5G核心网接入网演进
随着5g研究的深入和普及，对于5g具备的能力已达成基本共识：满足增强的移动互联网应用需求，拥有更高体验速率和更大带宽接入的能力；满足车联网、远程医疗、应急通信、工业控制等垂直行业应用需求，拥有低时延、高可靠的信息交互能力，具备承担高时效、高精密、高安全需求业务的能力；满足物联网设备互联互通的应用需求，拥有更高连接密度、更简单信令交互的能力，支持大规模、低成本、低功耗物联网设备的高效接入和管理。
为了满足这些苛刻的体验、效率和性能的要求，5g必须要构建一个资源全共享、功能易编排、业务紧耦合的网络平台。因此，5g网络架构就必须全面深入优化。
蜂窝通信系统的网络可以划分成接入网（ran）和核心网（cn）两部分，无线接入网主要由基站组成，为用户提供无线接入功能；核心网主要由基站管理器、网关、计费系统组成，主要为用户提供网络接入服务和管理功能，在4g lte系统中，基站和核心网分别叫enb和epc。
5g系统由接入网（an）和核心网（5gc）组成，若考虑nsa（非独立组网）场景，则还需要考虑4g的网元。5g网络在传统4g lte网络的基础上进行了优化处理，网元呈现虚拟化、云化。
一、主要网元及功能
5g网元的功能划分如图所示。ng-ran包含gnb或ng-enb节点，5gc包含amf，upf和smf三个功能模块。
gnb/ng-enb
o 小区间无限资源管理intercell radio resource management（rrm）
o 无线承载控制radiobear（rb）control
o 连接移动性控制connection mobility control
o 测量配置与规定measurementconfiguration and provision
o 动态资源分配dynamicresource allocation
amf
o nas安全non-accessstratum（nas） security
o 空闲模式下移动性管理idlestate mobility handling
upf
o 移动性锚点管理 mobilityanchoring
o pdu处理（与internet连接）pduhandling
smf
o 用户ip地址分配 ue ipaddress allocation
o pdusession控制
主要网元功能实体 (nf)：
o ue: 用户终端设备user equipment (ue)
o ran: 接入网络(radio) access network (ran)
o amf: 接入及移动性管理功能access and mobility management function
o upf: 用户面功能user plane function (upf)
o ausf: 鉴权服务功能authentication server function
o dn: 数据网络data network (dn), 比如运营商业务，互联网接入或者第三方业务等。
o udfs: 非结构性数据存储功能unstructured data storage function
o nef: 网络业务呈现功能network exposure function (nef)
o nrf: 网元数据仓库功能nf repository function (nrf)
o nssf: 网络切片选择功能network sliceselection function (nssf)
o pcf: 策略控制功能policy control function (pcf)
o smf: 进程管理功能session management function (smf)
o udm: 统一数据管理功能unified data management (udm)
o udr: 统一数据仓库功能unified data repository (udr)
o af: 应用层功能application function (af)
o eir: 5g设备标识注册设备5g-equipment identity register (5g-eir)
二、5g接入网
移动的云引擎是无线接入网一系列ran功能的云化组合，其中的关键是软硬件解耦，各功能网元可部署在通用的cots上，从而实现nfv架构，达到资源池化、弹性、可伸缩性等云化特征。简单的来说就是将各网元以软件包的形式安装到一在云服务器上。
为了进一步提高5g移动通信系统的灵活性，接入网不再是由bbu、rru、天馈系统组成了，而是被重构为3个功能实体——cu、du、aau：
o cu（centralizedunit，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；
o du（distributeunit，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；
