1.3 5G 标准的制定过程
第2章 5G 系统设计架构与标准体系
本章就 5G 系统网络架构、无线接口协议栈、物理层设计和协议规范体系进行介绍。
2.1 5G 系统网络架构
3GPP 为了更好地满足 ITU 对 5G 不同的业务场景需求，如支持 eMBB（增强移动宽带）、mMTC（低功耗大连接）、URLLC（低时延高可靠通信）等场景，在进行新系统设计之前进行了进一步需求分析，并提出了更多的关键性能指标。比如下行峰值速率应达20Gbit/s，下行频谱效率达到 30bit/(s·Hz)，控制面传输时延应小于 10ms，用户面传输时延对于 URLLC 场景来说应小于 0.5ms，移动中断时间为 0ms 等更高的性能要求[1]。
为了满足不同业务的需求，5G 接入网架构需要支持不同的部署方式。考虑到 LTE系统的长期存在，很长一段时间内 5G 和 LTE 系统会共同部署，3GPP 也标准化了多种网络架构，以适应不同的网络部署方案，该部分内容将在 8.2 节进行详细介绍。同时，为了适应各种部署场景，5G 支持了两种部署方式：一种为分布式部署，这种方式与 LTE系统类似，网络由基站组成，基站支持全协议栈的功能；另一种为集中式部署，基站进一步分为集中单元（CU，Centralized Unit）和分布单元（DU，Distributed Unit）两个节点，CU 和 DU 分别支持不同的协议栈和功能，该部分内容在 8.3 节进行了详细介绍。
无论未来架构如何演变，无线接入网与核心网仍然遵循各自发展的原则，空中接口终止在无线接入网。从整体上说，与 3GPP 已有系统类似，5G 系统架构仍然分为两部分，如图 2.1 所示，包括 5G 核心网（5GC）和 5G 接入网（NG-RAN）。
5GC 包括 AMF（Access and Mobility Management Function)、UPF(User Plane Function）和 SMF（Session Management Function）三种主要逻辑节点。其中 SMF 和接入网之间没有接口，未在图中表示。和 LTE 系统的核心网相比，5G 核心网的控制平面和用户平面进一步分离。为了满足低时延、高流量的网络要求，5G 核心网对用户平面的控制和转发功能进行了重构，重构后的控制平面分为 AMF 和 SMF 两个逻辑节点。AMF 主要负责移动性管理，SMF 负责会话管理功能。用户平面的 UPF 代替了 LTE 网络的 SGW 和 PGW。
重构后的核心网架构，控制平面功能进一步集中化，用户平面功能进一步分布化，运营商可以根据业务需求灵活地配置网络功能，满足差异化的场景对网络的不同需求。
NG-RAN 由 gNB 和 ng-eNB 两种节点共同组成。gNB 是提供到 UE 的 NR 控制平面与用户平面的协议终止点，ng-eNB 是提供到 UE 的 E-UTRA 控制平面与用户平面的协议终止点。gNB 之间、ng-eNB 之间，以及 gNB 和 ng-eNB 通过 Xn 接口进行连接。5G 接入网与核心网之间通过 NG 接口进行连接，gNB/ng-eNB 和 AMF 之间是 NG-C 接口，和
UPF 之间是 NG-U 接口。
NG 接口可以实现 AMF/UPF 和 NG-RAN 节点的多对多连接，即一个 AMF/UPF 可以连接多个 gNB/ng-eNB，一个 gNB/ng-eNB 也可以连接多个 AMF/UPF。对于 UE 来说，在网络侧分配的注册区域内移动，即使发生 gNB/ng-eNB 间的切换，仍然可以驻留在相同的 AMF/UPF 上， UE 不需要发起新的注册更新过程。这有助于减少接口信令交互数
量以及 5G 核心网的信令处理负荷。当 AMF/UPF 与 NG-RAN 之间的连接路径较长或进行新资源分配的情况下，可以改变与 UE 连接的 AMF/UPF。这里 AMF 的主要作用是移动性控制，而 UPF 的主要作用是数据包的路由转发。NG-RAN 与 AMF/UPF 之间的灵活连接也为 5G 网络共享提供了基础。不同的运营商核心网可以连接到同一 NG-RAN 网络，从而实现不同运营商间共享接入网设备和无线资源，并能够获得相同的服务水平。
定义 5G 网络架构及相关接口主要遵循了以下一些基本原则。
① 信令与数据传输在逻辑上是独立的。
② NG-RAN 与 5GC 核心网在功能上分离。
③ NG-RAN 与 5GC 的寻址方案以及传输功能的寻址方案不能绑定。
④ RRC 连接的移动性管理完全由 NG-RAN 进行控制。
⑤ NG-RAN 接口上的功能定义应尽量简化，尽可能减少选项。
⑥ 多个逻辑节点可以在同一个物理网元上实现。
⑦ NG-RAN 接口是开放的逻辑接口，应满足不同厂家设备之间的互联互通。
NG-RAN 与 5GC 也进行了若干的功能划分。图 2.2 描述了 gNB、ng-eNB、AMF、UPF、SMF 功能实体以及承担功能划分的关系。