5G网络架构是什么?

你可能会问的第一个问题是:5G到底是什么?第二个问题可能是:如何以不同的架构来交付速度、低延迟、容量和众多其他好处?

在本文中，我们将解决5G架构问题。我们将研究5G网络架构所实现的一些功能，以及连接的应用程序如何从中受益。您可以在本文的链接和页脚的相关资源中2022世界杯G组找到更多的资源。关于5G的基本介绍，请参阅文章，什么是5G(上)．我们的5G概述继续第二部分，谁将采用5G技术，何时采用?

有一件事是肯定的:我们互联的世界正在改变。5G具有下一代网络架构，有潜力支持消费和工业领域的数千种新应用。当速度和吞吐量比当前网络呈指数级增长时，5G的可能性几乎是无限的。

这些先进的功能将使制造业、医疗保健和交通运输等垂直市场的应用成为可能，5G将在从先进制造自动化到全自动驾驶汽车的各个领域发挥重要作用。为了为5G开发有利可图的业务用例和应用程序，至少对所有这些新应用程序的核心5G网络架构有一个大致的了解是有帮助的。

5G已经受到了大量的关注，而不仅仅是一点点炒作．虽然潜力巨大，但重要的是要知道该行业仍处于采用的早期阶段。部署5G网络的过程始于多年前，涉及构建新的基础设施，其中大部分由主要无线运营商提供资金。

5G的全面部署需要时间，在到达人口较少的地区之前，它将在主要城市推出。Digi支持我们的客户为5G做准备，通讯将于迁移计划以及下一代产品。虽然Digi没有直接参与5G新无线电(NR)核心和5G无线电接入网(RAN)的开发，但Digi设备将成为5G愿景及其在众多应用领域的重要组成部分5 g应用程序．

5G网络架构

那么，5G到底是什么? 5G网络技术架构与之前的“G”有何不同?

5G网络架构背后的3GPP标准是由第三代合作伙伴项目(3GPP)引入的，该组织为所有移动通信制定国际标准。国际电信联盟(ITU)及其合作伙伴确定移动通信系统的要求和时间表，大约每十年定义新一代移动通信系统。3GPP在一系列发布中为这些需求开发规范。

5G中的“G”代表“generation”。“5G技术架构比紧随3G和2G之后的4G LTE(长期演进)技术有了重大进步。正如我们在相关资料中所描述的，世界杯2022赛程时间表 ，总有一段时间内，多个网络代同时存在。与之前的网络一样，5G必须与之前的网络共存，原因有两个:

1. 开发和部署新的网络技术需要大量的时间、投资和主要实体和运营商的合作。
2. 早期采用者总是希望尽快获得新技术，而那些在现有网络技术(如2G、3G和4G LTE)的大规模部署上进行了重大投资的人，则希望尽可能长时间地利用这些投资，当然，直到新网络完全可行为止。(请注意，2G和3G网络正在被淘汰，以便为5G部署腾出空间。请参阅我们的博客文章2G, 3G, 4G网络关机更新．)

5g移动技术的网络架构在过去的架构上有了很大的改进。大型蜂窝密集网络能够实现性能的巨大飞跃。此外，与目前的4G LTE网络相比，5G网络的架构提供了更好的安全性。

总之,世界杯2022赛程时间表 提供三个主要优势:

• 更快的数据传输速度，高达千兆位/秒的速度。
• 更大的容量，为每平方公里大量的物联网设备提供燃料。
• 延迟降低到个位数毫秒，这在应用程序中至关重要，例如智能交通应用中的联网车辆还有自动驾驶汽车，在那里近乎即时的反应是必要的。

这是否意味着5G已经完全准备好了?这是否意味着5G架构适用于所有应用?继续往下读，看看这项新技术如何支持关键应用，以及哪些应用更适合4G LTE。

5G设计和规划注意事项

支持高要求应用的5G网络架构的设计考虑很复杂。例如，没有放之四海而皆准的方法;应用程序的范围需要数据传输距离、大数据量或某种组合。因此，5G架构必须支持低、中、高频段频谱(来自许可、共享和私有来源)，以实现完整的5G愿景。

出于这个原因，5G的架构运行在从1 GHz到极高频率的无线电频率上，称为“毫米波”(或mmWave)。频率越低，信号传递的距离就越远。频率越高，它能携带的数据就越多。

5G网络的核心频段有三个:

• 5G高频段(毫米波)提供5G的最高频率。这些频率范围从24 GHz到大约100 GHz。由于高频频率不容易穿越障碍，高频段5G本质上是短距离的。此外，毫米波的覆盖范围有限，需要更多的蜂窝基础设施。
• 5G中频段工作在2-6 GHz范围内，为城市和郊区提供容量层。该频段的峰值速率为数百Mbps。
• 5G低频段工作频率低于2 GHz，覆盖范围广。该频段使用了目前4G LTE可用和正在使用的频谱，基本上为目前已准备就绪的5g设备提供了LTE 5g架构。因此，低频段5G的性能类似于4G LTE，并支持目前市场上5G设备的使用。