o aau（active antennaunit，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。
an有两种：
o gnb,为ue提供nr用户面和控制面协议终结点；
o ng-enb,为ue提供e-utra的用户面和控制面协议的终结点。
一般来说一个gnb-du只连接一个gnb-cu。但是为了实现的灵活性，每个gnb-du也可能连接到多个gnb-cu。gnb cu中的控制面和用户面是分离的，一般只有一个cp，但是允许有多个up。需要注意的是，gnb-cu及连接的若干gnb-du是作为一个整体逻辑gnb对外呈现的，且只对其他的gnb和所相连的5gc可见。
du和cu共同组成gnb，每个cu可以连接1个或多个du。cu和du之间存在多种功能分割方案，可以适配不同的通信场景和不同的通信需求，由此带来的好处如下：
o 对现有ran架构进行分离可以有效降低前传带宽的需求；
o rancu内部的移动性不可见，从而降低cn的信令开销和复杂度；
o 采用cu将控制协议和安全协议集中化后，cu的出现更加适应nfv的架构实现cloud ran，增加了ran侧的功能扩展性。
三、5g核心网
5g核心网构架主要包含三大关键技术：sba、cups和网络切片，这是最终实现化整为零、由硬变软的彻底演进。
sba
sba（servicebased architecture），即基于服务的架构。它基于云原生构架设计，借鉴了it领域的“微服务”理念，将设备功能“打散”。
传统网元是一种紧耦合的黑盒设计，nfv（网络功能虚拟化）从黑盒设备中解耦出网络功能软件，但解耦后的软件依然是“大块头”的单体式构架，需进一步分解为细粒度化的模块化组件，并通过开放api接口来实现集成，以提升应用开发的整体敏捷性和弹性。
核心网功能模块化，包括控制面及用户面，以库的方式调用,控制面功能模块包括移动性管理、策略控制、用户数据、会话控制等等，用户面功能模块包括话单、转发、业务感知、数据优化等等，这些功能模块就是被“打散”后库的内容，网络根据不同的需求做功能的裁剪和选择。简单的来说，微服务就是指将monolithic拆分为多个粒度更小的微服务，微服务之间通过api交互，且每个微服务独立于其他服务进行部署、升级、扩展，可在不影响客户使用的情况下频繁更新正在使用的应用。
基于这样的设计理念，传统网元先转换为网络功能（nf），然后nf再被分集为多个“网络功能服务”。
那么，sba其实也就是网络功能服务和基于服务的接口的组合体。
cups
cups（controland user plane separation），即控制与用户面分离。目的是让网络用户面功能摆脱“中心化”的囚禁，使其既可灵活部署于核心网（中心数据中心），也可部署于接入网（边缘数据中心），最终实现可分布式部署。
事实上，核心网一直沿着控制面和用户面分离的方向演进。比如，从r7开始，通过directtunnel技术将控制面和用户面分离，在3grnc和ggsn之间建立了直连用户面隧道，用户面数据流量直接绕过sgsn在rnc和ggsn之间传输。到了 r8，出现了mme这样的纯信令节点，只是到了4.5g和5g时代，这一分离的趋势更加彻底，也更加必要，其中一大原因就是，为了满足5g网络毫秒级时延的kpi。
数据要在相距几百公里以上的终端和核心网之间来回传送，显然是无法满足5g毫秒级时延的，由于物理距离受限，因此需将内容下沉和分布式的部署于接入网侧（边缘数据中心），使之更接近用户，降低时延和网络回传负荷。
网络切片
5g服务是多样化的，包括车联网、物联网、远程医疗、vr/ar等，网络能力面临众口难调的局面，因此需要把网络切成多个虚拟且相互隔离的子网络，分别服务于不同的业务。
因为需求多样化，所以要网络多样化;因为网络多样化，所以要切片;因为要切片，所以网元要能灵活移动;因为网元灵活移动，所以网元之间的连接也要灵活变化。
所以，把网络拆开、细化，就是为了更灵活地应对场景需求。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。
四、5g网络演进方式
现网中实际部署5g网络时，分为独立和非独立组网两种形式。
o 独立组网模式（sa）：指的是新建5g网络，包括新基站、回程链路以及核心网。sa引入了全新网元与接口的同时，还将大规模采用网络虚拟化、软件定义网络等新技术，并与5gnr结合，同时其协议开发、网络规划部署及互通互操作所面临的技术挑战将超越3g和4g系统。
o 非独立组网模式（nsa）：非独立组网指的是使用现有的4g基础设施，进行5g网络的部署。基于nsa架构的5g载波仅承载用户数据，其控制信令仍通过4g网络传输。
对于5g的网络架构，在3gpp tsg-ran 第72次全体大会上，提出了8个选项，如上图所示，其中选项1/2/5/6为独立组网方式，选项3/4/7/8位非独立组网方式。
