1.2　5G网络与关键技术

作为新一代移动通信技术，5G网络不仅能够大幅提升移动互联网用户的高带宽业务体验，更能契合大连接、广覆盖的业务需求，实现对万物互联等通信需求的支持。为满足差异化的挑战，应对不同场景、不同用户的性能需求，5G网络在引入新技术的同时，实现了以服务化和云化为主要特征的全方面变革。

本章从5G应用场景和性能需求出发，分别对5G网络的新架构、新技术、新终端、新应用进行介绍，探索呈现5G网络的演进方向。

1.2.1　5G新架构

1.2.1.1 5G网络总体架构

由于业界对于5G系统需求不同，在最开始的关于网络架构研究的讨论中出现了七种架构，经过研究，最终对如图1-3所示的五种架构进行了标准化。5G网络架构的部署模式如图1-3所示 。

以上几种网络架构分为非独立组网和独立组网两种方式。其中，非独立组网架构（NSA架构）是指利用现有的4G基础设施进行5G网络的部署，是5G网络建设的过渡方案；独立组网架构（SA架构）是与4G系统相互独立的5G网络架构，是5G网络建设的目标方案。

1.非独立组网

考虑到建设成本与建设周期等因素，5G初期阶段主要以非独立组网架构为主。3GPP标准规范中设计了Option3、Option4、Option7三种非独立组网方式，具体对比如表1-2所示。

Option3架构中的核心网为4G核心网，接入网由LTE演进基站和5G基站组成。在4G/5G基站共同覆盖的区域，用户利用双连接技术同时连接到4G和5G基站。其中，主基站为LTE演进基站，辅基站为5G基站，控制面锚定在LTE演进基站。Option3架构的优势在于充分利用了4G核心网与已有的LTE演进基站，对5G基站覆盖要求较低，且对网络改动较小，在提升网络建设速度的同时降低了投资成本；劣势在于没有5G核心网的支持，边缘计算和网络切片等新功能与新业务无法实施，无法提供完整的5G服务。因此，Option3架构适合5G商用初期的热点部署，用于实现5G的快速商用。

Option4架构中的核心网为5G核心网，接入网由LTE演进基站和5G基站组成。Option4架构中的主基站为5G基站，辅基站为LTE演进基站。Option4架构的优势在于对5G基站覆盖率要求较低，可以有效利用已部署的LTE演进基站资源。由于用户终端接入5G核心网，因此可以使用网络切片等5G网络的新功能和新业务。其劣势在于LTE演进基站性能不如5G基站，且需要进行升级改造才能与5G基站进行交互。非独立组网架构中的Option4适合5G部署初期和中期场景，既可以复用现有LTE演进基站，也可以为用户提供5G功能。

Option7架构中的核心网为5G核心网，接入网由LTE演进基站和5G基站组成。与Option4架构不同的是，Option7架构中的主基站为LTE演进基站，辅基站为5G基站。Option7架构的优势在于可以有效利用已部署的LTE演进基站资源，劣势在于LTE演进基站需要进行升级改造才能与5G核心网及5G基站交互。

2.独立组网

在独立组网架构下，5G网络是一张独立于4G网络的全新网络。3GPP讨论了两种独立组网架构，即Option2与Option5。

Option2架构是5G的目标架构，5G基站直接接入5G核心网。该方案的优势是通过部署独立的5G核心网与接入网，可以全方面支持5G网络的所有新功能和新业务；劣势是该架构无法利用已有的LTE演进基站资源，导致初期投资较大，网络部署时间较长。

Option5架构中的接入网不进行5G基站的部署，通过将已有的LTE演进基站升级改造，使其支持接入5G核心网。该方案的优势在于可有效利用已有的4G接入网资源；劣势在于对LTE演进基站改造同样需要较大的投入。由于5G接入网可以实现更高速率、更低时延和更高的可靠性，较之改造后的4G接入网优势明显，因此多数运营商并未采用Option5架构。

1.2.1.2 接入网

接入网是用户终端与核心网之间的桥梁，承担所有与无线相关的功能，如无线资源管理、准入控制、连接建立、用户面和控制面数据路由等。5G接入网（NG-RAN）是一个可满足多场景的多层异构网络，具有灵活的网络拓扑，以及智能高效的资源协同能力。5G接入网由多个基站构成，分为5G基站（next generation nodeB，gNB）与LTE演进基站（next generation evolved nodeB，ng-eNB）两种形式。其中，gNB是根据5G标准设计开发的新一代基站，可以实现5G标准要求的全部功能；ng-eNB是由4G基站升级而来的，可与5G核心网和5G基站对接，并实现5G标准要求的部分功能。在网络中，基站与核心网通过NG接口进行交互，基站间通过Xn接口进行交互，基站与终端通过无线接口进行交互。

gNB由集中单元（centralized unit，CU）、离散单元（distributed unit，DU）与有源天线单元（active antenna unit，AAU）三部分组成。CU主要负责处理高层协议，同时支持部分核心网功能下沉和边缘应用业务的部署；DU主要负责处理底层协议；AAU主要负责基带数字信号与射频模拟信号之间的转换，以及射频信号的收发处理。为了满足5G多样化的需求，5G基站架构进行了变更：将4G基站的室内基带处理单元（building baseband unit，BBU）拆分成CU、DU两个逻辑单元；同时，将射频拉远单元（radio remote unit，RRU）和天线融合为AAU，如图1-4所示。

CU和DU分离的架构主要有以下两方面的优势。一方面，其便于实现网络设备的协调管理。由于一个CU可以对接多个DU，CU可以根据DU的能力与负载统一调度资源，从而提升网络资源的使用效率。另一方面，其便于实现网络功能虚拟化。在4G基站中，由于BBU需要实时处理海量数据，而通用服务器无法满足性能需求，因此基站功能的虚拟化很难实现。而在5G基站中，受益于CU和DU分离的架构，可将数据处理量小的CU部署在通用服务器上，实现部分基站功能的虚拟化。

