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通信網絡

• 電信網（即電話交換網絡）由終端、傳輸和交換三大部分組成；
• 因特網（即計算機互聯網）由終端、傳輸、交換以及多個計算機網絡等幾部分組成。

隨著通信行業的快速發展，傳統的電信網、計算機互聯網與有線電視網的融合（三網融合）已經成為網絡發展的趨勢。三者融合發展，互聯互通，為客戶同時提供語音、數據和廣播電視等多重服務。這里我們將其統一稱之為通信網絡。相對的，通信網絡又分為固話通信網絡和移動通信網絡兩大類。

其中，移動通信網絡由三大部分組成：接入網、承載網、核心網。

• 接入網是 “窗口”，負責把數據收上來；
• 承載網是 “卡車”，負責把數據送來送去；
• 核心網就是 “管理中樞”，負責管理這些數據，對數據進行分揀，然后告訴它，該去何方。

核心網演進之路

核心網（Core Network，簡稱 CN）或被成為骨干網（Backbone），本質就是對數據的處理和分發，即 “路由交換”。

早古時期

最早的時候，固定電話網的核心網，說白了就是把電線兩頭的電話連接起來，這種交換，非常簡單，主要滿足人們無線移動通話的需求。

后來，用戶數量越來越多，網絡范圍越來越大，開始有了分層。

網絡架構也復雜了，有了網絡單元（Net Element，簡稱 NE，網元），是具有某種功能的網絡單元實體。

同時，我們要識別和管理用戶了，不是任何一個用戶都允許用這個通信網絡，只有被授權的合法用戶，才能使用。于是，多了一堆和用戶有關的網元設備。它們的核心任務只有三個：認證、授權和記賬，簡稱 3A。

再后來，有了無線通信，連接用戶的方式變了，從電話線變成無線電波，無線接入網（RAN，Radio Access Network）誕生。接入網變了，核心網也要跟著變，于是有了無線核心網。再再后來，有了 2G、3G、4G。每一代通信標準，每一項具體制式，都有屬于自己的網絡架構，自己的硬件平臺，自己的網元，自己的設備。

2G 網絡架構

第二代蜂窩移動通信系統出現在數字蜂窩技術的發展與成熟之后，為了進一步提高通話的質量，推出了數字化語音業務的第二代蜂窩移動通信系統。 2G 的核心網設備如下，名字就叫 MSC（Mobile Switching Center，移動交換中心）。

2G 的網絡架構如下，組網非常簡單，MSC 就是核心網的最主要設備。HLR、EIR 和用戶身份有關，用于鑒權。

后來，到了 2.5G，在 2G 和 3G 之間，就是 GPRS。

在之前 2G 只能打電話發短信的基礎上，有了 GPRS，就開始有了數據（上網）業務。于是，核心網的網絡架構有了大變化，開始有了 PS（Packet Switch，分組交換，包交換）核心網。如下圖紅色部分，包含 SGSN（Serving GPRS Support Node，服務 GPRS 支持節點）和 GGSN（Gateway GPRS Support Node，網關 GPRS 支持節點）。SGSN 和 GGSN 都是為了實現 GPRS 數據業務。

從 2000 年 GPRS 首商用到 2020 年 5G 到來，不禁為移動通信迅猛發展之勢而感慨。數據速率從 2G GPRS 65Kbit/s 到 LTE-A 1Gbit/s，再到 5G 時代 10-20Gbit/s，增長速度令人吃驚。

3G 網絡架構

20 世紀末，IP 和互聯網技術的快速發展改變了人們的通信方式，傳統的語音通信的吸引力下降，人們期望無線移動網絡也能夠提供互聯網業務，于是出現了能夠提供數據業務的第三代移動通信系統。

