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全网的网络架构

移动通信网络演进之路_5g

这张图分为左右两部分,右边为无线侧网络架构,左边为固定侧网络架构。

  • 移网侧​:手机客户或者集团客户通过基站接入到无线接入网,在接入网侧可以通过 RTN 或者 IP-RAN 或者 PTN 解决方案来解决,将信号传递给 BSC/RNC。在将信号传递给核心网,其中核心网内部的网元通过 IP 承载网来承载。

  • 固网侧​:家庭客户和集团客户通过接入网接入,接入网主要是 GPON,包括 ONT、ODN、OLT。信号从接入网出来后进入城域网,城域网又可以分为接入层、汇聚层和核心层。BRAS 为城域网的入口,主要作用是认证、鉴定、计费。信号从城域网走出来后到达骨干网,在骨干网处,又可以分为接入层和核心层。其中,移动叫 CMNET、电信叫 169、联通叫 163。

固网侧和移网侧之间可以通过光纤进行传递,远距离传递主要是有波分产品来承担,波分产品主要是通过 WDM + SDH 的升级版来实现对大量信号的承载,OTN 是一种信号封装协议,通过这种信号封装可以更好的在波分系统中传递。

最后信号要通过防火墙到达 Internet,防火墙主要就是一个 NAT,来实现一个地址的转换。这就是整个网络的架构。

移动通信网络

  • 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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移动通信网络演进之路

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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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二战期间,摩托罗拉的 SCR 系列步话机在战场上屡建功勋,向全世界展示了无线通话的神奇魅力,也激起了人们将其应用于民用市场的渴望。

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战争结束后,1946 年,美国 AT&T 公司将无线收发机与公共交换电话网(PSTN)相连,正式推出了面向民用的 MTS(Mobile Telephone Service)移动电话服务。

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。

在 MTS 中,如果用户想要拨打电话,必须先手动搜索一个未使用的无线频道,然后先与运营商接线员进行通话,请求对方通过 PSTN 网络进行二次接续。整个通话采用半双工的方式,也就是说,同一时间只能有一方说话。说话时,用户必须按下电话上的 “push-to-talk(按下通话)” 开关。

MTS 的计费方式也十分原始。接线员会全程旁听双方之间的通话,并在通话结束后手动计算费用,确认账单。

尽管 MTS 现在看来非常另类,但它确实是有史以来人类第一套商用移动电话系统。MTS 所指的 Mobile Telephone(移动电话),并不是手机,而是 Mobile Vehicle Telephone(移动车载电话)。更准确来说,是车载半双工手动对讲机。

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当时的 “基站” 也非常庞大,有点像广播电视塔,一座城市只有一个,位于市中心,覆盖方圆 40 公里,功率极高。

1947 年 12 月,贝尔实验室的研究人员 Douglas H. Ring(道格拉斯·H·瑞因),率先提出了 “Cellular(蜂窝)” 的构想。他认为,与其一味地提升信号发射功率,不如限制信号传输的范围,将信号控制在一个有限的区域(小区)内。这样一来,不同的小区可以使用相同的频率,互不影响,提升系统容量。

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蜂窝通信的设想虽然很好,但是,同样受限于当时的电子技术(尤其是切换技术),无法实现。贝尔实验室只能将其束之高阁。到了 50 年代,陆续有更多的国家开始建设车载电话网络。例如,1952 年,西德(联邦德国)推出的 A-Netz。

1961 年,苏联工程师列昂尼德·库普里亚诺维奇(Leonid Kupriyanovich)发明了 ЛК-1 型移动电话,同样是安装在汽车上使用的。后来,苏联推出了 Altai 汽车电话系统,覆盖了本国 30 多个城市。

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1969 年,美国摩托罗拉推出了改进型的 MTS 车载电话系统,称为 IMTS(improved MTS)。IMTS 支持全双工、自动拨号和自动频道搜索,可以提供了 11 个频道(后来为 12 个),相比 MTS 有了质的飞跃。

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1971 年,芬兰推出了公共移动电话网络 ARP(Auto Radio Puhelin,Puhelin 是芬兰语电话的意思),工作在 150MHz 频段,仍然是手动切换,主要为汽车电话服务。

