1 引言

4G網(wǎng)絡(luò)通過引入新的空口技術(shù)以及核心網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)向著扁平化方向發(fā)展，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了控制與承載的分離，使得網(wǎng)絡(luò)更加簡(jiǎn)潔高效并且功能強(qiáng)大。4G網(wǎng)絡(luò)能向用戶提供高達(dá)百兆的速率，滿足大多數(shù)用戶及應(yīng)用業(yè)務(wù)的需求。然而隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接的速率、傳輸?shù)臅r(shí)延和海量連接的要求提出了比4G高數(shù)倍乃至數(shù)十倍的更高的要求。正是在這樣的背景下，第三代伙伴計(jì)劃3GPP提出了革命性的5G網(wǎng)絡(luò)，從用戶與服務(wù)的角度架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，滿足人們對(duì)于萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的多樣化、個(gè)性化、高質(zhì)量的需求。本文主要分析4G與5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的組成及功能特點(diǎn)，并對(duì)它們的差異進(jìn)行比較，提出從4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)到5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基本方法。

2 4G網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

4G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用扁平化的結(jié)構(gòu)，由演進(jìn)的分組核心網(wǎng)（EPC）、演進(jìn)的基站（eNB）和4G用戶設(shè)備（UE）三部分組成，而這當(dāng)中的EPC和無線接入網(wǎng)E-UTRAN組成了演進(jìn)的分組系統(tǒng)EPS(Evolved Packet System)，它的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 4G網(wǎng)絡(luò)功能單元分析

4G的核心網(wǎng)EPC（Evolved Packet Core），負(fù)責(zé)移動(dòng)性管理，用戶身份的驗(yàn)證，用戶數(shù)據(jù)的傳輸管理等，它主要包括MME、S-GW和P-GW等網(wǎng)元。其主要網(wǎng)元功能如下：

（1）移動(dòng)管理實(shí)體MME（Mobility Management Entity），作為控制面功能實(shí)體，它管理和存儲(chǔ)用戶終端UE相關(guān)信息，并且還為用戶分配臨時(shí)標(biāo)識(shí)。 主要的功能就是移動(dòng)性管理、承載管理、用戶的鑒權(quán)認(rèn)證。

（2）服務(wù)網(wǎng)關(guān)SGW（Serving Gateway）是一個(gè)負(fù)責(zé)用戶面功能的實(shí)體，與UE終端通過接口相連完成用戶面數(shù)據(jù)包的路由轉(zhuǎn)發(fā)，還終結(jié)無線接口空閑狀態(tài)時(shí)的下行數(shù)據(jù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的尋呼消息給予支持，管理和存儲(chǔ)UE的承載信息。

圖1 EPS系統(tǒng)架構(gòu)

（3）分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)PGW（PDN Gateway），負(fù)責(zé)為用戶分配IP地址，UE也是通過它接入外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)PDN的。它主要起到網(wǎng)關(guān)作用，通過它可以和多種不同的外部數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行互連。

（4）歸屬用戶服務(wù)器HSS（Home Subscriber Server），主要用來存儲(chǔ)用戶的鑒權(quán)信息、位置信息及漫游方面的信息等。

（5）策略和計(jì)費(fèi)規(guī)則功能實(shí)體PCRF（Policy and Charging Rule Functionality），能夠進(jìn)行策略控制決策，實(shí)現(xiàn)基于流計(jì)費(fèi)控制的功能，它還能夠根據(jù)用戶簽約信息和業(yè)務(wù)相關(guān)要求產(chǎn)生服務(wù)質(zhì)量QoS（Quality of Service）規(guī)則對(duì)用戶數(shù)據(jù)傳遞進(jìn)行更好控制。

4G系統(tǒng)的無線部分，也就是E-UTRAN，它主要包括eNB，它包含之前3G系統(tǒng)的NodeB的功能以及部分核心網(wǎng)的功能，它主要負(fù)責(zé)無線接入、連接的移動(dòng)性控制，它還對(duì)UE進(jìn)行動(dòng)態(tài)資源分配，對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮加密，為UE選擇MME和S-GW進(jìn)行信令和數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)下行的尋呼和廣播消息的也需要經(jīng)過它來傳輸，它還進(jìn)行用戶移動(dòng)性能測(cè)量輔助系統(tǒng)完成移動(dòng)性管理。