2.5G 到了 3G，網絡結構變成了下圖模樣。而 3G 基站，由 RNC 和 BSC 組成。

到了 3G 階段，設備商的硬件平臺進行徹底變革升級。3G 的核心網設備如下：

3G 除了硬件變化和網元變化之外，還有兩個很重要的思路變化。其中之一，就是 IP 化。以前是 TDM 電路，就是 E1 線，中繼電路。粗重的 E1 線纜 IP 化，就是 TCP/IP，以太網。網線、光纖開始大量投入使用，設備的外部接口和內部通訊，都開始圍繞 IP 地址和端口號進行。

第二個思路變化，就是分離。具體來說，就是網元設備的功能開始細化，不再是一個設備集成多個功能，而是拆分開，各司其事。在 3G 階段，是分離的第一步，叫做承載和控制分離。在通信系統里面，說白了，就兩個（平）面，用戶面和控制面。如果不能理解兩個面，就無法理解通信系統。

• 用戶面，就是用戶的實際業務數據，就是你的語音數據，視頻流數據之類的。
• 控制面，是為了管理數據走向的信令、命令。

這兩個面，在通信設備內部，就相當于兩個不同的系統，2G 時代，用戶面和控制面沒有明顯分開。3G 時代，把兩個面進行了分離。

從 R7 開始，通過 Direct Tunnel 技術將控制面和用戶面分離，在 3G RNC 和 GGSN 之間建立了直連用戶面隧道，用戶面數據流量直接繞過 SGSN 在 RNC 和 GGSN 之間傳輸。到了 R8，出現了 MME 這樣的純信令節點。

4G 網絡架構

第四代移動通信系統提供了 3G 不能滿足的無線網絡寬帶化。4G 網絡是全 IP 化網絡，主要提供數據業務，其數據傳輸的上行速率可達 20Mbit/s，下行速率高達 100Mbit/s，基本能夠滿足各種移動通信業務的需求。

4G 網絡架構中，SGSN 變成 MME（Mobility Management Entity，移動管理實體），GGSN 變成 SGW/PGW（Serving Gateway，服務網關；PDN Gateway，PDN 網關），也就演進成了 4G 核心網，如下圖。

MME（移動性管理實體）的主要功能是支持 NAS（非接入層）信令及其安全、跟蹤區域（TA）列表的管理、PGW 和 SGW 的選擇、跨 MME 切換時進行 MME 的選擇、在向 2G/3G 接入系統切換過程中進行 SGSN 的選擇、用戶的鑒權、漫游控制以及承載管理、3GPP 不同接入網絡的核心網絡節點之間的移動性管理（終結于 S3 節點），以及 UE 在 ECM_IDLE 狀態下可達性管理（包括尋呼重發的控制和執行）。

4G LTE 網絡架構（注意，基站里面的 RNC 沒有了，為了實現扁平化，功能一部分給了核心網，另一部分給了 eNodeB）。2009 年，在部署 LTE/EPC（4G 核心網）的時候，有人認為核心網演進之路已經走到盡頭，繼續突破創新實在太難，畢竟要掌控每小區峰值速率 150Mbps 的網絡王國，實在是一件不容易的事。然而，隨著 VoLTE 和 VoWiFi 的出現，LTE/EPC 又引入了 S2a、S2b 和 S2c 接口，這些接口將核心網的控制范圍延伸到了非 3GPP 網絡，即可信 Non-3GPP 接入（Non-3GPP Trusted Access）和非可信 Non-3GPP 接入（Non-3GPP untrusted Access）連接到 3GPP 網關 PGW。自此，核心網的構架如下圖所示，圖中綠色實線表示用戶面 & 控制面接口。

演進到 4G 核心網之前，硬件平臺也提前升級了。以中興為例，開始啟用 ATCA/ETCA 平臺（后來 MME 就用了它），還有 xGW T8000 平臺（后面 PGW 和 SGW 用了它，PGW/SGW 物理上是一體的）。

• ATCA（Advanced Telecom Computing Architecture，先進電信計算架構）機框
• ETCA（Enhanced ATCA，增強型 ATCA）
• xGW T8000 硬件平臺其實就是一個大路由器

