任务3
5G网络架构及其系统组成

【任务前言】

5G时代，对接入网、承载网和核心网的各项功能都进行了重构，架构也随之发生了变化。重构的最终目的是满足5G网络要求的灵活性及复杂性。那么5G的网络架构到底如何被重构？具体有哪些改变？带着这样的问题，我们进入本任务的学习。

【任务描述】

介绍5G接入网、核心网及承载网的架构演进及其系统组成。

【任务目标】

掌握5G接入网、核心网及承载网的架构演进及其系统组成。

知识储备

1.3.1 5G网络架构

移动通信网络主要由无线接入网、承载网以及核心网组成，从而完成对业务的接入、传输及控制。5G通信网络也是如此，其网络架构可分为以下3个层面（如图1-5所示）。

（1）下一代无线接入网（NG-RAN,Next Generation-Radio Access Network）。NG-RAN的功能是实现业务的接入，将5G用户终端（如手机）接入网络，设备主体为基站。接入网与5G终端之间的逻辑接口被称为5G新空口（NR,New Radio）。

（2）5G核心网（5GC,5G Core）。5GC主要实现业务的控制，包括网络的移动性、准入鉴权、流量计费。设备主体一般为专用或通用服务器。

（3）移动承载网。移动承载网由移动回传网发展而来，其主要作用是负责传输无线接入网（RAN,Radio Access Network）与核心网交互的数据。设备形态一般为具备移动业务承载特性的路由器。

理解5G网络架构的3个层面之后，我们接着看如何部署5G网络。运营商为了尽可能保护4G时代的投资，并且尽快商用5G，在部署5G网络时会优先考虑如何使其与现有4G网络共存，共同发挥作用。因此，5G组网方式总体可以分为SA（独立组网）和NSA（非独立组网）两种，每一种都对应几个选项（如图1-6 所示）。SA方式指的是新建一套完整的5G网络，包含5G核心网和5G基站。而NSA方式是指利用现有的4G网络，通过改造、升级或增加设备等方式，使用户体验5G的部分功能，从而不浪费现有的网络资源。

1 SA

选项1、2、5、6是独立组网选项（如图1-7所示）。选项1早已在4G结构中实现；选项6仅是理论存在的部署场景，不具有实际部署价值，标准中不予考虑。所以独立组网主要考虑的是选项2和选项5。

图1-7中的控制面是发送管理、调度资源所需信令的通道，也可以理解为信令面。用户面是用来发送用户具体数据的通道，这两个平面相互独立。举例来说，当使用手机点开视频APP观看视频时，播放的视频内容是通过用户面传送到手机的，而调度这个视频播放的信令消息通过控制面传输，不会因为正在播放视频（占用了用户面）就无法调出其他的视频（指令通过控制面传输）。

选项2采用的组网方式是建立全新的5G核心网与5G基站。这种组网方式拥有5G的所有功能和特点，演进路线最短，是5G网络架构的最终形态。但是这种组网方式不能利用现有4G网络，投资巨大而且建设周期长。

选项5采用全新的5G核心网和升级后的4G基站。因为要对现有4G基站进行大面积升级，所以这种方式投资较大，而且不能实现5G的全部功能，性价比很低，前景不乐观。

2 NSA

NSA方式是对4G网络进行升级改造，使其增加5G功能。基于NSA架构的5G载波仅承载用户数据，其控制信令仍通过4G网络传输。NSA采用的是双连接方式，即手机可以同时接入4G和5G基站，可以同时进行业务传输。例如，选项3、选项3a和选项3x（如图1-8所示），手机连接到4G基站的同时也能接入5G基站。图中数据锚点的作用是对用户面进行数据分流，即手机既可以从4G基站获取数据，又可以从5G基站获取数据。

