简述移动通信网络的演进之路

目录

通信网络

• 电信网（即电话交换网络）由终端、传输和交换三大部分组成；
• 因特网（即计算机互联网）由终端、传输、交换以及多个计算机网络等几部分组成。

随着通信行业的快速发展，传统的电信网、计算机互联网与有线电视网的融合（三网融合）已经成为网络发展的趋势。三者融合发展，互联互通，为客户同时提供语音、数据和广播电视等多重服务。这里我们将其统一称之为通信网络。相对的，通信网络又分为固话通信网络和移动通信网络两大类。

其中，移动通信网络由三大部分组成：接入网、承载网、核心网。

• 接入网是 “窗口”，负责把数据收上来；
• 承载网是 “卡车”，负责把数据送来送去；
• 核心网就是 “管理中枢”，负责管理这些数据，对数据进行分拣，然后告诉它，该去何方。

核心网演进之路

核心网（Core Network，简称 CN）或被成为骨干网（Backbone），本质就是对数据的处理和分发，即 “路由交换”。

早古时期

最早的时候，固定电话网的核心网，说白了就是把电线两头的电话连接起来，这种交换，非常简单，主要满足人们无线移动通话的需求。

后来，用户数量越来越多，网络范围越来越大，开始有了分层。

网络架构也复杂了，有了网络单元（Net Element，简称 NE，网元），是具有某种功能的网络单元实体。

同时，我们要识别和管理用户了，不是任何一个用户都允许用这个通信网络，只有被授权的合法用户，才能使用。于是，多了一堆和用户有关的网元设备。它们的核心任务只有三个：认证、授权和记账，简称 3A。

再后来，有了无线通信，连接用户的方式变了，从电话线变成无线电波，无线接入网（RAN，Radio Access Network）诞生。接入网变了，核心网也要跟着变，于是有了无线核心网。再再后来，有了 2G、3G、4G。每一代通信标准，每一项具体制式，都有属于自己的网络架构，自己的硬件平台，自己的网元，自己的设备。

2G 网络架构

第二代蜂窝移动通信系统出现在数字蜂窝技术的发展与成熟之后，为了进一步提高通话的质量，推出了数字化语音业务的第二代蜂窝移动通信系统。 2G 的核心网设备如下，名字就叫 MSC（Mobile Switching Center，移动交换中心）。

2G 的网络架构如下，组网非常简单，MSC 就是核心网的最主要设备。HLR、EIR 和用户身份有关，用于鉴权。

后来，到了 2.5G，在 2G 和 3G 之间，就是 GPRS。

在之前 2G 只能打电话发短信的基础上，有了 GPRS，就开始有了数据（上网）业务。于是，核心网的网络架构有了大变化，开始有了 PS（Packet Switch，分组交换，包交换）核心网。如下图红色部分，包含 SGSN（Serving GPRS Support Node，服务 GPRS 支持节点）和 GGSN（Gateway GPRS Support Node，网关 GPRS 支持节点）。SGSN 和 GGSN 都是为了实现 GPRS 数据业务。

从 2000 年 GPRS 首商用到 2020 年 5G 到来，不禁为移动通信迅猛发展之势而感慨。数据速率从 2G GPRS 65Kbit/s 到 LTE-A 1Gbit/s，再到 5G 时代 10-20Gbit/s，增长速度令人吃惊。

3G 网络架构

20 世纪末，IP 和互联网技术的快速发展改变了人们的通信方式，传统的语音通信的吸引力下降，人们期望无线移动网络也能够提供互联网业务，于是出现了能够提供数据业务的第三代移动通信系统。

2.5G 到了 3G，网络结构变成了下图模样。而 3G 基站，由 RNC 和 BSC 组成。

到了 3G 阶段，设备商的硬件平台进行彻底变革升级。3G 的核心网设备如下：

3G 除了硬件变化和网元变化之外，还有两个很重要的思路变化。其中之一，就是 IP 化。以前是 TDM 电路，就是 E1 线，中继电路。粗重的 E1 线缆 IP 化，就是 TCP/IP，以太网。网线、光纤开始大量投入使用，设备的外部接口和内部通讯，都开始围绕 IP 地址和端口号进行。

