移动通信概述-架构篇[通俗易懂]

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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)、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)和PS域(数据域):
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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),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:在这里插入图片描述
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MSC/VLR 移动交换中心/访问位置寄存器
EIR 设备识别寄存器
HLR 归属位置寄存器
AUC 鉴权中心
OMC 操作维护中心
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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,用户设备)、基站子系统、网络子系统和外部网络EN(External Network)构成。

GSM网络架构:
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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)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。
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  • 2G基站组成结构
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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)

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。
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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:
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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。
    NodeB组成结构
    在这里插入图片描述

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(EvolvedPacket 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:
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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。
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6、5G

5G篇见本人的另两个博客:
5G接入网与基站演进
5G核心网与核心网演进

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