5G网络架构与组网部署
学习目标：
- 掌握5G网络整体架构组成
- 掌握主要网元功能
- 了解网元间接口关系
- 了解5G网络组网部署策略
参考书目：
- 5G网络设计白皮书
- 5G无线技术架构
- 5G无线云网络总体技术报告
1.1 5G网络架构的演进趋势
1.1.1 概述
1. 5G移动通信系统整体架构
5G移动通信系统包括 5GC(5G Core Network ， 5G核心网)，和 NG - RAN(Next Generation Radio Access Network ， 5G无线接入网)。5G 核心网与 5G 接入网通过 NG 接口连接，实现控制面和用户面控制；5G无线接入网之间通过 Xn 接口连接，实现控制面（信令）和用户面（用户数据）功能。5G 移动通信系统整体架构如图 1- 1 所示：
其中，gNB 是 5G 的基站，eNB是 4G 的基站，ng-eNB 则表示 (Next Generation)，即下一代无线接入网（4G 增强型基站，可以实现部分5G 基站的功能），
AMF / UPF / SMF 是核心网的网元，UPF 主要实现用户面的功能，AMF / SAMF 主要用于控制面的功能，AMF 主要用于接入移动性管理。
2. 4G移动通信系统整体架构
4G移动通信系统包括 EPC(Evolved Packet Core network ， 演进分组核心网)和 E - UTRAN(EVolved Universal Terrestrial Radio Access Network ， 演进通用陆地无线接入网络)。4G 移动通信系统整体架构如下图 1 - 2 所示：
其中，eNB 为 4G 基站，基站间使用的是 X2 接口，不同于 5G 基站间 Xn 的接口，
MME 主要负责移动性管理，S - GW 主要用于实现用户面功能（网关）。
3. 4G与5G移动通信系统整体架构对比
5G 移动通信系统整体架构与 4G 整体架构类似。 4G 与 5G移动通信系统整体架构对比如下图 1- 3所示：RAN 网络引入 CU（集中单元 Centralized Unit） 、 DU（分布单元 Distributed Unit） ， 组网更灵活，利于多小区的集中控制，利于多功能的实现。 MEC (Multi-access Edgea Connection， 多接入边缘计算)是支撑 5G 系统运行的关键技术。
DU负责独立、实时性要求高的功能；CU负责需要信息汇聚、实时性要求低的功能。
图中，下半部分对应接入网部分，上半部分对应核心网部分，5G 结构改变，BBU 的功能通过 CU + DU （合设，左；分离，右）来体现（利于集中化管理，一个 CU 下可挂载多个 DU），射频单元 RRU 演变成了 AAU（引入了有源天线），也就是说 AAU 实现了 4G 中 RRU + 天线 的功能，
MEC 称为多接入边缘计算，将 5GC 的功能下放到 MEC 进行实现。
1.1.2 核心网架构演进
网络架构演进的核心目标：
- 实现从“互联网应用被动适应网络”向“网络主动、快速、灵活适应互联网应用”
- 网络和资源的部署将打破行政管理体制和传统组网思路的制约，转向以 IDC 为核心的新格局
- 不同阶段核心网技术特征与代表技术如下图 1- 4 所示：
接入网（收集数据），承载网（前传、中传、回传，传输数据），核心网的本质——路由交换（处理数据与分发），
5G 网络 模块化，软件化以满足不同场景的需要。
移动通信系统核心网从 3G 到 4G 的演进特点是 取消了 CS 域（Circuit Switch ， 电路交换域）只保留 PS 域（Packett Switch， 分组交换域）。4G 移动通信系统实现了控制和承载相分离， 4G 核心网架构如下图 1 - 5 所示：
5G 核心网颠覆了 4G 核心网的设计思路， 5G 核心网基于 SBA 实现（Service Based Architecture， 基于服务架构），使用 NFV 技术灵活重构网络功能，使用 SDN 技术灵活构建数据转发通道，使用切片技术实现业务保障与资源利用率最大化，完全实现 CUPS （Control and User Plane Separation， 控制与用户面分离），结合云技术全面支撑 5G 应用场景需求。为了应对 5G 网络的发展要求，基于服务的 5G 核心网架构如下图 1 - 6 所示：
1.1.3 无线接入网演进
从2G（第二代移动通信系统）开始到现在的5G（第五代移动通信系统），无线接入网技术一直处于变化之中，无线接入网的实现方式也呈现出“分合分”的表象，无线接入网的发展与演进如下图 1 - 7 所示：
1.2 5G网元功能与接口
