NG-RAN节点。
② UE上下文管理功能：该功能允许AMF在AMF和NG-RAN节点中建立、修改或释放UE上下文。
③ 移动管理功能：ECM-CONNECTED中UE移动性功能包括NG-RAN系统内切换和NG-RAN与EPS异系统间切换，由切换准备、执行和完成组成。
④ PDU会话管理功能：在NG-RAN中UE上下文可用时，该功能负责建立、修改和释放NG-RAN中的PDU会话，用于用户数据传输。NG接口应用协议（NG Application Protocol，NGAP）支持AMF对PDU会话的透传。
⑤ NAS传输功能：该功能提供UE的NAS消息在NG接口的传输或重路由的方式。
⑥ NAS节点选择功能：5G系统架构支持NG-RAN节点与多个AMF的互联。NAS节点选择功能位于NG-RAN节点中，可通过NG接口进行路由。
⑦ NG接口管理功能：该功能提供对NG-RAN接口的管理。
⑧ 告警信息传输功能：该功能通过NG接口发送或取消发送告警消息。
⑨ 配置传输功能：该功能是一种在两个RAN节点之间通过核心网进行RAN配置信息请求和传送的通用机制。
⑩ 跟踪功能：该功能提供了NG-RAN节点中控制跟踪会话的方法。
⑪ AMF管理功能：该功能支持AMF计划删除和AMF自动恢复。
⑫ 多个TNL关联支持功能。
⑬ AMF负载均衡功能：为实现池内多个AMF之间的负载均衡功能，NG接口支持向NG-RAN节点告知AMF的相对容量。
⑭ 位置报告功能：AMF请求NG-RAN节点报告UE的当前位置，或UE最近的带时间戳的位置。
⑮ AMF重新分配功能：该功能支持NG-RAN节点发起从初始AMF向目标AMF的重定向连接请求。
⑯ UE无线功能管理功能。
⑰ 新空口定位协议A（New Radio Positioning Protocol A，NRPPa）信令传输功能：该功能支持NRPPa消息在NG接口的透传。
⑱ 过载控制功能：该功能支持AMF对NG-RAN节点的过载控制。
⑲ 辅助无线接入技术（Radio Access Technology，RAT）数据量报告功能。
2. Xn接口
（1）接口定义
Xn接口分为Xn-U（Xn用户面接口）和Xn-C（Xn控制面接口）。
Xn-U接口在两个NG-RAN节点之间定义。Xn接口上的用户面协议栈如图3-5所示。传输网络层基于IP方式传输，GTP-U用于UDP/IP之上以承载用户面PDU。
图3-5 Xn-U协议栈
Xn-C在两个NG-RAN节点之间定义，其协议栈如图3-6所示。传输网络层基于IP之上的SCTP构建；应用层信令协议称为Xn-AP；SCTP层提供有保证的应用层消息传递。在传输IP层中的点对点传输方式用于传递信令PDU。
图3-6 Xn-C协议栈
（2）接口功能
Xn-U接口支持以下4种功能。
① 数据传送功能：该功能支持在NG-RAN节点之间传送数据以支持双连接或移动性。
② 流控制功能：该功能使NG-RAN节点能够从另一个NG-RAN节点接收用户面数据，获得与数据流相关的反馈信息。
③ 辅助信息功能。
④ 快速重传功能。
Xn-C接口支持以下6种功能。
① Xn-C接口管理和错误处理功能：该功能支持NG-RAN节点之间的信令管理、Xn接口评估和故障恢复，包括Xn建立功能、错误指示功能、Xn重置功能、Xn配置数据更新功能及Xn删除功能。
② UE移动性管理功能：该功能支持两个NG-RAN节点之间随时更新相关信息，包括切换准备功能、切换取消功能、UE上下文检索功能、RAN寻呼功能和数据转发控制功能。
③ 双连接功能：该功能支持在NG-RAN中对辅助节点资源的使用。
④ 节能功能：该功能通过在Xn接口指示小区激活/去激活来降低能耗。
⑤ 资源协调功能：该功能支持在两个NG-RAN节点间的资源协调使用。
⑥ 辅助RAT数据量报告功能。
3. F1接口
（1）接口定义
F1接口定义为NG-RAN内部的gNB的CU和DU功能实体之间互联的接口，如图3-7所示。
图3-7 F1接口示意
