第三节
5G网络架构

移动通信系统的整体网络架构在不断演进，从1G到2G，网络从简单的端局交换机模式演进为基站—基站控制器—移动交换机。3G网络架构在2G的基础上起步，分组域基本继承了2G的模式，电路域采用了控制承载分离、控制集中化、承载分布化的形态。4G网络架构放弃了传统电路域，只考虑了分组域的演进，采用了EPS（演进分组系统），EPS整体网络架构如图1-10所示。

图1-10中，UTRAN为通用电信无线接入网；GERAN为全球移动通信系统边缘无线接入网；SGSN为GSM/GPRS/EDGE网络核心网的网元；HSS为归属用户服务器，负责管理用户的签约数据及移动用户的位置信息；MME为移动性管理实体，用于处理信令；UE为用户终端；LTE-Uu为长期演进技术的空中接口（实现终端与演进的通用电信无线接入网之间的通信）；E-UTRAN为演进的通用电信无线接入网；S1-U为基站（eNode B，是E-UTRAN核心）与服务网关（SGW）之间的通信接口，-U表示用户数据部分；SGW为服务网关，用于处理业务流；PGW为分组数据网网关；PCRF为策略和计费规则功能；IMS为IP多媒体子系统；PSS为主同步信号；S1-MME为承担基站与核心网之间控制信令的接口；S3为SGSN与MME之间的接口，用于实现在3GPP网间进行交互，采用GTP-C协议，下层为UDP（用户数据报协议）；S4为SGSN与SGW之间的接口，提供GPRS网与SGW之间的相关控制和移动性管理功能；S5为SGW与PGW之间的接口，可以分为控制面和用户面；S6a为HSS与MME之间的接口，用于完成用户接入认证、插入用户签约数据、对用户接入PDN（公用数据网）进行授权，以及与非SGPP系统互联时对用户的移动性管理消息的认证等功能；S10为MME之间的控制面接口，完成MME再分布和MME之间信息的传输；S11为MME与SGW之间的接口，用于传输承载控制与会话控制等信息；S12为UTRAN与SGW之间的用户面接口；Gx为PCRF与PCEF之间的接口，PCEF在PGW中，提供QoS准则和计费标准的传输功能；SGi为PGW与分组数据网络之间的接口，包括IMS核心网、外部公共或私人数据网，类似于Gi接口；Rx为PCRF与AF（应用功能）之间的接口，AF位于业务平台。

如图1-10所示，4G网络架构中，核心网控制面没有与数据实现完全分离。4G网络架构的控制功能相对集中，带来的主要局限性如下。

（1）数据功能集中在PGW，性能要求更高，容易限制网络吞吐量。

（2）所有数据流都必须通过PGW，网络内部新内容应用服务的部署困难。

（3）控制面与数据面的扩容必须同步，控制设备更新周期被缩短，设备成本增加。

（4）用户的业务特征识别困难，难以进行精细灵活的数据流路由控制。

（5）SGW、PGW过度集中了控制功能，造成PGW设备极为复杂、可扩展性弱。

（6）运营商无法进行网络设备的功能整合，灵活性差。

5G业务种类更加丰富，对网络能力的要求更加多样化，不仅要求新的无线接入技术，而且要求全新的网络架构，提供足够的灵活性和可扩展性，以适应业务的发展。

一、欧洲的5G网络架构

欧洲的5G网络架构源于欧盟第七框架计划下的构建2020年信息社会的无线移动通信领域关键技术（Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-Twenty Information Society，METIS）项目。该项目发布了一份5G架构报告，该报告从功能架构、逻辑编排和控制架构、拓扑和功能部署架构方面阐述了5G网络架构。

（一）功能架构

METIS项目的5G系统包括中心管理实体（Central Management Entity，CME）、无线节点管理（Radio Node Management，RNM）、空中接口（Air Interface，AI）和可靠业务构件4个高层构件，从宏观的角度构建了系统功能，如图1-11所示。

