《移动网络结构》课件

《移动网络结构》从4G到6G：移动通信网络架构演进与核心技术解析Contents课程目录从网络架构到协议栈，从5G接入到6G演进，系统性掌握现代移动通信核心技术。01移动通信网络架构总览02空口协议栈深度解析035G接入网架构与CU/DU分离045G核心网网元与SBA架构05面向6G的平台化服务网络CHAPTER01移动通信网络架构总览从终端到核心网的全局视角，理解移动网络的基本组成与代际演进NETWORKARCHITECTURE移动网络的三大核心组成移动通信网络由用户终端（UE）、无线接入网（RAN）和核心网（CoreNetwork）三大功能域构成，三者通过标准化接口互连，共同实现从无线信号收发到端到端数据通信的完整链路。移动通信基站设备在城市环境中的部署场景01用户终端（UE）：作为通信的起点和终点，承载语音、数据、视频等业务请求，并通过空中接口与基站建立无线连接02无线接入网（RAN）：由基站节点组成，负责无线信号的收发、调制解调和资源调度，是连接终端与核心网的"最后一公里"03核心网（CoreNetwork）：承担用户鉴权、移动性管理、会话控制和数据路由功能，是整张网络的"大脑"与数据交换枢纽04标准化接口互连：三大功能域之间通过3GPP定义的标准化接口（如NG、Xn等）互连，确保多厂商设备间的互操作性与网络可扩展性Evolution移动通信代际演进：从1G到5G移动通信经历了从模拟到数字、从语音到数据、从电路交换到全IP化的五次代际跃迁，每一代不仅是速率的量变提升，更是网络架构的根本性重构。1G–2G：语音时代011G采用模拟调制技术，仅支持语音通话，存在容量小、安全性差等固有缺陷，已于全球范围退网022G引入GSM/CDMA数字调制标准，实现语音数字化和短信业务，网络架构首次分离出独立的基站控制器模拟→数字3G–4G：移动互联时代013G以WCDMA/TD-SCDMA为核心，引入分组交换域，首次支持移动数据业务，催生早期移动互联网生态024G全面转向LTE架构，采用OFDM和MIMO技术，实现全IP扁平化网络，峰值速率突破百兆100+Mbps5G：万物智联时代015GNR采用灵活帧结构和大规模天线阵列，峰值速率达10Gbps+，空口时延降至1ms以下025G架构引入网络切片、边缘计算和服务化核心网三大创新，从服务消费者扩展到赋能垂直行业10Gbps+NEXTGENERATIONNETWORKIMS：下一代网络的核心技术平台IMS（IP多媒体子系统）通过呼叫控制层与业务控制层的分离，以SIP协议为统一信令，构建了通用的多媒体业务平台，是4GVoLTE和5GVoNR语音方案的底层基石，也是实现固移融合和三网融合的关键架构。电信核心网机房·IMS服务器与网络设备部署场景IMS是3GPP/3GPP2（移动）与TISPAN/ITU-T（固定）网络架构的核心组件，被公认为下一代网络（NGN）的关键技术在软交换控制与承载分离基础上，进一步实现呼叫控制层与业务控制层分离，全部采用SIP协议作为统一信令在分组域（PS）上构建多媒体控制平台，使PS具备电路域（CS）的部分功能，支持会话类和非会话类多媒体业务典型业务包括呈现（Presence）、即时消息、多媒体会议、一键通（Push-to-Talk）等，为业务创新提供通用平台Chapter02空口协议栈深度解析从4GLTE到5GNR，逐层剖析控制面与用户面协议栈的设计逻辑与代际差异LTEProtocolStack4GLTE空口协议栈架构4GLTE协议栈采用RRC-PDCP-RLC-MAC-PHY五层结构，控制面与用户面共享底层四层，控制面额外包含NAS层实现终端与核心网的信令交互，整体设计以语音和数据双业务并行为核心目标。