5G科普——5G系統架構

5G網絡總體拓撲
從結構上看，5G網絡包括核心網（5GC）和無線接入側（NG-RAN）兩個部分。5GC部分分別有兩個功能單元與NG-RAN部分對接，一個是接入和移動性功能單元（AMF），另一個是用戶面的功能單元（UPF）。AMF提供控制面的處理功能，UPF提供用戶面的處理功能。NG-RAN包含gNB和ng-eNB這些網元，無線接入側的網元根據無線接入側組網的方式不同而有差異，如果是獨立組網（SA），無線接入側就只有gNB網元，沒有ng-eNB網元；如果是非獨立組網（NSA），無線接入側包含gNB和ng-eNB這些網元。與4G一樣連接這些網元也有接口，5GC與NG-RAN之間的接口叫NG接口，gNB之間和gNB與ng-eNB之間都是Xn接口。

gNB功能

• 無線資源管理：無線承載控制無線準λ控制動態資源分配連接態移動性控制
• AMF選擇；
• 到UPF的用戶面數據路由；
• 連接建立和釋放
• 尋呼消息和系統廣播消息的調度和傳輸
• 測量和測量上報配置；
• 支持網絡切片，支持雙連接
• NAS消息轉發；

5G核心網網元功能

• AMF：接入和移動性功能單元
• SMF：會話管理功能單元
• UPF：用戶面的功能單元
• UDM：統一數據管理功能單元
• AUSF：鑑權服務單元
• MME：移動性管理實體
  MME的主要功能是支持NAS（非接入層）信令及其安全、跟蹤區域（TA）列表的管理、P-GW和S-GW的選擇、跨MME切換時進行MME的選擇、在向2G/3G接入系統切換過程中進行SGSN的選擇、用戶的鑑權、漫遊控制以及承載管理、3GPP不同接入網絡的核心網絡節點之間的移動性管理（終結於S3節點），以及UE在ECM_IDLE狀態下可達性管理（包括尋呼重發的控制和執行）。
  MME是一個信令實體，主要負責移動性管理、承載管理、用戶的鑑權認證、SGW和PGW的選擇等功能；
  SGW終結和E-UTRAN的接口，主要負責用戶面處理，負責數據包的路由和轉發等功能，支持3GPP不同接入技術的切換，發生切換時作爲用戶面的錨點；對每一個與核心網（EPS）相關的UE，在一個時間點上，都有一個SGW爲之服務。SGW和PGW可以在一個物理節點或不同物理節點實現。
  PGW終結和外面數據網絡（如互聯網、IMS等）的SGi接口，是EPS錨點，即是3GPP與non-3GPP網絡間的用戶面數據鏈路的錨點，負責管理3GPP和non-3GPP間的數據路由，管理3GPP接入和non-3GPP接入（如WLAN、WiMAX等）間的移動，還負責DHCP、策略執行、計費等功能；如果UE訪問多個PDN，UE將對應一個或多個PGW。
• HSS：歸屬簽約用戶服務器
  是EPS中用於存儲用戶簽約信息的服務器，是2G/3G網元HLR的演進和升級，主要負責管理用戶的簽約數據及移動用戶的位置信息。

附錄：5G名號

這些稱號有：IMT-2020，5G，NR，gNB，en-gNB，ng-eNB，EN-DC，NE-DC，NGEN-DC，NG-RAN，5GC，5GS等等

1. 從IMT-2020到5G

要說明這個問題，就不得不提一個國際組織，叫國際電信聯盟(ITU, International Telecommunication Union)，簡稱國際電聯。我們先看看國際電聯的自我介紹：

『國際電聯 (國際電信聯盟) 是主管信息通信技術事務（ICT）的聯合國機構。我們劃分全球的無線電頻譜和衛星軌道，制定技術標準以確保網絡和技術的無縫互聯，並努力爲世界欠發達社區提供ICT接入。國際電聯致力於連通世界各國人民 —— 無論他們身處何方，處境如何。通過我們的工作，我們保護並支持每個人的基本通信權利。』
說白了，就是國際電聯上管天，下管地，中間還要管空氣，凡是和通信有關的事情都管。國際電聯一看，4G已經全球開花，上網流量爆炸性增長，多少都不夠用了，這可咋辦？是時候搞一個面向2020年及以後，能近一步滿足人民羣衆日益增長的流量需求的新技術了！

