1、5G无线网架构设计挑战
EPC被分成支持WLAN接入、CDMA接入、WCDMA/GSM接入、和LTE接入的网络等。如下图：


信令面网元由MME、PCRF、HSS等部分组成；
EPC核心网可支撑LTE的接入，可分离信令平面与用户平面；
S-GW和P-GW等组成用户面网元，可用于建立用户会话和承载管理。
P-GW作为EPC核心网的统一用户面锚点，可支持多系统接入，给移动性管理提供统一标准。

EPC架构的缺点一：不合理的构架划分
复杂的控制功能仍被网关节点承担，MME等信令面节点仍与网关节点频繁进行数据信息交互。
EPC核心网接入UTRAN/GERAN、CDMA和WLAN等系统时，E-UTRAN组网的复杂度增加，这是因为在此组网架构中，用户与信令平面被进行了统一。


EPC架构的缺点二：多接入系统之间的协作能力差
不同接入系统都是相互独立的，所以不同系统间不相互影响，资源也不可相互使用。
不同接入系统的底层协议不同。只能进行业务数据流切换，而不允许多接入，这将导致不同系统之间的数据信息交互和切换过程繁杂。


EPC架构的缺点三：网络能力可扩展性较差
固化的硬件节点无法根据业务量的增减灵活放大和缩小网络能力。
硬件设备和物理连接的扩容方法实现起来存在困难。


EPC架构的缺点四：网元功能部署不灵活
根据5G不同场景的应用需求，在网络中灵活部署相应的网络功能。
若网元采用LTE控制承载合一的基站eNodeB（也可写为eNB）节点形式，那么相应网元功能就会相对单一。



设计思路：
为满足5G控制与承载面分离的要求，需将用户平面与控制平面分离，构建成两个相应的独立功能平面。
由于用户平面与控制平面特性不同，可针对性对其进行设计和扩展。


5G基站根据网络的功能和承载的对象的不同分为：信令基站：负责接入网控制平面；数据基站：负责用户平面。
信令基站和数据基站不是实体，均是从功能逻辑上的区分。

5G无线网络架构可分为控制网络层和数据网络层。
信号基站与多个网络元件集成控制平面，构建控制网络层以提供集中控制策略。
数据基站构成由网络层统一管理的数据网络层。

功能逻辑架构：
5G无线接入网络根据网络功能分为：高层接入网络功能域和低层无线功能域。
与无线相关的功能和实时网络功能集中在低层功能域；
非无线相关和非实时网络功能集中在高层功能域。


支持多系统连接、QoS扩展、数据加密和匹配性保护，并且支持IP和以太网等各种层3协议；
支持不同空口之间的协作和控制、移动性的优化、负载均衡。
根据模块化设计方案，采用相对独立的功能组件实现不同的网络功能。

功能部署与组网的灵活性：
根据承载与控制分离为基础的无线网络架构：
高层控制面和低层无线功能构成信号基站逻辑功能；
高层用户平面功能和低层无线功能构成数据基站逻辑功能。
信号基站和数据基站的功能根据无线网络控制平面和用户平面配置分散在不同层级网络中，实现不同网络拓扑和功能。


1）5G应用场景一：增强移动宽带eMBB
部署模式1（CU+DU层网络）：网络拓扑由控制单元（CU）和数据单元（DU）构成。
CU集中部署：根据各种各样的用户锚定点，CU可分为两类：
由控制面功能+用户面锚定点功能组成；
只由控制面功能组成；
DU分布部署：DU可以依托前传能力的不同分为支持射频处理、全部或仅部分支持物理层功能、全部或仅部分支持层二功能。如下图：

在用户密度高的区域，控制单元（DU）进行密集部署，并且集中部署中央单元（CU），以达到热点大容量场景下高吞吐量的要求。
控制单元（CU）作为集中控制的信号基站使用，数据单元（DU）作为数据基站使用。这样可简化网络结构，实现即插即用，提供网络大规模超集中部署的可能性。如下图：


部署模式2（超密集组网架构网络——以虚拟化控制平面为基础）：本模式采用统一的虚拟信令来完成以控制面虚拟化为基础的超高密度网络架构建设，并且用户平面承载的完成需要多个基站的组合作为数据基站。如下图：

虚拟小区通过其提供的虚拟信号和小区ID来帮助5G用户获得不同数据小区发送的一系列参数。
虚拟小区在有效调度和管理用户的同时可以有效的对虚拟信号基站和数据基站的无线资源进行管理。如下图：


部署模式3（高可靠低延迟5G网络）：该部署模式主要针对的场景是低时延高可靠，该部署模式具有以下特点。
将用户面数据网关与内容缓存等功能以及控制面在接入网侧进行部署；
在无线接入网侧加载核心网的一些控制功能；
在全功能基站中引入数据网关和内容缓存功能，并且全功能基站采用CU+DU的分层部署形式，设置统一的控制面。

2）5G应用场景二：超可靠低时延通信uRLLC

部署模式4（分簇分层部署架构）：低功耗大连接场景。
设置集中的簇控制中心，为局部用户提供接入控制和连接管理等服务，簇集中控制中心汇集用户数据后上传给数据基站。而所有的簇集中控制中心则由上层信令基站统一管控。如下图：


3、基于NFV的5G无线网络架构
基于NFV的新型移动网络架构设想：
以网元功能软件化为基础的网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV）技术，本质是将网元的软硬件解耦。
NFV技术可以被用于任何的网络架构，用来分离网元中软件和硬件的部分。并且，利用NFV的技术优势，移动网络架构的演进和发展方向变得更加广阔。


