带你读《5G 系统技术原理与实现》——1.2.3 5G 系统接口功能与协议

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简介: 带你读《5G 系统技术原理与实现》——1.2.3 5G 系统接口功能与协议

1.2.3 5G 系统接口功能与协议


由前文可知,5G 系统的接口非常多,如果考虑接口间的协同工作及相互影响,可能涉及的内容更多。本节内容仅针对NG 接口、Xn 接口、F1 接口、E1 接口和Uu 接口进行述。

5G 系统接入网(AN)和核心网(5GC)的主要接口如图1-13 所示。


NG 接口是NG-RAN 与5GC 之间的接口,包括N2、N3;

N1 接口是终端与AMF 之间的逻辑接口,为非接入层接口;

N2 接口是基站与AMF 之间的接口,也称NG-C 接口;

N3 接口是基站与UPF 之间的接口,也称NG-U 接口;

E1 接口是gNB-CU-CP 与gNB-CU-UP 之间的接口;

F1 接口是gNB-CU 与gNB-DU 之间的接口;

F2 接口是gNB-DU 与AAU 之间的接口,使用CPRI(Common Public Radio Interface,通用公共无线接口)或eCPRI 来实现;

Uu 接口是UE 与gNB 的接口,通常称为空口。


(1)NG 接口功能与协议

NG 接口是NG-RAN 和5G 核心网之间的接口,支持控制面和用户面分离,支持模块化设计。NG 接口协议栈如图1-14 所示,其中左侧表示控制面协议栈(NG-C 接口),右侧表示用户面协议栈(NG-U 接口)。


NG-C 接口的主要功能如下。


PDU 会话管理过程,完成PDU 会话的NG-RAN 资源建立、释放或修改过程:PDU会话资源建立、修改、释放、通告、修改指示。

UE 上下文管理过程,完成UE 上下文建立、释放或修改过程:初始上下文建立、UE上下文修改、UE 上下文释放请求、UE 上下文释放。

NAS 发送过程,完成AMF 和UE 间的NAS 信令数据透传过程:NAS 发送过程,完成AMF 和UE 间的NAS 消息透明传递,初始UE 消息(NG-RAN 节点发起)、上行NAS传输(NG-RAN 节点发起)、下行NAS 传输(AMF 发起)、NAS 无法传输指示(NG-RAN节点发起)、NAS 重路由请求(AMF 发起)。

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图1-13 AN 与5GC 的主要接口

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图1-14 NG 接口协议栈


UE 移动管理过程,完成UE 移动切换的准备、执行或取消过程:切换准备、切换资源分配、切换通知、路径切换请求、上下行RAN 状态转发、切换取消。

寻呼过程,完成寻呼区域内向NG-RAN 节点发送寻呼请求过程。

AMF 管理过程, 完成AMF 告知NG-RAN 节点AMF 状态和去激活与指定UENGAP 组合过程。

AMF 状态指示、NGAP 组合去激活。

NG 接口管理过程。完成NG 接口管理过程:NG 建立、NG 重置、RAN 配置更新、

AMF 配置更新、错误指示。

NG-U 接口主要功能如下。

NG-U 接口在NG-RAN 节点和UPF 之间提供非保证的用户平面PDU 传送;

协议栈传输网络层建立在IP 传输上;

GTP-U 在UDP/IP 之上用于承载NG-RAN 节点和UPF 之间的用户面PDU。


(2)Xn 接口

Xn 接口是NG-RAN 之间的接口,存在于gNB与gNB 之间、NG-eNB 与NG-eNB 之间、gNB 与NG-eNB 之间,用户面协议栈基于GTP-U,控制面协议栈是基于SCTP 的Xn-AP。Xn 接口可以为不同设备厂商的NG-RAN 设备提供互联。通过NG 接口协同在NG-RAN 节点之间提供业务连续性。Xn 接口协议栈如图1-15 所示,其中左侧表示控制面协议栈(Xn-C 接口),右侧表示用户面协议栈(Xn-U 接口)。在CU/DU 分离的情况下,Xn-C 是CU 控制面之间的接口,Xn-U 是CU 用户面之间的接口。

