1.4 5G网络新技术

5G网络的演进可以概括为新场景、新空口、新架构。第1.3节中已经介绍了eMBB、uRLLC、mMTC三大新场景，本节简要介绍无线空口和核心网架构^[9]。

5G空口存在两种技术：5G演进空口和5G NR（New Radio，新空口）^[10]。5G演进空口是指通过4G网络的持续演进和增强，主要满足eMBB场景下5G技术需求；而5G NR是指不用考虑与4G的后向兼容，全新设计5G系统并满足所有3种典型场景下的全部5G技术需求。

5G核心网的架构设计一方面考虑和现有4G（LTE）网络的兼容与演进；另一方面也设计了新的架构来更好地支撑未来的需求场景。5G网络架构在支撑上述三大场景的同时，也考虑到现有LTE网络架构的平滑演进，因此制定了SA和NSA两种技术路线。其中，NSA网络主要提供面向公众用户的eMBB业务以及部分物联网业务；SA网络面向公众网和垂直行业，利用切片、边缘计算等新网络架构提供行业通信解决方案。

1.4.1 NSA网络架构

全面考虑4G网络部署现状及5G网络需求，3GPP提出多种NSA组网方式^[10-11]，其中Option 3系列采用LTE的EPC核心网，无线接入通过4G、5G基站联合提供服务。该方式能很好地支持4G平滑演进，也是初期主要采用的部署架构。

5G NSA网络总体架构和LTE基本相同，由核心网、IMS核心网、与IMS相关的AS（Application Server）、无线接入网和NSA终端组成，其中核心网EPC通过升级增强以支持与NSA相关的功能，简称EPC+。

5G NAS Option 3系列对EPC的主要改造点主要包括：MME（Mobility Management Entity）需支持DCNR（Dual Connectivity E-UTRAN and NR）功能、承载迁移（在用户承载建立过程中，根据4G基站提供的5G NR基站地址，通过5G NR基站建立用户承载）以及新增相关安全参数的传递；HSS中为用户签约的ARD（Access Restriction Data）可支持限制用户接入和使用特定的无线网络等。

以LTE核心网为基础的5G NSA架构的特点在于：

NSA终端除了可以接入4G 空口，还可接入5G NR；

无线接入网包含4G eNB和5G gNB两种；

业务面可按承载粒度由eNB或gNB通过S1-U隧道和核心网交互，eNB和gNB之间也可按照一定规则将数据业务通过互操作接口进行数据分流。

1.4.2 SA新网络架构

SA是3GPP Release 15提出的5G新架构，是对传统电信网络架构的一次革命性颠覆，将原有的网元按照“微服务”的理念拆分为松耦合、细粒度的网络功能（Network Function，NF），通过服务调用、服务组合的方式实现核心网的基本功能，如图1-3所示^[11]。

基于服务化的架构使5G网元可通过标准化接口格式互通，网元之间松耦合。5G核心网在控制与转发分离的基础上，控制面拆分为多个NF：AMF（Access and Mobility Management Function）主要负责终端接入和移动性管理；SMF（Session Management Function）负责会话管理；PCF（Policy Control Function）负责策略管理；UDM（Unified Data Management）负责用户数据管理等。NRF（Network Repository Function）是服务化架构的新增功能，负责对NF以及NF上提供服务的统一管理，包括注册、发现、授权等功能。

为了支持业务的快速上线、按需部署，移动网络需要一种开放网络架构，通过架构开放支持不断扩充网络能力，通过接口开放支持业务访问网络能力。5G服务化架构（SBA）正是在这种背景下诞生的。3GPP在Release 15中确定了SBA接口的协议栈，自下而上依次是：TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）、HTTP/2（HyperText Transfer Protocol 2.0，超文本传输协议2.0）、JSON（JavaScript Object Notation，JavaScript对象表示法）、RESTful、OpenAPI 3.0。这种协议设计带来诸多优点：便于采用新的互联网技术，具备以持续集成（Continnous Integration，CI）和持续发布（Continuous Delivery，CD）模式开发新的网络服务的能力，利于运营商自有业务和第三业务的敏捷开发和快速部署。

5G服务化架构中，将网络功能以服务的方式对外提供，不同的网络功能服务之间通过标准接口进行互通，支持按需调用、功能重构，从而提高核心网的灵活性和开放性。5G服务化架构提供了快速满足垂直行业需求的重要手段。服务以比传统网元更精细的粒度运行，并且彼此松耦合，允许在对其他服务的影响最小的前提下升级单个服务，每个服务可以通过轻量级服务接口直接与其他服务交互。与传统的点到点架构相比，基于服务化接口的架构可以轻松扩展，同时服务化接口是开放的接口，采用统一且通用的协议，任何其他NF和业务应用，都可以通过该接口使用NF。5G SBA的这些优点，充分保证了网络架构的开放性和灵活性。

网络切片是为满足垂直行业对网络能力可定制化、通信及信息安全可控化的需求而出现的。网络切片可将一个物理网络切分成功能、特性各不相同的多个逻辑网络，同时支持多种业务场景。基于网络切片技术，可以隔离不同业务场景所需的网络资源、提高网络资源利用率。

边缘计算是在网络边缘、靠近用户的位置，提供计算和数据处理能力，以提升网络数据处理效率，满足垂直行业对网络低时延、大流量以及安全等方面的需求。

除了前述的服务化外，5G在网络基础设施层面引入了虚拟化技术，包括NFV、SDN。NFV技术实现了计算和存储资源的虚拟化，实现了软件与硬件的解耦，使网络功能不再依赖于专有通信硬件平台、专用操作系统，实现了5G网络基础设施的云化，支持资源的集中控制、动态配置、高效调度和智能部署，缩短了网络运营的业务创新周期。SDN实现了通信连接的软件定义，将数据通信设备拆分为控制面和数据面，控制面集中控制并提供可编程接口，可根据组网和业务需要定义通信通道，实现流量的灵活调度，可按需调度和编排安全能力，实现定制化安全保障。云技术、虚拟化技术的引入，使得5G网络逐步“由硬变软”，得以低成本、灵活快速地支持切片、边缘计算等5G新服务。