不难看出，选项3、3a和3x的组网方式主要区别在于将哪个节点作为数据锚点。

在选项3的情况下，4G基站作为数据锚点。4G基站不仅要负责控制管理，还要负责把核心网发送的数据分为两路，一路由自己发送给手机，将另一路分流给5G基站再发送给手机。这样一来，对4G基站的软硬件性能要求非常高，4G基站的负荷非常大，所以选项3自推出以来少有人关注。

选项3a是在选项3的基础上将数据锚点自4G基站移到4G核心网。这样一来，4G基站的性能瓶颈就没有了，但是这种组网方式需要对4G核心网进行升级。

选项3x在选项3a的基础上再进行调整，将数据锚点移到5G基站上。这样既避免了对4G基站和核心网造成巨大压力，又利用了5G基站性能好、速度快的优势，这种方式也得到了业界的广泛关注，成为非独立组网的首选项。

由于选项3系列利用原有的4G核心网，因此，这种组网方式适合5G建设早期部署，并且该选项对4G网络改动小、投资小、部署快，可实现5G的快速商用，缺点是只能支持eMBB场景。

选项7系列比选项3系列更进一步（如图1-9所示），主要区别在于：选项7系列的核心网为5G核心网，并且4G基站升级为增强型4G基站。

同选项3系列类似，选项7系列中各选项的主要区别也是数据锚点的位置不同。选项3系列只能支持eMBB场景，而选项7系列由于使用了5G核心网，也可以支持uRLLC和mMTC场景。尽管选项7系列可以支持新功能和新业务，但是由于4G基站要升级改造为增强型4G基站工作量巨大，因此，更适合初期、中期部署。

选项4系列（如图1-10 所示）与选项3/7系列完全不同。选项3/7系列控制面都是由4G或者增强型4G基站负责，而在选项4系列中控制面完全由5G基站负责。选项4和选项4a的区别也仅是数据锚点不一样。

选项4系列适合5G中后期部署，此时5G基本覆盖成型，而4G网络更多的是作为5G网络的补充覆盖。

选项8和选项6一样，不具有实际部署价值，所以标准中不予考虑。

从全球范围看，虽然目前大部分运营商均选择了选项3x作为初期部署方案，但随着4G用户的逐步迁移和5G网络的更大规模部署，后续5G将如何持续演进还取决于运营商的投资成本、业务和终端演进方案等。

通过前面的学习我们知道，5G网络是一个服务于个人消费者、垂直行业以及运营商的统一平台。而为了能够灵活适配客户差异化的业务场景和需求，5G网络应具有非常高的灵活性、良好的隔离性、统一性和开放性，要同时满足这些需求，5G网络架构必须实现云化，因此，基于云的5G网络架构应运而生。通过引入网络功能虚拟化（NFV,Network Functions Virtualization）技术及软件定义网络（SDN,Software Defined Networking）技术，重构5G网络架构，灵活适配5G网络的各种业务场景和需求，以实现“一张物理网络，承载千百行业”的目标。

1.3.2 5G接入网架构及关键技术

在4G时代，4G基站被称为演进型基站节点（eNodeB,Evolved NodeB）, eNodeB一般可缩写为eNB。eNB分为射频拉远单元（RRU,Remote Radio Unit）、基带处理单元（BBU,Base Band Unit）和天线3个部分。BBU和RRU之间通过光纤连接，RRU和天线之间通过馈线连接（如图1-11所示）。RRU负责将BBU传送过来的数字信号转化为射频的模拟信号发送到空口。一个BBU可以连接多个RRU。

到了5G时代，5G基站被称为下一代NB（gNB,Next Generation NodeB）。相对于eNB的BBU和RRU的两级结构，支持5G新空口的gNB演进为包含集中单元（CU,Centralized Unit）、分布单元（DU,Distributed Unit）及有源天线单元（AAU, Active Antenna Unit）的三级结构。相比4G而言，5G将4G的BBU单元拆分为CU和DU,CU处理对时延不敏感的非实时基带数字信号，如小区负载的控制；DU处理对时延敏感的实时基带数字信号，如无线资源的分配，而原来BBU的部分低层物理层功能、原RRU及天线单元合并为AAU（如图1-12所示）。

