值得了解！详解5G核心网网络架构

不同制式(2/3/4/5G)的移动通信网络，基站、核心网网元的名称和功能划分也各有不同，如4G中的 SGW(Serving Gateway，服务网关)和PGW(PDN Gateway，PDN网关)的用户面功能在5G中是由专门的网元UPF(User Plane Function，用户面功能)实现。

一. 简要过程

1. UE选择某个制式(如4G)的网络，发起接入请求;

2. 基站接收UE的接入请求，为UE建立无线承载(相当于UE在无线侧的传输通道)，因在基站侧不存储UE的签约信息，故无法对UE进行认证和鉴权，因此将请求转发到核心网;

3. 核心网对UE进行认证和鉴权，并为UE分配IP和核心网承载(相当于UE在核心网处的传输通道);

4. 基站接收到核心网的响应后，对无线承载进行重配置，将响应转发给UE;

5. UE接收到基站的响应后，通过分配的IP和承载(无线承载和核心网承载)接入外部网络

5G 作为第五代移动通信技术，在传输速度、网络容量、延迟和可靠性方面都取得了显著进步，并为物联网、云计算、人工智能等新兴技术的发展提供了强力支撑。要理解 5G 的强大功能，必须首先深入了解其网络架构。本文将对 5G 网络架构进行详细解读，涵盖无线接入网 (RAN)、核心网和接入网三个关键部分。

一、无线接入网 (RAN)

无线接入网 (Radio Access Network, RAN) 是 5G 网络的核心部分，负责将用户设备连接到网络，并处理数据传输。5G RAN 采用了多种新技术，包括：

新型无线接入技术：5G RAN 使用了新一代无线接入技术，例如 Massive MIMO、波束赋形和毫米波等，显著提升了网络容量和传输速度。

云化架构：5G RAN 采用云化架构，可以更灵活地配置和管理网络资源，并支持网络功能虚拟化 (NFV)，提升网络效率和灵活性。

网络切片：5G RAN 支持网络切片，可以将网络资源划分成不同的切片，为不同的应用提供定制化的服务，满足各种应用对网络性能的不同需求。

边缘计算：5G RAN 可以与边缘计算技术相结合，将部分网络功能部署到边缘节点，减少数据传输延迟，提升网络响应速度。

1.1 5G RAN 的主要组成部分

基站 (gNB)：gNB 是 5G RAN 的核心单元，负责与用户设备通信，并处理数据传输。

无线资源控制器 (RRC)：RRC 负责管理无线资源，例如频谱、功率和信道等。

数据平面 (Data Plane)：数据平面负责处理用户数据传输。

控制平面 (Control Plane)：控制平面负责管理用户连接和网络配置。

二、核心网

核心网是 5G 网络的控制中心，负责管理用户数据、身份验证和安全等功能。5G 核心网采用了以下关键技术：

云原生架构：5G 核心网采用云原生架构，能够更灵活地部署和管理网络功能，并支持微服务架构，提升网络效率和可靠性。

网络功能虚拟化 (NFV)：5G 核心网支持 NFV，可以将网络功能虚拟化，部署在虚拟机或容器上，降低网络成本，提高网络灵活性。

软件定义网络 (SDN)：5G 核心网支持 SDN，可以将网络控制与数据平面分离，实现网络功能的动态配置和管理。

2.1 5G 核心网的主要功能

用户管理：负责用户身份验证、计费和授权等功能。

数据路由：负责用户数据转发和路由。

安全控制：负责网络安全管理，包括数据加密、身份认证和访问控制等。

网络管理：负责网络资源管理和监控。

三、接入网

接入网是将用户设备连接到 5G 核心网的桥梁，负责处理用户数据传输和网络连接。5G 接入网主要包括以下几种类型：

固定无线接入 (FWA)：FWA 利用 5G 技术提供固定宽带接入服务，为家庭和企业用户提供高速上网体验。

移动宽带 (MBB)：MBB 是传统的移动宽带服务，利用 5G 技术提供更高速、更稳定和更低延迟的移动宽带服务。

物联网 (IoT)：5G IoT 针对物联网应用场景提供低功耗、高带宽和低延迟的网络连接，支持各种物联网设备的连接和数据传输。

3.1 5G 接入网的技术特点

高速率：5G 接入网支持高速数据传输，为用户提供更快的网络体验。

低延迟：5G 接入网可以将数据传输延迟降至最低，为实时应用提供保障。

高可靠性：5G 接入网具有更高的可靠性，保证网络连接的稳定性和持续性。

四、5G 网络架构的优势

高速率：5G 网络拥有极高的数据传输速度，可以满足各种应用场景对高速网络的需求，包括 4K/8K 视频流、云游戏、VR/AR 应用等。

低延迟：5G 网络的延迟极低，可以满足各种对实时性要求高的应用，例如远程医疗、自动驾驶、工业自动化等。

高容量：5G 网络拥有更高的网络容量，可以同时支持更多用户和设备连接，并满足各种应用场景的数据流量需求。

可靠性：5G 网络更加稳定可靠，可以保证用户连接的持续性和稳定性，并满足各种应用场景对网络可靠性的需求。

灵活性：5G 网络支持网络切片和 NFV 技术，可以根据不同的应用场景需求，灵活地配置和管理网络资源，满足各种应用场景的定制化需求。

5G网络基本架构

5G打造了全新的网络架构，主要依托软件定义网络以及网络功能虚拟化，相较于传统网络，5G网络更加分散，同时也更具灵活性。

正是因为5G网络的这些特点使其能够为提供不同的网络切片，而不同的网络切片则具有不同的功能与网络特性，因此可以更好地满足应用需求。因其具有更大的灵活性，因此可以支持多样化的5G场景。

