5G无线技术基础自学系列 | 网络架构

Posted 2022-12-04 COCOgsta

素材来源：《5G无线网络优化实践》

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第四代移动通信技术（4G）以正交频分多址接入（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）技术为基础，其数据业务传输速率能够在较大程度上满足宽带移动通信应用需求。然而，随着智能终端的普及应用及移动新业务需求的持续增长，4G无线通信的传输速率、时延和容量难以满足未来移动通信的应用需求。

5G网络定位于频谱效率更高、速率更快、容量更大、时延更低的无线网络，面向行业客户，提供物与物之间的连接，加快智能社会的步伐。5G网络支持100Mbit/s的用户体验速率、10e6台连接设备/km2的连接密度、毫秒级的端到端时延、500km/h以上的速度和20Gbit/s的峰值速率。其中，用户体验速率、连接密度和时延为5G网络的三个基本性能指标。同时，5G网络大幅提高网络部署和运营的效率，能效相比4G网络提升百倍以上。表1-1为国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）针对5G网络定义的主要能力指标要求。

表1-1　5G主要性能指标要求（参考TR38.913第7章）

注：能效指单位能量可以传送的数据量；IMT-A是4G移动通信标准规范简称。

另外，ITU为5G定义了eMBB（增强移动宽带）、mMTC（大规模机器通信）和uRLLC（超高可靠低时延通信）三大应用场景，具体应用包括超高清视频、增强现实（Augmented Reality，AR）/虚拟现实（Virtual Reality，VR）、智慧城市、智慧家居、紧急任务应用、工业自动化、自动驾驶等，如表1-2所示。

表1-2　典型场景时延和带宽需求

注：上述业务带宽需求供参考。

面对多样化场景的极端差异化性能需求，5G很难像以往一样以某种单一技术为基础形成针对所有场景的解决方案。5G技术创新主要来源于无线技术和网络技术两方面：在无线技术领域，大规模天线阵列mMIMO、超密集组网、新型多址和全频谱接入等技术已成为业界关注的焦点；在网络技术领域，基于软件定义网络（Software Defined Network，SDN）和网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）的新型网络架构已取得广泛共识。

4G网络到5G网络的演化如图1-1所示。

与4G网络相比，5G网络的变化主要体现在以下几个方面。

（1）5G网络空口支持20Gbit/s的峰值速率，用户体验速率达到100Mbit/s。

（2）由原来的集中式核心网演变成分布式核心网。核心网用户面功能可以下沉到中心机房，在地理位置上更靠近终端，减小传输时延。

（3）分布式应用服务器（Application Server，AS）。AS部分功能下沉至中心机房，并在中心机房部署移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）服务器。MEC将应用、处理和存储推向移动边界，使得数据可以得到实时、快速处理，以减少时延、减轻网络负担。

图1-1　4G网络到5G网络的演化

（4）重新定义基带处理单元（Base band Unit，BBU）和射频拉远单元（Radio Remote Unit，RRU）功能。将BBU拆分为中心单元（Centralized Unit，CU）和分布单元（Distributed Unit，DU），用有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）取代RRU和天线，同时将原BBU部分PHY功能下沉到AAU，以减小前传容量，降低前传带宽需求。

（5）网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV），在通用的服务器上通过软件来实现网元功能，最终目标是实现软硬件分离，用基于行业标准的x86服务器，存储和交换设备取代通信网专用的网元设备。

（6）SDN是一种新型的网络架构，可将网络设备的控制权分离出来，由集中的控制器管理，无须依赖底层网络设备，屏蔽了来自底层网络设备的差异。控制权完全开放，用户可以自定义任何想实现的网络路由和传输规则策略，从而更加灵活和智能。5G网络通过SDN连接边缘云MEC和核心云里的虚拟机VMs，SDN控制器执行映射，建立核心云与边缘云之间的连接。传统网络与SDN网络的对比如图1-2所示。

（7）网络切片技术。运营商的物理网络可以被划分为多个虚拟网络，每一个虚拟网络根据不同的服务需求（如时延、带宽、安全性和可靠性等）来划分，以灵活应对不同的网络应用场景，提供差异化服务，满足不同业务需求。

图1-2　传统网络与SDN网络的对比

（8）5G网络空口技术演进，如表1-3所示。

表1-3　5G网络空口技术演进

5G网络面向的对象包括智慧城市、智慧家居、智能驾驶、工业自动化等，因此5G网络的安全性很重要。与4G网络相比，5G网络在加密算法、网间互联、用户面数据保护方面均有明显加强，如图1-3所示。

5G网络沿用4G网络的分层安全架构保障机制，同时针对5G核心网SBA域进行安全增强。

图1-3　5G网络安全机制（3GPP TS 33.501图4-1）

1.1 网络架构

5G网络架构包括接入网和核心网两个部分，如图1-4所示。其中，NG-RAN代表5G接入网，由gNB和ng-eNB组成。5GC代表5G核心网，主要由AMF、SMF和UPF等组成。NG-RAN内gNB之间连接的接口称为Xn接口。NG-RAN与5GC之间的接口称为NG接口，分为NG-C和NG-U。其中，NG-C是NG-RAN与AMF之间的接口，用于传输控制信令；NG-U是NG-RAN与UPF之间的接口，用于传输用户数据（参阅3GPP TS 23.501第4章）。

