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在LTE网络中，终端的会话管理和终端的移动性管理通过同一个网络实体处理，导致网络演进的不灵活和不可扩展。
5G移动通信的目标是实现万物互联，支持丰富的移动互联网业务和物联网业务，4G的网络架构主要用于满足语音要求和传统的移动宽带（Mobile Broadband，MBB）业务，已经不能高效地支持5G业务。
在制定5G网络架构之前，3GPP首先对5G系统及网络架构提出如下需求 [1] 。
● 能够支持不同RAT类型，包括E-UTRA、non-3GPP接入类型；不支持GERAN和UTRAN接入。在non-3GPP接入类型中，应该支持WLAN和固网接入；应该支持卫星无线接入。
● 针对不同的接入系统支持统一的鉴权架构。
● 支持终端同时通过多个接入技术的同时连接。
● 允许接入网和核心网独立演进，最大化解耦接入网和核心网。
● 支持控制平面和用户平面功能分离。
● 支持IP包、非IP包、Ethernet包的数据传输。
● 有效支持不同程度的终端移动性，包括业务连续性。
● 满足终端和数据网络之间不同业务的时延需求。
● 支持网络切片功能。
● 支持针对垂直行业的网络架构增强。
● 支持网络能力开放等。
为了能够更好、更高效地满足上述需求，同时，为了支持运营商更好地实现服务的快速创新、快速上线、按需部署等，3GPP在TSG SA#73次会议上采纳了控制平面和用户平面完全分离的网络架构。这种设计方式，有利于不同网元独立的扩容、优化和技术演进。用户面可以集中部署也可以分布式部署，在分布式部署时可以将用户面下沉到更接近用户的位置，提升对用户请求的响应速度；而控制面则进行集中管理与集中部署，提升可维护性和可靠性。
同时，移动网络需要一种开放的网络架构，通过网络架构的开放支持不断扩充的网络能力，通过接口开放支持业务访问提供的网络能力。基于以上考虑，3GPP在TSG SA#73次会议上采纳了5G服务化网络架构（Service Based Architecture，SBA）；针对5G核心网功能进行了重构，以网络功能（Network Function，NF）的方式重新定义了网络实体，各NF对外按独立的功能（服务）实现并可互相调用，从而实现了从传统的刚性网络（网元固定功能、网元间固定连接、固化信令交互等）向基于服务的柔性网络的转变。基于服务化的网络架构解决了点到点架构紧耦合的问题，实现了网络灵活演进，保障了各种业务需求。
此外，5G网络引入了网络切片架构。网络切片架构是在网络功能虚拟化、软件化的基础上，把网络切成多个虚拟且相互隔离的子网络，分别应对有不同业务质量要求的服务，再将网络功能进一步细粒度模块化，实现灵活组装业务应用和业务客户化定制功能。
5G网络架构设计采用面向服务的设计思路，网络功能间的交互采用两种不同的方式呈现 [2] 。
● 基于服务化的呈现方式。在此种方式中，控制平面的网络功能允许其他授权的网络功能获取此网络功能的服务。
● 基于参考点的呈现方式。在此种方式中，任意两个网络功能之间采用点到点的参考点进行描述，两个网络功能之间通过参考点进行交互。
图3-1所示给出了基于服务化呈现方式的非漫游参考架构。
图3-1 基于服务化呈现方式的非漫游参考网络架构（引自参考文献 [1] 中的图4.2.3-1）
图3-2所示给出了基于参考点呈现方式的非漫游架构。
图3-2 基于参考点呈现方式的非漫游架构（引自参考文献 [1] 中的图4.2.3-2）
5G系统架构包含以下网络功能，具体功能如下所述。
● 接入及移动性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF），处理所有终端与连接和移动性管理有关的任务，如注册管理、连接管理、移动性管理等。
● 会话管理功能（Session Management Function，SMF），包括会话的建立、修改和释放，UPF （User Plane Function）和AN （Access Node）节点之间的隧道维护，终端IP地址的分配和管理，选择和控制UPF功能，计费数据收集和计费接口支持等。
