5G 系统架构概述
在开始搭建私有 5G 网络之前，让我们先了解 5G 系统的整体架构和基本概念。这些知识将帮助你理解各个组件的作用，以及我们后续配置的目的。
5G 网络整体架构
5G 网络主要由三大部分组成：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 5G 网络整体架构 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ ┌─────────┐ ┌──────────────────┐ ┌─────────────────┐ │
│ │ UE │◄──────►│ RAN (gNB) │◄──────►│ 5G Core (5GC) │ │
│ │ 终端 │ 无线 │ 无线接入网 │ 回传 │ 核心网 │ │
│ └─────────┘ └──────────────────┘ └─────────────────┘ │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌─────────────┐ │
│ │ Internet │ │
│ │ / DN │ │
│ └─────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘| 组件 | 全称 | 说明 |
|---|---|---|
| UE | User Equipment | 用户终端，如手机、CPE、物联网设备等 |
| RAN | Radio Access Network | 无线接入网，负责无线信号的收发 |
| gNB | gNodeB | 5G 基站，RAN 的核心设备 |
| 5GC | 5G Core | 5G 核心网，负责用户认证、会话管理等 |
| DN | Data Network | 数据网络，通常指互联网或企业内网 |
无线接入网 (RAN) 架构
传统基站 vs 现代基站
传统 4G 基站 (eNodeB) 是一个整体设备，而 5G 基站 (gNB) 采用了更灵活的分离式架构。
gNB 的功能分解
5G 基站可以分解为以下几个逻辑单元：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ gNB 功能分解 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ ┌───────────┐ ┌───────────┐ ┌───────────┐ │
│ │ RU │◄───►│ DU │◄───►│ CU │ │
│ │ 射频单元 │ │ 分布式单元 │ │ 集中式单元 │ │
│ └───────────┘ └───────────┘ └───────────┘ │
│ │ │ │ │
│ ▼ ▼ ▼ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ • 射频信号收发 • 物理层处理 • RRC 协议处理 │ │
│ │ • 模数/数模转换 • MAC 层处理 • PDCP 协议处理 │ │
│ │ • 功放/滤波 • 实时调度 • 用户面/控制面 │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘| 单元 | 全称 | 功能说明 |
|---|---|---|
| RU | Radio Unit (射频单元) | 也称 RRU/AAU，负责射频信号的发送和接收，包含天线、功放、滤波器等 |
| DU | Distributed Unit (分布式单元) | 处理实时性要求高的物理层和 MAC 层功能 |
| CU | Centralized Unit (集中式单元) | 处理非实时的高层协议，可进一步分为 CU-CP (控制面) 和 CU-UP (用户面) |
为什么要分离？
功能分离允许：
- 灵活部署：CU 可以集中部署，DU/RU 分布在各处
- 资源共享：多个 DU 可以共享一个 CU
- 成本优化：根据需要选择不同的部署方案
常见部署方案
方案 1: 传统一体化部署
┌─────────────────────────────┐
│ RU + DU + CU (一体化 gNB) │
└─────────────────────────────┘
方案 2: RU 分离 (常见于室分系统)
┌──────┐ ┌──────────────┐
│ RU │◄────►│ DU + CU │
└──────┘ └──────────────┘
方案 3: 完全分离 (大型网络)
┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐
│ RU │◄────►│ DU │◄────►│ CU │
└──────┘ └──────┘ └──────┘5G 核心网 (5GC) 架构
5G 核心网采用 服务化架构 (SBA - Service Based Architecture)，各个网元以微服务的形式提供功能。
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 5G Core 网络架构 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐ │
│ │ NSSF │ │ AUSF │ │ UDM │ │ PCF │ │ NEF │ │ NRF │ │
