移动通信概述-架构篇_4g网络架构示意图

1、核心网演进概述

2G→2.5G/3G：增加分组交换

GPRS上增加了数据上网业务，开始有了分组交换（PS域，Package Switch，分组交换，包交换）、有了SGSN（GPRS服务支持节点）和GGSN（GPRS网关支持节点），3G的核心网则继承了2.5时代的CS域（电路域，Circuit Switched，电路交换）和PS域（数据域）：

3G→4G→5G：CUPS

CUPS让用户面功能(UPF)摆脱中心化，使其既可灵活部署于核心网(中心DC，DC=Data Center，数据中心)，也可部署于接入网(边缘DC)。 光纤传播速度为200km/ms，数据要在相距几百公里以上的终端和核心网之间来回传送，显然是无法满足5G网络亳秒级时延的需求。基于5G核心网C/U分离架构，控制面功能如SMF则在中心DC集中部署，便于统一控制部署在边缘侧或区域侧的UPF，统一配置和下发分流策略。UPF和内容下沉到刚络边缘部署，大大减少传输时延通过UPF的分流策略，实现本地流量在本地卸载，非本地流量则通过本地UPF发送到中心UPF处理，从而避免所有流量都迂回到中心网络，减轻骨干网传输压力和建网成本。

早在4G时代R14标准就定义了CUPS，也就是将SGW和PGW的控制平面和用户平面分离,但在5GC中，分离更彻底：

2、2G（GSM）网络架构

2G由模拟无线通信变为数字无线通信，后来的GPRS（2.5G）又增加了数据上网业务，在核心网架构上体现为有了分组交换（PS域）。

2G网络架构由MS（UE，User Equipment，用户设备）、基站子系统、网络子系统和外部网络EN（External Network）构成。

图GSM网络架构：

2.1、基站子系统BSS（2G接入网）

包括BTS（基站收发信机，即2G基站）和BSC（基站控制器，一个基站控制器通常控制几个BTS）。基站子系统由MSC控制，主要负责无线信号的收发和无线资源管理。

BTS：Base Transceiver Station，基站收发信机，硬件上包括多部收发信机、天线、连接MSC的接口电路等，功能上集基带和射频为一体，包含无线信号的收发、放大、调制解调、编解码和DSP数字信号处理等。以下是2G基站外观和2G基站组成结构：

2G基站外观

2G采用一体式基站架构，天线位于铁塔上，其余位于基站旁的机房内，天线通过馈线与机房连接。2G基站将基带处理、射频处理、供电单元等全都放在一个机柜里，看起来像个大冰箱，建设和扩容成本高，运维也麻烦。

2G基站组成结构

DXU：分配交换单元( Distribution Switch Unit)

1）提供BTS与BSC的信令接ロ和物理接ロ; 

2）信令的分配与压缩、解压；

3）数据库存储（存储硬件单元的物理位置、配置参数、产品版本及编号等）

4）时钟同步    

5）负责本地总线的控制、通过OMT提供基站上的操作与维护        

TRU：收发单元(Transmission Receiver Unit)，TRU处理8个时隙的所有功能。

1）无线接收（分集接收）与发射

2）电压驻波比VSWR的计算

3）功率放大

CDU：合成和分配单元( Combining and Distributing Unit)

1）发射信号的功率合成

2）分配接收信号到发信机

3）RF的滤波

4）天馈线的驻波检测与告警（超过预定门限即告警）

2.2、网络子系统NSS

MSC移动交换中心：系统核心，负责用户接入、交换、信道分配、计费等

HLR归属位置寄存器：用户数据及位置信息

VLR访问位置寄存器：本交换区的用户信息及MS的LAI

EIR设备识别寄存器：存储移动台设备参数

AUC鉴权中心：验证SIM卡的合法性

OMC操作维护中心：对系统的集中操作维护与管理

2.3、外部网络(公用通信网)

PSTN：公用交换电信网

ISDN：综合业务数字网

PDN：公用数据网

2.4、2G无线空中接口（Um接口）

工作频段：900/1800MHz

多址/双工方式：TDMA/FDMA/FDD制式

复用方式：4小区3扇区(4×3)

信道定义

物理信道：每个载频的8个物理信道记为信道 0～7(时隙0～7)，当采用半速率语音编码后，每个频道可容纳16个半速率信道

逻辑信道：业务信道(TCH)和控制信道(CCH)

