5G网络架构

本文以发展演变的眼光来看5G架构，会涉及到很多与LTE甚至3G的对比分析。

一、5G 3大应用场景

• eMBB 增强移动宽带
• URLLC 超低时延高可靠通信
• mMTC 海量机器通信

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二、概念

2.1、专有名词

RAN --- 无线接入网 。

D-RAN ---分布式无线接入网 。

C-RANCentralized RAN ---  集中化无线接入网C不仅代表集中化，还代表云化，协作，清洁。

RRU Remote Radio Unit--- 远端射频模块 。

BBU Building Baseband Unit ---室内基带处理单元 。

CU Centralized Unit---集中单元，原BBU的非实时部分将分割出来，重新定义为CU，负责处理非实时协议和服务。

DU Distribute Unit---分布单元，BBU的剩余功能重新定义为DU，负责处理物理层协议和实时服务。

AAU Active Antenna Unit---有源天线单元BBU的部分物理层处理功能与原RRU及无源天线合并为AAU。

MEC Mobile Edge Computing --- 移动边缘计算 。

NFV Network Function Virtualization---网络功能虚拟化就是将网络中的专用电信设备的软硬件功能（比如核心网中的MME, S/P-GW和PCRF，无线接入网中的数字单元DU等）转移到虚拟机（VMs，Virtual Machines）上，在通用的商用服务器上通过软件来实现网元功能。

SDN Software Defined Network ---软件定义网络。5G网络通过SDN连接边缘云和核心云里的VMs（虚拟机），SDN控制器执行映射，建立核心云与边缘云之间的连接。网络切片也由SDN集中控制。

EPC Evolved Packet Core---分组核心网。EPC具备如下特点： 1 核心网趋同化，交换功能路由化； 2 业务平面与控制平面完全分离； 3 网元数目最小化，协议层次最优化；4 网络扁平化，全IP化。

CoMP Coordinated Multiple Points Transmission/Reception---多点协作传输是指地理位置上分离的多个传输点，协同参与为一个终端的数据(PDSCH)传输或者联合接收一个终端发送的数据(PUSCH)。

CDN Content Delivery Network---内容分发网络。在网络各处放置节点服务器所构成的在现有的互联网基础之上的一层智能虚拟网络。

eMB BEnhanced Mobile Broadband ---增强移动宽带 。在现有移动宽带业务场景的基础上，提升用户体验。Polar Code（极化码）方案是 5G控制信道eMBB场景编码最终方案。

uRLLC Ultra Reliable Low Latency Communication---高可靠低时延通信。高可靠、低时延、极高的可用性。它包括以下各类场景及应用：工业应用和控制、交通安全和控制、远程制造、远程培训、远程手术等。

mMTC massive Machine-Type of Communication---海量机器类通信（大规模物联网）。mMTC和eMTC则是物联网的应用场景，但各自侧重点不同：mMTC主要是人与物之间的信息交互，eMTC主要体现物与物之间的通信需求。

eMTC enhanced Machine-Type Communication---增强机器类通信。是物联网的应用场景，超可靠低时延，侧重点主要体现物与物之间的通信需求。

 

2.2、接入网、承载网、核心网、空口

接入网是“窗口”，负责把数据收上来；承载网是“卡车”，负责把数据送来送去；核心网呢，就是“管理中枢”，负责管理这些数据，对数据进行分拣，然后告诉它，该去何方。

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三、5G架构

3.1、接入网（RAN）变化

3.1.1、BBU+RRU+天线

       传统基站，通常包括BBU（主要负责信号调制）、RRU（主要负责射频处理），馈线（连接RRU和天线），天线（主要负责线缆上导行波和空气中空间波之间的转换）。最初基站一体化，BBU和RRU被放在一个机房或者一个柜子，后来RRU被和BBU分开，有时候挂墙，大部分放到机柜里。再后来，RRU被放到天线身边，所谓RRU拉远。也就是分布式基站。

 

 