采用AAU架构可以更好地支持Massive MIMO技术。Massive MIMO技术是传统MIMO技术的扩展和延伸，其特征在于以大规模天线阵列的方式集中放置数十根甚至数百根天线，使用多路发射信号和接收信号传输数据，从而提高数据传输速率。但是，射频通道增多、天线阵列规模扩大也给传统基站带来了挑战。4G基站中天线与RRU分别部署，通过跳线（1/2馈线）连接，这种架构不仅安装维护困难，而且跳线存在一定的衰耗，影响系统性能。AAU架构将射频收发单元与天线阵列单元集成在一起，构成有源天线阵列，不仅能有效降低功耗，而且可以实现天线的高效控制。此外，部分基站中的AAU除了具有射频处理功能，还增加了部分物理层功能（如波束管理），这种技术路线的优势是可以显著降低AAU与CU/DU之间的数据传输压力，劣势在于硬件设计更加复杂，后续升级维护的成本会增加。

1.2.1.3 核心网

核心网是移动通信的大脑和枢纽，负责用户管理、入网安全认证和授权、移动性管理、连接建立和释放、计费等关键功能。面对多样化的业务需求，5G核心网引入了大量新的技术，呈现了网络功能模块化、接口服务化、用户面下沉、能力开放等特点。

1.5G网络功能介绍

在5G核心网中，传统网元被拆分为多个网络功能模块，每个网络功能通过服务化接口与其他网络功能交互，具体架构如图1-5所示。

5G系统的主要网络功能模块包括AMF、SMF、UDM、NEF、UPF等 ，具体介绍如下 。

AMF（access and mobility management function，接入与移动性管理功能），主要提供非接入层（non-access stratum，NAS）消息的加密与完整性保护、终端接入鉴权与认证、移动性管理及位置服务管理等功能。

SMF（session management function，会话管理功能），负责对终端会话进行管理，包括会话的建立、修改和释放，以及每个会话的IP地址分配等。

UPF（user plane function，用户面功能），负责处理和转发用户面数据，UPF的功能由SMF控制。UPF负责为SMF生成流量使用情况报告，然后SMF将其包含在提供给其他网络功能的计费报告中。UPF还可以开启“包检测”功能，分析用户面数据包的内容，作为策略决策的输入或流量使用情况上报的基础。

UDM（unified data management，统一数据管理），当终端注册到系统时，对当前的无线接入授权，检查用户支持的功能、禁止的业务和漫游等造成的限制等。UDM还负责永久身份标识（SUPI）的管理，其他网络功能可以通过UDM来将用户的隐蔽标识（SUCI）解析为真实SUPI。

NEF（network exposure function，网络开放功能），负责5G网络的能力和事件的开放，以及接收相关的外部信息。

AUSF（authentication server function，认证服务器功能），负责对用户接入5G网络时鉴权，支持3GPP和非3GPP两种鉴权方式。

NRF（network repository function，网络存储功能），提供5G网络中网络功能的注册和发现能力。NRF负责维护网络功能配置文件，包含诸如网络功能类型、地址、容量、支持的服务及每个网络功能服务实例的地址等信息。当网络中部署了新的网络功能实例或网络功能实例发生了变化时，NRF内的配置文件会更新。如果NRF发现有的网络功能已经失去联系或处于休眠状态，那么，NRF就可以删除这些网络功能的配置文件。

NSSF（network slice selection function，网络切片选择功能），提供网络切片的选择能力。

PCF（policy control function，策略控制功能），负责终端接入策略和QoS流控制策略的生成。

UDR（unified data repository，统一数据存储），与UDM、PCF、NEF等网络功能对接，提供签约数据、策略数据及能力开放相关数据的存储能力。

NWDAF（network data analytics function，网络数据分析功能），可以对5G网络中的数据进行自动感知和分析，并参与网络规划、建设、运维、优化与运营全生命周期，使得网络易于维护和控制，提高网络资源的使用效率。

N3IWF（none-3GPP inter working function，非3GPP交互功能），是非3GPP接入5GC的接口，支持与终端间的IPSec隧道的建立，作为连接到5G核心网的控制面N2接口、用户面N3接口的终结点，在终端与AMF间传递上行和下行的NAS消息，在终端与UPF之间传递上行和下行的用户面数据包等。

2.服务化架构

5G核心网采用服务化架构（SBA），在SBA下，网络功能采用新型的服务化接口（service-based interface，SBI），通过类似总线的方式连接到系统中。SBI使用轻量化IT技术框架，可以适应5G网络灵活组网定义、快速开发、动态部署的需求。SBA中的控制面网络功能通过各自的SBI对外提供服务，并允许其他获得授权的网络功能访问或调用自身的服务。

在3GPP R16阶段，在SBA的基础上，3GPP提出了增强服务化架构（enhanced service-based architecture，eSBA），提高了服务间通信的灵活性与可靠性。R15版本的5G核心网全网所有网络功能之间直接互联通信，导致网络功能间的连接数目规模巨大，对网络功能的性能要求较高。R16版本的5G核心网在架构上引入服务通信代理（service communication proxy，SCP）功能，使每个网络功能可以通过SCP与其他网络功能进行间接通信。通过引入SCP进行信令集中路由和转发，5G核心网从网状结构简化成星形结构，进一步降低了组网难度。在R17阶段，SBA的安全机制得到了进一步完善，主要包括：增加跨运营商场景下的网络功能访问授权机制；增加服务访问令牌的确认和验证机制；补充SCP在不同部署场景下的证书配置流程等。

3.用户面下沉

5G核心网采用了控制面与用户面分离（control and user plane separation，CUPS）的网络架构。控制面集中部署在省级/区域级中心，用户面则可以灵活地下沉部署到区县、街道、工业园区等更接近用户的位置。

5G网络中引入了UPF模块，专门负责处理用户面数据。UPF可根据核心网指令将用户面数据进行分流，将部分业务在本地网络中终结。同时，MEC技术的逐渐成熟也为用户面下沉提供了技术支撑，MEC把算力附着在网络边缘，实现了业务的本地化。5G用户面下沉架构如图1-6所示。

核心网用户面的下沉，可有效缩短端到端的业务时延，提高网络数据处理效率，满足垂直行业对网络超低时延、超高带宽及安全等方面的诉求，为用户带来极致的业务体验；还可避免所有流量都迂回至中心网络，缓解核心网的数据传输压力，从而降低网络建设与运营成本。

4.能力开放

5G核心网引入了NEF模块，负责5G网络的能力和事件的开放，以及接收相关的外部信息。为了便于与外界交互，3GPP为NEF制定了统一的接口规范：一方面，NEF的北向接口使用统一的应用程序接口（application program interface，API）与各类应用功能（application function，AF）交互，并向AF提供网络能力开放业务；另一方面，NEF的南向接口通过服务化接口与5G网络内其他网络功能交互。5G网络开放接口架构如图1-7所示。