控制面协议栈NAS层（非接入层）：处理终端与MME之间的移动性管理和会话管理信令，不经过基站直接透传，负责鉴权、附着、寻呼等核心网交互流程RRC层（无线资源控制）：管理无线承载的建立与释放、系统信息广播、测量配置和切换控制，是接入网的核心控制枢纽PDCP层负责NAS和RRC信令的加密与完整性保护，RLC/MAC层提供可靠传输与资源调度保障，确保控制信令安全送达用户面协议栈用户面不含NAS和RRC层，数据直接从应用层经PDCP进行IP包头压缩（ROHC）和加密处理，显著降低空口传输开销，提升频谱效率RLC层根据业务类型选择TM/UM/AM三种传输模式，MAC层执行动态调度和HARQ快速重传，实现低时延高吞吐的数据传输物理层（PHY）完成OFDM调制、MIMO预编码和信道编码，支持64QAM高阶调制，实现百兆级峰值速率的高速数据传输5GNR·ProtocolArchitecture5GNR协议栈：SDAP层的核心创新5GNR在用户面协议栈新增SDAP（服务数据适配协议）层，实现QoSFlow到DataRadioBearer的灵活映射，标志着空口协议从"承载驱动"向"服务驱动"的范式转变。SDAP层位于PDCP层之上、IP层之下，定义于3GPPTS37.324标准，是5G用户面独有的新增协议层核心功能是QoSFlow到DRB的灵活映射，将5G核心网的服务质量流映射到无线接入侧，支持多对一策略下行数据包中插入QFI标记，使终端能够识别每个数据包对应的服务质量等级控制面继承4G结构，NAS-RRC-PDCP-RLC-MAC-PHY，PDCP定义于TS38.3234G与5G空口协议栈对比协议层4G用户面5G用户面4G控制面5G控制面最上层IP层IP层NASNAS新增层—SDAP——安全层PDCPPDCPRRC/PDCPRRC/PDCP分段重传RLCRLCRLCRLC调度层MACMACMACMAC物理层PHYPHYPHYPHY5G用户面唯一新增SDAP层，控制面与4G基本一致ProtocolArchitecture5GNR各协议层功能详解5GNR在继承4G协议层基本功能的同时，针对eMBB、URLLC、mMTC三大场景进行了针对性优化：PDCP增强乱序处理能力，RLC简化设计降低时延，MAC层承担更多调度灵活性，整体设计向低时延和高可靠性方向演进。PDCP层分组数据汇聚协议执行IP包头压缩（ROHC）、数据加密和完整性保护，5G新增乱序递交和重复检测功能以支持双连接场景。控制面PDCP对RRC信令提供完整性保护，用户面PDCP对数据执行加密但不做完整性保护以节省开销。ROHCRLC层无线链路控制5G中RLC去掉了串联功能并上移至MAC层，降低处理时延以更好满足URLLC场景的1ms级时延要求。支持TM（透明）、UM（非确认）、AM（确认）三种传输模式，AM模式下执行ARQ重传保障可靠性。1msMAC层媒体接入控制负责逻辑信道到传输信道的映射、HARQ快速重传、动态调度和上行功率控制，是资源调度的核心执行层。5GMAC层承担从RLC上移的串联功能，支持灵活Numerology下的多时隙调度和BWP切换。HARQCHAPTER035G接入网架构与CU/DU分离从BBU+RRM到CU/DU/AAU三级架构，解析5G无线接入网的革命性重构NETWORKARCHITECTURENG-RAN：5G无线接入网的节点与接口NG-RAN由gNB和ng-eNB两类节点构成，通过Xn、NG-C、NG-U三大标准化接口实现基站间协调及与5G核心网的连接。5G基站AAU设备楼顶部署实拍01gNB（5G基站）提供NR用户面和控制平面的完整协议栈功能，是5G网络的主力无线接入节点02ng-eNB（下一代4G基站）提供E-UTRA协议功能并通过5G接口连接核心网，实现4G基站的平滑升级和覆盖补充03Xn接口连接gNB与ng-eNB，支持基站间的切换控制、双连接协调和干扰管理等关键功能04NG-C/NG-U接口分别连接接入网与AMF（控制面）、UPF（用户面），实现控制与承载分离5GRANArchitectureCU/DU分离：5G接入网的架构革命5G将传统BBU拆分为CU（集中单元）和DU（分布单元），按协议层实时性要求进行功能切分——PDCP/RRC归CU集中部署，MAC/RLC/PHY高层归DU分布部署，物理底层下沉至AAU，实现了网络资源的灵活调配与运维成本的显著降低。