随着5G和NFV技术的快速发展，无线网络进入全面云化时代。CU为软件/硬件解耦，可部署在通用x86架构服务器上，并且基于虚拟化技术，可以灵活支持多种业务及网络切片。DU目前仍为专有硬件，适配各种覆盖和安装场景，包含宏基站、微站以及室内分布等多种产品形态。无线网络的云化，可实现业务按需且快速部署，适应大带宽、低时延、超大连接等业务，同时实现了资源池化、资源利用率有效提升、网络弹性扩容。

因为CU和DU的分离，与4G的前传和回传相比，5G多了一个中传的概念。前传指的是AAU和DU之间的传输，回传指的是CU和5GC之间的传输，中传指的是DU和CU之间的传输。引入CU和DU之后，5G RAN组网更灵活，有利于多小区的集中控制和多种功能的实现。5G基站将具备多种部署形态，可供运营商灵活选择。CU和DU可以根据不同的业务需求和网络条件部署在不同的位置，或集成为同一设备部署。

1.3.3 5G核心网架构及关键技术

5G的核心网是基于NFV/SDN的灵活网络，可以实现差异化业务的资源编排，为普通消费者、应用提供商和垂直行业需求方提供网络切片、边缘计算等新的业务能力，能够满足多样化需求。5G核心网架构如图1-13所示，传统网元被拆分为多个网络功能（NF,Network Function）模块，并且各NF之间相互解耦，能独立自治。

图1-13中的NF如下。

（1）UPF（User Plane Function）：用户面功能，主要实现数据分组转发。

（2）AMF（Access and Mobility Management Function）：接入及移动性管理功能，主要实现UE位置管理及接入鉴权。

（3）SMF（Session Management Function）：会话管理功能，主要实现会话管理、UE的IP 地址分配及管理、UPF的控制。

（4）PCF（Policy Control Function）：策略控制功能。

NF之间的逻辑接口如下。

（1）N2：基站与AMF之间的信令接口。

（2）N3：基站与UPF之间的数据接口。

（3）N4:UPF与SMF之间的信令接口，用于实现SMF和UPF间的会话管理、控制策略、计费策略等功能。

（4）N6:UPF到互联网或企业应用的数据接口。

（5）N9:UPF到UPF的数据接口。

在5G部署初期，运营商城域移动承载网主要负责承载N2、N3流量，中期及成熟期承载N4、N6及N9流量。

为实现5G核心网的云化，5G核心网具备以下三大特性。

（1）特性一：CP和UP彻底分离

在5G时代之前的核心网设备，控制面（CP）和用户面（UP）没有做到完全分离。以4G核心网EPC为例，其主要由MME（移动性管理实体）、SGW（服务网关）和PGW（PDN网关）等设备构成，其中，MME为纯控制面设备，SGW和PGW不是纯用户面设备，比如PGW仍需具备给手机分配IP地址的控制面功能。而在5G时代，基于图1-14可知，UPF为纯用户面设备，AMF、SMF为纯控制面设备。那么，5G核心网设备为什么一定要实现控制面和用户面的彻底分离呢？其实分离意味着架构更加灵活，通过将用户面网关UPF分离出来，就可以实现UPF的下沉，将其部署在更加靠近用户的边缘节点，从而缩短传输距离，降低用户面时延。比如针对uRLLC中的车联网业务，此类业务的用户面网关UPF可下沉到地市边缘数据中心（DC,Data Center）机房进行安装部署，且增加具有强计算及存储能力的MEC（多接入边缘计算）节点，使车辆到服务器的距离缩短到10km内，将车联网的端到端时延降低到毫秒级，确保自动驾驶的安全性。

