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    2021-01-06 11:02:03
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  • 5G网络(接入网+承载网+核心网

    万次阅读 多人点赞 2019-06-20 22:31:48
    因此,希望通过无线接入网为线索(行话叫锚点),帮大家梳理一下无线侧接入网+承载网+核心网的架构,这里以接入网为主,其他两个网络的很多技术细节由于笔者研究的并不足够深入,因此以帮助大家入门为主。...

    前一段时间自己一直在做某市的5G试点项目,对5G的无线接入网相关技术有了更深入的认识。因此,希望通过无线接入网为线索(行话叫锚点),帮大家梳理一下无线侧接入网+承载网+核心网的架构,这里以接入网为主,其他两个网络的很多技术细节由于笔者研究的并不足够深入,因此以帮助大家入门为主。

    在我们正式讲解之前,我想通过这张网络简图帮助大家认识一下全网的网络架构,通过对全网架构的了解,将方便您对后面每一块网络细节的理解。

    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。

    无线侧:手机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IPRAN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:家客和集客通过接入网接入,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。

    固网侧和无线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。

    看完宏观的架构,让我们深入进每个部分,去深入解读一下吧。

    由于我们的手机打电话或者上网时,信号首先抵达的就是无线接入网,因此这里我们从无线接入网开始谈起。

    什么是无线接入网

    首先大家看一下这个简化版的移动通信架构图:

    无线接入网,也就是通常所说的RAN(Radio Access Network)

    简单地讲,就是把所有的手机终端,都接入到通信网络中的网络。

    大家耳熟能详的基站(BaseStation),就是属于无线接入网(RAN)

    无线基站

    虽然我们从1G开始,历经2G、3G,一路走到4G,号称是技术飞速演进,但整个通信网络的逻辑架构,一直都是:手机→接入网→承载网→核心网→承载网→接入网→手机。

    通信过程的本质,就是编码解码、调制解调、加密解密。

    要做的事情就这么多,各种设备各司其职,完成这些事情。

    通信标准更新换代,无非是设备改个名字,或者挪个位置,功能本质并没有变化。

    基站系统,乃至整个无线接入网系统,亦是如此。

    一个基站,通常包括BBU(主要负责信号调制)、RRU(主要负责射频处理),馈线(连接RRU和天线),天线(主要负责线缆上导行波和空气中空间波之间的转换)。

    基站的组成部分

    在最早期的时候,BBU,RRU和供电单元等设备,是打包塞在一个柜子或一个机房里的。

    基站一体化

    后来,慢慢开始发生变化。

    怎么变化呢?通信砖家们把它们拆分了。

    首先,就是把RRU和BBU先给拆分了。

    硬件上不再放在一起,RRU通常会挂在机房的墙上。

    BBU有时候挂墙,不过大部分时候是在机柜里。

    机柜里的BBU

    再到后来,RRU不再放在室内,而是被搬到了天线的身边(所谓的“RRU拉远”),也就是分布式基站DBS3900,我们的余承东总裁当年在圣无线的时候就是负责这方面变革的专家,该产品一出解决了欧洲运营商的刚需,为打开欧洲市场立下了汗马功劳。

    天线+RRU

    这样,我们的RAN就变成了D-RAN,也就是Distributed RAN(分布式无线接入网)。

    这样做有什么好处呢?

    一方面,大大缩短了RRU和天线之间馈线的长度,可以减少信号损耗,也可以降低馈线的成本。

    另一方面,可以让网络规划更加灵活。毕竟RRU加天线比较小,想怎么放,就怎么放。

    说到这里,请大家注意:通信网络的发展演进,无非就是两个驱动力,一是为了更高的性能,二是为了更低的成本

    有时候成本比性能更加重要,如果一项技术需要花很多钱,但是带来的回报少于付出,它就很难获得广泛应用。

    RAN的演进,一定程度上就是成本压力带来的结果。

    D-RAN的架构下,运营商仍然要承担非常巨大的成本。因为为了摆放BBU和相关的配套设备(电源、空调等),运营商还是需要租赁和建设很多的室内机房或方舱。

    大量的机房=大量的成本

    于是,运营商就想出了C-RAN这个解决方案。

    C-RAN,意思是Centralized RAN集中化无线接入网。这个C,不仅代表集中化,还代表了别的意思:

    相比于D-RAN,C-RAN做得更绝。

    除了RRU拉远之外,它把BBU全部都集中关押起来了。关在哪了?中心机房(CO,Central Office)。

    这一大堆BBU,就变成一个BBU基带池。

    C-RAN这样做,非常有效地解决了前文所说的成本问题。

    可能在没有接触一线业务的时候,我们总以为设备运行后,运营商大量的前都用到了网络设备的维护中,但通过前期的勘测,我才了解到,运营商支持最大的成本不是通信设备维护,也不是雇佣维护人员,而是电费!

    在整个移动通信网络中,基站的能耗占比大约是……

    72%

    在基站里面,空调的能耗占比大约是……

    56%

    传统方式机房的功耗分析

    采用C-RAN之后,通过集中化的方式,可以极大减少基站机房数量,减少配套设备(特别是空调)的能耗。

    若干小机房,都进了大机房

    机房少了,租金就少了,维护费用也少了,人工费用也跟着减少了。这笔开支节省,对饱受经营压力之苦的运营商来说,简直是久旱逢甘霖。

    另外,拉远之后的RRU搭配天线,可以安装在离用户更近距离的位置。距离近了,发射功率就低了。

    低的发射功率意味着用户终端电池寿命的延长无线接入网络功耗的降低。说白了,你手机会更省电,待机时间会更长,运营商那边也更省电、省钱!

    更重要一点,除了运营商可以省钱之外,采用C-RAN也会带来很大的社会效益,减少大量的碳排放(CO2)。

    此外,分散的BBU变成BBU基带池之后,更强大了,可以统一管理和调度,资源调配更加灵活!

    C-RAN下,基站实际上是“不见了”,所有的实体基站变成了虚拟基站。

    所有的虚拟基站在BBU基带池中共享用户的数据收发、信道质量等信息。强化的协作关系,使得联合调度得以实现。小区之间的干扰,就变成了小区之间的协作(CoMP),大幅提高频谱使用效率,也提升了用户感知。

    多点协作传输(CoMP,Coordinated Multiple Points Transmission/Reception)是指地理位置上分离的多个传输点,协同参与为一个终端的数据(PDSCH)传输或者联合接收一个终端发送的数据(PUSCH)。

    此外,BBU基带池既然都在CO(中心机房),那么,就可以对它们进行虚拟化了!

    虚拟化,就是网元功能虚拟化(NFV)。简单来说,以前BBU是专门的硬件设备,非常昂贵,现在,找个x86服务器,装个虚拟机(VM,Virtual Machines),运行具备BBU功能的软件,然后就能当BBU用啦!

