51学通信

深度解析 3GPP TS 23.501：6 Network Functions (Part 1 - AMF 接入和移动性管理功能)

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本文技术原理深度参考了3GPP TS 23.501 V18.9.0 (2025-03) Release 18规范中，关于“5.47 Support for Network Controlled Repeater (NCR)”和“6 Network Functions”的核心章节，旨在为读者提供一个5G网络功能（NF）的宏观视图，并对核心中的核心——AMF（接入和移动性管理功能）进行一次彻底的、深入的解构。本文是解读“6 Network Functions”系列的第一部分。

深度解析 3GPP TS 23.501：6 Network Functions (Part 1 - AMF 接入和移动性管理功能)

欢迎来到“解构5G核心网”系列。在前面的文章中，我们已经探索了5G如何通过各种高级机制，为XR、个人物联网等前沿应用提供强大的网络保障。今天，我们将开启一个全新的、更为宏大的篇章——深入剖析构成5G核心网（5GC）的“五脏六腑”，即网络功能（Network Functions, NFs）。

在正式进入第6章的庞大世界之前，我们先对5.47章节——网络控制中继器（NCR, Network Controlled Repeater）支持做一个简要的说明。NCR可以被通俗地理解为一个由网络控制的、智能的“5G信号放大器”。它不同于传统的、简单的信号中继设备，其核心部分（NCR-MT）在网络看来，行为模式与一个UE非常相似。因此，5.47章节的核心思想是复用现有的UE流程来管理NCR。规范指出，对NCR的支持主要体现在：

  1. 签约授权： 在UDM的签约数据中，明确标识一个“UE”是否被授权作为NCR设备运行。

  2. AMF的授权与通知： AMF在NCR-MT进行注册时，会执行授权检查，并将授权结果通知给NG-RAN。

  3. 状态动态更新： 如果NCR的授权状态发生变化（例如，被OAM禁用），AMF会负责将这一变更通知给NG-RAN。

由于NCR在核心网侧的管理很大程度上复用了UE的流程，因此我们不对其展开独立篇章，而是将其视为AMF需要管理的一种“特殊UE”。这个引子，恰好将我们带入了今天真正的主角——管理所有UE（及类UE设备）接入和移动的5G核心网“大门”与“交通警察”——AMF。

从本篇文章开始，我们将系统性地解构第6章，逐一揭示每个NF的神秘面纱。作为Part 1，我们将从AMF（接入和移动性管理功能）开始。

为了更好地理解AMF的繁杂职责，让我们再次跟随小晴的脚步。今天，她来到“未来城市”新落成的国际会展中心，参加一场大型的科技展会。这个会展中心覆盖了最先进的5G网络，包含了多层展馆、地下停车场、室外广场等复杂场景。我们将通过小晴从进入会场、四处逛展、接听电话到离开会场的全过程，来全方位、立体化地展现AMF是如何指挥若定，保障她无缝、稳定的网络体验的。

1. 5G核心网的“演员表” (6.1 General & 6.2 Network Function Functional description)

第6章开篇，首先为我们定义了5G核心网的基本构成单元。

Clause 6 provides the functional description of the Network Functions and network entities and the principles for Network Function and Network Function Service discovery and selection.

5G核心网是一个基于**服务化架构（SBA）**的舞台，每一个网络功能（NF）都是一个身怀绝技的“演员”，它们通过标准化的“剧本”（API接口）相互调用、协同工作，共同完成一场场复杂的通信大戏。而AMF，无疑是这场大戏中戏份最重的主角之一。

2. 核心网的“守门人”与“交通枢纽”：AMF (6.2.1 AMF)

AMF（Access and Mobility Management function），接入和移动性管理功能，是UE进入5G核心网的唯一入口。所有来自UE的信令，以及所有与UE移动性相关的控制，都由AMF统一处理和分发。它就像是会展中心的总安检口和中央交通枢纽。

The Access and Mobility Management function (AMF) includes the following functionality. Some or all of the AMF functionalities may be supported in a single instance of an AMF:

接下来，我们将逐一拆解规范中定义的AMF的核心职责，并通过小晴在会展中心的经历，来生动地诠释它们。

2.1 终止RAN CP接口(N2)与NAS(N1)接口

  • Termination of RAN CP interface (N2).
  • Termination of NAS (N1), NAS ciphering and integrity protection.