另外，由于三大场景对带宽和时延的要求不同，且综合考虑用户的体验感知及运营商投资、运维成本，UPF根据场景需要下沉至各层次的云化数据中心。例如，工业物联网等mMTC业务部署在核心DC、AR/VR等eMBB业务部署在本地DC。

（2）特性二：NFV

NFV是实现核心网云化的关键技术之一，主要通过运用虚拟化技术解耦设备的软硬件，设备功能以软件形式部署在统一通用的基础设施上（如x86服务器），从而提升系统灵活性，实现多种网络功能，提升运维效率。

对于传统的核心网设备，各设备厂商采用专用架构硬件，资源无法共享，同时软硬件合一，扩容复杂，新业务上线周期长。而5G网络要求实现多场景业务的灵活部署、不同垂直行业用户对于端到端网络资源的差异化逻辑切分，这些都是传统核心网设备结构无法满足的。通过引入NFV技术，可满足5G网络的多种业务需求，降低网络运营商设备采购成本，提升资源利用率，实现新业务敏捷上线。

（3）特性三：基于服务的架构（SBA,Service-Based Architecture）

SBA，即网络功能模块化，通过模块化实现网络功能的解耦和集成，不同的业务可以按需选择不同的网络功能。这种模块化设计有什么好处呢？其最大好处是方便“功能裁剪”，比如对于实现物联网这类mMTC业务，因大部分物联网终端都是静止的，所以“移动性”这个功能模块就可裁剪掉，又由于大部分物联网业务对网络带宽和时延都没有特殊要求，即不需要QoS保障，因此“策略控制”和“QoS执行”功能模块也可进行裁剪。综上，基于SBA特性，可根据业务灵活性进行功能裁剪，快速实现网络部署。

总而言之，5G核心网是软件驱动、基于服务化架构的网络。软硬件解耦以后，引入NFV与SDN功能，不仅实现了控制与转发分离，还实现了移动性管理与会话管理解耦，并且不再对接入方式感知，无论是3GPP标准还是非3GPP标准的网络都可以接入5G核心网，实现真正意义上的万物互联。

1.3.4 5G承载网架构及关键技术

在3G和4G时代，最具有代表性的移动承载网技术标准是分组传送网（PTN, Packet Transport Network）和无线接入网的IP化（IP RAN,IP Radio Access Network）。随着5G的到来，终端速率大幅提升，移动承载网需要能够承受住巨大的带宽和技术上的压力，新一代的承载技术和设备形态应运而生，例如，中国移动的切片分组网（SPN,Slicing Packet Network）、中国电信的智能传送网（STN,Smart Transport Network）、中国联通的智能城域网。

无论移动承载网采用了何种技术，归根结底都是由光纤和承载设备组成的。

如图1-15所示，因为光纤的低成本（相对电缆来说）、高速率以及不易被干扰的高可靠和高稳定性，它现在已经成为通信网络不可或缺的重要组成部分。光纤的传输能力，目前也已经达到P比特级（1Pbit/s= 1024Tbit/s）。

如图1-16所示，承载设备主要负责提供多业务承载、高速的以太网接口，支持多种路由协议、信令协议和保护技术，从而保证数据传输的质量、效率和高可靠性。

1 5G承载网的总体架构

5G承载网的总体架构如图1-17所示。5G承载网的结构主要分为三层：接入层、汇聚层和核心层。

（1）接入层：由直接连接基站的承载网设备组成。接入层利用光纤、双绞线等介质与用户设备（基站）相连，接入层设备之间利用光纤组成环形拓扑，一般与基站的BBU/DU设备同机房部署。

（2）汇聚层：汇聚层是连接网络接入层和核心层的“桥梁”，用户数据接入核心层前，先进行汇聚，以减轻核心层设备的负荷。汇聚层分为骨干汇聚层和普通汇聚层，汇聚层节点一般部署在区、县公司的汇聚机房，每个区、县配置一对骨干汇聚节点，骨干汇聚节点以口字形拓扑上联核心节点。

