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  • 简述移动通信网络的演进之路

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    通信网络

    • 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。

    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。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。相对的,通信网络又分为固话通信网络和移动通信网络两大类。

    其中,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”,负责把数据收上来;
    • 承载网是 “卡车”,负责把数据送来送去;
    • 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。

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    核心网演进之路

    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,即 “路由交换”。

    早古时期

    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。

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    后来,用户数量越来越多,网络范围越来越大,开始有了分层。

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    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。

    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。
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    再后来,有了无线通信,连接用户的方式变了,从电话线变成无线电波,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。再再后来,有了 2G、3G、4G。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。

    2G 网络架构

    第二代蜂窝移动通信系统出现在数字蜂窝技术的发展与成熟之后,为了进一步提高通话的质量,推出了数字化语音业务的第二代蜂窝移动通信系统。 2G 的核心网设备如下,名字就叫 MSC(Mobile Switching Center,移动交换中心)。
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    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。
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    后来,到了 2.5G,在 2G 和 3G 之间,就是 GPRS。
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    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。如下图红色部分,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。

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    从 2000 年 GPRS 首商用到 2020 年 5G 到来,不禁为移动通信迅猛发展之势而感慨。数据速率从 2G GPRS 65Kbit/s 到 LTE-A 1Gbit/s,再到 5G 时代 10-20Gbit/s,增长速度令人吃惊。

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    3G 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。
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    到了 3G 阶段,设备商的硬件平台进行彻底变革升级。3G 的核心网设备如下:

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    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。其中之一,就是 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。

    第二个思路变化,就是分离。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,叫做承载和控制分离。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。

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    • 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。

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    从 R7 开始,通过 Direct Tunnel 技术将控制面和用户面分离,在 3G RNC 和 GGSN 之间建立了直连用户面隧道,用户面数据流量直接绕过 SGSN 在 RNC 和 GGSN 之间传输。到了 R8,出现了 MME 这样的纯信令节点。

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    4G 网络架构

    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)。

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    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)。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,图中绿色实线表示用户面 & 控制面接口。

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    4G EPC 核心网位于网络数据交换的中央,主要负责终端用户的移动性管理,会话管理和数据传输。

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    4G 核心网主要包含 MME,SGW,PGW,HSS 这几个网元。然而,这样的架构却还有些不足,控制面和用户面并没有完全分开,SGW 和 PGW 不但要处理转发用户面数据,还要负责进行会话管理和承载控制等控制面功能,这种用户面和控制面交织的缺点导致了业务改动复杂,效率难以优化,部署运维难度大的问题。

    于是,在 2016 年,3GPP 对 SGW/PGW 进行了一次拆分,把这两个网元都进一步拆分为控制面(SGW-C 和 PGW-C)和用户面(SGW-U 和 PGW-U),称为 CUPS 架构(控制面用户面分离架构)。

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    控制面用户面分离还有另一个重要目的,那就是让网络用户面功能摆脱 “中心化” 的囚禁,使其既可灵活部署于核心网(中心数据中心),也可部署于接入网(边缘数据中心),最终实现可分布式部署。

    演进到 4G 核心网之前,硬件平台也提前升级了。以中兴为例,开始启用 ATCA/ETCA 平台(后来 MME 就用了它),还有 xGW T8000 平台(后面 PGW 和 SGW 用了它,PGW/SGW 物理上是一体的)。

    • ATCA(Advanced Telecom Computing Architecture,先进电信计算架构)机框
    • ETCA(Enhanced ATCA,增强型 ATCA)
    • xGW T8000 硬件平台其实就是一个大路由器

    ATCA 里面的业务处理单板,本身就是一台单板造型的 “小型化电脑”,有处理器、内存、硬盘,我们俗称 “刀片”。

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    既然都走到这一步,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 服务器吧。

    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。

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    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
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    设备商先在虚拟化平台部署 4G 核心网,也就是,在为后面 5G 做准备,提前实验。硬件平台,永远都会提前准备。

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    5G 网络架构

    5G 网络的需求

    国际电信联盟(ITU,International Telecommunication Union)针对每一个新世代的网络,都会制定出需求及应用场景,而各大电信标准组织,再依照 ITU 所提出的需求,订定标准并向 ITU 提交标准,供 ITU 审订。5G 提交的标准为 IMT-2020(https://www.itu.int/en/ITU-R/study-groups/rsg5/rwp5d/imt-2020/Pages/default.aspx)。

    ITU 在 IMT-2020 中订定了 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. 更好的使用者传输速率体验(User Experienced Data Rate):100 Mb/s 以上
    2. 更高的峰值传输速率(Peak Data Rate):20Gb/s
    3. 单位面积在单位时间内更高的传输数据量(Traffic Capacity):10~100Mb/s/m2
    4. 更高的频谱使用率(Spectrum Effiency):3 倍以上
    5. 更快的移动速度(Mobility):500km/h
    6. 更低的延迟(Latency):1ms 以下
    7. 更高密度的装置联机(Connection Dencity):100 万 devices/km2
    8. 更低的耗能(Network Energy Efficiency):电力消耗为 1/100 以下

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    这八个 KPI 主要是要满足三大场景的应用:

    1. eMBB(Enhanced Mobile Broadband,增强型移动宽带):指的是更快速的传输速率以及更好的使用者上网体验,即解决人与人之间通信,人们上网的问题。
    2. mMTC(Ultra-reliable and Low Latency Communications,海量物联网通信): 指的是更大量、更密集的机器通信(每平方公里 100 万个以上的装置进行联机),即解决物联网的问题。
    3. uRLLC(Massive Machine Type Communications,低时延、高可靠通信):指的是更低的延迟,像是无人驾驶、工业自动化和远端医疗手术等应用。

    要实现这样的愿景,5G 网络需要面临的技术挑战主要是:高速率、端到端时延、高可靠性、大规模连接、用户体验和效率。
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    5G 网络架构的设计原则

    为了应对这这样的技术挑战,5G 网络设计原则为:

    • 从集中化向分布式发展
    • 从专用系统向虚拟系统发展
    • 从闭源向开源发展

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    如果用四个词来概括 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。

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