第 3 章 5G 网络架构
前面我们提到 5G 将渗透到未来社会的各个领域，以用户为中心构 建全方位的信息生态系统。面对极致的体验、效率和性能要求， 以及“万物互联”的愿景，5G 的网络架构设计将面临极大挑战。相较 于 4G 时代，5G 的网络结构会发生颠覆性的变化。本章将介绍 5G 网络 架构演进以及部署策略，为后文 5G 承载网的展开提供前置基础。
| 3.1 移动网络架构演变 |
移动通信网络架构的演进包括两个方面，即无线接入网（RAN，Radio Access Network）的演进和核心网（CN，Core Network）的演进。
从 GSM 网络（2G）演进到 GPRS 网络（2.5G），最主要的变化是引入了 分组交换业务。原有的 GSM 网络是基于电路交换技术，不具备支持分组交换 业务的功能。因此，为了支持分组业务，在原有 GSM 网络结构上增加了几 个功能实体，相当于在原有网络基础上叠加了一个小型网络，共同构成 GPRS 网络。
在接入网方面，在 BSC 上增加了分组控制单元（PCU，Packet Control Unit），用以提供分组交换通道；在核心网方面，增加了服务型 GPRS 支持 节点（SGSN，Service GPRS Supported Node）和网关型 GPRS 支持节点 （GGSN，Gateway GPRS Supported Node），功能方面与 MSC 和 GMSC 一致， 区别在于处理的是分组业务，外部网络接入 IP 网；从 GPRS 叠加网络结构开始，引入了两个概念。一个是电路交换域，一个是分组交换域，即 CS 域与 PS 域。 GPRS 叠加网络架构如图 3-1 所示。
通信技术发展到 3G，在速率方面有了质的飞跃，而在网络结构上，同样发生巨大变化。
首先，伴随着技术的发展，空中接口也随之改变。以往网络结构中的 Um 空中接口换成 Uu 接口，而接入网与核心网的接口也换成 Iu 口；在接入网方面， 不再包含 BTS 和 BSC，取而代之的是基站 NodeB 与无线网络控制器（RNC， Radio Network Controller），功能方面与以往保持一致，核心网方面基本与原 有网络共用，无太大区别。
NodeB 的功能：主要完成射频处理和基带处理两大类工作。射频处理主要包 括发送或接收高频无线信号，以及高频无线信号和基带信号的相互转换功能；基 带处理主要包括信道编 / 译码、复用 / 解复用、扩频调制及解扩 / 解调功能。
RNC 的功能：主要负责控制和协调基站间配合工作，完成系统接入控制、 承载控制、移动性管理、宏分集合并、无线资源管理等控制工作。
CS 域：电路交换，主要包括一些语音业务，也包括电路型数据业务，最常 见的是传真业务。
PS 域：分组交换，主要是常见的数据业务，也包括流媒体业务、VOIP （Voice over IP）等。UMTS 网络架构如图 3-2 所示。
到 4G 时代，整个 LTE 网络从接入网和核心网方面分为 E-UTRAN 和 EPC。在接入网方面，网络扁平化，不再包含两种功能实体，整个网络只有一 种基站 eNodeB，它包含整个 NodeB 和部分 RNC 的功能，演进过程可以概括 为“少一层，多一口，胖基站”，这样做降低了呼叫建立时延和用户数据传输时 延，并且随着网络逻辑节点的减少，网络建设资本支出（CAPEX）和运营成本 （OPEX）也会相应降低，满足低时延、低复杂度和低成本的要求。
“少一层”——4 层组网架构变为 3 层，去掉了 RNC（软切换功能也不复存 在），减少了基站和核心网之间信息交互的多节点开销，用户平面时延大大降低， 系统复杂性降低。
“多一口”——以往无线制式基站之间是没有连接的，而 eNodeB 直接通过 X2 接口有线连接，可以以光纤为载体，实现无线侧 IP 化传输，使基站网元之 间可以协调工作。eNodeB 互连后，形成类似于“Mesh”的网络，避免某个基 站成为孤点，这增强了网络的健壮性。
“胖基站”——eNodeB 的功能由 3G 阶段的 NodeB、RNC、SGSN、GGSN 的部分功能演化而来，新增加了系统接入控制、承载控制、移动性管理、无线 资源管理、路由选择等。4G LTE 网络架构如图 3-3 所示。
核心网侧也发生了重大变革。在 GPRS/UMTS 中，服务 GPRS 支持节 点（SGSN）主要负责鉴权、移动型管理和路由选择，而网关 GPRS 支持节点 （GGSN）负责 IP 地址分配、数据转发和计费。到了 LTE 时代，EPC（Evolved Packet Core）对之前的网络结构能够保持前向兼容，但自身结构方面不再有 3G 时的各种实体部分，主要由移动管理实体（MME，Mobile Management Entity）、服务网关 S-GW 和分组数据网关（P-GW）构成，外部网络只接入 IP 网。其中，MME 主要负责移动性管理，包括承载的建立和释放、用户位置更新、鉴权、加密等，这些笼统地被称为控制面功能，而 S-GW 和 P-GW 更 主要的是处理用户面的数据转发，但还保留内容过滤、数据监控与计费、接入 控制以及合法监听等控制面功能。可以看到，从 GPRS 到 EPC 的演进中，有着 相似的体系架构和接口，并朝着控制与转发分离的趋势演进，但这种分离并不 彻底。比如 MME 相当于 SGSN 的控制面功能，S-GW 则相当于 SGSN 的用 户面。
此外，LTE 核心网新增了一个网元 PCRF，即策略与计费执行功能单元， 可以实现对用户和业务态服务质量（QoS）进行控制，为用户提供差异化的服 务，并且能为用户提供业务流承载资源保障以及流计费策略，真正让运营商实 现基于业务和用户分类的更精细化的业务控制和计费方式，以合理利用网络资 源，创造最大利润，为 PS 域开展多媒体实时业务提供了可靠的保障。
通过以上分析，我们可以简要总结出移动通信网络演进趋势的 4 个重要特 征：基于性能需求和网络运营的双重考虑，对部分网元功能进行重构，并尽量 靠近用户部署，即网元功能下沉，网络更加扁平化；网络全 IP 化；控制与转发 功能逐渐分离，以实现网络性能的优化；重视对业务和用户分类的精细化控制。