5G应用场景一：增强移动宽带eMBB
电源分配网络网关（Power Delivery Network GateWay，P-GW）在以网络功能虚拟化技术的基础上，将转发功能、IP会话和承载控制组件进行重构，变成独立的模块。
通过以上模块化的操作，转发功能的P-GW不再是业务流量的汇聚节点，而仅仅是普通的转发节点，使网络变为实现接入、汇聚等功能的全局扁平化网络。如下图：


5G隐藏底层协议堆栈差异的统一控制平面：
问题：不同系统使用的下层协议栈的协议不同？硬件网元函数和协议栈的绑定会在不同系统之间产生复杂的信息？
解决方法：
通过采用网络功能虚拟化技术，可以统一消息格式和数据结构，共同处理底层协议栈差异化问题，完成业务流程。
通过这些处理，不仅消除了控制节点间协议适配的额外处理成本，并且实现了异构接入系统间的全局资源共享和协同控制，大幅度提升了控制面的处理能力。

新的基于NFV的网络架构更清晰和具有更扁平的转发面，能够更好的适应未来移动通信业务的需求。
为构建扁平化的传输网络，以转发平面虚拟化网络基础设施平台为基本架构，部署标准的网络设备，如交换机和具有高速率的转发设备。
高性能的数据转发路径可以根据用户服务要求灵活定制。将会话和承载控制功能合并，构建集中控制平面。
基于虚拟化平台，软件形式的功能组件可安装在全网的任意位置，通过标准化的接口和数据格式进行信息传递，实现全网信息同步、协同接入和资源调度。

全网架构采用云平台，该网络架构可快速实现控制功能重构、转发平面的定义，运营商可根据需求进行灵活编排，使新业务的开发和部署变得更为容易，如下图：

基于上述新型网络架构，可引出多种关键网络技术：
网元功能重构：
核心网网关功能与移动性管理等功能构成全局控制面。转发平面设备通过被分配到业务逻辑上的控制器控制功能实现统一控制。
可以在数据中心服务器上安装并部署整个系统，而不必依靠繁多的物理上的连接或专用设备。


网元异构接入系统协同：
相关的主要技术问题主要如下：
聚合多种无线接入方式；
最优无线接入方式选择；
无线接入系统间无缝切换；
多个无线接入模式的资源管理；


智能移动内容分发网络(Content Delivery Network，CDN)业务：
智能移动CDN业务对降低网络负载和业务时延具有很高价值。
另外，如何高效分发内容、保证用户的移动性以及保证各类移动终端的适配力等均是需要亟待解决的问题。

利用网络虚拟化存储设备，实现高层与底层功能紧密耦合。
控制平面负责完成CDN业务控制的功能，完成终端功能，其中包括如传输码率协商、信息提供、内容检索等方面的服务功能。
中央控制器负责对存在于网络边缘的存储设备进行调度，执行例如对编码进行转换、内容分配、数据发放与传送等任务。

4、基于SDN的5G网络架构
基本架构：
给出了以OpenFlow协议和软件定义网络（Software Defined Network，SDN）为基础的5G网络。
核心网、无线接入网络、移动终端是该网络的重要组成部分，另外，与软件定义网络（SDN）技术结合，支持OpenFlow协议，可实现各类异构网络的融合。



移动虚拟网关：
主要功能：
移动虚拟网关利用移动终端 OpenFlow控制器为应用层分配一个虚拟IP地址，同时应用层将其作为上行链路IP地址进行通信；
在上行链路方向，当首个数据包到达虚拟网关时，OpenFlow控制器将数据传输列表填充到虚拟网关流表中，由同一终端上的不同无线接口连接的相同服务以统一的方式传送；
虚拟网关记录终端设备虚拟IP地址和真实IP地址之间的映射，当下行业务进入虚拟网关，按照映射列表将虚拟IP替换为目的地IP，并发送给应用层。

移动终端 OpenFlow控制器：
在无线接入网络上建立IP链接时，移动终端OpenFlow控制器通过无线网 OpenFlow协议控制器向移动终端OpenFlow控制器通知用户数据，实现用户认证和计帐等功能。
移动终端OpenFlow控制器根据无线网络的负荷和网络容量，定期更换新的移动终端OpenFlow控制器配置，并且根据应用层对应业务特性和QoS模型,选择合适的网络接口，控制移动虚拟网关的流表配置。


无线网 OpenFlow协议控制器：
无线网 OpenFlow协议控制器的功能包括：
维护无线接入网的负载、可用有效带宽等网络无线接入接口的状态信息；
根据获得上述接口状态信息控制终端完成切换；
向网络无线接入接口发送核心网OpenFlow协议网关信息，建立起网络无线接入接口与核心网OpenFlow协议网关之间的IP隧道，从而建立起两者之间的连接，并且维护这些链路。


核心网络 OpenFlow协议控制器：
核心网络OpenFlow控制器主要功能：
收集不同无线接入网络的状态信息，以无线网 OpenFlow协议控制器报告为参考，进行数据信息的更新并转发给移动终端OpenFlow控制器；
对核心网OpenFlow协议网关的负载状态进行实时跟踪，并将核心网OpenFlow协议网关分配给移动终端；
根据用户的定制化服务信息为移动终端OpenFlow控制器的QoS模块进行匹配；
核心网络OpenFlow控制器实时记录移动终端的状态信息。


核心网络 OpenFlow网关：
在上行链路，源自同一终端设备数据流量，经IP隧道抵达核心网络OpenFlow网关，核心网络OpenFlow网关将隧道IP的目的地址改为应用服务器的实际IP，接着从相应的端口进行转发。
在下行链路，数据包到达核心网络OpenFlow网关，核心网络OpenFlow网关将目的地地址改为IP隧道的目的地址，并将数据包转发给网络无线接入接口。