3.1.2、D-RAN

于是，RAN就变成了D-RAN（Distributed RAN），接入网 分布式了。

好处：大大缩短了RRU和天线之间馈线的长度，可以减少信号损耗，也可以降低馈线的成本。可以让网络规划更加灵活。毕竟RRU加天线比较小，想怎么放，就怎么放。

缺点：给运营商造成了成本的压力。在D-RAN的架构下，运营商为了摆放BBU和相关的配套设备（电源、空调等）需要租赁和建设很多的室内机房。

 

3.1.3、C-RAN

于是有了C-RAN，Centralized RAN，集中化无线接入网。除此之外，C还有其他含义。

除了把RRU拉远，还把BBU集中起来，BBU变成BBU基带池。分散的BBU变成BBU基带池之后，更强大了，可以统一管理和调度，资源调配更加灵活！

另外，拉远之后的RRU搭配天线，可以安装在离用户更近距离的位置。发射功率就可以降低了。低的发射功率意味着用户终端电池寿命的延长和无线接入网络功耗的降低。

3.1.4、虚拟基站

       C-RAN下，实体基站没有了，变成了虚拟基站。所有的虚拟基站在BBU基带池中共享用户的数据收发、信道质量等信息。强化的协作关系，使得联合调度得以实现。小区之间的干扰，就变成了小区之间的协作（CoMP），大幅提高频谱使用效率，也提升了用户感知。      

       此外，BBU基带池既然都在CO(中心机房)，那么，就可以对它们进行虚拟化了!

虚拟化，就是网元功能虚拟化(NFV)。简单来说，以前BBU是专门的硬件设备，非常昂贵，现在，找个x86服务器，装个虚拟机(VM，Virtual Machines)，运行具备BBU功能的软件，然后就能当BBU用啦!

 

3.1.5、5G的接入网

       5G可以适应于不同场景，不同场景的性能需求其实很不同，有的追求网速、有的追求时延、有的追求连接数、能耗等，为了更灵活地应对场景需求，5G的解决方案是拆分BBU/RRU、核心网下沉和网络切片。

3.1.5.1、BBU、RRU重构

       在5G网络中，接入网不再是由BBU、RRU、天线组成，而是被重构为CU+DU+AAU：

CU：Centralized Unit,集中单元。原BBU的非实时部分将分割出来，重新定义为CU，负责处理非实时协议和服务。

DU：Distribute Unit,分布单元。BBU的剩余功能重新定义为DU，负责处理物理层协议和实时服务。

AAU：Active Antenna Unit,有源天线单元。BBU的部分物理层处理功能与原RRU及无源天线合并为AAU。

       简而言之，CU和DU，以处理内容的实时性进行区分。AAU就是RRU+天线。

       拆分重构后，CU、DU、AAU可以采取分离或合设的方式，出现多种网络部署形态。这些部署方式的选择，需要同时综合考虑多种因素，包括业务的传输需求（如带宽，时延等因素）、建设成本投入、维护难度等。

① 与传统4G宏站一致，CU与DU共硬件部署，构成BBU单元。

② DU部署在4G BBU机房，CU集中部署。

③ DU集中部署，CU更高层次集中。

④ CU与DU共站集中部署，类似4G的C-RAN方式。

  

3.1.5.2、下沉

EPC（就是4G核心网）被分为New Core（5GC，5G核心网）和MEC（移动网络边界计算平台）两部分。MEC移动到和CU一起，就是所谓的“下沉”（离基站更近）。

 

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3.1.5.3、网络切片

切片，简单来说，就是把一张物理上的网络，按应用场景划分为N张逻辑网络。不同的逻辑网络，服务于不同场景。

不同的切片，用于不同的场景，网络切片，可以优化网络资源分配，实现最大成本效率，满足多元化要求。

3.2、承载网变化

        承载网是基础资源，必须先于无线网部署到位。5G想要满足以上应用场景的要求，承载网是必须要进行升级改造的。

在5G网络中，之所以要功能划分、网元下沉，根本原因，就是为了满足不同场景的需要。前面在谈接入网的时候，我们提到了前传、回传等概念说的就是承载网。因为承载网的作用就是把网元的数据传到另外一个网元上。

