3GPP关于5G若干技术规范摘录(二)：NG-RAN总体架构(Ⅰ)

摘要：在本讲座中，节录了3GPP关于5G无线接入网(NG-RAN)的总体架构，包括NG、Xn和F1接口以及它们与无线接口之间的交互。

关键词：3GPP;5G;NG-RAN;NG接口;Xn接口;F1接口;

3GPP TS 38.401-f90是关于5G无线接入网(NG-RA)总体架构的文件。这里给出了5G无线接入网(NG-RAN)架构定义，以及无线接入网接口如下：

①信令与数据传输网络的划分。②5G无线接入网和5G核心网的传输功能完全划分开来。用于5G无线接入网和5G核心网的寻址方式将不依赖传输功能的寻址方式。实际上，某些5G无线接入网或5G核心网功能保存在相同的设备中，作为某些传输功能但不成为5G无线接入网或5G核心网的传输功能组成部分。③用于无线资源控制连接的移动性完全由5G无线接入网控制。④5G无线接入网接口按下述原则定义。⑤通过接口的功能划分选项尽量少。⑥接口基于通过该接口控制的实体的逻辑模型。⑦一个物理网络元素可以实现多个逻辑节点。

1 Uu和NG接口的框架

1.1 概述

经Uu和NG接口的协议分为两块：一块是用户面协议，具有实现实际的数据协议单元(PDU)会话服务，即通过接入层载送用户数据的协议;另一块是控制面协议，具有用于控制PDU会话和来自不同方面的用户设备(UE)与网络之间连接的协议，这些不同方面包括申请服务，控制不同的传输资源以及切换等，还包括用于非接入层信息的透明传输。

1.2 用户面

图1给出了NG和Uu用户面接口的连接协议，用以提供协议数据单元(PDU)会话资源业务。

1.3 控制面

图2给出了NG和Uu接口的控制面(信令)的协议栈。

(为了实现对移动通信网络的控制、状态监测和信道共用，必须要有完善的控制功能，移动通信信令就是用来表示移动通信系统状态信息和完成移动通信系统控制功能的有效方法。信令需要在移动通信网的移动台、基站、基站控制中心和移动交换中心之间传输，并对其进行分析、处理来形成一系列操作和控制，这也就是NG和Uu控制面协议要解决的问题。)

2 5G无线接入网(NG-RAN)架构

图3是5G无线接入网(NG-RAN)总体架构，由一组通过NG接口连接5G核心网的gNB组成。

gNB：是向UE提供NR用户面和控制面协议终端的节点，并且经由NG接口连接到5GC。一个gNB可以支持FDD模式、TDD模式或同时支持这两种模式，gNB之间通过Xn接口互连。一个gNB可由一个gNB-CU和一个或多个gNB-DU组成，gNB-CU和gNB-DU之间通过F1接口连接，一个gNB-DU仅可以与一个gNB-CU连接。

gNB-CU：全称gNB中心单元(gNB Central Unit)，负责gNB的无线资源控制(RRC)，业务数据适配协议(SDAP)和分组数据聚合协议(PDCP)的逻辑节点，或是控制一个或多个gNB-DU操作的en-gNB的RRC和PDCP协议的逻辑节点(en-gNB是向UE提供E-UTRA用户面和控制面协议终端的节点，并且经由NG接口连接到5GC)。

gNB-DU：全称gNB分布单元(gNB Distributed Unit)，负责gNB或en-gNB的无线链路控制(RLC)，媒质接入控制(MAC)和物理层(PHY)的逻辑节点，并且其操作部分地由gNB-CU控制。一个gNB-DU支持一个或多个小区，一个小区仅由一个gNB-DU支持。

NG、Xn和F1是逻辑接口。5G无线接入(NG-RAN)分层为无线网络层(RNL)和传输网络层(TNL)。所谓NG-RAN架构，也即NG-RAN逻辑节点和它们之间的接口，定义为无线网络层(RNL)部分。对于5G无线接入网的每一种接口(NG、Xn、F1),有关的传输层(TNL)协议和功能给予规定(定义)，TNL为用户面传输信令提供服(业)务。在NG-Flex结构中，每一NG-RAN节点连接到一AMF区内AMF集的所有AMF，支持至少一个切片并由NG-RAN支持。

3 gNB-CU-CP和gNB-CU-UP分离的总体架构

(在作者以前的5G有关讲座中，曾阐明为适应5G的发展，用户面与控制面是去耦(分离)的。)

gNB-CU-CP和gNB-CU-UP分离的总体架构如图4所示。

一个gNB由一个gNB-CU-CP，多个gNB-CU-UP和多个gNB-DU组成;gNB-CU-CP通过F1-C接口连接到gNB-DU;gNB-CU-UP通过F1-U接口连接到gNB-DU;gNB-CU-UP通过E1接口连接到gNB-CU-CP;一个gNB-DU仅连接到一个gNB-CU-CP;一个gNB-CU-UP仅连接到一个gNB-CU-CP。

注1：为有一定弹性，一个gNB-DU和/或一个gNB-CU-UP通过适当的实现方式可以连接到多个gNB-CU-CP;一个gNB-DU在同一gNB-CU-CP的控制下，可以连接到多个gNB-CU-UP;一个gNB-CU-UP在同一gNB-CU-CP的控制下，可以连接到多个gNB-CU-CP。

