移动通信网络架构 1G-5G

Posted 2023-03-30 Y.F,Ge

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了移动通信网络架构 1G-5G相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

介绍

自20世纪80年代初第一代移动网络(1G)问世以来，移动无线通信在过去几十年里取得了许多进展。移动通信标准的这种演变是全球对更多用户和连接日益增长的需求的直接结果.

在本文中，我们将研究支撑这些移动技术的基础设施和组件——从1G一直到即将到来的5G。在本文末尾，我们的目标是使图表(如下面的图表)变得更容易理解!

cs vs ps

在我们开始学习移动无线基础设施之前，有两个重要的术语需要理解——CS(电路交换)和PS(分组交换)。

为了定义和解释它们之间的区别，以下摘自bpastudio.csudh.edu的摘录完美地描述了它们，

TCP/IP网络以包和包的形式在主机之间路由数据，来自多个主机的包分散在一条链路上，这称为包交换

. …

分组交换可以与电路交换相比较，在电路交换中，一个电路在其持续时间内专门用于一个会话。电话网络是电路交换的一个常见例子。从呼叫开始到结束的两点之间建立一个专用的物理电路。

分组交换的效率更高，因为链路的成本由许多用户共同分担。当你拨打电路交换电话时，无论你是在通话、沉默还是保持通话，线路都会在通话期间占线。

电路交换的优点是性能可预测和可保证。来自另一个应用程序的大量数据包不会暂时降低性能。服务质量(QOS)是可预测的。在像电子邮件或文件传输这样的异步通信中，这种波动可能不是很重要，但对于像VOIP这样的应用程序，它们可能会导致可感知的延迟、丢失或乱码。

在交互式应用程序中，当用户等待服务器. …的回复时，延迟也很麻烦.电路交换传统上用于电话通信，而分组交换则是其发展趋势

1G

1G是20世纪80年代推出的第一代无线移动通信。

1G是基于模拟信号通过电路交换技术，只提供语音通信(即没有数据)

2G

GSM

第二代移动蜂窝网络根据==GSM(全球移动通信系统)==标准于1991年推出

2G(与1G相比)的关键区别在于它使用数字传输而不是模拟传输。这款最初的2G版本主要用于语音服务，但数据传输速度较慢的短信。此外，由于频谱效率更高，2G可使电话通话的数字加密和更大的无线普及率。

GSM基础设施从移动站(MS)开始，每个移动站都包含一个用户身份模块(SIM)。通过射频天线，它连接到基站(BTS)。

BTS包含处理ms无线电链路协议的无线电收发器。接下来，我们有BSC(基站控制器Base Station Controller)。这将管理一个或多个bts的无线电资源。它处理无线电频道设置、频率跳跃和切换。BSC是移动设备和MSC (mobile Switching Center)之间的连接设备. BTS和BSC共同构成BSS(基站子系统)。

网络交换系统(Network switching system, NSS)是移动通信系统(MSC)的主要组成部分，它实现移动用户与其他固定或移动网络用户之间的呼叫交换，以及认证等移动业务的管理. NSS包含以下内容:

移动交换中心(MSC) -处理呼叫路由，呼叫设置和基本交换。MSC处理多个BSCs，并与其他MSC协调。
网关移动交换中心(GMSC)—路由用户进出移动网络的呼叫。
归属位置寄存器(HLR)——用于存储和管理订阅的数据库。例如用户服务配置文件、位置和活动状态
访问者位置寄存器(VLR) -当一个新的MS进入它的区域时通过HLR更新的临时数据库。
设备标识寄存器(EIR) -一个包含网络上所有有效设备列表的数据库。然后将设备标记为允许、拒绝或限制。
认证中心(AUC) -提供一个受保护的数据库，存储在每个用户的SIM卡上的密钥副本

GPRS

通用分组无线电系统(GPRS General Packet Radio System)是由GSM网络提供的一种基于分组的数据服务，提供56-114kbps的数据速率。这种2G和GPRS的组合通常被描述为2.5G，[7]，并允许WAP、彩信和互联网通信服务(如电子邮件和万维网访问)等数据服务。

GPRS需要对核心网络和无线接入网(RAN radio access network)进行一些修改。首先，在RAN内部，为了允许BSC将数据流量导向GPRS网络，BSC上需要一个额外的硬件模块，称为PCU(包控制单元)(packet control unit)。此外，BTS还需要进行软件升级。