第二个思路变化，就是分离。具体来说，就是网元设备的功能开始细化，不再是一个设备集成多个功能，而是拆分开，各司其事。在 3G 阶段，是分离的第一步，叫做承载和控制分离。在通信系统里面，说白了，就两个（平）面，用户面和控制面。如果不能理解两个面，就无法理解通信系统。

• 用户面，就是用户的实际业务数据，就是你的语音数据，视频流数据之类的。
• 控制面，是为了管理数据走向的信令、命令。

这两个面，在通信设备内部，就相当于两个不同的系统，2G 时代，用户面和控制面没有明显分开。3G 时代，把两个面进行了分离。

从 R7 开始，通过 Direct Tunnel 技术将控制面和用户面分离，在 3G RNC 和 GGSN 之间建立了直连用户面隧道，用户面数据流量直接绕过 SGSN 在 RNC 和 GGSN 之间传输。到了 R8，出现了 MME 这样的纯信令节点。

4G 网络架构

第四代移动通信系统提供了 3G 不能满足的无线网络宽带化。4G 网络是全 IP 化网络，主要提供数据业务，其数据传输的上行速率可达 20Mbit/s，下行速率高达 100Mbit/s，基本能够满足各种移动通信业务的需求。

4G 网络架构中，SGSN 变成 MME（Mobility Management Entity，移动管理实体），GGSN 变成 SGW/PGW（Serving Gateway，服务网关；PDN Gateway，PDN 网关），也就演进成了 4G 核心网，如下图。

MME（移动性管理实体）的主要功能是支持 NAS（非接入层）信令及其安全、跟踪区域（TA）列表的管理、PGW 和 SGW 的选择、跨 MME 切换时进行 MME 的选择、在向 2G/3G 接入系统切换过程中进行 SGSN 的选择、用户的鉴权、漫游控制以及承载管理、3GPP 不同接入网络的核心网络节点之间的移动性管理（终结于 S3 节点），以及 UE 在 ECM_IDLE 状态下可达性管理（包括寻呼重发的控制和执行）。

4G LTE 网络架构（注意，基站里面的 RNC 没有了，为了实现扁平化，功能一部分给了核心网，另一部分给了 eNodeB）。2009 年，在部署 LTE/EPC（4G 核心网）的时候，有人认为核心网演进之路已经走到尽头，继续突破创新实在太难，毕竟要掌控每小区峰值速率 150Mbps 的网络王国，实在是一件不容易的事。然而，随着 VoLTE 和 VoWiFi 的出现，LTE/EPC 又引入了 S2a、S2b 和 S2c 接口，这些接口将核心网的控制范围延伸到了非 3GPP 网络，即可信 Non-3GPP 接入（Non-3GPP Trusted Access）和非可信 Non-3GPP 接入（Non-3GPP untrusted Access）连接到 3GPP 网关 PGW。自此，核心网的构架如下图所示，图中绿色实线表示用户面 & 控制面接口。

4G EPC 核心网位于网络数据交换的中央，主要负责终端用户的移动性管理，会话管理和数据传输。

4G 核心网主要包含 MME，SGW，PGW，HSS 这几个网元。然而，这样的架构却还有些不足，控制面和用户面并没有完全分开，SGW 和 PGW 不但要处理转发用户面数据，还要负责进行会话管理和承载控制等控制面功能，这种用户面和控制面交织的缺点导致了业务改动复杂，效率难以优化，部署运维难度大的问题。

于是，在 2016 年，3GPP 对 SGW/PGW 进行了一次拆分，把这两个网元都进一步拆分为控制面（SGW-C 和 PGW-C）和用户面（SGW-U 和 PGW-U），称为 CUPS 架构（控制面用户面分离架构）。

控制面用户面分离还有另一个重要目的，那就是让网络用户面功能摆脱 “中心化” 的囚禁，使其既可灵活部署于核心网（中心数据中心），也可部署于接入网（边缘数据中心），最终实现可分布式部署。

演进到 4G 核心网之前，硬件平台也提前升级了。以中兴为例，开始启用 ATCA/ETCA 平台（后来 MME 就用了它），还有 xGW T8000 平台（后面 PGW 和 SGW 用了它，PGW/SGW 物理上是一体的）。

