《移動網絡結構》課件

《移動網絡結構》從4G到6G：移動通信網絡架構演進與核心技術解析Contents課程目錄從網絡架構到協議棧，從5G接入到6G演進，系統性掌握現代移動通信核心技術。01移動通信網絡架構總覽02空口協議棧深度解析035G接入網架構與CU/DU分離045G核心網網元與SBA架構05面向6G的平臺化服務網絡CHAPTER01移動通信網絡架構總覽從終端到核心網的全局視角，理解移動網絡的基本組成與代際演進NETWORKARCHITECTURE移動網絡的三大核心組成移動通信網絡由用戶終端（UE）、無線接入網（RAN）和核心網（CoreNetwork）三大功能域構成，三者通過標準化接口互連，共同實現從無線信號收發到端到端數據通信的完整鏈路。移動通信基站設備在城市環境中的部署場景01用戶終端（UE）：作為通信的起點和終點，承載語音、數據、視頻等業務請求，并通過空中接口與基站建立無線連接02無線接入網（RAN）：由基站節點組成，負責無線信號的收發、調制解調和資源調度，是連接終端與核心網的"最后一公里"03核心網（CoreNetwork）：承擔用戶鑒權、移動性管理、會話控制和數據路由功能，是整張網絡的"大腦"與數據交換樞紐04標準化接口互連：三大功能域之間通過3GPP定義的標準化接口（如NG、Xn等）互連，確保多廠商設備間的互操作性與網絡可擴展性Evolution移動通信代際演進：從1G到5G移動通信經歷了從模擬到數字、從語音到數據、從電路交換到全IP化的五次代際躍遷，每一代不僅是速率的量變提升，更是網絡架構的根本性重構。1G–2G：語音時代011G采用模擬調制技術，僅支持語音通話，存在容量小、安全性差等固有缺陷，已于全球范圍退網022G引入GSM/CDMA數字調制標準，實現語音數字化和短信業務，網絡架構首次分離出獨立的基站控制器模擬→數字3G–4G：移動互聯時代013G以WCDMA/TD-SCDMA為核心，引入分組交換域，首次支持移動數據業務，催生早期移動互聯網生態024G全面轉向LTE架構，采用OFDM和MIMO技術，實現全IP扁平化網絡，峰值速率突破百兆100+Mbps5G：萬物智聯時代015GNR采用靈活幀結構和大規模天線陣列，峰值速率達10Gbps+，空口時延降至1ms以下025G架構引入網絡切片、邊緣計算和服務化核心網三大創新，從服務消費者擴展到賦能垂直行業10Gbps+NEXTGENERATIONNETWORKIMS：下一代網絡的核心技術平臺IMS（IP多媒體子系統）通過呼叫控制層與業務控制層的分離，以SIP協議為統一信令，構建了通用的多媒體業務平臺，是4GVoLTE和5GVoNR語音方案的底層基石，也是實現固移融合和三網融合的關鍵架構。電信核心網機房·IMS服務器與網絡設備部署場景IMS是3GPP/3GPP2（移動）與TISPAN/ITU-T（固定）網絡架構的核心組件，被公認為下一代網絡（NGN）的關鍵技術在軟交換控制與承載分離基礎上，進一步實現呼叫控制層與業務控制層分離，全部采用SIP協議作為統一信令在分組域（PS）上構建多媒體控制平臺，使PS具備電路域（CS）的部分功能，支持會話類和非會話類多媒體業務典型業務包括呈現（Presence）、即時消息、多媒體會議、一鍵通（Push-to-Talk）等，為業務創新提供通用平臺Chapter02空口協議棧深度解析從4GLTE到5GNR，逐層剖析控制面與用戶面協議棧的設計邏輯與代際差異LTEProtocolStack4GLTE空口協議棧架構4GLTE協議棧采用RRC-PDCP-RLC-MAC-PHY五層結構，控制面與用戶面共享底層四層，控制面額外包含NAS層實現終端與核心網的信令交互，整體設計以語音和數據雙業務并行為核心目標?？