4G与5G网络体系结构的比较分析

1 引言

4G网络通过引入新的空口技术以及核心网技术，设计了全新的网络架构，网络向着扁平化方向发展，同时实现了控制与承载的分离，使得网络更加简洁高效并且功能强大。4G网络能向用户提供高达百兆的速率，满足大多数用户及应用业务的需求。然而随着人工智能、物联网、云计算、大数据技术的发展，对网络连接的速率、传输的时延和海量连接的要求提出了比4G高数倍乃至数十倍的更高的要求。正是在这样的背景下，第三代伙伴计划3GPP提出了革命性的5G网络，从用户与服务的角度架设网络，满足人们对于万物互联网络的多样化、个性化、高质量的需求。本文主要分析4G与5G网络架构的组成及功能特点，并对它们的差异进行比较，提出从4G网络架构演进到5G网络架构的基本方法。

2 4G网络体系架构

4G网络系统采用扁平化的结构，由演进的分组核心网（EPC）、演进的基站（eNB）和4G用户设备（UE）三部分组成，而这当中的EPC和无线接入网E-UTRAN组成了演进的分组系统EPS(Evolved Packet System)，它的结构如图1所示。

2.1 4G网络功能单元分析

4G的核心网EPC（Evolved Packet Core），负责移动性管理，用户身份的验证，用户数据的传输管理等，它主要包括MME、S-GW和P-GW等网元。其主要网元功能如下：

（1）移动管理实体MME（Mobility Management Entity），作为控制面功能实体，它管理和存储用户终端UE相关信息，并且还为用户分配临时标识。 主要的功能就是移动性管理、承载管理、用户的鉴权认证。

（2）服务网关SGW（Serving Gateway）是一个负责用户面功能的实体，与UE终端通过接口相连完成用户面数据包的路由转发，还终结无线接口空闲状态时的下行数据，对网络的寻呼消息给予支持，管理和存储UE的承载信息。

图1 EPS系统架构

（3）分组数据网网关PGW（PDN Gateway），负责为用户分配IP地址，UE也是通过它接入外部分组数据网PDN的。它主要起到网关作用，通过它可以和多种不同的外部数据网进行互连。

（4）归属用户服务器HSS（Home Subscriber Server），主要用来存储用户的鉴权信息、位置信息及漫游方面的信息等。

（5）策略和计费规则功能实体PCRF（Policy and Charging Rule Functionality），能够进行策略控制决策，实现基于流计费控制的功能，它还能够根据用户签约信息和业务相关要求产生服务质量QoS（Quality of Service）规则对用户数据传递进行更好控制。

4G系统的无线部分，也就是E-UTRAN，它主要包括eNB，它包含之前3G系统的NodeB的功能以及部分核心网的功能，它主要负责无线接入、连接的移动性控制，它还对UE进行动态资源分配，对用户数据进行压缩加密，为UE选择MME和S-GW进行信令和数据传输，网络下行的寻呼和广播消息的也需要经过它来传输，它还进行用户移动性能测量辅助系统完成移动性管理。

2.2 4G网络接口分析

网络中不同的网元之间互相连接的通道的参考点就是接口，LTE/EPC网络中涉及的接口主要有：

Uu接口完成UE与eNodeB之间的无线数据的交换；X2接口则完成E-UTRAN系统内eNB之间的信令交互。

核心网元MME-SGW之间通过S11接口采用隧道协议GTP建立隧道，传送信令，搭建控制面与用户面的桥梁。而MME与HSS之间通过S6a接口，完成用户位置信息的交换和用户签约信息的管理。为了实现4G网络的漫游，在不同的MME之间通过S10接口采用GTP建立隧道，传送信令。而在用户面SGW与PGW之间通过S5/S8接口传送数据包，采用的也是GTP协议，另外，PGW还通过SGi接口利用TCP/IP协议与外部应用服务器之间进行数据传送。

基站eNB与MME之间通过S1-MME进行会话管理（SM）和移动性管理（MM）信息的传送；基站eNB与SGW之间传送用户数据包是通过S1-U接口建立隧道来实现的。

3 5G网络体系架构

false5G 是新一代移动通信系统，它具备充分的灵活性，能够自感知、自调整，能适应未来社会的快速变化，所以网络虚拟化NFV、软件定义网络SDN是新架构设计的重要技术基础。5G时代，网络从连接人向连接万物（Internet of Everything）方向拓展！当然，支撑这些特点和功能的基础是5G的全新网络架构，如图2、图3所示。

3.1 5G网络功能单元分析

5G网络逻辑结构采用的是SBA架构（Service Based Architecture，即基于服务的架构），是以用户为中心的智能弹性网络。把原来具有多个功能的整体，分拆为多个具有独自功能的个体，每个个体实现自己的微服务。

从图3可以看到5G网络中，控制面的网元相对于4G网络增加了很多，但是这些网络功能其实都是通过IT化在云平台上利用软件定义的方式虚拟出来的，所以5G网络中定义新的功能体非常方便，同时网络的扩容、升级都将比较容易进行。

首先来看5G无线接入网功能单元，包括集中单元CU(Centralized Unit)、分布单元DU(Distribute Unit)、有源天线单元AAU(Active Antenna Unit)这样3个功能实体。原BBU的非实时业务部分构成CU，处理无线部分的非实时业务。而DU就是BBU的剩余功能组成的，用来处理物理和实时要求相关的服务。无源天线与无线拉远单元RRU再加上部分的BBU物理层功能就成了AAU。