    这样又可以帮客户节省好多的经费,不过这项技术短期内主要还是应用于核心网的网元中,前一段时间刷屏的亚马逊上销售的仅需每月90美元的核心网设备,就是利用这项核心技术。具体的我们留到后面再说,这里让我们继续聚焦于接入网。

    正因为C-RAN这种集中化的方式会带来巨大的成本削减,所以,受到运营商的欢迎和追捧。

    到了5G时代,接入网又发生了很大的变化。

    在5G网络中,接入网不再是由BBURRU天线这些东西组成了。而是被重构为以下3个功能实体:

    • CU(Centralized Unit,集中单元)
    • DU(Distribute Unit,分布单元)
    • AAU(Active Antenna Unit,有源天线单元)

    CU:原BBU的非实时部分将分割出来,重新定义为CU,负责处理非实时协议和服务。

    AAU:BBU的部分物理层处理功能与原RRU及无源天线合并为AAU。

    DU:BBU的剩余功能重新定义为DU,负责处理物理层协议和实时服务。

    简而言之,CU和DU,以处理内容的实时性进行区分。

    简单来说,AAU=RRU+天线

    如果还不太清楚,我们看一下下面这张图:

    注意,在图中,EPC(就是4G核心网)被分为New Core(5GC,5G核心网)和MEC(移动网络边界计算平台)两部分。MEC移动到和CU一起,就是所谓的“下沉”(离基站更近)。

    核心网部分功能下沉

    之所以要BBU功能拆分核心网部分下沉,根本原因,就是为了满足5G不同场景的需要。

    5G是一个“万金油”网络,除了网速快之外,还有很多的特点,例如时延低、支持海量连接,支持高速移动中的手机,等等。

    不同场景下,对于网络的特性要求(网速、时延、连接数、能耗...),其实是不同的,有的甚至是矛盾的。

    例如,你看高清演唱会直播,在乎的是画质,时效上,整体延后几秒甚至十几秒,你是没感觉的。而你远程驾驶,在乎的是时延,时延超过10ms,都会严重影响安全。

    所以,把网络拆开、细化,就是为了更灵活地应对场景需求。

    说到这里,就要提到5G的一个关键概念——「切片」

    切片,简单来说,就是把一张物理上的网络,按应用场景划分为N张逻辑网络。不同的逻辑网络,服务于不同场景。

    不同的切片,用于不同的场景

    网络切片,可以优化网络资源分配,实现最大成本效率,满足多元化要求。

    可以这么理解,因为需求多样化,所以要网络多样化;因为网络多样化,所以要切片;因为要切片,所以网元要能灵活移动;因为网元灵活移动,所以网元之间的连接也要灵活变化。

    所以,才有了DU和CU这样的新架构。

    依据5G提出的标准,CU、DU、AAU可以采取分离或合设的方式,所以,会出现多种网络部署形态:

    回传、中传、前传,是不同实体之间的连接

    上图所列网络部署形态,依次为:

    ① 与传统4G宏站一致,CU与DU共硬件部署,构成BBU单元。

    ② DU部署在4G BBU机房,CU集中部署。

    ③ DU集中部署,CU更高层次集中。

    ④ CU与DU共站集中部署,类似4G的C-RAN方式。

    这些部署方式的选择,需要同时综合考虑多种因素,包括业务的传输需求(如带宽,时延等因素)、建设成本投入、维护难度等。

    举个例子,如果前传网络为理想传输(有钱,光纤直接到天线那边),那么,CU与DU可以部署在同一个集中点。如果前传网络为非理想传输(没钱,没那么多光纤),DU可以采用分布式部署的方式。

    再例如,如果是车联网这样的低时延要求场景,你的DU,就要想办法往前放(靠近AAU部署),你的MEC、边缘云,就要派上用场。

    好了,通过前面的讲解,我们应该已经大体对5G接入网的概念有了一定程度地了解,那么接下来我们再来简单地谈一谈5G承载网。

    二、5G承载网

    有同学就问,5G不仅仅只在接入网有变化,在即将到来的5G时代,5G的承载网和传送网会是个什么样子,会采用什么黑科技?

    业界有一句话,就是承载先行。这也体现了承载网的重要性,为什么说它重要呢?因为承载网是基础资源,必须先于无线网部署到位。前面我们提到过5G的主要优点,总结而言,就三个:

    • 1Gbps的用户体验速率:eMBB
    • 毫秒级的延迟:uRLLC
    • 百万级/k㎡的终端接入:mMTC

    5G想要满足以上应用场景的要求,承载网是必须要进行升级改造的。

    注意!划重点啦!下面这段文字很重要!

    在5G网络中,之所以要功能划分、网元下沉,根本原因,就是为了满足不同场景的需要。前面再谈接入网的时候,我们提到了前传、回传等概念说的就是承载网。因为承载网的作用就是把网元的数据传到另外一个网元上。

    这里我们再来具体看看,对于前、中、回传,到底怎么个承载法。

    首先看前传(AAU↔DU)。主要有三种方式:

    第一种,光纤直连方式

    每个AAU与DU全部采用光纤点到点直连组网,如下图:

    这就属于典型的“土豪”方式了,实现起来很简单,但最大的问题是光纤资源占用很多。随着5G基站、载频数量的急剧增加,对光纤的使用量也是激增。

    所以,光纤资源比较丰富的区域,可以采用此方案。

    第二种,无源WDM方式

    将彩光模块安装到AAU和DU上,通过无源设备完成WDM功能,利用一对或者一根光纤提供多个AAU到DU的连接。如下图:

    什么是彩光模块?

    光复用传输链路中的光电转换器,也称为WDM波分光模块。不同中心波长的光信号在同一根光纤中传输是不会互相干扰的,所以彩光模块实现将不同波长的光信号合成一路传输,大大减少了链路成本。

    采用无源WDM方式,虽然节约了光纤资源,但是也存在着运维困难,不易管理,故障定位较难等问题。

    第三种,有源WDM/OTN方式

    在AAU站点和DU机房中配置相应的WDM/OTN设备,多个前传信号通过WDM技术共享光纤资源。如下图:

    这种方案相比无源WDM方案,组网更加灵活(支持点对点和组环网),同时光纤资源消耗并没有增加。

    看完了前传,我们再来看看中传(DU↔CU)和回传(CU以上)

    由于中传与回传对于承载网在带宽、组网灵活性、网络切片等方面需求是基本一致的,所以可以使用统一的承载方案。

    主要有两种方案:

    • 分组增强型OTN+IPRAN

    利用分组增强型OTN设备组建中传网络,回传部分继续使用现有IPRAN架构。

    • 端到端分组增强型OTN

    中传与回传网络全部使用分组增强型OTN设备进行组网。

    这里我们仅仅对承载网做了最简单的讲解,至于承载网中采用的FlexE分片技术、减低时延的技术、SDN架构等等想了解的小伙伴建议自己查一查。

    最后对5G承载网做一下总结:

    • 架构:核心层采用Mesh组网,L3逐步下沉到接入层,实现前传回传统一。
    • 分片:支持网络FlexE分片
    • SDN:支持整网的SDN部署,提供整网的智能动态管控。
    • 带宽:接入环达到50GE以上,汇聚环达到200GE以上,核心层达到400GE。

    三、5G核心网

    由于核心网是我认为最难的一块网络,涉及的产品非常多,实话说我也还没有理解透,因此这里采用从2G到5G核心网演进的方式,帮助大家初步了解核心网。尤其会重点说一说,马上进入5G时代了,我们的核心网究竟会变成什么样子。

    2G的核心网设备,是这样的:

    2G核心网设备

    大大宽宽的机柜,有好几层机框,然后每层机框插了很多的单板。单板很薄很轻,面板是塑料的,很容易坏。

    这个设备,名字就叫MSC(Mobile Switching Center),移动交换中心。

    我们来看看当时的网络架构图:

    2G网络架构

    可以看出来,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。

    注意:之所以图上面写的是“MSC/VLR”,是因为VLR是一个功能实体,但是物理上,VLR和MSC是同一个硬件设备。相当于一个设备实现了两个角色,所以画在一起。HLR/AUC也是如此,HLR和AUC物理合一。

    后来,到了2.5G。是的没错,2G和3G之间,还有一个2.5G——就是GPRS。

    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,核心网有了大变化,开始有了PS核心网。PS,Packet Switch,分组交换,包交换。

    红色部分为PS交换

    SGSN:Serving GPRS Support Node,服务GPRS支持节点

    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

    很快,基站部分跟着变,2.5G到了3G,网络结构变成了这样:

    (为了简单,HLR等网元我就没画了)