中心管理实体包含网络的主要功能，既可以位于中心站点，也可以根据用例或业务进行分布式部署。

无线节点管理包括提供无线功能的构件，这些功能放在中间网络层（有特定任务的专用无线节点），分布受接口需求的影响。

空中接口主要位于较低的网络层，如终端、天线站点或CloudRAN（云无线接入网）站点。

可靠业务构件代表一个无线接入网中心实体，与其他高层构件都有接口，用于做可靠性检查，以及提供超可靠连接。

中心管理实体、无线节点管理和空中接口还分别包括多个子功能构件，如图1-12所示。

图1-12中，UDN为超密集组网，URC为主动结果码，RAT为无线电接入技术，RRM为无线资源管理，MMC为多媒体卡，M2M为机器到机器通信，MN为主基站或锚点站。

（二）逻辑编排和控制架构

逻辑编排和控制架构采用了SDN、NFV及其扩展的未来机构技术趋势，如图1-13所示。

业务流管理的任务是，通过网络基础结构分析服务并总结目标业务数据流的要求，随后与5G编排器和5G-SDN控制器通信，两者负责在最终功能部署中实现所需功能。这种架构使依据需求定制虚拟网络成为可能，虚拟网络使用共享资源池且允许控制面与用户面的有效业务自适应解耦，优化整个业务传送链上的路由和移动性管理。

5G编排器的灵活部署和构建可以实现网络功能，任务是绘制数据面和控制面到部署架构中物理资源间的逻辑拓扑，为每个服务绘制相应的逻辑拓扑。METIS 5G系统逻辑编排和控制架构同时控制NFV与非NFV（运行在依靠硬件加速器的非虚拟化平台上的网络功能），覆盖了无线、核心和业务层等所有5G网络功能，增加了特定的拓展功能。

无线网络实体（RNE）与核心网络实体（CNE）是逻辑编排和控制架构中的逻辑节点，能够借助不同的软件和硬件（虚拟化和非虚拟化的）平台实现。不同RNE之间的通信存在灵活的协议和空中接口。灵活的协议是指一些协议的功能可以根据目标业务在有关用例场景下的需求进行配置或替换。此外，协议还允许进行灵活的设计，支持空中接口针对不同5G用例场景的可配置性。

（三）拓扑和功能部署架构

影响功能部署的重要功能需求包括接口和处理时延、时间同步、接口的带宽要求、处理业务的拓展。重要的网络拓扑包括可用的传输网（光纤、无线回传网络等）、不同站点的位置及这些站点的设备。

由于5G网络应满足不同的功能需求、不同的网络拓扑和特殊应用需求，因此策划新网络服务时，功能结构应能够立即支持灵活的功能部署。

与无线接口相关的网络功能分为同步和异步网络功能。

同步，即无线网络功能的处理与无线接口时间同步。同步无线网络可以分为两个部分：一是同步无线控制层功能，包括调度、链路自适应、功率控制和干扰协调等；二是同步无线用户层功能，包括重传/混合自动重传、编码/调制、分段/串接无线帧等。

异步，即无线网络功能的处理与无线接口时间异步。异步无线网络同样也可以分为两个部分：一是异步无线控制层功能，包括蜂窝间切换、无线接入技术选择等；二是异步无线用户层功能，包括加密、用户层聚合等。

核心网络功能也由两个部分组成：一是核心网络控制层功能，包括认证、环境管理和IP地址分配等；二是核心网络用户层功能，包括数据分组过滤、IP地址锚定等。

METIS包括多种部署组合。

（1）典型的LTE，无线网络功能分布在eNB（演进节点），核心位于中心站点，优势是支持回程传输，但是不支持多蜂窝共同处理。

（2）云无线接入网，无线网络功能分布在媒介网络层，核心位于中心站点，优势是拥有紧密的协调功能，具有更高的灵活性，不足在于需要高带宽，以及对于前传链路（接入天线站点）的时延需要考虑规模如何适应无线带宽和天线数量的增加。

（3）分布式用户层核心网络功能，即接入、媒介网络层，优势是支持极低的时延，并且可以处理路由本地流量。

（4）集中化异步无线控制层和用户层，优势是只需要简单的无线节点。云无线接入网的整个基带处理都是集中化的，与之相比，集中化异步无线控制层和用户层的优势在于更低的传输速率和时延需求。

（5）分配所有的无线电和核心网络功能，优势是支持一个完整网络的独立部署，而不需要核心节点，还可以在一定程度上增强网络弹性。不足在于协作相关的特性依赖于节点间的接口来实现。