CentralizedUnitCU集中单元PDCP·RRC包头压缩·加密·连接管理DistributedUnitDU分布单元RLC·MAC·PHY高层分段重传·调度·HARQ·MIMOActiveAntennaUnitAAU有源天线PHY底层·射频处理FFT/iFFT·波束赋形·DA/AD01CU集中部署：承载PDCP和RRC层功能，对实时性要求较低，可部署在区域机房，多个基站共享以降低建设和运维成本02DU分布部署：承载MAC、RLC和物理层高层功能，对实时性要求高，需靠近天线以保障空口处理时延在毫秒级以内03底层下沉AAU：物理层底层处理（FFT/iFFT、数字波束赋形）下沉到有源天线单元，进一步缩短射频与基带处理距离04灵活切分方案：支持多种Option（如Option2/3/7等），运营商可根据业务需求和前传带宽条件灵活选择最适合的切分方案5GRANArchitectureCU/DU部署模式：分离与融合的实践选择5GCU/DU架构支持分离和融合两种部署模式，运营商可根据业务需求、前传带宽和成本约束灵活选择。CU-DU分离部署C-RANMode01多个基站的CU集中部署在区域机房统一管理，DU分布部署在各站点靠近天线，实现资源池化和运维效率提升02适合城市密集区域和高容量场景，需要充足的前传和中传光纤传输资源支撑03CU集中化使网络功能更容易云化和虚拟化，为边缘计算的下沉部署提供天然接入点C-RAN·集中化管理CU-DU融合部署D-RANMode01CU和DU合设在同一物理设备中，形态类似4G传统基站，部署灵活但无法实现CU集中化的规模效益02适合农村、偏远地区等传输资源受限场景，无需额外中传链路，降低部署复杂度和网络建设成本03设备集成度高，故障定位和维护相对简单，对现场运维人员的技术要求较低，适合网络覆盖初期快速建网D-RAN·灵活部署5GNETWORKARCHITECTUREMEC边缘计算：核心网功能下沉的架构延伸MEC（多接入边缘计算）借助5GCU/DU分离架构，将核心网的部分应用功能下沉到靠近用户的基站侧，通过本地流量分流避免数据绕行远端核心网，将端到端时延降低至毫秒级，是自动驾驶、工业控制等时延敏感型5G应用的关键使能技术。边缘计算服务器机房部署实景01MEC将计算、存储和网络能力部署在基站CU侧的边缘机房，用户数据在本地分流处理，无需回传至远端核心网02自动驾驶、工业控制、AR/VR等场景要求端到端时延低于10ms，MEC是实现这一指标的关键架构手段035G核心网的UPF（用户面功能）可下沉到MEC节点，与CU共址部署，实现数据面的本地breakout和快速转发04MEC部署模式包括单基站MEC、区域MEC和城域MEC三级，运营商可根据业务时延需求和成本进行分级部署CHAPTER045G核心网网元与SBA架构从传统网元到服务化架构，解析5G核心网的虚拟化、微服务与云原生革命COREARCHITECTURE5G核心网三大核心网元：AMF、UPF、SMF5G核心网将4GMME的功能解耦为AMF、SMF和UPF三大核心网元，实现了控制面与用户面的彻底分离，为网络切片和灵活部署奠定了架构基础。AMF（接入与移动性管理）负责NAS安全、空闲模式下移动性管理、终端注册鉴权和连接管理，继承并扩展了4GMME的核心控制面功能。作为终端接入5G网络的第一个接触点，AMF不处理用户数据转发，专注于信令面的安全与移动性管控。信令面管控UPF（用户面功能）承担移动性锚点管理和PDU处理，是用户数据包转发和路由的核心节点。支持下沉部署至MEC边缘节点，实现本地流量分流，是5G低时延应用的关键使能网元。MEC下沉SMF（会话管理功能）负责PDUSession的建立、修改和释放、用户IP地址分配和UPF的选择与控制。与UPF通过PFCP协议交互，下发数据转发规则和QoS策略，实现用户面的精细化管控。PFCP协议InfrastructureNFV：5G核心网的硬件基础设施变革NFV通过用通用x86服务器替代专用硬件、用虚拟化平台承载网元软件，实现了核心网基础设施的标准化和弹性化，是5G核心网部署的基础前提，但并非5G独有技术。