4G與5G網(wǎng)絡體系結構的比較分析

1 引言

4G網(wǎng)絡通過引入新的空口技術以及核心網(wǎng)技術，設計了全新的網(wǎng)絡架構，網(wǎng)絡向著扁平化方向發(fā)展，同時實現(xiàn)了控制與承載的分離，使得網(wǎng)絡更加簡潔高效并且功能強大。4G網(wǎng)絡能向用戶提供高達百兆的速率，滿足大多數(shù)用戶及應用業(yè)務的需求。然而隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展，對網(wǎng)絡連接的速率、傳輸?shù)臅r延和海量連接的要求提出了比4G高數(shù)倍乃至數(shù)十倍的更高的要求。正是在這樣的背景下，第三代伙伴計劃3GPP提出了革命性的5G網(wǎng)絡，從用戶與服務的角度架設網(wǎng)絡，滿足人們對于萬物互聯(lián)網(wǎng)絡的多樣化、個性化、高質量的需求。本文主要分析4G與5G網(wǎng)絡架構的組成及功能特點，并對它們的差異進行比較，提出從4G網(wǎng)絡架構演進到5G網(wǎng)絡架構的基本方法。

2 4G網(wǎng)絡體系架構

4G網(wǎng)絡系統(tǒng)采用扁平化的結構，由演進的分組核心網(wǎng)（EPC）、演進的基站（eNB）和4G用戶設備（UE）三部分組成，而這當中的EPC和無線接入網(wǎng)E-UTRAN組成了演進的分組系統(tǒng)EPS(Evolved Packet System)，它的結構如圖1所示。

2.1 4G網(wǎng)絡功能單元分析

4G的核心網(wǎng)EPC（Evolved Packet Core），負責移動性管理，用戶身份的驗證，用戶數(shù)據(jù)的傳輸管理等，它主要包括MME、S-GW和P-GW等網(wǎng)元。其主要網(wǎng)元功能如下：

（1）移動管理實體MME（Mobility Management Entity），作為控制面功能實體，它管理和存儲用戶終端UE相關信息，并且還為用戶分配臨時標識。 主要的功能就是移動性管理、承載管理、用戶的鑒權認證。

（2）服務網(wǎng)關SGW（Serving Gateway）是一個負責用戶面功能的實體，與UE終端通過接口相連完成用戶面數(shù)據(jù)包的路由轉發(fā)，還終結無線接口空閑狀態(tài)時的下行數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡的尋呼消息給予支持，管理和存儲UE的承載信息。

圖1 EPS系統(tǒng)架構

（3）分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關PGW（PDN Gateway），負責為用戶分配IP地址，UE也是通過它接入外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)PDN的。它主要起到網(wǎng)關作用，通過它可以和多種不同的外部數(shù)據(jù)網(wǎng)進行互連。

（4）歸屬用戶服務器HSS（Home Subscriber Server），主要用來存儲用戶的鑒權信息、位置信息及漫游方面的信息等。

（5）策略和計費規(guī)則功能實體PCRF（Policy and Charging Rule Functionality），能夠進行策略控制決策，實現(xiàn)基于流計費控制的功能，它還能夠根據(jù)用戶簽約信息和業(yè)務相關要求產生服務質量QoS（Quality of Service）規(guī)則對用戶數(shù)據(jù)傳遞進行更好控制。

4G系統(tǒng)的無線部分，也就是E-UTRAN，它主要包括eNB，它包含之前3G系統(tǒng)的NodeB的功能以及部分核心網(wǎng)的功能，它主要負責無線接入、連接的移動性控制，它還對UE進行動態(tài)資源分配，對用戶數(shù)據(jù)進行壓縮加密，為UE選擇MME和S-GW進行信令和數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡下行的尋呼和廣播消息的也需要經(jīng)過它來傳輸，它還進行用戶移動性能測量輔助系統(tǒng)完成移動性管理。

2.2 4G網(wǎng)絡接口分析

網(wǎng)絡中不同的網(wǎng)元之間互相連接的通道的參考點就是接口，LTE/EPC網(wǎng)絡中涉及的接口主要有：

Uu接口完成UE與eNodeB之間的無線數(shù)據(jù)的交換；X2接口則完成E-UTRAN系統(tǒng)內eNB之間的信令交互。

核心網(wǎng)元MME-SGW之間通過S11接口采用隧道協(xié)議GTP建立隧道，傳送信令，搭建控制面與用戶面的橋梁。而MME與HSS之間通過S6a接口，完成用戶位置信息的交換和用戶簽約信息的管理。為了實現(xiàn)4G網(wǎng)絡的漫游，在不同的MME之間通過S10接口采用GTP建立隧道，傳送信令。而在用戶面SGW與PGW之間通過S5/S8接口傳送數(shù)據(jù)包，采用的也是GTP協(xié)議，另外，PGW還通過SGi接口利用TCP/IP協(xié)議與外部應用服務器之間進行數(shù)據(jù)傳送。

