第 3 章 5G 網絡架構
| 3.1 移動網絡架構演變 |
| 3.2 5G 邏輯架構的重構 |
3.2.1 5G 架構設計需求分析
5G 的架構設計主要需要滿足關鍵性能需求和網絡營運需求，為便于了解 5G 架構設計的革新，本節将以現有 4G 的網絡架構為基礎，逐一分析現有架 構的局限性，對比 5G 新的性能需求和營運需求，對現有架構進行分解、重構， 逐漸靠近 3GPP 确定的 5G 新架構。
1．關鍵性能需求
如前所述，3GPP 定義了 5G 應用的三大場景：eMBB、mMTC 和 uRLLC。
對于 eMBB 場景，又可進一步細分為連續廣覆寫場景和熱點高容量場景。 在連續廣覆寫場景下，要随時随地提供 100Mbit/s ～ 1Gbit/s 的高體驗速率， 并支援在高速移動如 500km/h 過程中的基本服務能力和業務的連續性。而在 現有的網絡架構中，基站間雖然可以通過 X2 接口實作南北向資料互動，但仍 無法通過基站間通信實作高效的無線資源排程、移動性管理和幹擾協同等功能，基站站間協同能力有待提高。另外，4G 主要是通過核心網實作多種無線接入的 統一控制，不同的接入技術在無線網側有各自獨立的控制面，難以提供一緻的 使用者體驗，同時，差異化的信令流程将導緻終端切換與互操作過程複雜，網絡 協同控制的能力不足。在熱點高容量場景下，核心網網關部署的實際位置較高， 且資料轉發模式單一，導緻業務資料流量向網絡中心彙聚，容易對移動回傳網 絡造成較大的容量壓力。
對于 mMTC 場景，當海量的 5G 差異化的物聯網終端接入時，由于現網采 用的是與移動網際網路場景相同的單一移動性和連接配接管理機制，承載物聯網少量 資料仍需消耗較大的基于隧道的連接配接管理機制報頭開銷，不僅效率低，還極有 可能造成信令擁堵。
對于 uRLLC 場景，現有網絡架構的控制面功能邏輯上分布在多個網元中， 無法實作集中控制，同一網絡控制功能可能需要多個網元通過接口協定協商完 成，端到端通信時需經曆較長的傳輸時延，對于本地業務甚至可能出現嚴重的 路由迂回現象。這既無法滿足 5G 高可靠性前提下的低延遲時間要求（現網端到端 時延與 5G 的時延要求約存在兩個數量級的差距），又無法滿足特定業務如車聯 網的安全性要求。
2．網絡營運需求
營運商在部署新型網絡時，需要考慮網絡建設和營運的可行性與便利性， 由此也對 5G 架構設計提出要求。
第一，網元功能需要滿足靈活部署需求。5G 需要根據不同的應用場景， 基于同一系統架構在網絡中靈活部署相适應的網元功能，4G 控制承載合一的 eNodeB 單一網元已不能滿足需求；另外，4G 時代站址資源已被極大程度地挖 掘和消耗，在 5G 超密集組網的場景下，新增站址資源将帶來巨大的投資，并 且實作難度很大。是以，營運商需要通過簡化網元功能降低站址部署條件要求。
第二，覆寫與容量兼顧的需求。4G 網絡架構一定程度上展現了控制與轉發 分離，但并不徹底，這導緻網絡信令複雜、處理時延高、擴容時靈活性不足。 以 eMBB 為例，連續廣覆寫場景傾向于采用低頻高功率宏基站組網，利用低頻 通信無線衰落小的傳播特性以及宏蜂窩大功率的裝置特性，提供廣覆寫服務； 而熱點高容量場景顯然更強調網絡容量，以滿足高密度使用者的需要，在具體部 署時也更傾向于采用高頻低功率節點密集組網，單個節點覆寫使用者少，控制面 帶寬需求相對較低。如果沿用控制與轉發面緊耦合的設計，在連續廣覆寫場景 下，為了改善覆寫而增加的宏基站，就有相當一部分資源浪費在使用者面的擴容 上，反之，在熱點高容量場景下的基站擴容，就有相當一部分投資浪費在控制面。 同時，由于缺少一個整體集中的控制面管理，網絡整體優化的難度也較大。
第三，精細化業務控制需求。4G 網絡架構雖然引入了 PCRF 這一網元，使 營運商可以基于 QoS 機制提供使用者查分服務和業務的差異化服務，但使用者資料 從 P-GW 到 eNodeB 的傳輸僅能根據上層傳遞的 QoS 參數轉發，難以深入分 析和挖掘使用者業務特征，導緻難以實施更為靈活和精确的路由控制。
第四，網絡開發能力問題。可以預見，在 5G 時代，随着業務流量和終端密 度的雙重提升，營運商在不斷降低網絡建設和營運成本的同時，也将向物聯網 和垂直行業延伸，以進一步拓展自身的盈利能力。而現有網絡的開放能力非常 有限，網絡缺乏對外開放的接口，無法實作與第三方業務需求的友好對接。
第五，跨廠商裝置相容性需求。基于營運政策和業務需求，營運商通常跨 廠商采購網絡裝置，而各廠商的裝置基本上是基于專用裝置定制開發的。這樣， 不僅跨廠商互通問題隻能嚴格依賴國際化标準手段解決，而且營運商也很難将 不同廠商的網絡裝置進行功能合并，網絡可拓展性極其受限。
