您可能会问的第一个问题是：5G 到底是什么？5G 究竟是什么？第二个问题可能是它是如何以不同的架构提供速度、低延迟、容量和众多其他优势的？
本文将探讨 5G 架构问题。我们将探讨 5G 网络架构可能带来的一些功能，以及互联应用如何从中受益。您可以在本文的链接和页脚的相关资源中找到更多资源。有关 5G 的基本介绍，请参阅文章、
什么是 5G，第 1 部分.本章将继续介绍 5G 概览。
第 2 部分，谁将采用 5G 技术，何时采用？
有一点是肯定的：我们的互联世界正在发生变化。拥有下一代网络架构的 5G 有潜力支持消费和工业领域的数千种新应用。当速度和吞吐量成倍地高于当前网络时，5G 的可能性似乎几乎是无限的。
这些先进的功能将使制造、医疗保健和交通等垂直市场的应用成为可能，5G 将在从先进制造自动化到完全自动驾驶汽车等各个方面发挥重要作用。要为 5G 开发有利可图的商业用例和应用，至少要对作为所有这些新应用核心的 5G 网络架构有一个大致的了解。
5G 受到了极大的关注，更多的是
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，涉及建设新的基础设施，其中大部分资金由主要无线运营商提供。
5G 的全面部署尚需时日，在人口较少的地区推出之前，5G 早已在大城市铺开。Digi 在以下方面为客户提供支持
为 5G 做好准备与以下方面的通信
迁移规划 和下一代产品。虽然 Digi 没有直接参与开发 5G 新无线电 (NR) 核心网和 5G 无线接入网 (RAN)，但 Digi 设备将成为 5G 愿景不可分割的一部分，并将在各种应用中使用。
5G 应用.
5G 网络架构
那么，究竟什么是 5G，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 标准由第三代合作伙伴关系项目（3GPP）推出，该组织负责制定所有移动通信的国际标准。国际电信联盟（ITU）及其合作伙伴定义了移动通信系统的要求和时间表，大约每十年定义一代新产品。3GPP 通过一系列版本为这些要求制定规范。
5G 中的 "G "代表 "一代"。5G 技术架构是继 3G 和 2G 之后，在 4G LTE（长期演进）技术基础上取得的重大进展。正如我们在相关资料中所述、 通往 5G 的旅程因此，5G 总会有一段时间同时存在多个网络世代。与前代网络一样，5G 必须与前代网络共存，这有两个重要原因：
- 开发和部署新的网络技术需要大量的时间、投资以及主要实体和运营商的协作。
- 早期采用者总是希望尽快掌握新技术，而那些在现有网络技术（如 2G、3G 和 4G LTE）的大规模部署中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，当然是在新网络完全可行之前。(请注意，2G 和 3G 网络正在日落西山，为 5G 部署腾出空间。请参阅我们的博文《2G、3G、4G 网络关闭更新》）。
5g 移动技术的网络架构与过去的架构相比有了巨大的改进。蜂窝密集的大型网络实现了性能上的巨大飞跃。此外，与当今的 4G LTE 网络相比，5G 网络的架构具有更好的安全性。
总之，5G 技术具有三大优势：
- 数据传输速度更快，最高可达千兆比特/秒。
- 更大的容量，为每平方公里的大量IoT 设备提供燃料。
- 更低的延迟时间（低至个位数毫秒），这对于ITS 应用中的联网车辆和自动驾驶车辆等需要近乎瞬时响应的应用来说至关重要。
这是否意味着 5G 如今已完全准备就绪？这是否意味着 5G 架构适合所有应用？请继续阅读，了解新技术如何支持关键应用，以及哪些应用更适合 4G LTE。
5G 设计和规划考虑因素
支持高要求应用的 5G 网络架构的设计考虑因素非常复杂。例如，没有放之四海而皆准的方法；各种应用都需要数据远距离传输、大数据量或某些组合。因此，5G 架构必须支持低、中、高频段频谱，包括许可频谱、共享频谱和私有频谱，以实现完整的 5G 愿景。
因此，5G 在架构上采用了从 1 GHz 以下到极高频率的无线电频率，即 "毫米波"（或 mmWave）。频率越低，信号传输距离越远。频率越高，可传输的数据越多。
5G 网络的核心有三个频段：
- 5G 高频段（毫米波）提供 5G 的最高频率。频率范围从 24 千兆赫到大约 100 千兆赫。由于高频率不能轻易穿过障碍物，因此高频段 5G 从本质上来说是短距离的。此外，毫米波的覆盖范围有限，需要更多的蜂窝基础设施。
- 5G 中频段在 2-6 千兆赫范围内工作，为城市和郊区提供了一个容量层。该频段的峰值速率可达数百 Mbps。
- 5G 低频段工作频率低于 2 GHz，覆盖范围广。该频段使用的频谱是目前 4G LTE 可用和正在使用的频谱，本质上是为目前已准备就绪的 5G 设备提供 LTE 5G 架构。因此，低频 5G 的性能与 4G LTE 相似，并支持目前市场上的 5G 设备使用。
除了频谱可用性和应用对距离与带宽的要求外，运营商还必须考虑 5G 的功率要求，因为典型的 5G 基站设计要求的功率是 4G 基站的两倍多。
规划和部署 5G 应用的注意事项
系统集成商以及为我们讨论过的垂直行业开发和部署 5G 应用的人员会发现，考虑权衡利弊非常重要。(我们的视频《指导您为 5G 做好准备的 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：
- 您的应用将部署在何处？针对毫米波进行优化的应用在建筑物内和需要扩展范围时无法如期运行。最佳用例包括 24 至 39 千兆赫频段的 5G 蜂窝电信、Ka 波段（33.4 至 36.0 千兆赫）的警用雷达、机场安检扫描仪、军用车辆中的短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) 应用而言，设备和连接必须进行速度优化。近乎实时的通信（以百万分之一秒为单位）对于车辆和设备 "决策 "转弯、加速和制动至关重要，而尽可能低的延迟对于这些应用来说至关重要。
- 相比之下，视频和 VR 应用必须针对吞吐量进行优化。医疗成像等视频应用最终可充分利用 5G 网络可支持的海量数据。
要实现 5G 的全部愿景，网络基础设施也需要不断发展。下图展示了随着时间推移的迁移，以及 Digi 的 5G 产品计划.
