移动通信网络架构演进：从2G到5G
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网络

2470 字
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11 分钟

网络架构对比总览

各代网络架构图对比

代际 架构图 核心特征
2G (GSM) [接入网] MS ↔ BTS ↔ BSC | [核心网] ─ MSC/VLR ↔ PSTN
　　　　　　　　　　　　　　　　├─ HLR/AuC
　　　　　　　　　　　　　　　　└─ SGSN ↔ GGSN ↔ Internet		 电路交换 + GPRS分组交换
3G (UMTS) [接入网] UE ↔ NodeB ↔ RNC | [核心网] ┬─ MSC/VLR ↔ PSTN
　　　　　　　　　　　　　　　　　　├─ HLR/AuC
　　　　　　　　　　　　　　　　　　└─ SGSN ↔ GGSN ↔ Internet		 宽带码分多址 (WCDMA)
4G (LTE) [接入网] UE ↔ eNodeB | [核心网] ┬─ MME ↔ HSS
　　　　　　　　　　　　　　　├─ SGW ↔ PGW ↔ Internet
　　　　　　　　　　　　　　　└─ PCRF		 全IP网络，扁平化架构
5G (NR) [接入网] UE ↔ gNB | [核心网] ── AMF ↔ UDM
　　　　　　　　　　　　　├─ UPF ↔ SMF ↔ PCF
　　　　　　　　　　　　　└─ NRF ↔ AUSF ↔ DN		 服务化架构 (SBA)

网络节点演进对比

功能层面 2G 3G 4G 5G
终端设备 MS UE UE UE
基站 BTS NodeB eNodeB gNB
控制器 BSC RNC (集成到eNodeB) (CU/DU分离)
核心网 MSC/VLR MSC/VLR MME AMF
数据网关 SGSN/GGSN SGSN/GGSN SGW/PGW UPF
用户数据 HLR HLR/AuC HSS UDM
策略控制 – – PCRF PCF

目录

  1. 技术特性对比
  2. 详细架构分析
  3. 网络演进趋势

详细架构分析

2G网络架构 (GSM)

代际 架构图 核心特征
2G (GSM) [接入网] MS ↔ BTS ↔ BSC | [核心网] ─ MSC/VLR ↔ PSTN
　　　　　　　　　　　　　　　　├─ HLR/AuC
　　　　　　　　　　　　　　　　└─ SGSN ↔ GGSN ↔ Internet		 电路交换 + GPRS分组交换
网络层 节点 主要功能 接口协议
终端 MS 移动终端设备，包含ME和SIM Um (空中接口)
接入网 BTS 无线收发，功率控制 Um, Abis
接入网 BSC 控制多个BTS，无线资源管理 Abis, A
核心网 MSC/VLR 语音呼叫处理，移动性管理 A, B, C, D
核心网 HLR/AuC 用户数据存储，认证 B, C, D
数据 SGSN GPRS数据服务 Gb, Gn
数据 GGSN 外部网络连接 Gn, Gi

实现原理：

  • 电路交换：为语音通话建立专用信道
  • TDMA/FDMA：时分频分复用技术
  • GPRS：分组数据传输，共享无线资源

无线接入网 (RAN)

  • MS (Mobile Station)

    • 移动终端设备
    • 包含移动设备和SIM卡

  • BTS (Base Transceiver Station)

    • 基站收发台
    • 处理无线信号的发送和接收
    • 管理无线资源和功率控制

  • BSC (Base Station Controller)

    • 基站控制器
    • 控制多个BTS
    • 处理切换决策和无线资源管理
    • 信道分配和频率管理

核心网 (CN)

  • MSC (Mobile Switching Center)

    • 移动交换中心
    • 处理语音呼叫的路由和交换
    • 连接到PSTN（公共交换电话网）
    • 移动性管理和认证

  • VLR (Visitor Location Register)

    • 访问位置寄存器
    • 临时存储用户信息
    • 协助MSC进行呼叫处理

  • HLR (Home Location Register)

    • 归属位置寄存器
    • 永久存储用户签约信息
    • 用户位置和状态管理

  • AuC (Authentication Center)

    • 认证中心
    • 生成认证和加密密钥
    • 用户身份验证

数据服务节点

  • SGSN (Serving GPRS Support Node)

    • 服务GPRS支持节点
    • 处理分组数据服务
    • 用户移动性和会话管理

  • GGSN (Gateway GPRS Support Node)