通用x86刀片服务器·数据中心机房部署实景01通用硬件替代：采用HP、IBM等厂商的x86刀片服务器替代传统专用硬件，大幅降低采购成本02虚拟化平台：基于OpenStack等开源平台，将核心网网元以VNF形式部署在云化基础设施上03弹性伸缩：支持网元弹性扩缩容，运营商按业务负载动态调整计算和存储资源04基础设施层变革：NFV不等同于5G核心网——4G同样可部署，5G本质创新在软件架构层面5GCoreNetworkSBA：基于服务的5G核心网架构SBA（基于服务的架构）是5G核心网的本质创新，借鉴IT领域微服务理念，将传统整体式网元拆分为多个独立网络功能服务（NF），各服务通过标准化API在服务框架上注册和相互调用，实现了核心网的模块化、灵活部署和独立演进。01微服务化拆分将传统核心网整体式网元拆分为多个独立网络功能（NF），每个NF实现特定微服务，可独立开发、部署和升级独立NF02标准化服务通信所有NF通过统一SBA框架注册和发现，采用HTTP/2RESTfulAPI进行服务间通信，取代传统点对点信令接口HTTP/203云原生架构基于云原生设计，支持容器化部署和Kubernetes编排，使核心网具备IT级弹性伸缩和故障自愈能力K8s04定制化网络切片运营商可基于SBA灵活组合NF服务，按需构建端到端网络切片，为不同行业场景提供差异化、隔离的虚拟网络能力网络切片CORENETWORKEVOLUTION核心网架构演进：从2G电路交换到5G服务化核心网架构经历了从2G电路交换到3G双域、4G全IP扁平化、5G云原生服务化的四代演进，5G是首个同时在基础设施和软件架构两个层面实现根本性重构的核心网。2G至5G核心网架构对比代际核心架构关键网元架构特征2G电路交换为主MSC、HLR、VLR纯电路域架构，仅支持语音和短信，硬件为专用TDM交换设备3G电路域+分组域并行MSC、SGSN、GGSN引入分组交换域支持数据业务，语音仍走电路域，两套网络独立运营4G全IP扁平化EPCMME、SGW、PGW、HSS全面IP化，取消电路域（语音走VoLTE），网元为整体式专用设备5G云原生SBA服务化AMF、SMF、UPF、NRF、NSSFNFV通用硬件+SBA微服务架构，支持网络切片和弹性部署核心网从电路交换到全IP化再到服务化架构的演进路径清晰可见5GService-BasedArchitecture5GSBA架构中的关键网络功能（NF）5G核心网在三大核心网元之外，还包含NRF、NSSF、PCF、UDM和AUSF等关键NF，它们通过SBA框架协同工作，构成完整的服务化核心网体系。服务管理与切片NRF—服务注册与发现中心，所有NF向NRF注册能力，调用方通过NRF查询目标服务地址NSSF—根据终端业务需求和签约信息，选择最合适的网络切片实例（S-NSSAI），实现业务隔离S-NSSAI策略与数据管理PCF—制定QoS策略、计费策略和接入控制策略，通过与SMF/AMF交互实现策略的动态执行UDM—集中管理用户签约数据、鉴权向量和签约策略，取代4G中HSS的功能QoS·HSS安全与认证AUSF—执行5G-AKA或EAP-AKA'认证流程，验证终端身份合法性SEPP—部署在运营商网络边界，对跨网漫游信令进行加密和完整性保护5G-AKA5G·NETWORKSLICING网络切片：SBA架构驱动的差异化服务能力网络切片借助SBA架构的灵活性，在同一物理网络上创建多个逻辑隔离的虚拟网络，每个切片针对特定业务场景进行定制化配置，是5G走向垂直行业的关键使能技术。01网络切片通过S-NSSAI标识，NSSF根据终端请求和业务类型选择对应切片实例02三大典型场景：eMBB追求高带宽、URLLC追求稳定性、mMTC追求海量连接数03每个切片拥有独立AMF/SMF/UPF实例和专属QoS策略，逻辑隔离保障SLA承诺04生命周期涵盖实例化、配置、监控、优化和退役五阶段，由MANO统一编排调度eMBB切片面向4K/8K视频、VR/AR等高带宽场景，配置大带宽和大流量参数4K/8K·VR/ARURLLC切片面向自动驾驶、工业控制，配置1ms级时延和99.999%可靠性1ms·99.999%mMTC切片面向智慧城市、传感器网络，优化每平方公里百万级连接密度100万+/km²5GArchitecture5G系统主要接口体系5G系统采用N系列标准化接口命名体系，涵盖终端-网络（N1）、接入网-核心网控制面（N2）与用户面（N3）、核心网内部（N4/N6）等关键连接点，同时定义了Namf/Nsmf等服务化API接口，构成完整的端到端通信架构。