值得了解！詳解5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

不同制式(2/3/4/5G)的移動通信網(wǎng)絡(luò)，基站、核心網(wǎng)網(wǎng)元的名稱和功能劃分也各有不同，如4G中的 SGW(Serving Gateway，服務(wù)網(wǎng)關(guān))和PGW(PDN Gateway，PDN網(wǎng)關(guān))的用戶面功能在5G中是由專門的網(wǎng)元UPF(User Plane Function，用戶面功能)實現(xiàn)。

一. 簡要過程

1. UE選擇某個制式(如4G)的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)起接入請求;

2. 基站接收UE的接入請求，為UE建立無線承載(相當(dāng)于UE在無線側(cè)的傳輸通道)，因在基站側(cè)不存儲UE的簽約信息，故無法對UE進行認(rèn)證和鑒權(quán)，因此將請求轉(zhuǎn)發(fā)到核心網(wǎng);

3. 核心網(wǎng)對UE進行認(rèn)證和鑒權(quán)，并為UE分配IP和核心網(wǎng)承載(相當(dāng)于UE在核心網(wǎng)處的傳輸通道);

4. 基站接收到核心網(wǎng)的響應(yīng)后，對無線承載進行重配置，將響應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)給UE;

5. UE接收到基站的響應(yīng)后，通過分配的IP和承載(無線承載和核心網(wǎng)承載)接入外部網(wǎng)絡(luò)

5G 作為第五代移動通信技術(shù)，在傳輸速度、網(wǎng)絡(luò)容量、延遲和可靠性方面都取得了顯著進步，并為物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等新興技術(shù)的發(fā)展提供了強力支撐。要理解 5G 的強大功能，必須首先深入了解其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。本文將對 5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行詳細解讀，涵蓋無線接入網(wǎng) (RAN)、核心網(wǎng)和接入網(wǎng)三個關(guān)鍵部分。

一、無線接入網(wǎng) (RAN)

無線接入網(wǎng) (Radio Access Network, RAN) 是 5G 網(wǎng)絡(luò)的核心部分，負(fù)責(zé)將用戶設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，并處理數(shù)據(jù)傳輸。5G RAN 采用了多種新技術(shù)，包括：

新型無線接入技術(shù)：5G RAN 使用了新一代無線接入技術(shù)，例如 Massive MIMO、波束賦形和毫米波等，顯著提升了網(wǎng)絡(luò)容量和傳輸速度。

云化架構(gòu)：5G RAN 采用云化架構(gòu)，可以更靈活地配置和管理網(wǎng)絡(luò)資源，并支持網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化 (NFV)，提升網(wǎng)絡(luò)效率和靈活性。

網(wǎng)絡(luò)切片：5G RAN 支持網(wǎng)絡(luò)切片，可以將網(wǎng)絡(luò)資源劃分成不同的切片，為不同的應(yīng)用提供定制化的服務(wù)，滿足各種應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)性能的不同需求。

邊緣計算：5G RAN 可以與邊緣計算技術(shù)相結(jié)合，將部分網(wǎng)絡(luò)功能部署到邊緣節(jié)點，減少數(shù)據(jù)傳輸延遲，提升網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度。

1.1 5G RAN 的主要組成部分

基站 (gNB)：gNB 是 5G RAN 的核心單元，負(fù)責(zé)與用戶設(shè)備通信，并處理數(shù)據(jù)傳輸。

無線資源控制器 (RRC)：RRC 負(fù)責(zé)管理無線資源，例如頻譜、功率和信道等。

數(shù)據(jù)平面 (Data Plane)：數(shù)據(jù)平面負(fù)責(zé)處理用戶數(shù)據(jù)傳輸。

控制平面 (Control Plane)：控制平面負(fù)責(zé)管理用戶連接和網(wǎng)絡(luò)配置。

二、核心網(wǎng)

核心網(wǎng)是 5G 網(wǎng)絡(luò)的控制中心，負(fù)責(zé)管理用戶數(shù)據(jù)、身份驗證和安全等功能。5G 核心網(wǎng)采用了以下關(guān)鍵技術(shù)：

云原生架構(gòu)：5G 核心網(wǎng)采用云原生架構(gòu)，能夠更靈活地部署和管理網(wǎng)絡(luò)功能，并支持微服務(wù)架構(gòu)，提升網(wǎng)絡(luò)效率和可靠性。

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化 (NFV)：5G 核心網(wǎng)支持 NFV，可以將網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，部署在虛擬機或容器上，降低網(wǎng)絡(luò)成本，提高網(wǎng)絡(luò)靈活性。

軟件定義網(wǎng)絡(luò) (SDN)：5G 核心網(wǎng)支持 SDN，可以將網(wǎng)絡(luò)控制與數(shù)據(jù)平面分離，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的動態(tài)配置和管理。

2.1 5G 核心網(wǎng)的主要功能

用戶管理：負(fù)責(zé)用戶身份驗證、計費和授權(quán)等功能。

數(shù)據(jù)路由：負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由。

安全控制：負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)安全管理，包括數(shù)據(jù)加密、身份認(rèn)證和訪問控制等。