这是AMF最基础、最核心的接口能力。

  • N1接口： UE与AMF之间的非接入层（NAS）信令接口。所有UE发起的注册、去注册、服务请求等核心信令，都通过N1接口承载。它就像小晴手机里的“通信APP”，直接与AMF“对话”。

  • N2接口： RAN（基站）与AMF之间的控制面接口。N1信令需要通过N2接口进行“捎带”传输。同时，N2接口也承载了RAN与AMF之间关于UE上下文管理、寻呼、切换等重要的控制信息。

场景代入：

小晴乘坐地铁到达会展中心站，走出站台的瞬间，她的手机开机。

  1. 手机与最近的基站建立了RRC连接。

  2. 手机通过这条RRC连接，将一个N1 NAS消息（Registration Request）发送给基站。

  3. 基站将这个N1消息封装在一个N2消息（INITIAL UE MESSAGE）中，发送给了AMF。

AMF作为N1和N2信令的终结点，成功接收到了小晴的“敲门”请求。同时，它还负责对N1信令进行加密和完整性保护，确保小晴的身份信息在空口传输中不会被窃听或篡改。

2.2 注册、连接、可达性与移动性管理

这是AMF的四大核心管理职能，贯穿了UE从开机到关机的整个生命周期。

2.2.1 注册管理 (Registration management)

  • Registration management.

负责处理UE在网络中的“户籍”问题，即注册、更新和去注册。

  • 场景代入： AMF收到了小晴的注册请求。它立即与AUSF和UDM交互，完成了对小晴SIM卡的鉴权，并从UDM获取了她的签约数据（比如她签约了哪些网络切片，最大带宽是多少等）。鉴权成功后，AMF为小晴分配了一个临时的身份标识GUTI，并在UDM中登记：“小晴已在我处（AMF-1）注册”，然后向小晴发送Registration Accept。至此，小晴正式成为了这张网络的“合法公民”。

2.2.2 连接管理 (Connection management)

  • Connection management.

负责管理UE与AMF之间的NAS信令连接状态，即CM-CONNECTED（连接态）和CM-IDLE（空闲态）之间的转换。

  • 场景代入： 小晴注册成功后，开始浏览展会日程，此时她的手机处于**CM-CONNECTED状态，可以随时与网络进行信令交互。几分钟后，她将手机放入口袋，没有数据传输，RAN为了节省资源，释放了RRC连接，并通知AMF。AMF随之将小晴的状态切换为CM-IDLE**。

2.2.3 可达性管理 (Reachability management)

  • Reachability management.

负责在UE处于CM-IDLE状态时，能够找到并唤醒它。这个过程的核心就是寻呼（Paging）。

  • 场景代入： 小晴的手机在口袋里处于CM-IDLE状态。这时，她的同事打来一个VoNR电话。核心网需要将呼叫送达给小晴。

    1. IMS网络将呼叫请求送达SMF。

    2. SMF发现小晴的PDU会话处于非活跃状态，于是向AMF发送“下行数据通知”。

    3. AMF发现小晴处于CM-IDLE，立即在她最后所在的注册区（Registration Area）内的所有基站上，发起寻呼。

    4. 小晴的手机监测到寻呼消息，立即响应，并恢复RRC连接，从而接听电话。

2.2.4 移动性管理 (Mobility Management)

  • Mobility Management.

这是AMF最复杂的职责之一，确保UE在移动过程中的连接连续性。

  • 场景代入： 小晴一边通话，一边从一楼展馆（由gNB-1覆盖）走向二楼展馆（由gNB-2覆盖）。

    1. 切换决策： gNB-1检测到来自小晴手机的信号减弱，而gNB-2的信号增强，于是决定发起切换。

    2. AMF的协调作用： gNB-1向AMF发送Handover Required消息。AMF作为“交通枢纽”，立即向gNB-2发送Handover Request，为其准备资源。

    3. 路径更新： 切换成功后，gNB-2会向AMF发送Path Switch Request。AMF再通知SMF：“你的用户现在换了一条路，请更新用户面路径”。SMF随即指令UPF将下行数据切换到通往gNB-2的新N3隧道上。

整个切换过程，AMF扮演了至关重要的协调者角色，确保了小晴的通话无缝切换，毫无中断。

2.3 “信使”与“代理”：消息的透明传输

  • Provide transport for SM messages between UE and SMF.
  • Transparent proxy for routing SM messages.
  • Provide transport for SMS messages between UE and SMSF.

AMF虽然是所有NAS信令的接收者，但它并不处理所有信令。对于会话管理（SM）和短信（SMS）相关的信令，AMF只扮演一个安全的“信使”和“智能路由器”的角色。

  • 场景代入： 小晴在展会现场想看一段4K产品宣传视频。

    1. 她的手机发送一个PDU Session Modification Request（NAS-SM消息），请求提升QoS。

    2. 这个NAS-SM消息被封装在NAS-MM信令中，首先到达AMF。

    3. AMF解析NAS-MM头部，发现这是一个SM消息，并且根据PDU会话ID，查询到管理这个会话的是SMF-1。

    4. AMF不解析SM消息的具体内容，而是将其透明地转发给了SMF-1。

    5. SMF-1处理完请求后，将响应消息同样通过AMF转发回给UE。

对于SMS消息，流程完全类似，只是转发的目标变成了SMSF。这种职责分离的设计，使得AMF可以专注于其最核心的移动性和接入管理，而将复杂的会话和业务逻辑解耦到SMF等其他NF中。