1.2.1 5G移动通信整体网络架构
5G 网络功能之间的信息交互可以基于两种方式表示：
- 基于服务表示；
- 基于点对点表示
实际部署时，也可以采用两种方式相结合的表示方式，因为并不是所有的接口都适合基于服务表示，对于有些接口点对点表示方式更加适合，从图 1 - 8 可以看出，控制面内的网络功能（例如 AMF）使其他授权的网络功能能够访问其他服务。但是，对于接口 N1 和 接口 N2 ，这种表示还包括必要时的点对点表示方式。
非漫游与漫游的区别方式：看终端与访问端是否归属于同一地址；
NSSF 通过 Nnssf 接口与其他核心通信，接口通过服务注册与服务发现完成其功能，优点是不需要知道对方地址也能进行访问，
服务注册：将提供某个服务的模块信息（通常是服务的 ip 和端口）注册到1个公共的组件上去；
服务发现：新注册的服务模块能够及时被其他调用者发现，不管是服务新增和服务删减都能自动实现；
主要用于分布式微服务，原先所有服务混在一台服务器里，想再将其按照功能或对象拆分成 N 个服务模块，优点是利于深度解耦，能够实现快速的迭代更新，缺点是服务的管理和控制变得复杂和繁琐，维护难度变大，排查问题困难；
图中上方的信息方式是基于服务的，下方则是基于点对点表示的，
不同于基于服务表示，点对点相互通信需要提前约定相互访问的接口，
5G 移动通信系统点到点表示，如下图 1 - 9 所示，
5G 无线接入网的基站网元功能拆分为 CU（Centralized Unit ， 集中单元）和 DU（Distributed Unit ， 分布单元）。5G 移动通信系统 NG - RAN CU 与 DU 分离逻辑图，如下图 1 - 10 所示，
CU 与 DU 分离 options 如下图 1 - 11 所示，
底层功能划分方案：
- 便于控制面集中，利于无线资源干扰协调；
- 可采用虚拟化平台；
高层功能划分方案： 3GPP 标准确定了 option2：
- PDCP 上移便于形成数据锚点，便于支持用户面的双连接/多连接；
Option4：对传输时要要求很高，且未看到其他性能增益，后续基本不考虑该方案。
1.2.2 5G主要网元功能
5G 系统由接入网（AN）和核心网（5GC）组成，AN 与 5GC 的主要功能如下图 1 - 12 所示：
核心网主要功能：
UPF 主要用于用户面功能，
- gNodeB 间切换的本地移动锚点（适用时）
- 连接到移动通信网络的外部 PDU 会话点
- 基于 N 接口切换过程中，数据包路由与转发
- 数据包检查和用户面部分的策略计费
- 合法的监听拦截（集合）
- 流量使用情况报告
- Uplink 支持路由流量到一个数据网络
- 分支点以支持多类的 PDU 会话
- 对用户面的 QoS 处理，例如包过滤、门控、 ul/dl速率执行
- Uplink 流量验证（SDF 到 Qos 流映射）
- 上下行链路上传输级别的数据包标记
- 下行数据包缓冲和下行数据通知触发
SMF 主要用于会话管理功能，
- 会话的建立修改删除
- 包括 tunnel maintain between UPF and AN node
- UE IP 地址的分配和管理
- DHCPv4 (server and client) and DHCPv6(server and client)functions
- 选择控制用户面功能
- Qos 的策略与控制，终止策略控制
- 合法监听
- Termination of SM parts of NAS messages
- 下行数据的通知
- 漫游功能
AMF 主要用于访问和移动性管理功能，
- NAS 信令及信令的加密和完整性保护
- 终止运行 RAN 网络接口（N2）
- 注册管理
- 连接管理
- NAS 移动性管理
- 合法的截距（用于 AMF 事件和对 LI 系统的接口）
- 为在 UE 和 SMF 之间的 SM 消息提供传输
- 路由 SM 消息的透明代理
- 访问验证
- 在 UE 和 SMSF 之间提供 SMS 消息的传输
- 用户鉴权及密钥管理
- 承载管理功能，包括专用承载建立过程
接入网主要功能：
gNB/en-gNB基站功能，
CU-C(Central Unit Control plane) 主要用于控制面功能，
- Interface Management：Xn/NG/F1/E1 等接口链路管理、接口消息处理（如：NG-AP）和数据处理（如：GTP-U）
- Connection Management：单连接、双连接、多连接和 D2D
- Traffic Steering：系统内和系统间的负载均衡