3、GPRS（2.5G）

指通用分组无线业务，GSM最高数据传输速率仅9.6kbps且只能电路交换，GPRS在GSM基础上叠加分组数据业务的网络，以向3G平滑过渡。

新增以下节点：

GGSN(Gateway GPRS Supporting Node，GPRS网关支持节点)

SGSN(Serving GSN，GPRS服务支持节点)

PCU(Packet Control Unit，分组控制单元)， 位于BSC，用于将分组数据业务在BSC处从GSM语音业务中分离出来

4、3G（UMTS）网络架构

UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)，通用移动通信系统是3G技术的统称。3G架构由UE、接入网（RNS）、核心网CN和外部网络EN构成：
(图) WCDMA网络架构：

4.1、UE（用户设备）

UE主要由移动设备(Mobile Equipment，ME)和通用用户识别模块(Universal Subscriber Identity Module，USIM)两部分组成

UE是用户终端设备，它主要包括射频处理单元、基带处理单元、协议栈模块以及应用层软件模块等。UE通过Uu接口与网络设备进行数据交互，为用户提供电路域和分组域内的各种业务功能，包括普通话音、数据通信、移动多媒体、Internet应用（如E-mail、WWW浏览、FTP等）

4.2、3G接入网（UTRAN）

UTRAN是3G接入网，即UMTS Terrestrial Radio Access Network，UMTS陆地无线接入网。

3G接入网由一个或几个RNS(无线网络子系统)组成，每个RNS包括一个RNC和一个或多个NodeB(基站)；RNS负责所属各小区的资源管理。

RNC

Radio Network Controller，无线网络控制器，主要完成连接建立和断开、切换、宏分集合并、无线资源管理控制等功能。

NodeB(基站)

包括无线收发信机和基带处理部件，主要功能是扩频、调制、信道编码及解扩、解调信道解码，还包括基带信号和射频信号的相互转换等功能。

图NodeB组成结构：

4.3、3G核心网

核心网承担各种类型业务的提供以及定义，包括用户的描述信息、用户业务的定义及相应的一些其他过程。UMTS核心网负责内部所有的语音呼叫、数据连接和交换，以及与其他网络的连接和路由选择的实现。

3G核心网继承了GPRS核心网的结构，由电路交换域CS和分组交换域PS组成，其中MSC/VLR和GMSC属于电路域，GGSN和SGSN属于分组域，HLR为PS和CS共有：

MSC/VLR(Mobile Switching Center/Vistor Location Register)移动交换中心/访客位置寄存器：

MSC/VLR是WCDMA核心网CS域功能节点，它通过Iu_CS接口与UTRAN相连，通过PSTN/ISDN 接口与外部网络（PSTN、ISDN 等）相连，通过C/D 接口与HLR/AUC 相连，通过E接口与其它MSC/VLR、GMSC 或SMC 相连，通过CAP 接口与SCP 相连，通过Gs接口与SGSN 相连。

MSC/VLR的主要功能是提供CS域的呼叫控制、移动性管理、鉴权和加密等功能。

GMSC(Gateway Mobile Switching Center)网关移动交换中心：

GMSC是WCDMA移动网CS域与外部网络之间的网关节点，是可选功能节点，它通过PSTN/ISDN接口与外部网络（PSTN、ISDN、其它PLMN）相连，通过C接口与HLR 相连，通过CAP 接口与SCP相连。GMSC的主要功能是充当移动网和固定网之间的移动关口局，完成PSTN用户呼移动用户时呼入呼叫的路由功能，承担路由分析、网间接续、网间结算等重要功能。

SGSN(Serving GPRS Support Node)GPRS服务支持节点：

SGSN（服务GPRS 支持节点）是WCDMA核心网PS域功能节点，它通过Iu_PS 接口与UTRAN相连，通过Gn/Gp接口与GGSN 相连，通过Gr 接口与HLR/AUC 相连，通过Gs 接口与MSC/VLR，通过Ge 接口与SCP 相连，通过Gd 接口与SMS-GMSC/SMS-IWMSC相连，通过Ga 接口与CG 相连，通过Gn/Gp 接口与SGSN 相连。SGSN 的主要功能是提供PS域的路由转发、移动性管理、会话管理、鉴权和加密等功能。