5G 技术的最早应用不会完全是 5G，而会出现在与现有 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，设备将能够使用它来获得额外的带宽。例如，在 5G NSA 模式下连接的设备可以通过 4G LTE 获得 200 Mbps 的下行速度，同时通过 5G 获得 600 Mbps 的下行速度，总速度达到 800 Mbps。
随着越来越多的 5G 网络基础设施在未来几年内投入使用，它们将发展成为 5G 纯独立模式 (SA)。这将带来低延迟和与大量IoT 设备连接的能力，而这正是 5G 的主要优势之一。
核心网络
在本节中，我们将概述 5G 核心架构，并介绍 5G 核心组件。我们还将展示 5G 架构与当前 4G 架构的比较。
5G 核心网可实现 5G 网络的高级功能，是 5G系统（也称为5GS ，源代码）的三个主要组成部分之一。其他两个组成部分是 5G接入网（5G-AN）和用户设备（UE）。如 5G 核心网图所示，5G 核心网采用与云相匹配的基于服务的架构 (SBA)，以支持认证、安全、会话管理和来自连接设备的流量汇聚，所有这些都需要复杂的网络功能互联。
5G 核心架构的组成部分包括
- 用户平面功能（UPF）
- 数据网络 (DN)，例如运营商服务、互联网接入或第三方服务
- 核心访问和流动管理功能（AMF）
- 身份验证服务器功能（AUSF）
- 会话管理功能（SMF）
- 网络切片选择功能（NSSF）
- 网络曝光功能（NEF）
- NF 存储库功能（NRF）
- 政策控制功能（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之间的关联。
4G 架构图
4G 从其前身 3G 演进而来时，网络架构只做了微小的渐进式改动。下面的 4G 网络架构图显示了 4G 核心网络的主要组成部分：
来源：3GPP来源：3GPP
在 4G 网络架构中、 用户设备（UE） 如智能手机或移动设备，通过 LTE 无线接入网（E-UTRAN） 到 演进分组核心（EPC） 然后进一步连接到外部网络，如互联网。网络 演进式节点基站（eNodeB） 将用户数据流量（用户平面）与网络管理数据流量（控制平面）分开，并将两者分别输入 EPC。
5G 架构图
5G 是从头开始设计的，网络功能按服务划分。因此，这种架构也被称为 5G 核心网 基于服务的架构（SBA）.下面的 5G 网络拓扑图显示了 5G 核心网络的主要组成部分：
来源：Techplayon来源：Techplayon
具体操作如下
- 用户设备（UE），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 核心网，并进一步连接到数据网络（DN），如互联网。
- 接入和移动性管理功能（AMF）是 UE 连接的单一入口点。
- 根据 UE 请求的服务，AMF 选择相应的会话管理功能 (SMF) 来管理用户会话。
- 用户平面功能（UPF）在用户设备（UE）和外部网络之间传输 IP 数据流量（用户平面）。
- 认证服务器功能（AUSF）允许 AMF 对 UE 和 5G 核心的接入服务进行认证。
- 其他功能，如会话管理功能（SMF）、策略控制功能（PCF）、应用功能（AF）和统一数据管理（UDM）功能，则提供策略控制框架、应用策略决策和访问订阅信息，以管理网络行为。
正如您所看到的，5G 网络架构在幕后更为复杂，但这种复杂性是为了提供更好的服务所必需的，这种服务可以针对广泛的 5G 用例量身定制。
4G 和 5G 网络架构的区别
在本节中，我们将讨论 4G 和 5G 架构的不同之处。在 4G LTE 网络架构中，LTE RAN 和 eNodeB 通常离得很近，通常在基站或基站塔附近的专用硬件上运行。而单片式 EPC 通常集中在一起，距离 eNodeB 较远。这种架构使得高速、低延迟的端到端通信变得困难甚至不可能。
在 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）核心时，他们拆分了单片式 EPC，并实现了每项功能，使其可以在通用的现成服务器硬件上独立运行。这使得 5G 核心成为分散的 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中的应用共址，缩短通信路径，从而提高端到端速度和延迟。
来源：Techmania来源：Techmania