基站eNB與MME之間通過S1-MME進行會話管理（SM）和移動性管理（MM）信息的傳送；基站eNB與SGW之間傳送用戶數(shù)據(jù)包是通過S1-U接口建立隧道來實現(xiàn)的。

3 5G網(wǎng)絡體系架構

false5G 是新一代移動通信系統(tǒng)，它具備充分的靈活性，能夠自感知、自調整，能適應未來社會的快速變化，所以網(wǎng)絡虛擬化NFV、軟件定義網(wǎng)絡SDN是新架構設計的重要技術基礎。5G時代，網(wǎng)絡從連接人向連接萬物（Internet of Everything）方向拓展！當然，支撐這些特點和功能的基礎是5G的全新網(wǎng)絡架構，如圖2、圖3所示。

3.1 5G網(wǎng)絡功能單元分析

5G網(wǎng)絡邏輯結構采用的是SBA架構（Service Based Architecture，即基于服務的架構），是以用戶為中心的智能彈性網(wǎng)絡。把原來具有多個功能的整體，分拆為多個具有獨自功能的個體，每個個體實現(xiàn)自己的微服務。

從圖3可以看到5G網(wǎng)絡中，控制面的網(wǎng)元相對于4G網(wǎng)絡增加了很多，但是這些網(wǎng)絡功能其實都是通過IT化在云平臺上利用軟件定義的方式虛擬出來的，所以5G網(wǎng)絡中定義新的功能體非常方便，同時網(wǎng)絡的擴容、升級都將比較容易進行。

首先來看5G無線接入網(wǎng)功能單元，包括集中單元CU(Centralized Unit)、分布單元DU(Distribute Unit)、有源天線單元AAU(Active Antenna Unit)這樣3個功能實體。原BBU的非實時業(yè)務部分構成CU，處理無線部分的非實時業(yè)務。而DU就是BBU的剩余功能組成的，用來處理物理和實時要求相關的服務。無源天線與無線拉遠單元RRU再加上部分的BBU物理層功能就成了AAU。

5G把RRU拉遠，把BBU集中成BBU基帶池，組成集中化無線接入網(wǎng)C-RAN（Centralized RAN）。這樣就可以統(tǒng)一管理多個BBU資源，資源運用就更加合理。另外，RRU拉遠之后，天線就可以安裝得離用戶更近，整個無線網(wǎng)和終端都可以把功耗降下來，更加節(jié)能環(huán)保。C-RAN下，實體基站變成了虛擬基站，小區(qū)之間的干擾也蛻變成了小區(qū)之間的協(xié)作，頻譜使用效率提高了。在5G中，引入了移動邊緣計算MEC，將部分核心網(wǎng)功能下沉到無線側，更利于部分實時業(yè)務效果的提升。

圖2 5G的無線網(wǎng)

圖3 5G的核心網(wǎng)

再來看5G核心網(wǎng)CN的功能單元。CN可進一步拆分成控制面CP和用戶面UP，根據(jù)不同傳輸條件、業(yè)務特征、QoS要求靈活編排業(yè)務；CP和UP的分離，降低了轉發(fā)分布式部署的復雜度、控制面和用戶面可以獨立彈性伸縮。 組件化控制面架構可以根據(jù)業(yè)務需求定義不同功能變體，甚至剪裁功能以提高網(wǎng)絡效率；用戶面支持軟件定義轉發(fā)路徑，實現(xiàn)可編程控制。在圖3中，可以看到引入了許多虛擬的功能實體，分析如下。

AMF接入和移動管理功能實現(xiàn)注冊管理、接入身份驗證、接入授權、安全功能以及移動管理功能。

SMF會話管理功能實現(xiàn)會話管理，包括IP地址分配和管理、選擇和控制用戶面功能、漫游功能并且支持與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的交互。

AUSF身份驗證服務器功能主要進行接入認證。

NSSF網(wǎng)絡切片選擇功能實現(xiàn)為UE提供所需服務的網(wǎng)絡切片實例集。

NEF網(wǎng)絡開放功能支持網(wǎng)絡能力和事件的開放，通過NEF可以向其他網(wǎng)絡功能NF公開功能和事件。網(wǎng)絡開放功能還可以從其他網(wǎng)絡功能接收信息。

NRF網(wǎng)絡存儲功能支持服務發(fā)現(xiàn)功能，維護可用NF實例及其支持服務的NF配置文件。

PCF策略控制功能，支持統(tǒng)一的策略框架來管理網(wǎng)絡行為。

UDM統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理支持生成3GPP AKA身份驗證憑據(jù)。進行用戶識別處理，支持隱私保護、基于用戶數(shù)據(jù)的接入授權以及用戶管理。

AF應用功能與3GPP核心網(wǎng)絡交互以提供服務。

UPF用戶平面功能是外部PDU與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡互連的會話點。它還進行分組路由轉發(fā)以及對用戶平面的QoS處理。