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图1-15 Xn 接口协议栈


Xn-C 接口的主要功能如下。


Xn-C 接口管理和差错处理功能。Xn 建立功能,允许两个NG-RAN 节点间Xn 接口的初始建立,包括应用层数据交互;差错指示功能,允许应用层错误情况上报;Xn 重置功能,允许NG-RAN 节点告知另一个NG-RAN 节点其已经从非正常失败状态恢复,第二个节点需要删除与第一个节点相关的所有上下文(应用层数据除外)并释放资源;Xn 配

置数据更新功能,允许两个NG-RAN 节点随时更新应用层数据;Xn 移除功能,允许两个NG-RAN 节点删除各自的Xn 接口。


UE 移动管理功能。切换准备功能,允许源和目的NG-RAN 节点间的信息交互从而完成指定UE 到目的NG-RAN 节点初始切换;切换取消功能,允许通知已准备好的目的NG-RAN 节点取消切换,同时释放切换准备期间的资源分配;恢复UE 上下文功能,允许

NG-RAN 节点从其他节点恢复UE 上下文;RAN 寻呼功能,允许NG-RAN 节点初始化非

激活态UE 的寻呼功能;数据转发控制功能:允许源和目的NG-RAN 节点间用于数据转发传输承载的建立和释放。


双连接功能:使能NG-RAN 辅助节点内额外资源的使用。


Xn-U 接口的主要功能如下。


Xn-U 接口提供用户平面PDU 的非保证传送,并支持分离Xn 接口为无线网络功能和传输网络功能,以促进未来技术的引入。


数据转发功能,允许NG-RAN 节点间数据转发从而支持双连接和移动性操作。


流控制功能,允许NG-RAN 节点接收第二个节点的用户面数据从而提供数据流相关的反馈信息。


(3)E1-C 接口功能与协议

在CU 与DU 分离的场景下,E1 接口是指CU 控制面与CU 用户面之间的接口,E1 接口只有控制面接口(E1-C 接口)。E1 接口是开放接口,支持端点之间信令信息的交换,支持5G 系统新服务和新功能。E1-C 接口不能用于用户数据转发。E1 接口协议栈如图1-16 所示。


E1 接口的主要功能如下。


E1 接口管理功能。错误指示功能,CU-U 向CU-C 发出错误指示;复位功能,用于CU-U 与CU-C 建立之后和发生故障事件之后初始化对等实体,以及CU-U 与CU-C之间应用层数据的互操作;CU-U 配置更新:CU-U 将NRCGI、S-NSSAI、PLMN-ID 和CU-U 支持的QoS 信息通知给CU-C。E1 接口UE 上下文管理功能。CU-C 发起并根据准入控制标准确定UE 上下文承载建立是否被CU-U 接受;UE 上下文承载修改与释放,此操作可以由CU 或DU 发起;用于设置和修改QoS 流到DRB 的映射配置,并将生成的SDAP 和PDCP 配置到CU-U,完成QoS 流与DRB 间的相互映射。

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图1-16 E1 接口协议栈


下行数据通知(CU-U)。承载不活动通知,CU-C 通知用户不活动的事件,CU-U指示与承载者关联的不活动计时器是否过期;CU-U 向CU-C 发出数据使用报告。


TEID 分配功能。CU-U 为每个数据无线承载分配F1-U UL GTP TEID;CU-U 为每个PDU 会话分配NG-U DL GTP TEID;CU-U 为每个数据无线承载分配X2-U DL/ULGTP TEID 或Xn-U DL/UL GTP TEID。


(4)F1 接口功能与协议

在CU 与DU 分离的场景下,F1 接口是CU 与DU 之间的接口,通常称为中传接口,F1接口分为用户面接口(F1-U 接口)和控制面接口(F1-C 接口)。F1 接口协议栈如图1-17 所示,其中左侧表示控制面协议栈(F1-C 接口),右侧表示用户面协议栈(F1-U 接口)。

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图1-17 F1 接口协议栈


F1-C 接口的主要功能如下。


F1 接口管理功能,包括错误指示和复位功能。复位功能是指在节点建立之后和发生故障事件之后初始化对等实体。

系统信息管理功能。系统消息调度功能在gNB-DU 中执行,gNB-DU 负责MIB、SIB1 的编码,gNB-CU 负责其他SI 消息的编码。

F1 UE 上下文管理功能。基于接纳控制准则由gNB-CU 发起并由gNB-DU 接受或拒绝F1 UE 上下文的建立;F1 UE 上下文的修改可以由gNB-CU 或gNB-DU 发起;QoS 流和无线承载之间的映射可以由gNB-CU 发起;建立、修改和释放DRB 和SRB资源。