於是，在2015年10月26日至30日，在瑞士日內瓦召開的2015無線電通信全會上，國際電聯無線電通信部門(ITU-R)正式批准了三項有利於推進未來5G研究進程的決議，並正式確定了5G的法定名稱是“IMT-2020”。
IMT的英文是 International Mobile Telecommunications，合起來的意思就是面向2020年及以後的國際移動通信標準。其他的俗人可沒這麼嚴謹，4G再往後不就輪到5G了麼，那麼直接乾脆就叫5G得了。
2017年2月9日，國際通信標準組織3GPP宣佈了“5G”的官方 Logo。5G這個名號正式扶正。

2.名目繁多的5G名號

NR：
NR的全稱是New Radio，指的是5G的無線空口技術。和4G的空口技術：E-UTRA相比，5G的空口技術當然是非常新的了，因此得名“新空口”，就是這麼簡單粗暴。另外，既然能拿來比個新舊，說明這兩者之間還是有很大關聯的。事實上，5G的空口技術就是在4G空口技術之上更新而成。

gNB：
gNB就是5G基站的名稱。可是，這裏的g到底代表啥？NB是牛逼的意思嗎？這一切都要追根溯源，從1G時代開始說起。

• 1G：基站就叫Base Station，簡稱BS。簡單，直接。

• 2G：基站名稱升級爲Base Transceiver Station，簡稱BTS，也叫基站收發信臺，名稱的內涵開始豐富起來。

• 3G：到了這個時候，那些專家似乎對抽象的東西情有獨鍾，2G時代好好的BTS不叫，卻改名爲NodeB了，簡稱NB，其字面含義就是“B節點”。如果我們認爲這裏的B是指基站的話，那NodeB的含義就是“基站節點”。

• 4G：這時一個網絡急劇演進的時代，到處充斥着“演進”的口號。4G技術叫LTE（長期演進），基站叫eNodeB（演進的NodeB，簡稱eNB），核心網叫EPC（演進的分組核心網）。在3G網絡的名詞上加個“evloved”，就成了4G。
  
  到了5G時代，基站的命名也是考慮在NodeB的前面加個表示未來演進的詞。那麼到底該加那個詞呢？我們可以腦補出以下3GPP的各個成員的討論內容：

• ZTE：大家給5G基站確定個名稱吧，提議很多，難以定奪啊。

• AT&T：叫fNB咋樣？

• NEC：叫5NB如何？

• Intel：要不叫gNB？

最終gNB這個名稱勝出，這裏的g代表“next Generation”，就是下一代NodeB的意思。那爲啥不叫“ngNB”呢？因爲NB前面只能加一個字母，叫“nNB”太奇怪了，就退而求其次選擇了“gNB”。

有了gNB之後，在此基礎之上衍生出了一大票馬甲：en-gNB，ng-eNB，gNB-DU等等，不一而足，下面逐個介紹。

en-gNB： 在Option3系列的非獨立（NSA）組網架構下，和4G核心網對接的5G基站，就叫en-gNB。這種架構由於是4G eNB（E）和5G NR（N）的雙連接（DC），且4G eNB爲錨點，因此叫做EN-DC（eNB NR Dual Connection）。
ng-eNB：
在Option4系列的非獨立（NSA）組網架構下，4G基站必須升級支持eLTE，和5G核心網對接，這種升級之後的4G基站就叫ng-eNB。這種架構由於是5G NR（N）和4G eNB（E）的雙連接（DC），且5G NR爲錨點，因此叫做NE-DC（NR eNB Dual Connection）。
類似的，在Option7系列的非獨立（NSA）組網架構下，和5G核心網對接，這種升級之後的4G基站也叫ng-eNB，但錨點在ng-eNB上，因此這種架構叫做NGEN-DC（NG-Enb NR Dual Connection）。

NG-RAN:
顧名思義，NG-RAN的含義就是Next Generation Radio Access Network。在非獨立組網架構中，這個概念不但包含5G基站（gNB），還包括升級支持eLTE的4G基站（ng-eNB）。也就是說，gNB和ng-eNB合起來，就叫做NG-RAN。

5GC：
5G核心網，基於大虛擬化和服務化架構，4G的網元全部打散融合成一個個的網絡功能，最關鍵的控制面功能是AMF，用戶面功能是UPF，如下圖所示。
5GS：
5GS就是指5G System，是所有的5G網元的統稱。包含基站（NG-RAN）+核心網（5GC）。

最後，加上5G的三大應用場景。5G系統是IMT-2020的唯一踐行者，增強型無線寬帶（eMBB）提供者，海量物聯網（mMTC）服務使能者，超高可靠低時延通信（uRLLC）啓蒙者，無線新空口（New Radio）發起者，下一代基站（gNB，en-gNB，ng-eNB，NG-RAN），靈活的雙連接組網（EN-DC，NE-DC，NGEN-DC）締造者。