2.2 4G網(wǎng)絡(luò)接口分析

網(wǎng)絡(luò)中不同的網(wǎng)元之間互相連接的通道的參考點(diǎn)就是接口，LTE/EPC網(wǎng)絡(luò)中涉及的接口主要有：

Uu接口完成UE與eNodeB之間的無線數(shù)據(jù)的交換；X2接口則完成E-UTRAN系統(tǒng)內(nèi)eNB之間的信令交互。

核心網(wǎng)元MME-SGW之間通過S11接口采用隧道協(xié)議GTP建立隧道，傳送信令，搭建控制面與用戶面的橋梁。而MME與HSS之間通過S6a接口，完成用戶位置信息的交換和用戶簽約信息的管理。為了實(shí)現(xiàn)4G網(wǎng)絡(luò)的漫游，在不同的MME之間通過S10接口采用GTP建立隧道，傳送信令。而在用戶面SGW與PGW之間通過S5/S8接口傳送數(shù)據(jù)包，采用的也是GTP協(xié)議，另外，PGW還通過SGi接口利用TCP/IP協(xié)議與外部應(yīng)用服務(wù)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

基站eNB與MME之間通過S1-MME進(jìn)行會(huì)話管理（SM）和移動(dòng)性管理（MM）信息的傳送；基站eNB與SGW之間傳送用戶數(shù)據(jù)包是通過S1-U接口建立隧道來實(shí)現(xiàn)的。

3 5G網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

false5G 是新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，它具備充分的靈活性，能夠自感知、自調(diào)整，能適應(yīng)未來社會(huì)的快速變化，所以網(wǎng)絡(luò)虛擬化NFV、軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN是新架構(gòu)設(shè)計(jì)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。5G時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)從連接人向連接萬物（Internet of Everything）方向拓展！當(dāng)然，支撐這些特點(diǎn)和功能的基礎(chǔ)是5G的全新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖2、圖3所示。

3.1 5G網(wǎng)絡(luò)功能單元分析

5G網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)采用的是SBA架構(gòu)（Service Based Architecture，即基于服務(wù)的架構(gòu)），是以用戶為中心的智能彈性網(wǎng)絡(luò)。把原來具有多個(gè)功能的整體，分拆為多個(gè)具有獨(dú)自功能的個(gè)體，每個(gè)個(gè)體實(shí)現(xiàn)自己的微服務(wù)。

從圖3可以看到5G網(wǎng)絡(luò)中，控制面的網(wǎng)元相對(duì)于4G網(wǎng)絡(luò)增加了很多，但是這些網(wǎng)絡(luò)功能其實(shí)都是通過IT化在云平臺(tái)上利用軟件定義的方式虛擬出來的，所以5G網(wǎng)絡(luò)中定義新的功能體非常方便，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容、升級(jí)都將比較容易進(jìn)行。

首先來看5G無線接入網(wǎng)功能單元，包括集中單元CU(Centralized Unit)、分布單元DU(Distribute Unit)、有源天線單元AAU(Active Antenna Unit)這樣3個(gè)功能實(shí)體。原BBU的非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)部分構(gòu)成CU，處理無線部分的非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。而DU就是BBU的剩余功能組成的，用來處理物理和實(shí)時(shí)要求相關(guān)的服務(wù)。無源天線與無線拉遠(yuǎn)單元RRU再加上部分的BBU物理層功能就成了AAU。

5G把RRU拉遠(yuǎn)，把BBU集中成BBU基帶池，組成集中化無線接入網(wǎng)C-RAN（Centralized RAN）。這樣就可以統(tǒng)一管理多個(gè)BBU資源，資源運(yùn)用就更加合理。另外，RRU拉遠(yuǎn)之后，天線就可以安裝得離用戶更近，整個(gè)無線網(wǎng)和終端都可以把功耗降下來，更加節(jié)能環(huán)保。C-RAN下，實(shí)體基站變成了虛擬基站，小區(qū)之間的干擾也蛻變成了小區(qū)之間的協(xié)作，頻譜使用效率提高了。在5G中，引入了移動(dòng)邊緣計(jì)算MEC，將部分核心網(wǎng)功能下沉到無線側(cè)，更利于部分實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)效果的提升。