同时，5G网络中的边缘计算平台也向第三方应用开放网络能力，以提高精准信息及资源控制能力，提供高价值智能服务能力。5G边缘计算能力开放架构如图1-8所示 。

第三方可以通过能力开放架构配置5G网络策略，典型应用场景包括：一是业务配置策略，如计费策略、网速与流量控制、网络切片的生命周期管理等；二是安全配置策略，如接入认证、授权控制、网络防御等服务。

1.2.2　5G新技术

1.2.2.1 NFV/SDN技术

1.NFV技术

NFV技术在前面已有详述，此处不再赘述，下面主要介绍NFV架构。

ETSI定义了NFV实施标准的架构，如图1-9所示。从架构上看，NFV架构分为运营支撑层（operations support system and business support system，OSS/BSS）、虚拟化网络功能（virtualized network function，VNF）、NFV基础设施（NFV infrastructure，NFVI）和NFV管理编排（management and orchestration，MANO）。

每部分架构的具体功能如下。

（1）OSS/BSS：该层包含运营支撑的管理系统，负责对网络进行必要的调整和修改。通常来说，OSS/BSS由服务提供商负责，不属于NFV架构内的功能组件，NFV架构仅需要为其预留接口即可。

（2）VNF：VNF是指虚拟机及部署在虚拟机上的业务网元、网络功能软件等，EMS（network element management system，网元管理系统）对VNF的功能进行配置和管理。一般情况下，EMS和VNF是一一对应的，VNF是NFV架构中的虚拟网络功能单元。电信业务网络中现有物理网元进行功能虚拟化的过程，是将网络功能以软件模块形式部署在NFVI提供的虚拟资源上，从而实现网络功能的虚拟化。

（3）NFVI：NFVI包括NFV架构所需的硬件及软件（虚拟化），为VNF提供运行环境。可以将该层看成一个资源池，它负责底层网络的抽象和虚化，包含硬件及软件。对于硬件部分，虚拟化层将分散部署的物理资源通过高速链路串联起来，形成统一的网络资源池，包括提供计算、网络、存储资源能力的硬件设备，如COTS服务器、交换机、存储设备等；软件部分主要是指虚拟层中的管理程序（Hypervisor），其将底层物理资源映射为虚拟资源，并以虚拟机的形式提供给上层，如虚拟计算资源、虚拟存储资源、虚拟网络资源。NFVI是一种通用的虚拟化层，所有虚拟资源应该在一个统一共享的资源池中。因此，建立统一的资源池及资源池的合理分配是NFVI的重要功能。

（4）MANO：MANO负责对VNF与NFVI中的资源、模块进行编排和管理，是NFV系统实现自动化管理、智能运行、优化的关键部分。MANO一般包含三个组件，即网络功能虚拟化编排器（network functions virtualization orchestrator，NFVO）、虚拟网络功能管理器（virtualized network function manager，VNFM）及虚拟化基础设施管理器（virtualized infrastructure manager，VIM）。NFVO是NFV系统的编排器，负责网络服务的管理和NFV的全局资源管理，实现对整个NFV基础架构、软件资源、网络服务的编排和管理。VNFM包括传统的故障管理、配置管理、计费管理、性能管理和安全管理，聚焦将VNF在解耦的虚拟资源上安装、初始化、运行、扩缩容、升级、下线的端到端生命周期管理。VIM负责控制和管理NFVI所包含的计算、存储和网络资源，并提供给VNFM和NFVO调度使用。MANO可以通过自我诊断、在线预测、权限管理、优化资源分配等方式提高网络效率。

NFV技术将软件功能与硬件设备进行了解耦，带来了以下诸多优势。

（1）灵活的业务：在服务器上运行不同的VNF，当网络需求变更时，根据需求变更和移动VNF即可，加快了网络功能交付和应用的速度。在搭建新的网络功能时，无须建立专门的实验环境，只需请求新的虚拟机来处理该请求，当服务停用时释放该虚拟机即可，为网络功能测试提供了更便捷的方法。

（2）更低的成本：使用NFV后，网络通信实体将变为虚拟化的网络功能，这使单一硬件服务器上可以同时运行多种网络功能，从而减少了物理设备的数量，实现了资源整合，降低了物理空间、功耗等带来的成本。

（3）更高的资源利用率：当网络需求发生变化时，无须更换硬件设备，避免了复杂的物理变更，通过软件重组快速更新基础网络架构，避免了由业务变更带来的设备冗余和搬迁需求。

随着5G的到来，网络流量急速增长，网络急需变革，因为现有网络的灵活性应对不了将来整个产业的需求，虚拟化的进程也必将加速。采用NFV技术搭建5G网络，是针对5G网络软件与硬件严重耦合问题提出的解决方案，将通信设备网元云化，可以实现软件和硬件的彻底解耦。NFV技术主要应用于核心网和接入网，将网络功能从原来的专用设备转移到通用设备上，使得运营商可以在那些通用的服务器、交换机和存储设备上部署网络功能，从而极大地缩短了时间并降低了成本。

2.SDN技术

SDN技术是一种网络管理方法，它支持动态可编程的网络配置，提高了网络性能和管理效率，使网络服务能够像云计算一样提供灵活的定制能力。SDN将网络设备的转发面与控制面解耦，通过控制器负责网络设备的管理、网络业务的编排和业务流量的调度，具有成本低、集中管理、灵活调度等优点。

传统网络是一个分布式的网络，设备通过广播的方式传递设备间的可达信息，设备间通过标准路由协议传递拓扑信息。这些模式要求每台设备必须使用相同的网络协议，保证各厂商的设备可以实现相互通信。随着业务的飞速发展，用户对网络的需求越来越多，一旦原有的基础网络无法满足新需求，就需要上升到协议制定与修改的层面，这样就导致网络设备升级十分缓慢。同时，传统网络以单台设备为单位，以命令行的方式进行管理，在网络管理和业务调度时效率低下，运维成本高。

为了解决传统网络发展滞后、运维成本高的问题，服务提供商开始探索新的网络架构，希望能够将控制面（操作系统和各种软件）与硬件解耦，实现底层操作系统、基础软件协议及增值业务软件的开源自研，这就诞生了SDN技术。SDN的理念是将网络设备的控制和转发功能解耦，使网络设备的控制面可直接编程，将网络服务从底层硬件设备中抽象出来。SDN架构如图1-10所示。