o 选项1：目前lte的组网方式，5g的部署是以此为基础的。
o 选项2：纯5g网络，完全由gnb ngc组成，需要完全替代lte系统的基站和核心网，同时还要保证覆盖和移动性等，部署耗资巨大，很难一步完成，是5g网络部署的终极目标之一。
o 选项3：epc+enb（主）/gnb的方式组网，网络先演进无线接入网，核心网使用lte的，场景以enb为主基站，控制面信令由enb转发，lte enb和nr gnb采用双连接的形式为用户提供高传输数据速率服务，可以有效降低初期的部署成本，主要是前期部署在热点区域，增加系统吞吐量。
o 选项4：ngc+enb/gnb（主）的方式组网，同时引入ngc和gnb，与lte采取兼容的方式部署，核心网采用5g ngc，enb和gnb都连接至ngc，基站以gnb为主，同样是采用双连接的方式为用户提供高速率数据业务服务，lte网络负责保证覆盖，5g系统负责提高热点地区的数据吞吐量。
o 选项5：ngc+enb的混搭组网方式，主要应用在首先部署了5g核心网，并在ngc中实现了epc功能，之后再逐步部署5g无线接入网的场景，
o 选项6：epc+gnb混搭组网方式，主要应用于先部署了5g接入网，暂时采用epc的场景，此种部署方式不能完全将5g的功能发挥出来，如网络切片等。
o 选项7：ngc+enb（主）/gnb的组网方式，此种方式中虽然完整部署了5g ngc和gnb，但数量较少，仍以lte中的enb为主，控制面信令都由enb转发，enb和gnb采用双连接的方式为用户提供高数据速率服务。
o 选项：epc+enb/gnb的组网方式，运用5g基站将控制信令和用户面数据传输至4g核心网，此种方式需要对4g核心网进行改造，成本较高，难度较大，因此在2017年3月发布。
中国移动向3gpp提交的4g lte网络演进到5g网络路线的方案如下：
o 方案1：lte/epc -> 选项2 + 选项5 -> 选项 4/4a -> 选项 2
o 方案2：lte/epc -> 选项 2 +选项 5 -> 选项 2
o 方案3：lte/epc -> 选项3/3a/3x ->选项 4/4a-> 选项 2
o 方案4：lte/epc -> 选项 7/7a -> 选项 2
o 方案5：lte/epc -> 选项3/3a/3x -> 选项 1 +选项 2 + 选项7/7a-> 选项2 + 选项5
从目前现网情况来看，最有可能的两条演进路线为：
o lte/epc -> 选项3x -> 选项4 -> 选项 2
o lte/epc -> 选项3x -> 选项4 -> 选项 7x -> 选项 2
nsa选用选项3x，以实现快速部署nr，5g的核心网部署之后，如果nr覆盖好，则跳过选项7x，如果nr覆盖不好，则使用用选项7x过度，lte继续做锚点。
无论哪种方式，演进的基本思路都是以lte为基础，逐步引入5g ran和ngc，部署初期以双连接为主，lte用于保证覆盖和切换，热点地区部署5g基站，提高系统的容量和吞吐率，最后逐步演进，直到全面进入5g时代。
五、5g网络框架特点总结
o 核心网功能分离：核心网用户面部分功能下沉到co（中心机房，相当于4g网络的enb），从原来的集中式核心网演变成分布式核心网，使得核心网功能在地理上更靠近终端，减少时延；
o 分布式应用服务器（as）：as部分功能下沉至co，并在co部署mec（mobile edgecomputing移动网络边界计算平台），mec类似于cdn（内容分发网络）的缓存服务器功能，它将应用、处理和存储推向移动边界，使得海量数据可以得到实时、快速处理，减少时延、减轻网络负担；
o 重新定义bbu和rru功能：将原bbu中phy、mac的部分功能下沉到rru，减少了前传容量，降低了前传成本；
o 网络功能虚拟化（nfv，network functionvirtualization）：网路中的专业电信设备软硬件功能转移到虚拟机（vms，virtual machines）上，比如核心网中的mme，s-gw、p-gw、pcrf等，在通用的商用服务器上通过软件来实现网元功能；
o 软件定义网络（sdn）：网络通过sdn连接边缘云和核心网里的vms，sdn控制器执行映射，建立核心网云与边缘云之间的连接，其中网络切片也由sdn集中控制，sdn、nfv和云技术使网络从底层物理基础设施分开，变成更抽象灵活的以软件为中心的架构，可以通过编程来提供业务连接；
o 网络切片：网络根据面向的不同的应用场景，比如大速率、低时延、海量连接、高可靠性等等，将网络切割成满足不同的需求的虚拟子网络，每个虚拟网络的移动性、安全性、时延、可靠性，甚至计费方式等都不一样，虚拟自网络之间在逻辑上相互独立，以满足不同的应用场景需求，实现网络切片的关键是nfv和sdn。
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o cu（centralizedunit，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；
