相比前几代移动通信系统的升级演进，5G在系统架构和关键技术方面带来的是跨越式、颠覆式的变化，并因此产生了新的服务类型、商业模式、衍生效益。5G系统架构的设计充分考虑了5G的需求、场景和指标要求，并且采纳和结合了信息技术和互联网领域的前沿思想与技术，这使5G系统在大幅提升通信能力的同时也具备了信息技术系统的灵活性。为了让大家充分了解5G具有哪些架构特征和标志性的创新，理解它们的设计初衷、技术原理和实现方式，本章将从5G的总体架构出发，分无线网、核心网、传输网三个方面进行阐述。
总体架构
为充分满足国际电信联盟定义的5G场景与需求，5G通过端到端系统性的技术创新，力求构建5G低时延、高可靠、高速率和大连接的新能力，以满足个人用户、企业级用户和垂直行业客户差异化的业务需求。5G系统示意图见图6–1。
注：① BBU意为基带处理单元。
图6–1 5G系统示意图
5G终端形态多样，并涵盖各行各业。相对2G、3G、4G时期单一的终端形态，5G终端可以是面向大众个人用户的智能手机，也可以是VR/AR眼镜，还可以是无人机、机器人等新形态。终端的能力也将大大增强，如eMBB终端，为了实现更高速率，将支持两发四收（两个发射、四个接收）的多天线。
接入网引入了CU–DU（集中单元–分布单元）分离的新型架构，以实现无线资源的集中控制和协作，使组网方式更加灵活。为降低空口时延，提升用户体验，5G空口采用新型的灵活帧结构设计，加快上下行转换，减少等待时间，同时子载波带宽增大，最小调度资源的时长减少。此外，通过采用新型的波束管理、新参考信号、新编码，采用更多的天线、更大的带宽，全面提升5G无线网的能力。
5G传送网通过引入SDN，实现全局视角智能调度，达到智慧运维的目的。引入SPN（切片分组网），助力实现端到端的网络切片。5G传送网采用很多新型技术，进一步降低网络时延，提高交换容量（核心层由640GB提升到12.8TB）。
5G核心网从信息技术化、互联网化、极简化、服务化4个系统设计理念出发，推进了架构的变革。信息技术化的设计可以利用低成本、统一的基础设施，实现灵活的资源管理和功能的部署。互联网化的设计使刚性的网络变得更加柔性、更加灵活，从固定网元、固定连接到动态配置、灵活连接。极简化的设计大大提升转发面效率、控制面的容量。服务化的新架构可以面向不同垂直行业场景，进行按需配置，实现网络切片和边缘计算。
无线关键技术
面向多样化的业务需求，5G无线网络进行了全新的设计，具备新架构、新设计、新频段、新天线四大关键技术特征。
新架构（CU–DU架构）
无线系统的架构在3G、4G、5G中经过了一系列的改动。在3G中核心网通过RNC（无线网络控制器）节点控制基站，而在4G中为了降低时延，将RNC节点去除，改为基站直接接入核心网。由于5G时代提出了新的组网需求，包括多基站协同、网络能力开放、超低时延传输等，在5G中引入了CU–DU的网络架构（见图6–2）。其中，CU（集中单元）负责完成实时性较低的高层协议栈功能［RRC（无线资源控制）和PDCP（分组数据汇聚协议）层］，而DU（分布单元）完成实时性较强的低层协议栈功能［RLC（无线链路层控制）、MAC（数据链路层）、PHY（物理层）、RF（无线射频）层］（见图6–3）。
注：①NodeB为3G基站名称。
②eNodeB为4G基站名称。
图6–2 无线网架构演进
图6–3 CU–DU功能分割
从多基站协同的角度来看，使用CU–DU的架构也能够较好地契合多基站信息协作的结构。更广泛地说，对于任何异构网（宏站+微站）的部署场景，CU–DU的架构都能够在多基站协同方面发挥作用，从而提升空口性能。
在实际部署中，CU–DU可采用较为灵活的部署方式，既可以采用CU、DU合设的方式，也可以采用CU、DU分离的方式（见图6–4）。当CU、DU合设时，可采用专用硬件架构，实际功能上类似于传统的BBU（基带处理单元），由主控板和基带板组成。当CU、DU合设时，CU和DU一般只能采用同厂商的设备。当CU、DU采用分离方式部署时，CU和DU可能采用不同厂商的设备，此时CU必须采用标准规定的接口。当CU、DU分离时，一般建议CU可使用通用服务器架构。
图6–4 CU、DU的实际部署形态（合设与分离）
新设计（灵活帧结构）