SDN架构可分为基础设施层、控制层和应用层。

（1）基础设施层：主要为转发设备，实现转发功能，如数据中心交换机。

（2）控制层：由SDN控制软件组成，可通过标准化协议与转发设备进行通信，实现对基础设施层的控制。

（3）应用层：常见的有基于OpenStack架构的云平台，也可以基于OpenStack构建用户自己的云管理平台。

SDN架构将传统的控制平面与转发平面紧耦合的结构，改变为控制平面与转发平面解耦分离的结构，采用了集中式的控制平面和分布式的转发平面，使得两个平面相互分离。控制平面利用通信接口对转发平面上的网络设备进行集中式控制，从而实现网络功能的自定义。SDN架构使用北向API和南向API进行层与层之间的通信。北向API负责应用层和控制层之间的通信，南向API负责基础设施层和控制层之间的通信。

当前主流的SDN架构中保留了传统硬件设备上的操作系统和基础的协议功能，通过控制器收集整个网络中的设备信息，具有如下优点。

（1）降低成本：SDN架构保留了原有的网络设备，硬件设备仍然具备管理、控制、转发的全部功能，方便进行整网的改造，无须进行大规模的搬迁。控制器的引入将人工配置转变为机器配置，提高了运维效率，降低了运维成本。

（2）业务灵活调度：传统的硬件设备在网络中无法进行灵活的负载分担，最优路由上往往承担着最重的转发任务，即使QoS、流控等功能缓解了这一问题，但流量的调度仍然强依赖管理员对单台设备的配置，因此我们可以将传统的硬件设备看作一种孤岛式的、分布式的管理模式。SDN架构在没有改变硬件设备整体逻辑的基础上，通过增加开放的南/北向API，实现了从计算机语言到配置命令行的翻译，使界面式的管理、集中管理变成可能，解决了传统网络业务调度不灵活的问题。

（3）网络可编程：网络设备提供API，使得开发人员和管理人员能够通过编程语言向网络设备发送指令。网络工程师可以使用脚本自动化创建和分配任务，收集网络统计信息，打破了开发人员封装脚本编辑难的限制，提供了更丰富的功能，同时也使功能的部署更加灵活。

可编程性是SDN技术的核心，编程人员通过网络控制器写出控制各种网络设备（如路由器、交换机、网关、防火墙、服务器、无线基站）的程序，而无须知道各种网络设备配置命令的具体语法、语义。控制器负责将API程序转化成指令去控制各种网络设备。新的网络应用也可以方便地通过API程序添加到网络中，开放的SDN体系结构将网络变得通用、灵活、安全，并支持创新。

SDN技术是针对5G核心网中控制平面与用户平面耦合问题提出的解决方案，主要应用于承载网，采取了集中式的控制平面和分布式的转发平面。两个平面相互分离，控制平面利用控制—转发通信接口对转发平面上的网络设备进行集中控制，并向上提供灵活的可编程能力。通过这种办法，SDN技术将5G核心网用户平面和控制平面解耦，使得部署用户平面功能变得更灵活，可以将用户平面功能部署在离用户无线接入网更近的地方，从而提高用户服务质量。

1.2.2.2 网络切片技术

1.网络切片架构

1）网络切片技术简介

5G网络需满足不同场景下的业务需求，且不同业务类型对网络带宽、时延、安全性等的要求也不同，按照传统的通信模式，使用单一网络同时为多种类型的业务提供服务，会使网络架构变得非常复杂，网络管理效率和网络资源利用率也会降低。因此，5G网络为支持不同场景的业务需求，引入了网络切片技术。

网络切片技术是指将一个物理网络划分为多个逻辑独立的虚拟网络的技术，每个逻辑虚拟网络（切片）都是一个隔离的端到端网络，都有自己独有的网络能力和网络特征。每个切片都具有自己独特的时延、吞吐量、安全性和带宽特性，可以灵活应对不同的需求和服务。

5G端到端网络切片可包括无线接入网络切片、移动核心网络切片和IP承载网络切片。按照使用对象的不同需求，5G网络可通过赋予切片特有的性能，实现差异化的网络服务能力。

2）网络切片架构简介

5G端到端网络切片架构如图1-11所示。

5G端到端网络切片架构包括网络切片管理域和网络切片业务域两部分。

（1）网络切片管理域包括通信服务管理功能（communication service management function，CSMF）、网络切片管理功能（network slice management function，NSMF）和网络切片子网管理功能（network slice subnet management function，NSSMF）。

CSMF支持面向客户侧的功能与服务及面向资源侧的功能与服务。面向客户侧的功能与服务具体为网络切片商品设计、网络切片商品目录、网络切片商品订购、网络切片能力开放；面向资源侧的功能与服务具体为网络切片商品资源勘查管理、网络切片服务生命周期管理、网络切片性能保障等。

NSMF主要负责网络切片的管理，如生命周期管理（网络切片创建、激活/去激活、更新、终止、查询）、性能管理、故障监控等，同时NSMF负责将从CSMF接收的切片订购需求分解为各子域的业务需求，管理端到端切片标识映射并下发给各子域。

NSSMF具有网络切片子网管理功能，包括生命周期管理、性能管理、故障监控等。

（2）网络切片业务域包括终端（UE）、无线接入网（RAN）、承载网（TN）、核心网（CN），在切片管理器（NSMF/NSSMF）的管控下，无线接入网/承载网/核心网完成本域内的切片资源配置及域间互通。

2.网络切片标识

1）单个网络切片选择辅助信息

对于5G通信网络来说，网络切片的功能主要包括接入控制、网络选择和资源分配。为了识别端到端的网络切片，每个网络切片由单个网络切片选择辅助信息（single network slice selection assistance information，S-NSSAI）进行唯一标识。

S-NSSAI的结构如图1-12所示。

S-NSSAI由切片服务类型（slice service type，SST）和切片区分符号（slice differentiator，SD）两部分组成。其中，SST用于标识切片的类型，体现切片特征及所期待的网络切片行为，是必选项；SD是对SST的补充，以区分相同SST的多个不同切片，是可选项。

SST字段具有标准化值和非标准化值之分，其中值0～127属于标准化SST范围，而值128～255属于特定运营商的范围，由运营商决定。已使用的标准化SST如表1-3所示。

