第 3 章 5G 網絡架構
前面我們提到 5G 将滲透到未來社會的各個領域，以使用者為中心構 建全方位的資訊生态系統。面對極緻的體驗、效率和性能要求， 以及“萬物互聯”的願景，5G 的網絡架構設計将面臨極大挑戰。相較 于 4G 時代，5G 的網絡結構會發生颠覆性的變化。本章将介紹 5G 網絡 架構演進以及部署政策，為後文 5G 承載網的展開提供前置基礎。
| 3.1 移動網絡架構演變 |
移動通信網絡架構的演進包括兩個方面，即無線接入網（RAN，Radio Access Network）的演進和核心網（CN，Core Network）的演進。
從 GSM 網絡（2G）演進到 GPRS 網絡（2.5G），最主要的變化是引入了 分組交換業務。原有的 GSM 網絡是基于電路交換技術，不具備支援分組交換 業務的功能。是以，為了支援分組業務，在原有 GSM 網絡結構上增加了幾 個功能實體，相當于在原有網絡基礎上疊加了一個小型網絡，共同構成 GPRS 網絡。
在接入網方面，在 BSC 上增加了分組控制單元（PCU，Packet Control Unit），用以提供分組交換通道；在核心網方面，增加了服務型 GPRS 支援 節點（SGSN，Service GPRS Supported Node）和網關型 GPRS 支援節點 （GGSN，Gateway GPRS Supported Node），功能方面與 MSC 和 GMSC 一緻， 差別在于處理的是分組業務，外部網絡接入 IP 網；從 GPRS 疊加網絡結構開始，引入了兩個概念。一個是電路交換域，一個是分組交換域，即 CS 域與 PS 域。 GPRS 疊加網絡架構如圖 3-1 所示。
通信技術發展到 3G，在速率方面有了質的飛躍，而在網絡結構上，同樣發生巨大變化。
首先，伴随着技術的發展，空中接口也随之改變。以往網絡結構中的 Um 空中接口換成 Uu 接口，而接入網與核心網的接口也換成 Iu 口；在接入網方面， 不再包含 BTS 和 BSC，取而代之的是基站 NodeB 與無線網絡控制器（RNC， Radio Network Controller），功能方面與以往保持一緻，核心網方面基本與原 有網絡共用，無太大差別。
NodeB 的功能：主要完成射頻處理和基帶處理兩大類工作。射頻處理主要包 括發送或接收高頻無線信号，以及高頻無線信号和基帶信号的互相轉換功能；基 帶處理主要包括信道編 / 譯碼、複用 / 解複用、擴頻調制及解擴 / 解調功能。
RNC 的功能：主要負責控制和協調基站間配合工作，完成系統接入控制、 承載控制、移動性管理、宏分集合并、無線資源管理等控制工作。
CS 域：電路交換，主要包括一些語音業務，也包括電路型資料業務，最常 見的是傳真業務。
PS 域：分組交換，主要是常見的資料業務，也包括流媒體業務、VOIP （Voice over IP）等。UMTS 網絡架構如圖 3-2 所示。
到 4G 時代，整個 LTE 網絡從接入網和核心網方面分為 E-UTRAN 和 EPC。在接入網方面，網絡扁平化，不再包含兩種功能實體，整個網絡隻有一 種基站 eNodeB，它包含整個 NodeB 和部分 RNC 的功能，演進過程可以概括 為“少一層，多一口，胖基站”，這樣做降低了呼叫建立時延和使用者資料傳輸時 延，并且随着網絡邏輯節點的減少，網絡建設資本支出（CAPEX）和營運成本 （OPEX）也會相應降低，滿足低延遲時間、低複雜度和低成本的要求。
“少一層”——4 層組網架構變為 3 層，去掉了 RNC（軟切換功能也不複存 在），減少了基站和核心網之間資訊互動的多節點開銷，使用者平面時延大大降低， 系統複雜性降低。
“多一口”——以往無線制式基站之間是沒有連接配接的，而 eNodeB 直接通過 X2 接口有線連接配接，可以以光纖為載體，實作無線側 IP 化傳輸，使基站網元之 間可以協調工作。eNodeB 互連後，形成類似于“Mesh”的網絡，避免某個基 站成為孤點，這增強了網絡的健壯性。
“胖基站”——eNodeB 的功能由 3G 階段的 NodeB、RNC、SGSN、GGSN 的部分功能演化而來，新增加了系統接入控制、承載控制、移動性管理、無線 資源管理、路由選擇等。4G LTE 網絡架構如圖 3-3 所示。
核心網側也發生了重大變革。在 GPRS/UMTS 中，服務 GPRS 支援節 點（SGSN）主要負責鑒權、移動型管理和路由選擇，而網關 GPRS 支援節點 （GGSN）負責 IP 位址配置設定、資料轉發和計費。到了 LTE 時代，EPC（Evolved Packet Core）對之前的網絡結構能夠保持前向相容，但自身結構方面不再有 3G 時的各種實體部分，主要由移動管理實體（MME，Mobile Management Entity）、服務網關 S-GW 和分組資料網關（P-GW）構成，外部網絡隻接入 IP 網。其中，MME 主要負責移動性管理，包括承載的建立和釋放、使用者位置更新、鑒權、加密等，這些籠統地被稱為控制面功能，而 S-GW 和 P-GW 更 主要的是處理使用者面的資料轉發，但還保留内容過濾、資料監控與計費、接入 控制以及合法監聽等控制面功能。可以看到，從 GPRS 到 EPC 的演進中，有着 相似的體系架構和接口，并朝着控制與轉發分離的趨勢演進，但這種分離并不 徹底。比如 MME 相當于 SGSN 的控制面功能，S-GW 則相當于 SGSN 的用 戶面。
此外，LTE 核心網新增了一個網元 PCRF，即政策與計費執行功能單元， 可以實作對使用者和業務态服務品質（QoS）進行控制，為使用者提供差異化的服 務，并且能為使用者提供業務流承載資源保障以及流計費政策，真正讓營運商實 現基于業務和使用者分類的更精細化的業務控制和計費方式，以合理利用網絡資 源，創造最大利潤，為 PS 域開展多媒體實時業務提供了可靠的保障。
通過以上分析，我們可以簡要總結出移動通信網絡演進趨勢的 4 個重要特 征：基于性能需求和網絡營運的雙重考慮，對部分網元功能進行重構，并盡量 靠近使用者部署，即網元功能下沉，網絡更加扁平化；網絡全 IP 化；控制與轉發 功能逐漸分離，以實作網絡性能的優化；重視對業務和使用者分類的精細化控制。
| 3.2 5G 邏輯架構的重構 |