網(wǎng)絡(luò)管理：負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)資源管理和監(jiān)控。

三、接入網(wǎng)

接入網(wǎng)是將用戶設(shè)備連接到 5G 核心網(wǎng)的橋梁，負(fù)責(zé)處理用戶數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)連接。5G 接入網(wǎng)主要包括以下幾種類型：

固定無線接入 (FWA)：FWA 利用 5G 技術(shù)提供固定寬帶接入服務(wù)，為家庭和企業(yè)用戶提供高速上網(wǎng)體驗。

移動寬帶 (MBB)：MBB 是傳統(tǒng)的移動寬帶服務(wù)，利用 5G 技術(shù)提供更高速、更穩(wěn)定和更低延遲的移動寬帶服務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng) (IoT)：5G IoT 針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景提供低功耗、高帶寬和低延遲的網(wǎng)絡(luò)連接，支持各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連接和數(shù)據(jù)傳輸。

3.1 5G 接入網(wǎng)的技術(shù)特點

高速率：5G 接入網(wǎng)支持高速數(shù)據(jù)傳輸，為用戶提供更快的網(wǎng)絡(luò)體驗。

低延遲：5G 接入網(wǎng)可以將數(shù)據(jù)傳輸延遲降至最低，為實時應(yīng)用提供保障。

高可靠性：5G 接入網(wǎng)具有更高的可靠性，保證網(wǎng)絡(luò)連接的穩(wěn)定性和持續(xù)性。

四、5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)勢

高速率：5G 網(wǎng)絡(luò)擁有極高的數(shù)據(jù)傳輸速度，可以滿足各種應(yīng)用場景對高速網(wǎng)絡(luò)的需求，包括 4K/8K 視頻流、云游戲、VR/AR 應(yīng)用等。

低延遲：5G 網(wǎng)絡(luò)的延遲極低，可以滿足各種對實時性要求高的應(yīng)用，例如遠程醫(yī)療、自動駕駛、工業(yè)自動化等。

高容量：5G 網(wǎng)絡(luò)擁有更高的網(wǎng)絡(luò)容量，可以同時支持更多用戶和設(shè)備連接，并滿足各種應(yīng)用場景的數(shù)據(jù)流量需求。

可靠性：5G 網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定可靠，可以保證用戶連接的持續(xù)性和穩(wěn)定性，并滿足各種應(yīng)用場景對網(wǎng)絡(luò)可靠性的需求。

靈活性：5G 網(wǎng)絡(luò)支持網(wǎng)絡(luò)切片和 NFV 技術(shù)，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景需求，靈活地配置和管理網(wǎng)絡(luò)資源，滿足各種應(yīng)用場景的定制化需求。

5G網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)

5G打造了全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，主要依托軟件定義網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)更加分散，同時也更具靈活性。

正是因為5G網(wǎng)絡(luò)的這些特點使其能夠為提供不同的網(wǎng)絡(luò)切片，而不同的網(wǎng)絡(luò)切片則具有不同的功能與網(wǎng)絡(luò)特性，因此可以更好地滿足應(yīng)用需求。因其具有更大的靈活性，因此可以支持多樣化的5G場景。

5G結(jié)構(gòu)主要包括接入層面、控制平面以及轉(zhuǎn)發(fā)層面三個部分，其中接入層面是指以用戶為中心，并且面向多場景的多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò);控制平面則以提供網(wǎng)絡(luò)控制功能為目的，能夠為資源的轉(zhuǎn)發(fā)以及資源的接入調(diào)度等工作提供有力支持;轉(zhuǎn)發(fā)層面的功能主要體現(xiàn)在分布式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)以及數(shù)據(jù)處理等方面，同時還具備更強的業(yè)務(wù)鏈處理能力，能夠滿足低時延要求相關(guān)業(yè)務(wù)。

多連接框架

在5G的支持下，終端能夠與多個網(wǎng)絡(luò)同時進行連接，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)與終端之間更加靈活的深度集成，并且可以進一步拓展覆蓋范圍，提升網(wǎng)絡(luò)性能。

在5G網(wǎng)絡(luò)中，終端不再孤立于網(wǎng)絡(luò)之外，而是成為網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，終端也可以與其他終端進行連接，可以拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對比分析

4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)核心網(wǎng)集中，接入網(wǎng)扁平，固定的點到點通信是4G網(wǎng)絡(luò)的主要特征，并且控制面設(shè)備單一。而5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)則不同，5G網(wǎng)絡(luò)在服務(wù)化功能設(shè)計的支持下，可以結(jié)合需求對網(wǎng)絡(luò)功能進行合理組合，以便滿足應(yīng)用需求。

另外，5G網(wǎng)絡(luò)的用戶面更加簡化，轉(zhuǎn)發(fā)效率更高。5G網(wǎng)絡(luò)也實現(xiàn)了無線資源的集中控制與協(xié)作。在網(wǎng)元功能方面二者也存在較大的差異。

