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为支撑垂直行业三大典型应用场景，相比于4G网络架构，5G系统的核心网和接入网均进行了相应的演进升级。其中，核心网趋于IP化，以支撑通信技术、信息技术和大数据技术的深度融合；接入网融合多类组网与接入传输技术，并引入多种新型架构，以提供超高速率和超低时延的用户体验和多场景的一致无缝服务。
5G网络架构 [1] 如图2-3所示。在4G数据网络EPC时代，核心网架构是具有层级的拓扑网络结构，控制面与用户面没有实现完全分离，带来扩展性困难和升级困难等问题。5G核心网的控制面与用户面完全分离，将原有的4G核心网功能分为5G核心网（5G Core，5GC）和移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）两部分。5G核心网借鉴了IT系统中服务化架构，将原来具有多个功能的整体拆分为多个实现对应服务的个体 [1] 。MEC采用“下沉”策略，使部分网元离基站更近，能够在无线侧提供用户所需的服务和云端计算功能，让用户享有不间断的高质量网络体验，具备超低时延、超高宽带、超强实时性等特性。
图2-3 5G网络架构
在原有的4G网络中，室内基带处理单元（Building Baseband Unit，BBU）和射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU）共同构成4G无线接入网的两级结构。为满足5G网络的诸多要求，5G接入网采用了CU-DU-AAU架构，BBU部分被分离并重新定义为集中单元（Centralized Unit，CU）和分布单元（Distribute Unit，DU）两部分，BBU的部分物理层处理功能与原RRU及无源天线合并为有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）。CU主要负责5G网络中非实时协议和服务的处理工作，其主要由分组数据汇聚协议（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）和无线电资源控制（Radio Resource Control，RRC）两部分组成；DU则是由原BBU分离CU功能后剩余的无线链路控制（Radio Link Control，RLC）、介质访问控制（Medium Access Control，MAC）以及高层物理层等功能组成，主要负责5G网络的物理层协议和实时服务的处理。在CU/DU分离结构下，CU集中部署并可以与多个DU相连，能够有效改善5G网络在eMBB场景下的性能，具有移动性优化、小区协作、素质分流锚点、池化增益效果、自动弹性收缩等特点 [2] 。
下面，将侧重在接入网层面从非独立组网（Non-Stand Alone，NSA）和独立组网（Stand Alone，SA）架构、云无线接入网架构、开放式无线接入网架构、高低频组网等方面介绍5G系统组网架构。
就4G向5G组网架构的演进模式而言，NSA和SA是移动通信网络演进的两种模式，其中，NSA利用4G网元进行功能演进革新以支撑5G业务，而SA采用全新定义的网元进行5G的独立组网。两者技术层面的主要区别在于NSA主要根据终端收到的4G或5G网络广播消息来发起随机接入工作，当5G系统取得资源准入时，利用X2接口进行网络连接和信息交互。而SA则在终端受到5G网络系统的广播信息后进行随机接入。SA 模式下不同制式的终端会因为收到的系统广播消息的不同而接入不同的服务小区。因此，NSA和SA工作模式的不同是实现NSA和SA混合组网技术的关键所在 [3] 。