刂泼鎱f議棧NAS層（非接入層）：處理終端與MME之間的移動性管理和會話管理信令，不經過基站直接透傳，負責鑒權、附著、尋呼等核心網交互流程RRC層（無線資源控制）：管理無線承載的建立與釋放、系統信息廣播、測量配置和切換控制，是接入網的核心控制樞紐PDCP層負責NAS和RRC信令的加密與完整性保護，RLC/MAC層提供可靠傳輸與資源調度保障，確?？刂菩帕畎踩瓦_用戶面協議棧用戶面不含NAS和RRC層，數據直接從應用層經PDCP進行IP包頭壓縮（ROHC）和加密處理，顯著降低空口傳輸開銷，提升頻譜效率RLC層根據業務類型選擇TM/UM/AM三種傳輸模式，MAC層執行動態調度和HARQ快速重傳，實現低時延高吞吐的數據傳輸物理層（PHY）完成OFDM調制、MIMO預編碼和信道編碼，支持64QAM高階調制，實現百兆級峰值速率的高速數據傳輸5GNR·ProtocolArchitecture5GNR協議棧：SDAP層的核心創新5GNR在用戶面協議棧新增SDAP（服務數據適配協議）層，實現QoSFlow到DataRadioBearer的靈活映射，標志著空口協議從"承載驅動"向"服務驅動"的范式轉變。SDAP層位于PDCP層之上、IP層之下，定義于3GPPTS37.324標準，是5G用戶面獨有的新增協議層核心功能是QoSFlow到DRB的靈活映射，將5G核心網的服務質量流映射到無線接入側，支持多對一策略下行數據包中插入QFI標記，使終端能夠識別每個數據包對應的服務質量等級控制面繼承4G結構，NAS-RRC-PDCP-RLC-MAC-PHY，PDCP定義于TS38.3234G與5G空口協議棧對比協議層4G用戶面5G用戶面4G控制面5G控制面最上層IP層IP層NASNAS新增層—SDAP——安全層PDCPPDCPRRC/PDCPRRC/PDCP分段重傳RLCRLCRLCRLC調度層MACMACMACMAC物理層PHYPHYPHYPHY5G用戶面唯一新增SDAP層，控制面與4G基本一致ProtocolArchitecture5GNR各協議層功能詳解5GNR在繼承4G協議層基本功能的同時，針對eMBB、URLLC、mMTC三大場景進行了針對性優化：PDCP增強亂序處理能力，RLC簡化設計降低時延，MAC層承擔更多調度靈活性，整體設計向低時延和高可靠性方向演進。PDCP層分組數據匯聚協議執行IP包頭壓縮（ROHC）、數據加密和完整性保護，5G新增亂序遞交和重復檢測功能以支持雙連接場景。控制面PDCP對RRC信令提供完整性保護，用戶面PDCP對數據執行加密但不做完整性保護以節省開銷。ROHCRLC層無線鏈路控制5G中RLC去掉了串聯功能并上移至MAC層，降低處理時延以更好滿足URLLC場景的1ms級時延要求。支持TM（透明）、UM（非確認）、AM（確認）三種傳輸模式，AM模式下執行ARQ重傳保障可靠性。1msMAC層媒體接入控制負責邏輯信道到傳輸信道的映射、HARQ快速重傳、動態調度和上行功率控制，是資源調度的核心執行層。5GMAC層承擔從RLC上移的串聯功能，支持靈活Numerology下的多時隙調度和BWP切換。HARQCHAPTER035G接入網架構與CU/DU分離從BBU+RRM到CU/DU/AAU三級架構，解析5G無線接入網的革命性重構NETWORKARCHITECTURENG-RAN：5G無線接入網的節點與接口NG-RAN由gNB和ng-eNB兩類節點構成，通過Xn、NG-C、NG-U三大標準化接口實現基站間協調及與5G核心網的連接。