NSA 与 SA 组网：从“依附 4G”到“完全独立”的 5G 演进之路

引言

第五代移动通信技术（5G）的浪潮席卷全球，它不仅仅是速度的飞跃，更是连接万物、赋能千行百业的关键基础设施。从超高带宽、超低时延到海量连接，5G 的诸多愿景正在逐步变为现实。然而，5G 的部署并非一蹴而就，其网络架构的演进路径充满了技术挑战与策略考量。在这条演进之路上，两种核心的组网架构――非独立组网（NSA）和独立组网（SA）――扮演了至关重要的角色。它们代表了 5G 从初期"依附 4G"的快速部署策略，向最终实现"完全独立"的宏伟目标迈进的两个重要阶段。本文将深入探讨 NSA 与 SA 组网的原理、架构、演进路径及其对 5G 发展的影响。

NSA 组网：5G 部署的先行者

定义与背景

非独立组网（Non-Standalone Architecture, NSA）是 5G 部署的早期和过渡阶段所采用的一种组网模式。顾名思义，"非独立"意味着 5G 新空口（5G NR）无法独立工作，它需要依附于现有的 4G LTE 网络，特别是其核心网部分，来提供控制面的功能。这种模式的提出，主要是为了加速 5G 网络的商用部署，让运营商能够在不完全替换现有 4G 基础设施的前提下，快速提供部分 5G 服务。

架构特点与 Option 3x

NSA 组网的核心思想是利用现有的 4G 核心网（Evolved Packet Core, EPC）作为锚点，同时引入 5G NR 基站来提供增强的数据传输能力。在 NSA 模式下，用户设备（UE）的控制面信令（例如注册、鉴权、移动性管理等）仍然由 4G 基站（eNB）和 4G EPC 处理。而用户面数据则可以根据网络负载和业务需求，在 4G LTE 和 5G NR 之间灵活分配，甚至可以同时使用两者进行数据传输，以实现更高的峰值速率和更大的容量。

在 NSA 组网中，最常见和广泛部署的架构选项是 Option 3x。在 Option 3x 中，4G LTE 基站（eNB）被视为主节点（Master Node, MN），负责与 4G EPC 的连接并处理控制面功能。5G NR 基站（gNB）则作为从节点（Secondary Node, SN），通过与 4G eNB 的 X2 接口连接，为用户提供 5G 新空口的数据传输能力。这种双连接（Dual Connectivity, DC）的机制使得用户可以同时连接到 4G eNB 和 5G gNB，从而充分利用两者的资源。

具体来说，Option 3x 的工作流程如下：

1. 用户设备首先通过 4G LTE 网络接入，完成初始注册和控制面建立。
2. 当用户进入 5G NR 覆盖区域时，4G eNB 会指示 5G gNB 作为辅小区加入，为用户提供 5G 数据服务。
3. 用户面数据可以同时在 4G 和 5G 路径上传输，实现数据聚合，从而达到更高的传输速率。
4. 控制面仍然由 4G eNB 和 4G EPC 负责，确保了网络的稳定性和与现有系统的兼容性。

NSA 的优势与局限

优势：

• 快速部署： 运营商可以利用现有的 4G EPC，只需升级或新增 5G NR 基站，大大缩短了 5G 网络的建设周期和成本。
• 平滑演进： 为 4G 到 5G 的过渡提供了一个平稳的路径，保护了运营商在 4G 上的投资。
• 提升用户体验： 能够显著提升用户的下载速率和网络容量，改善移动宽带体验。

局限性：

• 无法实现 5G 全部特性： 由于控制面仍然依赖 4G EPC，NSA 无法完全支持 5G 的所有关键特性，例如网络切片（Network Slicing）、超可靠低时延通信（URLLC）、海量机器类通信（mMTC）以及移动边缘计算（MEC）等。这些特性需要 5G 核心网（5GC）的支撑。
• 运维复杂性： 4G 和 5G 空口并存，加上 4G EPC 的锚定，使得网络管理和运维相对复杂。
• 资源利用效率不高： 无法充分发挥 5G 新空口的潜力，尤其是在时延敏感型业务上仍受 4G EPC 架构的限制。

SA 组网：5G 独立自主的未来

定义与本质

独立组网（Standalone Architecture, SA）是 5G 网络的终极目标和完整形态。与 NSA 不同，SA 模式下，5G 新空口（5G NR）和 5G 核心网（5GC）完全独立运行，不依赖于任何 4G 网络组件。这意味着 SA 模式下的 5G 网络是一个全新的、端到端（end-to-end）的 5G 系统，能够充分发挥 5G 的所有设计潜能。