● 用户面功能实体（User Plane Function，UPF），包括用户平面数据包的路由和转发、用户平面的QoS处理、用户使用信息统计并上报、与外部数据网络（Data Network）交互等功能。
● 统一数据管理功能（Unified Data Management，UDM），包括用户签约数据的产生和存储、鉴权数据的管理等功能，支持与外部第三方服务器交互。
● 鉴权服务功能（Authentication Server Function，AUSF），AUSF用于接收AMF对终端进行身份验证的请求，通过向UDM请求密钥，再将下发的密钥转发给AMF进行鉴权处理。
● 策略控制功能（Policy Control Function，PCF），支持统一的策略框架去管理网络行为，并向其他网元和终端提供运营商网络控制策略。
● 网络存储功能（NF Repository Function，NRF），用来进行NF登记、管理、状态检测，实现所有NF的自动化管理。每个NF启动时，必须要到NRF进行注册登记才能提供服务，登记信息包括NF的类型、地址、服务列表等。
● 应用功能（Application Function，AF），可以是运营商内部的应用，如IMS，也可以是第三方的服务，如网页服务、视频、游戏等。如果是运营商内部的AF，与其他NF在一个可信域内，则直接与其他NF交互访问；如果AF不在可信域内，则需要NEF访问其他NF。
● 网络开放功能（Network Exposure Function，NEF），负责管理5G网元对外开放网络数据，外部非可信应用需要通过NEF访问5G核心网内部数据，以保证3GPP网络的安全。NEF提供外部应用QoS能力开放、事件订阅、AF请求分发等功能。
● 网络切片选择功能（Network Slice Selection Function，NSSF），主要用于网络切片的选择。
● 数据网络（Data Network，DN），在这里包括运营商业务，第三方的视频、游戏业务等。
整体来说，5G SBA网络架构中的核心网具有如下关键特性。
● 网元功能松耦合及服务化。传统核心网网元由一组彼此紧密耦合的功能组成。为了支持新的业务需求。5G网络采用基于服务化的网络架构，组成核心网的各网络功能实体在功能级别上解耦／拆分，网络功能实体拆分出若干个自包含、自管理、可重用的网络功能服务（NF Service，NFS）。网络功能服务可独立升级、独立扩展，在此过程中，网络功能服务提供标准化的服务接口，便于与其他网络功能服务通信。
● 网络接口轻量化。不同网络功能实体之间的接口采用成熟的标准化协议，例如http协议，便于快速实现网络接口的开发和网络功能实体的快速升级。同时，采用轻量化的网络接口实现向业务应用开放网络的能力。
● 网络管理和部署统一化。5G核心网新引入了网络存储功能实体，用于提供网络功能实体的服务注册管理以及服务发现机制等功能，核心网通过这种服务化的机制实现自动化运行。
● 按需网络切片和QoS（Quality of Service）保障。核心网中的网络功能实体可以为不同切片服务，根据切片配置，核心网组成不同的切片网络。不同的应用可根据业务的要求使用不同的网络切片资源。5G网络实现了基于不同会话设置不同QoS的策略，增加了独立的网络数据分析功能，可以根据会话、终端、网络的状态实时调整QoS策略。
在终端与网络通信过程中，终端和网络会遵循对等协议栈原则，即在每一个接口上都有对等协议功能进行对应。本节将介绍5G系统中端到端协议栈，此处只列出了主要接口的对等协议栈以供参考。
控制平面用来承载终端与网络侧的交互信令，控制平面数据传递是通过Uu接口-N2接口-N11接口实现的，不同网元之间的信令采用对端协议栈的方式实现。如图3-3所示，NAS-SM和NAS-MM都属于N1接口的NAS层协议；其中，NAS-SM支持终端和SMF之间的会话管理功能，NAS-MM支持终端和AMF之间的移动性管理功能，如注册管理、连接管理。NAS层协议在Uu接口通过终端和接入网之间的RRC协议层承载。N2接口是接入网和核心网之间的接口，其中NG-AP协议层用于处理核心网和接入网之间的信令连接，通过（Stream Control Transmission Protocol，SCTP）协议承载。
