5GC 系统架构

4G/5G 核心网对比

首先，我们试着用颜色标注出 4G EPC 的相关网元，如下图所示。

MME 和 HSS 的色彩斑驳，这意味着它们虽然同为控制面网元，在 4G EPC 中承载了太多的功能，将会在 5GC 中进行拆分。下图中对 5GC 的各个 NF 也按功能用颜色进行标注，和 4G 网元相同的颜色意味着相似的功能。

仔细一看，大部分 5G NF 还是能在 4G 核心网中找到影子，如下图所示：MME 中负责接入和移动性管理的功能独立出来成为了 5G 的 AMF。与此同时，MME 中负责会话管理的功能部分和 SGW-C/PGW-C 合并成为 SMF。

MME 和 HSS 中关于用户鉴权的功能被抽取出来，合并成为 5G 的 AUSF。与此同时，HSS 中剩余的用户数据管理功能独立成为 UDM，和 AUSF 配合工作来完成用户鉴权数据相关的处理。

负责策略控制和计费规则管理功能的 PCRF，演化成了 5G 中的策略控制功能 PCF，丢掉了计费规则管理功能。

除了这些从 4G 传承下来的功能，5G 核心网还引入了一些全新的网络功能 NF，主要包括 NSSF，NEF 和 NRF。

5GC 中，每个 NF 都通过服务化接口对外提供服务，并允许其他 NF 访问或调用自身的服务。提供服务的 NF 被称作 NF Consumer，访问或调用服务的 NF 被称作 NF Producer。这些活动都需要 NRF 的管理和监控。每个 NF 启动时，必须要到 NRF 进行注册登记才能提供服务。红色的 NF1 想要让绿色的 NF2 来提供服务，必须先到 NRF 来进行服务发现才行。

用户面的 NF 相对比较简单，直接把 4G EPC CUPS 的两个控制面网元 SGW-U/PGW-U 合二为一，成为了 5GC 的 UPF。

4G/5G 核心网融合架构

5GC 架构

AMF

AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移动性管理功能）：作为 NG-RAN 接入 5GC 的门户，提供注册管理、连接管理、移动性管理、用户可及性管理、参与鉴权和授权相关的管理功能等。抽取了 4G EPC 中分散在 MME、SGW-C、PGW-C 提供的接入控制和移动性管理功能。

• 注册管理：初始注册、注册更新、去注册、注册区管理、5G-GUTI 分配等。

• 连接管理：NAS 链接管理、业务请求、寻呼、可达性管理、RRC-Inactive。

• 移动性管理：移动性限制、时间订阅和通知、系统内移动性更新和切换。

• 接入控制：接入控制、接入优先级。

• 网络切片：初始 AMF 选择、AMF 重定向、切片修改、会话多切片。

• 服务化管理及网元选择：AMF 的服务管理、服务化接口异常处理、AMF/SMF/PCF/AUSF/UDM/GMLT/>MF/SMSF 的服务发现和网元选择机制。

• 用户数据管理：UDM 签约数据更新、删除、新增。

• 消息透明公路由：PDU Session 管理、UE 策略、定位服务。

• POOL管理：AMF 分配和更新权重/GUAMI、SET 内负载重平衡。

• 拥塞控制：非服务化接口 N1/N2 拥塞控制、服务化接口拥塞控制。

• 故障恢复：有备份和无备份下 AMF 故障恢复、计划内停止服务。

• 其他功能：紧急业务、对等 PLMN，DNN 纠错，用户信令跟踪等。

AUSH

AUSF（Authentication Server Function，鉴权服务功能）：实现对用户的鉴权和认证。

UDM

UDM（Unified Data Management，统一数据管理）：包含 UDR（Unified Data Repository）和 FE（Front End），FE 是一个存取 UDR 数据的前端。负责各种用户签约数据管理、用户鉴权数据管理、用户标识数据管理等。AUSF 和 UDM 功能的集合与 4G EPC 中的 HSS 一致。

UDSF

UDSF（Unstructured Data Storage network function，非结构化数据存储功能）：存储 NF 之间的非结构化数据。

UDC

UDC（User Data Convergence）：主要是将 UDM、AUSF 和 PCF 这三个和用户资料、计费相关的网元整合为 UDC，用以确保数据的一致性和降低在控制面发送重复的信令。

SMF

SMF（Session Management Function，会话管理功能）：是 5GC 的核心网元，负责会话管理相关的功能，包括建立、修改、释放会话等，具体功能包括会话建立过程中的 IP 地址分配、选择和控制用户面功能、配置业务路由和 UP 流量引导、确定 SSC 模式、配置 UPF 的 QoS 策略等。抽取了 4G EPC 中分散在 MME、SGW-C、PGW-C 提供的会话管理功能。