    • 网关GPRS支持节点
    • 连接到外部数据网络
    • IP地址分配和数据路由

  • PCU (Packet Control Unit)

    • 分组控制单元
    • 处理无线侧的分组数据

3G网络架构 (UMTS)

代际 架构图 核心特征
3G (UMTS) [接入网] UE ↔ NodeB ↔ RNC | [核心网] ┬─ MSC/VLR ↔ PSTN
　　　　　　　　　　　　　　　　　　├─ HLR/AuC
　　　　　　　　　　　　　　　　　　└─ SGSN ↔ GGSN ↔ Internet		 宽带码分多址 (WCDMA)
网络层 节点 主要功能 接口协议
终端 UE 3G用户设备 Uu (空中接口)
接入网 NodeB 3G基站，支持软切换 Uu, Iub
接入网 RNC 无线网络控制器，复杂RRM Iub, Iu
核心网 MSC/VLR 增强的呼叫处理 Iu-CS
核心网 HLR/AuC 用户数据和认证 MAP
数据 SGSN 3G数据服务 Iu-PS
数据 GGSN 增强的数据网关 Gn, Gi

关键创新：

  • WCDMA：码分多址，提高频谱效率
  • 软切换：多基站同时连接，提高质量
  • 功率控制：闭环控制，降低干扰

无线接入网 (UTRAN)

  • UE (User Equipment)

    • 用户设备
    • 支持3G WCDMA技术
    • 更强的处理能力

  • Node B

    • 3G基站
    • 无线信号处理和发送
    • 支持软切换功能
    • 功率控制和干扰管理

  • RNC (Radio Network Controller)

    • 无线网络控制器
    • 控制多个Node B
    • 复杂的无线资源管理
    • 软切换和更软切换控制
    • 闭环功率控制

核心网 (CN)

核心网基本延续2G架构，但功能增强：

  • MSC：增强的呼叫处理能力
  • SGSN：支持3G数据服务
  • GGSN：更高的数据处理能力

4G网络架构 (LTE)

代际 架构图 核心特征
4G (LTE) [接入网] UE ↔ eNodeB | [核心网] ┬─ MME ↔ HSS
　　　　　　　　　　　　　　　├─ SGW ↔ PGW ↔ Internet
　　　　　　　　　　　　　　　└─ PCRF		 全IP网络，扁平化架构
网络层 节点 主要功能 接口协议
终端 UE LTE终端，支持高速数据 LTE-Uu
接入网 eNodeB 演进基站，集成BSC功能 LTE-Uu, S1, X2
核心网 MME 移动性和会话管理 S1-MME, S6a
核心网 HSS 统一用户数据库 S6a, Cx
用户面 SGW 本地数据锚点 S1-U, S5/S8
用户面 PGW PDN网关，外部连接 S5/S8, SGi
策略 PCRF 策略和计费规则 Gx, Rx

架构特点：

  • 全IP网络：语音通过VoLTE实现
  • 扁平化：减少网络层级
  • 控制用户面分离：提高效率

无线接入网 (E-UTRAN)

  • UE (User Equipment)

    • 4G LTE终端设备
    • 支持高速数据传输
    • IP语音 (VoLTE) 能力

  • eNodeB (evolved NodeB)

    • 演进基站
    • 集成了原BSC/RNC功能
    • 直接连接到核心网
    • 负载均衡和干扰协调
    • X2接口实现基站间通信

演进分组核心网 (EPC)

  • MME (Mobility Management Entity)

    • 移动性管理实体
    • 用户认证和授权
    • 移动性和会话状态管理
    • NAS信令处理
    • eNodeB选择

  • SGW (Serving Gateway)

    • 服务网关
    • 用户数据的本地锚点
    • eNodeB间切换时的数据转发
    • 数据包路由和QoS控制

  • PGW (PDN Gateway)

    • 分组数据网网关
    • 连接外部数据网络
    • IP地址分配和DHCP功能
    • 策略执行和计费触发

  • HSS (Home Subscriber Server)

    • 归属用户服务器
    • 统一的用户数据库
    • 认证信息和用户配置文件
    • 位置信息和订阅数据

  • PCRF (Policy and Charging Rules Function)

    • 策略和计费规则功能
    • QoS策略控制
    • 计费规则制定
    • 业务流检测和控制

5G网络架构 (NR)

