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本书由IMT-2020（5G）推进组网络技术组组长、华为公司5G网络架构标准研究团队负责人谭仕勇或领衔撰写，所有作者均系华为公司5G网络架构标准研究团队的核心骨干，包括直接主导和参与5G网络架构国际标准制定的各技术领域的资深研究和标准专家。本书基于最新的3GPP国际标准，同时又不拘泥于此，而是深入剖析标准背后的商业和技术驱动力，融合作者在3GPP标准制定过程中的洞察和思考，使读者能够知其然更知其所以然。本书对5G网络架构的设计思想和技术方案进行了全面而系统的介绍。全书共4章，第1章介绍了无线网络架构的概念、演进路径、部署模式、商业价值和标准协议地图。第2章对5G网络架构设计的驱动力及基本设计原则进行了探讨。第3章深入讨论了5G网络架构的整体设计以及主要的技术特性及方案，除移动性管理、会话管理、QoS和策略控制、语音及与4G互操作等基础特性以外，还分析了服务化架构设计、网络切片、边缘计算、网络智能化、物联网、车联网、超高可靠低时延通信、固定移动网络融合等5G网络特性。此外，第3章还介绍了5G网络架构对于安全及垂直行业的支持能力。第4章对5G网络架构后续的持续演进进行了展望。本书适合希望了解5G系统整体运行机制的相关人士阅读，不仅可以作为5G研发和工程人员的技术参考资料，也可以作为电子通信相关专业的高校老师、学生和研究人员的学习材料。

目  录

第1章  概述  / 1
1.1  无线网络架构和核心网的基本概念  / 1
1.2  无线网络架构的演进路径  / 2
1.2.1  2G  / 2
1.2.2  3G  / 4
1.2.3  4G  / 5
1.2.4  5G  / 8
1.3  5G网络架构的部署模式  / 8
1.4  5G网络架构的商业价值  / 10
1.5  5G网络架构的标准协议地图  / 11
参考文献  / 12

第2章  为5G设计全新网络架构的驱动力  / 15
2.1  业务驱动  / 16
2.1.1  简介  / 16
2.1.2  增强型移动宽带  / 17
2.1.3  超高可靠低时延通信  / 18
2.1.4  大规模的物联网应用  / 19
2.1.5  小结  / 20
2.2  运营部署驱动  / 21
2.2.1  简介  / 21
2.2.2  虚拟化/云化  / 22
2.2.3  软件定义网络  / 23
2.2.4  智能化  / 24
2.2.5  多接入  / 25
2.2.6  小结  / 25
2.3  5G网络架构的设计原则  / 26
2.3.1  简介  / 26
2.3.2  功能模块化  / 26
2.3.3  接口服务化  / 27
2.3.4  控制与转发分离  / 27
2.3.5  接入无关  / 28
2.3.6  灵活锚点  / 29
2.3.7  小结  / 29
参考文献  / 30

第3章  5G网络架构的关键特性  / 31
3.1  5G网络架构简述  / 31
3.2  5G网络架构基本特性一览  / 38
3.2.1  移动性管理  / 38
3.2.2  会话管理  / 64
3.2.3  服务质量  / 76
3.2.4  策略控制架构  / 85
3.2.5  语音  / 100
3.2.6  融合组网以及互操作  / 106
3.3  服务化架构  / 115
3.3.1  简介  / 115
3.3.2  服务化架构的重要概念  / 117
3.3.3  服务化架构的主要特征  / 117
3.3.4  服务化架构的接口协议  / 122
3.3.5  小结  / 122
3.4  网络切片  / 123
3.4.1  简介  / 123
3.4.2  网络切片的定义与标识  / 124
3.4.3  UE对网络切片的支持  / 126
3.4.4  网络切片的关键流程  / 127
3.4.5  小结  / 133
3.5  边缘计算  / 133
3.5.1  简介  / 133
3.5.2  边缘计算的相关国际标准  / 135
3.5.3  5G网络对边缘计算的支持  / 136
3.5.4  小结  / 141
3.6  网络智能化  / 141
3.6.1  简介  / 141
3.6.2  网络智能化的整体框架  / 142
3.6.3  网络智能化的关键流程  / 144
3.6.4  NWDAF可提供的数据分析结果  / 151
3.6.5  小结  / 175
3.7  物联网  / 176
3.7.1  简介  / 176
3.7.2  NB-IoT  / 176
3.7.3  5G支持物联网的关键技术方案  / 178
3.7.4  小结  / 196
3.8  车联网  / 196
3.8.1  简介  / 196
3.8.2  C-V2X架构  / 198
3.8.3  Uu接口通信  / 200
3.8.4  PC5接口通信  / 205
3.8.5  小结  / 213
3.9  超高可靠低时延通信  / 213
3.9.1  简介  / 213
3.9.2  超高可靠传输  / 214
3.9.3  PDB分解  / 218
3.9.4  QoS监测  / 218
3.9.5  小结  / 220
3.10  固定移动网络融合  / 220
3.10.1  简介  / 220
3.10.2  5G固移融合整体架构  / 221
3.10.3  5G固移融合关键特性  / 223
3.10.4  小结  / 251
3.11  安全  / 252
3.11.1  简介  / 252
3.11.2  5G安全架构  / 252
3.11.3  5G安全关键特性  / 254
3.11.4  5G安全评估  / 259
3.11.5  小结  / 263
3.12  面向垂直行业的特性  / 263
3.12.1  5G LAN  / 263
3.12.2  时间敏感通信  / 265
3.12.3  面向垂直行业的网络部署  / 268
参考文献  / 273