o du（distributeunit，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；
o aau（active antennaunit，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。
an有两种：
o gnb,为ue提供nr用户面和控制面协议终结点；
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一般来说一个gnb-du只连接一个gnb-cu。但是为了实现的灵活性，每个gnb-du也可能连接到多个gnb-cu。gnb cu中的控制面和用户面是分离的，一般只有一个cp，但是允许有多个up。需要注意的是，gnb-cu及连接的若干gnb-du是作为一个整体逻辑gnb对外呈现的，且只对其他的gnb和所相连的5gc可见。
du和cu共同组成gnb，每个cu可以连接1个或多个du。cu和du之间存在多种功能分割方案，可以适配不同的通信场景和不同的通信需求，由此带来的好处如下：
o 对现有ran架构进行分离可以有效降低前传带宽的需求；
o rancu内部的移动性不可见，从而降低cn的信令开销和复杂度；
o 采用cu将控制协议和安全协议集中化后，cu的出现更加适应nfv的架构实现cloud ran，增加了ran侧的功能扩展性。
三、5g核心网
5g核心网构架主要包含三大关键技术：sba、cups和网络切片，这是最终实现化整为零、由硬变软的彻底演进。
sba
sba（servicebased architecture），即基于服务的架构。它基于云原生构架设计，借鉴了it领域的“微服务”理念，将设备功能“打散”。
传统网元是一种紧耦合的黑盒设计，nfv（网络功能虚拟化）从黑盒设备中解耦出网络功能软件，但解耦后的软件依然是“大块头”的单体式构架，需进一步分解为细粒度化的模块化组件，并通过开放api接口来实现集成，以提升应用开发的整体敏捷性和弹性。
核心网功能模块化，包括控制面及用户面，以库的方式调用,控制面功能模块包括移动性管理、策略控制、用户数据、会话控制等等，用户面功能模块包括话单、转发、业务感知、数据优化等等，这些功能模块就是被“打散”后库的内容，网络根据不同的需求做功能的裁剪和选择。简单的来说，微服务就是指将monolithic拆分为多个粒度更小的微服务，微服务之间通过api交互，且每个微服务独立于其他服务进行部署、升级、扩展，可在不影响客户使用的情况下频繁更新正在使用的应用。
基于这样的设计理念，传统网元先转换为网络功能（nf），然后nf再被分集为多个“网络功能服务”。
那么，sba其实也就是网络功能服务和基于服务的接口的组合体。
cups
cups（controland user plane separation），即控制与用户面分离。目的是让网络用户面功能摆脱“中心化”的囚禁，使其既可灵活部署于核心网（中心数据中心），也可部署于接入网（边缘数据中心），最终实现可分布式部署。
事实上，核心网一直沿着控制面和用户面分离的方向演进。比如，从r7开始，通过directtunnel技术将控制面和用户面分离，在3grnc和ggsn之间建立了直连用户面隧道，用户面数据流量直接绕过sgsn在rnc和ggsn之间传输。到了 r8，出现了mme这样的纯信令节点，只是到了4.5g和5g时代，这一分离的趋势更加彻底，也更加必要，其中一大原因就是，为了满足5g网络毫秒级时延的kpi。
数据要在相距几百公里以上的终端和核心网之间来回传送，显然是无法满足5g毫秒级时延的，由于物理距离受限，因此需将内容下沉和分布式的部署于接入网侧（边缘数据中心），使之更接近用户，降低时延和网络回传负荷。
网络切片
5g服务是多样化的，包括车联网、物联网、远程医疗、vr/ar等，网络能力面临众口难调的局面，因此需要把网络切成多个虚拟且相互隔离的子网络，分别服务于不同的业务。
因为需求多样化，所以要网络多样化;因为网络多样化，所以要切片;因为要切片，所以网元要能灵活移动;因为网元灵活移动，所以网元之间的连接也要灵活变化。
所以，把网络拆开、细化，就是为了更灵活地应对场景需求。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。
四、5g网络演进方式
现网中实际部署5g网络时，分为独立和非独立组网两种形式。
o 独立组网模式（sa）：指的是新建5g网络，包括新基站、回程链路以及核心网。sa引入了全新网元与接口的同时，还将大规模采用网络虚拟化、软件定义网络等新技术，并与5gnr结合，同时其协议开发、网络规划部署及互通互操作所面临的技术挑战将超越3g和4g系统。