• ATCA（Advanced Telecom Computing Architecture，先进电信计算架构）机框
• ETCA（Enhanced ATCA，增强型 ATCA）
• xGW T8000 硬件平台其实就是一个大路由器

ATCA 里面的业务处理单板，本身就是一台单板造型的 “小型化电脑”，有处理器、内存、硬盘，我们俗称 “刀片”。

既然都走到这一步，原来的专用硬件，越做越像 IT 机房里面的 x86 通用服务器，那么，不如干脆直接用 x86 服务器吧。

长久以来，网络越来越庞大，越来越复杂，而那些专用的电信设备不但扩展不灵活，而且习惯了自扫门前雪，整体效率太低，如同公司的体制，这是一个庞大而臃肿的机构，仿佛背着世界前行。所以电信运营商要打破传统，用 IT 的方式来重构网络。而虚拟化打通了开源平台，让更多的第三方和合作伙伴参与进来，从而在已运行多年的成熟的电信网络上激发更多的创新和价值。这正是 NGMN 的愿景：生态、客户和商业模式。于是，网元功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）的时代到来了。

软件上，设备商基于 OpenStack 开发自己的虚拟化平台，把以前的核心网网元，“种植” 在这个平台之上。网元功能软件与硬件实体资源分离

设备商先在虚拟化平台部署 4G 核心网，也就是，在为后面 5G 做准备，提前实验。硬件平台，永远都会提前准备。

5G 网络架构

5G 网络的需求

国际电信联盟（ITU，International Telecommunication Union）针对每一个新世代的网络，都会制定出需求及应用场景，而各大电信标准组织，再依照 ITU 所提出的需求，订定标准并向 ITU 提交标准，供 ITU 审订。5G 提交的标准为 IMT-2020（https://www.itu.int/en/ITU-R/study-groups/rsg5/rwp5d/imt-2020/Pages/default.aspx）。

ITU 在 IMT-2020 中订定了 5G 的八大 KPI（https://www.itu.int/en/ITU-D/Regional-Presence/ArabStates/Documents/events/2018/RDF/Workshop%20Presentations/Session1/5G-%20IMT2020-presentation-Marco-Carugi-final-reduced.pdf）：

1. 更好的使用者传输速率体验（User Experienced Data Rate）：100 Mb/s 以上
2. 更高的峰值传输速率（Peak Data Rate）：20Gb/s
3. 单位面积在单位时间内更高的传输数据量（Traffic Capacity）：10~100Mb/s/m2
4. 更高的频谱使用率（Spectrum Effiency）：3 倍以上
5. 更快的移动速度（Mobility）：500km/h
6. 更低的延迟（Latency）：1ms 以下
7. 更高密度的装置联机（Connection Dencity）：100 万 devices/km2
8. 更低的耗能（Network Energy Efficiency）：电力消耗为 1/100 以下

这八个 KPI 主要是要满足三大场景的应用：

1. eMBB（Enhanced Mobile Broadband，增强型移动宽带）：指的是更快速的传输速率以及更好的使用者上网体验，即解决人与人之间通信，人们上网的问题。
2. mMTC（Ultra-reliable and Low Latency Communications，海量物联网通信）： 指的是更大量、更密集的机器通信（每平方公里 100 万个以上的装置进行联机），即解决物联网的问题。
3. uRLLC（Massive Machine Type Communications，低时延、高可靠通信）：指的是更低的延迟，像是无人驾驶、工业自动化和远端医疗手术等应用。

要实现这样的愿景，5G 网络需要面临的技术挑战主要是：高速率、端到端时延、高可靠性、大规模连接、用户体验和效率。

5G 网络架构的设计原则

为了应对这这样的技术挑战，5G 网络设计原则为：

• 从集中化向分布式发展
• 从专用系统向虚拟系统发展
• 从闭源向开源发展

如果用四个词来概括 5G 网络的设计原则，它们是：解耦、软件化、开源化和云化。

• 解耦：软硬件解耦，控制面/用户面分离。
• 软件化：NFV、SDN、编排和网络切片。
• 开源：软硬件开源，前传、API 接口开放。
• 云化：从 CAPEX 向 OPEX 模式转型，虚拟化& DevOps 环境，动态 & 自动化运维。