- Slice Support：系统能和系统间的切片资源动态管理
CU-U(Central Unit User plane)
- 数据包的处理和转换
DU(Distributed Unit)
- 资源的调度
- 传输模式的转换
- 信道映射
AAU-RF(Radio Frequcency)
- 信号的手法
- MAssive
- MIMO 天线处理
- 频率与时间同步
- AAS实现机制
1.2.3 5G系统接口功能与协议
5G 系统的接口非常多，如果考虑接口间的协同工作及相互影响，可能涉及内容更多，本节内容仅针对 NG 接口、 Xn接口、F1 接口、E1 接口和 Uu 接口进行描述。5G 系统接入网（AN）和核心网（5GC）的主要接口如图 1 - 13 所示：
NG 接口：
NG 接口是 NG - RAN 和 5G 核心网之间的接口，支持控制面和用户面分离，支持模式化设计、 NG 接口协议栈 如图 1 - 14 所示，其中左侧表示控制面协议栈（NG-C 接口），右图表示用户面协议栈（NG-U 接口）。
NG-C 接口与流程如表 1 - 2 所示：
NG-U 接口主要功能：
- NG-U 接口在 NG-RAN 节点和 UPF 之间提供非保证的用户平面 PDU 传送
- 协议栈传输网络层建立在 IP 传输上
- GTP-U 在 UDP/IP 之上用于承载 NG-RAN 节点和 UPF 之间的用户面 PDU
Xn 接口：
Xn 接口是 NG-RAN 之间的接口，Xn 接口协议栈如下图 1 - 15 所示，其中左侧表示控制面协议栈（Xn-C 接口），右侧表示用户面协议栈（Xn-U 接口）。在 CU/DU分离的情况下，Xn-C 是 CU-C 之间的接口， Xn-U 是 CU-U 之间的接口，
Xn-C 接口功能如下表 1 - 3 所示：
Xn-U 接口的主要功能：
- Xn-U 接口提供用户平面 PDU 的非保证传送，并支持分离 Xn 接口为无线网络功能和传输网络功能，以促进未来技术的引入
- 数据转发功能，允许 NG-RAN 节点间数据转发从而支持双连接和移动性操作
- 流控制功能，允许 NG-RAN 节点接收第二个节点的用户面数据从而提供数据流相关的反馈信息
E1接口：
CU/DU 分离场景下，E1 接口是指 CU-C 与 CU–U 之间的接口， E1 接口只有控制面接口（E1-C 接口），E1 接口市开放接口，支持端点之间信令信息的交换，支持 5G 系统新服务和新功能， E1-C 接口不能用于用户数据转发， E1 接口协议栈如下图 1 - 16 所示：
E1 接口功能如下表 1 - 4 所示：
F1 接口：
CU/DU 分离场景下，F1 接口是指 CU 与 DU 之间的接口， 区分为用户面接口（F1-U 接口）和控制面接口（F1-C 接口），F1 接口支持 eNB-point 之间的信令交互，包括支持不同 eNB-point 的数据发送， F1 接口协议栈如下图 1 -17 所示，其中左侧表示控制面协议栈（F1-C 接口），右侧表示用户面协议栈（F1-U 接口），用户面数据与控制面信令对传输可靠性与有效性要求不同，控制面强调可靠性，用户面强调效率，故使用协议不同。
F1 接口功能如下表 1 - 5 所示：
Uu接口：
终端与基站之间使用 Uu 接口，其控制面协议栈如下图 1 - 18 所示，
终端可以与核心网直接基于 NAS 层进行交互，此时基站起到透传的作用，控制面的主要功能为：
- RLC 和 MAC 层功能与用户面中的功能一致
- PDCP 层完成加密和完整性保护
- RRC 层完成广播，寻呼， RRC 连接管理， 资源控制，移动性管理，UE 测量报告控制
- NAS 层完成核心网承载管理，鉴权及安全控制
Uu和接口用户面协议栈如图 1- 19 所示，
用户面的主要功能为:
- 头压缩，加密，调度，ARQ/HARQ
- 5G 用户面增加新的协议层 SDAP（Service Data Adapatation Protocol），完成流（5G QoS flow）到无线承载（DRB）的 QoS 映射，为每个报文打上流标识（QFI： QoS flow ID）
- PDCP 相较于控制面没有完整性保护的功能，仅起到头压缩，加密的功能
- RLC 功能同控制面一致，分段，级联，传输模式的映射，ARQ
- MAC 调度，前向纠错，混合自动重传
NAS 层是控制面功能，位于核心网的 AMF 与终端之间，功能包括核心网承载管理、注册管理、连接管理、会话管理、鉴权、安全性和策略控制，基于服务的 NAS 接口如图 1- 20 所示，
1.3 5G网络组网部署
1.3.1 SA 组网和 NSA 组网
