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深度解析 3GPP TR 21.915：5.5 One step deeper into the 5GS (Part 4 - NG-RAN与5GC的功能切分)

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好的，我们继续进行深度拆解。这是本系列的第七篇文章。在之前的内容中，我们已经对5G的业务需求和宏观架构（包括NSA/SA、SBA、NG-RAN）有了全面的了解。现在，我们将“更近一步”，深入到网络的神经末梢，探讨核心网与接入网之间具体是如何分工协作的。

深度解析 3GPP TR 21.915：5.5 One step deeper into the 5GS (Part 4 - NG-RAN与5GC的功能切分)

本文技术原理深度参考了3GPP TR 21.915 V15.0.0 (2019-09) Release 15规范中，关于“5.5.1 Functional split between Radio and Core”的核心章节。本文旨在为读者清晰地描绘出5G无线接入网（NG-RAN）与5G核心网（5GC）之间那条至关重要的“职责边界”，并阐明这种功能划分背后的设计逻辑。

在之前的探索中，青年工程师小玲已经领略了5GC服务化架构的精妙，以及NG-RAN简约架构的智慧。她现在脑海里有了一幅清晰的蓝图：一边是云化、智能的5GC“大脑”，另一边是强大、灵活的NG-RAN“感官和触手”。

“李工，‘大脑’和‘触手’之间，具体是怎么分工的呢？比如，一个数据包从美美的手机发出，到最终进入互联网，哪些决策是在gNB（基站）里做的，哪些又是在核心网的UPF里做的？这条‘楚河汉界’是如何划定的？”小玲提出了一个非常具体且核心的问题。

“问到了点子上！”导师李工赞许道，“5.5.1节就是要回答这个问题。这条功能切分（Functional split）的边界，是整个5G系统高效、稳定运行的基础。理解了它，你才能在未来做问题定位、性能优化时，知道该去找谁。为了让这个过程更具体，让我们继续跟随美美的体验。她正在使用她的5G手机，进行一场高清VoNR（Voice over NR）通话，同时后台还在下载着一个巨大的游戏更新包。”

在开始之前，我们先看一下本节涉及的新工作项目和一些关键缩略语。

Summary based on the input provided by NTT DOCOMO, INC. in RP-181466 revised in RP-181724.

Abbreviation applicable to this section:

NR: New Radio (5G Radio)

NSA/SA: Non Stand-Alone / Stand-Alone

PBCH/PDCCH/PDSCH/PRACH/PUCCH/PUSCH: 各种物理信道的名称

PSS/SSS: 主/辅同步信号

1. 宏观架构的再审视：从接口到功能的切分

5.5.1节首先通过一张更详细的架构图，Figure 5.5.1-1: The 5G System architecture，再次向我们展示了5GC的“全家福”。这张图比5.3.3节的图更加完整，引入了更多关键的NF。

Further to the overall architecture provided above, this clause goes deeper in the functionalities provided by the Core Network (AMF, SMF, etc.) and the ones in the Access Network, i.e. provided by the gNB. Figure 2-1 of TS 23.501 shows some of the different NFs.

“李工，这张图里多了好多新面孔，比如NSSF, NEF, UDM, AUSF, PCF…”小玲指着图说。

“没错，这正是‘One step deeper’的体现。”李工解释道，“随着我们讨论的深入，这些之前处于‘后台’的NF也需要登场了。比如：

  • NSSF (Network Slice Selection Function): 当美美的手机开机时，NSSF会帮助AMF决定，该为这部手机选择哪些可用的网络切片。

  • AUSF (Authentication Server Function): 负责对美美的SIM卡进行认证，是网络的安全大门。

  • PCF (Policy Control Function): 负责制定策略，比如告诉SMF，美美的VoNR通话数据流需要保证50ms的时延，而她的游戏下载则按普通优先级处理。”

然而，本节的重点并非逐一介绍这些NF，而是要划定它们与gNB之间的职责边界。规范通过另一张更为直观的功能框图Figure 5.5.1-2: Functional Split between NG-RAN and 5GC，清晰地阐明了这一点。

2. “三权分立”：AMF, SMF, UPF与gNB的职责边界

“小玲，你看这张功能切分图，”李工指着屏幕，“它完美地体现了5G控制面与用户面分离（CUPS）的设计哲学，并将其进一步细化。我们可以把它理解为一种‘三权分立’。”

(注：此处应为对Figure 5.5.1-2的描述)

规范中的“Figure 5.5.1-2: Functional Split between NG-RAN and 5GC”清晰地展示了5GC侧的三大核心功能（AMF, SMF, UPF）与NG-RAN侧的gNB之间的职责划分。

2.1 核心网（5GC）侧的职责：运筹帷幄的“中央政府”

On the Core Network side, the AMF (“Access and Mobility management Function”) oversees all the signalling which is not specific to User Data, such as mobility or security. The SMF (“Session Management Function”), takes care of the signalling related to User Data traffic, such as session establishment. Finally, The UPF (“User Plane Function”) represents the handling of user data.