除了考虑频谱可用性和距离与带宽的应用需求外，运营商还必须考虑5G的功率需求，因为典型的5G基站设计需要的功率是4G基站的两倍多。

规划和部署5G应用的注意事项

系统集成商，以及那些为我们讨论的垂直领域开发和部署5G应用程序的人，将发现考虑权衡是很重要的。(我们的视频,指导你准备5G的5个因素，是一个很好的资源。)

例如，以下是一些关键考虑因素的例子:

• 您的应用程序将部署在哪里?针对毫米波优化的应用程序在建筑物内和需要扩展范围时将无法正常运行。最佳用例包括24至39 ghz频段的5G蜂窝通信、ka频段(33.4至36.0 ghz)的警用雷达、机场安检中的扫描仪、军用车辆上的近程雷达以及海军舰艇上用于探测和击落导弹的自动武器。
• 需要什么样的吞吐量?对于自动驾驶汽车和智能交通系统(ITS)应用，设备和连接必须针对速度进行优化。近实时通信(以百万分之一秒为单位)对于车辆和设备在转向、加速和制动方面“做出决策”至关重要，而尽可能低的延迟对于这些应用程序来说至关重要。
• 相比之下，视频和VR应用程序必须针对吞吐量进行优化。医疗成像等视频应用最终可以充分利用5G网络支持的海量数据。

为了实现5G的全面愿景，网络基础设施也需要发展。下图说明了随着时间的推移的迁移，以及Digi的5G产品计划．



5G技术最早的应用将不仅仅是5G，而是会出现在与现有4G LTE共享连接的应用中，即所谓的非独立(NSA)模式。在这种模式下运行时，设备将首先连接到4G LTE网络，如果5G可用，设备将能够使用它获得额外的带宽。例如，以5G NSA模式连接的设备可以在4G LTE上获得200 Mbps的下行速度，同时在5G上获得600 Mbps的下行速度，总速度为800 Mbps。

随着未来几年越来越多的5G网络基础设施上线，它将演变为仅支持5G的独立模式(SA)。这将带来低延迟和连接大量物联网设备的能力，这是5G的主要优势之一。

核心网络

在本节中，我们将提供5G核心架构概述，并描述5G核心组件。我们还将展示5G架构与当前4G架构的比较。

5G核心网是5G网络三大组成部分之一，实现了5G网络的高级功能5 g系统，也被称为5 g（源)．另外两个组成部分是5G接入网络(5G- an)而且用户设备(UE)．5G核心使用基于云的服务架构(SBA)来支持来自连接设备的认证、安全、会话管理和流量聚合，所有这些都需要复杂的网络功能互连，如5G核心图所示。

5G核心架构包括:

• 用户平面函数(UPF)
• 数据网络(DN)，例如运营商服务、互联网接入或第三方服务
• 核心访问和移动性管理功能(AMF)
• 认证服务器功能(AUSF)
• 会话管理功能(SMF)
• 网络切片选择函数(NSSF)
• 网络曝光函数(NEF)
• NF存储库功能
• 策略控制功能(PCF)
• 统一数据管理(UDM)
• 应用功能(AF)

下面的5G网络架构图说明了这些组件是如何关联的。

4G架构示意图

当4G从其前身3G演进时，网络架构只发生了微小的增量变化。4G核心网的关键组成部分如下图所示:



来源:3 gpp

在4G网络架构中，用户设备(UE)比如智能手机或蜂窝设备，通过LTE连接无线接入网(E-UTRAN)到演进分组核心(EPC)再到外部网络，比如互联网。的演进的NodeB (eNodeB)将用户数据流量(用户平面)与网络的管理数据流量(控制平面)分离，并将两者分别送入EPC。

5G架构图

5G是从头开始设计的，网络功能按业务划分。因此，该架构也被称为5G核心基于服务的体系结构(SBA)．5G网络拓扑图展示了5G核心网的关键组成部分:

来源:Techplayon

下面是它的工作原理:

• 用户设备(UE)比如5G智能手机或5G蜂窝设备通过5G新无线接入网络连接到5G核心，并进一步连接到数据网络(DN)比如互联网。
• 的访问和移动管理功能(AMF)充当UE连接的单入口点。
• AMF根据终端请求的服务，选择相应的SMF (Session Management Function)功能对用户会话进行管理。
• 的用户平面函数(UPF)负责终端与外部网络之间IP数据流量(用户平面)的传输。
• 的认证服务器功能(AUSF)允许AMF对终端进行认证并接入5G核心业务。
• 其他功能，如会话管理功能(SMF),策略控制功能,应用功能(AF)和统一数据管理(UDM)功能提供策略控制框架，应用策略决策和访问订阅信息，以治理网络行为。

正如你所看到的，5G网络架构在幕后更加复杂，但这种复杂性是提供更好的服务所必需的，可以根据广泛的5G用例进行定制。

4G和5G网络架构的区别

在本节中，我们将讨论4G和5G架构的区别。在4G LTE网络架构中，LTE RAN和eNodeB通常靠得很近，通常位于运行在专用硬件上的基站或基站附近。另一方面，单片EPC通常是集中的，远离eNodeB。这种架构使得高速、低延迟的端到端通信变得不可能。