• 服务化功能：服务注册、更新和去注册，服务订阅，NRF 主备切换、心跳功能。

• 移动性管理：去注册、业务请求，Xn/X2 切换。

• 会话管理：PDU Session 建立、修改和释放，N4 接口的会话管理，用户面去活。

• 路由选择：UPF 选择，PCF/UDM 等 NF 发现，业务分流（ULCL/BP）。

• 用户面管理：业务检测控制和路由控制，IP 地址管理，数据缓存，Endmarker。

• 业务连续性管理：SSC mode 1、2、3。

• 位置管理：向 AMF 订阅位置信息，向其他 NF 提供位置信息。

• 策略控制：PCC 策略关联管理，策略和计费控制，策略控制时间上报。

UPF

UPF（User Plane Function，用户平面功能）：主要提供用户平面的业务处理功能，包括业务路由、包转发、业务锚定功能、QoS 映射和执行、上行链路的标识识别并路由到 DN（Data Network，数据网络）、下行包缓存和下行链路数据到达的通知触发、与外部 DN 连接等。抽取了 4G EPC 中分散在 SGW-U 和 PGW-U 的用户面功能。而且在 5GC 中，一个 PDU Session 可以指定若干个 UPF 提供服务，区别于 4G PDN Connection 只能指定一条用户面数据链路（eNB、SGW、PGW）。

• 会话管理：N4 接口的会话管理。

• 路由转发：基于 L3-L7 层的 SDF 识别和转发，业务分流（ULCL/BP），数据缓存，Endmarker。

• 策略执行：执行 SMF N4 接口下发的各类规则。

融合节点功能：

• 头增强：HTTP/HTTPS 头增强。

• APN 融合：分流，防欺诈。

• QoS 控制

PCF

PCF（Policy Control Function，策略控制功能）：和 4G EPC 中的 PCRF 功能一致。从 UDM 获得用户签约的策略并下发到 AMF、SMF 等，再由 AMF、SMF 进一步下发到 UE、RAN 和 UPF。

• 服务化功能：服务注册、更新和去注册、服务订阅、服务发现。

• 非会话类策略控制：接入与移动性控制、UE 策略、AMF 事件订阅。

• 会话类策略：QoS 控制、门控、用量检测、业务检测、重定向、会话绑定、SMF 事件订阅、预定义规则、动态规则。

• 策略数据接口：SPR -> 策略数据 UDR 数据迁移。

• 语音功能：VoNR 能力。

• 数据容灾：组 Pool 功能、服务化容灾机制、策略数据容灾、PCF 容错。

NEF

NEF（Network Exposure Function，网络能力开放）：类似 4G EPC 中的 SCEF（Service Capability Exposure Function），允许外部网元或 AF 存取部分 UE 信息、改变 UE 的行为等。

BSF

• BSF 服务注册/注销/更新

• Nbsf 服务鉴权：验证 BSF 支持对 Service Consumer 进行服务鉴权。

• 与 NRF 连接检测：心跳检测、BSF 可靠性、BSF 支持主备 NRF 切换。

• 会话绑定信息创建：删除、查询 验证 SMF 和内置 BSF 支持 IP PDU Session 绑定信息创建、删除和查询。

• UE 信息获取：

• IP 地址重复的会话绑定信息查询：验证内置 BSF 支持 IPv4 地址重复场景下的会话绑定信息查询。返回指定 UE 的 ID、锚点 PCF Endpoint。

• PCRF 地址映射：验证内置 BSF 支持通过服务化 DRA 提供会话建立的 PCRF 地址映射关系。

NRF

NRF（NF Repository Function，网络注册功能）：提供一个 NF 之间沟通的桥梁，例如某一个 NF 想要知道另一个（含有特定信息/功能的）NF 是否存在以及使用该 NF 或是取得该 NF 中的信息。

• 服务管理：AMF、SMF、PCF、UDM 等关键 NF 服务注册、更新、心跳检测、去注册、状态订阅/通知/去订阅。

• 服务发现：关键 NF 服务发现。

• 分层架构：跨 NRF 进行地柜查询、迭代查询。

• 数据同步

• 故障恢复

• 流控机制

NSSF

NSSF（Network Slice Selection Function，网络切片选择功能）：负责根据入网 UE 提供的 NSSAI（Network Slice Selection Assistance Information）或 S-NSSAI 判断应该为 UE 提供哪个网络切片的服务，进而决定由哪个 AMF 为该 UE 提供接入服务。

• 服务化功能：服务注册、更新和去注册、服务订阅、服务发现。

• 网络切片：初始 AMF 选择、AMF 重定向、发起 PDU Session 时切片选择、会话多切片。

切片：

• 注册管理：初始注册、更新、去注册、注册区管理、5G-GUTI 分配等。

• 连接管理：NAS 连接管理、业务请求、寻呼、可达性管理、RRC-Inactive。

• 网络切片：初始 AMF 选择、AMF 重定向、切片修改、会话多切片。

• 服务化管理及网元选择：AMF/SMF/UDM/NRF/NSSF 服务发现和网元选择。

• 用户数据管理：UDM 签约数据更新、删除、新增。

• POOL 管理：AMF 分配和更新权重/GUAMI，SET 内负载重平衡。

AF

AF（Application Function）：可以利用 SBA 中的 NF，例如用户资料、计费方式等等，设计服务/APP，用于提供客户/UE Service，类似于 SDN Controller 上的 APP。