根据 3GPP（3rd Generation Partnership Project） 定义，5G 标准分为非独立组网（NSA，Non-Standaloine）和独立组网（SA，Standalone）两种模式，
SA 组网是指使能 5G 网络不需要其他移动通信系统的辅助，可以独立进行工作。
NSA 组网是指使能 5G 网络需要其他移动通信系统的辅助，如果辅助缺失，那么 5G 网络不可以独立进行工作。通常而言，5G 网络建设阶段， NSA 组网方式是在表明 5G 网络的使用需要 4G 网络进行辅助。
5G 移动通信系统的接入网有两种表现方式：ng-eNB 和 gNB
ng-eNB 和 gNB 都可以独立地承担与核心网之间控制面和用户面的连接，不需要其他接入网网元辅助，针对 5G 移动通信系统 3GPP 确定的 SA options 如下图 1- 21所示，
其中左侧，对应接入网使用 eNB 表示，称之为 option2；右侧对应接入网使用 ng-eNB 表示，称之为 option5。
NSA 组网：
NSA option 3
3GPP 确定的 NSA option 3 系列 如下图 1 - 22 所示，
- Option：4G 基站作为 主节点/锚点站， 5G 基站作为辅节点，控制面信令只能通过 4G 基站发送；数据可以通过主节点进行分流；
- Option 3A：5G 基站与核心网有 S1-U 接口建立的用户面连接；
- Option 3X：同时与主节点与核心网建立用户面连接，防止主节点数据量过大过载；
2017 年 12 月制定：4G 基站（eNB）和 5G 基站（gNB）公用 4G 核心网（EPC），LTE eNB 和 5G gNB 用户面可以直接连接到 EPC，控制面则仅经由 LTE eNB 连接到 EPC，用户面可以分别经由 LETE eNB、EPC 或者 gNB 进行分流。优势在于不必新增 5G 核心网，利用运营商现有 4G 网络基础设施快速部署 5G，抢占覆盖和热点。但是 5G 信令全走 4G 通道，有 4G 核心网信令过载风险，因此该阶段主要解决初期的 5G 覆盖。
NSA option 7
3GPP 确定的 NSA option 7 系列如下图 1 - 23 所示，
- Option 7：5G 核心网与 4G 增强型基站直接连接，并通过 4G 增强型基站转发数据；
- Option 7A：4G 基站仅起到传输信令作用；
- Option 7X：大多数数据从 5G 基站进行接收；
2018 年 12 月确定：增强型 4G 基站（ng-eNB）与 5G基站（gNB）共用 5G 核心网（5GC），该阶段 5G 核心网代替了 4G 核心网，控制面则仅经由 ng-eNB 连接到 5GC，用户面可以分别经由 ng-eNB、5GHC 或者 gNB 进行分流，解决了 4G 核心网心灵过载风险，主要面向 5G 容量需求。
数据锚点：5G NR 接入网做数据锚点支持 X 架构（LTE 设备处理能力弱于 NR，不适合做锚点）
NSA option4
3GPP 确定的 NSA option4 系列如下图 1 - 24 所示，
2019 年 12 月确定：增强型 4G 基站（ng-eNB）与 5G 基站（gNB）共用 5G 核心网（5GC），该阶段 5G 核心网替代了 4G 核心网，控制面则仅经由 5G gNB 连接到 5GC， 用户面可以分别经由 gNB、5GC 进行分流。该阶段不仅面向 5G 的增强型移动带宽场景（eMBB，Enhanced Mobile Broadband），还面向大规模网联网（mMTC，Maritime Mobile Telegraphy Calling）和低时延高可靠物联网（uRLLC，Ultra Reliable Low Latency Communication）。是面向万物连接时代 5G 的多样化业务。
3GPP 协议标准定义的基站如下表 1 - 6 所示，
| 基站名称 | 面向对象 | 提供协议 | 接口与节点 |
|---|---|---|---|
| eNB | 面向终端（UE） | 提供 E-URTRAN 用户面和控制面协议 | 通过 S1 接口连接到 EPC 的网络节点 |
| ng-eNB | 面向终端（UE） | 提供 E-UTRAN 用户面和控制面协议 | 通过 NG 接口连接到 5GC 的网络节点 |
| gNB | 面向终端（UE） | 提供 NR 用户面和控制面协议 | 通过 NG 接口连接到 5GC 的网络节点 |
| en-gNB | 面向终端（UE） | 提供 NR 用户面和控制面协议 | 通过 S1-U 接口连接到 EPC 的网络节点 |
SA 和 NSA 组网方案对比如下表 1 - 7 所示，
