前言：本期介绍5G网络架构的演进趋势。
目录
- 1. 5G网络架构概述
- 2. 4G网络架构概述
- 3. 核心网架构演进（了解）
- 3.1 2G核心网
- 3.2 3G、4G核心网
- 3.3 5G核心网
- 4. 4G核心网架构
- 5. 5G核心网架构
- 6. 无线接入网演进（了解）
1. 5G网络架构概述
5G移动通信系统包括5GC（5G核心网）和NG-RAN（5G无线接入网），5G核心网与5G无线接入网通过NG接口连接，实现控制面和用户面功能。5G无线接入网之间通过Xn接口连接，实现控制面和用户面功能。5G移动通信系统整体架构如图所示。
| 名词 | 定义 |
|---|---|
| 核心网 | 核心网部分就是位于网络子系统内，核心网的主要作用是把A口上来的呼叫请求或数据请求，接续到不同的网络上。 |
| 5GC（5G Core Network） | 5G核心网 |
| 接入网 | 核心网络到用户终端之间的所有设备，其长度一般为几百米到几公里，因而被形象地称为”最后一公里”。 |
| NG-（R）AN（Next Generation Radio Access Network） | 5G无线接入网，即由多个与5GC连接的gNB组成的(无线)接入网。 |
| NB（Node B） | 3G基站代称 |
| eNB（evolved Node B） | 4G基站代称 |
| gNB（next generation Node B） | 5G基站代称 |
| en-gNB | 承载部分4G业务的5G基站代称 |
| gn-eNB | 承载部分5G业务的4G基站代称 |
| NG接口 | 无线接入网和5G核心网之间的接口 |
| Xn接口 | NG-RAN节点（gNB或ng-eNB）之间的网络接口，走信令或者用户数据。 |
2. 4G网络架构概述
4G移动通信系统包括EPC（演进分组核心网）和E-UTRAN（演进通用陆地无线接入网络）。4G移动通信系统整体架构如图所示。
| 名词 | 定义 |
|---|---|
| EPC（Evolved Packet Core Network） | 演进分组核心网 |
| E-UTRAN（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network） | 演进通用陆地无线接入网络 |
| eNB（evolved Node B） | 4G基站代称 |
| S1接口 | 无线接入网和4G核心网之间的接口 |
| X2接口 | E-UTRAN节点（eNB）之间的网络接口，走信令或者用户数据。 |
5G移动通信系统整体架构与4G整体架构类似。无线接入网与核心网仍然遵循各自独立发展的原则，空中接口终止在无线接入网。无线接入网与核心网的逻辑关系仍然存在，无线接入网与核心网的接口依然明晰。
4G整体架构相关名词：
BBU（Baseband Unit）：基带处理单元
RRU（Remote Radio Unit）：射频拉远单元
回传：无线接入网与核心网之间的传输网络
前传：BBU和RRU之间的光纤网络
5G整体架构相关名词：
AAU（Active Antenna Unit）：有源天线单元
CU（Centralized Unit）：集中单元
DU（Distributed Unit）：分布单元
回传：无线接入网与核心网之间的传输网络
中传：CU和DU之间的传输网络
前传：BBU和AAU/RRU之间的光纤网络
MEC（Multi-Access Edge Connection）：多接入边缘连接
在4G移动通信系统中，E-UTRAN由BBU和RRU实现，但是E-UTRAN是一个逻辑整体。5G移动通信系统中，NG-RAN可以分为CU和DU（可以合并也可以分离）。在逻辑上，NG-RAN可以不是一个整体。DU可以由BBU实现，CU通常基于通用服务器实现。AAU继承RRU的所有功能，在此基础上进一步增加功能，例如增加大规模天线功能。
MEC（多接入边缘连接）是支撑5G系统运行的关键技术。MEC的基本思想是在靠近终端的位置上提供服务，并将内容分发推送到基站，可以理解为下放一部分5GC的功能（因为5GC是集中放置在某处机房），从而更好地支持5G网络中低时延和髙带宽的业务需求。
3. 核心网架构演进（了解）
移动通信系统经历了模拟通信、数字通信、互联网和SDN/NFV，共4个时期。不同阶段核心网技术特征与代表技术如图所示。
3.1 2G核心网
| 名词 | 定义 |
|---|---|
| PCM（Pulse Code Modulation） | 脉冲编码调制 |
| TDM（Time-division Multiplexing） | 时分复用技术 |
| 分组通信 | 利用无线信道以分组方式传送数据或话音信息的通信 |
| PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy） | 准同步数字系列，美日采用μ律，欧洲和我国采用A律 |
| SDH（Synchronous Digital Hierarchy） | 同步数字体系，PDH改进型，速度更快，统一了光接口 |
| X.25 | 是目前使用最广泛的分组交换协议 |
| ATM（Asynchronous Transfer Mode） | 异步传递方式，采用统计时分复用 |
| STM（Synchronous Transfer Mode） | 同步传递方式，采用时分复用 |
3.2 3G、4G核心网
| 名词 | 定义 |
|---|---|
| MPLS（Multi-Protocol Label Switching） | 多协议标签交换，用于不同的包转发和包交换技术，面向连接 |
| SDN（Software Defi ned Network） | 软件定义网络，将数据与控制相分离 |
| NFV（Network Function Virtualization） | 网络功能虚拟化 |
| Open Stack | 一个云计算平台项目，覆盖了网络、虚拟化、操作系统、服务器等各个方面 |