ATCA 里面的業務處理單板，本身就是一臺單板造型的 “小型化電腦”，有處理器、內存、硬盤，我們俗稱 “刀片”。

既然都走到這一步，原來的專用硬件，越做越像 IT 機房里面的 x86 通用服務器，那么，不如干脆直接用 x86 服務器吧。

長久以來，網絡越來越龐大，越來越復雜，而那些專用的電信設備不但擴展不靈活，而且習慣了自掃門前雪，整體效率太低，如同公司的體制，這是一個龐大而臃腫的機構，仿佛背著世界前行。所以電信運營商要打破傳統，用 IT 的方式來重構網絡。而虛擬化打通了開源平臺，讓更多的第三方和合作伙伴參與進來，從而在已運行多年的成熟的電信網絡上激發更多的創新和價值。這正是 NGMN 的愿景：生態、客戶和商業模式。于是，網元功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）的時代到來了。

軟件上，設備商基于 OpenStack 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。網元功能軟件與硬件實體資源分離

設備商先在虛擬化平臺部署 4G 核心網，也就是，在為后面 5G 做準備，提前實驗。硬件平臺，永遠都會提前準備。

5G 網絡架構

5G 網絡的需求

國際電信聯盟（ITU，International Telecommunication Union）針對每一個新世代的網絡，都會制定出需求及應用場景，而各大電信標準組織，再依照 ITU 所提出的需求，訂定標準并向 ITU 提交標準，供 ITU 審訂。5G 提交的標準為 IMT-2020（https://www.itu.int/en/ITU-R/study-groups/rsg5/rwp5d/imt-2020/Pages/default.aspx）。

ITU 在 IMT-2020 中訂定了 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. 更好的使用者傳輸速率體驗（User Experienced Data Rate）：100 Mb/s 以上
2. 更高的峰值傳輸速率（Peak Data Rate）：20Gb/s
3. 單位面積在單位時間內更高的傳輸數據量（Traffic Capacity）：10~100Mb/s/m2
4. 更高的頻譜使用率（Spectrum Effiency）：3 倍以上
5. 更快的移動速度（Mobility）：500km/h
6. 更低的延遲（Latency）：1ms 以下
7. 更高密度的裝置聯機（Connection Dencity）：100 萬 devices/km2
8. 更低的耗能（Network Energy Efficiency）：電力消耗為 1/100 以下

這八個 KPI 主要是要滿足三大場景的應用：

1. eMBB（Enhanced Mobile Broadband，增強型移動寬帶）：指的是更快速的傳輸速率以及更好的使用者上網體驗，即解決人與人之間通信，人們上網的問題。
2. mMTC（Ultra-reliable and Low Latency Communications，海量物聯網通信）： 指的是更大量、更密集的機器通信（每平方公里 100 萬個以上的裝置進行聯機），即解決物聯網的問題。
3. uRLLC（Massive Machine Type Communications，低時延、高可靠通信）：指的是更低的延遲，像是無人駕駛、工業自動化和遠端醫療手術等應用。

要實現這樣的愿景，5G 網絡需要面臨的技術挑戰主要是：高速率、端到端時延、高可靠性、大規模連接、用戶體驗和效率。

5G 網絡架構的設計原則

為了應對這這樣的技術挑戰，5G 網絡設計原則為：

• 從集中化向分布式發展
• 從專用系統向虛擬系統發展
• 從閉源向開源發展

如果用四個詞來概括 5G 網絡的設計原則，它們是：解耦、軟件化、開源化和云化。

• 解耦：軟硬件解耦，控制面/用戶面分離。
• 軟件化：NFV、SDN、編排和網絡切片。
• 開源：軟硬件開源，前傳、API 接口開放。
• 云化：從 CAPEX 向 OPEX 模式轉型，虛擬化& DevOps 環境，動態 & 自動化運維。