第4章  对5G网络架构未来演进的展望  / 275
4.1  3GPP版本节奏  / 275
4.2  5G网络架构的持续演进  / 276
4.2.1  简介  / 276
4.2.2  边缘计算  / 277
4.2.3  网络智能化  / 278
4.2.4  多播广播  / 279
4.2.5  终端直连  / 280
4.2.6  其他面向垂直行业的持续增强  / 280
4.2.7  小结  / 281
参考文献  / 282

缩略语  / 283

序
4G移动通信网络自2010年开始在全球规模商用至今，成功地促进了移动互联网的爆发式增长。各类依赖于智能手机和高速蜂窝连接的互联网应用和创新层出不穷，从深层次改变了人们的生活方式。经过多年的发展，4G移动通信已取得了惊人的商业成功，成为人们生活不可或缺的通信基础设施。截至2019年年底，中国的移动用户总数已经超过16亿，渗透率超过100%，全国4G基站总规模突破了430万个。移动终端已逐渐成为人们接入互联网的主要方式。移动通信的跨越式发展，也为各行各业向信息化、数字化和移动化转型提供了全新的契机。在此基础上，移动通信产业开始从4G向5G演进，5G网络正在从理论走进现实，移动通信产业正在迎来又一次新的变革。
随着移动宽带的普及，用户对移动网络的业务体验需求也在逐步提高。以4K/8K高清视频、VR/AR、实时游戏、在线商城、移动支付为代表的移动宽带业务对于带宽、时延和安全性的要求快速提升。在4G网络的基础上，5G网络需要进一步提升通信带宽，降低传输时延，为消费者提供更优质的移动宽带业务体验，为方兴未艾的移动互联网的蓬勃发展提供更为坚实的连接基础，从而催生出更多新的移动业务和商业模式。
除此之外，5G网络的触角也在向垂直行业延伸。随着行业数字化进程的推进，包括ICT、金融、零售、汽车、工厂、农业等各行业正在不断地进行转型。5G网络承载着支
撑物联网和行业数字化转型的重任，社会普遍寄希望于5G网络能够为各行各业提供统一的连接能力，通过构建更为完善的面向公共通信和垂直行业通用的通信网络架构，支撑行业的快速数字化转型和业务创新。在网络需求方面，有别于移动宽带业务，很多垂直行业对于部分通信网络的性能（如时延、可靠性和数据安全）的要求非常苛刻，这也为5G网络的设计和部署带来了全新的挑战。
与此同时，以网络虚拟化、云计算、软件定义网络、网络切片、边缘计算、人工智能为代表的一系列ICT演进技术也在同一时期逐步成熟并形成初期部署。5G网络所面临的部署和运营环境正在发生革命性的变化，网元的虚拟化和分布式部署逐渐成为趋势。5G网络架构的设计，除了需要全面支持多种差异化业务，如增强移动宽带、超高可靠低时延无线通信、海量物联网连接等典型场景，同时需要考虑如何满足新的部署环境对网络的需求，以及如何支撑异系统（如4G/5G）共网联合部署和降低运营复杂度的问题，其网络架构的设计难度可想而知。
