5G Core 简单介绍

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本文主要介绍 5GS 的几个特征，5GC 中几个重要的 Network Function。简单介绍 SDF，QoS Flow，DRB，PDU Session，QFI，AN 和 CN Tunnel。

以下是23.501中描述的5GS的 high-level architecture。

其中有许多相对于4G EPC的改进

1. Control Plane 和 User Plane 的分离。使得CP和UP可以独立地 scale up, scale down。
2. Compute 和 Data 的分离。使得在CP中可以使用 stateless Network Functions (NFs)，实现可扩展性和弹性。
   在5GC的CP中，诸如 UDM, SMF, PCF 等 NF，并不把它们的数据保存在VM或Container中，而是”远程地“保存在 UDR (Unified Data Repository) 和 UDSF (Unstructed Data Storage Function) 中，分别用于结构化和非结构化的 NF data storage，以实现 stateless NF operation。
   换句话说，即使 NF 失败，备份的 NF (stateless) 可以被启动并从 UDR/UDSF 中取出 state 和 data 继续操作。
3. Service Base Architecture (SBA) 通过 HTTP/2 RESTful API 公开每个 NF 的 capability, 实现 control plane system 的可伸缩性和可扩展性。
   在这个 control plane system 中，NF service 的提供者和使用者，都通过 HTTP/2 来提供/使用服务。
   Docker Container, Kubernetes 和 microservices 通常被用于实现 NF，以利用 Kubernetes 内置的 Scale-IN/OUT 和弹性能力。

4. 5GC 支持多种 access network，而非仅仅是 5G NR-RAN。
   

   比如，5G AGF (Access Gateway Function) 被设计为家庭宽带 acess network 到 5GC 的终点站，以实现固网和移动网的融合。
5. 网络切片提供端到端虚拟网络分区，可在几秒钟或几分钟内实现及时、自动化和 QoS 就绪的虚拟网络设置和拆除。

以下是一些 control plane Network Function 的功能介绍：

• AMF (Access and Mobility Management Function)
  作为不同的 access network 在 control plane 上通往 5GC 的终点站，控制哪些 UE 可以访问 5GC 并与 DN (Data Network) 交换流量。
  它还管理 UE 在从一个 gNB 漫游到另一个 gNB 时的移动性，以尽可能实现会话连续性。
• SMF (Session Management Function)
  在 5GS 中，跟踪 UE 的 PDU session 和 QoS 流，确保他们的 state 和 status 在 CP 和 UP 的 NF之间保持同步。
  它还负责从 PCF (Policy and Charging Function) 处取来 PCC (Policy and Charging Control) Rules，将其转为 SDF (Service Data Flow) Template，提供给 UPF, gNB, UE ，以进行 Qos Flow 的建立、修改、释放等等。
• UPF (User Plane Function)
  在 access network 和 DN 之间转发 UE traffic。
  它还会根据 SMF 从 N4 PFCP (Packet Forwarding Control Packet) interface 发来的 SDF Templates，对 UE 的 uplink/downlink traffic 实施 QoS 控制。
• UDM (Unified Data Management)
  保存用于将 UE 的 SUCI 解密为 SUPI 的 UE encryption key。
  它还保存 UE 的 subscription data。
• AUSF (Authentication Server Function)
  为 UDM 提供服务，使得 UDM 可以验证申请访问 5GS 的 UE 。

PDU Session, QoS Flow, SDF

当 UE 在 5G cell 或 tracking area 内开机的时候，UE 执行 Registration Procedure，AMF 在 UDM 和 AUSF 的帮助下认证 UE 的 SIM 卡，确认它是否在 5GS 中有 valid subscription。

当 UE 的 Registration Procedure 完成后，UE 将向 AMF 发起一条 PDU Session Establishment request，以在 UE 和 DN 建立 default QoS Flow。然后 UE 就可以使用 established PDU Session 中的 default QoS Flow 与 DN (如Internet) 进行 traffic 交换，或者通知 DN 内的其他应用 (如 Voice server) 去建立额外的 QoS Flow 以支持需要更多 QoS 的 traffic 等等。 在 5G 中，QoS Flow 是可以应用 QoS 和计费的 traffic flow 的最小粒度。这与 4G 的 EPS Bearer 很相似。

下图展示了 3个成功与 DN 建立 PDU Session 并进行 traffic exchange 的 UE。

在成功建立 PDU Session 后，default Qos Flow 被创建用于 UE 与 DN 之间交换 traffic。gNB 和 UE 之间建立 DRB (Data Radio Bearer) ，以将 UPF 的 N3 GTP-U tunnel 拓展到 UE。

default QoS Flow 是 non-GBR (non-Guaranteed Bit Rate) QoS Flow，不带 Packet Filter，它在 traffic mapping 方面也只有最低优先级。 也就是说，在UE 的 PDU Session 中，若 UL/DL traffic 与其他 QoS Flow 中的所有 Packet Filter 都匹配不上，才会用 default QoS Flow 转发 UE traffic 到 DN，反之同理。
default QoS Flow 也可被 UE 用于通知 AF (Application Function) 如 voice or video server 建立 GBR QoS Flow 以支持需要更多 QoS 的 network application， 如视频会议。