（3）核心层：负责数据的高速转发，作为本地网（城域网）的出口设备与骨干网或5GC互联。所以在移动承载网中，核心层设备的交换容量更大，接口带宽及整机性能更高。核心层节点一般部署在运营商的市公司核心/中心机房，每地市至少部署一对核心落地节点。

接入层接入用户设备的接口，以及核心层的上联接口，一般被称为UNI（UserNetwork Interface）。移动承载网节点之间的互联接口被称为NNI（Network-Network Interface）。接入层节点的UNI一般要求为FE、GE、10GE、25GE，其中接入5G基站的UNI主要使用10GE和25GE。接入层的NNI带宽一般要求为50GE及以上。汇聚层及以上各层的NNI带宽一般为100GE及以上。核心层节点的上联UNI带宽根据连接对象加以区分，承载5G信令流量的UNI带宽一般为10GE及以上，承载5G业务流量的UNI带宽一般为100GE及以上。

为了保证路由协议的计算性能、网络运维效率，一般建议：每对骨干汇聚下挂的普通汇聚、接入汇聚节点总数不超过2000，每对骨干汇聚可下挂多个普通汇聚环（每个普通汇聚环可下挂多个接入汇聚环）；每对骨干汇聚下挂的汇聚环上的节点数一般为4～6 （不包含骨干汇聚节点）；接入环上的节点数一般为4～6（不包含普通汇聚节点）。

2 承载网的关键技术

5G承载网包含3个平面：转发面、控制面和管理面。

转发面主要实现5G业务在承载网内的转发。

控制面是指SDN控制器与设备、设备与设备之间交互信息的一个逻辑平面，支持动态协议，为建立转发面而服务。

管理面是提供设备上网管理（图形化的网络管理系统）的逻辑平面，并可实现网元级和网络级的配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等功能。在5G承载网内，转发面、控制面和管理面共享NNI及链路。

从宏观上来说，5G承载网的本质就是在4G承载网现有技术框架的基础上，在转发面和控制面引入多种关键技术，提供超大带宽、超低时延的传输管道，并支持灵活调度，实现高精度时间同步，如图1-18所示。

其中，最能代表5G承载网特点的关键技术有哪些呢？

（1）FlexE切片技术

FlexE是在5G承载网的转发面引入的新技术之一。

灵活以太网（FlexE,Flex Ethernet），本质是将多个物理端口进行“捆绑”，形成一个虚拟的逻辑通道，以支持更高的业务速率。例如，4路100GE PHY（物理接口）提供一个逻辑通道，实现400Gbit/s业务速率。

FlexE还可以实现多路低速率MAC（可以理解为业务）数据流共享一路或者多路物理接口。例如，在100Gbit/s PHY上承载10Gbit/s、40Gbit/s、50Gbit/s的三路MAC数据流，或者两路100Gbit/s PHY复用承载125Gbit/s的MAC数据流。

FlexE为5G承载网提供带宽切片。切片的思想是将物理资源划分为多个逻辑资源。切片的概念和相关技术应用是在5G接入网和核心网中率先提出的。怎么理解5G承载网的带宽切片呢？例如，在一个100GE的链路上，5G的基站业务占用70%的带宽切片，政企专线业务占用10%的带宽切片。

（2）SDN

SDN是5G承载网的控制面引入的新技术之一。

软件定义网络（SDN,Software Defined Network），是一种新型网络架构。SDN通过将网络设备控制面与数据面分离，从而实现了网络流量的灵活控制。

SDN引入了新的组件，称为控制器，以集中的方式管理多个设备，即把网络的控制和流量转发进行拆分，由SDN控制器专门进行控制，网络节点只需要进行转发，这是一种加强型的集中管理模式，如图1-19所示。