3GPP中指定了不同组网方式所发送的广播信息。当进行NSA时，5G系统只发送主系统信息块（Master Information Block，MIB），终端在4G网络MIB和系统信息块（System Information Block，SIB）的辅助下解析出所接入信道的参数，从而实现5G网络的接入。当进行SA时，5G系统会同时发送MIB和SIB，直接为终端提供所接入信道的参数。因此，从组网方式分析，SA与传统的单网络组网类似，MIB和SIB中携带了具体接入信息。当部署NSA和SA混合的小区时，需要对系统广播信息及接入配置等参数进行特殊处理，实现同时支持NSA和SA的终端接入网络。
NSA的优势主要有在部署5G网络覆盖时可有效利用已有的4G通信系统，且当上行手机发射功率受限时NSA的优势更为明显；同时，NSA支持流量分流，能显著降低运营商的建设成本。SA的优势主要有：首先，SA可以提供完善和灵活的多样化业务，例如可以满足对时延和可靠性有要求的高标准业务，使5G网络在超大带宽的基础下提供更多服务；其次，SA可以实现网络切片的灵活分配等服务。然而，NSA和SA也有着各自的不足。例如NSA受限于4G系统的核心网架构，无法为5G网络提供更高标准的传输时延和可靠性。而SA对5G系统的部署则需要大量资金投入，对4G用户的兼容性也需要特殊配置。因此在实际部署时，需要根据不同小区的需求来弹性配置NSA或SA架构，结合两种工作方式的优势并尽量避免各自的缺陷，使NSA和SA能在5G通信系统中有效结合。例如5G网络边缘的小区可以配置NSA，某个切片场景下使用混合组网或SA。
NSA需要以4G网络为基础，由于4G和5G的网络部署有很大不同，因此NSA和SA的混合应用需要根据两者的共同点和差异进行配置。例如在随机接入的配置中，4G网络发送全频段的随机接入配置，因此 NSA 终端只需要设置 RRC 参数msg1-FrequencyStart为物理资源块（Physical Resource Block，PRB）的起始位置 [4] 。但这样的配置方式无法实现5G终端的全带宽消息检测的功能，既无法达到5G的性能要求，也无法满足功耗和成本等方面的需求。因此5G 系统引入了带宽部分（Bandwidth Part，BWP）技术。在SA中配置接入参数时，不仅要考虑PRB的起始位置，也要设置BWP的起始位置，因此RRC参数msg1-FrequencyStart需要设置为两者之和。
单小区进行混合组网时，物理层只发送一种接入配置，因此SA终端的PRB起始接入点将为PRB起始位置和BWP起始位置的相加结果。但是若NSA终端只读取 PRB 起始位置则不能接入混合组网的单小区。因此需要通过设置 NSA 终端的RRC Reconfiguration来修改终端的起始接入点位置，使NSA终端也能在PRB起始位置和 BWP 起始位置相加后再接入5G 网络，以此来实现单小区的混合组网，使4G可以平滑过渡到5G，也能实现流量配置的优化。
4G中采用的网络架构为传统的蜂窝无线接入网，虽然有许多先进技术的引入，但随着对数据传输速率和用户接入量的要求更高，其无法提供优质的用户体验，接入网的弊端逐渐被放大。因此，在接入网的网元结构关系层面，5G移动通信网络延续采用基于新型无线接入网架构C-RAN（Centralized RAN）为主要架构，其结合了集中化处理、协作无线电和云计算架构等新型技术，能够大幅增加系统容量、加速网络传输、增加用户接入量并减少网络堵塞，有效提高业务质量。
C-RAN架构如图2-4所示，主要有3个基础组成部分：分布式无线网络，用来为终端无线射频单元提供系统容量大、覆盖范围广的通信网络，由射频拉远头（Remote Radio Head，RRH）和天线组成；光传输网络，用来提供远端射频单元与基带处理单元之前的连接，具有高带宽和低时延的优势；基带处理池（BBU 池），用来满足虚拟基站对处理性能的要求，通过高性能处理器和实时虚拟技术的融合，为网络架构提供高性能的处理器。
图2-4 C-RAN架构