5G无线网的另一项新变革在于引入了灵活的帧结构，使用统一的空口设计满足不同频段（中低频和毫米波）、不同场景（eMBB和uRLLC）以及不同双工方式（TDD和FDD）的需求。相比4G相对固定的帧结构，5G帧结构可以采用多种参数（上下行配比、子载波带宽、系统带宽等）灵活适配不同的需求。
在系统带宽方面，4G单载波最大带宽为20MHz，5G则引入了更大的系统带宽：在6GHz以下的中低频段系统中，5G最大系统带宽为100MHz；在毫米波频段中，5G最大系统带宽为400MHz。系统带宽的增加可以有效应对5G频段普遍带宽较大的场景［如3.5G载频有200MHz带宽，毫米波频段经常有吉赫（GHz）级的带宽］，避免不必要的过多的载波聚合。
在子载波带宽方面，4G采用的是固定15KHz[1]的子载波带宽。在5G系统中有多种子载波带宽可选：在6GHz以下的中低频段系统中，可选用15KHz、30KHz、60KHz的子载波带宽进行数据传输；在毫米波系统中，可选用60KHz、120KHz的子载波带宽进行数据传输。
在帧结构方面，4G采用的是静态帧结构，5G中采用的是可配置的静态或半静态帧结构。更进一步，5G系统中还可以配置部分子帧为灵活子帧，当实际数据到达时再将其半静态或动态配置为具体的上行或下行子帧，这样可有效提升频谱效率以及降低时延。
在子帧长度方面，在5G系统中，出于在中低频进行超低时延传输以及在毫米波频段有效利用时域碎片化资源的动机，相比LTE子帧长度为1毫秒的设计，5G引入了更短的子帧设计，长度最短可以缩减到LTE的1/7。短帧不单单是满足国际电信联盟1毫秒用户面时延需求所必需的技术手段，而且在后续车联网以及工业互联网的应用中也是必不可少的技术手段之一。
新频段（多频段协同）
多频段协同主要包含三个方面：一是高中低频段联合组网；二是5G与4G频段之间的交互，即SA与NSA方式；三是使用多频段联合传输，确保上行覆盖。
一是针对高中低频段联合组网，5G的生态系统覆盖了从几百兆赫（MHz）到几十吉赫的载频范围，这些载频都有各自不同的特性，适用于不同的场景。一般来说，5G频段大致可以划分为三个不同的范围。
低频段（一般为2.5GHz以下，例如700MHz、900MHz、1 800MHz频段）：此频段的网络部署与4G的FDD部署类似；带宽较小（20MHz），天线数目较少（2~4通道），其主要功能在于提供连续覆盖，保证深度覆盖，提供移动性管理以及控制面切换等。
中频段（一般为2.5~6GHz，例如2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz频段）：此频段的网络部署与4G的TDD部署类似：带宽较大（如100~200MHz），天线数目较多（8~64通道），其主要功能在于提供基础覆盖，保证全网平均性能。
高频段（一般指6GHz以上的频段，如24GHz、37GHz频段）：此频段的网络部署为全新的部署形态，带宽极大（通常上吉赫级的带宽），天线数目极多（例如1 024天线阵列，通过模拟移相器方式降低通道数量），其主要部署在热点、室内区域，确保单点区域极致体验性能。
5G的组网需要考虑以上三种频段的不同特性，通过混合组网的形式尽可能地提高用户体验与保证部署效率。
二是5G与4G频段之间的协同方面，不同于以往4G只有单独组网的唯一方案，5G中引入了两种不同的组网方式，即SA模式与NSA模式，两种组网模式下也涉及不同频段的协同工作。在SA模式下，5G用户一般驻留在5G上，只有当进入无5G覆盖的区域时，用户才会回落到4G上，在5G与4G之间主要通过核心网交互，这属于4G与5G松耦合的组网方式。在NSA模式下，用户驻留在4G上，即在空闲态下从4G接收控制面信令，当用户数据到达时，通过4G为用户配置可用的5G并进行相应的数据传输，属于4G与5G紧耦合的组网方式（见图6–5）。
SA与NSA方式各有优缺点。SA可以更好地支持网络切片，而且可以使用一些5G特有的控制面设计，但是需要全新的5G核心网，其部署依赖5G核心网的产业成熟度。NSA的标准、无线、终端的产业成熟度均较好，部署快速，但是其难以支持网络切片等先进特性，控制面时延等指标也有待产品和标准的进一步优化。
注：①eNB即eNodeB，为4G基站名称。
②gNB为5G基站名称。
