5G科普——5G系统架构

5G网络总体拓扑
从结构上看，5G网络包括核心网（5GC）和无线接入侧（NG-RAN）两个部分。5GC部分分别有两个功能单元与NG-RAN部分对接，一个是接入和移动性功能单元（AMF），另一个是用户面的功能单元（UPF）。AMF提供控制面的处理功能，UPF提供用户面的处理功能。NG-RAN包含gNB和ng-eNB这些网元，无线接入侧的网元根据无线接入侧组网的方式不同而有差异，如果是独立组网（SA），无线接入侧就只有gNB网元，没有ng-eNB网元；如果是非独立组网（NSA），无线接入侧包含gNB和ng-eNB这些网元。与4G一样连接这些网元也有接口，5GC与NG-RAN之间的接口叫NG接口，gNB之间和gNB与ng-eNB之间都是Xn接口。

gNB功能

无线资源管理：无线承载控制无线准λ控制动态资源分配连接态移动性控制
AMF选择；
到UPF的用户面数据路由；
连接建立和释放
寻呼消息和系统广播消息的调度和传输
测量和测量上报配置；
支持网络切片，支持双连接
NAS消息转发；

5G核心网网元功能

AMF：接入和移动性功能单元
SMF：会话管理功能单元
UPF：用户面的功能单元
UDM：统一数据管理功能单元
AUSF：鉴权服务单元
MME：移动性管理实体
MME的主要功能是支持NAS（非接入层）信令及其安全、跟踪区域（TA）列表的管理、P-GW和S-GW的选择、跨MME切换时进行MME的选择、在向2G/3G接入系统切换过程中进行SGSN的选择、用户的鉴权、漫游控制以及承载管理、3GPP不同接入网络的核心网络节点之间的移动性管理（终结于S3节点），以及UE在ECM_IDLE状态下可达性管理（包括寻呼重发的控制和执行）。
MME是一个信令实体，主要负责移动性管理、承载管理、用户的鉴权认证、SGW和PGW的选择等功能；
SGW终结和E-UTRAN的接口，主要负责用户面处理，负责数据包的路由和转发等功能，支持3GPP不同接入技术的切换，发生切换时作为用户面的锚点；对每一个与核心网（EPS）相关的UE，在一个时间点上，都有一个SGW为之服务。SGW和PGW可以在一个物理节点或不同物理节点实现。
PGW终结和外面数据网络（如互联网、IMS等）的SGi接口，是EPS锚点，即是3GPP与non-3GPP网络间的用户面数据链路的锚点，负责管理3GPP和non-3GPP间的数据路由，管理3GPP接入和non-3GPP接入（如WLAN、WiMAX等）间的移动，还负责DHCP、策略执行、计费等功能；如果UE访问多个PDN，UE将对应一个或多个PGW。
HSS：归属签约用户服务器
是EPS中用于存储用户签约信息的服务器，是2G/3G网元HLR的演进和升级，主要负责管理用户的签约数据及移动用户的位置信息。

附录：5G名号

这些称号有：IMT-2020，5G，NR，gNB，en-gNB，ng-eNB，EN-DC，NE-DC，NGEN-DC，NG-RAN，5GC，5GS等等

1. 从IMT-2020到5G

要说明这个问题，就不得不提一个国际组织，叫国际电信联盟(ITU, International Telecommunication Union)，简称国际电联。我们先看看国际电联的自我介绍：

『国际电联 (国际电信联盟) 是主管信息通信技术事务（ICT）的联合国机构。我们划分全球的无线电频谱和卫星轨道，制定技术标准以确保网络和技术的无缝互联，并努力为世界欠发达社区提供ICT接入。国际电联致力于连通世界各国人民 —— 无论他们身处何方，处境如何。通过我们的工作，我们保护并支持每个人的基本通信权利。』
说白了，就是国际电联上管天，下管地，中间还要管空气，凡是和通信有关的事情都管。国际电联一看，4G已经全球开花，上网流量爆炸性增长，多少都不够用了，这可咋办？是时候搞一个面向2020年及以后，能近一步满足人民群众日益增长的流量需求的新技术了！