RRC 消息传送功能。RRC 消息通过F1-C 传送,CU 使用DU 提供的辅助信息对专用RRC 消息进行编码。


F1-U 接口的主要功能如下。


用户数据传输(Transfer of User Data);

CU 和DU 之间用户数据传输;

流量控制功能(Flow Control Function);

控制下行用户数据流向DU。


(5)无线接入Uu 接口功能与协议

Uu 接口又称为空中接口,是UE 与网络之间的接口,这里的网络既可以是NG-RAN,也可以是5GC 网络。Uu 接口支持控制面和用户面分离,Uu 接口控制面协议栈如图1-18所示;Uu 接口用户面协议栈如图1-19 所示。Uu 接口控制面和用户面共享PDCP、RLC、MAC 和PHY。对于PDCP、RLC、MAC 和PHY,控制面和用户面使用时会有差异。

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图1-18 Uu 接口控制面协议栈

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图1-19 Uu 接口用户面协议栈

NAS 是控制面功能,位于核心网的AMF 与终端之间,功能包括核心网承载管理、注册管理、连接管理、会话管理、鉴权、安全性和策略控制。基于服务的NAS 接口如图1-20所示。


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图1-20 基于服务的NAS 接口


RRC 可实现控制面功能,位于gNB 和UE 之间。RRC 层用于处理无线接入相关的控制面过程,完成系统消息广播、寻呼、RRC 连接管理、资源控制、移动性管理、UE 测量报告控制、终端能力处理等。


SDAP(Service Data Adaptation Protocol,服务数据适配协议)层用来实现Uu 接口用户面功能。SDAP 用于为每个报文打上流标识(QFI,QoS Flow ID),根据QoS 要求在QoS 流与DRB 之间进行相互映射。在5G 系统中,NG 接口基于QoS 流对业务进行保障,空口基于DRB 承载对业务进行保障,PDCP 子层及以下各层进行QoS 保障是基于DRB 进行的。因此,在5G 系统中需要新增一个适配子层SDAP,以便将QoS 流映射到DRB,或者反过来将DRB 映射到QoS 流。在这个过程中,每个PDU 会话对应一个

SDAP 实体。


PDCP 位于gNB 和UE 之间。在控制面主要实现加密、解密和完整性保护功能,在用户面为SDAP 层提供无线承载实体,主要实现IP 报头压缩和加密、解密。在5G 通信系统中,完整性保护功能对于用户面的PDCP 子层是可选项。在UE 切换时,PDCP 层还要负责重传、按顺序递交和重复数据删除等功能。对于双连接情况下的分离承载,PDCP 提供路由功能和复制功能,即为终端的每个无线承载配置一个PDCP 实体。


RLC(Radio Link Control,无线链路控制)层位于gNB 和UE 之间。RLC 层的重要功能是数据分段、重传和重复数据删除。RLC 层以RLC 信道的方式向PDCP 层提供服务,每个RLC 信道(对应每个无线承载)针对一个终端配置一个RLC 实体。根据服务类型,RLC 层可以配置为透明模式、非确认模式和确认模式,实现部分或全部功能。透明模式是指数据分组在RLC 层透传,并且不添加报头;非确认模式支持分段和重复检测;确认模式支持全部功能,且支持错误数据分组重传。与LTE 相比,NR 中的RLC 不支持数据按序递交以减小时延。


MAC(Medium Access Control,媒体接入控制)层位于gNB 和UE 之间。MAC 层的主要功能是逻辑信道复用、HARQ 重传、资源调度以及和调度相关的功能。MAC 层以逻辑

信道的形式为RLC 层提供服务。NR 改变了MAC 层的报头结构,可更有效地支持低时延

处理。


PHY(PHYsical,物理)层负责编解码、调制解调、多天线映射以及其他典型物理层功能。物理层以传输信道的形式向MAC 层提供服务。

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