不管是Altai,还是 IMTS 或 ARP,后来都被称为 “0G” 或 “Pre-1G(准 1G)” 移动通信技术。

1G

进入 70 年代后,随着半导体工艺的发展,手机的诞生条件终于成熟。1973 年,摩托罗拉的工程师马丁·库珀(Martin Cooper)和约翰·米切尔(John F.Mitchell)终于书写了历史,发明了世界上第一款真正意义上的手机(手持式个人移动电话)。

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这款手机被命名为 DynaTAC(Dynamic Adaptive Total Area Coverage),高度 22cm,重量 1.28kg,可以持续通话 20 分钟,拥有一根醒目的天线。

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1974 年,美国联邦通信委员会(FCC)批准了部分无线电频谱,用于蜂窝网络的试验。然而,试验一直拖到 1977 年才正式开始。当时参与试验的,是 AT&T 和摩托罗拉这两个死对头。

AT&T 在 1964 年被美国国会 “剥夺” 了卫星通信商业使用权。无奈之下,他们在贝尔实验室组建了移动通信部门,寻找新的机会。1964–1974 年期间,贝尔实验室开发了一种叫作 HCMTS(大容量移动式电话系统)的模拟系统。该系统的信令和话音信道均采用 30kHz 带宽的 FM 调制,信令速率为 10kbps。

由于当时并没有无线移动系统的标准化组织,AT&T 公司就给 HCMTS 制定了自己的标准。后来,电子工业协会(EIA)将这个系统命名为:暂定标准 3(Interim Standard 3,IS-3)。1976 年,HCMTS 换了一个新名字 —— AMPS(Advanced Mobile Phone Service,先进移动电话服务)。

AT&T 就是采用 AMPS 技术,在芝加哥和纽瓦克进行 FCC 的试验。

再来看看摩托罗拉。在早期的时候,摩托罗拉搞了一个 RCCs(无线电公共载波)技术,赚了不少钱。所以,他们一直极力反对 FCC 给蜂窝通信发放频谱,以免影响自己的 RCCs 市场。但与此同时,他们也在拼命研发蜂窝通信技术,进行技术储备。这才有了前面 DynaTAC 的诞生。FCC 发放频谱后,摩托罗拉基于 DynaTAC,在华盛顿进行试验。

1979 年,日本电报电话公司(Nippon Telegraph and Telephone,NTT)在东京大都会地区推出了世界首个商用自动化蜂窝通信系统。这个系统后来被认为是全球第一个 1G 商用网络。

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当时,系统拥有 88 个基站,支持不同小区站点之间的全自动呼叫切换,不需要人工干预。系统采用 FDMA 技术,信道带宽 25KHz,处于 800MHz 频段,双工信道总数为 600 个。

两年后,1981 年,北欧国家挪威和瑞典建立了欧洲的首个 1G 移动网络 —— NMT( Nordic Mobile Telephones,北欧移动电话)。不久后,丹麦和芬兰也加入了他们。NMT 成为全球第一个具有国际漫游功能的移动电话网络。

再后来,沙特阿拉伯、俄罗斯和其它一些波罗的海和亚洲国家也引入了 NMT。

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1983 年,后知后觉的美国终于想起来要搞自己的 1G 商用网络。1983 年 9 月,摩托罗拉发布了全球第一部商用手机 —— DynaTAC 8000X,重量 1kg,可以持续通话 30 分钟,充满电需要 10 小时,售价却高达 3995 美元。

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1983 年 10 月 13 日,Americitech 移动通信公司(来自 AT&T)基于 AMPS 技术,在芝加哥推出了全美第一张 1G 网络。这张网络既可以使用车载电话,也可以使用 DynaTAC 8000X。

FCC 在 800MHz 频段为 AMPS 分配了 40MHz 带宽。借助这些带宽,AMPS 承载了 666 个双工信道,单个上行或下行信道的带宽为 30KHz。后来,FCC 又追加分配了 10MHz 带宽。因此,AMPS 的双工信道总数变为 832 个。