    3G基站,由RNC和NodeB组成。

    到了3G阶段,设备商的硬件平台进行彻底变革升级。

    机架内部

    (单板比2G重,而且面板都是金属的)

    机框后侧

    (主要是提供网线、时钟线、信号线接口)

    大家不要小看了硬件平台,实际上,就像最开始华为的C&C08中兴的ZXJ10一样,设备商自家的很多不同业务的设备,都是基于同一个硬件平台进行开发的。不可能每个设备都单独开发硬件平台,既浪费时间和精力,又不利于生产和维护。

    稳定可靠且处理能力强大的硬件平台,是产品的基石。

    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。

    硬件平台上的光纤

    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。

    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。

    而控制面,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。

    接着,SGSN变成MME,GGSN变成SGW/PGW,也就演进成了4G核心网:

    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,一部分给了eNodeB)

    MME:Mobility Management Entity,移动管理实体

    SGW:Serving Gateway,服务网关

    PGW:PDN Gateway,PDN网关

    演进到4G核心网之前,硬件平台也提前升级了。

    华为的USN系列,开始启用ATCA/ETCA平台(后来MME就用了它),还有UGW平台(后面PGW和SGW用了它,PGW和SGW物理上是一体的)。

    中兴ATCA机框

    ATCA:Advanced Telecom Computing Architecture,先进电信计算架构

    ETCA:enhanced ATCA,增强型ATCA

    中兴xGW(T8000)硬件平台

    其实就是一个大路由器

    在3G到4G的过程中,IMS出现了,取代传统CS(也就是MSC那些),提供更强大的多媒体服务(语音、图片短信、视频电话等)。IMS,使用的也主要是ATCA平台。

    前面所说的V3平台,实际上很像一个电脑,有处理器(MP单板),有网卡(以太网接口卡,光纤接口卡)。而V4的ATCA平台,更像一台电脑了,前面你也看到了,名字就叫“先进电信计算平台”,也就是“电信服务器”嘛。

    确切说,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”。

    ATCA业务处理板——“刀片”

    (没找到中兴的,只能放个华为的)

    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。

    于是乎,虚拟化时代,就到来了。

    虚拟化,就是网元功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)。

    说白了,硬件上,直接采用HP、IBM等IT厂家的x86平台通用服务器(目前以刀片服务器为主,节约空间,也够用)。

    软件上,设备商基于openstack这样的开源平台,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

    注意了,虚拟化平台不等于5G核心网。也就是说,并不是只有5G才能用虚拟化平台。也不是用了虚拟化平台,就是5G。

    按照惯例,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。

    好了,上面说了5G核心网的硬件平台,接下来,我们仔细说说5G核心网的架构。

    到了5G,网络逻辑结构彻底改变了。

    5G核心网,采用的是SBA架构(Service Based Architecture,即基于服务的架构)。名字比较好记,呵呵…

    SBA架构,基于云原生构架设计,借鉴了IT领域的“微服务”理念。

    把原来具有多个功能的整体,分拆为多个具有独自功能的个体。每个个体,实现自己的微服务。

    单体式架构(Monolithic)→ 微服务架构(Microservices)

    这样的变化,会有一个明显的外部表现,就是网元大量增加了。

    红色虚线内为5G核心网

    除了UPF之外,都是控制面

    这些网元看上去很多,实际上,硬件都是在虚拟化平台里面虚拟出来的。这样一来,非常容易扩容、缩容,也非常容易升级、割接,相互之间不会造成太大影响(核心网工程师的福音)。

    简而言之,5G核心网就是模块化、软件化

    5G核心网之所以要模块化,还有一个主要原因,就是为了“切片”

    很多人觉得“切片”很难,其实并非如此。

    切片,就是“多种人格”。同一样东西,具有不同的特性,以应对不同的场景,也有点像“瑞士军刀”。

    5G是一个天下一统的网络,通吃所有用户。设计之初,就需要它应对各种需求。

    既然网络用途不同,当然要见招拆招。以一个死板的固定网络结构去应对,肯定是不行的。只有拆分成模块,灵活组队,才能搞定。

    网络切片

    例如,在低时延的场景中(例如自动驾驶),核心网的部分功能,就要更靠近用户,放在基站那边,这就是“下沉”。

    部分核心网功能,“下沉”到了MEC

    下沉不仅可以保证“低时延”,更能够节约成本,所以,是5G的一个杀手锏。

    以上,就是从2G到5G,核心网整个的演进过程和思路。并不难理解吧?

    简单概括,就是拆分、拆分、再拆分,软件、软件、更软件。

    在将来,核心网的硬件和IT行业的硬件一样。而核心网的软件,就变成手机上面的app一样。

    通过以上的讲解希望对大家理解无线通信的网络架构有所帮助!

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  • 核心网

    千次阅读 多人点赞 2020-07-22 10:13:12
    在我们正式讲解之前,我想通过这张网络简图帮助大家认识一下全网的网络架构...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。 RTN 定义: 实时网络,Real-Time Networks PTN 定义: 分组传送网,Pack

    在我们正式讲解之前,我想通过这张网络简图帮助大家认识一下全网的网络架构,通过对全网架构的了解,将方便您对后面每一块网络细节的理解。
    在这里插入图片描述
    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。

    无线侧:手机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IPRAN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。

    RTN 定义: 实时网络,Real-Time Networks
    PTN 定义: 分组传送网,Packet Transport Network,是指这样一种光传送网络架构和具体技术:在IP业务和底层光传输媒质之间设置了一个层面,它针对分组业务流量的突发性和统计复用传送的要求而设计,以分组业务为核心并支持多业务提供,具有更低的总体使用成本(TCO),同时秉承光传输的传统优势,包括高可用性和可靠性、高效的带宽管理机制和流量工程、便捷的OAM和网管、可扩展、较高的安全性等。
    IP RAN 定义:无线接入网IP化,IP Radio Access Network,是指以IP/MPLS协议及关键技术为基础,主要面向移动业务承载并兼顾提供二三层通道类业务承载,以省为单位,依托CN2骨干层组成的端到端的业务承载网络。在IP RAN网络中主要包括接入层、汇聚层和核心层,而核心层又分为城域核心层、省核心层。
    BSC 定义:基站控制器,Base Station Controller,是基站收发台(BTS)和移动交换中心(MSC)之间的连接点,也为基站收发台和移动交换中心之间交换信息提供接口。一个基站控制器通常控制几个基站收发台。BSC主要功能是进行无线信道管理、实施呼叫和通信链路的建立和拆除,并为本控制区内移 动台的过区切换进行控制等。BSC/RNC: 基站控制器(base station control),BSC在基站子系统中起控制器和话务集中器作用,一个基站控制器根据话务量可以控制数十个BTS。
    MSC 定义:移动业务交换中心,mobile switching center,是网路的核心,它提供交换功能以及面向系统其他功能实体。MSC可以从三种数据库(HLR,VLR,AUC)获取处理用户位置登记和呼叫请求所需的全部数据。反之,MSC也根据其最新获取的信息请求更新数据库的部分数据。MSC具有号码储存译码、呼叫处理、路由选择、回波抵消、超负荷控制等功能;MSC作为网路核心,应能支持位置登记、越区切换和自动漫游等移动管理功能;MSC还应支持信道管理、数据传输,以及包括鉴权、信息加密、移动台设备识别等安全保密功能。
    VLR 定义:访问位置寄存器,visiting location register ,服务于其控制区域内移动用户的,存储着进入其控制区域内已登记的移动用户相关信息,为已登记的移动用户提供建立呼叫连接的必要条件。VLR从该移动用户的归属用户位置寄存器(HLR)出获取并储存必要的数据。一旦移动用户离开该VLR的控制区域,则重新在另一个VLR登记,原VLR将取消临时记录的该移动用户数据。
    HLR 定义: 归属位置寄存器,Home location register,是GSM系统的中央数据库,存储着该HLR控制的所有存在的移动用户的相关数据,所有移动用户重要的静态数据都存储在HLR中,这包括移动用户识别号码、访问能力、用户类型和补充业务等数据。HLR还存储这归属用户有关的动态数据信息,如用户位置更新信息或漫游用户所在的MSC/VLR地址以及分配给用户的补充业务。
    EIR 定义:移动设备识别寄存器,Equipment Identity Register,它存储着移动设备的国际移动设备识别码(IMEI),通过检查白色清单、黑色清单或灰色清单这三种表格,在表格中分别列出准许使用的、失窃不准使用的、出现异常需要监视的移动设备的IMEI号码。AUC依据MSC的要求,检验IMEI以及其状态,并将结果报告MSC。
    AUC 定义:鉴权中心,Authentication center,GSM系统采取了特别的安全措施,例如用户鉴权、对无线接口上的话音、数据和信号信息进行保密等。因此AUC存储着鉴权算法和加密密钥,用来防止无权用户接入系统和保证通过无线接口的用户通信的安全。
    GSM网 定义:全球移动通讯系统,Global System for Mobile Communications,俗称"全球通",是一种起源于欧洲的移动通信技术标准,是第二代移动通信技术,其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准,是世界上第一个对数字调制、网络层结构和业务作了规定的蜂窝系统的网络。