│ └──┬───┘ └──┬───┘ └──┬───┘ └──┬───┘ └──┬───┘ └──┬───┘ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ ───┴─────────┴─────────┴─────────┴─────────┴─────────┴─────────── │
│ 服务总线 (SBI) │
│ ───┬─────────────────────────────────────────────────────┬─────── │
│ │ │ │
│ ┌──┴───┐ ┌───┴──┐ │
│ │ AMF │◄───────────────────────────────────────────►│ SMF │ │
│ └──┬───┘ └───┬──┘ │
│ │ N2 │ N4 │
│ ▼ ▼ │
│ ┌──────┐ ┌──────┐ │
│ │ gNB │◄───────────────────N3──────────────────────►│ UPF │──►DN │
│ └──────┘ └──────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘核心网元说明
| 网元 | 全称 | 功能 |
|---|---|---|
| AMF | Access and Mobility Management Function | 接入和移动性管理，处理 UE 注册、认证、移动性等 |
| SMF | Session Management Function | 会话管理，处理 PDU 会话的建立、修改、释放 |
| UPF | User Plane Function | 用户面功能，负责数据包的转发、QoS 处理 |
| AUSF | Authentication Server Function | 认证服务，处理 UE 的安全认证 |
| UDM | Unified Data Management | 统一数据管理，存储用户签约数据 |
| PCF | Policy Control Function | 策略控制，制定 QoS 和计费策略 |
| NRF | Network Repository Function | 网络存储功能，服务发现和注册 |
| NSSF | Network Slice Selection Function | 网络切片选择 |
| NEF | Network Exposure Function | 网络能力开放 |
Open5GS 实现
在我们的实验中，Open5GS 实现了上述大部分核心网元，可以作为完整的 5G SA 核心网使用。
5G 基站的实际形态
在现实世界中，你可能看到过各种不同形态的基站设备。了解它们有助于你理解 5G 网络的部署方式。
宏基站 (Macro Cell)
宏基站是覆盖范围最大的基站类型，通常安装在铁塔或建筑物顶部。
特点：
- 覆盖半径：1-10 公里
- 发射功率：20-40W (每天线)
- 应用场景：室外广域覆盖
外观识别：
▲ 天线
/│\
/ │ \ ← 大型天线阵列 (AAU)
/ │ \
/ │ \
─────┴─────
│
│ ← 馈线/光纤
│
┌────┴────┐
│ BBU │ ← 基带处理单元 (通常在机柜内)
└─────────┘常见的天线形态：
- 传统天线 + RRU：分离式天线和射频单元
- AAU (Active Antenna Unit)：有源天线单元，天线和射频单元一体化，支持 Massive MIMO
小基站 (Small Cell)
小基站用于补充宏基站覆盖不到的区域，或增加热点区域容量。
微基站 (Micro Cell)
- 覆盖半径：200m - 2km
- 常见于街道、商业区
皮基站 (Pico Cell)
- 覆盖半径：100-200m
- 常见于室内大型场所
飞基站 (Femto Cell)
- 覆盖半径：10-50m
- 家庭或小型办公室使用
室内分布系统 (DAS)
大型建筑物内部常使用室内分布系统：
┌─────────┐
│ 信号源 │ ← 宏站信号或小基站
└────┬────┘
│
┌────┴────┐
│ 主机/ │
│ 近端机 │
└────┬────┘
│
┌───────────────┼───────────────┐
│ │ │
┌────┴────┐ ┌────┴────┐ ┌────┴────┐
│ 远端机 │ │ 远端机 │ │ 远端机 │
└────┬────┘ └────┬────┘ └────┬────┘
│ │ │
⊕ ⊕ ⊕
天线 天线 天线
如何识别 5G 基站
外观特征：
- 天线尺寸：5G 天线通常比 4G 大，因为支持 Massive MIMO (大规模天线阵列)
- AAU 外形：5G AAU 通常是方形或长方形的一体化设备
- 数量：同一站点可能有多个 AAU，覆盖不同扇区
典型 5G AAU 尺寸对比：
| 类型 | 典型尺寸 | 特点 |
|---|---|---|
| 4G 天线 | 较小较轻 | 通常是被动天线 |
| Sub-6G 5G AAU | 约 50×50×15 cm | 支持 64T64R MIMO |
| 毫米波 5G AAU | 较小 | 高度集成，波束成形 |
5G 频段知识
全球 5G 频段划分
5G 使用的频段主要分为两大类：
| 频段类型 | 频率范围 | 特点 |
|---|---|---|