GGSN (Gateway GPRS Support Node) 网关GPRS支持节点：

GGSN（网关GPRS 支持节点）是WCDMA 核心网PS域功能节点，通过Gn/Gp 接口与SGSN 相连，通过Gi 接口与外部数据网络（Internet /Intranet）相连。GGSN提供数据包在WCDMA移动网和外部数据网之间的路由和封装。GGSN 主要功能是同外部IP分组网络的接口功能，GGSN 需要提供UE 接入外部分组网络的关口功能，从外部网的观点来看，GGSN就好象是可寻址WCDMA移动网络中所有用户IP的路由器，需要同外部网络交换路由信息。

HLR(Home Location Register)：归属位置寄存器

HLR（归属位置寄存器）是WCDMA 核心网CS 域和PS 域共有的功能节点，它通过C接口与MSC/VLR 或GMSC 相连，通过Gr 接口与SGSN 相连，通过Gc 接口与GGSN 相连。HLR的主要功能是提供用户的签约信息存放、新业务支持、增强的鉴权等功能。

4.4、外部网络

External Networks，即外部网络，可以分为两类：

电路交换网络（CS Networks）：提供电路交换的连接服务，如通话服务。ISDN 和PSTN均属于电路交换网络。

分组交换网络（PS Networks）：提供数据包的连接服务，Internet 属于分组数据交换网络。

PLMN（Public Land Mobile Network）公共陆地移动网络。由政府或它所批准的经营者，为公众提供陆地移动通信业务目的而建立和经营的网络。该网路必须与公众交换电话网（PSTN）互连，形成整个地区或国家规模的通信网。PLMN = MCC + MNC，例如中国移动的PLMN为46000，中国联通的PLMN为46001

PSTN ( Public Switched Telephone Network )公共交换电话网络，一种常用旧式电话系统。即我们日常生活中常用的电话网。PSTN是一种以模拟技术为基础的电路交换网络（CS）。

ISDN（IntegratedService Digital Network）的中文名称是综合业务数字网，俗称“一线通”。它除了可以用来打电话，还可以提供诸如可视电话、数据通信、会议电视等

5、4G（LTE）网络架构

LTE（Long Term Evolution，长期演进）本指3G技术的演进升级，但LTE技术的发展远超预期，系统架构和传输技术均有较大革新，目前运营商已普遍将LTE各种版本通称为“4G”；严格意义的4G指IMT-Advanced、LTE-A（LTE-Advanced）。

4G网络架构由接入网E-UTRAN和核心网EPC（Evolved Packet Core）组成：

5.1、4G接入网（E-UTRAN）

E-UTRAN没有了RNC，原来由RNC承担的功能被分散到了eNodeB和MME/S-GW上，结构更加扁平化：

5.2、4G核心网（EPC）

1）实现了控制与承载的分离，MME负责移动性管理、信令处理等功能，S-GW负责媒体流处理及转发等功能。

2）核心网取消了CS（电路域），实现了全IP化，实现固网和移动融合（FMC），灵活支持VoIP及基于IMS多媒体业务。

3）接口连接方面，引入S1-Flex和X2接口，移动承载需实现多点到多点的连接，X2是相邻eNB间的分布式接口，主要用于用户移动性管理；S1-Flex是从eNB到EPC的动态接口，主要用于提高网络冗余性以及实现负载均衡。

6、5G接入网与基站演进

接入网（AN）即所谓的“最后一公里”，基站是接入网的重要组成。

（图） 2G、3G、4G接入网基本架构演进：

3G时，为节约网络建设成本，网络架构基本与2G一致，即同样采用3级网络架构；3G核心网同时包含CS域和PS域。

4G为降低端到端时延，采用了扁平化的网络架构，将原来的3级网络架构扁平化为2级：eNodeB-核心网。RNC的功能一部分分割在eNodeB中，一部分移至核心网中；4G核心网只包含PS域。

1、基站演进

1.1、3G:BBU和RRU分离

BBU（室内基带单元） Building Baseband Unit

RRU（射频拉远单元） Radio Remote Unit，拉远至接近天线

1）减少馈线损耗：将基带信号的生成、调制/解调、编解码等功能集成于BBU，并通过统一的接口用光纤将调制后的基带信号传输到RRU，避免了传统馈线远距离传输的高损耗。