二、日本的5G架构

2014年10月8日，日本ARIB（无线工业及商贸联合会）发布了5G白皮书，即 Mobile Communications Systems for 2020 and Beyond 。该白皮书阐述了一种5G概念架构，如图1-14所示。

ARIB提出的5G概念架构是一种基于SDN的三层5G网络概念架构。

第一层包含应用与服务，各种类型的服务都可以传输至个人用户、企业用户和移动通信基础网络运营商。

第二层是网络控制平台，面向第一层的各类移动通信应用，执行面向应用系统的网络控制功能，同时为下一层的移动通信网提供相关服务。由于网络控制编程在软件定义的基础上是可配置的，因此网络控制平台具有自动化、动态化、灵活化、智能化和可扩展的网络操作优势。

第三层是移动通信网，主要为移动通信核心网和无线接入网提供端到端数据传输支持。

该白皮书还给出了一个5G网络架构设计实例，如图1-15所示。

如5G概念架构所述，第一层代表应用与服务域，包括网络运维支持（流量管理支持、网络管理支持、签约支持等）、可靠数据提供（物联网、内容分发、应急通信等）和多媒体业务的多种应用。

第二层代表一个由多个网络控制软件模块组成的网络控制平台，包括接入控制、回传控制、路由控制、传输网控制和核心网传输控制等模块。平台向第三层的用户面模块发送控制指令，同时向第一层的应用与服务域发送与网络相关的管理指令。

第三层代表移动通信网基础设施，通过从物理层到传输层范围内的数据处理实现端到端的数据传输。无线接入网（RAN）和核心网（CN）控制面的一系列协议对用户面的数据处理进行控制。如图1-15所示，在ARIB提出的5G网络概念模型中移动通信网包括用户终端（用户和设备）、无线接入网、回传网、传输网和核心网。其中，用户终端、无线接入网和回传网与接入技术相关，SGW、PGW/SGSN（服务GPRS支持节点）等虚拟化的EPC（演进分组核心网）和IMS（IP多媒体子系统）网元可以作为核心网虚拟网元。

三、韩国的5G架构

2015年3月，韩国5G Forum公布了白皮书 5G Vision，Requirements and Enabling Technologies V.1.0 ，阐述了5G核心网架构，如图1-16所示。

5G Forum 5G核心网架构的关键点如下。

（1）核心网同时支持有线接入和无线接入。

（2）控制面与数据面相分离，而且在虚拟环境下实现。

（3）只有一级的扁平化、全分散网络架构。

（4）5G网关间接口支持无缝移动。

（5）同一个业务流的传输可以通过多个RAT实现。

（6）位于基站的内容缓存和位于网关的内容/业务缓存可以支持低时延业务。

在该5G核心网架构中，核心网同时支持有线接入和无线接入，业务在有线接入网和无线接入网之间可以自由移动，有线业务和无线业务在性能方面的差异不再显著。HDTV（高清电视）、PC（个人计算机）和家庭Wi-Fi App等有线终端连接到5G网关，实现对有线终端和无线终端之间无缝切换的支持。无线接入网则可以直接连接宏基站或5G网关。宏基站、小基站和2型WLAN（无线局域网）都连接到5G网关，中继站则和1型WLAN连接到宏基站。1型WLAN和2型WLAN分别连接到宏基站和5G网关。

控制面与数据面相分离，而且在虚拟环境下实现，为在不改动物理网络基础设施的条件下，实现更多更丰富的应用和业务提供了可能。

在数据面，由宏基站或者5G网关控制无缝移动。在同一个宏基站下，中继站和1型WLAN之间的移动由宏基站控制。5G网关或者宏基站控制宏基站、小基站、2型WLAN、有线接入网之间的移动，而层一/层二转发由宏基站和小基站负责，层三转发由5G网关完成。同一个业务流可以通过多个RAT进行传输，而且支持端到端级、网关级和基站级的多流。

5G核心网控制面在虚拟环境下予以实现。虚拟逻辑网关包含网关控制功能，控制多个网关数据面交换机。控制面之下涵盖两大功能模块：一是无线资源信息功能模块，用来在所有可能的无线接入网中选择最佳可用的无线接入网，包括监视多个RAT的无线资源情况、基于信道条件的宏基站-中继站拓扑等；二是用来跟踪用户终端位置并识别该位置上的最佳可用的无线接入网的地理位置信息模块。

