5.1　5G 边缘云接入体系

5.1.1　5G 网络总体架构

与前4代移动通信系统相比，5G 在应用上面临着多样化的应用场景和极致性能的考验，连续广域覆盖、热点高容量、低时延超高可靠、低功耗大连接将成为未来5G 的主要技术要求。为了满足个人用户和企业用户对5G 网络越发极致的性能要求，我们需要在无线接入网和核心网方面对5G 网络架构进行重新设计。

在无线接入网方面，5G 采用3GPP 组织引入的集中单元/分布单元（Centralized Unit- Distributed Unit，CU-DU）网络架构，同时在无线接入网侧使用云化部署方案，在降低建设成本的同时增强了无线接入网的灵活性。在此架构下，5G 将基带处理单元（Building Baseband Unit，BBU）拆分成CU 和DU 两个逻辑网元，而射频单元及部分基带物理层等底层功能与天线构成AAU（有源天线单元），分组数据汇聚协议（PDCP）层及以上的无线协议功能由CU 实现，PDCP 以下的无线协议功能由DU 实现。CU-DU网络架构能够将无线资源集中控制功能集成在CU 中，并使归属不同制式和不同类型的基站都接入CU。同时，无线接入网利用干扰协调、多接入等技术，可以避免站间、制式间东西向的流量压力。另外，基于SDN/NFV 技术，在无线接入网的网元部署上采用云化部署架构：通过虚拟化通用硬件设备来部署CU 功能，实现资源的统一编排和管理，实现CU 功能在网络中的灵活部署，推动无线接入网云化发展。这种部署方式能够实现区域内无线资源的集中调度和协调，提高频谱利用率和网络容量，实现网络功能的快速部署和升级，并能根据无线业务负载的变化自适应地调整基础网络资源使用情况，节省网络运营成本。

在核心网方面，同样广泛采用SDN/NFV 技术和面向服务的架构设计方案，实现5G 核心网元的云化部署。5G 核心网涉及的主要技术包括SDN/NFV 技术、网络切片技术、MEC 技术等。通过SDN/NFV 技术能够实现5G 网元与硬件平台的解耦，提高网元的灵活部署能力；通过网络切片技术，能够构建不同性能的网络集群，满足5G 应用场景的性能指标；通过MEC 技术，能够实现计算能力的下沉，减少数据往返时延。

5.1.2　5G 无线接入网技术体系

1．5G 无线接入网CU-DU 网络架构

5G 无线接入网（Radio Access Networks，RAN）采用集中单元（CU）、分布单元（DU）和有源天线单元（AAU）三级结构，即CU-DU 网络架构。在5G 的新结构中，将传统网络架构中BBU 的功能重构为CU 和DU 两个功能实体。原BBU 的非实时部分重新定义为CU，负责处理非实时协议和服务，同时也支持部分核心网功能下沉和边缘应用业务的部署，主要包含分组数据汇聚协议（PDCP）和无线资源控制（RRC）。BBU 的部分物理层处理功能和原RRU 合并为AAU，主要包含底层物理层（PHY-L）和射频（RF）。BBU的剩余功能重新定义为DU，负责处理物理层协议和实时服务，包含无线链路控制（RLC）、介质访问控制（MAC）和高层物理层（PHY-H）等。5G 的CU-DU 网络架构与传统网络架构对比如图5-1所示。图5-1中，RAN-RT 为无线接入网的实时部分，RAN-NRT 为无线接入网的非实时部分，CPRI（Common Public Radio Interface）为通用公共无线接口。

5G 无线接入网的CU 和DU 存在多种部署方式。为了满足5G 网络的需求，运营商和主设备厂商等提出多种无线网络架构。当CU、DU 合设时，5G 无线接入网与4G 无线接入网结构类似，相应承载也采用前传和回传两级结构，但5G 基站的接口速率和类型发生了明显变化。当CU、DU 分设时，相应承载将演进为前传、中传和回传三级结构。对于CU 功能，未来企业可以采用云化的部署方案，增强无线资源管理的灵活性。