綜上，5G 網絡架構的設計需要實作轉發分離化、部署分布化、網絡虛拟化 和功能子產品化，遵循靈活、高效、智能、開放的原則。靈活，指根據不同業務需 求建構以使用者為中心的組網，支援多種接入技術融合；高效，指簡化狀态、信令， 同時使網絡具有更低的傳輸成本，且易于拓展；智能，指網絡能夠實作資源的自 主配置設定和自動調整、組網的主自配置和自動優化；開放，指網元能夠突破軟硬體 緊耦合的限制，網絡能力可向第三方開放，以支援新業态的打造，創新盈利點。
簡而言之，對于 5G 接入網，要設計一個滿足多場景的以使用者為中心的多 層異構網絡，以支援宏微結合，統一容納多種接入技術，提升小區邊緣協同處 理效率，提高無線和回傳資源使用率。對于 5G 核心網的設計，一方面要将轉 發功能進一步簡化和下沉，将業務存儲和計算能力從網絡中心下移至網絡邊緣， 以支援高流量和低延遲時間業務要求，以及靈活均衡的流量負載排程功能；另一方 面也要更高效地實作對差異化業務需求的按需編排功能。
3.2.2 5G 網絡架構解析
在 5G 邏輯架構的設計上，我們遵循先繼承、後創新的思路，參照現有成熟 的 LTE 網絡架構，引入 SDN 和 NFV 等關鍵技術對網絡功能進行解析和重構，以 逐漸适應 5G 架構的演進需要。關于 SDN、NFV 等關鍵技術将在後面章節中介紹。
為了簡化，我們選取的參考架構是 LTE 的非漫遊網絡架構。漫遊網絡架構 的原理與非漫遊網絡架構的原理基本相同，隻是表述上略微複雜，這裡不做論述。
我們将 LTE 非漫遊網絡架構從邏輯上劃分為 3 個部分，如圖 3-4 所示。 第 1 部分是 LTE，為了滿足網絡的後向相容性所引入的，在此不做贅述。第 2部分是接入網，接入網（空口）的演進幾乎是曆代移動通信網絡架構演進中最 為關鍵的部分。第 3 部分是核心網，出于對現有網絡架構缺點的把握和對技術 成熟度的考慮，我們優先聚焦該部分的重構。
第 1 步，為了解決控制與轉發分離不徹底的問題，我們首先對兼具控制和 轉發功能的網關進行解耦。LTE 架構中 S-GW 和 P-GW 實際上支援實體網 元功能合一的部署，在邏輯上我們可以将其視為統一的 SAE-GW，然後引入 SDN 技術進行網絡功能解耦，使用者面功能由新定義的網元 UPF 承載，控制面 功能則交由新網元 SMF 進行統一管理。相應地，我們将原本已是純控制面網元 的 MME、HSS 和 PCRF 分别定義為 AMF、UDM 和 PCF，但對網元的實際功 能隻做微小的變更或整合。網絡重構的第 1 步如圖 3-5 所示。
第 2 步，為了滿足網絡資源充分靈活共享的需求，實作基于實際業務需求 的網絡自動部署、彈性伸縮、故障隔離和自愈等，我們引入 NFV 對網絡功能進 行虛拟化。是以，我們定義新網元 NF 以适應新的需要。考慮到 NF 面向的是 使用者差異化的服務，我們将其置于網元 PCF，并定義新的接口以便 NF 能夠按 需擷取 PCF 的政策控制等參數。網絡重構的第 2 步實作效果如圖 3-6 所示。
第 3 步，我們要将業務平台下沉到網絡邊緣，為使用者就近提供業務計算和 資料緩存能力，實作網絡從接入管道向資訊化服務使能平台的關鍵跨越。是以， 我們增強 UDM 的功能，以承擔業務平台下沉後相應的資料管理工作。同時， 引入網元 AUSF 承擔資料通路的鑒權和授權工作。此外，考慮到 5G 面向的是 極端差異化的業務場景，傳統的“豎井式”單一網絡體系架構無法滿足多種業 務的不同 QoS 保障需求，我們還需引入網元 NSSF 以實作網絡切片選擇的功能， 使網絡本身具備彈性和靈活擴充的能力。為了便于觀察和突出層次感，我們将 各個網元的擺放位置做簡單的調整，但不改變其拓撲關系。第 3 步重構後的網 絡架構如圖 3-7 所示。
到此，我們基本完成了核心網層面的網絡重構。接下來要考慮的是第 4 步： 接入網側的網元編排。從 1G 到 4G，無線通信系統經曆了迅猛的發展，現實網 絡逐漸形成了包含多種無線制式、頻譜利用和覆寫範圍的複雜現狀。在 5G 時 代，同一營運商将面臨多張不同制式網絡長期共存的局面。如何高效地運作和 維護多張網絡、減少運維成本是需要解決的重要問題。是以，多網絡融合也将 成為 5G 網絡架構設計的不可規避的考慮因素。對此，我們改變原有網絡單一 的 eNodeB 接入形式，對接入網側做進一步的優化和增強。我們定義新的網元 為（R）AN，以表示接入側不再是單一的無線接入，而是固移融合。經過第 4 步重構後，網絡圖示如圖 3-8 所示。