至于核心网络，需要额外的组件，也就是GSN (GPRS支持节点)。

SGSN(服务GPRS支持节点)—负责GPRS手机的认证、手机在网络中的注册、移动性管理、收集空中接口收费信息
GGSN(网关GPRS支持节点)-作为到外部网络的接口和路由器。包含GPRS手机的路由信息，用于将报文通过内部IP网络隧道到相应的SGSN。还收集收费数据，并能够为入口流量提供包过滤。

EDGE

增强的数据速率的GSM进化(EDGE)，也被称为2.75G，是GPRS的进化，并提供更快的数据速率高达384kbps。这些速度的提高是通过新的调制和协议增强现有的GSM/GPRS网络实现的。事实上，不需要改变现有的核心网络基础设施来支持EDGE、[9]，而只需要一个BSS的“附加组件”来启用EDGE服务。

3G

3G是基于GSM标准于2001年推出的第三代移动通信技术。被3GPP标准化为通用移动通信系统 Universal Mobile Telecommunications System (UMTS)， 3G提供了比前几代更快的下载速度，最高可达3.1Mbps。这使得视频通话和无缝视频流成为可能。

3G构建在现有的2G基础设施之上，许多后端组件都是共享的。2G和3G之间的关键区别在于RAN(无线接入网)，也被称为UTRAN (UMTS地面无线接入网)。在这里，无线塔BTS被NodeB取代，NodeB与RNC(无线网络控制器)Radio Network Controller一起支持更高的数据速率。另一个小的区别是，移动站(MS)被称为UE(用户设备)。

HSPA (High-Speed Packet Access)

HSPA (3.75G)基于两种协议——HSDPA和HSUPA。这些协议通过WCDMA协议扩展和改进了现有3G通信的性能。

高速下行分组接入(HSDPA) - 3GPP发布第5版标准的一部分，它允许基于UMTS的网络拥有更高的数据速度，最高可达14.4Mbps。这也被称为3.5G。
高速上行分组访问(HSUPA)——3GPP第6版标准的一部分。HSUPA是UMTS的第二次演进。允许更高的数据传输速度和高达5.8Mbps的容量

HSPA+ (Evolved High-Speed Packet Access)

HSPA的进一步进化(3GPP第7次发布)见证了HSPA+ -也就是3.9G的发布。这允许高达28Mbps(下载)和11Mbps(上传)的数据速率

这两个HSPA/HSPA+利用相同的网络基础设施组件，如：标准3G，如RNC的，SGSN的和GGSN的

4G

从2010年开始，第四代完全基于IP网络系统。4G的目标是提供高速、提高安全性，以及通过IP提供较低成本的语音和数据服务。

4G提供两种技术类型，LTE和WiMAX，这两种技术都有相同的目标。然而，目前使用的主要技术是LTE，在本节的范围内，我们将介绍它。在数据传输速度方面，LTE提供100mbit /s的高移动性通信和1gbit /s的低移动性通信。

有了4G，基础设施发生了一些变化，包括RAN和核心。首先，让我们看看4G RAN。传统上，NodeB的功能最小，由无线电网络控制器(RNC)控制。但是，对于eNodeB，没有单独的控制器元素。这简化了架构并允许更短的响应时间。

EPC

由于2G和3G网络架构通过两个独立的子域处理和交换语音和数据:用于语音的电路交换(CS)和用于数据的包交换(PS)。4G引入了进化包核心 Evolved Packet Core(EPC)。EPC在Internet Protocol (IP)服务架构上统一语音和数据，语音被视为另一个IP应用程序。[11]

EPC的关键组成部分是:

家庭用户服务器(HSS) -一个包含所有网络运营商用户信息的中央数据库。
MME (Mobility Management Entity)—管理会话状态，通过网络对用户进行身份验证和跟踪
服务网关SGW (service Gateway)—服务网关SGW (service Gateway)作为一台路由器，负责在基站和PDN网关之间转发数据此外，SGW还将连接到其他SGSN和RNC，用于上一代的基础设施。
PGW (Packet Data Node Gateway)—作为LTE网络与其他分组数据网络之间的接口，提供QoS (quality of service)管理和**DPI (deep Packet inspection)**功能
PCRF (Policy and Charging Rules)功能—支持业务数据流检测、策略执行和基于流的计费

VoLTE/IMS

LTE语音(VoLTE)是一种提供服务(语音/短信)的标准，目前通过电路交换(2G/3G)在LTE的分组交换网络上提供，利用核心网络IP多媒体子系统(IMS)。

IP多媒体子系统(IMS)是3GPP定义的一个参考体系结构，用于交付构建在互联网协议(IP)上的通信服务。同时提供了一个从经典电路交换(CS)向分组交换(PS)电话技术发展的框架.