从4G 在无线接入网技术上向5G 的演进角度看，S1接口是4G 基站（LTE eNB）与演进型分组核心网（EPC）之间的通信接口，将LTE（Long Term Evolution）系统划分为无线接入网和核心网。随着4G 基站演进为5G 基站（NR gNB），相应地，S1接口的网络功能演进为5G 的CU 和DU，连接起5G 基站与5G 核心网（5GC）。根据CU 和DU 之间的分设/合设部署方式以及AAU的具体位置不同，这里存在多种实体形态。5G的CU-DU部署架构如图5-2所示。

2．5G 新空口关键技术

5G 与之前4代移动通信系统最大的差别是，其针对企业用户展开了在工业、医疗、多媒体等多种场景的应用。面向不同行业的产业互联网应用在性能上存在多种多样的需求。

总体来说，5G 网络面向各行业主要支持连续广域覆盖、热点高容量、低时延超高可靠、低功耗大连接等应用场景。在连续广域覆盖场景下，既要保证用户移动性及业务连续性，同时还需要为用户随时随地提供100Mbps 以上的数据传输速率。在热点高容量场景下，需要面向室内外局部热点区域，为用户提供极高的数据传输速率，满足网络极高的流量密度需求。在低时延超高可靠场景下，需要面向车联网、工业控制等物联网及垂直行业的特殊应用需求，为用户提供毫秒级的端到端时延和接近 100%的业务可靠性保证。在低功耗大连接场景下，需要支持百万个/km2的连接数密度。为了保证5G 网络的极致性能要求，包括Gbps 级别的用户体验速率、数十Gbps 级别的峰值速率、数十Tbps/km2级别的流量密度、百万个/km2级别的连接数密度、毫秒级的端到端时延等，我们需要采用多种新型无线技术，对5G 空口进行新的设计。

为实现上述目标，5G 新空口技术涉及全双工技术、多址技术、调制编码技术、多天线技术等多种无线技术。通过这些无线技术的协同应用，实现5G 网络在无线接入网侧对多种性能指标的支持，同时能够根据业务场景的具体需求，对这些无线技术模块进行优化配置，形成特定场景下的空口技术方案。

在全双工技术方面，5G 采用同时同频全双工技术，支持传统的FDD 和TDD 及其增强技术，支持灵活双工，并且可以灵活分配上下行时间和频率资源，能够实现同时同频收发。这将大幅度提升无线资源的使用率，提升频谱效率并提供更高的网络容量。同时5G 采用空域、射频域等自干扰抑制技术，消除了设备接收端和发送端产生的干扰问题。

在多址技术方面，5G 一方面沿用已在4G 中采用的OFDMA（正交频分多址）技术，另一方面扩展了对SCMA（稀疏码分多址接入）、PDMA（图样分割多址接入）、MUSA（多用户共享接入）等新型多址技术的支持。OFDMA 是一种在利用OFDM（正交频分复用）技术对信道进行副载波化后，在部分子载波上加载传输数据的传输技术，是OFDM和FDMA（频分多址）技术的结合。新型多址技术以叠加传输为主要特征，通过多用户信息的叠加传输方式，实现了在相同时频资源上对更多用户连接的支持，能够简化信令流程进而降低时延，还可以获得更高的频谱效率。与OFDMA 技术相比，新型多址技术可以获得更高的系统容量、更低的时延，支持更多的用户连接，可有效满足5G 典型应用场景对连接数密度、时延等关键性能指标的要求。

在调制编码技术方面，5G 根据具体应用场景，采用LDPC 码、极化码、超奈奎斯特码等多种新型编码技术，实现对5G 复杂应用场景的差异化支持。对于高速率业务，采用LDPC 码、极化码、超奈奎斯特调制（FTN）等技术实现；对于低速率小包业务，采用极化码、低码率的卷积码等技术实现；对于吞吐量要求较高的业务，采用联合调制编码技术实现；对于低时延业务，采用编/译码处理时延较低的编码技术实现。