5G基站AAU設備樓頂部署實拍01gNB（5G基站）提供NR用戶面和控制平面的完整協議棧功能，是5G網絡的主力無線接入節點02ng-eNB（下一代4G基站）提供E-UTRA協議功能并通過5G接口連接核心網，實現4G基站的平滑升級和覆蓋補充03Xn接口連接gNB與ng-eNB，支持基站間的切換控制、雙連接協調和干擾管理等關鍵功能04NG-C/NG-U接口分別連接接入網與AMF（控制面）、UPF（用戶面），實現控制與承載分離5GRANArchitectureCU/DU分離：5G接入網的架構革命5G將傳統BBU拆分為CU（集中單元）和DU（分布單元），按協議層實時性要求進行功能切分——PDCP/RRC歸CU集中部署，MAC/RLC/PHY高層歸DU分布部署，物理底層下沉至AAU，實現了網絡資源的靈活調配與運維成本的顯著降低。CentralizedUnitCU集中單元PDCP·RRC包頭壓縮·加密·連接管理DistributedUnitDU分布單元RLC·MAC·PHY高層分段重傳·調度·HARQ·MIMOActiveAntennaUnitAAU有源天線PHY底層·射頻處理FFT/iFFT·波束賦形·DA/AD01CU集中部署：承載PDCP和RRC層功能，對實時性要求較低，可部署在區域機房，多個基站共享以降低建設和運維成本02DU分布部署：承載MAC、RLC和物理層高層功能，對實時性要求高，需靠近天線以保障空口處理時延在毫秒級以內03底層下沉AAU：物理層底層處理（FFT/iFFT、數字波束賦形）下沉到有源天線單元，進一步縮短射頻與基帶處理距離04靈活切分方案：支持多種Option（如Option2/3/7等），運營商可根據業務需求和前傳帶寬條件靈活選擇最適合的切分方案5GRANArchitectureCU/DU部署模式：分離與融合的實踐選擇5GCU/DU架構支持分離和融合兩種部署模式，運營商可根據業務需求、前傳帶寬和成本約束靈活選擇。CU-DU分離部署C-RANMode01多個基站的CU集中部署在區域機房統一管理，DU分布部署在各站點靠近天線，實現資源池化和運維效率提升02適合城市密集區域和高容量場景，需要充足的前傳和中傳光纖傳輸資源支撐03CU集中化使網絡功能更容易云化和虛擬化，為邊緣計算的下沉部署提供天然接入點C-RAN·集中化管理CU-DU融合部署D-RANMode01CU和DU合設在同一物理設備中，形態類似4G傳統基站，部署靈活但無法實現CU集中化的規模效益02適合農村、偏遠地區等傳輸資源受限場景，無需額外中傳鏈路，降低部署復雜度和網絡建設成本03設備集成度高，故障定位和維護相對簡單，對現場運維人員的技術要求較低，適合網絡覆蓋初期快速建網D-RAN·靈活部署5GNETWORKARCHITECTUREMEC邊緣計算：核心網功能下沉的架構延伸MEC（多接入邊緣計算）借助5GCU/DU分離架構，將核心網的部分應用功能下沉到靠近用戶的基站側，通過本地流量分流避免數據繞行遠端核心網，將端到端時延降低至毫秒級，是自動駕駛、工業控制等時延敏感型5G應用的關鍵使能技術。邊緣計算服務器機房部署實景01MEC將計算、存儲和網絡能力部署在基站CU側的邊緣機房，用戶數據在本地分流處理，無需回傳至遠端核心網02自動駕駛、工業控制、AR/VR等場景要求端到端時延低于10ms，MEC是實現這一指標的關鍵架構手段035G核心網的UPF（用戶面功能）可下沉到MEC節點，與CU共址部署，實現數據面的本地breakout和快速轉發04MEC部署模式包括單基站MEC、區域MEC和城域MEC三級，運營商可根據業務時延需求和成本進行分級部署CHAPTER045G核心網網元與SBA架構從傳統網元到服務化架構，解析5G核心網的虛擬化、微服務與云原生革命COREARCHITECTURE5G核心網三大核心網元：AMF、UPF、SMF5G核心網將4GMME的功能解耦為AMF、SMF和UPF三大核心網元，實現了控制面與用戶面的徹底分離，為網絡切片和靈活部署奠定了架構基礎。