图6–5 SA模式（左）和NSA模式（右）示意图
三是多频段联合传输方面，在大带宽系统中，由于终端发送功率有限，5G系统的上行边缘速率与4G系统类似，这可能会成为整个系统性能的瓶颈与短板。5G中提高上行边缘速率的方法主要是使用更低频率的载波来进行上行传输。在NSA情况下，天然地可以使用4G载波增强5G更高频段的上行性能，通过上行分流的技术即可将4G和5G的上行载波联合进行上行数据传输。在SA情况下，情况较为复杂。一种方法是增强终端，如加入高功率和双发等特性；另一种方法是类似于NSA的模式，从4G载波中截取一段进行5G的上行传输，这一方法称为上行增补载波。
新天线（大规模天线）
大规模天线是5G系统的一个重要特征。相比4G系统2~8天线的设计，在5G中16/32/64等通道的设备在中频段成为主流（见图6–6）。在毫米波频段，更多的天线是主流设计，考虑到成本问题，毫米波频段还需要使用移相器等模拟器件来降低通道数，以达到控制成本的目的。
图6–6 5G天线形态（16/64通道）
在5G的系统设计中，针对大规模天线主要有三项优化。
第一项是初始接入信道赋形，5G系统引入了多波束初始接入的功能，使初始接入和数据传输能够达到相对平衡的覆盖范围（见图6–7）。不过，引入多波束接入也在一定程度上增加了系统的复杂度，包括切换与测量时具体测量哪些波束等问题，也都在标准中进行了详细的定义。
图6–7 初始接入信道赋形
第二项优化是MIMO（多输入多输出）的混合操作模式。在4G系统中有两种MIMO的操作模式：第一种是基于信道互易性的赋形，即通过测量上行参考信号得到信道信息并赋形；第二种是基于码本的赋形，即通过终端反馈得到信道信息并赋形，这两种模式各有优缺点。在5G系统中，主要使用的MIMO操作模式是这两种模式的混合，即首先通过信道互易性将高维信道（如16/64通道）降为低维信道（如两通道），然后通过码本进行反馈（见图6–8）。
图6–8 5G的增强MIMO操作模式
第三项优化是参考信号的全新设计。4G系统中最主要的参考信号是CRS（公共参考信号），其承担了大部分参考信号的系统功能，包括精同步、解调、反馈和测量等，是4G系统的核心设计。但是，随着天线数目的增长以及异构网络拓扑的引入，CRS的缺陷也逐渐显现，包括多天线下的开销、邻小区干扰、前向兼容困难等。鉴于此，在设计之初5G系统的参考信号就有意去除了CRS，其承载的功能被分配到多个其他参考信号中，包括跟踪参考信号、解调参考信号和信道信息反馈参考信号等。通过多个独立功能的参考信号灵活组合与配置，5G系统可以达到开销和性能的最优平衡。
网络关键技术
5G网络架构变革的主要标志是核心网架构的变化。和4G相比，5G核心网在架构、平台、功能、协议等领域实现了革命性变化，其支撑5G实现网络的个性化、服务化、大容量、高性能和低成本，具体体现为以下4个方面。
信息技术化：面向云计算基础设施的发展方向，引入功能软件化、计算和数据分离等代表性的信息技术。传统形态各异的专有网络设备，即“网元”，在5G时期变成了可部署在云里的“网络功能”。
互联网化：从网元间固定连接的“刚性网络”发展为可动态调整的“柔性网络”。引入了基于服务的架构、新的基于HTTP 2.0的核心网协议体系。
极简化：“大道至简”，5G要实现数据转发和用户接入数的“大道”，就需要极简的架构及功能设计，从而尽可能地提升数据转发性能、网络控制的灵活性。
服务化：5G网络的设计是面向垂直行业，其技术的核心是实现“网络即服务”。通过网络切片、边缘计算、低时延大连接等实现网络从通用化服务到个性化、定制化服务的转变。
5G核心网的架构标准由国际标准化组织3GPP定义。中国移动在3GPP的5G架构研究项目和正式标准化项目中均承担了报告人的角色。中国移动牵头的“5G系统架构”国际标准项目获得了全球67家产业界合作伙伴的支持，这是第一次由中国公司完成一代移动通信网的架构设计。
服务化架构
为实现面向未来近10年的5G业务发展，5G网络架构的设计考虑到面向未来的技术，SBA（服务化架构）应运而生。
5G的控制面基于云计算来部署是业界的共识，这就需要面向“云原生”来定义5G核心网的控制面。基于微服务重构控制面，让上层的网络功能符合底层的云计算基础设施，是服务化架构的设计驱动力之一。