2.4 其他重要职责

除了上述核心功能，AMF还承担着一系列其他重要职责：

  • 安全锚点功能 (SEAF): 在鉴权流程中，AMF作为SEAF，是核心网侧安全密钥派生的“根”。

  • 策略执行与交互： 接收来自PCF的接入和移动性策略（如UE的漫游限制、接入限制等），并负责在RAN和UE侧执行。

  • EPS互操作： 在5G与4G互操作场景中，负责与MME进行上下文传递和接口转换。

  • 切片支持： AMF是UE切片选择的第一个关键节点。它根据UE请求的Requested NSSAI，向NSSF查询，以确定为UE选择哪个AMF实例、哪个切片实例。

  • 合法监听 (LI) 和计费： AMF是LI和计费信息的重要来源之一，提供与移动性事件、接入事件相关的触发信息。

5. FAQ

Q1: AMF和4G EPC中的MME有什么主要区别？

A:

AMF可以被看作是MME功能“演进与分解”后的产物。主要区别在于：

  1. 功能分离： MME同时承担了移动性管理（MM）和会话管理（SM）的控制面功能。而在5GC中，这两个功能被彻底分离，MM功能归于AMF，SM功能则独立出来由SMF负责。这种分离使得控制面可以更灵活地独立扩展和演进。

  2. 用户面解耦： MME还包含了SGW-C的功能，直接参与用户面隧道的建立和管理。而AMF完全不参与用户面，它只负责控制面信令，用户面的控制完全由SMF负责，实现了C/U平面更彻底的分离。

  3. 服务化接口： AMF是基于服务化架构设计的，通过SBI（如Namf_Communication）对外提供服务。而MME则基于传统的点对点参考点接口（如S11, S10）。

  4. 切片感知： AMF是原生支持网络切片的，它是UE切片选择流程的入口。而MME需要通过DCN（专用核心网）等机制才能间接支持类似的功能。

Q2: 一个UE可以同时连接到多个AMF吗？

A:

对于同一个接入类型（如3GPP接入或某个non-3GPP接入），一个UE在任何时候都只能注册到一个AMF。AMF是UE在该接入类型下的唯一信令锚点。但是，如果一个UE同时通过3GPP接入和non-3GPP接入连接到同一个PLMN，规范要求它应该被同一个AMF服务，此时AMF会为该UE维护两个独立的接入上下文。

Q3: AMF是如何被选择的？

A:

AMF的选择主要发生在UE初次接入网络时，由RAN（基站）负责。

  1. UE提供信息： UE在RRC连接建立请求中，会提供它持有的临时标识（如5G-S-TMSI或GUAMI），或者它希望访问的网络切片信息（Requested NSSAI）。

  2. RAN进行路由：

    • 如果UE提供了有效的GUTI，RAN可以从中解析出AMF Set ID等信息，直接将请求路由到之前为该UE服务的AMF。

    • 如果UE没有GUTI，或者之前的AMF不可用，RAN会根据UE请求的Requested NSSAI，通过本地配置或查询NRF，选择一个能够支持这些切片的AMF。

    • 如果没有切片信息，RAN会选择一个默认的AMF。

这个过程保证了UE的请求能够被路由到一个能够满足其业务（尤其是切片）需求的、合适的AMF实例。

Q4: AMF会存储UE的PDU会话信息吗？

A:

AMF会存储PDU会话的**“索引”信息，但不会存储详细的会话上下文**。

在UE的MM（移动性管理）上下文中，AMF会保存一个列表，记录了该UE当前建立了哪些PDU会话，以及每个PDU会话ID所对应的SMF实例的ID。

当AMF收到一个与特定PDU会话相关的NAS-SM消息时，它就是根据这个“索引表”，找到正确的SMF并将消息转发过去。而PDU会话的详细信息，如UE的IP地址、QoS规则、UPF信息等，则完全由对应的SMF来维护。

Q5: 如果一个AMF发生故障，会发生什么？

A:

AMF的故障恢复是5G核心网可靠性的关键设计之一。

  1. AMF Set冗余： AMF通常以一个AMF Set的形式部署，其中包含多个互为备份的AMF实例。

  2. 上下文备份： UE的上下文信息可以被周期性地备份到UDSF（非结构化数据存储功能），或者由Set内的其他AMF实例进行备份。

  3. 故障切换：

    • 当一个AMF实例故障时，RAN或上游的SCP会检测到该实例不可用。

    • 当UE再次发起接入时（如TAU或Service Request），RAN会根据UE的GUAMI，在AMF Set内选择一个新的、健康的AMF实例。

    • 新的AMF实例会从UDSF或其备份节点恢复UE的MM上下文，并通知SMF等相关NF更新其服务AMF的信息，从而接管对UE的管理。

通过这种Set内冗余和上下文备份机制，单个AMF的故障对用户的影响可以被降到最低。

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