5G把RRU拉远，把BBU集中成BBU基带池，组成集中化无线接入网C-RAN（Centralized RAN）。这样就可以统一管理多个BBU资源，资源运用就更加合理。另外，RRU拉远之后，天线就可以安装得离用户更近，整个无线网和终端都可以把功耗降下来，更加节能环保。C-RAN下，实体基站变成了虚拟基站，小区之间的干扰也蜕变成了小区之间的协作，频谱使用效率提高了。在5G中，引入了移动边缘计算MEC，将部分核心网功能下沉到无线侧，更利于部分实时业务效果的提升。

图2 5G的无线网

图3 5G的核心网

再来看5G核心网CN的功能单元。CN可进一步拆分成控制面CP和用户面UP，根据不同传输条件、业务特征、QoS要求灵活编排业务；CP和UP的分离，降低了转发分布式部署的复杂度、控制面和用户面可以独立弹性伸缩。 组件化控制面架构可以根据业务需求定义不同功能变体，甚至剪裁功能以提高网络效率；用户面支持软件定义转发路径，实现可编程控制。在图3中，可以看到引入了许多虚拟的功能实体，分析如下。

AMF接入和移动管理功能实现注册管理、接入身份验证、接入授权、安全功能以及移动管理功能。

SMF会话管理功能实现会话管理，包括IP地址分配和管理、选择和控制用户面功能、漫游功能并且支持与外部数据网络的交互。

AUSF身份验证服务器功能主要进行接入认证。

NSSF网络切片选择功能实现为UE提供所需服务的网络切片实例集。

NEF网络开放功能支持网络能力和事件的开放，通过NEF可以向其他网络功能NF公开功能和事件。网络开放功能还可以从其他网络功能接收信息。

NRF网络存储功能支持服务发现功能，维护可用NF实例及其支持服务的NF配置文件。

PCF策略控制功能，支持统一的策略框架来管理网络行为。

UDM统一数据管理支持生成3GPP AKA身份验证凭据。进行用户识别处理，支持隐私保护、基于用户数据的接入授权以及用户管理。

AF应用功能与3GPP核心网络交互以提供服务。

UPF用户平面功能是外部PDU与数据网络互连的会话点。它还进行分组路由转发以及对用户平面的QoS处理。

3.2 5G网络接口分析

在5G中，提供两种形式的接口参考点，一种是基于服务化接口的参考点，例如控制面NF之间的交互关系，另一种是基于传统的点对点通信的参考点，例如NF与无线侧以及与外部网络连接时交互关系。

控制面中应用到每个NF身上接口即为服务化接口，也就是Nxxx接口，因为底层的传输方式相同，所有的服务化接口就可以在同一总线上进行传输，这种通信方式又可以理解为总线通信方式。总线上具体的消息交互是：每个NF通过各自的服务化接口对外提供服务，并允许其他获得授权的NF访问或调用自身的服务。提供服务的NF成为NF服务提供者，访问和调用服务的NF则称为NF服务的使用者。它们之间通过订阅和通知的方式进行具体的消息交互。

而基于传统的点对点通信的参考点则有：

NG-C接口：无线接入网NG-RAN和5G核心网5GC之间的控制面接口，如5G新基站gNB和增强4G基站ng-eNB通过NG-C接口连接到AMF（对应N2接口）。

NG-U接口：NG-RAN和5GC之间的用户面接口，如gNB和ng-eNB通过NG-U接口连接到UPF（对应N3接口）。

Xn接口是NG-RAN节点（gNB或ng-eNB）之间的网络接口。Xn接口支持两个NG-RAN节点之间的信令信息交换，以及PDU到各个隧道端点的转发。

3 两种网络体系架构的比较及演进

通过从以上的分析，可以看到4G网络的特点是其中所有设备都连接到具有相似网络参数（例如延迟，容量，吞吐量等）的核心网络。所谓的网络优化也是针对特定的部署场景进行优化，而不是针对不同的用例。

而5G网络的特征是通过NFV、SDN、网络切片等技术实现转发分离化、网络虚拟化、部署分布化，动态配置资源，网络功能软件模块化，从网元接口转变为软件功能模块接口，网络可编程; 控制面与用户面分离，支持控制面和用户面的独立演进和部署；针对不同业务场景，网络功能可裁剪，实现以业务为导向的网络设计和部署。优化网络资源分配，实现最大成本效率，满足多元化需求。

4G网络演进到5G网络有两种路径，一种是保留4G网络逐步过渡，另外一种是建设全新5G网络，其实也就是5G的SA和NSA组网模式。

5G独立组网模式（SA）：指新建5G网络，包括新基站、回传网络和核心网。SA引入全新网元与接口，将大规模采用网络虚拟化、软件定义网络等新技术，实现全面的5G服务。

优点：SA将是主流部署方式，SA基站单站价格更有优势，SA可满足5G高可靠、低时延要求。

缺点：SA组网由于是全新建网，无线网、核心网都要全面建设，投资巨大，发展进程会相对较慢，建设初期网络性能、网络覆盖可能不尽如人意。

非独立组网模式（NSA）：指利用现有的4G基础设施，主要通过架设新的5G基站做补充，进行5G网络的部署，5G无线网仅承载用户数据，其控制信令仍通过4G网络传输。

优点：NSA有4G网络基础，无需建设新的核心网，能快速扩大5G覆盖范围。

缺点：NSA是基于4G的核心网的，它不能充分实现5G的大连接、低时延的功能，另外NSA组网，由于无线网部分既连接了4G无线网又连接5G无线网，所以耗能更多。

通过以上对NSA与SA网络架构技术差异的分析，可以看到虽然NSA组网可以充分利用4G网络基础，部署速度更快，但SA才可以充分发挥5G网络低时延、大连接的特点，有能力引入网络切片、边缘计算等一系列新技术，可以为各行业的应用打开空间。不同的运营商可以根据自己的情况选择合适的演进方法来部署和发展5G 网络。