[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，把数据接收上来。
承载网是 “卡车”，负责把数据传送到远方。
核心网就是 “管理和控制中枢”，负责管理和控制这些数据，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），本质就是对数据的控制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，主要满足人们有线通话的需求。

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），还增加了对数据的控制，即信令控制。

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，从有线的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

1G 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

相对于后续的无线通信技术，1G技术的核心是: “模拟通信”，即语言业务的模拟信号直接承载在高频载波上进行传送。

3.2 2G GSM网络架构

到了2G时代，无线通信技术发生了一个极其重要的变化，就是模拟无线通信转变成了“数字无线通信”，语音业务会编码成数字信号，然后把数字信号承载在无线射频载波上进行传送。

后来出现了GRPS，又称为2.5G, GPRS在基础2G只能打电话和发短信的基础之上，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。

3G的核心网继承了2.5时代的CS域（电路域）和PS域（数据域）

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 演变成了MME（Mobility Management Entity，移动管理实体），GGSN 演变成 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。