【光电通信】5G网络接口及信令流程

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NG-RAN和5GC网络拓扑和接口

NG-RAN和5GC的功能划分

gNB功能

• 无线资源管理：无线承载控制，无线准入控制，动态资源分配，连接态移动性控制;

• IP头压缩、数据加密和完整性保护;

• AMF选择；

• 到UPF的用户面数据路由;

• 到AMF的控制面路由;

• 连接建立和释放;

• 寻呼消息和系统广播消息的调度和传输;

• 测量和测量上报配置;

• 支持网络切片，支持双连接；

• QoS Flow 管理和到DRB的映射;

• 支持 UE RRC_INACTIVE态;

• NAS消息转发；

5G核心网网元功能

5G 网络总体拓扑

NG RAN 拓扑图

• NG-RAN 与5GC接口：NG

• gNB间接口：Xn

• gNB-CU与gNB-DU间接口：F1

• NG、Xn、F1接口信令连接都基于SCTP协议；

• 用户面传输都基于 GTP-U协议。

  
  

NG接口协议栈

NG-C功能：

• NG接口管理 

• UE上下文管理

• UE移动性管理 

• NAS消息传输

• 寻呼

• PDU会话管理配置转换

• 告警信息传输

NG-C 协议栈

NG-U功能：

提供NG-RAN 和UPF之间的用户面PDUs非保证传递

NG-U 协议栈

Xn接口协议栈

Xn-C功能：

• Xn接口管理

• UE移动性管理，包括上下文转移和RAN寻呼

• 双连接

Xn-C 协议栈

Xn-U提供用户面PDUs非保证传递，主要功能：

• 数据转发

• 流控制

Xn-U 协议栈

F1接口协议栈

F1-C功能：

• F1接口管理

• gNB-DU管理

• 系统消息管理

• gNB-DU和gNB-CU测量报告

• 负载管理

• 寻呼 

• F1 UE 上下文管理

• RRC消息转发

F1-U功能：

• 用户数据转发

• 流控制功能

无线协议栈

控制面协议栈

用户面协议栈

5G 端到端控制面协议栈

5G 端到端用户面协议栈

4/5G信令过程差别

• UE/gNB/AMF状态管理

• 注册状态：4/5G都一样，包含注册态和去注册态。

• 连接状态NAS层：

  4G：CM_IDLE and CM_CONNECTED；

  5G：CM_IDLE,CM_CONNECTED

• 连接状态AS层(RRC)：

  4G：IDLE and CONNECTED；

  5G：IDLE,CONNECTED and Inactive

• 开机注册

• 4G：Attach过程 

• 5G：Register过程

• RRC连接建立、重配置、释放、修改

• 4/5G 相同

• 业务发起

• IDLE态发起：4G Service Request；5G Service Request。

• 连接态发起新业务：4G ERAB建立或者修改；5G PDU Session建立或者修改。

• 切换

• 4/5G 基本切换除去由于核心网网元变化引入的差别，大体流程上相同。

• 双连接情况下的移动性由于双连接方式，产生了伴随切换的双连接激活和去激活。

• 双连接

• 4/5G双连接信令过程与4G基本相同，差别在消息信元上。

• 4/5G 双连接由于增加5GC的原因，增加了Option4和Option7的典型双连接，导致整体上更加复杂。

• 位置更新

• 4G：TAU；5G：registration update 以及RAN Notification Area Update（用于RRC不活动态）

• 寻呼

• 4G：MME发起。（广播更新发起寻呼用于读广播，不算真正寻呼）

• 5G：gNB和AMF 发起寻呼。用于RRC_INACTIVE态和IDLE态的UE

• 短消息Over NAS

•  4/5G 一样，5G核心网提供了SMSF作为短消息总功能接口。

NR终端状态说明

• RRC_IDLE

• PLMN 选择

• 监听系统消息

• 重选

• 应用协商的DRX配置监听寻呼消息（5GC发起的）

• 位置区由核心网来管理

• RRC_CONNECTED

• 5GC - NG-RAN 仍然与UE建立承载 (both C/U-planes)

• NG-RAN和UE保留上下文信息

• NG-RAN 知道UE属于哪个小区

• 对特定UE建立传输

• 移动性管理由网络侧决定

• RRC_INACTIVE

• 监听系统消息；重选

• 应用协商的DRX配置监听寻呼消息(RAN 发起的)

• 跟踪区(RNA) 由NG- RAN管理

• 保持5GC—NG-RAN的连接（用户面和控制面）

• NG-RAN和UE保留上下文信息

• NG-RAN 知道UE属于哪个RNA

RRC流程

F1-C口信令流程

F1-C口RRC消息传输

随机接入触发条件

随机访问过程由许多事件触发条件包括：

• RRC_IDLE初始接入

• 连接重建

• 切换

• 当UL同步状态为“失步”时，RRC_CONNECTED中DL或UL数据到达

• 从RRC_INACTIVE接入

• SN建立

• 请求其他SI 的接入

• Beam异常恢复

当且仅当DL的测量质量低于广播阈值时，UE选择SUL载波进行初始接入。一旦启动，随机接入进程的所有上行传输仍保留在选定的载波上。

随机接入

Contention-Based

Contention-Free

RRC connected to RRC inactive

0）gNB-CU从连接模式确定UE进入RRC不活动模式。

1）gNB-CU向UE生成RRC连接释放消息。RRC消息被封装在F1AP UE上下文释放命令消息到gNB-DU中。

2）gNB-DU将RRC连接释放消息转发给UE。

3）gNB-DU使用F1AP UE上下文释放响应消息进行响应。

RRC inactive to other states

1）如果从5GC接收到数据，gNB-CU向gNB-DU发送F1AP寻呼消息。

2）gNB-DU向UE发送寻呼消息。

注意:步骤1和2仅在DL数据到达时存在。

3）UE在基于RAN-based寻呼、UL数据到达或RNA更新时发送RRC恢复请求。

4）gNB-DU在一个Non-ue关联的F1AP INITIAL UL RRC MESSAGE TRANSFER消息中携带RRC恢复请求，并将其传输到gNB-CU。