AMF（接入與移動性管理）負責NAS安全、空閑模式下移動性管理、終端注冊鑒權和連接管理，繼承并擴展了4GMME的核心控制面功能。作為終端接入5G網絡的第一個接觸點，AMF不處理用戶數據轉發，專注于信令面的安全與移動性管控。信令面管控UPF（用戶面功能）承擔移動性錨點管理和PDU處理，是用戶數據包轉發和路由的核心節點。支持下沉部署至MEC邊緣節點，實現本地流量分流，是5G低時延應用的關鍵使能網元。MEC下沉SMF（會話管理功能）負責PDUSession的建立、修改和釋放、用戶IP地址分配和UPF的選擇與控制。與UPF通過PFCP協議交互，下發數據轉發規則和QoS策略，實現用戶面的精細化管控。PFCP協議InfrastructureNFV：5G核心網的硬件基礎設施變革NFV通過用通用x86服務器替代專用硬件、用虛擬化平臺承載網元軟件，實現了核心網基礎設施的標準化和彈性化，是5G核心網部署的基礎前提，但并非5G獨有技術。通用x86刀片服務器·數據中心機房部署實景01通用硬件替代：采用HP、IBM等廠商的x86刀片服務器替代傳統專用硬件，大幅降低采購成本02虛擬化平臺：基于OpenStack等開源平臺，將核心網網元以VNF形式部署在云化基礎設施上03彈性伸縮：支持網元彈性擴縮容，運營商按業務負載動態調整計算和存儲資源04基礎設施層變革：NFV不等同于5G核心網——4G同樣可部署，5G本質創新在軟件架構層面5GCoreNetworkSBA：基于服務的5G核心網架構SBA（基于服務的架構）是5G核心網的本質創新，借鑒IT領域微服務理念，將傳統整體式網元拆分為多個獨立網絡功能服務（NF），各服務通過標準化API在服務框架上注冊和相互調用，實現了核心網的模塊化、靈活部署和獨立演進。01微服務化拆分將傳統核心網整體式網元拆分為多個獨立網絡功能（NF），每個NF實現特定微服務，可獨立開發、部署和升級獨立NF02標準化服務通信所有NF通過統一SBA框架注冊和發現，采用HTTP/2RESTfulAPI進行服務間通信，取代傳統點對點信令接口HTTP/203云原生架構基于云原生設計，支持容器化部署和Kubernetes編排，使核心網具備IT級彈性伸縮和故障自愈能力K8s04定制化網絡切片運營商可基于SBA靈活組合NF服務，按需構建端到端網絡切片，為不同行業場景提供差異化、隔離的虛擬網絡能力網絡切片CORENETWORKEVOLUTION核心網架構演進：從2G電路交換到5G服務化核心網架構經歷了從2G電路交換到3G雙域、4G全IP扁平化、5G云原生服務化的四代演進，5G是首個同時在基礎設施和軟件架構兩個層面實現根本性重構的核心網。2G至5G核心網架構對比代際核心架構關鍵網元架構特征2G電路交換為主MSC、HLR、VLR純電路域架構，僅支持語音和短信，硬件為專用TDM交換設備3G電路域+分組域并行MSC、SGSN、GGSN引入分組交換域支持數據業務，語音仍走電路域，兩套網絡獨立運營4G全IP扁平化EPCMME、SGW、PGW、HSS全面IP化，取消電路域（語音走VoLTE），網元為整體式專用設備5G云原生SBA服務化AMF、SMF、UPF、NRF、NSSFNFV通用硬件+SBA微服務架構，支持網絡切片和彈性部署核心網從電路交換到全IP化再到服務化架構的演進路徑清晰可見5GService-BasedArchitecture5GSBA架構中的關鍵網絡功能（NF）5G核心網在三大核心網元之外，還包含NRF、NSSF、PCF、UDM和AUSF等關鍵NF，它們通過SBA框架協同工作，構成完整的服務化核心網體系。