这里我们再来具体看看，对于前、中、回传，到底怎么个承载法。

3.2.1、前传（AAU--DU） 

3.2.1.1 光纤直连

        每个AAU与DU全部采用光纤点到点直连组网。实现起来很简单，但最大的问题是光纤资源占用很多。随着5G基站、载频数量的急剧增加，对光纤的使用量也是激增。所以，光纤资源比较丰富的区域，可以采用此方案。

3.2.1.2 无源WDM方式

        将彩光模块安装到AAU和DU上，通过无源设备完成WDM功能，利用一对或者一根光纤提供多个AAU到DU的连接。采用无源WDM方式，虽然节约了光纤资源，但是也存在着运维困难，不易管理，故障定位较难等问题。

PS、彩光模块：光复用传输链路中的光电转换器，也称为WDM波分光模块。不同中心波长的光信号在同一根光纤中传输是不会互相干扰的，所以彩光模块实现将不同波长的光信号合成一路传输，大大减少了链路成本。

 

3.2.1.3 有源WDM/OTN方式

        在AAU站点和DU机房中配置相应的WDM/OTN设备，多个前传信号通过WDM技术共享光纤资源。相比无源WDM方案，组网更加灵活（支持点对点和组环网），同时光纤资源消耗并没有增加。

PS、OTN（光传送网，Optical Transport Network）：是以波分复用技术为基础，在光层面组织网络的传送网，是下一代的骨干传送网。

3.2.2、中传（DU--CU）和回传（CU--核心网）

        由于中传与回传对于承载网在带宽、组网灵活性、网络切片等方面需求是基本一致的，所以可以使用统一的承载方案。主要介绍一下两种方案，承载网中采用的FlexE分片技术、减低时延的技术、SDN架构等，还需进一步了解。

1 、利用分组增强型OTN设备组建中传网络，回传部分继续使用现有IPRAN架构。

IPRAN：是针对IP化基站回传应用场景进行优化定制的路由器/交换机整体解决方案。

2 、中传与回传网络全部使用分组增强型OTN设备进行组网。

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3.3、核心网变化

        2G组网非常简单，MSC就是核心网的最主要设备。HLR、EIR和用户身份有关，用于鉴权。

之所以图上面写的是“MSC/VLR”，是因为VLR是一个功能实体，但是物理上，VLR和MSC是同一个硬件设备。相当于一个设备实现了两个角色，所以画在一起。HLR/AUC也是如此，HLR和AUC物理合一。

        2.5G（GPRS）在之前2G只能打电话发短信的基础上，有了GPRS，就开始有了数据（上网）业务。于是，核心网有了大变化，开始有了PS核心网。PS，Packet Switch，分组交换、包交换。

GSN：Server GPRS Support Node，服务GPRS支持节点。

GGSN：Gateway GPRS Support Node，网关GPRS支持节点。

SGSN和GGSN都是为了实现GPRS数据业务。

/*红色部分为PS交换*/

        2.5G到了3G，网络结构变成了下图，3G基站，由RNC和NodeB组成。3G除了硬件变化和网元变化之外，还有两个很重要的思路变化。其中之一，就是IP化。网线、光纤开始大量投入使用，设备的外部接口和内部通讯，都开始围绕IP地址和端口号进行。第二个思路变化，就是分离。具体来说，就是网元设备的功能开始细化，不再是一个设备集成多个功能，而是拆分开，各司其职。

 