服务化架构将复杂的“单体网元”解耦成模块化的“服务”，从而实现独立升级、灰度发布，进而大大提升网络敏捷性。这意味着每一个单体的网络功能都由若干个服务组成。网络功能的定制和引入如同搭积木一样：让小的服务模块按需组成系统化的网络架构。这些服务模块是将移动通信网的业务逻辑按照“自包含、可重用、独立生命周期管理”三个原则来划分的。“自包含”是指每个服务所维护管理的上下文存储是解耦的；“可重用”是指每个网络服务在不同的业务流程中可以被重复调用；“独立生命周期管理”是指这些服务能够独立升级和发布。
5G核心网的SBA是5G时代在网络架构方面一项颠覆性的变革，具备灵活可编排、解耦、开放等传统网络架构所无法比拟的优点，是5G时代迅速满足垂直行业需求的一个重要手段。
核心网的黑盒子已经被打开，依托于SBA的5G核心网，移动通信网络一定会在未来的万物互联之路上展现出巨大的能力。美国电话电报公司实验室部门总裁兼首席技术官安德烈·富奇在3GPP的5G第一版标准发布后的博客上写道：“Software+5G = A Perfect Match。”（软件+5G=完美搭配。）
图6–9 5G网络架构
软件化架构
NFV和SDN推动了传统上基于软硬一体化设备的通信网络的转型，5G核心网将基于通用设备、云化基础设施和虚拟化（容器化）网元的软件化架构实现。5G网元间的网络将基于SDN实现网络的快速开通、配置。
NFV是实现通信网络软硬件解耦的核心技术，通过通用服务器和虚拟化技术，NFV将硬件与网元功能彻底解耦，网元功能以软件的形式存在，其支持快速创建、动态迁移、灵活扩缩容，大大提升了网络的灵活性。通过与大数据和人工智能结合，软件化的网络将进一步走向智能化。SDN实现了网络设备的转控分离，控制面集中建设，成为下一代网络的大脑，转发面分散，灵活而快速地卸载网络流量。SDN架构提供了网络连接的开放能力，提高了网络连接和转发的灵活性，为网络连接的优化和资源动态调整提供了技术基础。
NFV和SDN技术彻底颠覆了传统通信网络的形态。5G网络的物理架构将基于一个个标准化的数据中心节点构成，其逻辑架构是软硬解耦的，软件化的5G网元承载在统一的云基础设施上，基础设施资源进而可以充分共享。5G网络将具备全网、全域的统一管理编排调度能力，实现网络的全生命周期管理，同时5G网络可灵活配置和调整数据中心内部及跨数据中心的网络连接与路由。网络将形成内生的开放架构，开放能力将进一步得到增强，面向客户的服务则可以快速上线。
新一代核心网协议体系
“工欲善其事，必先利其器。”每一代通信系统都有与之适应的协议体系。继3GPP确立了5G采用SBA作为5G核心网的基础架构后，5G核心网控制面网络功能间的接口协议设计成了SBA标准进一步落地的关键。SBA接口涉及多个层次的协议选择，即传输层、应用层、API（应用程序编辑接口）设计方式、序列化方法、IDL（接口描述语言），每个协议都有众多备选。经过产业界的深入分析及热烈讨论，最终确定了以TCP（传输控制协议）、HTTP 2.0、JSON（JavaScript[2]对象标记）、RESTful（表征状态转移）、OpenAPI 3.0（开放应用编程接口3.0）的组合为基础的服务化接口协议体系（见图6–10）。
图6–10 服务化接口协议体系
TCP：它是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。在简化的计算机网络OSI（开放式系统互联）模型中，它完成第四层传输层所指定的功能。在互联网协议族中，TCP层位于网络层之上、应用层之下的中间层。
HTTP 2.0：下一代HTTP协议。该协议由互联网工程任务组（IETF）的一个工作小组设计。HTTP 2.0具有二进制分帧层、多路复用、服务端推送、头部压缩（HPACK）、应用层重置连接、请求优先级设置几大优势。
JSON：一种轻量级的数据交换格式。它采用完全独立于编程语言的文本格式来存储和表示数据。简洁和清晰的层次结构使得JSON成为理想的数据交换语言。这一格式易于人阅读和编写，同时也易于机器解析和生成，并能有效提升网络传输效率。