在通用硬件上运行这些更小、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。通过网络切片，您可以拥有多个针对特定用例进行优化的逻辑功能 "切片"，它们都在 5G 网络基础设施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片区，另一个针对低延迟进行优化的片区，以及第三个针对大量IoT 设备进行优化的片区。根据这种优化，某些 5G 核心功能可能根本无法使用。例如，如果您只为IoT 设备提供服务，您就不需要手机所必需的语音功能。而且，由于并非每个切片都必须具备完全相同的功能，因此可用计算能力得到了更有效的利用。
资料来源 SDX 中心
5G 的演变
每一代或 "G "无线通信大约需要十年时间才能成熟。从一代到下一代的转换主要是由于运营商需要重复使用或重新利用有限的可用频谱。每一代新产品都具有更高的频谱效率，从而可以更快、更有效地通过网络传输数据。
第一代无线通信（或称 1G）始于 20 世纪 80 年代的模拟技术。随后很快出现了 2G，即第一代使用数字技术的网络。1G 和 2G 的发展最初是由手机市场推动的。2G 也提供数据通信，但速度非常低。
下一代 3G 技术在本世纪初开始加速发展。3G 的增长再次受到手机的推动，但它是第一种提供每秒 1 兆比特（Mbps）数据速度的技术，适合智能手机和新兴物联网生态系统（IoT ）的各种新应用。我们的新一代无线技术 4G LTE 于 2010 年开始加速发展。
值得注意的是 4G LTE（长期演进）使用寿命长 它是一项非常成功和成熟的技术，预计至少还将广泛使用十年。
5G 架构与云和边缘
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 网络架构的另一个概念是 边缘计算 或移动边缘计算。在这种情况下，你可以在靠近基站塔的网络边缘设置小型数据中心。这对于非常低的延迟和传输相同内容的高带宽应用来说非常重要。
举个高带宽的例子，想想视频流媒体服务。内容源自云端某处的服务器。如果人们连接到一个信号塔，比方说，有 100 人在流式传输一个热门电视节目，那么将内容尽可能靠近消费者，就在边缘，最好是在信号塔上，这样会更有效率。
用户可以从边缘的存储媒体上流式传输这些内容，而不必从云上的中心位置为 100 个人流式传输这些信息并进行回程。相反，利用 5G 结构，您只需将内容传送到塔台一次，然后再分发给 100 个用户。
同样的原则也适用于需要双向通信的应用，因为这些应用需要低延迟。如果用户在边缘运行应用程序，由于数据无需穿越网络，因此周转时间会更快。
在 5G 网络结构中，这些边缘网络也可用于在边缘提供服务。由于可以对这些 5G 核心功能进行虚拟化，因此可以让它们在标准服务器或数据中心硬件上运行，并让光纤连接到发送信号的无线电。因此，无线电是专业的，但其他一切都非常标准。
如今，4G LTE 仍在不断发展。它提供出色的速度和足够的带宽，可支持目前大多数IoT 应用。未来十年，随着应用开始迁移，4G LTE 和 5G 网络将并存，最终 5G 网络和应用将取代 4G LTE。
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使用 5G 的设备
5G 将随着时间的推移而发展，5G 设备也将紧随其后。早期的产品将是 "5G 就绪 "产品，这意味着这些产品具备支持更高带宽的 5G 调制解调器和 5G 扩展器所需的处理能力和千兆位以太网端口。
以后的 5G 产品将直接集成 5G 调制解调器，并配备更快的多核处理器、2.5 甚至 10 千兆位以太网接口和 Wi-Fi 6/6E 无线电台。这些产品变化将推高 5G 产品的成本，但这是处理 5G 网络将提供的更快速度和更低延迟所必需的。
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5G 的前景一片光明，Digi 很高兴能在未来几年向市场推出更多种类的 5G 新产品。凭借更快的速度、更大的容量和更低的延迟，5G 将带来 4G 无法提供的更多功能和令人兴奋的新用例。商业和政府IoT 部门将从新的 5G 架构、其灵活性和不同组件中获益匪浅。因此，请着眼于下一代技术和未来的商机。 并考虑如何发展自己的系统。
规划 5G？有很多东西需要学习。请访问Digi 5G 资源中心继续学习。当您准备好讨论如何将 5G 纳入您未来的业务计划，以及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时，请务必联系我们。
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