随着3GPP等标准机构以及诺基亚和爱立信等基础设施供应商构建5G新无线电(5G- nr)核心，他们打破了单片EPC并实现了每个功能，以便它们可以在通用的现成服务器硬件上相互独立运行。这使得5G核心成为去中心化的5G节点，并且非常灵活。例如，5G核心功能现在可以与边缘数据中心的应用程序共存，缩短通信路径，从而提高端到端速度和延迟。

来源:Techmania

运行在通用硬件上的这些更小、更专业的5G核心组件的另一个好处是，现在可以通过网络切片来定制网络。网络切片允许您拥有针对特定用例优化的多个逻辑功能“切片”，所有功能都在5G网络基础设施中的单个物理核心上运行。

5G网络运营商可能会提供一个针对高带宽应用进行优化的切片，另一个针对低延迟进行优化的切片，还有一个针对大量物联网设备进行优化的切片。根据这一优化，部分5G核心功能可能根本不可用。例如，如果您仅为物联网设备提供服务，则不需要移动电话所需的语音功能。而且，由于不是每个切片都必须具有完全相同的能力，可用的计算能力可以得到更有效的利用。


来源: 对有关中央

5G的演进

每一代或“G”无线通信都需要大约十年的时间才能成熟。从一代到下一代的转换主要是由于运营商需要重用或重新利用有限的可用频谱。每一代新一代都有更高的频谱效率，这使得在网络上更快、更有效地传输数据成为可能。


第一代无线通信，或称1G，始于20世纪80年代的模拟技术。紧随其后的是第一代使用数字技术的网络一代2G。1G和2G的增长最初是由移动电话市场推动的。2G也提供数据通信，但速度非常低。

下一代3G在21世纪初开始兴起。3G的增长再次受到手机的推动，但它是第一个提供每秒1兆比特(Mbps)范围内数据速度的技术，适用于智能手机和新兴的物联网(IoT)生态系统上的各种新应用。我们目前的无线技术4G LTE，从2010年开始加速发展。

注意这一点很重要4G LTE(长期演进)的寿命很长提前;这是一项非常成功和成熟的技术，预计至少在下一个十年将得到广泛使用。

5G架构、云和边缘

让我们来谈谈5G网络架构中的边缘计算。

5G网络架构区别于4G前身的另一个概念是边缘计算或者移动边缘计算。在这种情况下，可以将小型数据中心放置在网络边缘，靠近信号塔的位置。这对于传输相同内容的低延迟和高带宽应用程序非常重要。

对于一个高带宽的例子，可以考虑视频流服务。内容起源于位于云中某个位置的服务器。如果人们连接到手机信号塔，假设有100个人正在播放一个流行的电视节目，那么让这些内容尽可能靠近消费者会更有效，就在边缘，理想情况下是在手机信号塔上。

用户从边缘的存储媒体传输这些内容，而不必从云上的中心位置为100人传输和传输这些信息。相反，使用5G结构，你可以只把内容带到发射塔一次，然后分发给你的100个订阅者。

同样的原则也适用于需要低延迟的双向通信的应用程序。如果用户有一个在边缘运行的应用程序，那么周转时间就会快得多，因为数据不需要遍历网络。

在5G网络结构中，这些边缘网络也可以用于边缘提供的服务。由于可以虚拟化这些5G核心功能，所以可以让它们运行在标准服务器或数据中心硬件上，并让光纤连接到发送信号的无线电。收音机是专门的，但其他的都是标准的。

如今，4G LTE仍在增长。它提供了出色的速度和足够的带宽来支持当今大多数物联网应用程序。随着应用程序开始迁移，4G LTE和5G网络将在未来十年共存，然后5G网络和应用程序最终将取代4G LTE。

使用5G的设备

5G会随着时间的推移而发展，5G设备也会随之发展。早期产品将是“5g就绪”，这意味着这些产品具有处理能力和千兆以太网端口需要支持更高带宽的5G调制解调器和即将出现的5G扩展器。

后来的5G产品将直接集成5G调制解调器，并具有更快的多核处理器，2.5甚至10千兆以太网接口和Wi-Fi 6/6E无线电。这些产品变化将推高5G产品的成本，但必须应对5G网络将提供的额外速度和更低延迟。

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5G的未来是光明的，Digi很高兴能带来一个拓展5G新产品种类在未来几年的市场上。凭借更快的速度、更大的容量和更低的延迟，5G将带来4G无法提供的额外功能和令人兴奋的新用例。商业和政府物联网部门将极大地受益于新的5G架构、其灵活性和不同的组件。所以，看看下一代和未来的商业机会。考虑一下您可能需要如何改进您的系统。

为5G做计划?有很多东西要学。参观数字5G资源中心为了继续学习。一定要联系我们当您准备好讨论5G如何融入您未来的商业计划，以及您如何最大限度地提高现有4G LTE系统的性能，以便随着5G生态系统的发展实现平稳、无缝和经济高效的过渡。