    固网侧:家客和集客通过接入网接入,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。

    GPON 定义:具有千兆位功能的无源光网络,Gigabit-Capable Passive Optical Networks,是基于ITU-TG.984.x标准的最新一代宽带无源光综合接入标准,具有高带宽,高效率,大覆盖范围,用户接口丰富等众多优点,被大多数运营商视为实现接入网业务宽带化,综合化改造的理想技术。
    GPON是光纤传输的形式之一,PON是光纤传输的形式的统称。
    PON 定义:无源光纤网络,Passive Optical Network,是指(光配线网中)不含有任何电子器件及电子电源,ODN全部由光分路器(Splitter)等无源器件组成,不需要贵重的有源电子设备。一个无源光网络包括一个安装于中心控制站的光线路终端(optical line terminal, OLT),以及一批配套的安装于用户场所的光网络单元(Optical Network Unit, ONUs)。在OLT与ONU之间的光配线网(Optical Distribution Node,ODN)包含了光纤以及无源分光器或者耦合器。
    ONT 定义:光网络终端,Optical Network terminal
    BRAS 定义:宽带远程接入服务器,Broadband Remote Access Server

    固网侧和无线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。

    SDH 定义:同步数字体系,Synchronous Digital Hierarchy,同步数字体系
    OTN 定义:光传送网,OpticalTransportNetwork

    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。

    NAT 定义:网络地址转换,Network Address Translation

    核心网

    核心网的英文叫Core Network(核心网络),简称CN
    为了方便理解,大家可以把核心网视为一个“非常复杂的加强版路由器”。
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    通信网络的三大组成部分:接入网、承载网、核心网。
    这是一个简化版的移动通信架构图
    简化版的移动通信架构图
    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;核心网呢,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。

    无线接入网,也就是通常所说的RAN(Radio Access Network)。简单地讲,就是把所有的手机终端,都接入到通信网络中的网络。大家耳熟能详的基站(BaseStation),就是属于无线接入网(RAN)。
    而对数据的处理和分发,其实就是“路由交换”,这是核心网的本质。
    核心网之所以复杂,其实是人为造成的。再具体一点说,就是因为市场的需要。用户产生欲望,市场制造欲望,欲望越多,需求越多。需求越多,业务越多。业务越多,设备越多,接口越多,网络越复杂。
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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。
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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,有了网元。网元就是Net Element(网络单元),简称NE,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设备(网元)。简而言之,它们的核心任务只有三个:认证、授权和记账。
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    认证,就是看你是不是合法用户,有没有密钥。
    授权,就是看你有权限做什么事,哪些服务可以用,哪些不能用。
    记账,就是看你做了哪些事,然后记录下来,收你的钱。
    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。
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    于是,这个网络就变得空前复杂。
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    这张图,只是一个LTE而已

    虽然我们从1G开始,历经2G、3G,一路走到4G,号称是技术飞速演进,但整个通信网络的逻辑架构,一直都是:手机→接入网→承载网→核心网→承载网→接入网→手机。
    通信过程的本质,就是编码解码、调制解调、加密解密。
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    通信标准更新换代,无非是设备改个名字,或者挪个位置,功能本质并没有变化。

    为什么每一代新通信标准出现,都要换新的设备呢?主要原因在于:
    第一,因为用户数量激增,无线速率激增,所以网络设备的数据处理能力必须随之激增。处理器的运算速度激增,设备单板端口数量和带宽激增(电口变光口),内部线路(总线)的带宽激增。就像我们的电脑一样,以前是1M网卡,后来是奔腾处理器,100M网卡,现在是酷睿处理器,1000M网卡。这就是升级换代,速度和性能的提升。
    第二,就是业务变得无比复杂了。最开始是打电话,后来多了发短信,再后来,多了上网(数据业务)。你以为就这三种简单业务?细究起来,远远不止啊:以前是后付费,你打电话,我记账,月底给你账单。后来,有了预付费,你先存钱,你打电话的同时,我随时盯着你,只要你的余额一用完,我立刻掐掉你的电话。为了实现“预付费”这个功能,我们多了“智能网”设备。以前发文本短信,后来要发彩信。以前电话振铃就是嘟嘟嘟,后来有了彩铃。以前电话号码是正常位数,现在多了短号码,多了集团用户,多了特服号码(不是你想的那种“特殊服务”啊,是110、119、120这种特殊情况服务号码)。更别说还有变态的一卡双号和一号双卡。以前上网就是统一按流量收费,现在有了定向免流量(像腾讯大王卡这种)。所有这些特殊的业务,都带来了新网元,新设备,新功能,从而导致整个核心网,越来越庞大,越来越复杂。
    小枣君个人认为,无线的难,难在空中接口、信道。站在研发的角度,编解码方式的设计、调制解调方式的设计、天线的设计、算法、仿真等,都难。然后,网络的性能指标、参数设置、手机状态、阀值、兼容问题等,也难(尤其是对网优工程师)。但是,终究都是围绕空口这一个接口转,标准流程并不算复杂,涉及的网元也不多。
    而且,对于一线工程师来说,理论部分都是顶层设计好的,不需要改动(例如前面说的编码方式、信道设计、物理层结构)。所以,实际工作中,这一方面要好一些。更多的工作难度,是来自于基站的数量。一个项目,几千个站,需要把它们都照顾好,经常要下站点,是体力上的考验、困难。
    但是,核心网恰好相反。核心网,就是路由交换,打包发包,围着协议栈、TCP/IP、OSI模型、报文转,没有空间波那些高深的理论,也不需要想破头去考虑如何突破速率瓶颈和对抗干扰。但是,它涉及的功能性网元种类多,网元与网元之间的接口非常多。不同的接口,使用的是不同的协议,要记住的协议细节很多。
    而且,核心网有各种业务,例如短信、智能网、VoLTE等,业务的流程非常复杂,涉及到很多网元的配合,甚至跨网络类型(例如同时接入3GPP无线和Non-3GPP无线)。所以,核心网的一线工程师之所以难当,就是难在业务流程、业务对接和协议参数上。此外,就是各种网元的各种数据配置项,非常复杂。再有一个,复杂的网络,一旦出现问题,排查起来非常困难。
    不过和无线相比,核心网有一点优势,就是KPI指标。无线非常关注指标,而核心网对指标其实并不是特别care。不是指标不重要,而是说核心网要么就是对的,要么就是错的,一旦能接通,就每次都能。不存在有时候成功,有时候失败。而无线空口的话就说不准了。

