隨著5G研究的深入和普及，對(duì)于5G具備的能力已達(dá)成基本共識(shí)：滿(mǎn)足增強(qiáng)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，擁有更高體驗(yàn)速率和更大帶寬接入的能力；滿(mǎn)足車(chē)聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、應(yīng)急通信、工業(yè)控制等垂直行業(yè)應(yīng)用需求，擁有低時(shí)延、高可靠的信息交互能力，具備承擔(dān)高時(shí)效、高精密、高安全需求業(yè)務(wù)的能力；滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備互聯(lián)互通的應(yīng)用需求，擁有更高連接密度、更簡(jiǎn)單信令交互的能力，支持大規(guī)模、低成本、低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的高效接入和管理。

為了滿(mǎn)足這些苛刻的體驗(yàn)、效率和性能的要求，5G必須要構(gòu)建一個(gè)資源全共享、功能易編排、業(yè)務(wù)緊耦合的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。因此，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)就必須全面深入優(yōu)化。

蜂窩通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)可以劃分成接入網(wǎng)（RAN）和核心網(wǎng)（CN）兩部分，無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)主要由基站組成，為用戶(hù)提供無(wú)線(xiàn)接入功能；核心網(wǎng)主要由基站管理器、網(wǎng)關(guān)、計(jì)費(fèi)系統(tǒng)組成，主要為用戶(hù)提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)和管理功能，在4G LTE系統(tǒng)中，基站和核心網(wǎng)分別叫eNB和EPC。

5G系統(tǒng)由接入網(wǎng)（AN）和核心網(wǎng)（5GC）組成，若考慮NSA（非獨(dú)立組網(wǎng)）場(chǎng)景，則還需要考慮4G的網(wǎng)元。5G網(wǎng)絡(luò)在傳統(tǒng)4G LTE網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化處理，網(wǎng)元呈現(xiàn)虛擬化、云化。

一、主要網(wǎng)元及功能

5G網(wǎng)元的功能劃分如圖所示。NG-RAN包含gNB或ng-eNB節(jié)點(diǎn)，5GC包含AMF，UPF和SMF三個(gè)功能模塊。

gNB/ng-eNB

o 小區(qū)間無(wú)限資源管理InterCell Radio Resource Management（RRM）

o 無(wú)線(xiàn)承載控制RadioBear（RB）Control

o 連接移動(dòng)性控制Connection Mobility Control

o 測(cè)量配置與規(guī)定MeasurementConfiguration and Provision

o 動(dòng)態(tài)資源分配DynamicResource Allocation

AMF

o NAS安全Non-AccessStratum（NAS） Security

o 空閑模式下移動(dòng)性管理IdleState Mobility Handling

UPF

o 移動(dòng)性錨點(diǎn)管理 MobilityAnchoring

o PDU處理（與Internet連接）PDUHandling

SMF

o 用戶(hù)IP地址分配 UE IPAddress Allocation

o PDUSession控制

主要網(wǎng)元功能實(shí)體 (NF)：

o UE: 用戶(hù)終端設(shè)備User Equipment (UE)

o RAN: 接入網(wǎng)絡(luò)(Radio) Access Network (RAN)

o AMF: 接入及移動(dòng)性管理功能Access and Mobility Management Function

o UPF: 用戶(hù)面功能User plane Function (UPF)

o AUSF: 鑒權(quán)服務(wù)功能Authentication Server Function

o DN: 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)Data Network (DN), 比如運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)，互聯(lián)網(wǎng)接入或者第三方業(yè)務(wù)等。

o UDFS: 非結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能Unstructured Data Storage Function

o NEF: 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)呈現(xiàn)功能Network Exposure Function (NEF)

o NRF: 網(wǎng)元數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)功能NF Repository Function (NRF)

o NSSF: 網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能Network SliceSelection Function (NSSF)

o PCF: 策略控制功能Policy Control function (PCF)

o SMF: 進(jìn)程管理功能Session Management Function (SMF)

o UDM: 統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能Unified Data Management (UDM)

o UDR: 統(tǒng)一數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)功能Unified Data Repository (UDR)

o AF: 應(yīng)用層功能Application Function (AF)

o EIR: 5G設(shè)備標(biāo)識(shí)注冊(cè)設(shè)備5G-Equipment Identity Register (5G-EIR)