F1接口分为F1-U（F1用户面接口）和F1-C（F1控制面接口）。对于F1-U接口协议栈，传输网络层基于IP传输，包括IP之上的UDP和GTP-U，如图3-8所示。对于F1-C接口协议栈，传输网络层基于IP传输，包括IP之上的SCTP，应用层信令协议称为F1AP，如图3-9所示。
图3-8 F1-U接口协议栈
图3-9 F1-C接口协议栈
（2）接口功能
F1接口规范有助于实现由不同制造商提供的gNB-CU和gNB-DU的开放性互连。F1接口支持以下3种功能。
①为NG-RAN PDU会话和E-UTRAN无线接入建立、维护、释放无线承载。
②为用户特定的信令管理在协议级别上区分每个UE。
③ 在UE和gNB-CU之间传送无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）信令。
F1-U接口支持以下两种功能。
① 数据传送。
② 流控制。
F1-C接口支持以下6种功能。
① F1接口管理功能。
② 系统信息管理功能。
③ F1 UE上下文管理功能。
④ RRC信息传送功能。
⑤ 寻呼功能。
⑥ 告警信息传送功能。
3.1.4 无线协议架构
1. 用户面
图3-10为用户面的协议栈，5G NR的层2被分成以下子层：MAC、无线链路控制（Radio Link Control，RLC）、分组数据汇聚协议（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）和SDAP。其中，SDAP、PDCP、RLC和MAC子层（在网络侧的gNB终止）的功能分别如下所述。
图3-10 用户面协议栈
（1）MAC层的主要功能如下所述。
① 逻辑信道和传输信道之间的映射。
② MAC层服务数据单元（Service Data Unit，SDU）在逻辑信道和传输信道间的复用/解复用。
③ 调度信息报告。
④ HARQ纠错。
⑤ 通过动态调度在UE之间进行优先级处理。
⑥ 逻辑信道之间进行优先级处理。
⑦ 填充。
（2）RLC层支持透传模式（Transparent Mode，TM）、非确认模式（Unacknowledged Mode，UM）、确认模式（Acknowledged Mode，AM）3种模式，其主要功能如下所述。
① 传输上层PDU。
② 序列编号独立于PDCP（UM和AM）。
③ 自动重传请求（Automatic Repeat reQuest，ARQ）纠错（仅限AM）。
④ RLC SDU的分段（AM和UM）和重新分段（仅AM）。
⑤ 重新封装SDU（AM和UM）。
⑥ 重复检测（仅限AM）。
⑦ RLC SDU丢弃（AM和UM）。
⑧ RLC重建。
⑨ 协议错误检测（仅限AM）。
（3）PDCP层的主要功能如下所述。
① 传送用户面和控制面数据。
② 维护PDCP的SN号。
③ 使用鲁棒头压缩（Robust Header Compression，ROHC）协议进行头压缩和解压缩。
④ 加密和解密。
⑤ 完整性保护。
⑥ 基于定时器的SDU丢弃。
⑦ 路由选择。
⑧ 复制。
⑨ 重新排序和按顺序转发。
⑩ 无序转发。
⑪ 重复丢弃。
（4）SDAP层的主要功能如下所述。
① QoS流和数据无线承载之间的映射。
② 标记DL和UL数据包中的QFI。
2. 控制面
图3-11为控制面的协议栈。
图3-11 控制面协议栈
（1）PDCP、RLC和MAC子层（在网络侧的gNB终止）的功能和用户面基本一致。
（2）RRC（在网络侧的gNB终止）的功能主要如下所述。
① 广播与AS和NAS相关的系统信息。
② 由5GC或NG-RAN发起的寻呼。
③ 建立、维护和释放UE与NG-RAN之间的RRC连接。
④ 安全功能，如密钥管理。
⑤ 信令无线承载（Signal Radio Bear，SRB）和DRB的建立、配置、维护和释放。
⑥ 移动功能。
⑦ QoS管理功能。
⑧ UE测量报告。
⑨ 无线链路故障的检测和恢复。
⑩ NAS向/从UE传送NAS消息。
（3）NAS控制协议（在网络侧的AMF终止）的功能主要有身份验证、移动性管理和安全控制等。