5）对于非活动到活动的UE转换(不包括仅由于信令交换而导致的转换)，gNB-CU分配gNB-CU UE F1AP ID，并向gNB-DU发送F1AP UE上下文建立请求消息，其中可能包括要设置的SRB ID和DRB ID。

6）gNB-DU使用F1AP UE上下文建立响应消息进行响应，其中包含gNB-DU提供的SRB和DRBs的RLC/MAC/PHY配置。

7）gNB-CU向UE生成RRC恢复/建立/拒绝/释放消息。RRC消息与SRB ID一起封装在 F1AP DL RRC MESSAGE TRANSFER消息中。

8）gNB-DU根据SRB ID将RRC消息转发到UE或SRB0或SRB1。

9）UE向gNB-DU发送RRC恢复/建立完成信息。

10）gNB-DU将RRC封装在 F1AP UL RRC MESSAGE TRANSFER消息中，并发送到gNB-CU。

RRC_INACTIVE态下的RNA更新过程

1）UE从RRC_INACTIVE恢复，提供由最后一个服务的gNB分配的I-RNTI和适当的原因值，例如RAN通知区域更新；

2）如果能够解析包含在I-RNTI中的gNB标识，gNB请求最后服务的gNB提供UE上下文

3）最后一个服务的gNB提供UE上下文

4）gNB可以将UE移动到RRC_CONNECTED，或者将UE发回RRC_INACTIVE状态或者将UE发送回RRC_IDLE，如果UE被发送回RRC_IDLE，则不需要以下步骤了

5）为了防止丢失最后一个服务的gNB中缓存的DL用户数据，gNB提供转发地址

6/7）gNB执行路径切换

8）gNB在最后一个服务的gNB触发UE资源释放

UE Initial Access

1）UE向gNB-DU发送RRC连接请求消息。

2）gNB-DU包含RRC消息，如果允许UE，则在F1AP初始UL RRC消息传输消息和传输到gNB-CU中对应的低层配置。初始UL RRC消息传输消息包括gNB-DU分配的C-RNTI。

3）gNB-CU为UE分配一个gNB-CU UE F1AP ID，并向UE生成RRC连接设置消息。RRC消息封装在- F1AP DL RRC消息传输消息中。

4）gNB-DU向UE发送RRC连接建立消息。

5）UE向gNB-DU发送RRC连接建立完成消息。

6）gNB-DU将RRC消息封装在F1AP UL RRC消息传输消息中，并将其发送给gNB-CU。

7）gNB-CU向AMF发送初始UE消息消息。

8）AMF向gNB-CU发送初始的UE上下文建立请求消息。

9）gNB-CU发送UE上下文建立请求消息，用以在gNB-DU中建立UE上下文。在此消息中，它还可以封装RRC安全模式命令消息。

10）gNB-DU向UE发送RRC安全模式命令消息。

11）gNB-DU将UE上下文设置响应消息发送给gNB-CU。

12）UE以RRC安全模式完全响应消息

13）gNB-DU将RRC消息封装在F1AP UL RRC消息传输消息中，并将其发送给gNB-CU。

14）gNB-CU生成RRC连接重配置消息，并将其封装在F1AP DL RRC消息传输消息中

15）gNB-DU向UE发送RRC连接重配置消息。

16）UE向gNB-DU发送RRC连接重新配置完成消息。

17）gNB-DU将RRC消息封装在F1AP UL RRC消息传输消息中，并将其发送到gNB-CU。

18）gNB-CU向AMF发送初始UE上下文设置响应消息。

Inter-gNB-DU Mobility

1）UE向源gNB-DU发送测量报告消息。

2）源gNB-DU向gNB-CU发送上行RRC传输消息，以传递接收到的测量报告。

3）gNB-CU向目标gNB-DU发送UE上下文建立请求消息，以创建UE上下文并建立一个或多个承载程序。

4）目标gNB-DU使用UE上下文建立响应消息响应gNB-CU。

5）gNB-CU向源gNB-DU发送UE上下文修改请求消息，其中包含生成的RRCConnectionReconfiguration消息，并指示停止UE的数据传输。源gNB-DU还发送下行数据发送状态帧，通知gNB-CU向UE发送未成功的下行数据。

6）源gNB-DU将接收到的RRCConnectionReconfiguration消息转发给UE。

7）源gNB-DU使用UE上下文修改响应消息响应gNB-CU。

8）目标gNB-DU对目标执行随机接入过程，目标gNB-DU发送下行数据发送状态帧，通知gNB-CU。下行链路包(可能包括源gNB-DU中未成功传输的PDCP pdu)从gNB-CU发送到目标gNB-DU。

9）UE发送RRCConnectionReconfigurationComplete消息响应目标gNB-DU。

10）目标gNB-DU向gNB-CU发送上行RRC传输消息，以传递接收到的RRCConnectionReconfigurationComplete消息。下行数据包被发送到UE。上行数据包从UE发送，通过目标gNB-DU转发到gNB-CU。

11）gNB-CU向源gNB-DU发送UE上下文释放命令消息。

12）源gNB-DU释放UE上下文，并用UE上下文释放完成消息响应gNB-CU。

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