圖2 5G的無線網(wǎng)

圖3 5G的核心網(wǎng)

再來看5G核心網(wǎng)CN的功能單元。CN可進(jìn)一步拆分成控制面CP和用戶面UP，根據(jù)不同傳輸條件、業(yè)務(wù)特征、QoS要求靈活編排業(yè)務(wù)；CP和UP的分離，降低了轉(zhuǎn)發(fā)分布式部署的復(fù)雜度、控制面和用戶面可以獨(dú)立彈性伸縮。 組件化控制面架構(gòu)可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求定義不同功能變體，甚至剪裁功能以提高網(wǎng)絡(luò)效率；用戶面支持軟件定義轉(zhuǎn)發(fā)路徑，實(shí)現(xiàn)可編程控制。在圖3中，可以看到引入了許多虛擬的功能實(shí)體，分析如下。

AMF接入和移動(dòng)管理功能實(shí)現(xiàn)注冊(cè)管理、接入身份驗(yàn)證、接入授權(quán)、安全功能以及移動(dòng)管理功能。

SMF會(huì)話管理功能實(shí)現(xiàn)會(huì)話管理，包括IP地址分配和管理、選擇和控制用戶面功能、漫游功能并且支持與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的交互。

AUSF身份驗(yàn)證服務(wù)器功能主要進(jìn)行接入認(rèn)證。

NSSF網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能實(shí)現(xiàn)為UE提供所需服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例集。

NEF網(wǎng)絡(luò)開放功能支持網(wǎng)絡(luò)能力和事件的開放，通過NEF可以向其他網(wǎng)絡(luò)功能NF公開功能和事件。網(wǎng)絡(luò)開放功能還可以從其他網(wǎng)絡(luò)功能接收信息。

NRF網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)功能支持服務(wù)發(fā)現(xiàn)功能，維護(hù)可用NF實(shí)例及其支持服務(wù)的NF配置文件。

PCF策略控制功能，支持統(tǒng)一的策略框架來管理網(wǎng)絡(luò)行為。

UDM統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理支持生成3GPP AKA身份驗(yàn)證憑據(jù)。進(jìn)行用戶識(shí)別處理，支持隱私保護(hù)、基于用戶數(shù)據(jù)的接入授權(quán)以及用戶管理。

AF應(yīng)用功能與3GPP核心網(wǎng)絡(luò)交互以提供服務(wù)。

UPF用戶平面功能是外部PDU與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)互連的會(huì)話點(diǎn)。它還進(jìn)行分組路由轉(zhuǎn)發(fā)以及對(duì)用戶平面的QoS處理。

3.2 5G網(wǎng)絡(luò)接口分析

在5G中，提供兩種形式的接口參考點(diǎn)，一種是基于服務(wù)化接口的參考點(diǎn)，例如控制面NF之間的交互關(guān)系，另一種是基于傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的參考點(diǎn)，例如NF與無線側(cè)以及與外部網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)交互關(guān)系。

控制面中應(yīng)用到每個(gè)NF身上接口即為服務(wù)化接口，也就是Nxxx接口，因?yàn)榈讓拥膫鬏敺绞较嗤械姆?wù)化接口就可以在同一總線上進(jìn)行傳輸，這種通信方式又可以理解為總線通信方式?？偩€上具體的消息交互是：每個(gè)NF通過各自的服務(wù)化接口對(duì)外提供服務(wù)，并允許其他獲得授權(quán)的NF訪問或調(diào)用自身的服務(wù)。提供服務(wù)的NF成為NF服務(wù)提供者，訪問和調(diào)用服務(wù)的NF則稱為NF服務(wù)的使用者。它們之間通過訂閱和通知的方式進(jìn)行具體的消息交互。