在多天线技术方面，5G 采用大规模天线阵列（Massive MIMO）技术：在相同时频资源上，使用比现有MIMO 系统天线端口数目高出若干数量级的大规模天线阵列。5G 利用Massive MIMO 的多天线分集及波束赋形技术，同时借助于空分多址技术，获取频谱复用、链路可靠性等性能的大幅度提升，从而高效地利用带宽资源，大幅度提升频谱效率。

5.1.3　5G 核心网技术体系

1．5G 核心网架构

5G 重新定义了网络架构、网元及其功能，在支持基本网元功能的基础上，新增5G网络切片等功能。5G 核心网架构突出“服务化架构”的特点，利用SDN/NFV、MEC、网络切片等技术，在网络功能与设备实体之间解耦，实现功能模块化。虚拟化之后的5G网元功能之间实现按需组合，以满足灵活部署要求：既可独立升级，也支持独立编排。网络服务对外开放，支持新业务快速开通。服务化架构将网元功能拆分为细粒度的网络服务，对接云化NFV 平台轻量级部署单元，为差异化的业务场景提供敏捷的系统架构支持；网络切片和边缘计算提供了可定制的网络功能和转发拓扑。面向服务的5G 核心网架构如图5-3所示。

图5-3中，

UDM：Unified Data Management，统一数据管理。

AUSF：Authentication Service Function，认证服务器功能。

MANO：Management and Network Orchestration，管理和网络编排器。

SDNC：Software Defined Network Controller，软件定义网络控制器。

与4G 核心网相比，5G 核心网的组网更加灵活。5G 在移动性管理、认证服务、连接、路由等基本功能方面保持不变，但在实现方式和技术手段方面进行了改善，其实现方式更加灵活。具体实现包括接入和移动性管理功能（AMF）与会话管理功能（SMF）的分离、承载与控制的分离。AMF 和SMF 的部署层级及UPF 和SMF 的部署层级可以分开，AMF 和UPF 等网元功能能够根据业务需求、流量、资源等因素实现灵活部署。5G 核心网采用服务化架构设计，根据功能对网元进行模块化部署，实现了功能解耦，具有以下特征。

（1）网络基础设施云化部署

5G 网络的云化包括核心网云化、无线接入网云化和控制系统云化三部分。电信云是运营商云化转型的目标：运营商基于通用硬件设备，通过网络基础设施云化部署，能够降低设备投资成本，同时将云计算的快速部署能力应用到核心网部署中，实现网络的快速配置与升级。

（2）网络控制与转发功能分离

SDN/NFV 技术有利于快速实现5G 网络功能部署，实现了网络的虚拟化、功能的轻量化，以及网络控制与转发功能的分离。网络虚拟化有利于5G 核心网向全面云化演进，功能轻量化极大简化了模块、接口和协议的复杂度，网络控制与转发功能分离实现了网管控制平面和用户平面的分离，保障了未来网络的分布式部署需求。

（3）网络服务切片化

5G 核心网将全面支持网络切片技术。面向不同垂直行业按用户对网络能力的需求，灵活地构建一条满足用户需求的网络转发路径，即在同一个基础的物理网络之上，采用网络切片技术、SDN/NFV 技术实现业务的逻辑隔离和网络资源的动态分配，满足业务对网络的多样性需求，为用户提供不同的SLA。网络切片是NFV 在5G 核心网中的关键应用。通过MEC 和网络切片技术，5G 能够提供专用的逻辑网络，提供按需配置的网络功能，满足各行业用户的个性化需求。

（4）网元功能分布式部署

5G 核心网从4G 时期的“网元”解耦重构为“网元功能”。5G 利用云化部署的方式，基于统一的通用硬件设施和软件化的网络功能重构，实现网络的低成本、灵活部署。新型的AMF 和SMF 为网络提供了更多可选的功能组合，网元功能采用模块化设计，有利于实现API 调用，提升通用性。