        在3G阶段，分离的第一步叫做承载和控制分离。在通信系统里面，说白了，就两个（平）面，用户面和控制面。

用户面，就是用户的实际业务数据，就是你的语音数据，视频流数据之类的。

而控制面，是为了管理数据走向的信令、命令。这两个面，在通信设备内部，就相当于两个不同的系统。

接着，SGSN变成MME，GGSN变成SGW/PGW，也就演进成了4G核心网。

基站里面的RNC没有了，为了实现扁平化，功能一部分给了核心网，一部分给了eNodeB。

MME：Mobility Management Entity，移动管理实体。

SGW：Serving Gateway，服务网关。

PGW：PDN Gateway，PDN网关。

在3G到4G的过程中，IMS出现了，取代传统CS（也就是MSC那些），提供更强大的多媒体服务（语音、图片短信、视频电话等）。

        到了5G，网络逻辑结构彻底改变了。5G核心网，采用的是SBA架构（Service Based Architecture，即基于服务的架构）。SBA架构，基于云原生构架设计，借鉴了IT领域的“微服务”理念。把原来具有多个功能的整体，分拆为多个具有独自功能的个体。每个个体，实现自己的微服务。

有一个明显的外部表现，就是网元大量增加了。除了UPF之外，都是控制面。

/*红色虚线内为5G核心网*/

        网元看上去很多，实际上，硬件都是在虚拟化平台里面虚拟出来的。这样一来，非常容易扩容、缩容，也非常容易升级、割接，相互之间不会造成太大影响（核心网工程师的福音）。

简而言之，5G核心网就是模块化、软件化。就是为了“切片”，为了满足不同场景的需求。

比如，在低时延的场景中（例如自动驾驶），核心网的部分功能，就要更靠近用户，放在基站那边，这就是“下沉”。下沉不仅可以保证“低时延”，更能够节约成本，所以，是5G的一个杀手锏。

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3.4、MEC（mobile edge coumputing）移动边缘计算

        随着移动端新业务需求的不断增加，传统网络架构已经无法满足需求。于是有了基于NFV和SDN技术的云化核心解决方案，云计算成为核心网络架构的演进方向，将所有计算放在云端处理，终端只做输入和输出。

        然而随着5G的到来，终端数量增多、要求更高的带宽、更低的延迟、更高的密度。于是提出了MEC（mobile edge coumputing）移动边缘计算的概念，在无线侧提供用户所需的服务和云端计算功能的网络架构。用于加速网络中各项应用的下载，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、实时性强等特性。

MEC主要优势，省时、省力、省流量、简单细致高效。会应用在各个领域。

 

比如中兴的5G MEC解决方案，把UPF下沉到无线侧，和CU、移动边缘应用（ME APP，如视频集成内容cache、VR视频渲染APP）一起部署在运营商MEC平台中，就近提供前端服务。

比如，直播现场，部署MEC平台，可以调取全景摄像头拍摄视频进行清晰的实时回放。低时延、高带宽。

比如，视频监控，视频回传数据量比较大，但大部分画面是静止不动，没有价值的。部署MEC平台，可以提前对内容进行分析处理，提取有价值的画面和片段进行上传，价值不高的数据就保存在MEC平台的存储器中，极大的节省了传输资源。

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3.5、雾计算

        与云计算相比，雾计算所采用的架构更呈分布式，更接近网络边缘。雾计算将数据、数据处理和应用程序集中在网络边缘的设备中，而不像云计算那样将它们几乎全部保存在云中。数据的存储及处理更依赖本地设备，而非服务器。所以，云计算是新一代的集中式计算，而雾计算是新一代的分布式计算，符合互联网的"去中心化"特征。

        雾计算不像云计算那样，要求使用者连上远端的大型数据中心才能存取服务。除了架构上的差异，云计算所能提供的应用，雾计算基本上都能提供，只是雾计算所采用的计算平台效能可能不如大型数据中心。

        雾计算是以个人云，私有云，企业云等小型云为主，它有几个明显特征：低延时和位置感知，更为广泛的地理分布，适应移动性的应用，支持更多的边缘节点。这些特征使得移动业务部署更加方便，满足更广泛的节点接入。

        "云计算"可以简单地理解为网络计算，因为云的概念即是指网络。而"雾计算"则可以简单地理解为局域网计算，雾的概念可以代指分布式的局域网络。云计算与雾计算各有优缺点，可以相辅相成，同时又有竞争。