李工用一个政府的比喻来解释5GC侧的分工：

  • AMF：移动世界的“公安部”和“民政部”

    • 职责：负责用户的“身份管理”（认证）、“户籍管理”（注册）和“迁徙管理”（移动性）。它关心的是“美美这个人”在哪里，是否合法接入，以及当她从一个基站移动到另一个基站时，如何保证服务的连续性。

    • 关键词：Mobility, Security。AMF处理的是与用户数据内容无关的信令。它不关心美美是在打电话还是在下载游戏，只关心她的连接状态和位置。

  • SMF：数据业务的“交通运输部”

    • 职责：负责为用户的每一个“货运需求”（数据业务）规划“运输路线”（PDU会话）。它决定了美美的VoNR语音包和游戏数据包，应该走哪条路（选择哪个UPF），路的质量如何（QoS策略），以及如何收费（与CHF交互）。

    • 关键词：Session Establishment, Policy。SMF是所有与用户数据业务相关的信令的“总指挥”。

  • UPF：数据流的“高速公路系统”

    • 职责：实际承载和转发美美的数据包。它是纯粹的“执行者”，根据SMF通过N4接口下发的“行车规则”，对数据包进行检查、转发、限速、打标签等操作。

    • 关键词：Data Handling, Forwarding。UPF是用户数据的必经之路，但它自己不做决策，只执行SMF的指令。

“你看，这种划分非常清晰，”李工总结道，“AMF管‘人’，SMF管‘事’（会话），UPF管‘流’（数据流）。三者各司其职，共同构成了核心网的决策和执行体系。”

2.2 无线接入网（NG-RAN）侧的职责：掌控空口的“地方总督”

On the Access Network side, the gNB (5G Node B) performs all the main AN-related tasks, including Radio Resource Management: Radio Bearer Control, Radio Admission Control, Connection Mobility Control, Dynamic allocation of resources to UEs, etc.

与核心网的“中央集权”相对应，gNB则扮演着“地方总督”的角色，全权负责管理其辖区内（小区覆盖范围）的所有无线资源。

李工解释道：“核心网的SMF虽然决定了要给美美的VoNR通话提供50ms时延的保障，但这个宏观策略，如何转化为一个个具体的无线调度指令，就是在gNB里完成的。这就像‘中央’下达了‘保证粮食运输’的命令，但具体是派10辆卡车还是20辆、走哪条乡间小道，则是由‘地方总督’gNB根据实时路况来决定的。”

gNB的核心职责，可以概括为无线资源管理 (Radio Resource Management, RRM)，具体包括：

  • 无线承载控制 (Radio Bearer Control)：为核心网下发的每个QoS Flow（例如，VoNR语音流和游戏数据流），在空口上建立对应的无线承载（Data Radio Bearer, DRB），并配置不同的优先级和调度策略。

  • 接纳控制 (Radio Admission Control)：当美美发起VoNR通话时，gNB会判断当前空口的资源是否充足，能否满足其QoS要求。如果资源紧张，gNB有权拒绝这个请求，以保证现有用户的服务质量。

  • 连接移动性控制 (Connection Mobility Control)：当美美在通话中从gNB-A的覆盖区移动到gNB-B的覆盖区时，由gNB-A发起切换流程，并与gNB-B通过Xn接口进行信令和数据的交互。这个过程对核心网的AMF是（大部分情况下）透明的。

  • 动态资源分配 (Dynamic allocation of resources to UEs / Scheduling)：这是gNB最核心、最繁忙的工作。在每个调度周期（通常是毫秒级甚至更短），gNB的调度器（Scheduler）需要根据所有用户的业务需求、QoS等级、信道质量，动态地决定在此时此刻，哪个时频资源块分配给哪个用户，用多大的功率、什么样的编码调制方式。

“所以，gNB的核心是**‘实时决策’和‘资源变现’**，”李工总结道，“它将核心网下发的‘宏观策略’，转化为空口上‘微观’的、实时的资源分配动作。这条‘功能切分’边界的精妙之处在于：核心网负责‘what’（做什么，策略），接入网负责‘how’（怎么做，执行）。”

3. 功能切分背后的设计哲学

“李工，我明白了具体的职责划分。但为什么一定要这样划分呢？这种划分方式有什么深层的好处？”小玲进一步思考。

“问得好。这种看似简单的划分，背后蕴含着深刻的设计哲学，主要有三点：”

  1. 解耦复杂性 (Decoupling Complexity)

    • 无线相关 vs. 无线无关：将与无线环境强相关、需要实时决策的功能（如调度、切换）全部放在gNB，而将与无线无关的、更宏观的策略和管理功能（如会- 话管理、移动性管理）放在核心网。这使得两边的技术可以独立演进。RAN的专家可以专注于提升空口效率，而核心网的专家可以专注于优化网络架构和业务逻辑。

  2. 优化信令开销与时延 (Optimizing Signalling & Latency)

    • 本地化决策：像切换、重传、实时调度这些需要快速响应的动作，如果每次都要上报到核心网去决策，那信令开销和时延将是灾难性的。将它们放在gNB，实现了决策的本地化和实时化。

