通信网络架构

在当代的通信网络中为了满足人们的生活和工作的需求，网络架构已经变得越来越复杂了，许多学习通信的朋友对于网络架构中的名词，概念以及各个部分的划分不是很清楚，那么网络架构到底是如何构成的呢？下面就以最复杂的无线网络为例给大家介绍网络架构的组成。后续会以网元，子网和协议几个部分分门别类的给大家介绍。

1.  一般网络的基本架构

网络是由各个要素通过互联组成网络架构。主要分为终端，接入网，承载网（传输网），核心网以及传输媒介等几个部分组成。如图1所示。

图1 一般网络的基本架构

图1中可以看出一般的网络架构由终端，承载网，核心网构成，最终通过核心网连接到外网（互联网）上去。终端，承载网，核心网等设备或传输媒介称为网元。

• 终端（UE）：是用户设备，一般是电脑，手机，电话或者能连接上网的设备（如物联网中的设备等），也可能是通过其他方式上网的设备，如加油站的终端采集系统，最终通过串口，I2C等接口最终连接到核心网上的设备等。
• 接入网（Access Network）：是指在终端到承载网之间的设备，目的是帮助终端接入核心网。如终端采集系统中的串口通信，串行高速通信等设备最终通过协议转换连接到核心网上，如终端M。对于无线通信系统，接入网是基站的组件或WIFI路由器上的接入点（Acess Point)。
• 承载网（Bearer Network）：又称为传输网（Transport Network）， 一般有中继，信号放大器，桥接器，传输线等组成。简单的承载网只有传输线，如终端E，F与核心网的连接只有传输线构成。中继（Repeator）或放大（Amplifier)可以是电信号的设备，也可以是光信号的设备，主要决定于传输媒介。

 

• 核心网（Core Network）：一般具有管理和数据转发能力的设备，如交换机，路由器，Modem等。也可能是无线网中基站的组件。总之，核心网是具有管理和转发功能（交换和路由）的设备或设备集合，可以是硬件实现的，也可以由软件实现或二者协调实现的。

2. 无线网络架构

无线网络与一般的网络架构非常类似，但由于增加了无线收发环节，因此一定要有接入网支撑。无线接入网也就是我们常说的基站的一个部分。如图2所示

图2

无线网往往自成体系，一般由终端，天线，基站，核心网等几个部分。终端一般是可以进行无线收发的用户设备，如手机，PAD以及IOT中的无线设备。天线部分承载无线信号的收发，在无线网中是重要的组成部分，包括天线本身，功放，低噪声放大器等各个部分组成，广义上讲天线也是基站的一个部分。基站负责无线接入，在无线系统的发展中（从1G-5G),各个时期组成，名称功能也各不相同。随着技术的演进，用户数量和需求种类的增加，对调度和管理的需求越来越高。

• 第一代移动通信系统（1G）

 

图3  1G 系统的网络架构

第一代移动通信系统又称为蜂窝移动通信系统，是模拟制式的通信系统。主要调度方式是频分复用，如图3的右边，将频率覆盖的范围内划分成一个个小区（CELL），将整个可使用的频谱划分成一段段的频带与小区对应，为了避免频率干扰，相邻小区使用不同的频段，距离较远的小区可以重复使用同一段频谱，从而实现频谱复用。由于小区的划分特别像蜂窝，因此又称为蜂窝小区。小区的使用是移动通信的一大创举，目前5G时代小区的使用依然存在。特别在5G FR2频段，小区的划分会更小、更密。

RAN    —  Radio Access Network       无线接入网

BTS     — Base Transceiver Station   基站

MTSO — Mobile Telecommunication Switching Office 基站交换设备室，又称为基站室（Base Station house），目前基站的核心部件也一直固定在基站室内。

• 第二代移动通信系统

第二代移动通信系统GSM（Global System for Mobile communication）采用频分和时域两种调度方式，分为终端MSS， 基站BSS，核心网NSS。如图4-1所示。

 

图4-1  2G无线网络架构

   2G的网元相对较多，列举如下：

•     内部网网元：
  • MSS : Mobile Subscriber Station      移动用户，由SIM卡和用户设备组成
    • SIM  (subscriber identity module）用户（订户）身份模块
  • BSS :  Base Station Subsystem            基站子系统
  • BTS : Base Transceiver Station          基站
  • BSC : Base Station Control                 基站控制
  • OSS（NSS :operation and support system or Network Subsystem(Network Switching Subsystem),OSS is also referred by the name CN (Core Network).       运维子系统或网络子系统
  • GSM OSS composed of following subsystems          网络子系统又包含如下部件，