2）易于改造：基带部分因为要引入自适应调制和编码、MIMO多天线等技术来支持不断攀升的数据速率需求而经常被改造，分离后只需改造BBU即可。

3）集中式部署：一个BBU可以为多个RRU提供基带资源池，减少基站机房数量，减少配套设备（特别是空调）的能耗。

（图） D-RAN和C-RAN：

1.2、5G基站重组

4G时代基站由BBU+RRU组成，5G时代考虑RAN虚拟化、云化和集中化趋势以及为了减少前传容量和时延，重构为三部分：

1）AAU：有源天线单元，Active Antenna Unit，RRU（有源射频）+无源天线+BBU的部分物理层功能

2）DU，分布式单元，由BBU中部分物理层和实时服务的功能所分割而成，由于对时延要求极高，DU需与AAU就近部署（1ms以内）。一个DU可连接多个AAU。

3）CU，中央单元，BBU中非实时的功能分割而出，CU可采用云化部署方式，支持核心网UPF下沉与边缘计算融合部署；一个CU可管理一个或多个DU。

带来的好处：

1）减少前传带宽和时延：5G基站前传（AAU和DU之间）带宽高达数百G至Tbps，传统BBU与RRU间的CPRI光线接口压力太大，需将部分功能分离，以减少前传带宽。

2）便于灵活部署以及RAN的虚拟化、云化和集中化：5G基站应具备灵活的扩展功能，如低时延应用需更加靠近用户；CU和DU之间存在多种功能分割方案以适配不同的通信场景和不同的通信需求。

3）AAU集成以满足Massive MIMO对天线数目的需求

2、5G接入网协议栈与前传、中传、回传

1）RRC，无线资源控制层，负责连接配置、策略相关的信令或控制面，不负责在用户面上处理数据包。

2）PDCP，分组数据汇聚协议层，负责对数据包压缩和解压缩IP报头，加密和完整性保护等。在NSA组网的双连接模式下，PDCP层还负责4G基站和5G基站之间的数据分流和聚合。同时，在5G专网部署中，为了数据不出园区以保护本地数据的安全，PDCP层还是实现公网数据流与专网数据流隔离转发，实现本地数据流卸载的关键节点。

3）RLC，无线链路控制层，负责对数据包进行分段/重组、ARQ纠错、重复包检测等。

4）MAC，媒体访问控制层，负责实时资源调度决策、复用/解复用、缓冲等功能。MAC层也负责载波聚合调度。由于需实时调度无线资源，MAC层对时延要求极高。

5）PHY，物理层，负责编码、调制、FEC等。

数据经过以上层层处理后传送到射频单元转换为模拟高频信号，再通过无线载波传送到手机。

相比于4G时代RRC、 PDCP、 RLC、MAC和 PHY各层功能集于BBU，5G的CU主要包括RRC、SDAP和PDCP协议层，主要负责非实时的RRC、PDCP协议栈功能。DU主要包括RLC、MAC和PHY层的节点，主要负责处理实时性需求的MAC层功能和部分物理层功能。

4G无线接入网的前传和回传也随之拆分为三部分：AAU和 DU之间是前传，DU和CU之间是中传，CU到核心网是回传。

3、AAU、DU、CU的部署方式

7、5G核心网与核心网演进

1、网络整体架构

无线接入网RAN+核心网5GC：
（接入网直接连接的是5GC的AMF/UPF）

（图） 5G网络整体架构：

2、NFV与5G网络功能(NF)

5G采用NFV/SDN以支持数据连接和业务灵活部署：

功能设计模块化, 比如采用灵活高效的网络切片

用户面功能和控制面功能分离

2.1、5G定义的网络功能（NF）：

AUSF：鉴权服务功能Authentication Server Function

UDM：统一数据管理功能Unified Data Management (UDM)

AMF：接入及移动性管理功能Access and Mobility Management Function

SMF：进程管理功能Session Management Function (SMF)

PCF：策略控制功能Policy Control function (PCF)

UPF：用户面功能User plane Function (UPF)

（图） EPC与5GC网元比较：

新增的：

NSSF：网络切片选择功能Network SliceSelection Function (NSSF)

NEF：网络开放功能Network Exposure Function (NEF)

NRF：网络数据存储功能NF Repository Function (NRF)

UDR：统一数据存储库功能Unified Data Repository (UDR)

AF：应用层功能Application Function (AF)

UDFS：非结构性数据存储功能Unstructured Data Storage Function

2.2、控制面与用户面分离(CUPS)