RESTful（简称REST）：它描述了一个架构样式的网络系统，是一种软件架构风格、设计风格，提供了一组设计原则和约束条件。在目前主流的三种网络服务交互方案中，相比SOAP（简单对象访问协议）以及XML–RPC（可扩展标记语言–远程过程调用），RESTful更加简单明了，无论是对URL（统一资源定位符）的处理还是对Payload（有效载荷）的编码，RESTful都倾向于用更加简单轻量的方法设计和实现。
OpenAPI 3.0：它为RESTful API定义了一个与语言无关的标准接口。在不需要访问源代码、文档或通过网络流量检查的情况下，人和计算机能够通过它发现并理解服务的功能。基于合适的定义，消费者可以使用最简单的实现逻辑来理解远程服务并与之交互。
和传统电信网络特有的协议簇Diameter、GTP协议相比，新的协议体系能够实现快速部署、连续集成和发布新的网络功能与服务、便于运营商自有或第三方业务开发。
控制面和用户面分离
传统移动网络中，网元中同时具有控制面和用户面的能力。近年来，随着SDN技术的兴起，在设计5G架构时，架构功能的设计得到重新审视。如同SDN的核心理念一样，控制面和用户面的功能分离使得5G网络在两方面具有一定优势：控制面集中部署、集中管控、优化重组，用户面功能简化、灵活部署、高效转发。
控制面和用户面的功能分离使控制面和用户面的功能进行了优化的重组。例如，4G网络中分散在多个网元中的会话管理相关功能剥离出来，集中到一起演变为5G的会话管理功能。
控制面和用户面的功能分离使网络架构进一步扁平化成为可能。如图6–11所示，移动网架构从2G/3G的四层转发，到4G时代eNodeB、S–GW（服务网关）、P–GW（公共数据网网关）的三层转发。到5G时，从基站出来的数据流量可以直接传输到用户面网关的二层转发。更加扁平的架构为网络带来了更短的路径、更低的时延、更高的效率。
图6–11 5G核心网控制面和用户面的功能分离及架构的扁平化
网络切片
网络切片是基于统一基础设施、统一的网络资源提供“端到端”逻辑或物理的“专用网络”。这使得4G由“一网多用”转换到5G的“多网专用”。4G是面向“人网”设计的，这使得网络在扩展到“物网”时，面向差异化的网络能力和指标，使用一张网来服务的效率降低。5G时代，网络切片可以把一张网络虚拟成多个不同的网络实现“多网专用”。网络切片是5G区别于4G的标志性技术，通过逻辑“专网”服务垂直行业，是未来运营商拓展行业客户、催生新型业务、提高网络价值的有力抓手。
网络切片是“端到端”的网络能力，涉及终端、无线接入网、传输承载网及核心网等方面。实现“端到端”的网络切片能力，终端、无线接入网、传输承载网、核心网及管理侧的各域协同至关重要。终端需要具备识别不同业务，并携带相应网络切片标识接入网络的能力。无线网需要具备网络切片粒度的资源按需调度能力。传输网需要实现基于时隙传输等方法的时分网络切片。核心网作为实现端到端切片的关键和端到端管理的中枢，按需组合不同的网络功能，灵活构建核心网网络切片。
网络切片绝不仅仅是一个“网络专线”，它具有资源隔离、功能定制、质量保障三个重要特征。
资源隔离：切片服务于特定的应用场景，不同切片之间相互隔离，互不影响。
功能定制：网络能力可定制、网络性能可定制、接入方式可定制、服务范围/部署策略可定制。
质量保障：按照垂直行业需求，满足其SLA（服务等级协议）要求。
自动化运营是实现网络切片灵活运营的必然要求。传统的网络管理和运营面向的是统一的网络基础设施，网络切片使移动网络和业务耦合。这就需要通过自动化的部署、管理、运营实现网络切片的灵活引入。
边缘计算
传统2G、3G、4G网络业务单一、服务对象单一、架构相对单一，控制集中、数据网关集中，导致无法满足超大流量、超低时延、灵活业务部署的要求。对“边缘计算”的支持是5G的核心能力之一。这要求流量能够在网络中靠近用户的位置进行就近分流和路由（见图6–12）。
图6–12 支持“边缘计算”的本地分流架构
5G支持边缘计算的本地分流能力，有如下几方面。
第一，通过发送的数据包目的IP（互联网协议）地址进行分流。5G用户面网关根据网络配置的本地分流策略，通过检查数据包的目的IP地址、端口号或URL，判断数据包是否需要本地转发，此方案主要针对上行业务流。