| FR1 (Sub-6GHz) | 410 MHz - 7125 MHz | 覆盖好，穿透强，是目前主流 |
| FR2 (毫米波) | 24.25 GHz - 52.6 GHz | 带宽大，速率高，覆盖有限 |
中国 5G 频段分配
中国三大运营商的 5G 频段分配如下：
| 运营商 | 频段 | 频率范围 | 带宽 |
|---|---|---|---|
| 中国移动 | n41 | 2515-2675 MHz | 160 MHz |
| 中国移动 | n79 | 4800-4900 MHz | 100 MHz |
| 中国电信 | n78 | 3400-3500 MHz | 100 MHz |
| 中国联通 | n78 | 3500-3600 MHz | 100 MHz |
| 中国广电 | n28 | 703-733 / 758-788 MHz | 30+30 MHz |
| 中国广电 | n79 | 4900-4960 MHz | 60 MHz |
频谱使用提醒
这些频段由国家无线电管理部门分配给运营商使用。在进行私有 5G 实验时，必须：
- 使用屏蔽箱或极低功率，避免干扰公共网络
- 或申请实验频率使用许可
- 了解并遵守当地无线电管理法规
我们实验使用的频段
在本实验环境中，我们通常使用以下配置：
| 参数 | 推荐值 | 说明 |
|---|---|---|
| 频段 | n78 | 3.5 GHz 频段，设备支持广泛 |
| 中心频率 | 3750 MHz | 可根据实际情况调整 |
| 带宽 | 20 MHz | 初学者推荐，降低对硬件要求 |
5G 网络类型
SA vs NSA
5G 部署有两种主要模式：
NSA (Non-Standalone，非独立组网)
┌──────┐ ┌─────────┐
│ UE │◄──────►│ 4G eNB │◄──────►┌─────────┐
└──────┘ └─────────┘ │ 4G EPC │
▲ └─────────┘
│ ┌─────────┐ ▲
└──────────►│ 5G gNB │◄────────────┘
└─────────┘- 使用 4G 核心网 (EPC)
- 4G 负责控制面，5G 辅助用户面
- 过渡方案，早期部署多采用
SA (Standalone，独立组网)
┌──────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐
│ UE │◄──────►│ 5G gNB │◄──────►│ 5GC │
└──────┘ └─────────┘ └─────────┘- 使用 5G 核心网 (5GC)
- 完全独立的 5G 网络
- 支持完整 5G 特性，是最终目标
我们的实验环境
本项目搭建的是 5G SA 网络，包含完整的 5G 核心网 (Open5GS) 和 5G 基站 (srsRAN gNB)。
公网 vs 专网
| 类型 | 特点 | 应用场景 |
|---|---|---|
| 公网 | 运营商部署，面向公众 | 个人通信、公共互联网 |
| 专网 | 企业/机构自建 | 工厂、园区、校园、港口 |
| 混合组网 | 公网专网协同 | 对安全性和可靠性要求高的场景 |
与我们实验的对应关系
理解了上述概念后，让我们看看它们如何映射到我们的实验环境：
| 真实组件 | 实验中对应 | 说明 |
|---|---|---|
| 5G UE (手机) | 支持 5G 的手机 / srsUE | 商用手机需开启 5G SA 模式 |
| RU/AAU | SDR 设备 (USRP B210) | 负责射频信号收发 |
| DU + CU | srsRAN gNB 软件 | 在 PC 上运行的软件基站 |
| 5GC | Open5GS | 在 PC/服务器上运行的核心网 |
┌─────────────────── 我们的实验环境 ───────────────────┐
│ │
│ ┌───────┐ ┌──────────────────────────────┐ │
│ │ 手机 │◄───►│ USRP B210 ──► srsRAN gNB │ │
│ │ srsUE │ │ (RU) (DU+CU) │ │
│ └───────┘ └────────────────┬─────────────┘ │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌─────────────┐ │
│ │ Open5GS │ │
│ │ (5GC) │ │
│ └──────┬──────┘ │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌─────────────┐ │
│ │ Internet │ │
│ └─────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────┘下一步
现在你已经了解了 5G 系统的基本架构，可以开始动手搭建了：
- 环境准备 - 安装必要的软件和驱动
- Open5GS 核心网 - 部署 5G 核心网
- srsRAN 基站 - 配置 5G gNB
延伸阅读
如果你想深入了解 5G 技术细节，可以参考：
- 3GPP TS 23.501 - 5G System Architecture
- 3GPP TS 38.300 - NR Overall Description
- O-RAN Alliance Specifications - 开放无线接入网标准