    通信网络的发展演进,无非就是两个驱动力,一是为了更高的性能,二是为了更低的成本。

    接入网

    分散的BBU变成BBU基带池之后,更强大了,可以统一管理和调度,资源调配更加灵活!
    C-RAN下,基站实际上是“不见了”,所有的实体基站变成了虚拟基站。
    所有的虚拟基站在BBU基带池中共享用户的数据收发、信道质量等信息。强化的协作关系,使得联合调度得以实现。小区之间的干扰,就变成了小区之间的协作(CoMP),大幅提高频谱使用效率,也提升了用户感知。
    多点协作传输(CoMP,Coordinated Multiple Points Transmission/Reception)是指地理位置上分离的多个传输点,协同参与为一个终端的数据(PDSCH)传输或者联合接收一个终端发送的数据(PUSCH)。
    BBU基带池既然都在CO(中心机房),那么,就可以对它们进行虚拟化了!
    虚拟化,就是网元功能虚拟化(NFV)。
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    注意,在图中,EPC(就是4G核心网)被分为New Core(5GC,5G核心网)和MEC(移动网络边界计算平台)两部分。MEC移动到和CU一起,就是所谓的“下沉”(离基站更近)。

    BBU(主要负责信号调制)、RRU(主要负责射频处理),馈线(连接RRU和天线),天线(主要负责线缆上导行波和空气中空间波之间的转换)。
    在5G网络中,接入网不再是由BBU、RRU、天线这些东西组成了。而是被重构为以下3个功能实体:

    • CU(Centralized Unit,集中单元)原BBU的非实时部分将分割出来,重新定义为CU,负责处理非实时协议和服务。
    • AAU(Active Antenna Unit,有源天线单元)BBU的部分物理层处理功能与原RRU及无源天线合并为AAU。
    • DU(Distribute Unit,分布单元)BBU的剩余功能重新定义为DU,负责处理物理层协议和实时服务。
    • 简而言之,CU和DU,以处理内容的实时性进行区分。
      把网络拆开、细化,就是为了更灵活地应对场景需求。
      说到这里,就要提到5G的一个关键概念——「切片」。
      切片,简单来说,就是把一张物理上的网络,按应用场景划分为N张逻辑网络。不同的逻辑网络,服务于不同场景。

    CRAN、DRAN、Cloud RAN

    (1)射频收发模块
    一般叫做RF单元,也就是我们经常说的RRU。

    (2)基带处理模块
    Baseband Processing,也就是我们经常说的BBU。

    BBU又可以划分为CU和DU

    CU:非实时处理模块。L3信令流程等,对时延要求不是很高的业务处理模块。
    DU:实时处理模块。编解码、调度等对时延要求较高的业务处理模块。
    CRAN、DRAN、Cloud RAN等概念就是对RRU、BBU(CU、DU)在物理上如何布局的描述:
    (1)CU和DU集中在BBU盒子里。在3G、4G时代,最熟悉的基站形态是RRU+BBU,强调基带和射频的分布式部署。其中,CU和DU是部署在BBU中的,这种传统方式被称为DRAN(D指distributed)。
    (2)CU和DU集中在BBU盒子里。为了节省空间、机房设施,BBU被集中对方在距离站点几公里~十几公里的机房中。这种方式还可以让集中的BBU资源共享,相互协同。这种方式,我们成为CRAN(C指centralized),强调BBU集中部署。
    (3)DU在BBU盒子中,CU云化,通过虚拟化NFV技术实现。这就是Cloud RAN。DU仍然在BBU盒子中,可以用DRAN方式部署在站点位置上,也可以用CRAN的方式集中放置。

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    网络切片,可以优化网络资源分配,实现最大成本效率,满足多元化要求。
    可以这么理解,因为需求多样化,所以要网络多样化;因为网络多样化,所以要切片;因为要切片,所以网元要能灵活移动;因为网元灵活移动,所以网元之间的连接也要灵活变化。

    承载网

    在5G网络中,之所以要功能划分、网元下沉,根本原因,就是为了满足不同场景的需要。前面再谈接入网的时候,我们提到了前传、回传等概念说的就是承载网。因为承载网的作用就是把网元的数据传到另外一个网元上。
    这里我们再来具体看看,对于前、中、回传,到底怎么个承载法。
    首先看前传Front Haul(AAU↔DU)。

    移动前传是指基站RRU到BBU之间的网络,移动前传承载主要关注 CPRI 链路的高效承载; 业务颗粒为:CPRI,一般都裸纤直驱,最新技术可以用OTN承载,微波技术提供。
    主要是从天线的BBU(Building Base band Unit:基带处理单元)到基站控制器RRU(Remote Radio Unit:远端射频单元)或RRH(Remote Radio Head:远端射频头)之间的连接。【去程链路】
    基带BBU集中放置在机房,RRU可安装至楼层,BBU与RRU之间采用光纤传输,RRU再通过同轴电缆及功分器(耦合器)等连接至天线,即主干采用光纤,支路采用同轴电缆。RRU接收和发射信号的,BBU是处理原始信号的。BBU+RRU是基站的一种类型,叫做拉远站。

    通常情况下,基站坐落在一个机柜中,通过在基站塔上的同轴电缆连接到天线。然后有人想出了一个主意,既然同轴电缆有掉电问题,为什么不通过天线将实际的无线电频率(RF)收发器放置在塔顶,并通过光纤将收发器连接到下面的基站呢?
    而基站和无线电频率(RF)收发器之间的光纤连接就被称为“前传”。
    前传的技术要求:
    1)接口标准:CPRI
    2)站点的Bit速率要求:
    ●如果3扇区,LTE 20MHz 22MIMO,CPRI的bit速率要达到32.457Gbit/s。
    ●如果站点支持LTE-A+3G+2G:15个RRH,CPRI bit速率需达20Gbit/s
    3)时延:CoMP部署要求最大往返时延为200~400μs
    4)时延抖动和同步:
    ●CPRI基带信号传输要求非常严格的低时延抖动。
    ●不但要解决FDD LTE+的频率同步问题,还要处理好LTE-A系统的时间同步。
    ●CPRI基带信号同步。
    对于前传,光纤网络是必须的;对于小型站点,可以用微波链路作为可选项。

    主要有三种方式:
    第一种,光纤直连方式。

    把BBU和RRU之间采用光纤连起来,形成点对点星型网络。
    优点:带宽、时延、频率稳定性都可满足要求,维护简单,成本相对较低。
    缺点:浪费光纤,传输距离短,没有保护。
    适用场景:光纤资源丰富,BBU与RRU之间距离短,保护要求较低的场景。

    第二种,无源WDM方式。

    被动式CWDM(稀疏波分复用)
    优点:节省光纤,无需有源器件,高可靠性,适合室外部署
    缺点:需统一采用彩光,无双向性

    第三种,有源WDM/OTN方式。

    采用WDM/OTN提供的GE/10GE接口进行传输,一般组建WDM/OTN环网。
    优点:带宽、时延、频率稳定性都可满足要求,节省纤芯,传输距离长,有环网保护,设备成熟度高。
    缺点:成本高,维护复杂。
    适用场景:光纤资源不足的场景。

    再来看看中传(DU↔CU)和回传(CU以上)。
    由于中传与回传对于承载网在带宽、组网灵活性、网络切片等方面需求是基本一致的,所以可以使用统一的承载方案。
    主要有两种方案:
    第一种,分组增强型OTN+IPRAN
    第二种,端到端分组增强型OTN