2）网络切片选择辅助信息

网络切片选择辅助信息（network slice selection assistance information，NSSAI）是一个或多个S-NSSAI的集合。NSSAI的结构如图1-13所示。

3.网络切片管理

切片在使网络更加灵活的同时，也使网络管理变得更加复杂，因此需要一个智能化系统来实现网络切片的端到端编排管理。5G端到端的切片管理涉及无线接入网、承载网和核心网等多个网络设备的编排管理及运维保障。

1）切片管理系统与管理对象

切片管理系统与对应管理对象的关系如图1-14所示。

（1）CSMF的管理对象为通信服务，每个通信服务由一个或多个网络切片功能完成。

（2）NSMF的管理对象为网络切片实例，每个网络切片实例可以由一个或多个网络切片子网实例组成。

（3）NSSMF的管理对象为网络切片子网实例，每个网络切片子网实例可以是一个基础子切片，也可以是由多个基础子切片组成的子切片。每个子切片可以包含一个或者多个网络功能。

2）切片创建流程

端到端切片创建的基本流程如图1-15所示。

具体步骤如下。

（1）用户提出业务需求。

（2）CSMF进行业务需求分解，获取业务需求对应的切片需求，并将得到的切片需求下发给NSMF。

（3）NSMF根据CSMF分解得到的网络切片需求，进行网络切片实例的创建，分解各网络子切片的需求，并将网络子切片需求下发至各个子网的NSSMF。

（4）各子网的NSSMF将接收的网络子切片需求转换为对网络功能的需求，并调用MANO和EMS完成子切片的管理编排及参数配置。

（5）CSMF对部署的切片进行可用性验证，然后结束切片创建流程。

4.网络切片部署应用

网络切片可以分为独立切片和共享切片，独立切片是指拥有独立功能的切片，为特定用户群提供独立的端到端专网服务或部分特定功能服务；共享切片是指功能共享的切片，它提供的功能可供各种独立切片共同使用。

在网络中，切片技术有以下几种部署场景：横向分离、纵向分离与独立部署。

1）横向分离（共享切片与独立切片横向分离）

横向分离部署时，共享切片实现一部分非端到端功能，后接各种个性化的独立切片。网络切片横向分离部署场景如图1-16所示。

2）纵向分离（共享切片与独立切片纵向分离）

纵向分离部署时，端到端的控制面切片作为共享切片，用户面则形成不同的独立切片。控制面共享切片为所有用户服务，对不同的独立切片进行统一管理，包括鉴权、移动性管理、数据存储等。网络切片纵向分离部署场景如图1-17所示。

3）独立部署

独立部署时，每个独立切片包含完整的控制面和用户面功能，形成针对不同用户群的专有网络，如CIoT、eMBB、企业网等，网络切片独立部署场景如图1-18所示。

1.2.2.3 移动边缘计算技术

1.MEC架构

2014年，ETSI将边缘计算与移动通信网络融合，提出了移动边缘计算（MEC）的概念，其基本思想是将计算平台从移动核心网内部迁移至移动接入网边缘，通过部署具备计算、存储、通信等功能的边缘节点，使移动接入网具备业务本地化处理的能力。MEC技术可为终端用户提供更高带宽、更低时延的数据服务，大幅减轻移动核心网的网络负荷，同时降低数据业务对网络回传带宽的要求，因此，MEC可以应用于面向物联网、大流量业务等的场景。

ETSI提出的MEC架构如图1-19所示。

从图1-19可以看出，MEC分为系统层（system level）、主机层（host level）和网络层（networks）。这三层又由不同的实体组成，其中，系统层包括MEC系统层管理模块、设备和第三方；主机层包括MEC主机、MEC主机层管理器；网络层则包括3GPP移动网络、本地网络、外部网络等。

2.5G MEC融合架构

MEC技术将业务服务能力与计算存储能力向网络边缘迁移，从而提供本地化、近距离、分布式部署的应用、服务和内容，是应对5G URLLC、eMBB等业务需求的关键技术。此外，MEC对移动网络数据进行充分挖掘，进而分析移动网络上下文信息并开放给第三方业务应用，使移动网络的智能化水平得到了有效提升，促进了业务和网络的深度融合。

目前，3GPP通过支持灵活路由、用户面分布式下沉部署等方法来实现MEC服务，并将UPF作为边缘计算的数据锚点。5G MEC融合架构如图1-20所示。

5G MEC融合架构展示了5G网络下MEC与UPF的关系。UPF通过N6接口与MEC业务系统实现通信。UPF负责将边缘网络的业务数据流分发到MEC业务系统中；MEC业务系统也可以在一定的规则约束下将本地数据流的过滤规则直接下发至UPF，进行UPF数据流转发及数据流过滤规则配置。

除此之外，为了加强网络与业务的深度融合，MEC平台可以通过Mp1接口实现对运营商/第三方MEC应用的开放。MEC资源管理编排则主要由MEO、MEC平台管理及VIM来负责。

可以看出，上述5G MEC融合架构可以同时兼容ETSI MEC及3GPP 5G的网络架构。3GPP 5G网络能灵活地支持UPF的选择，这使MEC拥有数据流灵活路由的功能；MEC平台、MEC平台管理单元和MEC开放接口这几部分则使MEC拥有本地计算、存储能力，以及能对网络边缘信息进行感知和开放。

3.控制面交互方式

在5G网络与MEC的关系中，对于5G网络的UPF而言，MEC系统相当于一个数据网络（data network，DN）；对于5G网络的控制面而言，MEC系统相当于一个可信的应用功能（application function，AF）或第三方应用系统，应用可通过MEC获取或调用5G网络提供的能力。MEC作为AF与5GC（5G核心网）交互，实现如下功能。

（1）进行UPF选择，确定应用程序的路由策略。

（2）通过访问NEF，获取5G网络的开放能力。

（3）与策略框架交互，进行策略控制。

MEC控制面交互，除了与5GC的交互，还包括MEC系统内部的交互通信。MEC系统间通信应满足以下要求。

（1）一个MEC平台能够发现其他属于不同MEC系统的MEC平台。

（2）一个MEC平台能够以一种安全的方式与其他属于不同MEC系统的MEC平台交换信息。

（3）一个MEC应用程序能够以安全的方式与其他属于不同MEC系统的MEC应用程序交换信息。

4.用户面分流策略

UPF作为5G网络和多接入边缘计算之间的连接锚点，所有核心网数据必须经过UPF转发，才能流向外部网络。基于5GC的CUPS架构，控制面在中心数据中心集中部署，UPF下沉到网络边缘，这样可以减少传输时延，实现数据流量的本地分流，缓解核心网的数据传输压力，从而提高网络数据处理效率，满足垂直行业对网络低时延、高带宽及安全等方面的需求。UPF将用户面数据流分流至MEC平台，是实现网络与业务深度融合的第一步，也是实现5G边缘计算部署的关键步骤。

