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2017年3月，3GPP无线接入网络工作组正式开启了5G NR工作项目阶段。同年12月，完成非独立组网的5G新空中接口规范。2018年6月，完成独立组网的5G新空中接口规范，至此完成了5G标准第一阶段的工作，定义了5G接入网的整体架构与接入节点架构。
无线网络整体架构如图2.1所示。
图2.1 无线网络整体架构
3GPP定义了新型无线接入网络NG-RAN，包含两种接入节点：gNB，提供5G控制面和用户面服务的5G基站；ng-eNB，为用户提供LTE/E-UTRAN服务的基站。gNB和ng-eNB间通过Xn接口进行连接，gNB和ng-eNB通过NG接口与核心网（5GC）连接。
gNB和ng-eNB具有以下功能。无线资源管理：无线承载控制、无线接入控制、连接移动性控制、在上行链路和下行链路（调度）中向UE动态分配资源；IP报头压缩、数据加密和完整性保护；当从UE提供的信息中无法推导出AMF（访问和移动性管理功能实体）的路由信息时，为UE选择AMF；将用户平面数据路由到UPF（用户面锚点）；将控制平面信息路由到AMF；连接建立和释放；寻呼消息的调度和传输（由AMF触发）；系统广播信息的调度和传输（由AMF或OAM触发）；针对移动性和调度的测量和测量报告配置；上行链路中的传输级分组标记；会话管理；支持网络切片；QoS流量管理和映射到数据无线承载；支持处于RRC非激活状态的UE；NAS消息的分发；无线接入网络共享；双连接；NR与E-UTRA之间的紧密互通。
AMF承载以下主要功能。NAS信令终止；NAS信令安全；AS安全控制；用于3GPP接入网络之间移动性的CN节点之间的信令；空闲模式UE可达性（包括寻呼重传的控制和执行）；注册区域管理；支持系统内和系统间的移动性；接入认证；访问授权，包括漫游权限的检查；移动性管理控制（签约和策略）；支持网络切片；SMF（会话管理功能）选择。
UPF承载以下主要功能。Intra/Inter-RAT移动性的锚点（适用时）；与数据网络互连的外部PDU会话点；分组路由和转发；分组检查和策略规则实施的用户平面部分；流量使用报告；上行链路分类器，以支持将数据流路由到数据网络；分支点支持多宿主PDU会话；用户平面的QoS处理，例如，分组过滤、门限控制、UL/DL速率实施；上行链路流量验证（SDF到QoS流量映射）；下行链路分组缓冲和下行链路数据通知触发。
SMF承载以下主要功能。会话管理；UE IP地址分配和管理；UP功能的选择和控制；配置UPF的流量指引，将流量路由到合适的目的地；策略执行的控制部分和QoS；下行链路数据通知。
5G gNB可进一步划分为CU（Central Unit）和DU（Distributed Unit），提供低成本部署，支持负载管理、实时性能优化在内的协作。NG-RAN的一个显著特点是可以运行独立组网和非独立组网，运营商可根据网络需求和成本灵活选择5G部署方式。在独立组网方式下，gNB连接到5G核心网络（5GC）；在非独立组网方式下，利用双连接技术将NR和LTE紧密集成，连接到现有的4G核心网（EPC）。在双连接架构中，主节点和辅助节点同时为用户提供无线资源，提高用户的体验速率。
5G无线协议栈包含两部分：传输用户数据（IP分组）的用户面和控制信令交互的控制面。用户面引入了服务数据自适应协议层（SDAP），用以支持5G核心网基于流的新QoS模型。SDAP层可将带有QoS需求的IP流映射到特定配置的无线承载上，在无RRC信令辅助的情况下进行动态的配置、重配置。控制面引入了RRC Inactive状态，该状态下用户在省电的同时，更快与Connected状态切换。
3GPP在R15阶段的标准制订工作重点解决NR协议栈以及NSA网络架构的协议功能设计问题，其中控制面协议栈（如图2.2（a）所示）和用户面协议栈（如图2.2（b）所示）是两个重要的设计内容。
图2.2 NR控制面和用户面协议栈
NR控制面协议与LTE控制面协议栈架构基本一致，主要区别在于控制面连接的核心网网元为AMF。
为了支持NSA架构，控制面协议栈设计如图2.3所示，UE与核心网仅通过LTE或者NR保持RRC连接。
与LTE用户面协议相比，NR用户面协议新增SDAP层，该层协议主要包括两个功能：QoS Flow与数据无线承载的映射功能和上行/下行数据分组QoS Flow ID（QFI）标记。为了支持NSA架构，用户面功能设计需要考虑不同的网络架构。在MR-DC场景（MR-DC泛指E-UTRAN和NR-DC组合，包括EN-DC、NGEN-DC和NE-DC这3种），定义了终端须支持3种承载类型，分别是MCG承载、SCG承载和Split承载。Split承载可以是MCG Split承载，也可以是SCG Split承载。在EN-DC场景，如图2.4所示，网络侧为MCG配置E-UTRAN PDCP或NR PDCP，但是NR PDCP只能用于配置SCG承载和Split承载。
图2.3 NSA架构控制面协议栈