    “回传”是一个最初由货运行业创造出的术语,指的是一辆卡车从远程位置运送货物返回中央配送中心的过程。之后这个术语逐渐泛化,适用于各类语境,指代将远程站点连接到中心站点的链接。
    在现有的无线通信中,backhaul指的是基站和基站控制器之间的链接(一般用户先接入基站,基站再与基站控制器通信,然后进入核心网)。
    在无线技术中,回程(backhaul)指的是从信源站点向交换机传送语音和数据流量的功能
    移动回传是指BBU到S-G W/MME之间的网络,移动回传承载主要需保障BBU集中后大带宽业务流的传送。承载技术可以MSTP\IPRAN,PTN,OTN等,承载颗粒可以为2M、FE/GE。
    回程链路(backhaul):指从接入网络或者小区站点(cellsite)到交换中心的连接。交换中心连接至骨干网络,而骨干网络连接至核心网络。位于接入网络和骨干网络之间。
    互联网可以由多个异构网络互联组成。用来连接异构网络的设备是路由器。所谓异构是指两个或以上的无线通信系统采用了不同的接入技术,或者是采用相同的无线接入技术但属于不同的无线运营商。

    空口:空中接口,指的是移动终端(手机)和基站之间的接口,一般是指的协议。

    最后对5G承载网做一下总结

    • 架构:核心层采用Mesh组网,L3逐步下沉到接入层,实现前传回传统一。
    • 分片:支持网络FlexE分片
    • SDN:支持整网的SDN部署,提供整网的智能动态管控。
    • 带宽:接入环达到50GE以上,汇聚环达到200GE以上,核心层达到400GE。

    核心网

    2G的核心网

    大大宽宽的机柜,有好几层机框,然后每层机框插了很多的单板。单板很薄很轻,面板是塑料的,很容易坏。
    这个设备,名字就叫MSC(Mobile Switching Center),移动交换中心。
    2G网络架构
    在这里插入图片描述

    2.5G

    2G和3G之间,还有一个2.5G——就是GPRS。

    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,核心网有了大变化,开始有了PS核心网。PS,Packet Switch,分组交换,包交换。
    在这里插入图片描述

    3G

    在这里插入图片描述
    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。
    第一,IP化。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。部接口和内部通讯,都开始围绕IP地址和端口号进行。
    在这里插入图片描述

    4G

    SGSN变成MME,GGSN变成SGW/PGW,也就演进成了4G核心网
    在这里插入图片描述
    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,一部分给了eNodeB)
    MME:Mobility Management Entity,移动管理实体
    SGW:Serving Gateway,服务网关
    PGW:PDN Gateway,PDN网关
    演进到4G核心网之前,硬件平台也提前升级了。
    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。
    于是乎,虚拟化时代,就到来了。

    5G

    虚拟化,就是网元功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)。
    软件上,设备商基于openstack这样的开源平台,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。
    在这里插入图片描述
    注意了,虚拟化平台不等于5G核心网。也就是说,并不是只有5G才能用虚拟化平台。也不是用了虚拟化平台,就是5G。
    5G核心网,采用的是SBA架构(Service Based Architecture,即基于服务的架构)。SBA架构,基于云原生构架设计,借鉴了IT领域的“微服务”理念。把原来具有多个功能的整体,分拆为多个具有独自功能的个体。每个个体,实现自己的微服务。这样的变化,会有一个明显的外部表现,就是网元大量增加了。
    红色虚线内为5G核心网
    除了UPF之外,都是控制面
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    5G核心网就是模块化、软件化。
    5G核心网之所以要模块化,还有一个主要原因,就是为了“切片”。
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  • 一文看懂5G网络(接入网+承载网+核心网

    千次阅读 多人点赞 2020-03-11 17:11:23
    本文以无线接入网为线索,梳理一下无线侧接入网+承载网+核心网的架构,主讲无线接入网,浅析承载网和核心网,帮助大家更深入的了解5G,也帮助新手更好的入门。 在我们正式讲解之前,我想通过这张网络简图帮助大家...

    本文以无线接入网为线索,梳理一下无线侧接入网+承载网+核心网的架构,主讲无线接入网,浅析承载网和核心网,帮助大家更深入的了解5G,也帮助新手更好的入门。

    在我们正式讲解之前,我想通过这张网络简图帮助大家认识一下全网的网络架构,通过对全网架构的了解,将方便对后面每一块网络细节的理解。

    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。

    无线侧:手机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IPRAN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:家客和集客通过接入网接入,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。

    固网侧和无线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。

    看完宏观的架构,让我们深入进每个部分,去深入解读一下吧。

    01

    什么是无线接入网?

    首先大家看一下这个简化版的移动通信架构图:

    无线接入网,也就是通常所说的RAN(Radio Access Network)

    简单地讲,就是把所有的手机终端,都接入到通信网络中的网络。

    大家耳熟能详的基站(BaseStation),就是属于无线接入网(RAN)。

    无线基站

    虽然我们从1G开始,历经2G、3G,一路走到4G,号称是技术飞速演进,但整个通信网络的逻辑架构,一直都是:手机→接入网→承载网→核心网→承载网→接入网→手机。

    通信过程的本质,就是编码解码、调制解调、加密解密。

    要做的事情就这么多,各种设备各司其职,完成这些事情。

    通信标准更新换代,无非是设备改个名字,或者挪个位置,功能本质并没有变化。

    基站系统,乃至整个无线接入网系统,亦是如此。

    一个基站,通常包括BBU(主要负责信号调制)、RRU(主要负责射频处理),馈线(连接RRU和天线),天线(主要负责线缆上导行波和空气中空间波之间的转换)。

    基站的组成部分

    在最早期的时候,BBU,RRU和供电单元等设备,是打包塞在一个柜子或一个机房里的。

    基站一体化

    后来,慢慢开始发生变化。

    怎么变化呢?通信砖家们把它们拆分了。

    首先,就是把RRU和BBU先给拆分了。

    硬件上不再放在一起,RRU通常会挂在机房的墙上。

    BBU有时候挂墙,不过大部分时候是在机柜里。

    机柜里的BBU

    再到后来,RRU不再放在室内,而是被搬到了天线的身边(所谓的“RRU拉远”),也就是分布式基站DBS3900,我们的余承东总裁当年在圣无线的时候就是负责这方面变革的专家,该产品一出解决了欧洲运营商的刚需,为打开欧洲市场立下了汗马功劳。

    天线+RRU

    这样,我们的RAN就变成了D-RAN,也就是Distributed RAN(分布式无线接入网)。

    这样做有什么好处呢?

    一方面,大大缩短了RRU和天线之间馈线的长度,可以减少信号损耗,也可以降低馈线的成本。

    另一方面,可以让网络规划更加灵活。毕竟RRU加天线比较小,想怎么放,就怎么放。

    说到这里,请大家注意:通信网络的发展演进,无非就是两个驱动力,一是为了更高的性能,二是为了更低的成本

    有时候成本比性能更加重要,如果一项技术需要花很多钱,但是带来的回报少于付出,它就很难获得广泛应用。

    RAN的演进,一定程度上就是成本压力带来的结果。

    在D-RAN的架构下,运营商仍然要承担非常巨大的成本。因为为了摆放BBU和相关的配套设备(电源、空调等),运营商还是需要租赁和建设很多的室内机房或方舱。

    大量的机房=大量的成本

    于是,运营商就想出了C-RAN这个解决方案。

    C-RAN,意思是Centralized RAN集中化无线接入网。这个C,不仅代表集中化,还代表了别的意思:

    相比于D-RAN,C-RAN做得更绝。

    除了RRU拉远之外,它把BBU全部都集中关押起来了。关在哪了?中心机房(CO,Central Office)。

    这一大堆BBU,就变成一个BBU基带池。

    C-RAN这样做,非常有效地解决了前文所说的成本问题。

    可能在没有接触一线业务的时候,我们总以为设备运行后,运营商大量的前都用到了网络设备的维护中,但通过前期的勘测,我才了解到,运营商支持最大的成本不是通信设备维护,也不是雇佣维护人员,而是电费!

