小白理解-- 4G EPC 过渡到5G 5GC

写在前面：核心网开发部 小白，原秋招应聘公司嵌入式开发工程师，不曾想被分到核心网开发部。对于网络一脸懵逼的我。所幸遇到一个好的导师和部门组长，一步一步引导从2g到5g核心网。 现当下主流4G核心网epc，从它入手 浅析 4G至5G核心网的演变历程。新手小白 若有不正，请相关大佬评论指正，不胜感激。

从4G核心网过渡5G核心网

5G网络架构变形计

5G网络架构设计基础

网络重构先决条件 【4G过渡到5G的核心关键技术 前提条件 】

1.SDN——控制与转发分离

1.SDN——控制与转发分离
Sofeware Defined Network ————实现了控制面与数据面的彻底分离

2.NFV——软硬件解耦

2.NFV——软硬件解耦
Network Function Virtualization————系统软硬件解耦

5G网络架构解析

5G逻辑网络架构——网络重构五步走

4G EPC to 5G 5GC（从4G核心网过渡到5G核心网）

5G的内核–网络架构解析
1.5G逻辑架构–网络重构五步走
图1. LTE非漫游网络结构功能划分

第一步，为了解决控制与转发分离不彻底问题，我们首先对4g网络中兼具控制与转发功能的网关进行解耦，LTE架构中S-GW与P-GW实际上支持物理网元合一部署，在逻辑上我们通常将其称作SAE-GW,然后我们通过引进SDN技术进行网络功能解耦，用户面由新定义的网元UPF承载，控制面板功能由新网元SMF进行统一管理。并且，我们对已经是纯控制网元的MME,HSS和PCRE分别重新定义为AMF，UDM和PCF。网络重构第一步如下图所示：

图2. 网络重构第一步，控制与转发分离

第二步，为了满足网络资源充分灵活共享需求，引入NFV对网络功能实现虚拟化。所以在5G中定义了新网元NF适应新需求 ，考虑到NF面向用户差异化服务，我们将其置于网元PCF，并定义新接口以便于NF可以按需获取PCF的策略控制等参数，网络重构第二步实现效果如下图：

图3.网络重构步骤第二步, 软硬件解耦

第三步，我们将业务平面下沉到网络边缘。我们通过增强网元UDM功能，来承担业务平台下沉后相应的数据管理工作。同时，引入网元AUSF承担数据访问的鉴权与授权工作。 此外，考虑5g是差异化业务场景，要满足多种业务不同QoS保障功能，我们还引入了网元NSSF用来实现网络切片选择的功能。我们还在不改变网络拓扑关系前提下，将各网元摆放位置简单调整。第三步网络重构图如下：

图4. 网络重构第三步，引入移动边缘计算和网络切片

经过上述三步，我们已经完成核心网层面网络重构，接下来考虑第四步，接入网侧网元编排。
从1G到4G，无线通讯系统经历了迅猛的发展，现代网络包含各种复杂技术。 在5G时代，我们改变了原有单一的eNode B接入模式，对接入网进一步优化增强，由此我们定义了新的网元，（R）AN,表示接入侧不是单一的无线接入，而是固定移动融合，经过第四步重构后，网络如下图所示：
图5. 网络重构第四步，多RAT融合

第五步，我们为各网元间的逻辑连接定义必要的接口，如下图所示。注意UE和AMF间重新定义的N1接口，这对比5g是个重要突破，使得低延时高可靠超密集等5G愿景变得更加触手可及。

图6. 网络重构第五步，重新定义各网元接口

5G主要网元（NF）

5G 系统架构由以下网络功能（NF）组成。
5G网元 名称 类似4G EPC网元
AMF 接入和移动性管理 MME中NAS接入控制功能
SMF 会话管理 MME、SGW-C、PGW-C的会话管理功能
UPF 用户平面功能 SGW-U+PGW-U用户平面功能
UDM 统一数据管理 HSS、SPR等
PCF 策略控制功能 PCRF
AUSF 认证服务器功能 HSS中鉴权功能
NEF 网络能力开放 SCEF
NRF 网络注册功能 5G新增，类似增强DNS功能
NSSF 网络切片选择功能 5G新增，用于网络切片选择
AF 应用功能 直接通过核心网交互对外提供专用服务

重点的5GC三网元：
AMF：全称 Access and Mobility Management Function，接入和移动管理功能，终端接入权限和切换等由它来负责。
在AMF的单个实例中可以支持部分或全部AMF功能：
-终止RAN CP接口（N2）。
-终止NAS（N1），NAS加密和完整性保护。
-注册管理。
-连接管理。
-可达性管理。
-流动性管理。
-合法拦截（适用于AMF事件和LI系统的接口）。
-用于与EPS互通的EPS 承载 ID分配。
-UE移动事件通知。
AMF还可以包括以下功能以支持非3GPP 接入网络：

**SMF：**全称 Session Management Function，会话管理功能，提供服务连续性，服务的不间断用户体验，包括IP地址和/或锚点变化的情况。
在SMF的单个实例中可以支持部分或全部SMF功能：
-会话管理，例如会话建立，修改和释放，包括UPF和AN节点之间的隧道维护。
-UE IP地址分配和管理（包括可选的授权）。
-DHCPv4（服务器和客户端）和DHCPv6（服务器和客户端）功能。
-ARP代理和/或以太网PDU的IPv6 Neighbor Solicitation Proxying。 SMF通过提供与请求中发送的IP地址相对应的MAC地址来响应ARP和/或IPv6邻居请求请求。
-选择和控制UP功能，包括控制UPF代理ARP或IPv6邻居发现，或将所有ARP / IPv6邻居请求流量转发到SMF，用于以太网PDU会话。
-配置UPF的流量控制，将流量路由到正确的目的地。
-终止接口到策略控制功能。
-合法拦截（用于SM事件和LI系统的接口）。
-收费数据收集和支持计费接口。

**UPF：**全称 User Plane Function，用户面管理功能，与UPF关联的PDU会话可以由（R）AN节点通过（R）AN和UPF之间的N3接口服务的区域，而无需在其间添加新的UPF或移除/重新——分配UPF。
在UPF的单个实例中可以支持部分或全部UPF功能：
-用于RAT内/ RAT间移动性的锚点（适用时）。
-外部PDU与数据网络互连的会话点。
-分组路由和转发（例如，支持上行链路分类器以将业务流路由到数据网络的实例，支持分支点以支持多宿主PDU会话）。
-数据包检查（例如，基于服务数据流模板的应用程序检测以及从SMF接收的可选PFD）。
-用户平面部分策略规则实施，例如门控，重定向，流量转向）。
-合法拦截（UP收集）。
-流量使用报告。
-用户平面的QoS处理，例如UL / DL速率实施，DL中的反射QoS标记。

5G架构关键技术–还原5G真实面目

1.控制与转发分离
控制转发接入“三朵云”，
2.SBA架构
5GC采用SBA（Service Based Architecture，即基于服务的架构）微服务架构，将原先”单个网元多个功能“，变成相互独立、模块化的”多个网元单个功能“，然后在通过服务化的方式，在统一的构架里按照业务组织起来，敏捷的支持多种接入方式和多种业务需求。

3.网络切片功能
业务下沉，网络切片是NFV应用5G的关键特征。
4.固移融合
5G无线接入网络架构 主要包括5G接入网和5G核心网，其中NG-RAN代表5G接入网，5GC代表5G核心网。

[参考文档] 《迈向5G 从关键技术到网络部署》 中国工信出版社
鲜枣课堂相关知识
5G通信，5G哥

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