3G→4G→5G：一張圖看懂核心網(wǎng)演進(jìn)史

3G→4G

3GPP誕生于1998年，旨在對(duì)第三代（3G）移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行技術(shù)規(guī)范。1999年，3GPP基于2G系統(tǒng)發(fā)布了首版標(biāo)準(zhǔn)Release 99。在Release 99中，核心網(wǎng)分為電路交換域和分組交換域兩部分。

電路交換域主要包括MSC（Mobile Switching Center，移動(dòng)交換中心）和GMSC（ MSC Gateway，MSC網(wǎng)關(guān)），分別負(fù)責(zé)承載傳統(tǒng)用戶呼叫與外部基于電路的網(wǎng)絡(luò)的接口。為了使能3G支持廣泛的互聯(lián)網(wǎng)多媒體應(yīng)用，3GPP還設(shè)計(jì)了一個(gè)分組交換域來(lái)承載用戶數(shù)據(jù)，其包括SGSN（Serving GPRS Support Node，服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)）和GGSN（Gateway GSN，網(wǎng)關(guān)GSN），SGSN是負(fù)責(zé)移動(dòng)性、會(huì)話管理和計(jì)費(fèi)的實(shí)體，GGSN負(fù)責(zé)確保和管理與外部分組交換網(wǎng)絡(luò)（例如Internet）的連接。

此外，EIR（Equipment Identity Register，設(shè)備標(biāo)識(shí)寄存器）、HLR（Home Location Register，歸屬位置寄存器），和AuC（Authentication Center，鑒權(quán)中心）是電路域和分組域共享的實(shí)體，包含了每個(gè)訂閱的用戶設(shè)備 (UE) 的所有管理信息，還負(fù)責(zé)連接規(guī)則以及信息和數(shù)據(jù)保護(hù)。

2009年，為了更好的支持移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)廣泛普及，以及支持更多的用戶連接和數(shù)據(jù)流量，3GPP發(fā)布了4G首版標(biāo)準(zhǔn)Release 8。

Release 8提出了分組交換系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，稱為EPC（Evolved Packet Core，演進(jìn)分組核心）。在這個(gè)新架構(gòu)中，所有的服務(wù)（比如語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和短信）都由IP協(xié)議驅(qū)動(dòng)，這意味著傳統(tǒng)電路交換域從核心網(wǎng)中消失了。

傳統(tǒng)MSC 和 EIR 的功能被合并到MME（Mobility Management Entity，移動(dòng)管理實(shí)體）中，MME負(fù)責(zé)移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)的鑒權(quán)、漫游和會(huì)話管理等。HSS（Home Subscriber Server，歸宿用戶服務(wù)器）可以當(dāng)成是3G系統(tǒng)的HLR和AuC的合并和演進(jìn)，是存儲(chǔ)所有網(wǎng)絡(luò)用戶信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。S-GW（Serving Gateway，服務(wù)網(wǎng)關(guān)）具有3G系統(tǒng)中的SGSN的一些功能，其在切換過(guò)程中充當(dāng)移動(dòng)錨點(diǎn)，并負(fù)責(zé)路由用戶的數(shù)據(jù)包。PDN-GW（Packet Data Network Gateway，分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)）結(jié)合了GMSC 和 GGSN 的功能，其連接S-GW，也是與外部基于IP的網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包過(guò)濾、合法攔截和IP地址分配等。此外，PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略與計(jì)費(fèi)規(guī)則功能單元）是一個(gè)軟件組件，是業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流和IP承載資源的策略與計(jì)費(fèi)控制策略決策點(diǎn)。

4G核心網(wǎng)CUPS

為了更靈活的支持不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量，為了讓核心網(wǎng)更具模塊化和可擴(kuò)展性，3GPP在Release 14版本中提出了一種稱為CUPS的新架構(gòu)，即CP（控制面）與UP（用戶面）分離（Control and User Plane Separation）。在CUPS架構(gòu)下，控制面和用戶面可以獨(dú)立擴(kuò)展?；贑UPS架構(gòu)，PDN-GW分離為PGW-C和PGW-U，S-GW分離為SGW-C和SGW-U。此外，TDF（Traffic Detection Function，流量檢測(cè)功能）也被分拆為T(mén)DF-C和TDF-U兩部分。

4G→5G

隨著NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）和SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)不斷發(fā)展，以及為了支持5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片，進(jìn)入5G時(shí)代，核心網(wǎng)再次發(fā)生了變革。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一、支持全虛擬化架構(gòu)，原來(lái)3G和4G中的網(wǎng)元實(shí)體演變?yōu)檐浖木W(wǎng)絡(luò)功能；二、除了支持傳統(tǒng)4G核心網(wǎng)網(wǎng)元實(shí)體的演進(jìn)，還引入了控制和操作網(wǎng)絡(luò)切片的相關(guān)功能。

傳統(tǒng)MME被分拆為三個(gè)新功能：AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移動(dòng)性管理功能）、SMF（Session Management Function，會(huì)話管理功能）、UDM（Unified Data Management，統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理）。AMF負(fù)責(zé)注冊(cè)、連接和可達(dá)性管理以及接入認(rèn)證與鑒權(quán)。UDM和AUSF還分擔(dān)了傳統(tǒng)HSS的職責(zé)。SMF負(fù)責(zé)會(huì)話管理，并承接了傳統(tǒng)PGW-C和 SGW-C的所有功能。UPF是PGW-U、SGW-U和TDF-U中所有功能的組合。此外，4G PCRF實(shí)體中的策略和計(jì)費(fèi)規(guī)則由PCF提供。

一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片至少需包含AMF、SMF、PCF、AUSF、UDM和UPF這些基本功能，同時(shí)，為了控制和操作每個(gè)切片，3GPP還提出了一些新功能：NEF（Network Exposure Function，網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放功能），負(fù)責(zé)將網(wǎng)絡(luò)事件和能力安全地開(kāi)放給其他功能和第三方網(wǎng)絡(luò)；NSSF（Network Slice Selection Function，網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能），負(fù)責(zé)為終端選擇網(wǎng)絡(luò)切片；UDSF（Unstructured Data Storage Function，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能），負(fù)責(zé)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)和檢索；NWDAF（Network Data Analytics Function，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析功能），切片負(fù)載分析，切片自動(dòng)化；CHF（Charging Function，計(jì)費(fèi)功能），在線和離線計(jì)費(fèi)；NRF（Network Repository Function，網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)庫(kù)功能），提供“服務(wù)注冊(cè)”，“服務(wù)授權(quán)”和“服務(wù)發(fā)現(xiàn)”功能；UDR（Unified Data Repository，統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)），負(fù)責(zé)用戶和策略結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和檢索；LMF（Location Management Function，位置管理功能），測(cè)量用戶、下行鏈路和上行鏈路位置……