二、5G接入網(wǎng)

移動(dòng)的云引擎是無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)一系列RAN功能的云化組合，其中的關(guān)鍵是軟硬件解耦，各功能網(wǎng)元可部署在通用的COTS上，從而實(shí)現(xiàn)NFV架構(gòu)，達(dá)到資源池化、彈性、可伸縮性等云化特征。簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)就是將各網(wǎng)元以軟件包的形式安裝到一在云服務(wù)器上。

為了進(jìn)一步提高5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的靈活性，接入網(wǎng)不再是由BBU、RRU、天饋系統(tǒng)組成了，而是被重構(gòu)為3個(gè)功能實(shí)體——CU、DU、AAU：

o CU（CentralizedUnit，集中單元）：原BBU的非實(shí)時(shí)部分將分割出來(lái)，重新定義為CU，負(fù)責(zé)處理非實(shí)時(shí)協(xié)議和服務(wù)；

o DU（DistributeUnit，分布單元）：BBU的剩余功能重新定義為DU，負(fù)責(zé)處理物理層協(xié)議和實(shí)時(shí)服務(wù)；

o AAU（Active AntennaUnit，有源天線(xiàn)單元）：BBU的部分物理層處理功能與原RRU及無(wú)源天線(xiàn)合并為AAU。

AN有兩種：

o gNB,為UE提供NR用戶(hù)面和控制面協(xié)議終結(jié)點(diǎn)；

o ng-eNB,為UE提供E-UTRA的用戶(hù)面和控制面協(xié)議的終結(jié)點(diǎn)。

一般來(lái)說(shuō)一個(gè)gNB-DU只連接一個(gè)gNB-CU。但是為了實(shí)現(xiàn)的靈活性，每個(gè)gNB-DU也可能連接到多個(gè)gNB-CU。gNB CU中的控制面和用戶(hù)面是分離的，一般只有一個(gè)CP，但是允許有多個(gè)UP。需要注意的是，gNB-CU及連接的若干gNB-DU是作為一個(gè)整體邏輯gNB對(duì)外呈現(xiàn)的，且只對(duì)其他的gNB和所相連的5GC可見(jiàn)。

DU和CU共同組成gNB，每個(gè)CU可以連接1個(gè)或多個(gè)DU。CU和DU之間存在多種功能分割方案，可以適配不同的通信場(chǎng)景和不同的通信需求，由此帶來(lái)的好處如下：

o 對(duì)現(xiàn)有RAN架構(gòu)進(jìn)行分離可以有效降低前傳帶寬的需求；

o RANCU內(nèi)部的移動(dòng)性不可見(jiàn)，從而降低CN的信令開(kāi)銷(xiāo)和復(fù)雜度；

o 采用CU將控制協(xié)議和安全協(xié)議集中化后，CU的出現(xiàn)更加適應(yīng)NFV的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)Cloud RAN，增加了RAN側(cè)的功能擴(kuò)展性。

三、5G核心網(wǎng)

5G核心網(wǎng)構(gòu)架主要包含三大關(guān)鍵技術(shù)：SBA、CUPS和網(wǎng)絡(luò)切片，這是最終實(shí)現(xiàn)化整為零、由硬變軟的徹底演進(jìn)。

SBA

SBA（ServiceBased Architecture），即基于服務(wù)的架構(gòu)。它基于云原生構(gòu)架設(shè)計(jì)，借鑒了IT領(lǐng)域的“微服務(wù)”理念，將設(shè)備功能“打散”。

傳統(tǒng)網(wǎng)元是一種緊耦合的黑盒設(shè)計(jì)，NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）從黑盒設(shè)備中解耦出網(wǎng)絡(luò)功能軟件，但解耦后的軟件依然是“大塊頭”的單體式構(gòu)架，需進(jìn)一步分解為細(xì)粒度化的模塊化組件，并通過(guò)開(kāi)放API接口來(lái)實(shí)現(xiàn)集成，以提升應(yīng)用開(kāi)發(fā)的整體敏捷性和彈性。