NSA與SA組網(wǎng)架構(gòu)

同時支持NSA與SA是5G組網(wǎng)的主要特征之一，所謂NSA方式即非獨立組網(wǎng)模式，而SA則是指獨立組網(wǎng)模式，二者均是支持5G發(fā)展的重要組網(wǎng)配置形態(tài)。其中，非獨立組網(wǎng)模式主要借助傳統(tǒng)的4G基礎(chǔ)設(shè)備進行組網(wǎng)，同時還以4G核心網(wǎng)軟件來支持5G網(wǎng)絡(luò)。

這種組網(wǎng)模式充分利用了現(xiàn)有的設(shè)備和軟件，因此可以保障組網(wǎng)效率，同時也有助于降低組網(wǎng)成本，通過較少的投入，快速實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，提升網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用效果。在這種組網(wǎng)模式下，5G載波只能承載用戶數(shù)據(jù)，依然需要借助4G網(wǎng)絡(luò)來傳輸控制信令。

對于獨立組網(wǎng)模式而言，則需要對5G網(wǎng)絡(luò)進行新建，不利用原有的4G基礎(chǔ)設(shè)備以及相關(guān)核心網(wǎng)軟件。獨立組網(wǎng)模式是完全意義上的新建，因此在獨立組網(wǎng)模式下，核心網(wǎng)、基站以及回程鏈路等均需要新建，因此核心網(wǎng)的轉(zhuǎn)變更加徹底。

獨立組網(wǎng)模式以虛擬化技術(shù)為主要支撐，同時借助切片/子切片管理功能及MANO等，為5G網(wǎng)絡(luò)賦予定制功能，并且還可以結(jié)合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供隔離網(wǎng)絡(luò)環(huán)境功能。獨立組網(wǎng)模式下的5G網(wǎng)絡(luò)功能更加完善，可以滿足不同行業(yè)的需求，其應(yīng)用范圍更廣。

不同的組網(wǎng)架構(gòu)具有不同的特點，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)以4G核心網(wǎng)為基礎(chǔ)的非獨立組網(wǎng)架構(gòu)。

這種組網(wǎng)架構(gòu)需要對4G基站進行升級，但是涉及4G核心網(wǎng)升級則相對較少。在這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式下，對MEC以及網(wǎng)絡(luò)切片等均不支持，同時還對基站有較高的要求，需要4G或者5G基站均出自相同的廠家。此外，這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)控制面要錨定于4G基站，這些都是該組網(wǎng)架構(gòu)的特點。

(2)以5G網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)為基礎(chǔ)的非獨立組網(wǎng)架構(gòu)。

這種組網(wǎng)架構(gòu)同樣需要將控制面錨定于4G基站，但是這種組網(wǎng)架構(gòu)支持MEC以及網(wǎng)絡(luò)切片，并且需要對4G基站進行升級。在升級過程中涉及的內(nèi)容相對比較復(fù)雜，需要通過對4G基站的升級使其能夠滿足5G網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

此外，這種組網(wǎng)架構(gòu)在終端連接以及基站廠家要求等方面均與以4G核心網(wǎng)為基礎(chǔ)的非獨立組網(wǎng)架構(gòu)中的組網(wǎng)架構(gòu)相同。

(3)獨立組網(wǎng)架構(gòu)。

在這種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，5GNR直接接入5GC，而且無須在終端進行上連接，支持MEC以及網(wǎng)絡(luò)切片。另外這種組網(wǎng)架構(gòu)涉及的4G核心網(wǎng)升級相對較少，并且對基站的廠家要求不嚴(yán)，基站可以出自不同的廠家。

由此不難看出，獨立組網(wǎng)架構(gòu)，即SA組網(wǎng)架構(gòu)的優(yōu)勢更加顯著，因此這種組網(wǎng)架構(gòu)形式更受國內(nèi)運營商的青睞，對SA方案的應(yīng)用也更加廣泛。非獨立組網(wǎng)模式會涉及較多的網(wǎng)絡(luò)變動，而獨立組網(wǎng)模式則不具備這方面的問題。

另外，獨立組網(wǎng)方案只需對現(xiàn)網(wǎng)進行較小的改動即可，而非獨立組網(wǎng)模式則需要保證基站出自相同的廠家，否則4G/5G則難以進行雙向連接。同時非獨立組網(wǎng)模式還需要對4G基站進行升級，不僅工作量更大，而且操作難度大。

五、結(jié)語

5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計和實現(xiàn)，為各種新興技術(shù)的發(fā)展提供了堅實基礎(chǔ)。5G 的高速率、低延遲、高容量和可靠性等特點，將為物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等新興技術(shù)的發(fā)展帶來新的機遇，并推動社會經(jīng)濟的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。隨著 5G 技術(shù)的不斷發(fā)展，未來將出現(xiàn)更多更先進的應(yīng)用和服務(wù)，為人類社會帶來更加美好的未來。