什么是 5G 架构？
5G 引领着向分散、灵活和虚拟 RAN 发展的方向，其新接口创造了额外的数据接入点。
前几代移动网络的主要目标是为网络用户提供快速、可靠的移动数据服务。5G 扩展了这一范围，为最终用户提供了跨多个接入平台和多层网络的广泛的无线服务。
5G 创建了一个动态、连贯和灵活的框架，包含多种先进技术，支持多种应用。5G 采用了更智能的架构，其无线接入网络 (RAN) 不再受基站邻近性或复杂基础设施的限制。5G 引领着向分散、灵活和虚拟 RAN 发展的方向，其新接口创造了额外的数据接入点。
它通过公共框架将服务提供给允许使用这些服务的网络功能。这些网络功能的模块化、可重用性和自包含性是 3GPP 规范描述的 5G 网络架构的额外设计考虑因素。
5G 频谱和频率
现在，有多个频率范围专用于 5G New Radio (NR)。频率在 30 GHz 到 300 GHz 之间的那部分无线电频谱被称为毫米波，因为它的波长从 1-10 毫米不等。24 GH 至 100 GHz 之间的频率已在全球多个地区分配给 5G。
- 除了毫米波，300 MHz 至 3 GHz 之间未充分利用的 UHF 频率和 3.7 至 3.98 GHz 之间的 C 波段频率也已被重新用于 5G。
- 所采用的频率多样性可以根据独特的应用进行调整。更高频率的特点是带宽更高和范围更窄。
毫米波频率对于人口密集的地区很理想，但对于远距离通信的效果差。
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在专用于 5G 的各种频段内，每个运营商都开始划分自己的 5G 频谱部分。
MEC
多接入边缘计算 (MEC) 是 5G 架构的重要组成部分。MEC 是云计算的一个分支，它将应用程序从集中式数据中心带到网络边缘，更接近最终用户及其设备。这实际上在用户和主机之间创建了一条内容传递的捷径，绕过了曾经将他们分开的长距离网络路径。这项技术并不专属于 5G，但肯定是其效率不可或缺的一部分。
- MEC 的特征包括低延迟、高带宽和对 RAN 信息的实时访问，这是 5G 架构区别于前几代移动网络的特征。
- 基于 3GPP 5G 规范的 5G 网络是部署 MEC 的理想环境。5G 规范定义了边缘计算的推动因素，允许 MEC 和 5G 协同路由流量。
- 除了延迟和带宽优势之外，计算能力的分布还支持 5G 部署和物联网 (IoT) 固有的大量互联设备。
- RAN 和核心网络的这种融合将要求运营商利用新的方法来进行网络测试和验证。
NFV 和 5G
网络功能虚拟化 (NFV) 通过将防火墙、负载平衡器和路由器等各种网络功能替换为以软件方式运行的虚拟实例，将软件与硬件分离开来。这样就无需投资购买许多昂贵的硬件元件，还可以加快安装时间，从而更快地为客户提供创收服务。
NFV 通过对 5G 网络内的设备进行虚拟化来支持 5G 生态系统。这包括允许多个虚拟网络同时运行的网络切片技术。NFV 可以通过虚拟计算、存储和网络资源来解决其他 5G 难题，这些资源是基于应用和客户细分定制的。
5G RAN 架构
NFV 的概念通过由诸如 O-RAN 之类的联盟推动的网络分集延伸到 RAN。开放式 RAN 架构通过鼓励开放接口和开源开发实践，简化了新 RAN 功能和技术的部署。这种演变提高了灵活性，并为竞争创造了新的机会。
O-RAN 联盟的目标是允许使用现成硬件进行多供应商部署，以提高互操作性。网络分集还允许对更多网络组件进行虚拟化，从而提供了一种随容量增长而扩展和改进用户体验的方法。在快速扩张的物联网应用生态系统中，虚拟化 RAN 对于控制硬件和软件成本至关重要。
eCPRI
使用功能划分的网络分集还带来了其他成本优势，特别是，随着 eCPRI 等新接口的引入，情况更是如此。当测试大量 5G 载波时，射频接口不具成本效益，因为射频成本迅速增加。最初为 4G 开发的 CPRI 接口在许多情况下是特定于供应商的，这给运营商带来了问题。eCPRI 接口提供了更高效的解决方案，因为可以使用更少的接口来测试多个 5G 载波。eCPRI 被指定为 5G O-RAN 前端元件（如 DU）的标准接口。
网络切片
充分发挥 5G 架构潜力的一个关键因素是网络切片。
此技术通过允许多个逻辑网络在共享的物理网络基础设施上同时运行，从而为 NFV 域增加了一个额外的维度。这种能力通过创建包括网络和存储功能的端到端虚拟网络来支持 5G 架构。
- 通过将网络资源划分给多个用户或“租户”，运营商可以有效地管理具有不同吞吐量、延迟和可用性需求的不同 5G 用例。