架构特点与 5G 核心网 (5GC)

SA 组网的核心是全新的 5G 核心网（5GC）。5GC 是一个基于云原生（Cloud-Native）理念设计、服务化架构（Service-Based Architecture, SBA）的新一代核心网。它与传统的 4G EPC 在设计理念和技术实现上都有着根本性的区别。

5GC 的关键特性包括：

• 服务化架构（SBA）： 5GC 的所有网络功能都被设计成独立的、模块化的服务单元，这些服务单元通过统一的接口进行交互。这种架构使得网络功能可以灵活部署、动态扩展和按需组合，大大提高了网络的灵活性和可编程性。
• 控制面与用户面分离（CUPS）： 5GC 延续了 4G EPC 的控制面与用户面分离思想，但进一步优化，使得用户面功能可以更靠近用户部署（例如在边缘计算节点），从而有效降低数据传输时延。
• 网络切片（Network Slicing）： 这是 5G 的标志性特性之一。5GC 能够根据不同的业务需求（例如增强移动宽带、URLLC、mMTC），将一个物理网络切分成多个独立的虚拟网络切片，每个切片拥有独立的资源和功能，以满足不同行业和应用对网络性能的差异化需求。
• 边缘计算（MEC）： 5GC 与 MEC 深度融合，将计算和存储能力下沉到网络边缘，靠近用户和数据源，进一步降低了时延，并支持本地化数据处理，满足工业互联网、车联网等应用对超低时延和高可靠性的要求。
• 云原生技术： 5GC 基于容器、微服务等云原生技术构建，实现了网络功能的快速部署、弹性伸缩和高可用性，提升了网络的自动化运维能力。

在 SA 模式下，用户设备直接连接到 5G gNB，并通过 5G gNB 接入 5GC。所有控制面和用户面功能都由 5G 系统自身处理，从而实现了真正的端到端 5G 连接。

SA 的优势

• 实现 5G 全部特性： SA 模式是唯一能够充分发挥 5G 所有潜能的组网方式，包括网络切片、URLLC、mMTC、MEC 等，为垂直行业应用提供了坚实的基础。
• 更低时延： 摆脱了 4G EPC 的限制，5GC 结合 5G NR 的设计，能够实现更低的网络时延，满足自动驾驶、远程医疗、工业控制等严苛应用的需求。
• 更高效率与灵活性： 5GC 的服务化架构和云原生特性使得网络部署和管理更加灵活高效，可以根据业务需求快速调整网络资源。
• 简化网络运维： 独立的 5G 网络架构，从长远来看，将简化网络的运维复杂性，减少不同代际网络之间的协调工作。

从 NSA 到 SA：5G 核心网的演进之路

5G 的演进路径是一个从"量变"到"质变"的过程。NSA 模式的快速部署为 5G 的初期发展赢得了时间，让消费者能够提前体验到 5G 的高速率优势。然而，要真正实现 5G 赋能千行百业的宏伟蓝图，SA 模式的部署是不可或缺的。

这种演进并非一蹴而就，而是一个逐步过渡的过程。运营商通常会先部署 NSA 网络，在积累了 5G 运营经验、完善了 5G NR 覆盖、并逐步构建起 5G 核心网（5GC）之后，再逐步向 SA 模式迁移。

演进的关键驱动力：

1. 业务需求： 随着物联网、工业互联网、车联网等垂直行业对 5G 特殊能力（如超低时延、高可靠性、海量连接、网络切片）的需求日益增长，SA 模式的必要性也愈发凸显。
2. 技术成熟度： 5GC 技术的标准化、产品化和产业链成熟度是推动 SA 部署的关键。
3. 频谱资源： 独立部署 5G 需要独立的频谱资源，随着各国 5G 频谱的规划和分配，为 SA 部署提供了条件。
4. 成本效益： 尽管 SA 部署初期投入较大，但从长期来看，其带来的业务创新能力和网络运维效率提升将带来更大的经济效益。

在演进过程中，运营商可能需要面临一系列挑战，包括 5GC 的建设与集成、现有 4G 网络的协同与优化、用户终端的兼容性问题以及网络切片等新业务的运营模式探索。然而，随着全球主要运营商和设备商的共同努力，SA 网络的部署正在加速进行，许多国家和地区已经实现了 SA 网络的商用。

核心网的革新：EPC 到 5GC

从 4G 核心网（EPC）到 5G 核心网（5GC）的转变，是 5G 演进中最具革命性的部分，它不仅仅是简单的升级，更是核心网架构和技术理念的全面革新。

4G 核心网 (EPC)：传统与局限

EPC（Evolved Packet Core）是 4G LTE 网络的控制中心，它是一个相对传统的、基于专用硬件和紧耦合架构的核心网。EPC 主要由以下几个主要网元组成：