商用第一年,Americitech 卖出了大约 1200 部 DynaTAC 8000X 手机,累积了 20 万用户。五年后,用户数变成 200 万。迅猛增长的用户数量远远超过了 AMPS 网络的承受能力。后来,为了提升容量,摩托罗拉推出的窄带版 AMPS 技术,即 NAMPS。它将现有的 30KHz 语音信道分成三个 10KHz 信道(信道总数变成 2496 个),以此节约频谱,扩充容量。

除了 NMT 和 AMPS 之外,另一个被广泛应用的 1G 标准是 TACS(Total Access Communication Systems),首发于英国。1983 年 2 月,英国政府宣布,BT(英国电信)和 Racal Millicom(沃达丰的前身)这两家公司将以 AMPS 技术为基础,建设 TACS 移动通信网络。

1985 年 1 月 1 日,沃达丰正式推出 TACS 服务(从爱立信买的设备),当时只有 10 个基站,覆盖整个伦敦地区。TACS 的单个信道带宽是 25KHz,上行使用 890-905MHz,下行 935-950MHz,一共有 600 个信道用于传输语音和控制信号。TACS 系统主要是由摩托罗拉开发出来的,实际上是 AMPS 系统的修改版本。两者之间除了频段、频道间隔、频偏和信令速率不同,其它完全一致。和北欧的 NMT 相比,TACS 的性能特点有明显的区别。NMT 适合北欧国家(斯堪的纳维亚半岛)人口稀少的农村环境,采用的是 450MHz(后来改成 800MHz)的频率,小区范围更大,而 TACS 的优势是容量,而非覆盖距离。TACS 系统发射机功率较小,适合英国这样人口密度高、城市面积大的国家。

随着用户数量的增加,后来 TACS 补充了一些频段(10MHz),变成 ETACS(Extended TACS)。日本 NTT 在 TACS 基础上,搞出了 JTACS。

值得一提的是,1987 年中国在广州建设的第一个移动通信基站,采用的就是 TACS 技术,合作厂商是摩托罗拉。

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除了 AMPS,TACS 和 NMT 之外,1G 技术还包括德国的 C-Netz、法国的 Radiocom 2000 和意大利的 RTMI 等。这些百花齐放的技术,宣告了移动通信时代的到来。(事实上,当时并没有 1G 这样的叫法,只是 2G 技术出现后,才把它们称为 1G,以作区分。)

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2G

1982 年,欧洲邮电管理委员会成立了 “移动专家组”,专门负责通信标准的研究。这个 “移动专家组”,法语缩写是 GroupeSpécialMobile,后来这一缩写的含义被改为 “全球移动通信系统”(Global System for Mobile communications),也就是大名鼎鼎的 GSM。

GSM 的成立宗旨,是要建立一个新的泛欧标准,开发泛欧公共陆地移动通信系统。他们提出了高效利用频谱、低成本系统、手持终端和全球漫游等要求。随后几年,欧洲电信标准组织(ETSI)完成了 GSM 900MHz 和 1800MHz(DCS)的规范制定。

1991 年,芬兰的 Radiolinja 公司(现为 ELISA Oyj 的一部分)在 GSM 标准的基础上,推出了全球首个 2G 网络。

众所周知,2G 采用数字技术取代 1G 的模拟技术,通话质量和系统稳定性大幅提升,更加安全可靠,设备能耗也大幅下降。除了 GSM 之外,另一个广为人知的 2G 标准就是美国高通公司推出的 CDMA。准确来说,是 IS-95 或 cdmaOne。IS-95 有两个版本,分别是 IS-95A 和 IS-95B。前者可以支持高达 14.4kbps 的峰值数据速率,而后者则达到 115kbps。

除了 IS-95 之外,美国还搞出过 IS-54(North America TDMA Digital Cellular)和 IS-136(1996年)。其实,2G 并不是只有 GSM 和 CDMA。

美国蜂窝电话工业协会(Cellular Telephone Industries Association)基于 AMPS 技术搞出了一个数字版的 AMPS,叫做 D-AMPS(Digit-AMPS),其实也算是 2G 标准。1990 年,日本推出的 PDC(Personal Digital Cellular),也属于 2G 标准。