核心網(wǎng)功能模塊化，包括控制面及用戶(hù)面，以庫(kù)的方式調(diào)用,控制面功能模塊包括移動(dòng)性管理、策略控制、用戶(hù)數(shù)據(jù)、會(huì)話(huà)控制等等，用戶(hù)面功能模塊包括話(huà)單、轉(zhuǎn)發(fā)、業(yè)務(wù)感知、數(shù)據(jù)優(yōu)化等等，這些功能模塊就是被“打散”后庫(kù)的內(nèi)容，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同的需求做功能的裁剪和選擇。簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，微服務(wù)就是指將Monolithic拆分為多個(gè)粒度更小的微服務(wù)，微服務(wù)之間通過(guò)API交互，且每個(gè)微服務(wù)獨(dú)立于其他服務(wù)進(jìn)行部署、升級(jí)、擴(kuò)展，可在不影響客戶(hù)使用的情況下頻繁更新正在使用的應(yīng)用。

基于這樣的設(shè)計(jì)理念，傳統(tǒng)網(wǎng)元先轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)功能（NF），然后NF再被分集為多個(gè)“網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)”。

那么，SBA其實(shí)也就是網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)和基于服務(wù)的接口的組合體。

CUPS

CUPS（Controland User Plane Separation），即控制與用戶(hù)面分離。目的是讓網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)面功能擺脫“中心化”的囚禁，使其既可靈活部署于核心網(wǎng)（中心數(shù)據(jù)中心），也可部署于接入網(wǎng)（邊緣數(shù)據(jù)中心），最終實(shí)現(xiàn)可分布式部署。

事實(shí)上，核心網(wǎng)一直沿著控制面和用戶(hù)面分離的方向演進(jìn)。比如，從R7開(kāi)始，通過(guò)DirectTunnel技術(shù)將控制面和用戶(hù)面分離，在3GRNC和GGSN之間建立了直連用戶(hù)面隧道，用戶(hù)面數(shù)據(jù)流量直接繞過(guò)SGSN在RNC和GGSN之間傳輸。到了 R8，出現(xiàn)了MME這樣的純信令節(jié)點(diǎn)，只是到了4.5G和5G時(shí)代，這一分離的趨勢(shì)更加徹底，也更加必要，其中一大原因就是，為了滿(mǎn)足5G網(wǎng)絡(luò)毫秒級(jí)時(shí)延的KPI。

數(shù)據(jù)要在相距幾百公里以上的終端和核心網(wǎng)之間來(lái)回傳送，顯然是無(wú)法滿(mǎn)足5G毫秒級(jí)時(shí)延的，由于物理距離受限，因此需將內(nèi)容下沉和分布式的部署于接入網(wǎng)側(cè)（邊緣數(shù)據(jù)中心），使之更接近用戶(hù)，降低時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)回傳負(fù)荷。

網(wǎng)絡(luò)切片

5G服務(wù)是多樣化的，包括車(chē)聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、VR/AR等，網(wǎng)絡(luò)能力面臨眾口難調(diào)的局面，因此需要把網(wǎng)絡(luò)切成多個(gè)虛擬且相互隔離的子網(wǎng)絡(luò)，分別服務(wù)于不同的業(yè)務(wù)。

因?yàn)樾枨蠖鄻踊砸W(wǎng)絡(luò)多樣化;因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)多樣化，所以要切片;因?yàn)橐衅?，所以網(wǎng)元要能靈活移動(dòng);因?yàn)榫W(wǎng)元靈活移動(dòng)，所以網(wǎng)元之間的連接也要靈活變化。

所以，把網(wǎng)絡(luò)拆開(kāi)、細(xì)化，就是為了更靈活地應(yīng)對(duì)場(chǎng)景需求。切片，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是把一張物理上的網(wǎng)絡(luò)，按應(yīng)用場(chǎng)景劃分為N張邏輯網(wǎng)絡(luò)。不同的邏輯網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)于不同場(chǎng)景。不同的切片，用于不同的場(chǎng)景，網(wǎng)絡(luò)切片，可以?xún)?yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源分配，實(shí)現(xiàn)最大成本效率，滿(mǎn)足多元化要求。