四、北美的5G架构

无线电行业贸易协会4G Americas公布的白皮书 4G Americas'Recommendations on 5G Requirements and Solutions 中并没有关于5G网络架构的明确阐述，而是描绘了一种端到端5G生态系统架构，如图1-17所示。

根据该架构，5G系统设计需要考虑的关键因素如下。

（1）在设备方面，包括新调制解调技术、上下文感知组网技术、终端直通技术。

（2）在无线接入网方面，包括高级干扰管理技术、大规模MIMO技术、安全技术、新调制解调技术、毫米波技术。

（3）在核心网方面，包括网络功能虚拟化技术、安全技术、物联网技术、泛在存储和计算技术。

（4）在应用服务方面，包括安全技术、上下文感知组网技术、物联网技术、终端直通技术。

（5）在无线接入网和核心网边界，包括云无线接入网技术、灵活组网技术、物联网技术。

（6）在核心网和应用服务边界，包括物联网技术、云计算技术。

（7）在法律法规方面，包括频谱划分、合法监听、频谱共享、紧急服务、弹性。

该白皮书提出了讨论5G系统时应遵守的原则：5G移动通信系统研发对美洲各国至关重要，其发展必须着眼整个生态系统，且在全球统一框架内进行协调，为技术进步、可行性研究、标准化和产品研发提供充足的时间。5G移动通信系统规划要考虑所有的主要技术驱动力，在正式商用部署之前，要尽可能收回4G投资。这些原则还建议不要陷入对5G移动通信系统定义的争论。

五、中国的5G架构

中国IMT-2020（5G）推进组涵盖了产学研力量，吸纳了国内主要运营商、设备制造商、高校和科研机构。2015年2月，中国IMT-2020（5G）推进组提出了5G网络概念架构，即“三朵云”概念架构，如图1-18所示。

图1-18中，PDN为公用数据网，MANO为管理和网络编排，MEC为移动边缘计算，HEW为高效率无线标准，pico为一种微基站，macro为宏，Multihop为多跳。

所谓“三朵云”就是接入云、控制云和转发云三个逻辑域，分别负责接入融合、全局控制、汇聚转发职能。“三朵云”协同配合，构建了一个灵活部署的融合网络，满足了各种业务场景的需要。

（一）控制云

控制云通过管理模块完成所有的控制功能。这些管理模块涵盖无线资源管理模块、策略控制模块、路径管理模块、移动性管理模块、信息管理模块、传统网元适配模块等。上述模块负责移动通信的过程和业务控制、策略控制、会话管理、移动性管理、策略管理、信息管理等。此外，控制云还支持能力开放。

（二）接入云

接入云是一个网络，具有多拓扑形态、多层次类型、动态变化的特点。它可以进行集中式、分布式和分层式部署，以满足不同的业务场景需求。它所采用的无线接入技术实现了高速率接入和无缝切换，改善和提升了用户体验。接入云离不开新型无线接入技术、灵活资源协同管理、跨制式系统深度融合，以及无线网络虚拟化、边缘计算与无线能力开放的支持。新型无线接入技术包括大规模天线阵列、新型多址技术、全频谱接入等。灵活资源协同管理就是在集中控制模块的支持下，建立快速、灵活、高效的协同机制，兼容各种无线接入系统，最终实现移动网络资源的高效利用。

（三）转发云

5G网络采取了核心网控制面与数据面彻底分离的做法。因此，转发云完成了所有数据流的高速转发与处理。得益于对传统网络中业务使能网元链状部署的突破，转发云对业务使能网元与转发网元进行了网状部署。控制功能由控制云的路径管理模块实施。传统网络如果要改善业务链，就需要在网络中增加额外的业务链控制功能或者增强控制网元。5G网络与之不同，它能够从业务需求出发，采用软件定义业务流转发路径，灵活地选取转发网元与业务使能网元。

此外，转发云能够有效降低业务/传播时延，提供极致的用户体验。一方面，转发云根据控制云下发的缓存策略进行热点内容的缓存。另一方面，转发云提高数据处理和转发效率，对时延要求严格的事件进行本地处理，避免转发云上报网络状态信息后，由控制云进行集中优化控制而带来的传播时延。 T6dwiHjxvVHPs5FziJ7qILqS1NCncT+oJ244GEsYEkXCHYxVIRzcbzzeF8TPU5e3