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3g→4g→5g:一张图看懂核心网演进史

2021/7/27 15:15:32

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和分组交换域两部分。

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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