图2.4 用户面协议栈架构（终端侧）
在连接5GC的MR-DC场景仅有NR PDCP，不存在E-UTRAN PDCP层。在连接5GC的E-UTRAN和NR DC场景（NGEN-DC，MN为ng-eNB，SN为gNB），E-UTRAN RLC/MAC用于MN，NR RLC/MAC用于SN。在NR和E-UTRAN DC场景（NE-DC，MN为gNB，SN为ng-eNB），NR RLC/MAC用于MN而E-UTRAN RLC/MAC用于SN。
从网络侧角度看，由于各种承载（MCG、SCG和Split承载）都可终结于MN或SN，网络侧协议设计更加复杂。EN-DC场景存在3种承载类型（如图2.5（a）所示）；NGEN-DC、NE-DC场景存在3种承载类型（如图2.5（b）所示）。
图2.5 MCG/SCG/Split承载示意图（网络侧）
为支持差异化的5G应用场景和云化部署方式，5G采用全新的基于服务化系统架构。系统架构中的元素被定义为一些由服务组成的网络功能，这些功能可以被部署在任何合适的地方，通过统一框架的接口为任何许可的网络功能提供服务。这种架构模式采用模块化、可重用性和自包含原则来构建网络功能，使运营商部署网络时能充分利用最新的虚拟化和软件技术，以细粒度的方式更新网络的任一服务组件，或将不同的服务组件聚合起来构建服务切片。图2.6（a）展示了服务化架构的设计原则，同时Stage 2规范还提供了基于参考点的系统架构（如图2.6（b）所示），其更注重描述实现系统功能时网络功能间的交互关系。
图2.6 5G核心网系统架构
R15版本核心网引入IT的“微服务”理念。如图2.7所示，系统架构中的元素被定义为一些由服务构成的网络功能，这些功能可以被部署在任何合适的地方，通过统一的接口调用框架为其他许可的网络功能提供服务。这种架构模式采用模块化、可重用性和自包含原则来构建网络功能，使运营商在部署网络时能充分利用最新的虚拟化和软件技术，以细粒度的方式更新网络的任一服务组件，或将不同的服务组件聚合起来构建服务切片。
5GC实现彻底的控制与转发分离。在控制平面方面，5GC可提供异构接入技术统一的接入、安全和签约管理服务框架；可根据不同的移动性、会话服务质量和策略控制要求提供定制化的功能和业务流程。5GC控制平面接口协议设计将以HTTP为基础，便于运营商自有或第三方网络服务开发。在转发平面方面，5GC支持业务数据流的智能分流，实现边缘、数据中心和云计算节点间按需互联。此外，基于数据计算和存储相互分离的思想，5GC还引入实现非结构化数据存储的可选功能，并为任意控制面网络功能提供上下文检索功能。
5GC在CUPS（控制平面与用户平面分离）的基础上，将控制平面拆分为多个NF：AMF主要负责终端接入和移动性管理，SMF负责会话管理，PCF（策略控制功能实体）负责策略管理，UDM（统一数据管理）负责用户数据管理等。NRF（网络存储库功能）是服务化架构的核心，负责NF的管理，包括注册、发现、授权等。
图2.7 5G网络架构与网络功能服务模块化
5GC采用了SBA（服务化架构），是在CUPS架构基础上的再次优化和演进，对比CUPS网络可以看出，SGW-U/PGW-U两个网元转发平面处理在5GC中合并为一个UPF，更便于转发平面的下沉；SGW-C/PGW-C负责会话管理，通常部署于核心区域，将两者合并为SMF能够简化CN的开发和部署，MME中既包含接入移动性管理，又包含会话管理，在5GC中按功能将会话管理的部分功能放到SMF中实现，AMF仅实现接入移动性管理，只与用户数相关而不再与会话数量相关，更加有利于AMF和SMF的独立演进。
5G SBA支持业务快速上线，体现在以下几个方面。
（1）NF之间松耦合。传统CN网元由一组彼此紧密耦合的功能组成，当引入新的业务需求时，传统网元的功能或能力可能都要发生很大变化。5G SBA中的NF是高内聚和松耦合的，互相独立的网络服务在需求发生变化时，只需变更受到影响的网络服务。
（2）轻量级的网络接口。不同网络服务之间的接口采用轻量级Restful/Http，有利于快速的接口开发、NF的快速升级，也可通过这些接口向业务应用开放网络能力。
（3）服务统一管理和部署。NRF提供了服务管理功能，ETSI（欧洲电信标准化协会）的NFV技术规范，从网络服务、网络功能、虚拟化基础设施等方面，制定了统一完善的管理机制。NF基于数据中心部署，可以根据需要，将NF部署于网络的相应位置。
（4）能力开放和策略管理。通过轻量级服务化接口开放网络能力，业务应用可以方便地使用这些网络能力感知网络和终端的事件，调整会话策略。
（5）业务QoS保障。5G网络不仅提供了更大的带宽、更低的时延和更多的连接数支持，还实现了基于不同会话设定不同的QoS策略，网络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，满足业务的QoS需求。
综上，5G SBA解决了传统CN点到点架构紧耦合的问题，能够支持业务的快速上线，符合从提升性能、降低成本为目标，转向以支持快速推出新业务，提升网络营收能力为目标的演进要求。