【5G普及贴】轻松看懂，移动核心网演进史
【5G普及贴】轻松看懂，移动核心网演进史
移动通信技术从2G到5G的演进，不仅带来了通信速度的大幅提升，更带来了网络架构的根本性变革。本文将带你轻松了解移动核心网（Core Network）从2G到5G的演进历程，重点对比EPC（4G核心网）与5GC（5G核心网）的差异。
2G时代的核心网
2G时代，移动通信网络主要使用GSM和CDMA-95标准，实现了从模拟通信到数字通信的飞跃。在2G网络中，核心网主要负责用户数据的处理、移动性管理和业务控制等功能。其基本架构如图1所示，主要包括移动交换中心（MSC）、归属位置寄存器（HLR）、拜访位置寄存器（VLR）等关键网元。
图1：2G核心网架构图（图片来源于网络）
手机通过无线方式接入基站BTS，BTS通过传输网络到BSC，一般的地级市BSC的套数不会很多，一般都是在本市运营商的核心机房，虽然是在核心机房，但它并不属于核心网设备，因为它的名字叫基站控制器。
MSC才是核心网的核心设备，相当于交通枢纽站，是交换能力最强的，其他网元只是负责存储用户信息、鉴权等功能。MSC通过连接综合关口局与固话网络互通，也就是图右侧的公共电话网络。
2G核心网的特点
- 语音为主：2G网络主要支持语音通话和短信服务，数据传输速率较低。
- 电路交换：采用电路交换技术，为每个通话建立专用的物理通道。
- 网络架构简单：核心网架构相对简单，主要处理语音和短信业务。
2.5G时代核心网
在3G之前，2.5G时代引入了GPRS，开始支持数据（上网）业务。为了适应这一变化，核心网的结构发生了重大改变，将语音业务和数据业务分成了两个域：CS域（语音）和PS域（数据）。
图2：2.5G核心网架构图
红色的网元就是为PS域设计的。这种分离设计是因为当时的移动网语音采用电路方式，更适合连续的语音通信，而不适合包组方式的IP化数据传输。
- SGSN：服务GPRS支持节点，负责用户数据的传输和移动性管理。
- GGSN：网关GPRS支持节点，作为连接外部数据网络（如互联网）的网关。
- SGSN和GGSN都是为了实现GPRS数据业务。
3G时代的核心网
3G时代，移动通信网络引入了更多的多媒体服务，如视频通话、互联网接入等。为了满足这些需求，3G核心网进行了重大升级：
- 承载和控制分离：控制面管理信令；用户面承载实际业务数据，如语音、视频数据、上网数据等。这种分离设计具有划时代的意义，一直延续至今。
- 硬件平台升级：国内设备厂家中兴和华为完成追赶，生产的设备更加稳定，网络维护也更加方便。
- 网元功能细化：不再一个设备集成多个功能。
图3：3G核心网架构图
由于不同运营商采用的技术不同，例如联通的WCDMA需要支撑向下兼容原有2G基站，电信的兼容原有CDMA-95，而移动的则是独立的系统。
4G时代的核心网
4G时代的核心网演进为EPC（Evolved Packet Core）。主要变化包括：
- 网元升级：SGSN变成MME，GGSN变成SGW/PGW。
- 扁平化架构：2G的基站控制器BSC、3G基站控制器RNC被取消，功能一部分给了核心网，一部分给了eNodeB（增强的基站）。
图4：4G核心网EPC示意图
EPC的主要网元功能如下：
- MME：处理信令及接入安全验证，跟踪区域列表的管理，移动性管理，会话管理，鉴权，漫游控制及 IP 地址分配。
- S-GW：面向 eNodeB终结 S1-U 接口的网关，负责本地锚定点、重排序功能、合法监听以及数据包的路由和前转。
- P-GW：面向 PDN 终结于 SGi 接口的网关，负责多个 PDN 的访问。
