移动通信已经融入到了家家户户的日常生活之中，为了适应更高带宽需求、超高流量密度、超低时延需求，第五代移动通信标准（5G）逐渐成型并已经进入商业化使用阶段。5G已经成为家喻户晓的名词，但是5G网络结构究竟有什么不同？是哪些因素影响了网络结构的演进？未来的新一代移动通信网络结构又会是什么样子？本文将重点调研这几个问题，将从移动通信发展历程开始研究，探索5G核心网架构的组成和设计理念，研究其主要网元功能和接口协议，并根据网络演进发展需求探讨3GPP标准下5G-Advanced的新特性和新趋势，最后讨论未来6G网络的性能需求和网络架构。

关键词： 5G，6G，核心网，通信

引言

移动通信的发展是业务和技术的双重驱动是贯穿本文全部调研内容的核心思想。具体来说，根据不断衍生的业务场景需求，基于已有和可以达到的技术基础，逐渐实现移动通信网络体系低成本、低耦合、高效率、通用化、标准化以及业务场景深入化是移动通信网络一以贯之的演进趋势。

本文将分为4大部分，

第一部分介绍移动通信的基础原理和历史发展，从最早的交换系统开始，介绍2G、3G、4G网络的特性和网络结构变化，总结其变迁规律和影响因素，验证5G网络架构的设计理念。

第二部分将结合5G时代的需求特点和设计原则来介绍5G核心网架构的组成部分和特点，重点着眼于SBA架构，研究5G核心网NFV网元的功能和演进特点，最后简单介绍5G核心网相关接口协议。

第三部分将介绍3GPP Rel-18标准内的5G-Advanced演进新趋势，验证网络架构演进的核心驱动力，并介绍5G-Advanced的几个新特性和应用场景。

第四部分将讨论未来6G网络的演进可能性，从业务技术双重驱动的角度调研6G网络的愿景和性能指标，并介绍当下通信前沿领域关于6G网络架构的研究。

一、移动通信工作原理与发展历程

移动通信是一种无线通信技术，相比于固定的有线通信而言，移动通信所处的传输环境和管理技术更加复杂，移动通信技术需解决两大技术问题：

1、 克服移动通信复杂信道的影响实现较高的的通信性能，涉及的通信技术主要包括调制，编码，天线，资源调度等等；

2、 移动性管理，包括通信核心网的注册，切换，漫游，业务连续性等等。

因此，从技术角度出发，每一代移动通信网络都在前一代的基础上对上述两个方面做出了优化，本部分将从移动通信基础原来开始介绍，逐代介绍2G、3G、4G网络的特性和架构变化。

1.1 电磁波与频段

移动通信中，信号的传输载体是电磁波。电磁波的基础公式：

其中，f是载波频率，光速常量为C，波长为λ。可以发现，波长和频率呈现反比关系。而信号装载在电磁波上是利用了波的周期性特性，因此频率越大，波长越小，也就是说，可以传递的数据量会更大。因此在移动通信传输中，我们会倾向于使用更高的电磁频段，因为使用的电磁频段越高，单位时间传递的信息量就越大，但是频率越大，电磁波发射所需要的能量也越大，而且频率越大，电磁波的绕障能力会降低，传播过程会受到各种障碍物和噪声的影响。

因此，如何通过一系列技术来减少高频段下信号传输的噪声和干扰，以及如何提高高频率下整个通信系统的效率成为是每一代通信标准的研究重点和技术驱动力。

下图简要展现了2G、3G、4G、5G标准所使用的频段。

图2 移动通信频段范围概图

1.2 通信网络基础架构

当然，我们所说的每一代通信网络，频段的不同也仅仅是其中的一个区别，要明白当下5G第五代移动通信标准的制定逻辑和网络架构，就需要先回顾前几代的移动通信原理。

简而言之，1G采用模拟信号传输，即将电磁波进行频率调制，将语音信号转换到载波电磁波上，只可以传递语音，而且抗干扰能力很差；2G采用的是数字调制技术，比1G多了数据传输的服务，此时的移动通信便可以传递数据，可以收发短信和链接互联网，同时数据速率也大大提升。同时，当下5G移动通信的基础结构也在2G时代跌定了基础。

自从交换系统出现之后，通信网络的基础架构可以用下图简要概述：

图3 通信网络基础架构

在移动通信系统中，终端部分还需要经过一个信号接入网从而通过承载网络与核心网相连接。因此从最早的移动通信网络架构开始，核心网、承载网、接入网和终端便是移动通信网络结构的组成成分。