5G用户建立会话时优先选择中心UPF，当用户需要访问MEC应用时才选择边缘UPF，边缘资源被按需提供给用户，避免大量用户挤占造成性能瓶颈。5G网络需要配合MEC做好用户面数据的本地分流，主流的5GC边缘部署分流技术主要有三种：上行分类器（uplink classifier，ULCL）方案、IPv6多归属（multi-homing）方案、本地数据网络（local area data network，LADN）方案。上行分类器和IPv6多归属方案属于单PDU会话的本地分流，用户面数据分流在网络侧进行；本地数据网络方案属于多PDU会话的本地分流，用户面数据分流从终端开始。

1）上行分类器方案

上行分类器方案基于目的IP地址进行分流，SMF在PDU连接建立时，在PDU会话的数据路径上插入一个支持上行分类的UPF，根据边缘计算业务需求，当用户端（UE）移动到某个位置时，SMF插入本地的UPF进行分流，UPF根据SMF下发的分流规则过滤上行数据包的IP地址，将符合规则的数据包分流到本地数据网络。在上行分类器机制下，UE只有一个IP地址，不感知数据分流，对UE没有特别要求。上行分类器方案架构如图1-21所示。

2）IPv6多归属方案

IPv6多归属方案与上行分类器方案架构相同。IPv6多归属方案基于IPv6前缀进行分流。一个PDU会话可能关联多个IPv6前缀，这就是多归属PDU会话。多归属PDU会话通过多个PDU会话锚点来访问数据网络。各个PDU会话锚点对应的数据通道最后汇聚于一个公共的UPF，在这个公共UPF形成分支，这个公共UPF被称为支持分支点功能的UPF。分支点UPF转发上行流量到不同的PDU会话锚点，并聚合发送到UE的下行流量，即聚合从不同PDU会话锚点发送到UE的数据流。在PDU会话建立过程中或者建立后，SMF决定在PDU会话的数据路径上插入或删除一个UPF，以支持分支点功能。分支点UPF根据SMF下发的过滤规则，通过检查数据包源IP地址进行分流，向上转发上行业务包到不同的PDU锚点，向下将各个锚点的数据合并。

3）本地数据网络方案

本地数据网络方案架构如图1-22所示。

本地数据网络方案基于特定的区域服务（应用）进行本地分流。其与前面两种方案不同，其需要UE建立新的PDU会话来接入本地数据网络，以用于边缘计算业务。当用户使用该应用时，一定是通过本地数据网络进行访问的，当用户的位置不在本地数据网络的服务区时，不能接入本地数据网络。通过本地数据网络的PDU会话接入数据网络只在特定的本地数据网络服务区有效。

5.MEC业务连续性

边缘移动性作为MEC的一个重要特性，为边缘高速移动业务的连续性提供支持。当应用在网络中的移动超出当前MEC服务的覆盖范围时，涉及跨MEC之间的切换，此时IP地址变化会影响终端业务的QoE，对于要求超低时延和高可靠性的应用是不可接受的。因此，为了支持低时延应用的移动连续性，MEC移动性需要解决以下难题，从而将切换引起的时延降到最低，甚至达到无缝水平。

网络侧：保证网络连接的高可靠性和IP会话的连续性、应用的移动性感知、实时和超精准的重定位，并能将网络状态信息开放出去。

应用侧：上层应用平台在能够接受的中断时间内完成应用层的业务迁移（如XR业务通常需要应用平台切换时间在20ms以内），采用无状态设计，做到应用和数据分离，数据独立迁移，保证源服务器和目标服务器的CPU一致。

应用和网络协同：网络感知到应用的位置变化时要通知应用平台，通过应用平台和网络协同，快速在目标MEC节点上分配新的应用实例，实现新UPF锚点和目标应用的位置一致。

3GPP从网络侧出发，定义了以下三种SSC模式（session and service continuity mode）会话和服务连续模式。

SSC模式1：始终保持PDU会话建立时的锚点UPF不变。

SSC模式2：网络释放PDU会话和UPF锚点，选择新UPF建立到同一DN的PDU会话连接，如图1-23所示。

SSC模式3：网络保持用户原有PDU会话，建立新的PDU会话（新的PDU会话锚点接入同一DN），新PDU会话完成之后再释放先前的PDU会话。SSC模式3示意如图1-24所示。

模式1采用固定移动锚点，终端IP地址不变化，在移动过程中，流量存在迂回，传输时延大，满足不了低时延业务需求。模式2/3采用变化移动锚点，终端IP随锚点变化，业务链接存在拆链和重建的过程，业务连续性、可靠性难以保证。因此，通常Voice/HTTPS加密类业务采用模式1，需要保证移动性和低时延的业务则需要上层应用结合模式2/3来解决移动业务连续性的问题。

除此之外，3GPP R16 URLLC场景支持双连接来构建高可靠、低时延网络，冗余用户面路径机制，实现PSA（PDU session anchor，PDU会话锚点）重定位、上行分类器重定位等移动性流程中的用户会话连续性增强。通过端到端用户面冗余方案，在应用层进行数据的复制和消除重复数据，相同的数据在两个PDU会话间进行传输，基站利用双连接或CU/DU技术，将两个PDU会话通过两个不同基站实现冗余数据传递，满足数据通信的高可靠性要求。基于双PDU会话的MEC业务连续性优化方案如图1-25所示。

基于双PDU会话的MEC业务连续性优化方案，通过网络侧与应用侧之间的协同机制来加快和优化应用跨MEC的切换处理，以满足低时延、空间无限移动的业务场景需求。上层应用侧结合网络侧模式2/3的能力来解决移动性和低时延业务的连续性问题，并采用URLLC双连接特性保障高可靠性。当高速、低时延的业务需要跨MEC切换时，网络侧实时感知并上报终端的位置、状态等信息，应用平台通过网络侧的信息提前在目标MEC服务器上创建新的应用实例，并同步应用上下文信息来完成到目标MEC新的应用实例的切换。