第二，通过数据包源IP地址进行分流。5G用户面网关根据网络配置的分流策略，通过识别数据包的源IP地址、端口号，对需要进行本地卸载的数据包进行本地分流。此方案需要5G核心网将数据流识别分类能力配置给终端，即终端通过判断业务类型，选择合适的源IP地址。
第三，LADN（本地数据网）管理能力。5G核心网将边缘计算业务的服务范围配置到终端。当终端到达本地数据网络的覆盖范围时，通过使用LADN APN（接入点名称），网络可自主发起本地PDU（协议数据单元）会话，当终端移出本地数据网络的覆盖范围时，网络自动中断其本地会话数据。
这些本地分流能力需要网络对业务数据的转发路径进行动态管理，包括边缘网关转发面在数据传输通道上的动态加入和移除，确保终端在移动场景下，UPF（用户面功能）的频繁切换不会影响终端的业务体验。
5G网络大数据分析
5G核心网中首次引入NWDAF，开启了网络智能化之路。作为网络数据收集和智能分析的实体，NWDAF能够从5G的网络功能层、应用层和网管层获取数据，并利用智能化的算法进行计算、模型训练、推理判断、预测等工作。这些分析的结果能够输出给所有被授权使用的数据消费者，实现网络智能化应用。
基于NWDAF的智能化网络新架构实现了数据源、数据分析、数据应用三方面的演进。
数据源演进：从数据分散、相互之间无关联、无统一收集接口，到采用标准服务化接口收集数据，所有5G系统内的网元，包括终端、接入网、核心网、网管层甚至业务层都可作为数据源；
数据分析演进：从单领域简单的数据分析，到跨领域基于5G应用场景的用户体验的分析，基于新的能力运营商可按需自定义分析任务；
数据应用演进：从封闭的可视系统到智能闭环系统，开放标准服务化API查询接口，使NWDAF可满足订阅特定分析结果。
NWDAF的引入，通过对用户签约数据、网络数据、业务数据的全面采集、智能分析和灵活输出，打通了网络中的多个领域。这将有利于实现5G网络自优、自治、自愈的智能闭环优化能力，对5G网络发展、业务拓展与保障、多样化需求的满足以及运营运维都至关重要。
更全面的5G安全能力
移动通信网络是国家重要基础设施，保障网络信息安全是维护国家安全、社会稳定的必要条件，我们在享受信息革命浪潮带来的机遇的同时也必须直面其对网络安全的挑战。5G通信不仅考虑人与人之间的通信，而且将考虑人与物、物与物之间的通信，世界由此进入万物互联的状态。这种情况下，5G认证面临着新的安全需求。
5G在个人信息、网络信息方面进一步加强了安全能力。5G引入了对用户身份的进一步增强保护，用户的永久身份不在空中接口上进行传输，拜访网络还需要从归属网络获得用户的身份信息。这就导致拜访网络和用户终端之间无法直接对身份信息进行确认。在网络架构上，在运营商网络内传输时，网络的信令可根据运营商网络的情况进行加密。在漫游时，在跨运营商信令传输时，5G会对跨运营商的网络信令的传输进行安全保障。此外，在用户数据传输上5G也可根据安全要求对传输的数据包进行接入网和核心网间的加密。总之，5G在用户信息、信令控制、数据传输、漫游架构方面都对安全能力进行了增强。
传统认证机制下，拜访地、归属地的两级移动网络架构下的认证机制要求归属网络无条件信任拜访网络的认证结果。随着网络的发展，传统认证机制出现了越来越多的安全隐患，拜访网络和归属网络之间的信任程度在不断降低。5G认证加强了归属网络对用户终端的认证能力，使其摆脱对拜访网络的依赖，实现用户在归属地和拜访地等不同地点间的认证机制统一。
面向垂直行业的定制化安全要求，5G网络可以提供专有的更增强的安全服务能力。通过网络切片技术，对其中的行业客户提供更全面的安全能力，比如网络层的二次认证的方式，从而实现为特定的业务提供数据通道建立前的认证机制。在该认证过程中，5G网络第一次使用了非运营商控制的信任状的要求。
注：①AKA意为认证与密钥协商协议。
②EAP意为可扩展论证协议。
图6–13 5G的认证架构
总体说来，5G一方面打造安全的5G网络，包括更全面的数据安全保护、更丰富的认证机制支持、更严密的用户隐私保护，以及更灵活的网间信息保护；另一方面针对不同的行业安全策略与安全需求，从组网、隔离性、密码算法、认证机制等方面提供定制化的安全配置。由此，5G可以实现为各行各业提供有保障的、灵活可定制的安全服务。
传输关键技术