而基于傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的參考點(diǎn)則有：

NG-C接口：無線接入網(wǎng)NG-RAN和5G核心網(wǎng)5GC之間的控制面接口，如5G新基站gNB和增強(qiáng)4G基站ng-eNB通過NG-C接口連接到AMF（對(duì)應(yīng)N2接口）。

NG-U接口：NG-RAN和5GC之間的用戶面接口，如gNB和ng-eNB通過NG-U接口連接到UPF（對(duì)應(yīng)N3接口）。

Xn接口是NG-RAN節(jié)點(diǎn)（gNB或ng-eNB）之間的網(wǎng)絡(luò)接口。Xn接口支持兩個(gè)NG-RAN節(jié)點(diǎn)之間的信令信息交換，以及PDU到各個(gè)隧道端點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)。

3 兩種網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的比較及演進(jìn)

通過從以上的分析，可以看到4G網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是其中所有設(shè)備都連接到具有相似網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（例如延遲，容量，吞吐量等）的核心網(wǎng)絡(luò)。所謂的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化也是針對(duì)特定的部署場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化，而不是針對(duì)不同的用例。

而5G網(wǎng)絡(luò)的特征是通過NFV、SDN、網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)分離化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、部署分布化，動(dòng)態(tài)配置資源，網(wǎng)絡(luò)功能軟件模塊化，從網(wǎng)元接口轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖δ苣K接口，網(wǎng)絡(luò)可編程; 控制面與用戶面分離，支持控制面和用戶面的獨(dú)立演進(jìn)和部署；針對(duì)不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景，網(wǎng)絡(luò)功能可裁剪，實(shí)現(xiàn)以業(yè)務(wù)為導(dǎo)向的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和部署。優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源分配，實(shí)現(xiàn)最大成本效率，滿足多元化需求。

4G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)到5G網(wǎng)絡(luò)有兩種路徑，一種是保留4G網(wǎng)絡(luò)逐步過渡，另外一種是建設(shè)全新5G網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)也就是5G的SA和NSA組網(wǎng)模式。

5G獨(dú)立組網(wǎng)模式（SA）：指新建5G網(wǎng)絡(luò)，包括新基站、回傳網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)。SA引入全新網(wǎng)元與接口，將大規(guī)模采用網(wǎng)絡(luò)虛擬化、軟件定義網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全面的5G服務(wù)。

優(yōu)點(diǎn)：SA將是主流部署方式，SA基站單站價(jià)格更有優(yōu)勢(shì)，SA可滿足5G高可靠、低時(shí)延要求。

缺點(diǎn)：SA組網(wǎng)由于是全新建網(wǎng)，無線網(wǎng)、核心網(wǎng)都要全面建設(shè)，投資巨大，發(fā)展進(jìn)程會(huì)相對(duì)較慢，建設(shè)初期網(wǎng)絡(luò)性能、網(wǎng)絡(luò)覆蓋可能不盡如人意。

非獨(dú)立組網(wǎng)模式（NSA）：指利用現(xiàn)有的4G基礎(chǔ)設(shè)施，主要通過架設(shè)新的5G基站做補(bǔ)充，進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)的部署，5G無線網(wǎng)僅承載用戶數(shù)據(jù)，其控制信令仍通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸。

優(yōu)點(diǎn)：NSA有4G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，無需建設(shè)新的核心網(wǎng)，能快速擴(kuò)大5G覆蓋范圍。

缺點(diǎn)：NSA是基于4G的核心網(wǎng)的，它不能充分實(shí)現(xiàn)5G的大連接、低時(shí)延的功能，另外NSA組網(wǎng)，由于無線網(wǎng)部分既連接了4G無線網(wǎng)又連接5G無線網(wǎng)，所以耗能更多。

通過以上對(duì)NSA與SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)差異的分析，可以看到雖然NSA組網(wǎng)可以充分利用4G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，部署速度更快，但SA才可以充分發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延、大連接的特點(diǎn)，有能力引入網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算等一系列新技術(shù)，可以為各行業(yè)的應(yīng)用打開空間。不同的運(yùn)營(yíng)商可以根據(jù)自己的情況選擇合適的演進(jìn)方法來部署和發(fā)展5G 網(wǎng)絡(luò)。