四、5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)方式

現(xiàn)網(wǎng)中實(shí)際部署5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)，分為獨(dú)立和非獨(dú)立組網(wǎng)兩種形式。

o 獨(dú)立組網(wǎng)模式（SA）：指的是新建5G網(wǎng)絡(luò)，包括新基站、回程鏈路以及核心網(wǎng)。SA引入了全新網(wǎng)元與接口的同時(shí)，還將大規(guī)模采用網(wǎng)絡(luò)虛擬化、軟件定義網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)，并與5GNR結(jié)合，同時(shí)其協(xié)議開(kāi)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃部署及互通互操作所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)將超越3G和4G系統(tǒng)。

o 非獨(dú)立組網(wǎng)模式（NSA）：非獨(dú)立組網(wǎng)指的是使用現(xiàn)有的4G基礎(chǔ)設(shè)施，進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)的部署?；贜SA架構(gòu)的5G載波僅承載用戶(hù)數(shù)據(jù)，其控制信令仍通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸。

對(duì)于5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在3GPP TSG-RAN 第72次全體大會(huì)上，提出了8個(gè)選項(xiàng)，如上圖所示，其中選項(xiàng)1/2/5/6為獨(dú)立組網(wǎng)方式，選項(xiàng)3/4/7/8位非獨(dú)立組網(wǎng)方式。

o 選項(xiàng)1：目前LTE的組網(wǎng)方式，5G的部署是以此為基礎(chǔ)的。

o 選項(xiàng)2：純5G網(wǎng)絡(luò)，完全由gNB NGC組成，需要完全替代LTE系統(tǒng)的基站和核心網(wǎng)，同時(shí)還要保證覆蓋和移動(dòng)性等，部署耗資巨大，很難一步完成，是5G網(wǎng)絡(luò)部署的終極目標(biāo)之一。

o 選項(xiàng)3：EPC+eNB（主）/gNB的方式組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)先演進(jìn)無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)，核心網(wǎng)使用LTE的，場(chǎng)景以eNB為主基站，控制面信令由eNB轉(zhuǎn)發(fā)，LTE eNB和NR gNB采用雙連接的形式為用戶(hù)提供高傳輸數(shù)據(jù)速率服務(wù)，可以有效降低初期的部署成本，主要是前期部署在熱點(diǎn)區(qū)域，增加系統(tǒng)吞吐量。

o 選項(xiàng)4：NGC+eNB/gNB（主）的方式組網(wǎng)，同時(shí)引入NGC和GNB，與LTE采取兼容的方式部署，核心網(wǎng)采用5G NGC，eNB和gNB都連接至NGC，基站以gNB為主，同樣是采用雙連接的方式為用戶(hù)提供高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)，LTE網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)保證覆蓋，5G系統(tǒng)負(fù)責(zé)提高熱點(diǎn)地區(qū)的數(shù)據(jù)吞吐量。

o 選項(xiàng)5：NGC+eNB的混搭組網(wǎng)方式，主要應(yīng)用在首先部署了5G核心網(wǎng)，并在NGC中實(shí)現(xiàn)了EPC功能，之后再逐步部署5G無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的場(chǎng)景，

o 選項(xiàng)6：EPC+gNB混搭組網(wǎng)方式，主要應(yīng)用于先部署了5G接入網(wǎng)，暫時(shí)采用EPC的場(chǎng)景，此種部署方式不能完全將5G的功能發(fā)揮出來(lái)，如網(wǎng)絡(luò)切片等。

o 選項(xiàng)7：NGC+eNB（主）/gNB的組網(wǎng)方式，此種方式中雖然完整部署了5G NGC和gNB，但數(shù)量較少，仍以L(fǎng)TE中的eNB為主，控制面信令都由eNB轉(zhuǎn)發(fā)，eNB和gNB采用雙連接的方式為用戶(hù)提供高數(shù)據(jù)速率服務(wù)。

o 選項(xiàng)：EPC+eNB/gNB的組網(wǎng)方式，運(yùn)用5G基站將控制信令和用戶(hù)面數(shù)據(jù)傳輸至4G核心網(wǎng)，此種方式需要對(duì)4G核心網(wǎng)進(jìn)行改造，成本較高，難度較大，因此在2017年3月發(fā)布。

中國(guó)移動(dòng)向3GPP提交的4G LTE網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)到5G網(wǎng)絡(luò)路線(xiàn)的方案如下：

o 方案1：LTE/EPC -> 選項(xiàng)2 + 選項(xiàng)5 -> 選項(xiàng) 4/4a -> 選項(xiàng) 2

o 方案2：LTE/EPC -> 選項(xiàng) 2 +選項(xiàng) 5 -> 選項(xiàng) 2

o 方案3：LTE/EPC -> 選項(xiàng)3/3a/3x ->選項(xiàng) 4/4a-> 選項(xiàng) 2

o 方案4：LTE/EPC -> 選項(xiàng) 7/7a -> 選項(xiàng) 2

o 方案5：LTE/EPC -> 選項(xiàng)3/3a/3x -> 選項(xiàng) 1 +選項(xiàng) 2 + 選項(xiàng)7/7a-> 選項(xiàng)2 + 選項(xiàng)5