服務管理與切片NRF—服務注冊與發現中心，所有NF向NRF注冊能力，調用方通過NRF查詢目標服務地址NSSF—根據終端業務需求和簽約信息，選擇最合適的網絡切片實例（S-NSSAI），實現業務隔離S-NSSAI策略與數據管理PCF—制定QoS策略、計費策略和接入控制策略，通過與SMF/AMF交互實現策略的動態執行UDM—集中管理用戶簽約數據、鑒權向量和簽約策略，取代4G中HSS的功能QoS·HSS安全與認證AUSF—執行5G-AKA或EAP-AKA'認證流程，驗證終端身份合法性SEPP—部署在運營商網絡邊界，對跨網漫游信令進行加密和完整性保護5G-AKA5G·NETWORKSLICING網絡切片：SBA架構驅動的差異化服務能力網絡切片借助SBA架構的靈活性，在同一物理網絡上創建多個邏輯隔離的虛擬網絡，每個切片針對特定業務場景進行定制化配置，是5G走向垂直行業的關鍵使能技術。01網絡切片通過S-NSSAI標識，NSSF根據終端請求和業務類型選擇對應切片實例02三大典型場景：eMBB追求高帶寬、URLLC追求穩定性、mMTC追求海量連接數03每個切片擁有獨立AMF/SMF/UPF實例和專屬QoS策略，邏輯隔離保障SLA承諾04生命周期涵蓋實例化、配置、監控、優化和退役五階段，由MANO統一編排調度eMBB切片面向4K/8K視頻、VR/AR等高帶寬場景，配置大帶寬和大流量參數4K/8K·VR/ARURLLC切片面向自動駕駛、工業控制，配置1ms級時延和99.999%可靠性1ms·99.999%mMTC切片面向智慧城市、傳感器網絡，優化每平方公里百萬級連接密度100萬+/km25GArchitecture5G系統主要接口體系5G系統采用N系列標準化接口命名體系，涵蓋終端-網絡（N1）、接入網-核心網控制面（N2）與用戶面（N3）、核心網內部（N4/N6）等關鍵連接點，同時定義了Namf/Nsmf等服務化API接口，構成完整的端到端通信架構。5G核心接口功能一覽接口名稱連接端點面類型核心功能N1UE?AMF控制面NAS信令傳輸，包括注冊、鑒權、會話管理信令N2gNB/ng-eNB?AMF控制面切換控制、PDU會話資源管理和尋呼等信令交互N3gNB/ng-eNB?UPF用戶面承載用戶數據包的GTP-U隧道傳輸N4SMF?UPF控制面通過PFCP協議下發數據轉發規則、QoS策略和測量規則N6UPF?DN（數據網絡）用戶面連接外部數據網絡（Internet/IMS），完成數據包的最終路由5G接口體系覆蓋控制面和用戶面全鏈路，支撐端到端通信Chapter05面向6G的平臺化服務網絡從5GSBA到6G"三體四層五面"架構，探索移動信息網絡的下一代演進方向6GArchitecture6G"三體四層五面"總體架構中國移動面向6G提出"三體四層五面"架構，其中"四層"為邏輯視圖，實現層間解耦和層內原子化封裝，是5GSBA理念的進一步升華，將為6G體系化創新提供架構基礎。邏輯視圖·FourLayers資源與算力層提供無線通信、光通信、計算和存儲等底層基礎設施資源，支撐上層服務運行路由與連接層實現空天地多接入、可信連接、異構互聯和確定性轉發，強化算力路由能力服務化功能層集中+分布協同部署，功能分層、跨域拉通，承載核心網絡服務開放使能層向第三方提供通信、算力、數據、AI和安全服務等能力開放接口DesignPrinciples層間解耦·層內原子化統一提供調用服務，是對5GSBA服務化理念的繼承與深化，各層獨立演進、靈活組合網絡即平臺平臺化服務網絡理念的具體實踐，旨在將網絡本身打造為開放平臺，賦能千行百業TheNetworkisthePlatform6GArchitecture"三體"與"五面"：6G架構的實體與功能視圖6G架構的"三體"在網絡本體基礎上新增數字孿生體與管理編排體，"五面"新增數據面、計算面和安全面，實現從通信管道到智能平臺的跨越。