1.2.3　5G新终端

自5G商用以来，各种新终端设备让越来越多的人感受到5G网络给生活带来的种种便利。作为连接现实世界与数字世界的桥梁，5G终端设备让看不见摸不着的5G网络在现实生活中实实在在地发挥作用，成为5G技术应用和业务落地的载体。5G终端设备作为数字网络的入口、应用实现的载体，是数字经济发展的重要组成部分，正面临新的发展机遇。

按照终端类型，5G终端可以分为：消费类终端、公共服务类终端及生产类终端。消费类终端以消费者自身体验为主导，以消费者个人或家庭所使用的终端为主；公共服务类终端是以服务智慧城市为主导，基于智能传感器及网络全面实现城市连接与城市感知的5G终端；生产类终端主要面向供给侧的生产性物联网，以服务工业、农业、能源等传统行业为主导，现已成为传统行业转型升级所需的关键基础设施和关键要素。

结合不同的应用场景，终端也呈现不同的特点。

eMBB场景：eMBB在现有移动宽带业务的基础上，进一步提升了用户数据体验速率，支持eMBB场景的5G终端具备较高的处理性能及较好的渲染能力。例如，高性能智能移动终端、AR/VR设备、直播设备等电子消费类终端，满足消费者听、看、用、玩等多个领域的高体验要求；用于大流量视频采集、数据传输的工业设备，满足工业场景下大流量数据的传输需求。

URLLC场景：URLLC具有高可靠性、低延迟和高可用性的特点。由于URLLC场景主要用于车联网、智慧工厂、智慧医疗等场景中的控制部分，因此，支持URLLC场景的5G终端或模块在业务处理方面的精细化程度更高，时延敏感性及处理性能更强。例如，智能汽车自动驾驶模块需要实时接收指令并对车辆进行实时控制；智慧工厂中的机器人依据远程指令开展装配或产品制造；智慧医疗场景中，智能手术器械在远程医务人员的指挥下开展手术或治疗工作。

mMTC场景：为实现mMTC场景下广覆盖的要求，支持mMTC场景的终端以轻量化、低成本的物联网终端及传感器设备为主。例如，工业物联网场景下安装在生产设备附近，用来采集信号和数据的位移传感器、GPS（位置传感器）、震动传感器、液位传感器、压力传感器、温度传感器等；智慧城市场景下用于安防控制、单车统计、照明、停车计费的各类传感器。上述终端通过广泛采集数据，为数据分析和后台决策提供重要依据，也成为行业转型升级所需的关键基础设施和关键要素。

目前，5G终端通信能力也在上述基础上，向更全面、更丰富的方向进一步发展。随着更多创新终端设备的出现和普及，我们的生活方式和生产方式也会更加便捷、高效。

1.2.4　5G新应用

1.2.4.1 5G新通话

1.新通话的概念

随着移动互联网和物联网的迅速发展，以及人工智能、元宇宙等前沿技术的逐步成熟，人们对实时通信的“刚性需求”已不再满足于传统的音视频沟通，新场景、新需求不断涌现，多媒体实时通信与交互数据应用的深度融合已经成为新的演进趋势。为了更好地满足用户通信场景多样化的需求，基于多媒体、智能和交互增强能力的5G新通话应运而生。

5G新通话是在5G VoNR通信的基础上搭载新的数据传输通道，为用户提供高清音视频通话与数据应用融合的全新实时通信服务。3GPP将数据通道（data channel）的概念引入IMS（IP多媒体系统），并对IMS数据通道架构、接口和流程及基于IMS数据通道的AR通信业务架构、接口和流程进行标准化，为IMS网络在已有的音频和视频通道之外增加新的数据通道，通信双方可以基于数据通道在通话的各个阶段（通话前/通话中/通话后）传递文本、图片、视频等各种多媒体信息，从而实现交互式、沉浸式的通话体验。

2.新通话的网络架构

5G新通话的网络架构，基于现有IMS网络架构进行增强，并面向未来演进，为IMS网元引入了SBI，使得它既能在现阶段支持交互式通信和AR通信创新业务，又具备可扩展性，能够支撑未来因更多新媒体技术引入而带来的更多创新业务。图1-26为支持新通话的网络架构。

此架构引入了数据通道信令功能（data channel signaling function，DCSF）和数据通道媒体功能（data channel media function，DCMF）等新网元功能，并通过SBI对外提供服务。

3.新通话的典型场景

当前运营商发展的新通话业务主要包括智能翻译、趣味通话、数字人、智能客服、屏幕共享、内容分享、远程协助等。

1）智能翻译

智能翻译包括语音转写和实时翻译。语音转写是指在通话过程中，支持将开通用户接收的话音转写成文字，并以字幕形式实时叠加到其接收的视频上，呈现给开通用户。实时翻译是指在通话过程中，支持对开通用户接收的话音内容进行翻译，将翻译后的文字以字幕形式实时叠加到其接收的视频上，呈现给开通用户。字幕仅呈现给开通智能翻译业务的用户。

2）趣味通话

趣味通话基于VoLTE/VoNR视频通话能力，结合音视频识别与合成技术，在通话过程中提供背景替换、虚拟头像替换、语音表情雨和手势动效等功能，可在亲情通话、娱乐沟通场景为用户提供互动的视频通话新体验。

3）数字人

在数字人业务中，用户在通话前预设视频通话要替换的虚拟头像，在视频通话中，对端用户看到的是用户替换后的虚拟头像。

1.2.4.2 5G消息

5G消息是基于GSMA RCS技术标准构建的5G时代的基础通信业务，是传统短信、彩信业务的全新升级，提升了消息的媒体服务能力和交互服务能力。5G消息系统包括5G消息中心（5GMC）和MaaP平台，并与用户鉴权数据（HSS/UDM）、短信中心（SMSC）、5G消息互通网关、ENUM/DNS、安全管控系统、计费支撑系统、BSF等对接。5G消息系统架构如图1-27所示 。

5G消息支持终端直接通过互联网访问5G消息系统，包括通过2G/3G/4G/5G移动网络的PS域接入和WLAN等方式接入互联网并使用。5G消息的收发流程如图1-28所示。