代际 架构图 核心特征
5G (NR) [接入网] UE ↔ gNB | [核心网] ── AMF ↔ UDM
　　　　　　　　　　　　　├─ UPF ↔ SMF ↔ PCF
　　　　　　　　　　　　　└─ NRF ↔ AUSF ↔ DN		 服务化架构 (SBA)
网络层 节点 主要功能 接口协议
终端 UE 5G终端，多频段支持 NR-Uu
接入网 gNB 5G基站，支持网络切片 NR-Uu, NG, Xn
控制面 AMF 接入和移动性管理 N1, N2
控制面 SMF 会话管理 N4, N7
用户面 UPF 用户平面功能 N3, N4, N6
数据 UDM 统一数据管理 N8, N10
策略 PCF 策略控制 N5, N7
服务 NRF 网络功能发现 SBI
认证 AUSF 认证服务 N12, N13

核心创新：

  • 服务化架构：网络功能服务化
  • 网络切片：端到端定制化网络
  • 边缘计算：UPF下沉到边缘

无线接入网 (NG-RAN)

  • UE (User Equipment)

    • 5G终端设备
    • 支持多频段和波束成形
    • 超低延迟通信能力

  • gNB (next generation NodeB)

    • 5G基站
    • 支持毫米波和sub-6GHz频段
    • 波束成形和大规模MIMO
    • CU/DU功能分离架构
    • 支持网络切片

5G核心网 (5GC)

  • AMF (Access and Mobility Management Function)

    • 接入和移动性管理功能
    • 用户注册和认证
    • 移动性管理和跟踪区更新
    • 安全锚点功能

  • SMF (Session Management Function)

    • 会话管理功能
    • PDU会话建立、修改和释放
    • IP地址分配和管理
    • UPF选择和控制

  • UPF (User Plane Function)

    • 用户平面功能
    • 数据包路由和转发
    • QoS处理和流量整形
    • 使用报告和计费信息收集

  • UDM (Unified Data Management)

    • 统一数据管理
    • 用户订阅数据管理
    • 认证凭证处理
    • 用户标识处理

  • PCF (Policy Control Function)

    • 策略控制功能
    • 统一策略框架
    • 业务数据流检测规则
    • QoS控制和计费策略

  • NRF (Network Repository Function)

    • 网络存储功能
    • 网络功能发现和注册
    • 服务授权
    • 网络功能配置文件管理

  • AUSF (Authentication Server Function)

    • 认证服务功能
    • 用户认证处理
    • 密钥生成和管理
    • 安全上下文管理

技术特性对比

基本参数对比表

特性指标 2G (GSM) 3G (UMTS) 4G (LTE) 5G (NR)
多址技术 TDMA/FDMA WCDMA OFDMA/SC-FDMA OFDMA + 波束成形
理论峰值速率 9.6 Kbps 2 Mbps 150 Mbps (下行) 10+ Gbps
实际体验速率 ~9.6 Kbps ~384 Kbps ~50 Mbps ~1 Gbps
时延 300-500ms 100-300ms 10-50ms <1ms (uRLLC)
频段 900/1800 MHz 2100 MHz 700MHz-2.6GHz sub-6GHz + 毫米波
覆盖半径 35 km 20 km 100 km 1 km (毫米波)
移动性 250 km/h 500 km/h 350 km/h 500 km/h
连接密度 低 低 中等 100万/km²

架构演进特征

演进方向 2G 3G 4G 5G
网络架构 层次化 层次化 扁平化 服务化
核心网类型 电路交换为主 电路+分组 全IP 云原生
控制与用户面 混合 混合 部分分离 完全分离
网络切片 不支持 不支持 有限支持 原生支持
边缘计算 不支持 不支持 有限支持 深度集成

应用场景对比

应用类型 2G 3G 4G 5G
语音通话 ✓ ✓ VoLTE VoNR
短信 ✓ ✓ ✓ ✓
基础数据 GPRS ✓ ✓ ✓
视频通话 ✗ 有限 ✓ ✓
高清视频 ✗ ✗ ✓ ✓
AR/VR ✗ ✗ 有限 ✓
物联网 ✗ ✗ 有限 ✓
自动驾驶 ✗ ✗ ✗ ✓

网络演进趋势

演进路径总结

演进阶段 关键驱动力 核心变革 技术突破
2G → 3G 数据需求增长 引入分组交换 WCDMA、软切换
3G → 4G 移动互联网爆发 全IP网络 OFDMA、MIMO
4G → 5G 万物互联需求 服务化架构 毫米波、网络切片
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