1.2 无线网络架构的演进路径

无线网络发展历程从2G、3G到4G和5G，业务和技术两个驱动力驱使端到端的移动网络向目标架构演进，最终形成基于云化部署核心网的智能全连接管道。在演进过程中，无线网络分化为电路交换域和分组交换域，承载的业务也发生了巨大变化。

（1）电路交换（Circuit Switched，CS）域：简称电路域，2G/3G的电路域路由交换向分组域全IP化演进，形成基于IP多媒体子系统（IP Multimedia Subsystem，IMS）的统一语音网络。

（2）分组交换（Packet Switched，PS）域：简称分组域，全IP化，网络架构扁平化，控制和承载分离，网络功能解耦，逐步形成服务化网络功能设计。

（3）业务演进：从语音、短信等基础能力，向5G全连接三大业务场景演进。

1.2.1 2G

最初的2G网络只有电路域，提供基本的语音和短信业务。为满足数据传输业务的需求，后续新增加了核心网网元（即GPRS分组核心网），支持分组域数据业务。2G网络架构如图1-1所示[1]。

移动交换中心（Mobile Switching Center，MSC）是电路域网络的核心，用于连接无线系统和固定网。它提供交换功能，负责完成移动用户寻呼接入、信道分配、呼叫接续、话务量控制、计费、基站管理等功能，并提供面向系统其他功能实体和固定网，包含公共电话交换网（Public Switched Telephone Network，PSTN）、综合业务数字网（Integrated Services Digital Network，ISDN）、公用数据网（Public Data Network，PDN）的接口功能。作为网络的核心，MSC与其他网络单元协同工作，完成移动用户位置登记、越区切换和自动漫游、合法性检验及频道转接等功能。拜访位置寄存器（Visitor Location Register，VLR）为电路域特有的设备，其服务于控制区域内的移动用户，存储着进入其控制区域内已登记的移动用户的相关信息，为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要数据。当MS漫游到一个新VLR区域后，该VLR向其归属位置寄存器（Home Location Register，HLR）发起位置登记，并获取必要的用户数据；当MS漫游出控制范围后，则重新在另一个VLR登记，原VLR将取消临时记录的移动用户数据，因此VLR可看作一个动态用户数据库。

服务GPRS支持节点（Serving GPRS Support Node，SGSN）是分组域的核心。SGSN提供核心网与无线接入系统BSS的连接，在核心网中与GGSN/MSC/HLR等有连接接口。SGSN完成分组型数据业务的移动性管理、会话管理等功能，管理移动终端（Mobile Station，MS）在移动网络内的移动和通信业务，并提供计费信息。网关GPRS支持节点（Gateway GPRS Support Node，GGSN）也是分组域特有的设备，是连接GPRS网络与外部网络的网关。GGSN提供数据包在移动网和外部数据网之间的路由和封装。GGSN通过Gn接口与SGSN相连，通过Gi接口与外部数据网络（Internet/Intranet）相连。

1.2.2 3G

3G的核心网仍然采用基于GSM/GPRS的核心网络，分为电路域和分组域两部分。第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）Rel-99版本在无线接入部分引入全新的宽带码分多址接入（Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA）无线接口传输技术，但是核心网无根本性改变，CS域以原有的GSM网络为基础，PS域以原有的GPRS网络为基础。3GPP Rel-4版本在核心网络的电路域中实现了软交换的概念，即传统的MSC分离为媒体网关（Media Gateway，MGW）和MSC服务器（MSC Server）两部分，开始迈向全IP化。3GPP Rel-5版本在核心网络引入了IMS，用来控制在分组域传输实时和非实时的多媒体业务。3GPP Rel-6版本还引入了多媒体广播多播业务（Multimedia Broadcast Multicast Service，MBMS）技术，用于更好地支持手机、电视等流媒体业务。3G核心网在演进后期开始考虑用户面数据处理的高效性，在3GPP Rel-7版本引入了从接入网基站到GGSN的直接隧道，用户面路径减少了SGSN环节，路由和传输效率得到了进一步提升。3G网络架构如图1-2所示。