• MME (Mobility Management Entity)： 负责移动性管理、会话管理和用户鉴权。
• SGW (Serving Gateway)： 负责用户面数据转发和本地路由。
• PGW (Packet Data Network Gateway)： 负责与外部数据网络（如互联网）的连接，并处理 IP 地址分配、策略控制和计费等功能。
• HSS (Home Subscriber Server)： 存储用户签约数据和移动性相关信息。

EPC 的优点在于其成熟稳定，能够高效支撑移动宽带业务。然而，其也存在一些局限性：

• 封闭性与僵硬性： 基于专用硬件，网络功能紧耦合，难以快速引入新业务和功能。
• 扩展性差： 传统架构在面对海量连接和多样化业务时，扩展性不足。
• 无法满足新业务需求： 对于网络切片、超低时延、边缘计算等 5G 关键特性，EPC 无法原生支持。

5G 核心网 (5GC)：云原生与服务化

5GC 旨在克服 EPC 的局限性，并为 5G 的多样化业务提供灵活、高效、智能的支撑。5GC 的设计理念是彻底的云原生化和服务化。

5GC 的主要网元（功能实体）包括：

• AMF (Access and Mobility Management Function)： 负责接入和移动性管理，类似于 EPC 中的 MME。
• SMF (Session Management Function)： 负责会话管理，包括 IP 地址分配、策略控制等，类似于 EPC 中的 PGW 部分功能。
• UPF (User Plane Function)： 负责用户面数据转发，类似于 EPC 中的 SGW 和 PGW 的用户面部分。UPF 可以灵活部署在网络边缘。
• AUSF (Authentication Server Function)： 负责用户鉴权。
• UDM (Unified Data Management)： 存储用户数据，类似于 EPC 中的 HSS。
• PCF (Policy Control Function)： 负责策略控制。
• NEF (Network Exposure Function)： 提供网络能力开放接口，方便第三方应用访问网络能力。
• NRF (Network Repository Function)： 负责网络功能注册和发现。

这些功能实体不再是紧耦合的，而是作为独立的微服务，通过标准的接口（通常是 HTTP/2 over TCP）进行通信。这种服务化架构带来了以下显著优势：

• 高度灵活性： 网络功能可以按需部署、弹性伸缩，根据业务负载动态调整资源。
• 快速创新： 新功能和新业务可以作为独立的微服务快速开发和部署，加速业务创新。
• 开放性： NEF 等接口的引入，使得网络能力可以更开放地提供给第三方应用，促进 5G 生态系统的发展。
• 资源效率： 云原生技术结合 CUPS 架构，能够更高效地利用计算、存储和网络资源。

可以说，5GC 不仅仅是 5G 网络的"大脑"，更是其"灵魂"，它为 5G 实现从"连接人"到"连接万物"的跨越提供了坚实的技术支撑。

结论

5G 的演进之路，从 NSA 的"依附 4G"到 SA 的"完全独立"，是一场深刻的技术变革。NSA 作为 5G 部署的先行者，通过利用现有的 4G 核心网（EPC）和引入 5G NR，特别是 Option 3x 这种双连接架构，实现了 5G 业务的快速上线，让用户提前享受到了高速率、大容量的移动宽带体验。它为 5G 的普及奠定了基础，但其对 4G EPC 的依赖也限制了 5G 潜力的全面发挥。

而独立组网（SA）模式，则代表了 5G 的最终形态。通过构建全新的 5G 核心网（5GC），SA 实现了端到端 5G 网络的独立运行，彻底摆脱了 4G 的束缚。5GC 基于云原生、服务化架构（SBA）和控制面与用户面分离（CUPS）等先进技术，为网络切片、超可靠低时延通信（URLLC）、海量机器类通信（mMTC）以及移动边缘计算（MEC）等 5G 关键特性提供了强大的支撑。从 EPC 到 5GC 的核心网革新，是 5G 从"增强移动宽带"向"赋能千行百业"转变的关键。

当前，全球 5G 网络的建设正加速向 SA 模式演进。随着 SA 网络的普及，5G 将不再仅仅是个人消费者的通信工具，更将成为工业制造、智慧城市、自动驾驶、远程医疗等垂直行业数字化转型的重要引擎。从"依附 4G"到"完全独立"，5G 的演进之路不仅是一场技术革命，更是一场深刻的产业变革，它将重塑我们的生活和工作方式，开启一个万物智联的新时代。