注2：一gNB-CU-CP与一gNB-DU之间的连接(性)，是由gNB-CU-CP利用承载上下文管理功能建立的。

注3：根据用户设备(UE)服务申请，gNB-CU-CP选择一适当的gNB-CU-UP。在多个CU-UP情况下，它们处于相同的安全范围。

注4：在gNB中内部的gNB-CU-CP切换期间，gNB-CU-UP之间数据转发，可由Xn-U支持。

4 5G无线接入网(NG-RAN)节点中用户设备(UE)的关联

在NG-RAN节点中需要有若干类型UE的关联：用于储存一UE所需的所有信息的“上下文”，以及用于NG/XnAP UE关联信息的UE和逻辑NG与Xn连接。

(1)NG-RAN节点UE上下文：一个NG-RAN节点UE上下文是一个关联到一个UE的NG-RAN节点中的信息组。该信息组包含对激活的UE维持NG-RAN服务要求所必需的信息。一个NG-RAN的UE上下文，是在一个UE传送到RRC CONNECTED完成时建立的，或是在目标NG-RAN节点中切换准备期间资源配置切换完成之后建立的。此时，UE的状态信息，安全性信息、UE容量信息和关联到逻辑的NG连接的UE识别，将包括在NG-RAN节点UE上下文中。

对于双连接，一个NG-RAN节点UE上下文建立也是在次要的5G无线接入网(S-NG-RAN)节点完成S-NG-RAN节点附加准备处理之后建立的。若在一UE上下文建立或修改处理期间，在需要建立无线承载时，UE具有通过信令送到接收节点作为UE上下文建立或修改处理(程序)的一部分的能力。

(2)承载上下文：一个承载上下文，是一个在一gNB-CU-UP节点中，关联到一个UE为通信通过E1接口的信息组，可包括关于数据无线承载，协议数据单元会话和关联到UE的QoS流。信息组包含保持用户面面向用户服务(业务)所需之信息。

(3)与用户关联的逻辑NG/Xu/F1/E1连接：NGAP,XnAP,F1AP和E1AP提供控制面与关联UE，分别通过NG-C,Xn-C,F1-C或E1接口进行信息交换的方法。

一个关联UE的逻辑连接是在NG/Xn/F1对等节点间最初NGAP/XnAP/F1AP信息交换期间建立的。连接保持的时间，和关联用户NG/XnAP/F1AP信息经NG/Xn/F1接口进行交换所需时间一样长。关联UE逻辑NG连接需利用标识AMF UE NGAP ID和RAN UE NGAP ID。关联UE逻辑Xn连接需利用标识Old NG-RAN node UE XnAP ID和New NG-RAN node UE XnAP ID,或是M-NG-RAN node UE XnAP ID和S-NG-N node UE XnAP ID。关联UE逻辑F1连接需利用标识gNB-CU UE F1AP ID和gNB-DU UE F1AP ID。当一节点(AMF或gNB)接收一关联UE NGAP/XnAP/F1AP信息时，节点基于NGAP/XnAP/F1AP ID检索关联UE。

(4)关联UE的信令：是一种与一个UE的NGAP/XnAP/F1AP，通过关联UE逻辑NG/Xn/F1连接的关联信息。

5 在gNB-CU/gNB-DU架构中总的处理过程(流程)

5.1 UE的初始接入

5G用户终端(UE)通过gNB接入5G网络的信令流程如图5所示。

图5进一步说明如下：

(1)用户设备(UE)发送一无线资源控制(RRC)申请信息给gNB-DU。

(2)gNB-DU包括RRC信息，以及当UE认可时，加上为UE在INITIAL UL RRC MESSAGE TRANSFFR信息中相应的低层配置并传送到gNB-CU。INITIAL UL RRC MESSAGE TRANSFFR信息包括由gNB-DU配置的C-RNTI。

(3)gNB-CU为UE配置gNB-CU UE F1AP ID，并对UE产生RRC建立信息。RRC信息被装(打包)在DL RRC MESSAGE TRANSFER信息中。

(4)gNB-DU发送RRC建立信息给UE。

(5)UE发送RRC CONNECTION SETUP COMPLETE信息给gNB-DU。

(6)gNB-DU将RRC信息装(打包)在UL RRC MESSAGE TRANSFER信息中，并将其发送给gNB-CU。

(7)gNB-CU发送INITIAL UE MESSAGE信息给AMF。

(8)AMF发送INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST信息给gNB-CU。

(9)gNB-CU发送UE CONTEXT SETUP REQUEST信息到gNB-DU中建立UE CONTEXT，在此信息中，也可装入安全性模式指令信息。

(10)gNB-DU发送安全性模式指令信息给UE。

(11)gNB-DU发送UE CONTEXT SETUP REQUEST信息给gNB-CU。

(12)UE报以安全性模式完成信息。

(13)gNB-DU将RRC信息装入UL RRC MESSAGE TANSFER信息并将其发送给gNB-CU。

(14)gNB-CU产生RRC重构信息并将其装入DL RRC MESSAGE TRANSFER信息。

(15)gNB-DU发送RRC重构信息给UE。

(16)UE发送RRC重构完成信息给gNB-DU。

(17)gNB-DU将RRC信息装入UL RRC MESSAGE TRANSFER信息并将其发送给gNB-CU。

(18)gNB-CU将INITIAL CONTEXT SETUP RESPONSE信息发送给AMF。

(未完待续)