1.2.3 4G

伴随着数据业务的爆发式增长，移动网络引入长期演进（Long Term Evolution，LTE）无线接入技术支持更高的数据传输速率，核心网侧引入演进型分组核心网（Evolved Packet Core，EPC），不再支持电路域，电路域业务由IMS提供或者回退到2G/3G的电路域。4G核心网相较于传统GPRS网络的功能大大增强：

（1）端到端全IP组网，采用扁平化架构来减少网络层级。无线接入部分从3G时代的无线网络控制器（Radio Network Controller，RNC）加NodeB演进为一个eNodeB节点。

（2）全分组域组网，支持IP宽带业务，提供高速率、低时延（永远在线）和增强的服务质量。

（3）支持不同的接入系统，包括非3GPP接入方式，支持用户在3GPP及非3GPP网络间的漫游和切换。

（4）支持基于运营商策略、用户偏好和接入网条件等信息的接入系统选择。

（5）提供与现有传统网络共存的能力，以及从传统网络过渡到演进网络的能力。

（6）通过使用更有效的加密算法，提供更有效的安全性能。

4G网络架构如图1-3所示[2]。移动性管理实体（Mobility Management Entity，MME）是4G核心网的控制面核心节点，负责控制面的移动性管理、用户上下文和移动状态管理、分配用户临时身份标识等。

服务网关（Seving Gateway，S-GW）是3GPP内不同接入网络间的用户面锚点，负责用户在不同接入技术之间移动时用户面的数据交换。S-GW终结了基站用户面。

分组数据网络网关（Packet data network GateWay，P-GW）与外部分组数据网络（Packet Data Network，PDN）连接，承担EPC的网关功能，终结与PDN相连的SGi接口。一个终端可以同时通过多个P-GW访问多个PDN。S-GW和P-GW通常在物理网元合一部署。

策略和计费规则功能（Policy and Charging Rules Function，PCRF），完成动态QoS策略控制和动态的基于流的计费控制功能，同时还提供基于用户签约信息的授权控制功能。

4G网络架构后期引入了控制面和用户面分离（Control and User Plane Separation，CUPS），将网关实体功能分割为控制面和用户面。支持集中化的控制面和分布式的用户面，便于运营商网络控制面和用户面独立升级。用户面功能只剩数据转发，便于运营商的灵活部署，也为向5G网络架构演进打下了基础。CUPS的网络架构如图1-4所示[3]。

在CUPS网络架构下，控制面下发数据转发以及计费等其他规则到用户面，用户面基于规则进行数据转发和信息统计与上报等。控制面和用户面都可以分配用户面隧道信息，以及在空闲态缓存下行数据。

伴随着网络能力的逐步增强，网络与外部应用的交互需求也日渐强烈，Rel-13版本引入了能力开放架构，增加了服务能力开放功能（Service Capability Exposure Function，SCEF）实体作为连接3GPP网络内部实体和外部应用的桥梁，定义了对应的南向接口和北向接口，支持基本的能力开放功能，具体包括：

（1）事件监测：UE可达性、UE位置、UE连接丢失、UE的漫游状态、在特定区域的UE数量，以及下行数据发送失败等。

（2）网络整体状态上报：上报特定区域网络的拥塞状态。

（3）背景数据传输。

（4）特定QoS数据传输。

（5）改变第三方计费实体。

能力开放架构如图1-5所示[4]。

1.2.4 5G

在整个产业界的努力下，面对未来全业务、全连接移动业务场景的5G网络架构应势而出。5G网络架构引入了大量新的技术，驱动移动网络架构向灵活、智能的方向演进。

服务化架构是5G网络架构的基石，也是区别于2G、3G、4G的关键使能特性。5G网络架构将传统的模块功能解耦，基于开放应用程序编程接口（Application Programming Interface，API），定义了若干种网络功能（Network Function，NF），每一种网络功能通过网络功能服务（NF Service）的方式对外呈现和进行调用。NF通过服务化接口向任何允许使用这些服务的其他NF提供服务。在这个设计框架和原则下，每个核心网控制面网元对外提供基于超文本传输协议（HyperText Transfer Protocol，HTTP）的服务化接口，控制面网元之间通过互相调用对方的服务化接口进行通信。这些服务化调用关系通过标准化的时序和参数组合在一起，最终形成5G网络的各种业务控制流程。

5G服务化网络架构如图1-6所示[2]。