2．5G 核心网关键技术概述

5G 的增强型移动宽带（eMBB）、大规模机器类型通信（mMTC）、超高可靠和低时延通信（uRLLC）三大特征，分别满足超高清视频、AR/VR 等大流量业务应用，以及车联网、工业控制等泛连接、高可靠业务应用的需求。这种新型业务应用对网络速率、移动性、频谱效率、流量密度、连接数密度、端到端时延、可靠性等方面均存在着不同的要求。为了充分满足这些应用需求，5G 核心网采用服务化架构、SDN/NFV、网络切片、MEC 等多种关键技术，实现核心网的云化部署，满足对多种应用场景的支持。5G 网络云化部署视图如图5-4所示。

图5-4中，

NFVO：Network Function Virtualization Orchestration，网络功能虚拟化编排器。

SDNO：Software Defined Network Orchestration，软件定义网络编排器。

VNFM：Virtualized Network Function Manager，虚拟化网络功能管理器。

目前，国际标准组织已经完成5G 核心网标准（3GPP R15）的制定，涉及网络切片、服务化架构、MEC、接入和移动性管理、会话管理、控制平面管理、会话与业务连续性等方面。本节将对5G 核心网主要关键技术进行总结介绍。

（1）服务化架构

5G 核心网的控制平面采用服务化架构设计，借鉴IT 系统服务化的理念，将控制平面功能解耦重构为多个网元功能，实现网元功能间的重构解耦。各网元功能能够独立进行部署、升级、重用。各网元功能采用注册、发现机制。基于服务化的接口，每个网元功能均能够直接与其他网元功能交互，实现了各网元功能在5G 核心网中的即插即用、快速部署、连续集成，可用于构建满足不同应用场景需求的专用逻辑网络。

（2）SDN/NFV 技术

在5G 核心网中引入SDN/NFV 技术，能够提升5G 灵活组网的能力。利用平台虚拟化技术，通过在虚拟机上部署网络功能实体，实现底层物理资源到虚拟化资源的映射，实现资源的动态配置和高效调度。利用SDN 控制与转发分离功能，构建承载信令和数据流的通路，实现网元功能的动态连接，完成端到端的网络功能配置，增强网络部署的灵活性。

（3）网络切片技术

网络切片技术不是新概念，只是在5G 的带宽足够大了之后，进行网络切片才有了实际意义。5G 网络端到端切片是指将网络资源灵活分配，将网络能力按需组合，基于一个5G 网络虚拟出多个具备不同特性的逻辑子网。每个端到端切片均由核心网、无线接入网、传输网子切片组合而成，并通过端到端切片管理系统进行统一管理。网络切片是SDN/NFV 技术应用于5G 网络的关键服务。一个网络切片将构成一个端到端的逻辑网络，按切片需求方的需求灵活地提供一种或多种网络服务。网络切片让运营商能够对时延、移动性、可用性、可靠性和数据传输速率等网络性能指标提供差异化定制服务，例如，有些情况需要非常高的数据传输速率或流量密度，而另一些情况需要非常低的时延和非常高的通信服务可用性。网络切片还能够针对公共安全、公司客户、漫游用户或托管MVNO（Mobile Virtual Network Operator，移动虚拟网络运营商）等特定用户提供逻辑隔离的网络，并对优先级、计费、策略控制、安全性和移动性等方面进行差异定制。

（4）MEC 技术

边缘计算是5G 的关键技术之一，随着端的接入技术的多元化，发展为MEC（Multi-access Edge Computing，多接入边缘计算）技术。MEC 技术通过将计算能力、存储能力下沉到网络边缘，可以为用户提供更贴近数据源、更大带宽、更低时延的数据服务；通过在网络边缘增加具备计算、存储、网络等功能的边缘计算节点，能够将云计算、无线网络、数据缓存等技术有机地融合在一起；支持多种灵活的本地分流、移动、计费和QoS 机制；能够大幅度缩短端到端时延，有效处理用户高实时性业务，并解决核心网的数据流量瓶颈等相关问题；能够推动5G 移动通信系统在车联网、物联网、无人机网络和智慧城市等领域的应用和发展。