CUPS让用户面功能(UPF)摆脱中心化，使其既可灵活部署于核心网(中心DC)，也可部署于接入网(边缘DC)。 光纤传播速度为200km/ms，数据要在相距几百公里以上的终端和核心网之间来回传送，显然是无法满足5G网络亳秒级时延的需求。基于5G核心网C/U分离架构，控制面功能如SMF则在中心DC集中部署，便于统一控制部署在边缘侧或区域侧的UPF，统一配置和下发分流策略。UPF和内容下沉到刚络边缘部署，大大减少传输时延通过UPF的分流策略，实现本地流量在本地卸载，非本地流量则通过本地UPF发送到中心UPF处理，从而避免所有流量都迂回到中心网络，减轻骨干网传输压力和建网成本。

早在4G时代R14标准就定义了CUPS，也就是将SGW和PGW的控制平面和用户平面分离,但在5GC中，分离更彻底：

（图） 核心网演进：控制面和用户面分离：

（图） 5G核心网控制面：

3、接口定义

5G的接口提供了基于参考点（reference point）和SBI基于服务（service-based）两种，基于参考点的接口是传统的点对点网络体系结构，SBI将参考点接口替换为连接所有NF的公共总线，这一更改使得除了N2和N4等少数接口外，几乎每个接口现在都定义为使用统一接口，使用HTTP / 2协议。

3.1、基于参考点的接口

UE：用户终端设备User Equipment (UE)

RAN：接入网络(Radio) Access Network (RAN)

DN：数据网络Data Network (DN), 比如运营商业务，互联网接入或者第三方业务等

EIR：5G设备标识注册设备5G-Equipment Identity Register (5G-EIR)

N1：UE和AMF之间的参考点

N2：RAN和AMF之间的参考点

N3：RAN和UPF之间的参考点

N4：SMF和UPF之间的参考点

N6：UPF和数据网之间的参考点

N9：两UPF之间的参考点

N5：PCF和AF之间的参考点

N7：SMF和PCF之间的参考点

N8：UDM和AMF之间的参考点

N10：UDM和SMF之间的参考点

N11：AMF和SMF之间的参考点

N12：AMF和AUSF之间的参考点

N13：UDM和AUSF之间的参考点

N14：两AMF之间的参考点

N15：非漫游场景下PCF和AMF之间的参考点,或者漫游场景下拜访地的PCF和AMF之间的参考点

N16：两个SMF之间的参考点(漫游场景下拜访地SMF和归属地SMF之间)

N17：AMF和5G-EIR之间的参考点

N18：任意NF和UDSF之间的参考点

N22：AMF和NSSF之间的参考点

N24：拜访地PCF和归属地PCF之间的参考点

N27：拜访地NRF和归属地NRF之间的参考点

同时接入两个数据网络(场景：一个UPF连接本地MEC、另一个出公网)：

3.2、SBI：基于服务（service-based）的接口

Namf：AMF提供的服务化接口

Nsmf：SMF提供的服务化接口

Nnef：NEF提供的服务化接口

Npcf：PCF提供的服务化接口

Nudm：UDM提供的服务化接口

Naf：AF提供的服务化接口

Nnrf：NRF提供的服务化接口

Nnssf：NSSF提供的服务化接口

Nausf：AUSF提供的服务化接口

Nudr：UDR提供的服务化接口

Nudsf：UDSF提供的服务化接口

N5g-eir：5G-EIR提供的服务化接口

4、再谈架构：SBA，基于服务的架构

5GC控制面引入了基于服务的架构（SBA）。在SBA中，每个NF并非一对一（点对点）连接，而是所有NF共享一条通信通道，每个NF都可以与任何NF通信。在过去的EPC中，每一个节点单独定义“参考点”，每个节点之间采用单独的协议进行通信，这显然太复杂，不灵活。5GC认为不能再这么干了，于是将每个NF定义为“服务”，任何一个NF都采用相同的协议（HTTP/2），这样一来NF之间的连接就更弹性了，也大大增强了灵活扩展性。

5、5G独立/非独立组网方式

NSA：option3；NSA标准（R15 phase1.1）较早冻结，能较早部署；NSA不支持切片；

SA：option2

转自：移动通信概述-架构篇_2g网络架构_拟古的新打油诗的博客-CSDN博客