• MSC–Mobile Services Switching Center       移动服务交换中心
• VLR–Visitor Location Register                       访问者位置注册数据库
• HLR–Home Location Register                        家位置注册数据库
• AUC–Authentication Center                            鉴权中心
• EIR–Equipment Identity Register                 设备ID注册数据库
• OMC–Operation and Maintenance Center  运维中心
• Data communication network                         数据通信网络

•      外部网络
  • PSTN： public switched telephone network           公共电话交换网
  • ISDN：  Integrated Services Digital Network         集成服务数字网络，可以利用电话网传输语音，信令和数据。

从图4-1的网络架构中可以看出2G GSM系统还是比较复杂的，早期GSM主要处理移动电话交换，以及移动电话与固话的交换。此时的交换网与固定电话网的交换类似，采用电路交换CS（Circuit Switch），实际上是一种硬切换。在2G的后期逐渐实现了部分分组网络交换功能GPRS(General Packet Radio System), 如图4-2所示

图4-2  GPRS

从图4-2 可以看出，由于GPRS实现了IP交换的功能，因此GPRS无线网络时代又称为2.5G时代，但此时的IP交换速度很低，数据速率56-114Kbps, 因此该阶段的IP交换主要用于支持短消息，彩信等内容。从上图明显可以看出电话交换与数据（IP）交换是明显分开的。

2G 与1G相比技术上有了较大提升，不仅在频谱上实现调度，在时间上也实现了调度，因此调度实现了时、频两个方向。GSM以200K的频谱间隔分配给不同的小区，同时在同一段频谱内不同的时间段可以分配给不同的用户。特别是集成了GPRS功能后，在核心网增添了SGSN与GGSN两个部件，使网络更加复杂化。可见，2G时代的通信工程师真不容易。

GPRS:  General Packet Radio Service                       通用无线分组服务。这是无线移动第一次实现分组交换（IP 交换）。

SGSN： Serving GPRS Support Node              GPRS服务支持节点，负责GPRS手机的鉴权、入网手机的注册、移动性管理、收集空口使用计费信息。

GGSN：Gateway GPRS Support Node             GPRS网关，充当外部网络的接口和路由器。包含用于通过内部 IP 网络将数据包通过隧道传送到相关 SGSN 的 GPRS 移动设备的路由信息​​。还收集计费数据并能够为入口流量提供数据包过滤等功能。

在2G系统中，还有码分多址CDMA（code division multiple access)的调制方式在北美使用。但典型的2G系统还是GSM。

• 第三代移动通信系统

第三代移动通信系统在调制技术方面做了重大变革。不再采用小区内的频分复用，而是采用小区内宽带码分复用的调制方式（CDMA）。码分复用调制方式又被称为扩频通信，因此具有良好的抗干扰特性，特别是抵抗高斯白噪声干扰有非常出色的表现。第三代移动通信系统主旨是希望全球互通，但最终出现三种制式，分别为：

• • 以欧洲为代表的WCDMA制式。WCDMA是宽带的CDMA，将频谱以5Mhz带宽进行划分，因此WCDMA是频分与码分的组合。
  • 以北美和南韩为代表的CDMA2000（also known as C2K or IMT Multi‑Carrier (IMT‑MC）），CDMA2000与WCDMA非常类似，都是采用宽带码分复用编码，但CDMA2000可以使用更小的带宽（1.25MHz），也可以多个1.25M组合使用，最多可以由15个1.25M子代组成20M宽带进行使用。这样就给ITU分配带宽带来灵活度。CDMA2000沿用CDMA的演进的方式。主要标准是由3GPP2制定。
    • IMT—International Mobile Telecommunications
    • ITU—International Telecommunication Union
  • 以中国移动为代表的S-CDMA，即同步CDMA，是时分，码分和频分复用的组合。

3G时代的三种制式在中国都有使用。由于WCDMA在全球的影响较大，是3G时代的代表，因此以WCDMA无线网络系统作为重点给大家介绍。WCDMA 的无线网络架构如图5-1所示，

图5-1       3G的无线网络架构

从图5-1可以看出，3G的基站部分发生了重大变化，甚至名称也与2G不同。而核心网部分却与2G系统的GPRS的核心网类似，但总体上比GPRS阶段的核心网有所简化。可见主要便变化发生在接入网上。从3G开始基站的名称由BTS改名为Node B， 基站管理器由BSC重新命名为RNC，BSS更名为RNS，具体含义如下：

• • ME          :  Mobile   Equipment                                                 移动设备
  • Node B   :                                                                                       3G基站
  • RNC       :  Radio Network Controller                                      无线网络控制器
  • RNS       :  Radio Network Subsystem                                     无线网络子系统
  • UMTS   : Universal Mobile Telecommunications System  通用移动通信系统
  • UTRAN :UMTS  terrestrial radio access network :             公共陆地无线接入网