        一般而言，雾计算和边缘计算的区别在于，雾计算更具有层次性和平坦的架构，其中几个层次形成网络，而边缘计算依赖于不构成网络的单独节点。雾计算在节点之间具有广泛的对等互连能力，边缘计算在孤岛中运行其节点，需要通过云实现对等流量传输。

云计算和雾计算

 

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3.6、5G中的NFV和SDN

        未来5G网络将是基于SDN、NFV和云计算技术的更加灵活、智能、高效和开放的网络系统。5G网络架构包括接入云、控制云、转发云3个域。接入云支持多种无线制式的接入，融合集中式、分布式两种无线接入网架构，适应各种类型的回传链路，实现灵活的组网部署和更高效的无线资源管理。

        5G网络支持网络分片功能，为不同业务场景、用户，虚拟专用的网络资源。各网络系统的虚拟化、分层化演进，将使网络信息传送能力的统一控制得到实现。

NFV（Network Function Virtualization，网络功能虚拟化）/SDN（Software Defined Network，软件定义网络）架构引入，控制承载进一步分离，各系统同平台部署，系统互通和协同工作更为方便。

SDN是一种新兴的、控制与转发分离并直接可编程的网络架构，其核心是将传统网络设备紧耦合的网络架构解耦成应用、控制、转发三层分离的架构，并通过标准实现网络的集中管控和网络应用的可变成性。

目前SDN主要部署在数据中心之间，针对移动无线网络部署方案及架构还在讨论中。

SDN基础架构

NFV是一种通过硬件最小化来减少依赖的硬件的更灵活和简单的网络发展模式。其实质是将网络功能从专用硬件设备中剥离出来。实现软件和硬件解耦后的各自独立，基于通用的计算、存储、网络设备并根据需要实现网络功能及其动态灵活的部署。

NFV高层架构

5G网络架构的三朵云。蓝色的无线接入云，支持控制和承载分离、接入资源的的协同管理，满足未来多种的部署场景。

红色的控制云，实现网络控制功能集中，网元功能具备虚拟化、软件及其重构性，支持第三方网络能力开放。

绿色的转发云，将控制功能剥离，转发功能靠近各个基站，将不同的业务能力与转发能力融合。

其中，网络控制功能会根据物理区域进行划分，具体分为本地、区域和全局集中3种，一般来说控制功能会部署在数据中心，并通过北向接口来实现移动性管理、会话管理、资源控制和路由寻址等功能。

5G的网络架构

        总体来看，SDN是连接控制云和转发云的关键；NFV将转发云设备和多个控制云中的网元用通用设备来替代，从而节省成本。3朵云中的资源调度、弹性扩展和自动化管理都是依赖云计算平台。

        NFV负责虚拟网元，形成“点”，SDN负责网络连接，形成“线”，而所有这些网络连接，都是部署在虚拟化的云平台中，云计算形成了“面”。

        NFV主要负责网络功能的软件和虚拟化，并保持功能不变。软件化是基于云计算平台的基础设施，虚拟化是充分利用IT设备资源的低成本和灵活性，但并非所有网络功能都需要被虚拟化。

        SVN技术追求的是网络控制和承载的分离，将传统分布式路由计算转变为集中式、流标下发的方式，在网络抽象层面上，将基于分组的转发颗粒度转为基于流的转发颗粒度，同时根据策略进行业务流处理。

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3.7、NAS、RRC、PDCP

NAS（Non-Access Stratum，非接入层）和AS（Access Stratum，接入层）

NAS协议处理UE和CN之间信息的传输，传输的内容可以是用户信息或控制信息（如业务的建立、释放或者移动性管理信息）。NAS消息一定程度上独立于下面的AS协议结构，与采样什么样的无线接入网无关（可以是GSM、GPRS、WCDMA）。控制平面的NAS消息有CM、MM、SM以及GMM等。用户平面的网络层NAS协议是IP（分组交换），电路交换业务不需要。NAS消息的传输要基于底层的AS协议。AS是无线接入网采用的协议。