于是，在2015年10月26日至30日，在瑞士日内瓦召开的2015无线电通信全会上，国际电联无线电通信部门(ITU-R)正式批准了三项有利于推进未来5G研究进程的决议，并正式确定了5G的法定名称是“IMT-2020”。
IMT的英文是 International Mobile Telecommunications，合起来的意思就是面向2020年及以后的国际移动通信标准。其他的俗人可没这么严谨，4G再往后不就轮到5G了么，那么直接干脆就叫5G得了。
2017年2月9日，国际通信标准组织3GPP宣布了“5G”的官方 Logo。5G这个名号正式扶正。

2.名目繁多的5G名号

NR：
NR的全称是New Radio，指的是5G的无线空口技术。和4G的空口技术：E-UTRA相比，5G的空口技术当然是非常新的了，因此得名“新空口”，就是这么简单粗暴。另外，既然能拿来比个新旧，说明这两者之间还是有很大关联的。事实上，5G的空口技术就是在4G空口技术之上更新而成。

gNB：
gNB就是5G基站的名称。可是，这里的g到底代表啥？NB是牛逼的意思吗？这一切都要追根溯源，从1G时代开始说起。

1G：基站就叫Base Station，简称BS。简单，直接。
2G：基站名称升级为Base Transceiver Station，简称BTS，也叫基站收发信台，名称的内涵开始丰富起来。
3G：到了这个时候，那些专家似乎对抽象的东西情有独钟，2G时代好好的BTS不叫，却改名为NodeB了，简称NB，其字面含义就是“B节点”。如果我们认为这里的B是指基站的话，那NodeB的含义就是“基站节点”。
4G：这时一个网络急剧演进的时代，到处充斥着“演进”的口号。4G技术叫LTE（长期演进），基站叫eNodeB（演进的NodeB，简称eNB），核心网叫EPC（演进的分组核心网）。在3G网络的名词上加个“evloved”，就成了4G。

到了5G时代，基站的命名也是考虑在NodeB的前面加个表示未来演进的词。那么到底该加那个词呢？我们可以脑补出以下3GPP的各个成员的讨论内容：
ZTE：大家给5G基站确定个名称吧，提议很多，难以定夺啊。
AT&T：叫fNB咋样？
NEC：叫5NB如何？
Intel：要不叫gNB？

最终gNB这个名称胜出，这里的g代表“next Generation”，就是下一代NodeB的意思。那为啥不叫“ngNB”呢？因为NB前面只能加一个字母，叫“nNB”太奇怪了，就退而求其次选择了“gNB”。

有了gNB之后，在此基础之上衍生出了一大票马甲：en-gNB，ng-eNB，gNB-DU等等，不一而足，下面逐个介绍。

en-gNB： 在Option3系列的非独立（NSA）组网架构下，和4G核心网对接的5G基站，就叫en-gNB。这种架构由于是4G eNB（E）和5G NR（N）的双连接（DC），且4G eNB为锚点，因此叫做EN-DC（eNB NR Dual Connection）。
ng-eNB：
在Option4系列的非独立（NSA）组网架构下，4G基站必须升级支持eLTE，和5G核心网对接，这种升级之后的4G基站就叫ng-eNB。这种架构由于是5G NR（N）和4G eNB（E）的双连接（DC），且5G NR为锚点，因此叫做NE-DC（NR eNB Dual Connection）。
类似的，在Option7系列的非独立（NSA）组网架构下，和5G核心网对接，这种升级之后的4G基站也叫ng-eNB，但锚点在ng-eNB上，因此这种架构叫做NGEN-DC（NG-Enb NR Dual Connection）。

NG-RAN:
顾名思义，NG-RAN的含义就是Next Generation Radio Access Network。在非独立组网架构中，这个概念不但包含5G基站（gNB），还包括升级支持eLTE的4G基站（ng-eNB）。也就是说，gNB和ng-eNB合起来，就叫做NG-RAN。

5GC：
5G核心网，基于大虚拟化和服务化架构，4G的网元全部打散融合成一个个的网络功能，最关键的控制面功能是AMF，用户面功能是UPF，如下图所示。
5GS：
5GS就是指5G System，是所有的5G网元的统称。包含基站（NG-RAN）+核心网（5GC）。

最后，加上5G的三大应用场景。5G系统是IMT-2020的唯一践行者，增强型无线宽带（eMBB）提供者，海量物联网（mMTC）服务使能者，超高可靠低时延通信（uRLLC）启蒙者，无线新空口（New Radio）发起者，下一代基站（gNB，en-gNB，ng-eNB，NG-RAN），灵活的双连接组网（EN-DC，NE-DC，NGEN-DC）缔造者。