    • 聚合上报：gNB会将一些处理结果聚合后，再上报给核心网。例如，它会统计美美使用了多少流量，然后上报给核心网用于计费，而不会把每个数据包的调度信息都上报。

  3. 支持可扩展与灵活性 (Enabling Scalability & Flexibility)

    • CUPS的深化：这种划分是CUPS理念的自然延伸。策略与会话管理（SMF）的集中化，使得运营商可以更方便地部署统一的策略和新业务。而用户面（UPF）和接入网（gNB）的分布式，则可以更靠近用户，降低时延，并根据区域话务模型进行独立的扩缩容。

    • 多接入支持 (Multi-Access)：AMF/SMF作为统一的移动性和会话管理锚点，不仅可以接入5G NR (gNB)，未来也可以接入非3GPP接入（如Wi-Fi），甚至固定接入。gNB只是它众多“接入触手”中的一种。

“所以，这条功能切分边界，是在性能、效率、成本和未来演进之间取得的最佳平衡点。它是无数次仿真、论证和妥协的智慧结晶。”李工最后总结道。

4. 总结：一条清晰的“楚河汉界”

通过对5.5.1节的深度解读，小玲终于清晰地理解了NG-RAN与5GC之间那条看不见却至关重要的“职责边界”。她将核心要点整理在笔记中：

  • 5GC（核心网）：扮演策略制定者和全局管理者的角色。

    • AMF 管用户（移动性、安全）。

    • SMF 管会话（建立、策略、QoS）。

    • UPF 管转发（执行SMF的路由和策略）。

  • NG-RAN（gNB）：扮演空口资源独裁者和实时执行者的角色。

    • RRM (无线资源管理) 是其核心。

    • 负责将5GC的宏观策略，实时地、动态地转化为微观的无线资源分配。

这条清晰的“楚河汉界”，使得5G系统在拥有强大、灵活能力的同时，依然保持了清晰、高效的协作架构。这是5G之所以能够应对未来万千挑战的根基所在。

在下一篇文章中，我们将继续“深入一步”，聚焦于5.5.2节，详细探究5G核心网内部各个NF的具体职责和它们所带来的革命性新特性。

FAQ 环节

Q1：用户面数据包到底需不需要经过AMF？

A1：完全不需要。这是一个非常重要的概念。AMF是纯粹的控制面节点，它只处理信令消息。用户的数据包（用户面流量）从gNB上来后，会直接通过NG-U接口送往UPF进行处理和转发，完全绕过了AMF和SMF。这种彻底的转控分离，是保证5G网络高吞吐、低时延的关键。

Q2：当用户在小区内移动时，核心网完全感知不到吗？

A2：不完全是。当用户在同一个gNB的不同小区之间移动（Intra-gNB Handover），或者在同一个AMF服务区内的不同gNB之间移动时（Inter-gNB Handover），这个过程主要由gNB和AMF协同完成，对SMF是透明的，因此用户的PDU会话不受影响。但如果用户移动到了一个新的AMF服务区，就需要进行AMF的重选和注册更新，这个过程核心网是深度参与的。

Q3：gNB的接纳控制（Admission Control）会不会与核心网的策略（PCF/SMF）冲突？

A3：这是一个很好的问题，体现了策略的分层执行。PCF/SMF决定的是“是否允许用户建立这个QoS Flow”（基于用户的签约、网络策略等）。如果核心网层面就不允许，请求根本不会到达gNB。而gNB的接纳控制是在核心网“批准”之后，从“无线资源是否足够”这个更具体的物理层面，进行第二次“校验”。它拥有对空口资源的最终裁决权。即使核心网批准了，如果gNB认为当前空口过于拥塞，无法保障该QoS Flow的SLA，它依然可以拒绝。

Q4：为什么5G要把会话管理（SMF）和移动性管理（AMF）分开？4G的MME合在一起不是也工作得很好吗？

A4：分开是为了应对5G时代业务和终端的多样性。未来网络中，可能有大量静止的物联网终端，它们几乎没有移动性管理的需求，但有频繁的“会话”（数据上报）需求。也可能有时刻在高速移动的汽车，它对移动性管理的要求极高，但数据会话可能很简单。将两者分开，使得网络可以根据不同场景的负载模型，对AMF和SMF进行独立的、非对称的扩缩容，大大提升了资源效率和网络的灵活性。

Q5：在这套功能划分下，边缘计算（Edge Computing）是如何实现的？

A5：这套划分完美地支持了边缘计算。SMF作为“总指挥”，在为美美的低时延云渲染业务建立PDU会话时，它可以根据应用信息（来自AF）和用户位置（来自AMF），策略性地选择一个部署在科技城边缘机房的UPF来处理这个业务的数据流。而对于美美后台的游戏下载业务，SMF则可以选择一个部署在中心数据中心的、带宽更大、成本更低的UPF。这样，SMF通过对不同UPF的灵活选择和“编程”（下发流表规则），就实现了流量的按需分发和边缘卸载。gNB则负责保证数据流在空口上的低时延传输。

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