IMS核心包含许多组件，这些组件远远超出了本文的范围。但是，参考下图6,EPC与IMS之间的关键组件和连接点如下:

呼叫会话控制功能(CSCF)——CSCF负责建立、监控、支持和发布多媒体会话
媒体网关控制功能(MGCF)——控制媒体网关，必要时转换编解码器，并可作为电路交换网络的断网。

5G

5G是最新一代移动通信**。它继承了之前的2G、3G、4G系统，提供高性能(20Gbps)、降低延迟和更大的用户密度。5G的关键应用案例/应用将是物联网、VR、自动驾驶汽车和移动宽带。5G采用了多项技术:

毫米波是一种波长很小的波，大约在10毫米到1毫米之间。这是一个非常有效的频谱带，带宽很大，但它也对外部变量非常敏感，无论是墙、树，甚至只是雨。
小型基站是一种便携式的小型基站，需要最少的电力，安装在城市各处，以防止信号丢失Massive MIMO指的是使用两个或多个发射器和接收器同时发送和接收更多数据的无线系统。
Massive MIMO将这一概念提升到一个新的水平，在一个阵列上具有几十个天线
波束形成是一种用于蜂窝基站的交通信号系统，它能确定向特定用户发送数据的最有效路径

** Release-15中5G规格的第一阶段将于2019年4月完成，以适应早期的商业部署。Release-16的第二阶段将于2020年4月完成

Architecture

Control and User Plane Separation (CUPS)

CUPS(控制和用户平面分离)是5G基础设施中的一个重要演进。顾名思义，它将4G EPC中看到的控制和用户面元素解耦为单独的组件。例如，将PGW和SGW组件分解为其用户和控制平面元素，即PGW- c和PGW- u。可以在下面的图表中看到一个可视化的表示。

这提供了许多好处，主要是在用户面或控制面组件的独立伸缩和资源分配方面的灵活性。

Service-Based Architecture (SBA)

5G核心网络将以“基于服务的架构(Service-Based Architecture, SBA)”为基础，以可以自行注册和订阅其他服务的服务为中心。所有这些都通过一个单一的SBI(基于服务的接口)消息总线进行，每个网元通过它的SBI连接到这个消息总线。

NG-RAN

接下来，RAN现在被称为下一代RAN (NG-RAN)或新电台(NR)。在NG-RAN中我们有gNodeB，也就是收发器。由于对小电池的需求，比前几代(2G, 3G, 4G)放置了更多的小型收发器(gNodeB’s)。

5GCN

在现在被命名为5G核心网络(5GCN)的核心网络中，有一些区别。两者都与体系结构有关(如前所述;CUPS/SOA)及其组件。

下面列出了各个组成部分:

UPF(用户平面功能)-类似于4G LTE系统中服务/分组网关所扮演的角色。UPF支持方便用户平面操作的特性和能力

AMF (Access and Mobility Function)实现了MME在4G网络中的大部分功能

SMF(会话管理功能)负责与用户数据流量相关的信令(会话建立等)。

AUSF (Authentication Server Function)用于5G安全处理。

NSSF (Network Slice Selection Function)可以被AMF用来帮助选择将服务于特定设备的Network Slice实例

NEF (Network Exposure Function)提供了网络功能功能的外部公开。如监控能力、发放能力、流量路由的应用影响、策略/计费能力等。

NRF (Network Repository Function)提供了对网络存储库服务管理的支持，包括注册、注销、授权和发现。

UDM(统一数据管理)存储长期安全凭据和订阅信息。

PCF (Policy Control Function)提供策略规则，实现控制平面功能。

应用功能(Application Function)与核心网交互，提供应用影响流量路由等服务

https://www.tutorialspoint.com/gsm
https://www.tutorialspoint.com/gprs
https://www.tutorialspoint.com/umts
https://www.tutorialspoint.com/lte
https://www.tutorialspoint.com/5g

[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

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。