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高通5G原型机亮相,从2G到5G核心网到底经历了什么?

2018-12-06
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12月5日凌晨,高通在夏威夷举办骁龙技术峰会,高通总裁Cristiano Amon宣布:“5G is here”,同时展示了高通5G原型机。



据悉,高通今年已经推出了全球首款面向5G手机和其他移动终端的全集成5G新空口(5G NR)毫米波及6GHz以下射频模组,可适应不同区域不同运营商的不同频段。



这款毫米波5G射频模组可与同样是全球首个5G调制解调器的骁龙X50协同工作,并形成完整的系统。并且全新的毫米波模组的体积非常小,为电池、摄像头、其他传感器等元器件节省了更多的空间,能够从容的集成进手机中支持5G而无需在手机外添置5G模块。


此外,本次发布会还将带来重量级新品—骁龙855。这颗芯片基于7nm工艺制程打造,由台积电代工,在CPU、GPU、AI等方面性能均有大幅提升,并且骁龙855能效比将更加突出。


5G手机需具备多射频的灵敏收发特性,也需要有正常的尺寸、续航能达到1天,是对各项技术的更高要求,高通5G参考设计解决了众多技术难题,将加速终端厂商推出5G手机的进程。Cristiano Amon表示,5G距离商用只有几个月了,消费者也很快就能买到搭载骁龙处理器的5G旗舰手机,他认为5G比3G和4G带来更多契机,面向更多行业使用,影响消费者、企业等等,会有更大的想象空间。



根据高通现场公布的名单列表,包括三星、索尼、谷歌、OPPO、vivo、小米、中兴、摩托罗拉、华硕、夏普等品牌正与高通一起研发5G终端设备,而高通5G网络的紧密合作伙伴包括中国移动、中国联通、中国电信、AT&T、Verizon、T-Mobile、Sprint、KDDI、TIM、docomo等全球知名运营商。


此前多家中国手机品牌都有提及,会推出全球首批5G手机,相信很快就会看到OPPO、vivo、小米、中兴、摩托罗拉等品牌与三星、索尼等大厂抢5G手机商用首发的热闹情景。


5G时代终于来了,从2G到5G,核心网到底经历了什么?今天,我们就具体介绍一下,从2G到5G,核心网的发展演进过程,以及其中的思路。



首先我们从2G开始说起吧。


当年刚刚入职的时候,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(Network Function Virtualization,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



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”



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……

 来源:鲜枣课堂等网络综合


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