在业界的共同努力下，5G第一个标准化版本Rel-15于2018年6月顺利发布，提供了5G基础业务的支持能力。Rel-16计划于2020年3月冻结，进一步增强了针对各类垂直行业的支持能力。5G网络架构采用了模块化、服务化、控制转发分离、接入无关等新的设计理念，使得5G网络架构相较于4G网络架构更简单、更灵活、更易于扩展，以便通过统一的网络架构适配多种多样的业务需求和部署场景。针对云化部署和边缘计算等更为复杂的部署场景，5G网络架构设计了网元注册发现、网络切片、用户面灵活路由等新的控制和转发机制，以迎合未来移动网络的演进趋势。
早在2013年，工业和信息化部、国家发展和改革委员会和科学技术部联合推动成立了旨在促进国内5G网络研究的IMT-2020（5G）推进组，系统性地组织包括运营商、设备商、终端厂商和芯片厂商在内的上下游产业链，参与和推动新一代移动通信研究和标准化工作，并孵化了一系列丰硕的成果。华为积极与各运营商及产业伙伴就5G标准化展开合作，基于对移动通信网络的设计和运营支撑经验，始终围绕业务需求和灵活部署、简化运营的目标，设计通用的系统网络架构和接口，为3GPP和ITU的5G标准化做出了积极的贡献。其网络架构的技术专家Frank Mademann自5G网络架构研究项目立项之初，到Rel-15标准化完成的整个过程中承担3GPP SA2网络架构工作组主席的职责，以专业的技术水平和高效的组织能力保证了5G网络架构的标准化顺利完成。通过产业链的共同努力，5G网络架构标准化工作取得了快速进展，在3GPP面向5G的第一个版本完成了5G非独立组网和独立组网架构的同期支持。
2019年6月，中国发布了5G运营牌照，正式启动5G网络的商业部署，其中多家运营商均计划2020年商业化部署5G核心网以支持5G独立组网业务的开通。这将是世界上最大规模的5G网络部署，为中国在5G阶段的产业创新和持续领先打下了坚实的基础，也为世界各国的5G实践提供了更多的借鉴。
本书围绕5G网络架构的演进，从基本概念入手，介绍了5G网络架构的业务、部署驱动力及整体设计原则，重点论述了5G网络架构各基础特性及增强特性的实现原理和标准化方案，并对网络架构的进一步演进进行了展望。本书的第一作者谭仕勇是中国IMT-2020（5G）推进组网络技术组组长，其他作者均长期参与3GPP相关的研究和标准化工作，对于5G网络架构标准化从最初的用例和需求确定，到基本方案确定和标准制定，以及后续演进趋势都有着深刻的理解。本书的素材既有来自包括3GPP在内的各个标准组织的最新标准协议、技术文稿，也有作者对标准化过程中核心问题讨论的总结。本书可以作为通信研究从业人员的参考资料，了解5G网络架构标准化的来龙去脉及发展趋势，也可以作为相关通信产品开发人员的参考和技术指导材料，还可以作为5G网络核心网商用部署的特性选择的参考文献。
华为技术有限公司Fellow
华为无线标准专利部部长
3GPP标准专家
IMT-2020推进组专家
万蕾
2020年1月