作为无线与核心网的“联络员”，传输网络肩负着高效业务传送的重要使命。5G多样化的业务应用，无线新空口的引入以及新核心网的部署，对传输网络提出了新的要求。
更大网络容量：为了支持持续发展的视频、全息和VR等应用，传输网络需提供大带宽，以实现每个用户大于1Gbps的吞吐量能力。
更低时延：为满足交互式体验和工业控制领域的严格要求，传输网络需实现小于1毫秒的端到端时延。
灵活连接：5G连接总量增长数十倍，为了满足多方向的流量调度要求，传输网络需支持灵活连接。
管道能力开放：为满足跨多领域端到端业务管控，传输需要将管道能力开放出来，供协同编排层进行调用。
管道切片能力：针对多样化的业务，运营商不可能为每种业务都构建单独的网络，未来传输网络需要具备动态切片的能力，为不同业务做不同的网络切片。
高可靠性：为满足AR、工业控制、远程医疗等新业务对超高可靠性的要求，传输网需提供高可靠性连接。
智能运维：未来传输网络承载的业务模型会发生根本性的改变，网络切片、灵活连接等新的特征需要传输网络具备更为智能化的网络运维能力，以降低网络运营成本。
切片分组网络的理念及架构
面对5G业务新需求，现有的4G传输设备已然无法满足要求，基于此，中国移动自主创新提出传输新设备SPN以适应5G业务变化。SPN是基于SR–TP（源路由传送子集）、切片以太网和波分的新一代端到端分层交换网络，具备业务灵活调度、高可靠性、超低时延、超高精度时钟、软硬切片、易运维等属性。SPN将统计复用、时分复用、波分复用等技术有机结合在一起，是面向5G的全新传输网技术。SPN基于一系列技术理念实现强大的综合业务承载能力。
以太网内核：基于以太网技术（IEEE 802.3[3]以太网、OIF[4]弹性以太网、创新分片以太网）实现，可以共用以太网产业链。
多层网络技术融合：基于光层、以太网层、网络层的高效融合，实现从L0~L3的多层次组网。
软硬分片：同时提供“高可靠硬隔离的硬分片”和“弹性可扩展的软分片”，具备在一张物理网络进行资源切片隔离，形成多个虚拟网络，为多种业务提供基于差异化的SLA能力。
SDN集中管控：基于SDN理念，利用集中的控制器实现对传输设备的统一管控。
电信级可靠性：基于多层网络的分层OAM（操作维护管理）和保护能力，实现传输网络的全方位监控和业务保障，满足电信级网络要求。
高精度同步：基于带内同步传输能力，实现高可靠、高精度、高效率的时钟和时间同步传输能力。
SPN技术总体架构由切片分组层（SPL）、切片通道层（SCL）、切片传送层（STL），以及时钟/时间同步功能模块和SDN控制功能模块组成（见图6–14）。
注：①SR–TP，指基于流量工程的段路由传送子集；SR–BE，指基于尽力转发的段路由；MPLS–TP，指MPLS传送子集。
图6–14 SPN技术架构分层模型
切片分组层：该层实现统计复用，可提供L2 VPN、L3 VPN、CBR（固定比特速率）透传等多种业务。与现有PTN（分组传送网）采用MPLS–TP隧道不同的是，SPN采用基于SR（源路由技术）增强的SR–TP隧道。SR在隧道源节点通过一系列表征拓扑路径的段信息（多协议标签交换）来指示隧道转发路径。相比传统隧道技术，SR隧道不需要在中间节点上维护隧道路径状态信息，提升隧道路径调整的灵活性和网络可编程能力。SR–TP隧道是在SR技术的基础上进行扩展，增加了端到端标识业务流的标签，实现端到端OAM检测，增加了运维能力。
切片通道层：该层实现时分复用。与OTN（光传送网）设备不同的是，SPN通过创新的切片以太网技术，基于66B码块实现轻量级TDM（时分复用）交叉，完成时隙化处理，为业务提供端到端的硬管道。基于切片以太网通道提供OAM和保护功能，实现端到端的切片通道层的性能检测和故障恢复能力。
切片传送层：该层基于IEEE 802.3以太网物理层技术和OIF FlexE技术，实现高效的大带宽传送能力。OIF FlexE技术可以通过端口绑定实现大带宽，也可以通过时隙划分实现灵活带宽。光层可以采用灰光或者DWDM（密集型光波分复用），在接入层，带宽需求不大时可采用灰光组网，在核心汇聚层，带宽需求大时可采用DWDM彩光组网。
管控一体的SDN控制平台：将管理与控制结合，以“管控一体，集中为主，分布为辅”为设计思路，通过SDN集中控制面增强业务动态能力，采用云化平台构建SDN管控一体控制平台，可管控网络节点规模达到数十万量级。