集中化的 BBU 池可以使 BBU 被高效地利用，从而减少调度与运行的消耗。C-RAN 的主要优点如下。① 适应非均匀流量。通常一天中业务量峰值负荷是非峰值时段的10倍多。由于C-RAN架构下多个基站的基带处理是在集中BBU池进行的，因此总体利用率可提高。作为基站的布局功能，分析表明，相比传统的RAN架构，C-RAN架构下BBU的数量可以减少很多。② 节约能量和成本。采用C-RAN可使电力成本减少，在低流量期间（夜间），池中的一些BBU可以关掉而不影响整体的网络覆盖。此外，RRH悬挂在桅杆上或楼宇的墙壁上，能够自然冷却，从而减少电量消耗。③ 增加吞吐量，减少时延。BBU池的设计使基带资源集中化，网络可以自适应地均衡处理，同时可以对大片区域内的无线资源进行联合调度和干扰协调，从而提高频谱利用率和网络容量。时延方面，由于切换是在BBU池中而不是在基站之间进行的，这样可以减少切换时间。④ 缓解网络升级和维护。C-RAN产生失败的可能原因是BBU池自动吸收重组，因此减少了对人为干预的需要，而且每当有硬件故障和升级需要时，人为干预也只需要在少数的几个BBU池进行。由于硬件通常需要放在几个集中的地点，因此提出C-RAN与虚拟BBU池能够使新的标准方式平稳引入。
C-RAN网络架构“颠覆性”地改变了移动通信系统的建设和运营，从网络架构的创新入手，有效解决了原有模式运维成本高、统一运营标准缺乏以及移动互联网引起的网络负荷冲击大等实际问题，使5G 在多个领域得到广泛应用，为移动通信系统的发展开辟了新方向。此外，万物互联的概念也得到了技术支持。
业界比较统一的C-RAN主要特征如下。
（1）基带处理和射频单元分离
① 基站的射频和天线模块在地理位置上呈现分布式部署。
② 分布式RRU轻巧，不需要机房设备，便于安装，可以大范围部署。
③ RRU 支持多频段、多通信标准，共平台支持软件配置，甚至通过开关实现功能转换。
（2）集中、大容量、负荷分担、虚拟化的基带处理池
① 高度集中、大规模基带处理器。基带集中处理的RAN架构可以减少机房数量，不仅可以节省网络建设阶段的机房建设费用，还可以降低网络运维成本。
② 实时虚拟技术。大量的基带资源虚拟化构成基带池，基带池中的基带资源可以在不同的小区间动态分配，根据每个小区的实际负荷大小通过灵活的资源组合构造一个虚拟基站实体来完成基带的处理，提高基带资源的利用率。基带池内能够实现负荷均衡和相互备份，多个云架构基带池之间可以通过高速传输网络相连，实现容灾备份。
（3）动态无线资源分配和协作式无线处理
① 多小区协作式无线资源管理。通过多小区联合无线资源调度和功率控制等方法最大化系统内多个小区的总吞吐量，而不是单独考虑某一个小区的吞吐量。
② 协作式无线信号处理可以有效抑制蜂窝系统的小区间干扰，提高系统的频谱效率。
（4）开放的软件平台，支持多种标准
① 开放平台，具有标准数据接口、通用的软件开发环境。
② 支持多种通信技术标准以及核心网的功能和应用服务。
③ 支持软件平滑升级。
（5）模块化的硬件单元
① 具有标准的接口和模块化的硬件单元。
② 便于扩展硬件配置和迁移硬件能力。
下一代移动网络（Next Generation Mobile Networks，NGMN）联盟定义的C-RAN系统的功能架构如图2-5所示，包含3个部分：无线单元（Radio Unit，RU）、传输网络、DU云。DU云是由许多集中在一起的DU组成的，作为实现各种无线接入技术的资源池。
图2-5 NGMN联盟定义的C-RAN系统的功能架构
RU负责无线射频收发和传输网络的接口适配，包括RF放大器、上下变频、滤波、A/D和D/A变换、接口适配，一般通过光纤传输网络连接到一个或者多个DU云，或者连接其他的RU。为了减少传输网络的负荷，RU也有可能包含一些预处理功能，如接口汇聚和分发功能、数据压缩/解压功能、一些被认为是物理层功能的小区级的信号处理功能，包括信道滤波、快速傅里叶变换或反变换、提取有用数据/插入有用数据、物理随机接入信道（Physical Random Access Channel，PRACH）处理，甚至整个物理层功能都在RU中实现。