GSM(Global System for Mobile Communications,全球移动通讯系统),即 2G(语言通话及短信服务)。GSM 较之它以前的标准(1G)最大的不同是他的信令和语音信道都是数字的,因此 GSM 被看作是第二代(2G)移动电话系统。GSM 标准的广泛使用使得在移动电话运营商之间签署 “漫游协定” 后用户的国际漫游变得很平常。

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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GSM 标准当前由 3GPP 组织负责制定和维护。1999 年,WAP 协议使得用户可以通过手机访问互联网。2000 年后开始商用的通用分组无线服务(GPRS)使得 GSM 系统能够以效率更高的分组方式提供数据通讯。2003 年,EDGE 技术开始商用,提供了接近 3G 的数据通讯能力。

从用户观点出发,GSM 的主要优势在于提供更高的数字语音质量以及首先引入了短信息服务(SMS),提供了一种新颖、便捷、廉价的通讯方式。从网络运营商角度看来,其优势是能够部署来自不同厂商的设备,因为 GSM 作为开放标准提供了更容易的互操作性。而且,标准就允许网络运营商提供漫游服务,用户就可以在全球使用他们的移动电话了。

GSM 的一个关键特征就是用户身份模块(SIM),也叫 “SIM 卡”。SIM 卡是一个保存用户数据和电话本的可拆卸智能卡 IC。用户就可以更换手机后还能保存自己的信息。换句话说用户也可以使用现在的手机而使用不同运营商的 SIM 卡。有些运营商为了防止用户转换到别的网络在手机上做设置限制,使得它只能用该营运商的 SIM 卡,或者同一个网络的 SIM 卡,这就是所谓的 “SIM 卡加密”,一如当年的 IPhone 手机,这种行为在某些国家并不合法。

在美国和欧洲,大部分运营商锁定他们销售的移动电话,这样做是因为移动电话的价格一般因为签订长期合同大幅减少(例如:在欧美市场很多手机可以通过签约以原价格几十分之一的价格购买),而运营商试图避免客户的流失。用户一般可以通过与运营商联系付一定费用来解除锁定(俗称 “解码”),或者通过一个专门服务或者从互联网上搜索相关软件来解码。如果用户签署在一段时期有效的合同(合同帐户),某些美国运营商例如 T-Mobile 和 Cingular,就会解除对电话的锁定。第三方的解码方法比起运营商的来一般更快而且也更便宜。在大多数国家解除锁定是合法的。在中国内地,行业主管部门不允许运营商锁定移动电话,这使得运营商的定制机也能轻松使用其他运营商的网络。

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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2.5G

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20 世纪末,随着互联网的大爆发,人们对移动上网提出了强烈的需求。于是,GPRS(General Packet Radio Service,通用分组无线业务)开始出现。

GPRS 最早在 1993 年提出,1997 年出台了第一阶段的协议。它的出现,是蜂窝通信历史的一个转折点。因为它意味着数据业务开始崛起,成为移动通信的主要发展方向。

以往,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)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。​2.5G 标志着公共电话网络正式与 IP 数据网实现了融合,连接着手机的无线通信网络终于可以上网冲浪了​。

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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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2.75G

GPRS 技术推出之后,电信运营商还搞出了速率更快的技术,名字叫做 Enhanced Data-rates for GSM Evolution(GSM 演进的增强速率),也就是很多人可能比较熟悉的 EDGE。

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EDGE 最大的特点就是在不替换设备的情况下,可以提供两倍于 GPRS 的数据业务速率。因为得到了部分运营商的青睐。世界上首个 EDGE 网络,是美国 AT&T 公司于 2003 年在自家 GSM 网络上部署的。

3G

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。

1996 年,欧洲成立 UMTS(Universal Mobile Telecommunications System,通用移动通信系统)论坛,专注于协调欧洲 3G 的标准研究。以诺基亚、爱立信、阿尔卡特为代表的欧洲阵营,清楚地认识到 CDMA 的优势,于是,开发出了原理相类似的 W-CDMA 系统。之所以叫做 W-CDMA(Wide-CDMA),是因为它的信道带宽达到 5MHz,比 CDMA2000 的 1.25MHz 更宽。