- HSS：用于存储用户 EPC 签约信息的数据库，保存用户相关的信息，例如用户标识、编号和路由信息，安全信息，位置信息等。
- CG：计费网关
- PCRF：策略和计费规则服务器
- HSGW：HRPD 服务网关
- DNS：域名服务器
- DRA：Diameter 路由代理
5G时代的核心网
5G核心网（5GC）采用了革命性的SBA（Service Based Architecture）架构，主要特点包括：
- 模块化设计：将网元的功能抽象成多个服务，同时将网元/服务之间的交互接口统一。
- 软硬件解耦：网元不再依赖专有硬件，而是以虚拟机的形式部署在通用服务器上，实现软硬件解耦。
- 网络切片支持：支持灵活的网络切片和边缘计算，能够满足不同应用场景的需求。
5GC的网络结构由控制层和数据层组成，支持控制与转发分离。其基本架构如下图。
图5：5GC网络架构图
主要网元功能如下：
- AMF：注册管理、连接管理、可达性管理、移动管理、访问身份验证授权、短消息等，是终端和无线的核心网控制面接入点。
- SMF：隧道维护、IP地址分配和管理、UPF选择、策略实施和QoS中的控制部分、计费数据采集、漫游功能等。
- UPF：分组路由转发、策略实施、流量报告、QoS处理。
- UDM：3GPP AKA认证、用户识别、访问授权、注册、移动、订阅、短信管理等。
- AUSF：实现3GPP和非3GPP的接入认证。
- PCF：统一的策略框架，提供控制平面功能的策略规则。
- NRF：服务发现、维护可用的NF实例的信息以及支持的服务。
- NSSF：选择为UE服务的一组网络切片实例。
- NEF：开放各网络功能的能力、内外部信息的转换。
- DN：5G核心网出口，如互联网或企业网。
- AF：如P-CSCF（VoLTE IMS）等。
5GC的特点
- 分布式架构：采用分布式架构，具有高可扩展性、高可靠性和高安全性。
- 网络功能模块化：功能设计模块化，支持网络功能的灵活部署和扩展。
- 控制与用户面分离：控制面和用户面分离，支持灵活的网络切片和边缘计算。
- 服务化接口：引入基于服务的架构（SBA），使网络功能之间的交互更加灵活高效。
EPC与5GC的对比
特征 | EPC | 5GC |
|---|---|---|
架构差异 | 基于严格参考点的架构，只有定义了接口的两个网元才能互相交互，效率相对较低。 | 基于“服务化”的架构，控制面部分的各个NF两两可以互相交互，网络交互更加灵活高效。 |
功能差异 | 每个网元是一个巨型的单体软件，无论运营商是否需要该功能，软件本身都具备，升级时需要专门的操作窗口进行。 | 将功能拆解成多个小块组件（服务），每个组件彼此独立，解耦，使得功能升级和维护更加灵活和高效。 |
性能差异 | 虽然具备高效的数据处理能力，但受限于网络架构和协议，难以支持大规模的网络切片和边缘计算。 | 支持灵活的网络切片和边缘计算，能够满足不同应用场景的需求，提高网络资源的利用率。 |
安全性和可靠性 | 在安全性方面，主要通过加密和认证机制保护用户数据的安全；在可靠性方面，通过冗余部署和故障恢复机制保障网络的稳定运行。 | 在安全性方面，引入了更加先进的安全机制，如网络切片隔离、边缘计算安全等；在可靠性方面，通过分布式架构和冗余部署，提高了网络的可靠性和韧性。 |
结论
从2G到5G的演进过程中，移动核心网经历了从简单到复杂、从单一到多元、从封闭到开放的深刻变革。EPC和5GC作为4G和5G的核心网技术代表，各自具有独特的特点和优势。随着5G技术的不断发展和应用场景的不断拓展，5GC将在移动通信领域发挥越来越重要的作用，推动移动通信技术向更高层次迈进。