上图中，3个 UE 都有通向 DN 的 default QoS Flow。 SDF (Service Data Flow) 即 UE 和 DN 之间的 traffic stream。
假设 UE1 是台 5G手机，正用 Firefox 浏览器打开 4个页面访问4个不同的网站。因为 default QoS Flow 在 UE 和 UPF 都没有 Packet Filter，因此对 UL/DL traffic 没有分类功能，所以浏览器的 traffic 都被 map 到 default QoS Flow 中的单个 SDF 上。 Qos Flow 用 SMF 分配的 QFI (QoS Flow Identifier) 进行标识。假设这里说的 default QoS Flow 的 QFI 是 102。

除了 default QoS Flow，UE1 也许还需要 GBR QoS Flow 来携带诸如视频会议的 traffic。它会通过 default QoS Flow 通知视频会议服务器或 AF (Application Function) ，AF 将向 PCF 发起 QoS Flow Setup，以便它为 SMF 生成 PCC 规则。然后，SMF 使用 PDU Session Modification Request 更新 UPF，以增强 UE 的 PDU 会话，修改现有的或创建适合视频会议流量 的新 QoS 流。 在上图中，一条 GBR QoS Flow 被创建了出来。

在 GBR QoS Flow 被创建出来，满足了 UE1 的视频会议需求后，假设现在 UE1 又要玩在线 VR 游戏，且假设 VR 游戏的 QoS 需求与视频会议的一样，SMF 可以通过 PDU Session Modification Procedure 修改当前的 GBR QoS Flow 为支持 2条 SDF。将 SDF 映射到合适的 QoS Flow 上的流程称为 SDF Binding。

AN/CN Tunnels

当 UE 和 DN 之间建立起 PDU Session 时，同时会建立以下 tunnel：

• UE 与 gNB 之间双向的，无线的 DRB
• gNB 与 UPF 之间 2条单向的，有线的 GTP-U tunnel，共同构成双向的 N3 GTP-U tunnel

这两条分别通向 Access Node (AN such as gNB) 和 Core Node (CN such as UPF) 的单向 GTP-U tunnel，分别被称为 AN tunnel 和 CN tunnel。

• AN tunnel 包含 gNB 的 IP地址和 UE 的 TEID_an。 其中 TEID_an 即 gNB 的 GTP-U Tunnel Endpoint (TEID)。
  这条tunnel 被 UPF 用于发送要给 UE 的下行 traffic。
• CN tunnel 包含 UPF 的 IP address 和 UE 的 TEID_cn。 其中 TEID_cn即 UPF 的 GTP-U Tunnel Endpoint (TEID)。
  这条 tunnel 被 gNB 用于发送要给 DN 的上行 traffic。

简单地记，即一个与5GS建立QoS Flow 的 UE，对应一个 TEID_an 和 TEID_cn。
当 UE 从旧 gNB 漫游到新 gNB 时，SMF 会通知 UPF 新 AN Tunnel，让 UPF 通过这条 tunnel 发送要给 UE 的 DL traffic。SMF 也会将 CN Tunnel 通知给新gNB，因此新 gNB 可以发送 UL traffic 到 UPF。
因为漫游的过程中 CN Tunnel 保持不变，因此 UPF 的 IP 和 UE 的 TEID_cn 又被合称为 UE 的 PDU Session Anchor (PSA)。

PDU Session and QoS

PCF 给 SMF 发送 PCC rule 后，SMF 会制定不同的 QoS 结构并顺着 QoS Flow 发送给需要的 entity。主要有：

• 给 UPF 发送 SDF Template，over N4 PFCP (Packet Forwarding Control Protocol) interface.
• 给 gNB 发送 QoS Profile，via AMF over the N2 interface。
• 给 UE 发送 QoS rule，via AMF and gNB over the N1 interface。

下图即为了建立 QoS Flow 发送的 QoS 结构

若 UE，gNB，UPF 能满足 SMF 发来的 QoS 结构的需求，则 QoS 结构中携带的 QFI 将成为当前的 QoS Flow 的特征。
现在再回头看上面三个UE的图，UE1有一个 non-GBR QoS Flow 和一个 GBR QoS Flow。gNB 决定创建2个 DRB 用于分别携带 UE1的 non-GBR QoS Flow 和 GBR QoS Flow。 由于这2个 DRB 都使用 AN Tunnel-a，因此 QoS 流中的 QFI 就成为了给 DRB 分配流量的指标。 换句话说，是 QFI 将 GBR 和 non-GBR traffic 与 DRB1 和 DRB2 绑定了起来。