消息发送时，支持5G消息的用户作为主叫用户发送消息时，消息直接通过消息处理模块完成发送流程。当主叫用户发送短信时，短信发往短信处理模块，通过消息转换，短信转为消息，到消息处理模块完成发送流程。

消息接收时，消息从主叫5G消息中心路由到被叫5G消息中心，被叫5G消息中心根据被叫终端能力和状态进行下发。若被叫终端支持接收消息，则直接通过消息下发；若被叫终端不支持接收消息，则通过消息转换将消息转为短信发往短信处理模块，通过短信下发，完成消息接收流程。

1.2.4.3 垂直行业应用

自5G正式商用以来，5G网络以其高带宽、低时延、广域覆盖、移动性、成本经济等特点，与传统行业加速融合，新产品、新业态不断涌现，5G应用的广度和创新性持续提升。工业互联网、智慧矿山、智慧医疗、智慧港口等行业应用已进入快速发展阶段；文旅、物流、教育等行业正在探寻行业用户需求，明确应用场景，开发产品并形成解决方案；智慧城市和融合媒体等行业需求正在逐步清晰；金融、水利等行业正在积极进行技术验证。

下面以智能电网、智慧工厂、AR/VR、车联网为例，说明5G+垂直行业的应用场景。

1.智能电网

5G在电力领域有着广阔的应用和发展前景，可打通发电业务、输电业务、变电业务、配电业务及用电业务等业务场景，在实现现有配网自动化、精准负荷控制、电动汽车充电、用电信息采集等基础业务的基础上，逐渐向差动保护、智能巡检、实物ID等新型业务延伸。5G网络应用在智能电网过程中，通过分析电力业务在带宽、时延、安全可靠性及接口等维度的通信需求，有效实现各类终端设备的泛在接入和智能化应用 。

5G通信的特点与电力系统的要求是相辅相成的。对于智能电网来说，5G在海量连接、精密控制、宽带通信等方面有着广泛的应用 ，如图1-29所示。

5G三大应用场景在电网中有不同的应用，其中：URLLC可以对电网中的生产控制业务单独部署，主要应用于差动保护、配网自动化及精准负荷控制等场景；mMTC适用于用电信息采集、设备资产管理等对带宽和时延要求低、连接数量大的应用场景；eMBB可用于智能巡检、视频监控等场景。

2.智慧工厂

智慧工厂应用场景主要包括：数据全采集传输、无人驾驶天车、AR设备快速视觉点检、厂区智慧安防。

（1）数据全采集传输。基于5G CPE技术，让工作区域覆盖上5G网络，方便对数据进行采集、传输，满足工业应用场景下高质量的全要素数据及位置跟踪的网络需求。

（2）无人驾驶天车。基于稳定高带宽的5G网络，构建天车自动驾驶系统，通过5G网络将天车控制命令下发到天车，实现天车无人驾驶，可节约厂区内物料运输过程中带来的能耗。

（3）AR设备快速视觉点检。基于AR可视化的场景点检模式，由AR眼镜捕获画面，然后通过5G网络传输给云端远程专家进行协同点检。这样可以提高装配效率，降低出错率，并通过提供检修可视化指导来降低错误率，从而提高企业效益。

（4）厂区智慧安防。新建无人机、云广播、安消一体化、人脸识别、停车场管理等系统模块，实现人员、设备、环境、质量、安全等的全方位实时监控，从而实现安全可视化。

3.AR/VR

VR是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。AR是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术。

随着5G网络的大规模部署，AR/VR产品在数据传输方面的应用难题得到了有效解决。5G带来的超宽带高速传输能力和低时延，可以解决VR/AR渲染能力不足、互动体验不强、终端移动性差和眩晕等痛点问题。

在普及AR的过程中，5G的优势主要体现在三个方面：更高的容量、更低的时延和更好的网络均匀性。

当网络时延降低至毫秒级时，运动状态与视觉系统不一致造成的不适感将不复存在，因此5G网络的商用将打破AR在传输方面的屏障，困扰AR技术在移动端应用的问题将迎刃而解。AR/VR生态圈日趋成熟，将伴随5G技术迎来新的发展机会，5G技术也推动AR/VR市场不断成熟和发展。

4.车联网

车联网产业是汽车、电子、信息通信、道路交通运输等行业深度融合的新型产业形态，是运用大数据、云计算等信息通信技术通过车内网、车际网和车载移动互联网进行车与车、行人、平台等的全方位连接和数据交互，实现动态信息服务、车辆智能化控制和智能交通管理的一体化网络。智能网联汽车从单车智能化逐步向智能化与网联化相融合的方向发展。5G具有的高可靠、低时延、高带宽等特性，能实现车与车、车与路、车与人之间的实时通信，是车联网的重要通信网络，推动智能网联化，丰富更多车联网应用场景，也将进一步促进车联网商业化规模爆发，可广泛应用于城市道路、高速公路、园区、景区、停车场等封闭、半封闭、公开道路的各种场景。目前，车联网已成为5G下游产值最高、确定性最强的应用场景之一。

车联网基于5G网络可开展以下应用。

（1）智慧高速。针对视频监控碎片化、车与路协同缺失、智能养护手段缺乏等问题，构建要素全量感知、业务高度协作、车路深度协同、分析科学高效、安全主动防控、路网高效营运、公众精准服务的智慧高速体系，支撑收费、监控、养护、安全、效率等业务。

（2）智慧公交。以智能网联公交为载体，建设基于5G、北斗高精度定位、边缘计算等技术的车路协同系统，依托智慧交通平台，构建“车—路—云”全面协同的新一代智能网联交通系统，实现自动驾驶公交安全行驶及常态化载客运营。

（3）网联无人车。网联无人车主要分为载客（观光、接驳）、载物（物流配送）和作业（清扫、零售等）三种类型，面向封闭或半封闭园区等限定场景提供智能调度管理、AI智能作业分析监控、5G远程驾驶等多种服务。

（4）物流车。基于5G特点，利用室内外高精度定位优势，结合音视频AI处理、位置里程补偿、多数据融合感知和多策略智能调度等自有能力，实现人—车—路、人—机—料、点—线—场的数字化、智能化、无线化改造，提高综合客运物流系统的决策和执行效率，提升协同运营和调度能力。 RfHd5rnOPC0MnzSnNR3FBI1sPzKbl0YEdiNJkrdzMu8xyzd9x9jAXVSoDoIXTLmC