图3-3 终端和核心网之间端到端控制平面协议栈（引自参考文献 [1] 中的图8.2.2.3-1）
图3-4所示为用户平面用来承载终端应用层的数据，用户平面数据是通过Uu接口-N3接口-N9接口-N6接口路径进行传输的。其中，N6接口是5G网络与外部数据网络（Data Network）之间的接口，是数据在网络侧的进出口。在5G中，针对不同的应用层采用不同类型的PDU承载。目前支持的PDU类型有IPv4、IPv6、IPv4v6、以太网、无结构等。不同PDU类型的协议栈对应各自的协议栈。用户的PDU数据在Uu接口通过接入协议层承载，在骨干网（N9、N3接口）中采用GTP-U协议承载。
图3-4 终端和核心网之间端到端控制平面协议栈
在TSG SA#73次会议上，3GPP同意支持终端能够通过3GPP以外的接入技术（如WLAN网络）接入到5GC网络，实现运营商能够控制和管理通过非3GPP技术接入的终端，同时也给终端接入到运营商网络提供了多种方式。
图3-5所示为终端通过非3GPP接入到5GC的网络架构。非3GPP接入网包含非授信和授信两种方式。非授信网络通过非3GPP互操作功能（Non-3GPP InterWorking Function，N3IWF）连接到核心网；授信网络通过授信非3GPP网关功能（Trusted Non-3GPP Gateway Function，TNGF）连接到核心网。N3IWF和TNGF分别通过N2和N3接口连接到核心网的控制面和用户面。在此过程中，终端决定采用授信还是非授信的非3GPP网络接入到5G核心网。
图3-5 非3GPP接入到5G的网络架构（引自参考文献 [1] 中的图4.2.8.2.1-1）
（1）当终端决定采用非授信的非3GPP接入到5G核心网时：
● 终端首先选择并连接一个非3GPP网络。
● 终端选择一个PLMN和此PLMN中的N3IWF，PLMN的选择和非3GPP接入网的选择是互相独立的过程。
（2）当终端决定采用授信的非3GPP接入到5G核心网时：
● 终端首先选择PLMN。
● 终端选择一个能可靠连接到PLMN的TNAN，TNAN的选择受PLMN选择的影响。
当终端通过3GPP接入网和非3GPP接入网同时接入到网络时，针对3GPP接入和非3GPP接入分别存在N1连接。终端可以通过3GPP和非3GPP接入到不同的PLMN；终端也可以通过3GPP接入网和非3GPP接入网同时注册到两个不同的AMF。
5G网络引入之后，在一些场景中，为了保证用户的业务体验，需要支持5G网络和4G网络的无缝互操作。例如，5G网络没有实现全覆盖或者部分业务无法获得5G网络支持或者运营商需要将部分终端负载均衡到4G网络。因此，5G的商用部署进程将是一个基于4G系统长期进行替换、升级、迭代的过程；在5G覆盖不完善的情况下，4G系统也是保障用户业务连续性体验的最好补充。
基于3GPP现阶段的结论，本书仅讨论5G与4G直接的融合组网及互操作技术，暂不涉及5G与2G/3G直接的互操作。
4G和5G融合组网意味着网络、业务均需要进行一体化的融合演进。为了实现这一目标，在4G网络到5G网络的演进过程中，用户签约数据融合、网络策略融合、数据融合以及业务连续性是主要考虑的问题。基于此网络演进需求，4G和5G网络部分网元需要进行合设，如HSS+UDM、SMF+PGW-C和UPF+PGW-U，如图3-6所示。其中N26接口为可选接口，根据运营商的部署策略和业务需求决定是否设置。
图3-6 4G和5G互操作系统架构（引自参考文献 [1] 中的图4.3.1-1）
同时，4G和5G网络的网元合设除了数据和用户状态的统一管理外，大部分4G和5G网络间的交互通过网元内部接口实现，不需要单独定义标准化接口，简化了互操作处理流程，减少了交互时延。
PGW-C与SMF合设以及PGW-U与UPF合设，能够支持4G/5G切换过程中的业务连续性，保证用户的无缝切换体验；用户面网元合设使得切换过程中不需要变更用户面锚点，当终端在5G和4G网络之间进行移动时，保留终端的地址；终端的上下文在MME和AMF之间传递，实现了业务连续性和用户对于移动性的无感知，同时节省了业务处理资源。