5G网络长啥样？一文简单读懂

醉酒撩诗仙

来源：网优雇佣军

不管是2G、3G、4G还是5G，移动通信网络主要由两个子系统组成：无线接入网（RAN）和移动核心网。

RAN负责管理无线部分，以高效利用频谱资源，并满足用户的服务质量需求。RAN的关键组件叫基站，2G时代的基站叫BTS，3G叫NodeB，4G叫eNB，5G叫gNB。

移动核心网在RAN和互联网之间架起了一道桥梁，主要功能包括：

• 为数据和语音服务提供Internet连接

• 确保连接的QoS质量要求

• 管理用户移动性，以确保服务不中断

• 计费

核心网

在了解核心网之前，先来了解两个概念：控制面和用户面。

当你拿起手机上网时，基站会为你的手机建立无线信道连接。这个过程主要分为控制面连接和用户面连接两部分。控制面承载信令或控制消息。用户面，也叫数据面或转发面，承载数据流量。

首先，基站会在手机和核心网的控制面之间建立“控制面”连接，并在两者之间转发信令消息，这些消息包括手机身份验证、注册、移动性管理等。

然后，基站会在手机和核心网的用户面之间建立“用户面”连接，转发用户数据流量。

5G组网架构分为NSA和SA。在NSA架构下，5G基站依然连接4G核心网；在SA架构下，5G基站独立连接5G核心网。因此，大家先来看一下4G核心网架构。

4G核心网叫EPC，主要由MME、HSS、PCRF、SGW和PGW组成。其中，MME、HSS、PCRF为控制面，SGW和PGW包含用户面。

• MME（移动性管理实体）：负责追踪和管理终端在RAN中的移动性。

• HSS（归属用户服务器）：一个数据库，存储与用户签约相关的信息。

• PCRF（策略和计费规则）：负责策略控制决策和流量计费。

• SGW（服务网关）：主要负责与RAN之间转发IP数据包。

• PGW（分组网关）：本质上是IP路由器，将核心网连接到外部Internet。

4G核心网可根据地理位置灵活部署，比如将MME和PGW部署于中心城市，而将SGW部署于小城市。

不过，5G核心网更加灵活。5G核心网称为NG-Core，设计方式发生了空前改变。

首先，5G核心网的控制面和用户面彻底分离，这使得用户面UPF可灵活下沉，并与边缘计算（MEC）一起分布式部署于更接近用户侧的边缘，从而可降低网络时延，使能低时延5G应用。

UPF与边缘计算一起部署

其次，也是更大的改变，5G核心网采用基于服务的架构（SBA）设计，其通过云原生、无状态的VNF（虚拟化网络功能）和共享的数据层让5G核心网更加弹性、高效和灵活，以满足包括eMBB、mMTC、URLLC多样化5G用例。还能通过微服务进行网络切片，从而为各行各业提供定制化切片服务。

简单的说，SBA=网络功能服务+基于服务的接口。NFV从传统软硬件一体化的专用电信设备中解耦出虚拟化的、App化的网络功能（NF），代替了传统物理网元，而现在要进一步把NF分解为多个“网络功能服务”。NF可通过“基于服务的接口”由多个模块化的“网络功能服务”组成。

4G核心网与5G核心网的区别

在控制面：

• AMF（接入和移动性管理功能），负责终端的移动性和接入管理，包括接入、连接、移动性管理，以及鉴权、位置服务等。大致对应原4G EPC中MME的移动性管理部分。

• SMF（会话管理功能），负责会话管理功能，包括IP地址分配、QoS控制、转发路由控制等。大致对应原4G EPC中MME的部分功能+S/PGW的控制面部分。

• PCF（策略控制功能），负责策略控制，大致对应EPC中的PCRF。

• UDM（统一数据管理），管理用户数据，包括用户标识、用户签约数据、鉴权数据等，大致对应EPC的HSS的部分功能。

• AUSF（鉴权服务器功能），就是鉴权服务器，配合UDM专门负责用户鉴权。

• NEF（网络开放功能），类似于4G核心网中的SCEF（Service Capability Exposure Function），其通过API接口将业务能力开放给第三方服务商，以创新商业价值。只不过，与SCEF不同，NEF通过SBI以总线方式与所有NF相连，且两者开放的API功能也存在差异。

• NRF（网络功能库），负责对网络功能服务注册登记、状态监测等，实现网络功能服务自动化管理、选择和可扩展，并允许每个网络功能发现其它网络功能提供的服务。

• NSSF（网络切片选择功能），管理网络切片相关信息，比如负责为终端选择网络切片。

在用户面：

• UPF（用户面功能），负责在无线接入网和Internet之间转发流量、报告流量使用情况、QoS策略实施等，对应4G EPC中的S/PGW的用户面。

从4G核心网到5G核心网

无线接入网

要了解无线接入网，先来看看基站的内部工作原理。

如上图：

• RRC（无线资源控制），运行于无线接入网的控制面，作为无线资源控制层，RRC负责连接管理、接入控制、状态管理、系统信息广播等功能，但不负责在用户面上处理用户数据包。

• PDCP（分组数据汇聚协议），负责压缩和解压缩IP报头，加密和完整性保护等。值得一提的是，在NSA组网模式下，PDCP层负责4G基站和5G基站之间的数据分流和聚合。

• RLC（无线链路控制），负责对数据分段/重组、ARQ纠错、重复包检测等。

• MAC（媒体访问控制），负责实时资源调度决策、复用/解复用、缓冲等功能。

• PHY（物理层），负责编码、调制、FEC等。

根据以上协议流程，5G基站又划分为三部分：CU、DU和RU。

• CU，中央单元，处理RRC、PDCP等高层协议，负责非实时的配置和控制决策。

CU可采用云化部署方式，甚至可以与核心网UPF和边缘计算融合部署。

• DU，分布式单元，处理对实时性较高的层2功能和部分物理层功能。

• RU，天线单元，指部分物理层和RF、天线部分。

如上所述，由于MAC层负责实时调度无线资源，因此DU需与RU就近部署（1ms以内）。一种典型的部署方式是，DU和RU共站部署；针对校园、工厂、商城等场景，一个DU可服务多个分布式的RU。

这样一来，无线接入网的回传分为三部分：前传、中传和回传。RU和 DU之间是前传，DU和CU之间是中传，CU到核心网是回传。