    在整个移动通信网络中,基站的能耗占比大约是……

    72%

    在基站里面,空调的能耗占比大约是……

    56%

    传统方式机房的功耗分析

    采用C-RAN之后,通过集中化的方式,可以极大减少基站机房数量,减少配套设备(特别是空调)的能耗。

    若干小机房,都进了大机房

    机房少了,租金就少了,维护费用也少了,人工费用也跟着减少了。这笔开支节省,对饱受经营压力之苦的运营商来说,简直是久旱逢甘霖。

    另外,拉远之后的RRU搭配天线,可以安装在离用户更近距离的位置。距离近了,发射功率就低了。

    低的发射功率意味着用户终端电池寿命的延长无线接入网络功耗的降低。说白了,你手机会更省电,待机时间会更长,运营商那边也更省电、省钱!

    更重要一点,除了运营商可以省钱之外,采用C-RAN也会带来很大的社会效益,减少大量的碳排放(CO2)。

    此外,分散的BBU变成BBU基带池之后,更强大了,可以统一管理和调度,资源调配更加灵活!

    C-RAN下,基站实际上是“不见了”,所有的实体基站变成了虚拟基站。

    所有的虚拟基站在BBU基带池中共享用户的数据收发、信道质量等信息。强化的协作关系,使得联合调度得以实现。小区之间的干扰,就变成了小区之间的协作(CoMP),大幅提高频谱使用效率,也提升了用户感知。

    多点协作传输(CoMP,Coordinated Multiple Points Transmission/Reception)是指地理位置上分离的多个传输点,协同参与为一个终端的数据(PDSCH)传输或者联合接收一个终端发送的数据(PUSCH)。

    此外,BBU基带池既然都在CO(中心机房),那么,就可以对它们进行虚拟化了!

    虚拟化,就是网元功能虚拟化(NFV)。简单来说,以前BBU是专门的硬件设备,非常昂贵,现在,找个x86服务器,装个虚拟机(VM,Virtual Machines),运行具备BBU功能的软件,然后就能当BBU用啦!

    这样又可以帮客户节省好多的经费,不过这项技术短期内主要还是应用于核心网的网元中,前一段时间刷屏的亚马逊上销售的仅需每月90美元的核心网设备,就是利用这项核心技术。具体的我们留到后面再说,这里让我们继续聚焦于接入网。

    正因为C-RAN这种集中化的方式会带来巨大的成本削减,所以,受到运营商的欢迎和追捧。

    到了5G时代,接入网又发生了很大的变化。

    在5G网络中,接入网不再是由BBU、RRU、天线这些东西组成了。而是被重构为以下3个功能实体:

    • CU(Centralized Unit,集中单元)
    • DU(Distribute Unit,分布单元)
    • AAU(Active Antenna Unit,有源天线单元)

    CU:原BBU的非实时部分将分割出来,重新定义为CU,负责处理非实时协议和服务。

    AAU:BBU的部分物理层处理功能与原RRU及无源天线合并为AAU。

    DU:BBU的剩余功能重新定义为DU,负责处理物理层协议和实时服务。

    简而言之,CU和DU,以处理内容的实时性进行区分。

    简单来说,AAU=RRU+天线

    如果还不太清楚,我们看一下下面这张图:

    注意,在图中,EPC(就是4G核心网)被分为New Core(5GC,5G核心网)和MEC(移动网络边界计算平台)两部分。MEC移动到和CU一起,就是所谓的“下沉”(离基站更近)。

    核心网部分功能下沉

    之所以要BBU功能拆分、核心网部分下沉,根本原因,就是为了满足5G不同场景的需要。

    5G是一个“万金油”网络,除了网速快之外,还有很多的特点,例如时延低、支持海量连接,支持高速移动中的手机,等等。

    不同场景下,对于网络的特性要求(网速、时延、连接数、能耗...),其实是不同的,有的甚至是矛盾的。

    例如,你看高清演唱会直播,在乎的是画质,时效上,整体延后几秒甚至十几秒,你是没感觉的。而你远程驾驶,在乎的是时延,时延超过10ms,都会严重影响安全。

    所以,把网络拆开、细化,就是为了更灵活地应对场景需求。

    说到这里,就要提到5G的一个关键概念——「切片」

    切片,简单来说,就是把一张物理上的网络,按应用场景划分为N张逻辑网络。不同的逻辑网络,服务于不同场景。

    不同的切片,用于不同的场景

    网络切片,可以优化网络资源分配,实现最大成本效率,满足多元化要求。

    可以这么理解,因为需求多样化,所以要网络多样化;因为网络多样化,所以要切片;因为要切片,所以网元要能灵活移动;因为网元灵活移动,所以网元之间的连接也要灵活变化。

    所以,才有了DU和CU这样的新架构。

    依据5G提出的标准,CU、DU、AAU可以采取分离或合设的方式,所以,会出现多种网络部署形态:

    回传、中传、前传,是不同实体之间的连接

    上图所列网络部署形态,依次为:

    ① 与传统4G宏站一致,CU与DU共硬件部署,构成BBU单元。

    ② DU部署在4G BBU机房,CU集中部署。

    ③ DU集中部署,CU更高层次集中。

    ④ CU与DU共站集中部署,类似4G的C-RAN方式。

    这些部署方式的选择,需要同时综合考虑多种因素,包括业务的传输需求(如带宽,时延等因素)、建设成本投入、维护难度等。

    举个例子,如果前传网络为理想传输(有钱,光纤直接到天线那边),那么,CU与DU可以部署在同一个集中点。如果前传网络为非理想传输(没钱,没那么多光纤),DU可以采用分布式部署的方式。

    再例如,如果是车联网这样的低时延要求场景,你的DU,就要想办法往前放(靠近AAU部署),你的MEC、边缘云,就要派上用场。

    好了,通过前面的讲解,我们应该已经大体对5G接入网的概念有了一定程度地了解,那么接下来我们再来简单地谈一谈5G承载网。

    02

    什么是5G承载网?

    有同学就问,5G不仅仅只在接入网有变化,在即将到来的5G时代,5G的承载网和传送网会是个什么样子,会采用什么黑科技?

    业界有一句话,就是承载先行。这也体现了承载网的重要性,为什么说它重要呢?因为承载网是基础资源,必须先于无线网部署到位。前面我们提到过5G的主要优点,总结而言,就三个:

    • 1Gbps的用户体验速率:eMBB
    • 毫秒级的延迟:uRLLC
    • 百万级/k㎡的终端接入:mMTC

    5G想要满足以上应用场景的要求,承载网是必须要进行升级改造的。

    注意!划重点啦!下面这段文字很重要!

    在5G网络中,之所以要功能划分、网元下沉,根本原因,就是为了满足不同场景的需要。前面再谈接入网的时候,我们提到了前传、回传等概念说的就是承载网。因为承载网的作用就是把网元的数据传到另外一个网元上。

    这里我们再来具体看看,对于前、中、回传,到底怎么个承载法。

    首先看前传(AAU↔DU)。主要有三种方式:

    第一种,光纤直连方式。

    每个AAU与DU全部采用光纤点到点直连组网,如下图:

    这就属于典型的“土豪”方式了,实现起来很简单,但最大的问题是光纤资源占用很多。随着5G基站、载频数量的急剧增加,对光纤的使用量也是激增。

    所以,光纤资源比较丰富的区域,可以采用此方案。

    第二种,无源WDM方式。

    将彩光模块安装到AAU和DU上,通过无源设备完成WDM功能,利用一对或者一根光纤提供多个AAU到DU的连接。如下图:

    什么是彩光模块?