| 分类 | 非独立 NR （NSA）架构 | 独立 NR（SA）架构 |
|---|---|---|
| 支持功能 | 仅支持 eMBB | 全部 5G 功能 |
| LTE 现网 | 需要升级 LTE 基站以及核心网支持 NSA | 不影响现网 LTE |
| 终端 | 5G NR 下需要提供 Customized 4G NAS UE with 5G RRC；eLTE理论支持 LTE 终端 | 5G NR 下使用 5G UE ；LTE 终端在 LTE 网络下继续使用 |
| 5G 新频 NR 以及天线 | 无论高低频全部新增 | 无论高低频全部新增 |
| 核心网 | 初期只需升级现网 EPC；后期可选择新建 5G 核心网支持 eLTE | 新增 5G 核心网 |
| 初期成本 | 低 | 高 |
| 后期维护成本 | 高，升级软件需要升级 LTE 基站 | 低 |
| 组网 | 复杂，需要考虑到 LTE 的链路 | 简单 |
| IOT对接 | 不需要 5G NR 接入与核心网跨异厂家 IOT 测试 LTE 或 eLTE 与升级后的 EPC IOT 对接验证 | 需要 5G NR 与 5G 核心网跨异厂家 IOT 测试成熟，需要较长时间 |
| 演进 | 可以通过生机与网络调整变为 SA | SA 为最终模式 |
1.3.2 MR-DC 技术
MR-DC（Multi-RAT Dual Connectivity），多接入网技术双连接，是指一部终端可以同时连接 4G 网络和 5G 网络，同时使用两个网络进行业务，此时终端需要具备两个 MAC 实体，支持双发双收，对用不同的网络架构，双连接有不同的名称，不同场景下的 DC 名称如表 1 - 8 所示，
以 option 3x 组网场景为例，
从控制面看：
网络侧 MN（eNB）和终端之间会建立面向核心网的控制平面连接，维护唯一的 RRC 状态。MN（eNB）和 SN（gNB）具有各自的 RRC 实体，可以生成要发送到终端的 RRC PDU（Protocol Data Unit， 协议数据单元），NSA option 3x 控制面协议栈如下图 1 - 25所示：
从用户面看：
DC 场景下，UE 和网络可能建立 MCG Bearer、SCG Beareer 和 Split Bearer。
NSA option 3x 用户面承载概念如下图 1 - 26 所示：
- MCS：主小区组
- SCG：辅小区组
- MN：Master Node
- SN：Secondary Node
MN 提供到核心网的控制面连接，SN 不提供与核心网的控制面连接，只为 UE 提供额外的资源。MN 和 SN 之间通过网络接口连接起来，至少 MN 要与核心网连接，SN 可以与核心网连接，也可以不跟核心网连接。
DC 与 CA（Carrier Aggregation，载波聚合）是一对极易混合的概念，3GPP 在 R10 版本引入 CA 这一概念， CA 技术中终端也会与多个接入网网元建立连接，但是控制面连接仅有一个，双连接与载波聚合的对比如下表 1 - 9 所示，
1.3.3 CU/DU 组网部署
根据不同业务和部署场景，NR 架构总体可以分为 CU 和 DU 两级，但是实际部署可以出现 CU、DU 和 AAU 分离的三级配置，也可以出现 AAU（Active Antenna Unit） 直接连入中心节点。
NR 的不同网络结构示意图如下图 1 - 27 所示，
为了支持 eMMB 业务的覆盖和容量需求，CU 和 DU 需要进行分离部署，分为两种形式：Macro（宏）方式和 Micro（微）方式，CU/DU 分离 Macro 和 Micro 组网部署如图 1- 28 所示，
当业务容量需求变高，在密集部署情况下，基于理想前传条件，多个 DU 可以联合部署，形成基带池，提高基站资源池的利用率，并且可以利用多小区写作传输和协作处理以提高网络的覆盖和容量。CU/DU 分离 DU 资源池组网方式如图 1 - 29 所示，
语音业务对带宽和实验要求不高，此时 DU 可以部署在基站侧；对于大带宽低时延业务（如视频或者虚拟现实），一般需要高速传输网络或者光纤直接连接到中心机房，并且在中心机房部署缓存服务器，以降低时延并提升用户体验。CU/DU 分离针对高时延和低时延部署方式如图 1 - 30 所示，
对于面向垂直行业的机器通信业务，在建设 5G 网络时，需要考虑机器通信的特点。大规模机器通信普遍对时延要求较低，其特点有两个：
- 数据量少而且站点稀疏；
- 站点数量多，且分布密集。
CU/DU 分离针对 eMTC 的部署方式如图 1 - 31 所示，
参考网页：