AS协议包括：无线接口协议，Iub协议以及Iu协议。其中的无线接口协议是UE与UTRAN间的协议，协议的高层（包括MAC、RLC、RRC等）位于UE和RNC之间，而底层（PHY）位于UE和NodeB之间。

图、NAS和AS

        RRC（Radio Resource Control）无线资源控制协议，RRC是处理UE(User Equipment)和eNodeB(Evolved Node-B)之间控制平面的第三层信息。层一为物理层（PHY），层二为媒体接入控制子层（MAC）、无线链路控制子层（RLC）和分组数据会聚协议子层（PDCP），层三为无线资源控制层（RRC）。其中物理层是无线接入系统最底层，它以传输信道为接口，向上层提供服务。RRC对无线资源进行分配并发送相关信令，UE和UTRAN之间控制信令的主要部分是RRC消息，RRC消息承载了建立、修改和释放层2和物理层协议实体所需的全部参数，同时也携带了NAS(非接入层）的一些信令，如MM、CM、SM等。

LTE中RRC只有两个状态：RRC_CONNECTED状态和RRC_IDLE状态。当已经建立了RRC连接，则UE处在RRC_CONNECTED状态。如果没有建立RRC连接，即UE处在RRC_IDLE状态。在RRC不同状态下的操作如下。

●RRC_IDLE：

（1）PLMN选择。

（2）接收高层配置DRX。

（3）获取系统信息广播。

（4）监控寻呼信道，检测到达的寻呼。

（5）进行邻区测量和小区选择和重选。

（6）UE获取唯一标识其跟踪区的ID。

●RRC_CONNECTED：

（1）E-UTRAN可以传输给UE或从UE接收单播数据。

（2）eNodeB可以控制UE的DRX配置。

（3）网络控制的移动性，即切换和具有网络协助（NACC）到GERAN的小区变更命令。

（4）UE可以进行以下过程：

a．监控一个寻呼信道和SIB1（System  Information Block Type1）的内容，来检测系统信息改变，具有ETWS能力的UE检测ETWS通知。

b．监控相关的控制信道，确定是否有给自己的数据调度。

c．提供信道质量和反馈信息。

d．进行邻区测量和测量上报。

e．获取系统信息。

PDCP(Packet Data Convergence Protocol)

        分组数据汇聚协议 。PDCP位于RLC子层之上，是L2的最上面的一个子层，负责发送或接收对等PDCP实体的分组数据。该子层主要的功能：IP包头压缩与解压缩、数据与信令的加密，以及信令的完整性保护。

PDCP向上层提供的业务包括：用户平面数据的传输、控制平面数据的传输、头压缩、加密、完整性保护等。

PDCP向下层提供的业务包括：透明数据传输业务、确认的数据传输业务（包括对PDCP PDU传输成功的指示）、非确认的数据传输业务（按序传输、包复制或丢弃处理）等。

具体来讲，PDCP层的用户平面包括如下功能：

● 头压缩与解压缩，只支持一种压缩算法，即ROHC算法。

● 用户平面的数据传输，即从NAS子层接收PDCP SDU数据转发给RLC层，反之亦然。

● RLC AM的PDCP重建立流程时对上层PDU的顺序递交。

● RLC AM的PDCP重建立流程时对下层SDU的重复检测。

● RLC AM切换时对PDCP SDU的重传。

● 数据加密。

● 上行基于定时器的SDU丢弃。

PDCP层控制平面包括的具体功能如下：

● 加密与完整性保护。

● 控制平面的数据传输，即从RRC层接收PDCP SDU数据，并转发给RLC层，反之亦然。

 

PDCP实体

        PDCP实体位于PDCP层。对于一个UE，可以定义多个PDCP实体。每个用于携带用户平面数据的PDCP实体可以配置使用头压缩技术，每个PDCP实体携带一个无线承载的数据。每个PDCP实体最多只能用一个ROHC实例。