传输网络一般由光纤传输线和交换互联设备组成，在传输业务量较小的情况下，也可以采用微波或者电缆传输。
DU 由可编程的高性能处理器组成，而 DU 云则是由许多互联在一起的功能相同的DU组成的，是一个汇聚了所有DU信号处理能力的基带池。基带池根据基站中每个实时任务的网络负载，通过实时虚拟化技术为其分配相应的信号处理能力。
DU 云包含光纤网络接口、预处理、原始数据交换网络、控制与管理单元、处理单元、核心网接口、其他DU云的接口。
光纤网络接口负责 DU 云和光纤网络之间的数据 I/O，可能包含的功能有复用和解复用、光纤网络数据压缩和解压缩、光纤故障恢复、光纤网络和多个云系统之间的数据交换功能。
预处理单元负责小区级/扇区级的一些固定的处理功能，或者整个物理层（L1）的功能，取决于设备实现，可能包含的功能有信道滤波、快速傅里叶变换或反变换、提取有用数据/插入有用数据、PRACH 处理。从设备实现上看，预处理功能可以和光纤网络接口合并成一个模块。预处理功能也可以直接在DU中处理。但是预处理放在DU中实现会导致大量的光纤接口数据直接和DU设备进行交互，那么DU的接口将是一个性能的瓶颈。
原始数据交换网络负责 DU 的输入和输出数据的交换。交换网络能够实现 RU和DU之间灵活的连接，同时，也能使云系统内的各个DU和相邻DU云之间互联，以支持多基站之间的协作。
控制与管理单元是整个C-RAN系统的大脑，在设备实现中，该模块在某一个DU上运行，主要包含无线性能操作维护、设备操作维护、资源和迁移控制3个基本模块。
处理单元（Processing Unit，PU）是C-RAN系统的处理引擎，功能包括信号处理、分组数据处理、应用业务处理等。一个处理单元负责某一个任务或者某一类计算负荷，可以是某个扇区的L1、L2、L3，也可以是多个扇区的L2、L3控制面的处理，还可以是某些相关基站的协作多点（Coordinated Multi-Point，CoMP）处理等。处理单元的定义是一个与设备实现相关的概念，依赖于划分的颗粒度。
在提升5G 网络开放性及智能性能力层面，无线接入网通过接口开放实现“Open”的理念，并通过在网络管理和无线资源管理（Radio Resource Management，RRM）引入AI能力，实现“Smart”的理念。为促进无线接入网的开放化和智能化并逐步向开放式无线接入网（Open RAN，O-RAN）技术过渡，2018年2月，中国移动、AT&T、德国电信、NTT DOCOMO和Orange五家运营商发起成立O-RAN联盟，致力于建立开放、智能、虚拟化和完全可互操作的RAN，使移动通信网络软件化、虚拟化、灵活化、智能化和更节能。O-RAN 联盟给出了O-RAN的总体架构，如图2-6所示。
图2-6 O-RAN的总体架构
如图2-6所示，O-RAN 主要由非实时无线智能控制器（non-Real Time RAN Intelligent Controller，non-RT RIC）、近实时无线智能控制器（near-RT RIC）、无线协议栈、云化平台和白盒化的RRU组成 [5] 。其中，non-RT RIC通常位于网络管理平台侧，用于执行策略管理和分析等操作，并通过开放和标准化的 A1接口连接near-RT RIC；near-RT RIC通常位于基站侧，用于执行负载平衡、切换和干扰检测等时间敏感功能，负责基于AI的无线资源管理，提供QoS管理和无缝切换控制。通过架构整体的多层集成，使near-RT RIC能够使用non-RT RIC的智能训练模型和实时控制等功能。部署在虚拟化平台上的多RAT CU协议栈支持4G或5G协议，具备安全隔离和虚拟资源分配等功能。经过定义明确的更底层拆分，开放式无线电单元（O-RU）和开放式分布式单元（O-DU）元件通过一个支持增强通用公共无线电接口（enhanced Common Public Radio Interface，eCPRI）和无线电以太网（Radio over Ethernet，RoE）的O-RAN前传接口集成在一起。这些接口的进一步定义和标准化将推动O-RAN供应链的互操作性、竞争和创新。