三體實體視圖01網絡本體：承載通信服務的基礎網絡實體，包括無線接入、核心網和傳輸網絡02數字孿生體：構建物理網絡的虛擬鏡像，實現虛實映射、低成本試錯和智能化決策03管理編排體：基于AI大模型實現網絡自治運維、閉環預驗證和資源智能調度編排五面功能視圖01控制面+用戶面：繼承5G并增強，控制面擴展跨域協同，用戶面支持確定性轉發02數據面：統一數據管理與控制接口，為AI訓練和大數據分析提供數據底座03計算面+安全面：計算面實現算力智能調度編排；安全面提供端到端內生安全防護CHINAMOBILE·6GARCHITECTURE6G組網架構8大關鍵技術中國移動基于6G"三體四層五面"架構，梳理出8大關鍵技術，形成收斂的6G組網架構技術體系，推動6G從概念走向工程實踐。靈活部署與廣域覆蓋01分布自治技術：構建分布式同構單元和即插即用協議，使網絡從集中向集中+分布協同轉變，實現快速自適應構建02空天地一體化組網：設計固定、移動、衛星深度融合的統一組網架構和協議，提供隨時隨地的寬帶接入和連續通信分布·空天地智能運維與綠色高效03數字孿生網絡：構建物理網絡虛擬孿生體，實現低成本試錯、智能化決策和高效率創新04低碳熵減設計：基于熵減理論從架構、協議、組網多維度進行智簡設計，降低網絡復雜度實現綠色低碳孿生·熵減服務能力與安全保障05全服務化架構：5GSBA的進一步演進，實現所有網絡功能的完全服務化和云原生化部署06移動算力網絡：將計算能力與通信能力深度融合，實現算力的感知、調度和協同服務SBA·算力6G關鍵技術數字孿生網絡與分布自治技術深度解析數字孿生網絡通過構建物理網絡的虛擬鏡像實現低成本試錯和智能決策，分布自治技術通過構建分布式同構單元實現"大事集中、小事自治"的高效運營，兩者共同構成6G網絡智能化和彈性化的技術基石。數字孿生網絡01虛擬鏡像構建：在虛擬環境中完整復制物理網絡的拓撲、配置和狀態，形成實時同步的"孿生體"，支持網絡變更的預驗證02AI仿真推演：通過AI大模型在孿生體上進行仿真推演和方案優化，確認后再下發到物理網絡執行，大幅降低變更風險和運維成本03故障回溯分析：數字孿生體還支持網絡故障的快速定位和根因分析，通過虛擬環境的回溯分析縮短故障恢復時間分布自治技術01獨立自治單元：構建分布式同構網絡單元，每個單元具備獨立的感知、決策和執行能力，可自主處理本地化的業務需求02即插即用組網：設計即插即用的協議和組網機制，新增節點無需全局重配置即可快速接入網絡，提升部署效率和網絡彈性03分層自治協同：全局管控系統與分布式單元之間通過輕量化接口協同，實現"宏觀集中優化、微觀自主決策"的分層自治模式6G核心技術架構空天地一體化組網與移動算力網絡空天地一體化通過衛星、高空平臺與地面基站的深度融合實現全球三維立體覆蓋，移動算力網絡將計算能力與通信能力融合實現"算力即服務"，兩者共同突破5G瓶頸，是6G的標志性技術?？仗斓匾惑w化組網融合高軌衛星（廣域覆蓋）、低軌衛星星座（低時延寬帶）和高空平臺HAPS（區域增強），構建三維立體通信網絡，實現天基、空基、地基資源的協同調度與統一管理目前地面基站僅覆蓋地球表面約20%面積，空天地一體化將覆蓋擴展至海洋、沙漠、山區和空中等盲區，消除數字鴻溝核心挑戰在于設計統一的組網架構和協議體系，實現天基、空基和地基網絡的無縫切換和協同調度20%當前地面覆蓋率移動算力網絡將計算能力嵌入網絡節點，網絡不