3G网络部署：从3G开始除了天馈系统是模拟电路外，无线接入系统主要是数字化为主，因此基站实际上分为两个部分BBU和RRU，如图5-2所示。

 

图5-2  3G基站逻辑部署

BBU ： Baseband Unit                  基带单元

          RRU ：Remote Radio Unit          远端射频单元

BBU将基带处理的部分集中在一起，主要处理数字基带以及各种协议。如无线资源管理（RRC），分组数据汇聚协议（PDCP），无线承载（RLC），媒介访问控制（MAC）以及物理层（PHY）等。所有这些部分都是零中频的。RRU是射频处理系统，主要包含AD、DA转换，混频，滤波，低噪放以及功放等部件，最终将无线信号发送到天线上去，或从天线上将无线信号接收下来。从图5-2可以看出无线接入网的划分有8个选项，射频单元和BBU处在选项8（Option 8）的位置。由于BBU与射频单元也是采用数字传输的方式，因此采用光纤或同轴电缆进行传输，如图5-3。BBU与RRU通信一般遵循CPRI协议。其实在2G系统已经开始将基站分为两个部分，只是在2G以及前的的系统一般采用模拟传输。

图5-3  3G基站物理部署

• 第4代移动通信系统

第四代移动通信系统又称为4G系统，通常称为LTE（Long Term Evolution)，即长期演进系统。在4G的发展历程中又分为两个阶段，早期LTE一般称为3.9G系统，到后期阶段发展到LTE-Advanced才正式成为4G系统。那么3.9G与4G到底有什么区别呢？早期的LTE网络可以处理1.4M，3M，5M，10M，15M，20M等6种带宽的系统，此阶段的演进称为3.9G。 但在后期为了增加系统的吞吐量采用载波聚合（Carrier Aggregation)的方式将一个或多个20M的带宽进行合并使用，而此时也赋予了一个新的名称LTE-Advanced。由于载波聚合极大提高了LTE的瞬时速率，因此该阶段称为4G。

 

图6-1 4G无线网络架构

 

 

 

图6-2   4G无线网络架构

从图6-1，6-2 可以看出4G与3G相比又发生了重大变化，主要表现如下几个方面，

• • 4G LTE采用OFDM，SC-FDMA技术，使频谱的利用率大幅度提高，
  • 基站的名称再次修改，由3G NodeB修改成 eNode B, 与LTE中evolution相对应，
  • 与3G相比简化了核心网设计，使交换环节减少，从而减小时延，
  • 彻底删除电路交换，只保留分组交换，因此4G的电话，语音交换也由IP交换实现。但早期由于IP语音交换不够完善，因此电话交换往往借助3G或2G系统CS帮助完成。
  • 基站eNodeB的管理功能增加，不再分基站与基站管理单元，将二者合二为一。
  • 通信速率大幅提升由3G 3.1Mbps 提升到100Mbps。
  • 协议层面明确分为用户面和控制面两个部分。
• 4G网元的名称与功能：

UE/ME:                 终端，

eNB(eNodeB):     基站（含基站与基站管理），

MME               ：Mobile management entity 移动管理实体，

HSS                 ：Home Subscriber Server　主（家）用户服务器，

S_GW　　　：Serving Gateway 服务网关，主要功能完成接入网到核心网的连接，

          P_GW            ：分组交换网关，

EPC                ：Evolved Packet Core ,or Enhanced Packet Core演进分组核心网, 或增强的核心网。

• 4G移动网的部署

4G移动网的部署与3G类似，如图5-2所示。在4G的后期逐渐开始使用eCPRI替代CPRI，而且BBU与RRU的位置也逐渐由option8 转到option7 的位置，也就在5G部署中流行的节点。

 

• 第五代移动通信系统

5G系统无论从要求还是技术都发生重大变化，首先我们可以看到接入网的环节比4G又简化了很多。这与5G的设计目标有关，在5G的设计目标中有3个目标，分别是,

• • eMBB      —Enhanced mobile broadband                                增强的移动宽带；           主要目的增加带宽，提高无线网络的传输效率，如5G的峰值速率10Gbps，后期希望达到20Gbps。
  • URLLC   —Ultra Reliable Low Latency Communications   超可靠的低延迟通信；   主要用于自动驾驶，精密工业操控等领域
  • mMTC   — massive Machine Type Communications            大规模机器类型通信；   主要用于物联网（IOT）机器通信。

总结上面的设计要求从3个方面提出了要求，分别是高速率（eMBB)，超可靠低延时（URLLC），大容量（mMTC）。与4G相比5G在如下几个方面有非常明显的提高，如图7-1

• • 峰值数据速率：         5G 的峰值数据速率预计将达到 10 Gbit/s，而当前的 4G 为 1 Gbit/s。在某些条件和场景下，5G 将支持高达 20 Gbit/s 的峰值数据速率。
    