在接口开放方面，O-RAN聚焦于F1接口、NGFI-I接口和W1接口的开放讨论。在开源方面，O-RAN聚焦于non-RT RIC、near-RT RIC、CU协议栈、DU协议栈的开源。在架构设计方面，O-RAN聚焦于CU协议栈架构、DU协议栈架构、M-Plane、non-RT RIC和near-RT RIC的设计。同时，O-RAN也对A1接口和E2接口进行对应的设计。
O-RAN模型架构符合5G应用场景中的多样性需求，运营商能够根据自身的网络配置使用最佳的网络组件，可有效缩短5G应用开发周期。
与4G相比，5G通信系统除了基本架构的更新和基站的部署外，基站与核心网间的接口技术也发生了很大改变。5G基站首先通过Xn接口与4G基站实现交互连接，然后直接利用新型用户平面接口连接到5G 核心网，提供信号的基础覆盖和通信需求 [6] 。该接口与4G系统中的接口有很大差别，4G基站先利用用户控制接口连接到核心网移动管理，再利用用户平面接口连接到用户平面。
与前几代通信系统相比，5G通信系统主要存在以下技术难题。首先，5G通信系统中通常会有多个频率共存，主要包括高低频和非授权频段，且这些频段多层重叠构成了极为复杂的网络环境，难以实现高标准通信性能。其次，5G通信系统具有的大带宽、多天线等特点导致其集中化管理的难度较大。同时，5G通信系统支持的多用户连接使不同用户通过多个频率下的多个传输点来连接到网络。相应地，5G通信系统的基站可以根据通信频率分为高频基站和低频基站。高频基站主要为热点地区提供较高的数据传输速率，侧重于保障用户面传输速率；低频基站主要用于提供大范围覆盖业务，侧重于保障控制面信息可达。
为此，5G通信系统根据控制平面与用户平面分离的集中化控制概念，引入了双层组网架构，即宏基站提供大范围覆盖，低功率节点（Low Power Node，LPN）实现热点地区的高速率覆盖。因此，5G 的整体接入框架由两个子系统组成：LPN 通信子系统和宏蜂窝通信控制子系统。宏用户可以在宏基站的覆盖范围内实现低频段的控制信息和数据信息的传输，而在LPN覆盖范围内，用户将由宏基站提供低频段的控制信息，由LPN提供高频段的数据信息。双层组网架构主要有以下特点：基站实现分簇化集中管理和控制，例如部分LPN可以被划分到相同集群中，更有效地协调小区间的干扰，进一步提高热点区域的数据传输速率；部分 LPN 系统只由 RLC协议层、MAC 层和物理层组成，只具备单一的数据功能，对降低基站的部署成本有很大帮助；支持灵活控制基站，例如自动检测基站集群中的用户数量，当用户减少时，在保证服务质量的条件下动态关闭部分基站，降低运营功耗和成本。
5G无线网络引入CU-DU架构，开启了无线网络云化的第一步。CU作为集数据处理和控制为一体的平台，为实现无线接入网与DICT深入融合奠定了基础。从5G的整个架构上可以清晰地看到，其不再单纯地是一个无线制式设备，而是一个无线制式设备平台，即集中化的高层协议栈功能、精简的低层协议栈功能、功能强大但不臃肿的MAC、基于CU的全共享无线资源管理方式等。然而，5G无线网络还存在如下两个问题。
① 没有与IT深度融合。5G无线网络需要基于CU-DU架构，对CU和DU的功能、CU-DU之间的连接进行针对性的研究，实现CU的全IT化，这涉及CU上承载的协议栈功能的定义、CU平台上的存储及算力编排和调度等。
② 无法支持内生AI。5G无线网络架构没有给AI的引入提供空间，包括协议栈内部依然是强逻辑约束关系，无线资源管理基本上遵循了传统的方式。所以，5G无线网络为了引入AI的能力，普遍采用了外挂式AI-AI模型，相关数据的处理、训练、推理全部在无线网络系统外部，无线网络负责上报所需的测量数据并接收 AI系统发来的测量或者控制。