前  言
4G移动通信技术在商业上取得了巨大的成功，彻底宣告了移动互联网时代的到来，已经改变了人们的生活。与此同时，新的需求也在不断涌现，移动通信网络又一次走到了升级换代的关口。数据流量迅猛增长，海量物联初具规模，新型业务对实时性、可靠性又提出了更高的要求，如何改变社会成为了5G技术的历史使命。如何满足移动运营商和千行百业的差异化需求，构建万物互联的智能世界，对5G网络架构的设计提出了巨大的挑战。
早在2012年7月，国际电信联盟无线电通信组就启动了对2020年及以后的未来无线通信的研究。在2013年至2015年期间，包括中国、欧洲、韩国、日本和美国在内的诸多国家和地区相继成立了5G推进组织，移动通信产业界、研究机构和高校都非常积极地投入到5G技术的研究当中，这为5G国际标准的制定打下了坚实的基础。
2013年2月，我国在工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动下，在中国信息通信研究院的组织下，成立了IMT-2020（5G）推进组，这也是我国聚合移动通信领域产学研用力量、推动第五代移动通信技术研究、开展国际交流与合作的基础工作平台。我非常荣幸地担任了推进组下的网络技术组的组长，负责组织协调国内5G网络架构的技术研究、标准推动和测试规范制定等工作。在此后的数年中，与广大的5G网络架构研究和标准专家一起，见证了我国在“2G跟随、3G突破、4G同步”之后，成功实现了“5G引领”。
3GPP是制定5G技术国际标准的核心组织，在2015年开始启动5G网络架构的相关研究，在2018年发布了首个5G国际标准版本，迎来了5G标准化的第一个里程碑，其中5G非独立部署标准在2018年3月冻结，5G独立部署版本在2018年6月冻结。到2019年6月，3GPP再次完成了第二个版本的网络架构（Stage 2）标准制定工作，并将于2020年年初冻结第二个5G国际标准版本。非独立部署标准目前已经在多个国家成功商用，5G独立部署标准也已经确定将在2020年走进人们的生活，而IMT-2020是国际电信联盟无线电通信组为5G的正式命名，也许这个数字上的巧合预示着5G技术将会助力人类社会进入一个新时代，构建万物互联的智能社会。
回到本书的主题，所谓架构，直观朴素的理解是系统内各元素的划分以及各元素之间的关联关系。对无线网络而言，架构就是无线通信系统中各网元的功能划分以及各网元之间的接口定义。和无线空口技术不同，无线网络架构的优劣很难通过仿真等技术手段进行量化评估，而评估的维度又很多，包括可扩展性、灵活性、复杂度、开放性、可靠性、安全性、易部署、易维护等。此外，现网中已经部署了成千上万的网络设备，这些设备不可能一下子全部升级或退网，因此每一代网络架构的定义，都需要考虑现网设备的利旧，这是一个巨大的包袱，新一代网络架构的设计必须在革命的颠覆创新与保守的平滑演进之间取得平衡，从而保障整个产业的商业成功。
本书基于最新的5G网络架构国际标准，有Release15和Release16两个版本，对5G网络架构的设计思想和技术方案进行了全面而系统的介绍，包括对移动网络架构演进历史的回顾、定义5G网络架构的驱动力介绍、5G架构的各种关键技术，以及对未来5G架构持续演进的技术走向判断，系统阐释了5G架构的方方面面。全书共4章，第1章介绍了无线网络架构的概念、演进路径、部署模式、商业价值和标准协议地图。第2章对5G网络架构设计的驱动力及基本设计原则进行了探讨。第3章深入讨论了5G网络架构的整体设计以及主要的技术特性及方案，除移动性管理、会话管理、QoS和策略控制、语音及与4G互操作等基础特性以外，还分析了服务化架构设计、网络切片、边缘计算、网络智能化、物联网、车联网、超高可靠低时延通信、固定移动网络融合等5G网络特性。此外，第3章还介绍了5G网络架构对于安全及垂直行业的支持能力。第4章对5G网络架构后续的持续演进进行了展望。在创作本书的过程中，我们力图基于国际标准，同时又不拘泥于此，尝试剖析标准背后的商业和技术驱动力，融合3GPP标准制定过程中的洞察和思考，使读者能够知其然更知其所以然。
本书是集体智慧的结晶，离不开从事5G网络架构标准研究的同行们多年的辛苦努力，离不开在工业和信息化部、中国信息通信研究院指导下，IMT-2020（5G）推进组网络技术组各位专家的技术贡献。谨以此书献给为5G网络架构做出贡献的研究和标准专家，献给IMT-2020（5G）推进组、广大支持5G的运营商和各参与公司的专家们！
本书整个写作团队均来自华为公司5G网络架构标准研究团队，所有作者均全程参与了5G架构的国际标准制定。华为公司5G架构标准研究团队是5G架构标准制定的领导者，是服务化架构、切片、控制面和用户面分离、网络智能化等重要技术的提出者和主导者，团队成员中还包括3GPP SA2主席、3GPP CT全会主席等关键角色。除署名作者外，参与本书撰写的还有：李濛、诸华林、孙海洋、周润泽、黄正磊、崔洋、李欢等。此外，万蕾、沈祖康、李岩、陈中平、杨艳梅、靳维生、吴荣、王远、余芳、马景旺、吴义壮、应江威、李赫、胡力、朱方园、李永翠、葛翠丽、崇卫微、辛阳和许胜锋等对本书进行了审核校对，提出了宝贵的修改意见，在此一并致谢！
最后，对于本书中存在的不足之处，敬请读者和专家批评指正。
                                                谭仕勇     
                                               2020年1月3日

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