图1-4　5G网络结构图

NG-RAN和5GC主要逻辑节点功能如图1-5所示。

图1-5　NG-RAN和5GC主要逻辑点功能（3GPP TS 38.300图4.2-1）

1.1.1 接入网

5G无线接入网由新无线（New Radio，NR）单元组成，其中NR是多种接入设备的统称，5G基站称为NR NodeB，简称gNB，为5G网络用户提供NR的用户面和控制面的协议和功能。ng-eNB为升级后的eNB，可以直接连到5GC，为4G网络用户提供用户面和控制面的协议和功能。NR向UE提供用户面和控制面的协议终端的节点，并且经由NG接口连接到5GC，NR之间通过Xn接口进行连接，如图1-6所示。

图1-6　5G无线接入网和接口（3GPP TS38.300图4.1-1）

5G基站gNB按功能分为CU、DU和AAU 3个部分。与eNB相比，gNB从功能上将BBU拆分为CU和DU两个部分，同时将BBU物理层部分功能前移到AAU，减少CPRI接口传输带宽需求，如图1-7所示。

图1-7　eNB和gNB结构对比

通过引入CU，一方面，在业务层面可以实现无线资源的统一管理、移动性的集中控制，从而进一步提高网络性能；另一方面，在架构层面，既可以灵活集成到运营商云平台，也可以采用云化思想设计，实现资源池化、部署自动化，降低投资成本CAPEX和运营成本OPEX。

5G基站gNB的主要功能包括（参阅3GPP TS38.300 4.2节）以下几个。

（1）无线资源管理：无线接入控制、RB控制、连接态移动性管理、动态资源分配。

（2）IP报头压缩、数据加密和完整性保护。

（3）UE附着时AMF选择。

（4）路由用户面数据到UPF。

（5）路由控制面信息到AMF。

（6）连接建立和释放。

（7）调度和发送寻呼消息、源自AMF或OAM的系统广播消息。

（8）测量和测量报告配置。

（9）会话管理。

（10）支持网络切片。

（11）QoS flow（QoS流）管理及将QoS flow映射DRB等。

基于CU/DU（BBU）安装位置进行划分，5G接入网可以划分为3种部署方式，分别是D-RAN、C-RAN和CU云化部署，如图1-8所示。

图1-8　NR接入网组网方式

D-RAN（Distributed RAN）指分布式无线接入网，CU/DU合设并且将CU/DU放置在站点机房，RRU移到靠近天线的位置，大大缩短了RRU和天线之间的馈线长度，可以减少馈线传输损耗，增大基站覆盖范围。

C-RAN（Centralized RAN）指集中化无线接入网，CU/DU集中部署在接入机房。采用C-RAN之后，CU可以统一管理和调度，资源调配更加灵活，适合MEC技术的应用。另外，通过集中化的方式，基站机房数量和配套设备的能耗减少，基站规划更加灵活。

云RAN指云化无线接入网。在云RAN中，CU云化部署，每个虚拟CU能够支持更多的基站，以实现资源池的高利用，更好的业务分流、边缘计算和运维等。

1.1.2 核心网

5G核心网采用服务化架构，主要由AMF、SMF和UPF等功能单元组成，功能单元之间通信采用HTTP/TCP协议，如图1-9所示。核心网通过模块化实现网络功能单元间的解耦与整合，各解耦后的网络功能抽象为网络服务，独立扩容、独立演进、按需部署。

图1-9　非漫游5G系统服务化架构（3GPP TS 23.501图4.2.3-1）

传统2G、3G、4G网络架构采用的是“点对点”架构，网元和网元之间的接口需预先定义和配置，并且定义的接口只能用于特定的两类网元间，灵活性不强；而服务化架构将网络功能划分为可重用的若干个“服务”，“服务”之间使用轻量化接口通信。

5G无线接入网和核心网之间弱关联，各种接入均可通过通用的接口接入核心网。核心网功能单元NF之间的交互采用服务化接口，同一种服务可以被多种NF调用，降低NF之间接口定义的耦合度，最终实现整网功能的按需定制，灵活支持不同的业务场景。

图1-10为5G系统架构参考点示意图。UE与AMF之间的控制面参考点为N1，（R）AN与AMF之间的控制面参考点为N2，（R）AN与用户面UPF之间的参考点为N3。

图1-10　非漫游5G系统架构参考点示意图（3GPP TS 23.501图4.2.3-2）

5G网元及其功能如表1-4所示。

表1-4　5G网元及其功能（参阅3GPP TS23.501 6.2节）

4G网络与5G网络功能映射如图1-11所示。

5G网络的控制面与用户面完全分离。用户面UPF既可灵活部署于核心网（中心数据中心），也可同时部署于接入网（边缘数据中心），最终实现可分布式部署。

5GS和EPC/E-UTRAN互操作网络结构如图5-12所示，目的是在5G网络覆盖边缘将进行中的5G业务通过切换或重定向方式转移到4G网络，保持业务的连续性。

图1-11　4G网络与5G网络功能映射

为了保证4G/5G间更好的兼容性，新建5GC时遵循TS23.501定义搭建4G/5G融合网网络，如表1-5所示。UDM/HSS、PCF/PCRF、SMF/PGW-C、UPF/PGW-U全部部署为融合网元，MME和AMF之间通过N26接口实现互操作。

图1-12　5GS和EPC/E-UTRAN互操作网络结构（3GPP TS 23.501图4.3.1-1）

表1-5　4G和5G核心网融合