3.2 5G網(wǎng)絡接口分析

在5G中，提供兩種形式的接口參考點，一種是基于服務化接口的參考點，例如控制面NF之間的交互關系，另一種是基于傳統(tǒng)的點對點通信的參考點，例如NF與無線側以及與外部網(wǎng)絡連接時交互關系。

控制面中應用到每個NF身上接口即為服務化接口，也就是Nxxx接口，因為底層的傳輸方式相同，所有的服務化接口就可以在同一總線上進行傳輸，這種通信方式又可以理解為總線通信方式。總線上具體的消息交互是：每個NF通過各自的服務化接口對外提供服務，并允許其他獲得授權的NF訪問或調用自身的服務。提供服務的NF成為NF服務提供者，訪問和調用服務的NF則稱為NF服務的使用者。它們之間通過訂閱和通知的方式進行具體的消息交互。

而基于傳統(tǒng)的點對點通信的參考點則有：

NG-C接口：無線接入網(wǎng)NG-RAN和5G核心網(wǎng)5GC之間的控制面接口，如5G新基站gNB和增強4G基站ng-eNB通過NG-C接口連接到AMF（對應N2接口）。

NG-U接口：NG-RAN和5GC之間的用戶面接口，如gNB和ng-eNB通過NG-U接口連接到UPF（對應N3接口）。

Xn接口是NG-RAN節(jié)點（gNB或ng-eNB）之間的網(wǎng)絡接口。Xn接口支持兩個NG-RAN節(jié)點之間的信令信息交換，以及PDU到各個隧道端點的轉發(fā)。

3 兩種網(wǎng)絡體系架構的比較及演進

通過從以上的分析，可以看到4G網(wǎng)絡的特點是其中所有設備都連接到具有相似網(wǎng)絡參數(shù)（例如延遲，容量，吞吐量等）的核心網(wǎng)絡。所謂的網(wǎng)絡優(yōu)化也是針對特定的部署場景進行優(yōu)化，而不是針對不同的用例。

而5G網(wǎng)絡的特征是通過NFV、SDN、網(wǎng)絡切片等技術實現(xiàn)轉發(fā)分離化、網(wǎng)絡虛擬化、部署分布化，動態(tài)配置資源，網(wǎng)絡功能軟件模塊化，從網(wǎng)元接口轉變?yōu)檐浖δ苣K接口，網(wǎng)絡可編程; 控制面與用戶面分離，支持控制面和用戶面的獨立演進和部署；針對不同業(yè)務場景，網(wǎng)絡功能可裁剪，實現(xiàn)以業(yè)務為導向的網(wǎng)絡設計和部署。優(yōu)化網(wǎng)絡資源分配，實現(xiàn)最大成本效率，滿足多元化需求。

4G網(wǎng)絡演進到5G網(wǎng)絡有兩種路徑，一種是保留4G網(wǎng)絡逐步過渡，另外一種是建設全新5G網(wǎng)絡，其實也就是5G的SA和NSA組網(wǎng)模式。

5G獨立組網(wǎng)模式（SA）：指新建5G網(wǎng)絡，包括新基站、回傳網(wǎng)絡和核心網(wǎng)。SA引入全新網(wǎng)元與接口，將大規(guī)模采用網(wǎng)絡虛擬化、軟件定義網(wǎng)絡等新技術，實現(xiàn)全面的5G服務。

優(yōu)點：SA將是主流部署方式，SA基站單站價格更有優(yōu)勢，SA可滿足5G高可靠、低時延要求。

缺點：SA組網(wǎng)由于是全新建網(wǎng)，無線網(wǎng)、核心網(wǎng)都要全面建設，投資巨大，發(fā)展進程會相對較慢，建設初期網(wǎng)絡性能、網(wǎng)絡覆蓋可能不盡如人意。

非獨立組網(wǎng)模式（NSA）：指利用現(xiàn)有的4G基礎設施，主要通過架設新的5G基站做補充，進行5G網(wǎng)絡的部署，5G無線網(wǎng)僅承載用戶數(shù)據(jù)，其控制信令仍通過4G網(wǎng)絡傳輸。

優(yōu)點：NSA有4G網(wǎng)絡基礎，無需建設新的核心網(wǎng)，能快速擴大5G覆蓋范圍。

缺點：NSA是基于4G的核心網(wǎng)的，它不能充分實現(xiàn)5G的大連接、低時延的功能，另外NSA組網(wǎng)，由于無線網(wǎng)部分既連接了4G無線網(wǎng)又連接5G無線網(wǎng)，所以耗能更多。

通過以上對NSA與SA網(wǎng)絡架構技術差異的分析，可以看到雖然NSA組網(wǎng)可以充分利用4G網(wǎng)絡基礎，部署速度更快，但SA才可以充分發(fā)揮5G網(wǎng)絡低時延、大連接的特點，有能力引入網(wǎng)絡切片、邊緣計算等一系列新技術，可以為各行業(yè)的應用打開空間。不同的運營商可以根據(jù)自己的情況選擇合適的演進方法來部署和發(fā)展5G 網(wǎng)絡。