3G→4G→5G:一张图看懂核心网演进史

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本文源自网优雇佣军,通信

变化过程

3G→4G

3GPP诞生于1998年,旨在对第三代(3G)移动通信网络进行技术规范。1999年,3GPP基于2G系统发布了首版标准Release 99。在Release 99中,核心网分为电路交换域分组交换域两部分。

电路交换域主要包括MSC(Mobile Switching Center,移动交换中心)和GMSC( MSC Gateway,MSC网关),分别负责承载传统用户呼叫与外部基于电路的网络的接口。为了使能3G支持广泛的互联网多媒体应用,3GPP还设计了一个分组交换域来承载用户数据,其包括SGSN(Serving GPRS Support Node,服务GPRS支持节点)和GGSN(Gateway GSN,网关GSN),SGSN是负责移动性、会话管理和计费的实体,GGSN负责确保和管理与外部分组交换网络(例如Internet)的连接。

此外,EIR(Equipment Identity Register,设备标识寄存器)、HLR(Home Location Register,归属位置寄存器),和AuC(Authentication Center,鉴权中心)是电路域和分组域共享的实体,包含了每个订阅的用户设备 (UE) 的所有管理信息,还负责连接规则以及信息和数据保护。

2009年,为了更好的支持移动互联网广泛普及,以及支持更多的用户连接和数据流量,3GPP发布了4G首版标准Release 8。

Release 8提出了分组交换系统的标准,称为EPC(Evolved Packet Core,演进分组核心)。在这个新架构中,所有的服务(比如语音、数据和短信)都由IP协议驱动,这意味着传统电路交换域从核心网中消失了。

传统MSC 和 EIR 的功能被合并到MME(Mobility Management Entity,移动管理实体)中,MME负责移动宽带网络的鉴权、漫游和会话管理等。HSS(Home Subscriber Server,归宿用户服务器)可以当成是3G系统的HLR和AuC的合并和演进,是存储所有网络用户信息的数据库。S-GW(Serving Gateway,服务网关)具有3G系统中的SGSN的一些功能,其在切换过程中充当移动锚点,并负责路由用户的数据包。PDN-GW(Packet Data Network Gateway,分组数据网网关)结合了GMSC 和 GGSN 的功能,其连接S-GW,也是与外部基于IP的网络的互联节点,负责数据包过滤、合法拦截和IP地址分配等。此外,PCRF(Policy and Charging Rules Function,策略与计费规则功能单元)是一个软件组件,是业务数据流和IP承载资源的策略与计费控制策略决策点。

 

4G核心网CUPS

为了更灵活的支持不断增长的数据流量,为了让核心网更具模块化和可扩展性,3GPP在Release 14版本中提出了一种称为CUPS的新架构,即CP(控制面)与UP(用户面)分离(Control and User Plane Separation)。在CUPS架构下,控制面和用户面可以独立扩展。基于CUPS架构,PDN-GW分离为PGW-C和PGW-U,S-GW分离为SGW-C和SGW-U。此外,TDF(Traffic Detection Function,流量检测功能)也被分拆为TDF-C和TDF-U两部分。

 

4G→5G

随着NFV(网络功能虚拟化)和SDN(软件定义网络)技术不断发展,以及为了支持5G端到端网络切片,进入5G时代,核心网再次发生了变革。主要体现在两个方面:一、支持全虚拟化架构,原来3G和4G中的网元实体演变为软件化的网络功能;二、除了支持传统4G核心网网元实体的演进,还引入了控制和操作网络切片的相关功能。

传统MME被分拆为三个新功能:AMF(Access and Mobility Management Function,接入和移动性管理功能)、SMF(Session Management Function,会话管理功能)、UDM(Unified Data Management,统一数据管理)。AMF负责注册、连接和可达性管理以及接入认证与鉴权。UDM和AUSF还分担了传统HSS的职责。SMF负责会话管理,并承接了传统PGW-C和 SGW-C的所有功能。UPF是PGW-U、SGW-U和TDF-U中所有功能的组合。此外,4G PCRF实体中的策略和计费规则由PCF提供。

 

一个网络切片至少需包含AMF、SMF、PCF、AUSF、UDM和UPF这些基本功能,同时,为了控制和操作每个切片,3GPP还提出了一些新功能:NEF(Network Exposure Function,网络开放功能),负责将网络事件和能力安全地开放给其他功能和第三方网络;NSSF(Network Slice Selection Function,网络切片选择功能),负责为终端选择网络切片;UDSF(Unstructured Data Storage Function,非结构化数据存储功能),负责非结构化数据信息的存储和检索;NWDAF(Network Data Analytics Function,网络数据分析功能),切片负载分析,切片自动化;CHF(Charging Function,计费功能),在线和离线计费;NRF(Network Repository Function,网络存储库功能),提供“服务注册”,“服务授权”和“服务发现”功能;UDR(Unified Data Repository,统一数据存储库),负责用户和策略结构化数据的存储和检索;LMF(Location Management Function,位置管理功能),测量用户、下行链路和上行链路位置……

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