  • 用户体验数据速率：5G将支持覆盖各种环境的不同用户体验数据速率。对于广域覆盖案例，例如在城市和郊区，预计将启用100 Mbit/s 的用户体验数据速率，
    而当前4G系统中的数据速率为10Mbit/s。在热点情况下，用户体验的数据速率有望达到更高的值（例如，室内场景中的 1 Gbit/s）。
    
  • 频谱效率： 5G的频谱效率预计是4G的3倍。与4G相比，可实现的效率提升会因场景而异，并且在某些场景中可能更高（例如，热点的5倍或更高）。
    这主要归结于的5G的高阶调制技术和MIMO天线的使用。
  • 移动性：5G期望在500公里/小时的高速终端，依然具有可接受的服务质量 (QoS)，而4G支持350公里/小时的移动性。因此5G尤其适用于高速列车。
  • 延迟：    5G能够将空中延迟从当前4G系统的10毫秒缩短到1毫秒，因此5G应该能够支持对延迟要求非常低的业务。如车联网，自动驾驶等。
  • 连接密度：5G将支持比4G高10倍左右的连接密度——例如在海量机器类通信场景下，可达10⁶/km²。而4G往往不足10⁵/km²  ，因此4G时代的连接密度成了IOT发展的瓶颈。
  • 网络能效：在提供增强的能力同时，5G 无线接入网的能耗不应大于目前部署的 4G 网络。因此，网络能效提高至少约 10-100 倍。
  • 区域流量容量：5G将支持10Mbit/s/m²的区域流量容量，例如在热点，比4G的0.1Mbit/s/m²高约100倍。
    但有一点应注意，5G同4G一样是长期演进的过程，这些需求的实现包含了许多技术细节，有的已经实现和应用，有的在产品化阶段，有的仍然处在开发和测试阶段。让我们热切期待逐渐成熟的5G到来。

图7-1

鉴于以上要球，5G网络相对与4G就需要简化，以缩短由于环节过多带来的延迟，除了接入网的技术出现了重大变化外，核心网也发生了重要变化。在SA（Stand Alone)模式下,核心网实现虚拟化，主要以功能进行划分。5G核心网一般称为NGC（Next Generation Core)或NGCN（Next Generation Core Network）。核心网的功能模块虚拟化后可以部署在云端由软件实现各个功能模块，这一点与4G的核心网完全不同。从图6-1，6-2可以看出4G的核心网是集中建设的。5G核心网的功能模块列举如下，

• UPF    :  User plane function                                                 用户面功能模块, 主要提供用户数据的收发和管理，
• AMF   :  Access and Mobility Management Function     移动接入管理，与4G的MME部分功能类似, 是控制面的管理功能模块，
• SMF   :  Session Management Function                            会话管理，SMF 主要负责与解耦数据平面交互、创建更新和删除协议数据单元 (PDU) 会话以及使用用户平面功能 (UPF) 管理会话上下文。
• AUSF:   Authentication Server Function                          认证服务器功能模块,
• AF     :   Application Function                                              网络应用服务模块，
• SSF   :   Service Switching Function                                   交换服务功能模块，
• UDM:  Unified Data Management                                      统一的数据管理模块，
• PCF   : Policy Control Function                                           策略控制功能模块，
• NRF  : Network Repository Function                                网络仓库功能模块，
• NEF  : Network Exposure Function

可见5G的核心网都是以function命名的部件（虚拟化，可以部署在云端）如图7-2、7-3，而4G及以前的网络部件多以element或entity命名，更像是软件与硬件之间的差别。

 

 

 

图7-2 5G无线网络架构

图7-3

• 5G网络架构部署

由于考虑到MIMO以及波束赋形等因素，天线处理系统应安排在射频远端，因此5G网络架构部署的变化也比较大。在5G openRAN的架构中，分为CU，DU和RU三种设备，如图7-4所示。目前最流行的部署方案是将PHY层分为High PHY 和LowPHY两个部分，分别部署在DU和RU的单元中，它们之间的通信采用eCPRI协议。

5G的射频单元也有较大的变化。由于天线为MIMO，随着天线数量的增加，以及天线阵列的形成，目前已经将RRU与天线合并为一个单元称为AAU（active Antenna Unit），简称为RU。如图7—5所示。

图7-4

图7-5  AAU

总结：本节内容主要介绍网络的架构的基本知识以及常用的名词，从宏观角度探讨架构的组件，网元，以及接入网与核心的基本知识，由于该部分内容涉及的知识点多，难度大，因此众多的知识点这里没有详细介绍，在后续的通信课程中将结合芯片设计方面的知识展开理论与实践方面的课程。