3.3 5G核心网
网络架构演进的核心目标：
- 实现从“互联网应用被动适应网络（如云游戏的发展受到网速制约）”向“网络主动、快速、灵活适应互联网应用（如针对VR领域提供低时延服务）”转变；
- 得益于MEC的引入，网络和资源的部署将打破行政管理体制（省市区）和传统组网思路的制约，转向以IDC（Internet Data Center，互联网数据中心）为核心的新格局。
4. 4G核心网架构
移动通信系统核心网从3G到4G的演进的特点是取消了CS域，只保留PS域。4G移动通信系统实现了控制和承载相分离。
| 名词 | 定义 |
|---|---|
| CS（Circuit Switch） | 电路交换 |
| PS（Packet Switch） | 分组交换 |
| LTE（long Term Evolution） | 长期演进技术，3G与4G技术之间的过渡 |
| UE（User Equipment） | 终端 |
| Uu | 空中接口，实现UE和E-UTRAN的通信 |
| E-UTRAN | 演进的UMTS陆地无线接入网，即LTE移动通信无线网络 |
| S1-U | eNodeB（基站）与 EPC（分组核心网）之间的通讯接口，-U同上表示用户数据部分 |
| GW-U | Gateway是网关，百度上有GW-S表示服务网关，猜测这里表示用户(User)网关 |
| SGi | 与外部数据网络对接 |
| HSS（Home Subscriber Server） | 归属用户服务器，负责管理用户的签约数据及移动用户的位置信息 |
| MME（Mobility Management Entity） | 移动性管理实体，负责处理信令 |
| SGW（Serving GateWay） | 服务网关，负责处理业务流 |
| CG（Customer Gateway） | 计费网关/计费网关，负责完成计费话单的检错、纠错和话单的合并，并完成话单格式的转换 |
| PGW（PDN Gateway） | 分组数据网网关，负责分组数据包路由和转发；3GPP和非3GPP网络间的Anchor功能；P地址分配等 |
| PCRF（Policy and Charging Rules Function） | 策略和计费规则功能，是业务数据流和IP承载资源的策略和计费控制判决单元 |
为了解决4G网络的语音通信需求，基于IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统）发展出了VoLTE技术；为了应对物联网应用的需求，基于现有LTE系统进行改造和加强，发展出了NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）技术和eMTC（enhanced Machine Type Communication，增强机器类通信）技术。4G核心网在URLLC和mMTC方面的不足随着业务需求的明确愈发显著。更低时延和超大的连接数使得4G核心网在新需求面前无能为力。
5. 5G核心网架构
5G核心网颠覆了4G核心网的设计思路。5G核心网基于SBA（Service Based Architecture，基于服务架构）实现，使用NFV技术灵活重构网络功能，使用SDN技术灵活构建数据转发通道，使用切片技术实现业务保障与资源利用率最大化，完全实现CUPS（Control and User Plane Separation，控制面与用户面分离），结合云技术实现全面支撑5G应用场景需求。
| 名词 | 定义 |
|---|---|
| UE | 终端 |
| AN | 接入网 |
| UPF | 用户面功能 |
| DN | 数据中心 |
| NF | 网元功能体 |
| NSSF | 网络切片选择功能 |
| NEF | 网络开放功能 |
| NRF | 网络仓储功能，支持服务发现功能 |
| PCF | 策略控制功能，主要功能是使用统一的策略框架来管理网络行为 |
| UDM | 统一数据管理，通过生成3GPPAKA身份验证凭据，通过对SUPI的存储和管理，对用户进行识别处理，对用户进行合法性验证 |
| AF | 应用功能，指应用层的各种服务 |
| AUSF | 鉴权服务器功能，处理3GPP接入和非3GPP接入的认证请求 |
| AMF | 接入和移动管理功能，负责注册管理，连接管理，可达性管理，移动性管理等功能 |
| SMF | 会话管理功能，负责会话建立，修改和释放等 |
6. 无线接入网演进（了解）
从2G开始到现在的5G，无线接入网技术一直处于变化之中，无线接入网的实现方式也呈现出“分合分”的表象。无线接入网的发展与演进如图所示。
在5G时代，对基站，核心网的各项功能进行了重构：首先把原先BBU的一部分物理层处理功能下沉到RRU，RRU和天线结合成为AAU；然后再把BBU拆分为CU和DU，同时CU还融合了一部分从核心网下沉的功能，作为集中管理节点存在。
CU和DU的切分是根据不同协议层实时性的要求来进行的。在这样的原则下，把原先BBU中的物理底层下沉到AAU中处理，对实时性要求高的物理高层，MAC（Media Access Control，介质访问控制），RLC（Radio Link Control，无线链路控制）层放在DU中处理，而把对实时性要求不高的PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）和RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）层放到CU中处理。
参考文献
1-5G基站是如何起名的？
大唐杯学习笔记(1)—— 5G网络架构与组网部署
5G基站君的进化之路 — CU和DU分离
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作者：HinsCoder
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