4G到5G的演进，相比空口的变化，核心网的变化更加明显。这也正是导致4G和5G混合组网出现SA和NSA两种方式的一个重要原因。在此只是对整体架构做一个简单的介绍，主要为后续理解4G/5G空口协议的不一致做点准备。


  • 4G整体架构

在4G网络的研究中，3GPP除了对无线接入网演进的研究，还开展了一项平行研究：即系统架构演进（SAE），来展示核心网络的演进要点。这是一个基于IP的扁平网络体系结构,又称为EPC(Evolved Packet Core)。实际上4G时代的网络可以理解为LTE＋SAE＋IMS架构。LTE是空口的长期演进，SAE则为系统架构演进，IMS则主要解决将语音等多媒体业务承载到4G网络。



3GPP定义的SAE基本架构中包含如下实体:
a. MME(Mobility Management Entity)是SAE的控制核心，它主要负责用户接入控制、业务承载控制、寻呼、切换控制等控制信令的处理。
b. 业务网关(Serving Gateway)作为本地基站间切换时的锚定点，主要负责以下功能：在基站和公共数据网关之间传输数据信息；为下行数据包提供缓存；基于用户的计费等。
c. 公共数据网关（PDN Gateway）作为数据承载的锚定点，提供以下功能：包转发、包解析、合法监听、基于业务的计费、业务的QoS控制，以及负责和非3GPP网络间的互联等。
d. HSS（Home Subscriber Server）用于存储用户签约信息的数据库，存储的信息包括：用户标识信息、用户安全控制信息、用户位置信息、用户策略控制信息等。
e. PCRFPolicy and Charging Rules Function）主要负责策略控制和计费控制，根据用户使用的业务信息和用户签约的策略信息进行决策，确定用户业务使用和计费的策略，并下发给网关中的策略执行实体。

IMS(IP Multimedia Subsystem)IMS是IP多媒体系统,是一种全新的多媒体业务形式，它能够满足现在的终端客户更新颖、更多样化多媒体业务的需求。目前，IMS被认为是下一代网络的核心技术，也是解决移动与固网融合，引入语音、数据、视频三重融合等差异化业务的重要方式。IMS是3GPP/3GPP2 (移动) and TISPAN/ITU-T (固定) 网络架构的核心。在软交换控制与承载分离的基础上，IMS更进一步的实现了呼叫控制层和业务控制层的分离；IMS全部采用会话初始协议（SIP）作为呼叫控制和业务控制的信令.IMS 是一个在分组域（PS）上的多媒体控制/呼叫控制平台，IMS使得PS具有电路域（CS）的部分功能，支持会话类和非会话类的多媒体业务。IMS为未来的多媒体应用提供了一个通用的业务平台，典型的业务如呈现、消息、会议、一键通等等。


  • 4G整体协议栈


  • 5G整体协议栈

5G空口协议相比于4G的空口协议变化不大。在用户面协议栈，5G新空口用户面协议栈多了一层SDAP(Service Data Adaptation Protocol ）。SDAP协议定义于TS37.324，PDCP定义于TS38.323，RLC定义于TS38.322，MAC定义于TS38.321。

控制面整体协议如图所示。

数据面的整体协议如下：数据面多了一个SDAP。

        


  • 5G 网元的功能划分

5G网络的功能划分如下图所示。NG-RAN包含gNB或ng-eNB节点，5G-C一共包含三个功能模块：AMF，UPF和SMF。

A .gNB/ng-eNB

　　小区间无限资源管理Inter Cell Radio Resource Management（RRM）

       无线承载控制Radio Bear（RB）Control

　　连接移动性控制 Connection Mobility Control

　　测量配置与规定Measurement Configuration and Provision

　　动态资源分配Dynamic Resource Allocation

B. AMF

　　NAS安全Non-Access Stratum（NAS） Security

　　空闲模式下移动性管理Idle State Mobility Handling

C. UPF

　　移动性锚点管理 Mobility Anchoring

　　PDU处理（与Internet连接）PDU Handling

D. SMF

　　用户IP地址分配 UE IP Address Allocation

　　PDU Session控制



  • 5G CU和DU的分离部署

在架构方面，5G相比4G最大的一个变化就是接入网和核心网的分离变得模糊了。在接入网一侧，面向5G，基于集中/分布单元CU/DU（Centralized Unit/Distributed Unit）的两级架构也已经被业界所认可，这一网络架构与无线云化的结合，构成了5G C-RAN的两个基本要素”。由此可见，集中/分布单元CU/DU（Centralized Unit/Distributed Unit）架构是研究C-RAN的基础。而核心网的一部分应用功能，则又以MEC边缘云的方式，下发到靠近用户的基站一侧，以达到缩短时延的效果。

5G独立(standalone)部署时，gNB的逻辑体系采用CU(即中心单元)和DU(分布单元)分离模式。基于协议栈功能的配置，CU-DU逻辑体系可以分为2种，即CU-DU分布架构和CU-DU融合架构(LTE eNB连接到EPC，NR gNB连接到5GC)。分离时如下图所示，几个基站的CU可以合并到一起，也可以分离。同一个基站的CU和DU合并时，就类似于4G的基站。

CU和DU的切分是根据不同协议层实时性的要求来进行的。在这样的原则下，把原先BBU中的物理底层下沉到AAU中处理，对实时性要求高的物理高层，MAC，RLC层放在DU中处理，而把对实时性要求不高的PDCP和RRC层放到CU中处理。不同功能的划分，在不同的组网中不是一成不变的，可以根据业务的要求进行调整。

         


  • 5G核心网基于服务的网络架构

虚拟化，就是网元功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV），说白了，硬件上，直接采用HP、IBM等IT厂家的x86平台通用服务器，目前以刀片服务器为主。软件上，设备商基于openstack这样的开源平台，开发自己的虚拟化平台，把以前的核心网网元，“种植”在这个平台之上。注意了，虚拟化平台不等于5G核心网。也就是说，并不是只有5G才能用虚拟化平台。也不是用了虚拟化平台，就是5G。

下图为2G-5G核心网的进化。注意区分硬件和软件两个层面的变化。在软件层面，5G核心网，采用的是SBA架构（Service Based Architecture，即基于服务的架构）。SBA架构，基于云原生构架设计，借鉴了IT领域的“微服务”理念。把原来具有多个功能的整体，分拆为多个具有独自功能的个体。每个个体，实现自己的微服务。


  • 5G NR（NG-RAN：Next Generation Radio Access Networks）

NG-RAN节点包含两种类型：gNB(5G基站)：提供NR用户平面和控制平面协议和功能；ng-eNB(下一代的4G基站)：提供E-UTRA用户平面和控制平面协议和功能。

　　gNB与ng-eNB之间通过Xn接口连接，gNB/ng-eNB通过NG-C接口与AMF（Access and Mobility Management Function）连接，通过NG-U接口与UPF（User Plane Function）连接。
　　5G简略架构如下图所示，NG-RAN表示无线接入网，5GC表示核心网。在此可见NR的所处位置。


  • 5G NR主要接口及协议

主要接口如下：

空口协议如下：

主要接口的功能：