o 非独立组网模式（nsa）：非独立组网指的是使用现有的4g基础设施，进行5g网络的部署。基于nsa架构的5g载波仅承载用户数据，其控制信令仍通过4g网络传输。
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o 选项1：目前lte的组网方式，5g的部署是以此为基础的。
o 选项2：纯5g网络，完全由gnb ngc组成，需要完全替代lte系统的基站和核心网，同时还要保证覆盖和移动性等，部署耗资巨大，很难一步完成，是5g网络部署的终极目标之一。
o 选项3：epc+enb（主）/gnb的方式组网，网络先演进无线接入网，核心网使用lte的，场景以enb为主基站，控制面信令由enb转发，lte enb和nr gnb采用双连接的形式为用户提供高传输数据速率服务，可以有效降低初期的部署成本，主要是前期部署在热点区域，增加系统吞吐量。
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o 选项5：ngc+enb的混搭组网方式，主要应用在首先部署了5g核心网，并在ngc中实现了epc功能，之后再逐步部署5g无线接入网的场景，
o 选项6：epc+gnb混搭组网方式，主要应用于先部署了5g接入网，暂时采用epc的场景，此种部署方式不能完全将5g的功能发挥出来，如网络切片等。
o 选项7：ngc+enb（主）/gnb的组网方式，此种方式中虽然完整部署了5g ngc和gnb，但数量较少，仍以lte中的enb为主，控制面信令都由enb转发，enb和gnb采用双连接的方式为用户提供高数据速率服务。
o 选项：epc+enb/gnb的组网方式，运用5g基站将控制信令和用户面数据传输至4g核心网，此种方式需要对4g核心网进行改造，成本较高，难度较大，因此在2017年3月发布。
中国移动向3gpp提交的4g lte网络演进到5g网络路线的方案如下：
o 方案1：lte/epc -> 选项2 + 选项5 -> 选项 4/4a -> 选项 2
o 方案2：lte/epc -> 选项 2 +选项 5 -> 选项 2
o 方案3：lte/epc -> 选项3/3a/3x ->选项 4/4a-> 选项 2
o 方案4：lte/epc -> 选项 7/7a -> 选项 2
o 方案5：lte/epc -> 选项3/3a/3x -> 选项 1 +选项 2 + 选项7/7a-> 选项2 + 选项5
从目前现网情况来看，最有可能的两条演进路线为：
o lte/epc -> 选项3x -> 选项4 -> 选项 2
o lte/epc -> 选项3x -> 选项4 -> 选项 7x -> 选项 2
nsa选用选项3x，以实现快速部署nr，5g的核心网部署之后，如果nr覆盖好，则跳过选项7x，如果nr覆盖不好，则使用用选项7x过度，lte继续做锚点。
无论哪种方式，演进的基本思路都是以lte为基础，逐步引入5g ran和ngc，部署初期以双连接为主，lte用于保证覆盖和切换，热点地区部署5g基站，提高系统的容量和吞吐率，最后逐步演进，直到全面进入5g时代。
五、5g网络框架特点总结
o 核心网功能分离：核心网用户面部分功能下沉到co（中心机房，相当于4g网络的enb），从原来的集中式核心网演变成分布式核心网，使得核心网功能在地理上更靠近终端，减少时延；
o 分布式应用服务器（as）：as部分功能下沉至co，并在co部署mec（mobile edgecomputing移动网络边界计算平台），mec类似于cdn（内容分发网络）的缓存服务器功能，它将应用、处理和存储推向移动边界，使得海量数据可以得到实时、快速处理，减少时延、减轻网络负担；
o 重新定义bbu和rru功能：将原bbu中phy、mac的部分功能下沉到rru，减少了前传容量，降低了前传成本；
o 网络功能虚拟化（nfv，network functionvirtualization）：网路中的专业电信设备软硬件功能转移到虚拟机（vms，virtual machines）上，比如核心网中的mme，s-gw、p-gw、pcrf等，在通用的商用服务器上通过软件来实现网元功能；
o 软件定义网络（sdn）：网络通过sdn连接边缘云和核心网里的vms，sdn控制器执行映射，建立核心网云与边缘云之间的连接，其中网络切片也由sdn集中控制，sdn、nfv和云技术使网络从底层物理基础设施分开，变成更抽象灵活的以软件为中心的架构，可以通过编程来提供业务连接；
o 网络切片：网络根据面向的不同的应用场景，比如大速率、低时延、海量连接、高可靠性等等，将网络切割成满足不同的需求的虚拟子网络，每个虚拟网络的移动性、安全性、时延、可靠性，甚至计费方式等都不一样，虚拟自网络之间在逻辑上相互独立，以满足不同的应用场景需求，实现网络切片的关键是nfv和sdn。
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