很多人搞不清楚 UMTS 和 WCDMA 的关系。其实,UMTS 是欧洲那边对 3G 的统称。WCDMA 是 UMTS 的一种实现,一般特指无线接口部分。待会我们提到的 TD-SCDMA,也属于 UMTS。

为了能够和美国抗衡,欧洲 ETSI 还联合日本、中国等共同成立了 3GPP 组织(3rd Generation Partnership Project,第三代合作伙伴计划),合作制定全球第三代移动通信标准。

反观北美阵营这边,内部意见存在分歧。以朗讯、北电为代表的企业,支持 WCDMA 和 3GPP。而以高通为代表的另一部分势力,联合韩国,组成了 3GPP2 组织,与 3GPP 抗衡。他们推出的标准,是基于 CDMA 1X(IS-95)发展起来的 CDMA2000 标准。CDMA2000 虽然是 3G 标准,但一开始的峰值速率并不高,只有 153kbps。后来,通过演进到 EVDO(EVolution Data Optimized),数据速率有了明显的提升,可以提供高达 14.7Mbps 的峰值下载速度和 5.4Mbps 的峰值上传速度。

中国在这一时期,也推出了自己的 3G 标准候选方案(也就是大家熟知的 TD-SCDMA),共同参与国际竞争。经过激烈的角逐和博弈,最终,ITU 国际电信联盟确认了全球 3G 的三大标准,分别是欧洲主导的 WCDMA,美国主导的 CDMA2000,还有中国的 TD-SCDMA。

在 3G 商用进度方面,走在前面的又是日本 NTT。1998 年 10 月 1 日,NTT Docomo 在日本推出了世界上第一张商用 3G 网络(基于 WCDMA)。

2G 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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3.75G

在 UMTS 的基础上,ETSI 和 3GPP 又开发出了 HSPA(High Speed Packet Access,高速分组接入)、HSPA+、dual-carrier HSPA+(双载波 HSPA+), 以及 HSPA+ Evolution(演进型 HSPA+)。这些网络技术的速率明显超过传统 3G,人们将其称为 3.75G。

正因为 HSPA+ 的速率很快,甚至超过了早期的 LTE 和 WiMAX。所以,当时有一些运营商(例如美国 T-Mobile),没有立刻启动 LTE 的建设,而是将现有的 HSPA 网络升级为 HSPA+。我们国家的中国联通,当时也有类似的想法。

4G

1999 年,IEEE 标准委员会成立了一个工作组,专门制定无线城域网标准。2001 年,IEEE 802.16 的第一个版本正式发布,后来发展为 IEEE 802.16m,也就是后来广为人知的 WiMAX(全球微波互联接入)。

WiMAX 引入了 MIMO(多天线)、OFDM(正交频分复用)等先进技术,下载速率得到极大提升,给 3GPP 带来了很大的压力。于是, 3GPP 在 UMTS 的基础上,加紧推出了 LTE(同样引入了 MIMO 和 OFDM),与 WiMAX 进行竞争。后来,又持续演进出了 LTE-Advanced(2009 年),速率有了数倍的提升。

2008 年,ITU 国际电信联盟发布了 4G 标准应该遵循的要求,并将之命名为 IMT-Advanced。真正符合要求的,只有 3GPP 的 LTE-Advanced,IEEE 的 802.16m,以及中国工信部提交的 TD-LTE-Advanced。也就是说,它们是真正的 4G 标准。

2009 年 12 月 14 日,全球首个面向公众的 LTE 服务网络(以 4G 的名义),在瑞典首都斯德哥尔摩和挪威首都奥斯陆开通。网络设备分别来自爱立信和华为,而用户终端则来自三星。经过激烈的产业大战,LTE 最终战胜 WiMAX,获得全球范围的拥护和认可。WiMAX 迅速失势,被打入冷宫。

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

再往后,3GPP 推出 5G(IMT-2020),一统天下。

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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