为了满足对不同应用场景和应用需求。5G的网络设计是基于弹性敏捷、灵活复用的设计理念,5G引入SDN/NFV技术,将软硬件平台进一步虚拟化和解耦,底层使用统一的NFVI基础设施,利用SDN控制器实现内部资源灵活调度。传统网元被划分为更细粒度的功能模块,称之为网络功能(NF,Network Function),网络功能之间采用轻量API接口通信,实现系统的高效化、灵活化、开放化。
5G网络分为接入网、传输网和核心网三层。在接入网,5G网络采用了新的架构、新的设计、新的频段和新的天线技术。新的架构是指全新的网络架构将以用户为中心,围绕用户进行网络的建设,同时将传统的BBU(Building Base band Unite)分为CU(Centralized Unit)和DU(Distributed Unit)两个网元设备,同时RRU(Remote Radio Unit)和馈线、天线组成了新的AAU(Active Antenna Unit)。顾名思义CU是集中控制的设备,主要处理SDAP、RRC和PDCP层,即主要进行QoS流处理、无线资源控制和上层数据的压缩、对齐加密等功能,处于无线空口的层3的位置。DU是分散控制单元,主要处理RLC、MAC和高层物理层协议,即主要进行无线链路质量控制、逻辑信道和物理信道映射以及基带功能。处于空口的层2位置。AAU是有源天线单元,将传统的RRU和天线馈线合并主要是处理射频信号。同时参数和帧的结构更加灵活,上下行配比可以根据实际需求调整。5G网络有着更高的频段,当前主要使用了sub6G频段,之后更拓宽至26Ghz的毫米波频段,更高的频段有着相对更加丰富的频谱资源带来了更大的带宽。同时采用了新的3D MIMO天线,一般为64T64R甚至128T128R的天线阵列,相比较之前4T4R的天线大幅提升了传输效率。
5G传输网涵盖的范畴比较广泛,从AAU到DU的前传,DUCU之间的中传到CU传输到核心网的后传部分都属于传输承载网。5G流量激增对传输网带来了巨大的挑战,对此中国移动提出了切片分组网络SPN(Slicing Packet Network)的承载网技术【1】。
SPN采用ITU-T的分层模型,能够对以太网、IP、CBR业务综合承载。
SPN分为切片传送层、切片通道层和切片分组层,此外还包括时钟同步和管理模块。
切片传送层是基于802.3以太网技术和OIF Flex E的物理层技术,提供了物理层面上的带宽。切片通道层曾则是通过SE技术对以太网接口、光纤资源等进行时隙化切分处理,基于TDM原理进行管道硬切分,切分是在L1层面上的硬隔离。切片分组层则是在业务上进行分发、封装和传输,可以提供L2L3VPN等转发能力;提供业务识别、分组、QoS保障处理,基于SR-TP技术提供面向连接的业务承载通道。
5G核心网基于SDN和NFV技术,成功实现了软硬件解耦,各网元之间基于TCP/IP通信,接口通过https协议实现【2】。5G的核心网架构相比较于之前的4G核心网有着以下的主要特征:
(1)控制面与用户面分离。
(2)网元功能虚拟化。NFV技术应用于核心网,让软硬件解耦,网元成为了一个个软件功能模块。
(3)虚拟网元之间通过接口通信。不同网元之间采用轻量级的Restful/Http协议。
(4)SBA(Software Based on Architecture)的网络架构。各个虚拟网元之间耦合度低,其他业务可以通过接口快速访问虚拟网元,可以根据实际业务需求调整整个网络架构。
(5)接入网和核心网弱关联性。5G核心网与接入网没有强关联,UE可以通过各种网络接入5G核心网,即便非3GPP网络,也可以通过N3IWF网元接入到5G核心网。
(6)虚拟网元呈现无状态。即存储资源与计算资源解耦,控制面功主要交由AMF和SMF,而存储的数据主要放在UDR和UDSF,实现计算与存储解耦。
下图为5G核心网架构示意图。
5G核心网的主要网元如下:
(1)AMF(接入和移动性管理功能):负责用户的接入和移动性管理;
(2)SMF(会话管理功能):负责用户的会话管理;
(3)UPF(用户面功能):负责用户面处理;
(4)AUSF(认证服务器功能):负责对用户的 3GPP和非3GPP接入进行认证;
(5)PCF(策略控制控制):负责用户的策略控制,包括会话的策略、移动性策略;
(6)UDM(统一数据管理):负责用户的签约数据管理;
(7)NSSF(网络切片选择功能):负责选择用户业务采用的网络切片;
(8)NRF(网络功能注册功能):负责网络功能的注册、发现和选择;
(9)NEF(网络能力开放功能):负责将5G网络的能力开放给外部系统;
(10)AF(应用功能):与核心网互通来为用户提供业务第三方应用。