4G到5G的演進，相比空口的變化，核心網的變化更加明顯。這也正是導致4G和5G混合組網出現SA和NSA兩種方式的一個重要原因。在此只是對整體架構做一個簡單的介紹，主要為後續理解4G/5G空口協議的不一致做點準備。
4G整體架構
在4G網路的研究中，3GPP除了對無線接入網演進的研究，還開展了一項平行研究：即系統架構演進（SAE），來展示核心網路的演進要點。這是一個基於IP的扁平網路體系結構,又稱為EPC(Evolved Packet Core)。實際上4G時代的網路可以理解為LTE＋SAE＋IMS架構。LTE是空口的長期演進，SAE則為系統架構演進，IMS則主要解決將語音等多媒體業務承載到4G網路。
3GPP定義的SAE基本架構中包含如下實體:a. MME(Mobility Management Entity)是SAE的控制核心，它主要負責使用者接入控制、業務承載控制、尋呼、切換控制等控制信令的處理。b. 業務閘道器(Serving Gateway)作為本地基站間切換時的錨定點，主要負責以下功能：在基站和公共資料閘道器之間傳輸資料資訊；為下行資料包提供快取；基於使用者的計費等。c. 公共資料閘道器（PDN Gateway）作為資料承載的錨定點，提供以下功能：包轉發、包解析、合法監聽、基於業務的計費、業務的QoS控制，以及負責和非3GPP網路間的互聯等。d. HSS（Home Subscriber Server）用於儲存使用者簽約資訊的資料庫，儲存的資訊包括：使用者標識資訊、使用者安全控制資訊、使用者位置資訊、使用者策略控制資訊等。e. PCRFPolicy and Charging Rules Function）主要負責策略控制和計費控制，根據使用者使用的業務資訊和使用者簽約的策略資訊進行決策，確定使用者業務使用和計費的策略，並下發給閘道器中的策略執行實體。
IMS(IP Multimedia Subsystem)IMS是IP多媒體系統,是一種全新的多媒體業務形式，它能夠滿足現在的終端客戶更新穎、更多樣化多媒體業務的需求。目前，IMS被認為是下一代網路的核心技術，也是解決移動與固網融合，引入語音、資料、影片三重融合等差異化業務的重要方式。IMS是3GPP/3GPP2 (移動) and TISPAN/ITU-T (固定) 網路架構的核心。在軟交換控制與承載分離的基礎上，IMS更進一步的實現了呼叫控制層和業務控制層的分離；IMS全部採用會話初始協議（SIP）作為呼叫控制和業務控制的信令.IMS 是一個在分組域（PS）上的多媒體控制/呼叫控制平臺，IMS使得PS具有電路域（CS）的部分功能，支援會話類和非會話類的多媒體業務。IMS為未來的多媒體應用提供了一個通用的業務平臺，典型的業務如呈現、訊息、會議、一鍵通等等。
4G整體協議棧
5G整體協議棧
5G空口協議相比於4G的空口協議變化不大。在使用者面協議棧，5G新空口使用者面協議棧多了一層SDAP(Service Data Adaptation Protocol ）。SDAP協議定義於TS37.324，PDCP定義於TS38.323，RLC定義於TS38.322，MAC定義於TS38.321。
控制面整體協議如圖所示。
資料面的整體協議如下：資料面多了一個SDAP。
5G 網元的功能劃分
5G網路的功能劃分如下圖所示。NG-RAN包含gNB或ng-eNB節點，5G-C一共包含三個功能模組：AMF，UPF和SMF。
A .gNB/ng-eNB
小區間無限資源管理Inter Cell Radio Resource Management（RRM）
無線承載控制Radio Bear（RB）Control
連線移動性控制 Connection Mobility Control
測量配置與規定Measurement Configuration and Provision
動態資源分配Dynamic Resource Allocation
B. AMF
NAS安全Non-Access Stratum（NAS） Security
空閒模式下移動性管理Idle State Mobility Handling
C. UPF
移動性錨點管理 Mobility Anchoring
PDU處理（與Internet連線）PDU Handling
D. SMF
使用者IP地址分配 UE IP Address Allocation
PDU Session控制
5G CU和DU的分離部署
在架構方面，5G相比4G最大的一個變化就是接入網和核心網的分離變得模糊了。在接入網一側，面向5G，基於集中/分佈單元CU/DU（Centralized Unit/Distributed Unit）的兩級架構也已經被業界所認可，這一網路架構與無線雲化的結合，構成了5G C-RAN的兩個基本要素”。由此可見，集中/分佈單元CU/DU（Centralized Unit/Distributed Unit）架構是研究C-RAN的基礎。而核心網的一部分應用功能，則又以MEC邊緣雲的方式，下發到靠近使用者的基站一側，以達到縮短時延的效果。
5G獨立(standalone)部署時，gNB的邏輯體系採用CU(即中心單元)和DU(分佈單元)分離模式。基於協議棧功能的配置，CU-DU邏輯體系可以分為2種，即CU-DU分佈架構和CU-DU融合架構(LTE eNB連線到EPC，NR gNB連線到5GC)。分離時如下圖所示，幾個基站的CU可以合併到一起，也可以分離。同一個基站的CU和DU合併時，就類似於4G的基站。
CU和DU的切分是根據不同協議層實時性的要求來進行的。在這樣的原則下，把原先BBU中的物理底層下沉到AAU中處理，對實時性要求高的物理高層，MAC，RLC層放在DU中處理，而把對實時性要求不高的PDCP和RRC層放到CU中處理。不同功能的劃分，在不同的組網中不是一成不變的，可以根據業務的要求進行調整。
5G核心網基於服務的網路架構
虛擬化，就是網元功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV），說白了，硬體上，直接採用HP、IBM等IT廠家的x86平臺通用伺服器，目前以刀鋒伺服器為主。軟體上，裝置商基於openstack這樣的開源平臺，開發自己的虛擬化平臺，把以前的核心網網元，“種植”在這個平臺之上。注意了，虛擬化平臺不等於5G核心網。也就是說，並不是只有5G才能用虛擬化平臺。也不是用了虛擬化平臺，就是5G。
下圖為2G-5G核心網的進化。注意區分硬體和軟體兩個層面的變化。在軟體層面，5G核心網，採用的是SBA架構（Service Based Architecture，即基於服務的架構）。SBA架構，基於雲原生構架設計，借鑑了IT領域的“微服務”理念。把原來具有多個功能的整體，分拆為多個具有獨自功能的個體。每個個體，實現自己的微服務。
5G NR（NG-RAN：Next Generation Radio Access Networks）
NG-RAN節點包含兩種型別：gNB(5G基站)：提供NR使用者平面和控制平面協議和功能；ng-eNB(下一代的4G基站)：提供E-UTRA使用者平面和控制平面協議和功能。
gNB與ng-eNB之間透過Xn介面連線，gNB/ng-eNB透過NG-C介面與AMF（Access and Mobility Management Function）連線，透過NG-U介面與UPF（User Plane Function）連線。 5G簡略架構如下圖所示，NG-RAN表示無線接入網，5GC表示核心網。在此可見NR的所處位置。
5G NR主要介面及協議主要介面如下：
空口協議如下：
主要介面的功能：