從目前現(xiàn)網(wǎng)情況來(lái)看，最有可能的兩條演進(jìn)路線(xiàn)為：

o LTE/EPC->選項(xiàng)3X->選項(xiàng)4-> 選項(xiàng) 2

o LTE/EPC->選項(xiàng)3X->選項(xiàng)4-> 選項(xiàng) 7X-> 選項(xiàng) 2

NSA選用選項(xiàng)3x，以實(shí)現(xiàn)快速部署NR，5G的核心網(wǎng)部署之后，如果NR覆蓋好，則跳過(guò)選項(xiàng)7x，如果NR覆蓋不好，則使用用選項(xiàng)7x過(guò)度，LTE繼續(xù)做錨點(diǎn)。

無(wú)論哪種方式，演進(jìn)的基本思路都是以L(fǎng)TE為基礎(chǔ)，逐步引入5G RAN和NGC，部署初期以雙連接為主，LTE用于保證覆蓋和切換，熱點(diǎn)地區(qū)部署5G基站，提高系統(tǒng)的容量和吞吐率，最后逐步演進(jìn)，直到全面進(jìn)入5G時(shí)代。

五、5G網(wǎng)絡(luò)框架特點(diǎn)總結(jié)

o 核心網(wǎng)功能分離：核心網(wǎng)用戶(hù)面部分功能下沉到CO（中心機(jī)房，相當(dāng)于4G網(wǎng)絡(luò)的eNB），從原來(lái)的集中式核心網(wǎng)演變成分布式核心網(wǎng)，使得核心網(wǎng)功能在地理上更靠近終端，減少時(shí)延；

o 分布式應(yīng)用服務(wù)器（AS）：AS部分功能下沉至CO，并在CO部署MEC（Mobile EdgeComputing移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊界計(jì)算平臺(tái)），MEC類(lèi)似于CDN（內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）的緩存服務(wù)器功能，它將應(yīng)用、處理和存儲(chǔ)推向移動(dòng)邊界，使得海量數(shù)據(jù)可以得到實(shí)時(shí)、快速處理，減少時(shí)延、減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)；

o 重新定義BBU和RRU功能：將原BBU中PHY、MAC的部分功能下沉到RRU，減少了前傳容量，降低了前傳成本；

o 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV，Network FunctionVirtualization）：網(wǎng)路中的專(zhuān)業(yè)電信設(shè)備軟硬件功能轉(zhuǎn)移到虛擬機(jī)（VMs，Virtual Machines）上，比如核心網(wǎng)中的MME，S-GW、P-GW、PCRF等，在通用的商用服務(wù)器上通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元功能；

o 軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）：網(wǎng)絡(luò)通過(guò)SDN連接邊緣云和核心網(wǎng)里的VMs，SDN控制器執(zhí)行映射，建立核心網(wǎng)云與邊緣云之間的連接，其中網(wǎng)絡(luò)切片也由SDN集中控制，SDN、NFV和云技術(shù)使網(wǎng)絡(luò)從底層物理基礎(chǔ)設(shè)施分開(kāi)，變成更抽象靈活的以軟件為中心的架構(gòu)，可以通過(guò)編程來(lái)提供業(yè)務(wù)連接；

o 網(wǎng)絡(luò)切片：網(wǎng)絡(luò)根據(jù)面向的不同的應(yīng)用場(chǎng)景，比如大速率、低時(shí)延、海量連接、高可靠性等等，將網(wǎng)絡(luò)切割成滿(mǎn)足不同的需求的虛擬子網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性、安全性、時(shí)延、可靠性，甚至計(jì)費(fèi)方式等都不一樣，虛擬自網(wǎng)絡(luò)之間在邏輯上相互獨(dú)立，以滿(mǎn)足不同的應(yīng)用場(chǎng)景需求，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的關(guān)鍵是NFV和SDN。