超高精度时间同步：在时间源方面，通过降低卫星接收噪声，提升卫星授时精度，改善时间源的长期稳定性和短期稳定性等方式，实现超高精度时间基准源；在传输节点方面，通过对光模块、芯片等内部时延处理的不断优化，提升单节点的时间误差精度。
SPN的关键技术
切片以太网
SPN架构中创新提出切片以太网技术，这一架构基于原生的以太内核扩展以太网切片能力，既完全兼容当前以太网络，又避免报文经过L2/L3存储查表，实现轻量级的TDM，主要包括：
基于以太网码块的交叉技术：基于以太网64/66B码块的交叉技术，实现极低的转发时延和隔离效果。
按需端到端OAM技术：基于IEEE 802.3码块扩展，采用IDLE（物理层空闲帧）替换原理，实现切片以太网通道OAM和保护功能，支撑端到端的以太网L1组网。
以太网业务透明映射技术：通过转码机制，实现对各类业务到切片以太网通道的透明映射。
高效大带宽
SPN网络中，通过FlexE技术可以实现多路光接口绑定，可以在低成本、低速率光模块的基础上实现高速率的以太网接口，例如通过4个200千兆以太网接口的以太接口绑定，实现800GB的单端口容量。同时，通过FlexE绑定和DWDM技术的融合，SPN系统可实现单纤TB级的传输容量。
确定性低时延
在实现业务报文转发时，传统分组设备需要在出口方向进行队列处理，从而导致分组网的时延很高，达到几十微秒的级别。在网络拥塞的情况下，时延更长，甚至可以达到毫秒级别，根本无法满足5G时代的低时延业务要求。5G的uRLLC业务需要单节点具备毫秒级别的低转发时延。
分组低时延转发技术主要通过改善转发机制，通过报文的标识，对标识为低时延业务的报文进行快速转发，不进行队列处理，在转发此报文时，如果出方向接口上正在转发其他低优先级报文，系统就可以对其进行抢占，实时快速转发出去，从而实现快速转发。
基于切片以太网的低时延方案通过引入SPN通道和SE–XC（切片以太网交叉）技术，将传统的存储转发方式革新为轻量级的TDM方式，用户报文在网络中间节点无须解析，业务流转发过程近乎实时完成，单节点转发时延可以优化到盒式设备1微秒级别。
灵活可靠连接
SPN支持三种隧道技术：MPLS–TP、SRTP–BE、SRTP–TP。MPLS–TP作为传统分组网的隧道技术，在点到点连接方面已经非常成熟，是最佳的点到点连接技术；SRTP–BE随着IGP（内部网关协议）洪泛自动建立域内全连接，是最佳的L3 VPN域内全连接技术；SRTP–TP适合点到点连接，由于隧道路径选择只在入口节点配置，因此其适合SDN方式控制。
超高精度同步
超高精度时间同步需要采用新的时间源技术和时间传送技术。应对新的网络构架，还需要新型接口的同步技术，以及控制层面的同步维护管理技术。
超高精度时间基准源需要达到优于误差30纳秒的同步精度，可采用以下技术。
新型卫星接收技术：通过共模共视或者双频段接收等降低卫星接收噪声，提升卫星授时的精度。
高稳定频率源技术：单一时钟过渡到时钟组，例如铷钟组，提高稳定性，以及丢失卫星的时间保持能力。
为实现超高精度时间同步传送，可采用以下技术。
超高精度时间戳技术，使时间戳单元的精度优于误差1纳秒。
高稳定度和同步精度的时钟模块设计，为系统提供更精确、更稳定时钟，更精确的同步信号输出。
PHY延时精确测量和补偿技术。
系统延时精确设计和测量技术。
链路不对称延时精确测量和控制。利用单纤双向模块解决该问题。
更高精度同步测试协议和算法。
位于控制层面的智能时钟技术，能够为超高精度同步网的运行维护提供支撑，其核心功能有同步网自动规划、图形化动态同步状态查询、同步配置和运行状态检测和分析、智能故障定位、实时同步性能监控分析。
网络即服务
从1G到5G，移动通信作为一种服务，其内涵发生了三次重大的跃迁：1G、2G到3G，服务内容从话音短信跃迁为基于流量的移动互联；3G到4G，服务能力从移动互联跃迁为移动宽带。如果说前两次跃迁是通信行业的内部改变，那么如今5G带来的第三次跃迁将是全局性、质变性的，移动通信将从服务大众转变为服务社会，从有限开放转变为内生开放，从标准化、长流程、孤立化服务转变为定制化、快捷化、端到端服务，可以说5G时代，网络本身已经成为服务，这就是NaaS（网络即服务）。