SDN是构建未来5G网络的核心技术，通过转发与控制分离对网络架构和功能进行重构，网络逻辑功能更加聚合，逻辑功能平面更加清晰。网络功能按需编排，可以根据差异化的场景和业务特征要求，灵活组合功能模块，按需定制网络资源和业务逻辑，增强网络弹性和自适应性。SDN技术简化了业务部署、工程运维和网络规划，可以支撑未来各种业务需求，同时保留了网络的弹性和智能化特征，是面向应用的可编程网络架构。

在承载网中，网络管理系统和控制器集成在一个硬件平台上，合称为管控平台。

（3）SR隧道技术

SR属于5G承载网转发面引入的新技术之一。

分段路由（SR,Segment Routing），是一种源路由机制。目前承载网二/三层转发基本采用多协议标签交换（MPLS,Multi-Protocol Label Switching）技术。采用MPLS技术创建转发路径时，须对转发路径上的所有节点下发配置，且每个节点都需要维护网络拓扑和链路状态信息。因此，现有的MPLS技术存在协议复杂、可扩展性差、部署效率低、管理困难等问题，无法满足新一代网络对灵活调度、可扩展等方面的要求。

SR技术正是在此背景下产生的，它是对MPLS技术的高效简化，可兼容MPLS的转发面（数据面）。当基于SR技术创建转发路径时，仅需要在源节点压入标签转发路径，中间节点根据标签进行转发。

SR技术将网络拓扑中的节点或链路划分为不同段（Segment），并用Segment ID（段ID，简称为SID）进行编码。将一段或多段SID进行组合形成Segment List（标签列表），即定义了业务流经过的网络路径。业务流在源节点从SDN控制器获取Segment List，将Segment List压入业务报文中，源节点及中间节点根据Segment List的指示转发路径。

SDN集中式控制思想和SR源路由技术可谓是天作之合。SDN控制器根据业务需求、网络资源现状，计算或调整业务的转发路径，将包含路径信息的SR标签列表下发给源节点。

此外，SR还可以通过扩展的内部网关协议（IGP,Interior Gatewary Portocol）发布或扩散SID，建立SR尽力而为（SR-BE,Segment Routing Best Effort）路径。

（4）IS-IS路由协议

IS-IS是5G承载网控制面引入的技术之一。

中间系统到中间系统（IS-IS,Intermediate System to Intermediate System）是一种动态路由协议，在动态路由协议的分类中，隶属于IGP。

5G承载网采用IS-IS协议打通SDN控制器与每个承载网网元之间的IP连通性。扩展后的IS-IS协议能支持SR功能，发布或扩散SID，建立SR-BE路径。

（5）超高精度时间同步

时间同步是独立于控制、转发、管理三大平面的一项技术。

在一般情况下，5G系统基站间同步需求仍为3µs，与4G TDD（时分复用）相同，即同一基站的不同RRU/AAU之间的同步需求主要为3µs，部分应用场景（如站间的载波聚合）可能有百纳秒量级的时间同步需求。另外，基站定位等新业务可能会有更高的时间同步需求。

为了满足5G高精度同步需求，须专门设计同步组网架构，并加大同步关键技术研究。在同步组网架构方面，可考虑将同步源头设备下沉，减少时钟跳数，进行扁平化组网；在5G承载网同步关键技术方面，须采用IEEE 1588v2、单纤双向等技术，将时间同步信号从时间源传递到基站，并尽可能地减小承载网设备及链路引入的时延偏差。

任务习题

1. 请列举NSA（非独立组网）选项。

2 .下列哪一项不是5G的核心网功能单元（ ）。

A.MME

B.UPF

C.PCF

D.UDM

3 .IS-IS属于5G承载网哪一平面的技术（ ）。

A.转发

B.控制

C.管理

D.时间同步 r/EDDsQjfQ4y6UKSP36ZjpVLiJf6rbq29+I1Uj4IMA451IwfbMdfTX+YF+ovb9Ev

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