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从2G到5G,核心网,你到底经历了什么?

半导体行业观察 ·2018-09-02 10:14·半导体行业观察
阅读:4299

大家好,我是小枣君。

上期,我给大家解释了一下, 为什么核心网被称为通信里面最难的产品 ,获得了广泛的共鸣。

今天,我会具体介绍一下,从2G到5G,核心网的发展演进过程,以及其中的思路。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。

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首先我们从2G开始说起吧。

当年小枣君刚刚入职的时候,学习的就是2G核心网。

那时候的核心网设备,是这样的:

中兴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。

翻了半天电脑,找来一张当时培训机房的珍贵照片

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。以中兴设备为例,就从以前2G的V1平台,变成了3G的V3平台。

中兴V3硬件平台机架

机架内部

(单板比2G重,而且面板都是金属的了)

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。

中兴V3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。

还是以中兴为例,开始启用ATCA/ETCA平台(后来MME就用了它),还有xGW T8000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( N etwork F unction V irtualization, 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

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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” 。

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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。这些需求,被整理为三大应用场景。

  • eMBB(增强型移动宽带)

人与人之间通信,人类上网,主要用这个。

  • mMTC(海量物联网通信)

物联网主要用这个。

  • uRLLC(低时延、高可靠通信)

主要用于智能无人驾驶、工业自动化等需要低时延高可靠连接的业务。

其实说白了,就是人类上网需要很快的网速,车联网、VR/AR需要很低的延时,智能抄表这样的物联网,需要更大的覆盖和更多的连接。5G网络,统统都要满足。

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。

所以,亲爱的核心网工程师们,留给我们的时间已经不多了,要么转IT运维,要么,就只能……

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