5G结构主要包括接入层面、控制平面以及转发层面三个部分，其中接入层面是指以用户为中心，并且面向多场景的多层异构网络;控制平面则以提供网络控制功能为目的，能够为资源的转发以及资源的接入调度等工作提供有力支持;转发层面的功能主要体现在分布式的数据转发以及数据处理等方面，同时还具备更强的业务链处理能力，能够满足低时延要求相关业务。

多连接框架

在5G的支持下，终端能够与多个网络同时进行连接，实现了网络与终端之间更加灵活的深度集成，并且可以进一步拓展覆盖范围，提升网络性能。

在5G网络中，终端不再孤立于网络之外，而是成为网络的重要组成部分，终端也可以与其他终端进行连接，可以拓展网络覆盖范围。

5G网络架构与4G网络架构对比分析

4G网络架构核心网集中，接入网扁平，固定的点到点通信是4G网络的主要特征，并且控制面设备单一。而5G网络架构则不同，5G网络在服务化功能设计的支持下，可以结合需求对网络功能进行合理组合，以便满足应用需求。

另外，5G网络的用户面更加简化，转发效率更高。5G网络也实现了无线资源的集中控制与协作。在网元功能方面二者也存在较大的差异。

NSA与SA组网架构

同时支持NSA与SA是5G组网的主要特征之一，所谓NSA方式即非独立组网模式，而SA则是指独立组网模式，二者均是支持5G发展的重要组网配置形态。其中，非独立组网模式主要借助传统的4G基础设备进行组网，同时还以4G核心网软件来支持5G网络。

这种组网模式充分利用了现有的设备和软件，因此可以保障组网效率，同时也有助于降低组网成本，通过较少的投入，快速实现5G网络应用，提升网络应用效果。在这种组网模式下，5G载波只能承载用户数据，依然需要借助4G网络来传输控制信令。

对于独立组网模式而言，则需要对5G网络进行新建，不利用原有的4G基础设备以及相关核心网软件。独立组网模式是完全意义上的新建，因此在独立组网模式下，核心网、基站以及回程链路等均需要新建，因此核心网的转变更加彻底。

独立组网模式以虚拟化技术为主要支撑，同时借助切片/子切片管理功能及MANO等，为5G网络赋予定制功能，并且还可以结合网络应用提供隔离网络环境功能。独立组网模式下的5G网络功能更加完善，可以满足不同行业的需求，其应用范围更广。

不同的组网架构具有不同的特点，具体表现在以下几个方面。

(1)以4G核心网为基础的非独立组网架构。

这种组网架构需要对4G基站进行升级，但是涉及4G核心网升级则相对较少。在这种网络架构模式下，对MEC以及网络切片等均不支持，同时还对基站有较高的要求，需要4G或者5G基站均出自相同的厂家。此外，这种网络架构控制面要锚定于4G基站，这些都是该组网架构的特点。

(2)以5G网络核心网为基础的非独立组网架构。

这种组网架构同样需要将控制面锚定于4G基站，但是这种组网架构支持MEC以及网络切片，并且需要对4G基站进行升级。在升级过程中涉及的内容相对比较复杂，需要通过对4G基站的升级使其能够满足5G网络协议栈。

此外，这种组网架构在终端连接以及基站厂家要求等方面均与以4G核心网为基础的非独立组网架构中的组网架构相同。

(3)独立组网架构。

在这种组网结构下，5GNR直接接入5GC，而且无须在终端进行上连接，支持MEC以及网络切片。另外这种组网架构涉及的4G核心网升级相对较少，并且对基站的厂家要求不严，基站可以出自不同的厂家。

由此不难看出，独立组网架构，即SA组网架构的优势更加显著，因此这种组网架构形式更受国内运营商的青睐，对SA方案的应用也更加广泛。非独立组网模式会涉及较多的网络变动，而独立组网模式则不具备这方面的问题。

另外，独立组网方案只需对现网进行较小的改动即可，而非独立组网模式则需要保证基站出自相同的厂家，否则4G/5G则难以进行双向连接。同时非独立组网模式还需要对4G基站进行升级，不仅工作量更大，而且操作难度大。

五、结语

5G 网络架构的设计和实现，为各种新兴技术的发展提供了坚实基础。5G 的高速率、低延迟、高容量和可靠性等特点，将为物联网、云计算、人工智能等新兴技术的发展带来新的机遇，并推动社会经济的数字化转型。随着 5G 技术的不断发展，未来将出现更多更先进的应用和服务，为人类社会带来更加美好的未来。