- 网络切片对于像 IoT 这样的应用非常有用，在这些应用中，用户数量可能非常高，但总体带宽需求很低。
- 5G 垂直行业都有自己的要求，因此网络切片是 5G 网络架构的重要设计考虑因素。
- 运营成本、资源管理和网络配置的灵活性可以通过网络切片提供的定制级别进行优化。
- 网络切片还可以加快潜在新 5G 服务的试验，加快上市时间。
波束成形
5G 取得成功不可或缺的另一项突破性技术是波束成形。传统基站在多个方向上发射信号，而不考虑目标用户或设备的位置。通过使用多输入多输出 (MIMO) 阵列将几十个小天线组合成一个编队，信号处理算法可以用于确定发送给每个用户的最有效传输路径。单个数据包可以向多个方向发送，然后按照预先确定的顺序编排到达最终用户。
5G 数据传输占据毫米波，自由空间传播损耗（与较小的天线尺寸成比例）和衍射损耗（由于频率较高和无法穿墙而固有）明显更大。另一方面，更小的天线尺寸也使得在相同的物理空间内能够放置更大的阵列。随着这些更小的天线每一个都可能每毫秒调节或重新分配波束方向几次，通过大规模波束成形来解决 5G 带宽的挑战变得更加可行。在相同的物理空间中使用更大的天线密度，大规模 MIMO 可以实现更窄的波束，从而提供更高的吞吐量和更有效的用户跟踪。
5G 核心网络架构是新的 5G 规范的关键，并可实现 5G 必须支持的更高吞吐量需求。由 3GPP 定义的新 5G 核心利用了与云对齐的基于服务的架构（SBA），该架构跨越了所有 5G 功能和交互，包括身份验证，安全性，会话管理和来自终端设备的流量聚合。5G 核心强调 NFV，使用 MEC 基础设施部署虚拟化软件功能，这是 5G 架构原则的核心。
与 4G 架构的不同之处
核心层面的变化是伴随着从 4G 到 5G 转变的无数架构变化中的一部分，包括向毫米波、大规模 MIMO、网络切片以及多样化 5G 生态系统中几乎所有其他元素的迁移。5G 核心网与 4G 演进分组核心网 (EPC) 有着显著的不同，5G 核心网以前所未有的水平利用虚拟化和云原生软件设计。
5G 核心有别于 4G 核心的其他变化包括将分组网关控制和用户面功能解耦的用户面功能 (UPF)，以及将会话管理功能与连接和移动管理任务分离的接入和移动管理功能 (AMF)。
5G 架构选项
弥补 4G 和 5G 之间的差距需要循序渐进的步骤和精心策划的策略。这种转变的象征是从非独立模式到独立模式 5G 架构选项的逐渐过渡。5G 非独立标准于 2017 年底最终制定完成，利用现有的 LTE RAN 和核心网络作为基准，并增加了 5G 组件载波。尽管依赖于 4G 架构，但非独立模式通过接入毫米波频率来增加带宽。
5G 独立模式本质上是包含新的核心架构和全面部署的所有 5G 硬件、特征和功能的全新 5G 部署。随着非独立模式逐渐让位于所有新的 5G 移动网络架构部署，精心的规划和实施将使这种过渡无缝地面向用户群。
由于独立 5G 部署有固有的基础设施，将需要在全球范围内针对不同地理区域逐步实现 5G 集成。北美、亚洲和欧洲等技术领先的地区正在快速部署，而全球其他国家紧随其后。全球已有近 200 个 5G 网络投入使用，预计到 2025 年，移动 5G 连接数量将超过 20 亿。
多邻近国家/地区和运营商的分散使得在欧洲的推广更具挑战性。尽管采用率落后于其他地区，但欧盟委员会已经启动了一项名为数字罗盘的政策，呼吁到 2030 年在所有人口稠密地区实现 5G 接入。
中国、日本和印度等工业国家投入了大量资金来解决 5G 转换带来的实践和财务影响。新的天线、基础设施硬件和软件技术为世界各地的电子和软件设计和制造行业创造了财富，并强调快速部署。在 2022 年 8 月的频谱拍卖会后，印度四大电信提供商正在推出 5G 服务。而在中国，预计到 2025 年将安装 364 万个 5G 基站。
5G 实施通过广泛使用基于云的资源、虚拟化、网络切片和其他新兴技术，带来了巨大的性能优势和应用多样性。伴随着这些变化，5G 安全架构中出现了新的安全风险和更多的“攻击面”。
- 5G 安全实践建立在过去几代移动技术的基础上，然而随着更多的参与者参与到服务交付过程中，信任模式变得更加广泛。
- IoT 和用户增加创造了以指数级增长的数据端点，其中许多流量输入不再由人工监控。
- 3GPP 标准详细介绍了改进的 5G 安全功能，包括统一身份验证以将身份验证与接入点分离，以及基于公钥的加密方案以降低元数据被利用的风险。
- 随着 5G 关键性能节点的虚拟化程度越来越高，持续监控和评估安全有效性至关重要。
- 最佳实践包括端到端 5G 网络安全监控，涵盖系统架构、设备和应用。