[4G&5G专题-83]：架构 - 移动通信网2G/3G/4G/5G/6G网络架构的演进历程

目录

第1章 移动通信网的基本架构

第2章 核心网的演进与无线接入网的出现

2.1 早期核心网的星型模型

2.2 分层核心网的出现

2.3 终端账户管理的增值功能

2.4 无线接入网的出现

第3章 独立的无线接入网

3.1 1G大哥大网络架构

3.2 2G GSM网络架构

3.3 3G WCDMA网络架构

3.4 4G LTE网络架构

3.5 5G NR网络架构

3.6 6G星链网络架构

第4章 总体演进路径

4.1 业务的演进

4.2 无线频谱的演进

4.3 通信速率的演进

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第1章 移动通信网的基本架构

在当前公共网络中，有三大最广泛的传统的网络：

• 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。
• 有线电视网（有线电视）：由电视机、传输、计算机等几部分组成。

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，并逐渐转为现实。

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。

通信网络又分为:

• 固话通信网络
• 移动通信网络两大类。

 

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”，负责通过无线信号的方式，把数据局数据接收收上来。
• 承载网是 “卡车”，负责把数据传送到远方。
• 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。

 

第2章 核心网的演进与无线接入网的出现

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以及对终端账户进行管理与运营。

2.1 早期核心网的星型模型

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。

2.2 分层核心网的出现

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。

 

2.3 终端账户管理的增值功能

除了业务数据的路由转发（数据面），还增加了管理面的控制，对终端的账户进行管理。

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。

 

2.4 无线接入网的出现

再后来，有了无线接入方式，连接用户的方式变了，从电话线变成无线电波，独立的无线接入网（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。

再后来，无线接入网不断演进，1G、2G、3G、4G，一直到现在的5G和未来的6G,  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。

 

第3章 独立的无线接入网

3.1 1G大哥大网络架构

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

3.2 2G GSM网络架构

到了2G, 出现了GRPS。

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。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。如下图红色部分。

 

3.3 3G WCDMA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。

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：

（1）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。

（2）控制面与数据面的分离

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，叫做业务数据承载和信令控制分离。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。

 

（3）分离后的网络架构

SGSN逐渐分离出来，专门处理信令。

 

3.4 4G LTE网络架构

（1）经典LTE无线通信网络

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）。

（2）Non-3GPP 接入

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.

 

（3）大一统核心网

 

（4）虚拟化

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。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。

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。

虚拟化路径：

 

3.5 5G NR网络架构

 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。

3.6 6G星链网络架构

6G网络的目标是天地互联、陆海空一体、全空间覆盖的超宽带移动通信系统。

第4章 总体演进路径

4.1 业务的演进

 

4.2 无线频谱的演进

 

4.3 通信速率的演进