其中，无线接入网，也就是通常所说的RAN（Radio Access Network），我们常说的基站（BaseStation，BS），就是属于无线接入网（RAN）；核心网（Core Network，简称 CN），本质就是对数据的处理和分发以及对终端账户进行管理与运营；承载网则是作为连接核心网和接入网，核心网和因特网的桥梁，通常以有线通信作为传输方式。

1.3 第2代移动通信系统（2G）

我所说的蜂窝移动通信便是从2G的GSM网络开始，在2G的GSM网络架构中，我们会将信号覆盖地区划分为一个个蜂窝，也叫cell。BTS指的是基站，BSC指的是基站控制器。

在2G的时代，基站控制器是独立的硬件系统，负责控制基站接收和发送信号。信号通过承载网传递到核心网的网元MSC（移动交换中心），而HLR（位置寄存器）、AUC（鉴权中心）等核心网网元也分别承担了一些功能。

值得一提的是，在2G时代，这些网元指的都是实体网络功能单元。信号经过核心网的处理后，转发给公共电话网络。

图4 2G-GSM网络架构

在2G和3G之间还存在一个2.5G网络GPRS，它在2G只能打电话发短信的基础上，开始有了数据（上网）业务。也是2G的GSM网络向3G的WCDMA的过渡。而2.5G相比于2G最重要的一点变化就是，有了数据的分组交换（Packet Switch），也叫包交换，GPRS全称General Packet Radio Service，也即通用分组无线服务。

图5 2.5G-GPRS网络架构图

上图所示的2.5G网络架构中，GPRS网络实现了PS数据交换，其中SGSN（Serving GPRS Support Node），即服务GPRS支持节点，GGSN（Gateway GPRS Support Node），即网关GPRS支持节点，它们都是为了实现GPRS数据业务。通过上述网络结构，移动通信网络可以将数据传输业务通过GPRS网络传送给IP数据网络，传统的语音业务依然走GSM网络，是2G向3G时代的一种过渡。

1.4 第3代移动通信系统（3G）

3G网络主要的特点就是提供数据业务，因此3G的网络架构有两个重要的特点：

- 第一点是IP化。传统的TDM中继电路变成了以网线、光纤为主的以太网连接方式，基站设备的外部接口和内部通信，都开始围绕IP和端口号进行交互；

- 第二点是控制面与用户面的分离。具体就是网元设备功能模块开始解耦和细化，将功能模块化而非单一设备集成多个功能。其中，用户面负责用户的实际业务数据，控制面主要管理数据的走向。业务数据承载和信令控制分离的设计理念使得3G的WCDMA网络架构中SGSN网元被独立出来，用于专门控制信令。

图6 3G-WCDMA网络架构图

1.5 第4代移动通信系统（4G）

4G的LTE网络架构提供了3G不能满足的无线网络宽带化。4G 网络是全 IP 化网络，主要提供数据业务，其数据传输的上行速率可达20Mbps，下行速率高达 100Mbps，基本能够满足各种移动通信业务的需求。

4G 网络架构中，SGSN 变成 MME（Mobility Management Entity，移动管理实体），GGSN 变成 SGW/PGW（Serving Gateway，服务网关；PDN Gateway，PDN 网关），也就演进成了 4G 核心网。而接入网部分，为了实现扁平化，基站eNodeB合并了部分RNC的功能，还有一部分功能分给了核心网，基站可以进行自我的控制管理。

图7 4GLTE网络架构图

在4G时代，硬件平台开始电脑化。电信运营商使用IT的方式来重构网络，目前常用的就是ATCA平台，可以提供更强大的多媒体数据服务，硬件上采用IBM等厂商生产的x86通用平台服务器，也称“刀片”，使得一部分的网元功能实现虚拟化，成为NFV网元（Network Function Virtualization），也即将实体的网元硬件功能软件化，集成在x86的服务器平台上，方便模块化调用。这样同时打开了第三方生态，有利于不同客户进行不同的商业模式个性化改造。

图8 网元功能虚拟化

但是上述的架构还有些不足，主要是控制面和用户面的分离做的还不够彻底，网络中的SGW/PGW两个网关不但要处理转发用户面的数据，还要负责进行会话的管理和承载控制等功能，这使得部署运维还是受限于“中心化”。

因此，2016年，3GPP组织对SGW/PGW做了一次拆分，将这两个网元拆分成控制面和用户面两部分，称作CUPS架构，这使得其可以灵活部署于核心网，也可以部署于接入网，最终可以实现可分布式部署，也是为多元化的5G业务需求奠定了一些基础理念。

1.6 总结

回顾从1G到4G的移动通信发展历程，每一代移动通信系统都可以通过标志性的能力指标和核心的关键技术来定义，如下表所示：