第 5 步，我們将為各個網元間的邏輯連接配接定義接口，如圖 3-9 所示。值得 重點注意的是，終端 UE 和 AMF 實體之間的直線和新定義的 N1 接口，必然将 使低延遲時間、高可靠、超密連接配接等 5G 願景變得更加觸手可及。
經過網絡重構五步走，我們得到了一張全新的 5G 非漫遊網絡架構圖，即 3GPP 所确定的 5G 網絡邏輯架構，該架構包含以下主要網元。
接入和移動性管理功能（AMF，Access and Mobility Management Function）
單元負責控制面的注冊和連接配接管理、移動性管理、信令合法監聽以及上下文安 全性管理等。相比于 MME，AMF 将漫遊控制、承載管理以及網關選擇等功能 剝離出去。可以說，AMF 就是“瘦身版”的 MME。
會話管理功能（SMF，Session Management Function）單元相當于是 MME 以及 SAE-GW 控制面經過業務整合後成立的多專業“子公司”，主要負 責會話管理，包括會話的建立、變更和釋放，以及 AN 節點和 UPF 間的通道維 持等。SMF 同時也繼承了 MME 的漫遊控制功能、UPF 選擇和控制功能，以 及繼承了原屬于 SAE-GW 的 UE-IP 位址配置設定等功能。
使用者面功能（UPF，User Plane Function）單元保留了 SAE-GW 的資料 轉發功能，包括本地移動性錨點、包路由和轉發、上下行傳輸級包标記、包過 濾和使用者面政策控制功能執行等。UPF 并無自主經營權，而是忠實地執行來自 SMF 的政策幹預和統籌排程。
政策控制功能（PCF，Policy Control Function）單元支援統一的政策框 架以管理網絡行為，一方面結合自定義資訊做出決策并強制控制面執行，另一 方面也為前端提供了連接配接使用者資料庫以擷取訂閱資訊的管道。PCF 在網絡中的 地位與 4G 網絡中的 PCRF 幾乎相同。
統一資料管理（UDM，Unified Data Management）實體包含兩個部分， 即應用前端和使用者資料管理器。應用前端負責憑證處理、位置管理和訂閱管理 等；而使用者資料管理器根據應用前端的需求，相應地進行使用者訂閱資料的存儲， 具體包括訂閱辨別、安全認證、與移動性相關的訂閱資料、與會話相關的訂閱 資料等。其作用相當于 4G 架構中 HSS 的增強版。
認證伺服器功能（AUSF，Authentication Server Function）單元最主要 的功能是認證和鑒權。作為網絡準入的裁決者，AUSF 對通過 AMF 來訪的 UE 進行認證，認證通過的 UE 可憑借 AUSF 授權的專用密鑰實作資料通路和擷取。
網絡切片選擇功能（NSSF，Network Slice Selection Function）單元主 要功能是根據網絡配置，為合法的 UE 選擇可提供特定服務的網絡切片執行個體。 NSSF 實作網絡切片選擇的機制是，通過切片需求輔助資訊的比對，為 UE 選 擇一個或一組特定的 AMF 提供的網絡服務。
應用功能（AF，Application Function）單元通過與核心網互動對外提供 專用服務。值得注意的是，AF 是營運商自行部署的受信任的應用，可直接通路 網絡的相關應用功能，無須經過其他外部接口。
如圖 3-10 所示，總體來看，5G 網絡架構清晰地呈現出控制面、轉發面、接 入面分離的特點，這與 IMT-2020 推進組提出的“三朵雲”5G 網絡架構思想契合。
如圖 3-11 所示，“三朵雲”5G 網絡将是一個可依業務場景靈活部署的融 合網絡。控制雲完成全局的政策控制、會話管理、移動性管理、政策管理、信 息管理等，并支援面向業務的網絡能力開放功能，實作定制網絡與服務，滿足 不同新業務的差異化需求，并擴充新的網絡服務能力。接入雲将支援使用者在多 種應用場景和業務需求下的智能無線接入，并實作多種無線接入技術的高效融
合，無線組網可基于不同部署條件要求，進行靈活組網，并提供邊緣計算能 力。轉發雲配合接入雲和控制雲，實作業務彙聚轉發功能，基于不同新業務的 帶寬和時延等需求，轉發雲在控制雲的路徑管理與資源排程下，實作增強移動 寬帶、海量連接配接、高可靠和低延遲時間等不同業務資料流的高效轉發與傳輸，保證 業務端到端品質要求。“三朵雲”5G網絡架構由控制雲、接入雲和轉發雲共同 組成，不可分割，協同配合，并可基于SDN/NFV技術實作。
| 3.3 無線接入網架構 |