    光复用传输链路中的光电转换器,也称为WDM波分光模块。不同中心波长的光信号在同一根光纤中传输是不会互相干扰的,所以彩光模块实现将不同波长的光信号合成一路传输,大大减少了链路成本。

    采用无源WDM方式,虽然节约了光纤资源,但是也存在着运维困难,不易管理,故障定位较难等问题。

    第三种,有源WDM/OTN方式。

    在AAU站点和DU机房中配置相应的WDM/OTN设备,多个前传信号通过WDM技术共享光纤资源。如下图:

    这种方案相比无源WDM方案,组网更加灵活(支持点对点和组环网),同时光纤资源消耗并没有增加。

    看完了前传,我们再来看看中传(DU↔CU)回传(CU以上)

    由于中传与回传对于承载网在带宽、组网灵活性、网络切片等方面需求是基本一致的,所以可以使用统一的承载方案。

    主要有两种方案:

    • 分组增强型OTN+IPRAN

    利用分组增强型OTN设备组建中传网络,回传部分继续使用现有IPRAN架构。

    • 端到端分组增强型OTN

    中传与回传网络全部使用分组增强型OTN设备进行组网。

    这里我们仅仅对承载网做了最简单的讲解,至于承载网中采用的FlexE分片技术、减低时延的技术、SDN架构等等想了解的小伙伴建议自己查一查。

    最后对5G承载网做一下总结:

    • 架构:核心层采用Mesh组网,L3逐步下沉到接入层,实现前传回传统一。
    • 分片:支持网络FlexE分片
    • SDN:支持整网的SDN部署,提供整网的智能动态管控。
    • 带宽:接入环达到50GE以上,汇聚环达到200GE以上,核心层达到400GE。

    03

    什么是5G核心网?

    由于核心网是我认为最难的一块网络,涉及的产品非常多,实话说我也还没有理解透,因此这里采用从2G到5G核心网演进的方式,帮助大家初步了解核心网。尤其会重点说一说,马上进入5G时代了,我们的核心网究竟会变成什么样子。

    2G的核心网设备,是这样的:

    2G核心网设备

    大大宽宽的机柜,有好几层机框,然后每层机框插了很多的单板。单板很薄很轻,面板是塑料的,很容易坏。

    这个设备,名字就叫MSC(Mobile Switching Center),移动交换中心。

    我们来看看当时的网络架构图:

    2G网络架构

    可以看出来,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。

    注意:之所以图上面写的是“MSC/VLR”,是因为VLR是一个功能实体,但是物理上,VLR和MSC是同一个硬件设备。相当于一个设备实现了两个角色,所以画在一起。HLR/AUC也是如此,HLR和AUC物理合一。

    后来,到了2.5G。是的没错,2G和3G之间,还有一个2.5G——就是GPRS。

    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,核心网有了大变化,开始有了PS核心网。PS,Packet Switch,分组交换,包交换。

    红色部分为PS交换

    SGSN:Serving GPRS Support Node,服务GPRS支持节点

    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

    很快,基站部分跟着变,2.5G到了3G,网络结构变成了这样:

    (为了简单,HLR等网元就没画)

    3G基站,由RNC和NodeB组成。

    到了3G阶段,设备商的硬件平台进行彻底变革升级。

    机架内部

    (单板比2G重,而且面板都是金属的)

    机框后侧

    (主要是提供网线、时钟线、信号线接口)

    大家不要小看了硬件平台,实际上,就像最开始华为的C&C08、中兴的ZXJ10一样,设备商自家的很多不同业务的设备,都是基于同一个硬件平台进行开发的。不可能每个设备都单独开发硬件平台,既浪费时间和精力,又不利于生产和维护。

    稳定可靠且处理能力强大的硬件平台,是产品的基石。

    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。

    硬件平台上的光纤

    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。

    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。

    而控制面,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。

    接着,SGSN变成MME,GGSN变成SGW/PGW,也就演进成了4G核心网:

    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,一部分给了eNodeB)

    MME:Mobility Management Entity,移动管理实体

    SGW:Serving Gateway,服务网关

    PGW:PDN Gateway,PDN网关

    演进到4G核心网之前,硬件平台也提前升级了。

    华为的USN系列,开始启用ATCA/ETCA平台(后来MME就用了它),还有UGW平台(后面PGW和SGW用了它,PGW和SGW物理上是一体的)。

    中兴ATCA机框

    ATCA:Advanced Telecom Computing Architecture,先进电信计算架构

    ETCAz;enhanced ATCA,增强型ATCA

    中兴xGW(T8000)硬件平台

    其实就是一个大路由器

    在3G到4G的过程中,IMS出现了,取代传统CS(也就是MSC那些),提供更强大的多媒体服务(语音、图片短信、视频电话等)。IMS,使用的也主要是ATCA平台。

    前面所说的V3平台,实际上很像一个电脑,有处理器(MP单板),有网卡(以太网接口卡,光纤接口卡)。而V4的ATCA平台,更像一台电脑了,前面你也看到了,名字就叫“先进电信计算平台”,也就是“电信服务器”嘛。

    确切说,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”。

    ATCA业务处理板——“刀片”

    (没找到中兴的,只能放个华为的)

    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。

    于是,虚拟化时代,就到来了。

    虚拟化,就是网元功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)。

    说白了,硬件上,直接采用HP、IBM等IT厂家的x86平台通用服务器(目前以刀片服务器为主,节约空间,也够用)。

    软件上,设备商基于openstack这样的开源平台,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

    注意了,虚拟化平台不等于5G核心网。也就是说,并不是只有5G才能用虚拟化平台。也不是用了虚拟化平台,就是5G。

    按照惯例,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。

    好了,上面说了5G核心网的硬件平台,接下来,我们仔细说说5G核心网的架构。

    到了5G,网络逻辑结构彻底改变了。

    5G核心网,采用的是SBA架构(Service Based Architecture,即基于服务的架构)。名字比较好记,呵呵…

    SBA架构,基于云原生构架设计,借鉴了IT领域的“微服务”理念。

    把原来具有多个功能的整体,分拆为多个具有独自功能的个体。每个个体,实现自己的微服务。

    单体式架构(Monolithic)→ 微服务架构(Microservices)

    这样的变化,会有一个明显的外部表现,就是网元大量增加了。

    红色虚线内为5G核心网

    除了UPF之外,都是控制面

     

    这些网元看上去很多,实际上,硬件都是在虚拟化平台里面虚拟出来的。这样一来,非常容易扩容、缩容,也非常容易升级、割接,相互之间不会造成太大影响(核心网工程师的福音)。

    简而言之,5G核心网就是模块化、软件化。

    5G核心网之所以要模块化,还有一个主要原因,就是为了“切片”

    很多人觉得“切片”很难,其实并非如此。

    切片,就是“多种人格”。同一样东西,具有不同的特性,以应对不同的场景,也有点像“瑞士军刀”。

    5G是一个天下一统的网络,通吃所有用户。设计之初,就需要它应对各种需求。

    既然网络用途不同,当然要见招拆招。以一个死板的固定网络结构去应对,肯定是不行的。只有拆分成模块,灵活组队,才能搞定。

    网络切片

    例如,在低时延的场景中(例如自动驾驶),核心网的部分功能,就要更靠近用户,放在基站那边,这就是“下沉”。

    部分核心网功能,“下沉”到了MEC

    下沉不仅可以保证“低时延”,更能够节约成本,所以,是5G的一个杀手锏。

    以上,就是从2G到5G,核心网整个的演进过程和思路。并不难理解吧?

    简单概括,就是拆分、拆分、再拆分,软件、软件、更软件。

    在将来,核心网的硬件和IT行业的硬件一样。而核心网的软件,就变成手机上面的app一样。

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