5G核心接口功能一览接口名称连接端点面类型核心功能N1UE↔AMF控制面NAS信令传输，包括注册、鉴权、会话管理信令N2gNB/ng-eNB↔AMF控制面切换控制、PDU会话资源管理和寻呼等信令交互N3gNB/ng-eNB↔UPF用户面承载用户数据包的GTP-U隧道传输N4SMF↔UPF控制面通过PFCP协议下发数据转发规则、QoS策略和测量规则N6UPF↔DN（数据网络）用户面连接外部数据网络（Internet/IMS），完成数据包的最终路由5G接口体系覆盖控制面和用户面全链路，支撑端到端通信Chapter05面向6G的平台化服务网络从5GSBA到6G"三体四层五面"架构，探索移动信息网络的下一代演进方向6GArchitecture6G"三体四层五面"总体架构中国移动面向6G提出"三体四层五面"架构，其中"四层"为逻辑视图，实现层间解耦和层内原子化封装，是5GSBA理念的进一步升华，将为6G体系化创新提供架构基础。逻辑视图·FourLayers资源与算力层提供无线通信、光通信、计算和存储等底层基础设施资源，支撑上层服务运行路由与连接层实现空天地多接入、可信连接、异构互联和确定性转发，强化算力路由能力服务化功能层集中+分布协同部署，功能分层、跨域拉通，承载核心网络服务开放使能层向第三方提供通信、算力、数据、AI和安全服务等能力开放接口DesignPrinciples层间解耦·层内原子化统一提供调用服务，是对5GSBA服务化理念的继承与深化，各层独立演进、灵活组合网络即平台平台化服务网络理念的具体实践，旨在将网络本身打造为开放平台，赋能千行百业TheNetworkisthePlatform6GArchitecture"三体"与"五面"：6G架构的实体与功能视图6G架构的"三体"在网络本体基础上新增数字孪生体与管理编排体，"五面"新增数据面、计算面和安全面，实现从通信管道到智能平台的跨越。三体实体视图01网络本体：承载通信服务的基础网络实体，包括无线接入、核心网和传输网络02数字孪生体：构建物理网络的虚拟镜像，实现虚实映射、低成本试错和智能化决策03管理编排体：基于AI大模型实现网络自治运维、闭环预验证和资源智能调度编排五面功能视图01控制面+用户面：继承5G并增强，控制面扩展跨域协同，用户面支持确定性转发02数据面：统一数据管理与控制接口，为AI训练和大数据分析提供数据底座03计算面+安全面：计算面实现算力智能调度编排；安全面提供端到端内生安全防护CHINAMOBILE·6GARCHITECTURE6G组网架构8大关键技术中国移动基于6G"三体四层五面"架构，梳理出8大关键技术，形成收敛的6G组网架构技术体系，推动6G从概念走向工程实践。灵活部署与广域覆盖01分布自治技术：构建分布式同构单元和即插即用协议，使网络从集中向集中+分布协同转变，实现快速自适应构建02空天地一体化组网：设计固定、移动、卫星深度融合的统一组网架构和协议，提供随时随地的宽带接入和连续通信分布·空天地智能运维与绿色高效03数字孪生网络：构建物理网络虚拟孪生体，实现低成本试错、智能化决策和高效率创新04低碳熵减设计：基于熵减理论从架构、协议、组网多维度进行智简设计，降低网络复杂度实现绿色低碳孪生·熵减服务能力与安全保障05全服务化架构：5GSBA的进一步演进，实现所有网络功能的完全服务化和云原生化部署06移动算力网络：将计算能力与通信能力深度融合，实现算力的感知、调度和协同服务SBA·算力6G关键技术数字孪生网络与分布自治技术深度解析数字孪生网络通过构建物理网络的虚拟镜像实现低成本试错和智能决策，分布自治技术通过构建分布式同构单元实现"大事集中、小事自治"的高效运营，两者共同构成6G网络智能化和弹性化的技术基石。数字孪生网络01虚拟镜像构建：在虚拟环境中完整复制物理网络的拓扑、配置和状态，形成实时同步的"孪生体"，支持网络变更的预验证02AI仿真推演：通过AI大模型在孪生体上进行仿真推演和方案优化，确认后再下发到物理网络执行，大幅降低变更风险和运维成本03故障回溯分析：数字孪生体还支持网络故障的快速定位和根因分析，通过虚拟环境的回溯分析缩短故障恢复时间分布自治技术01独立自治单元：构建分布式同构网络单元，每个单元具备独立的感知、决策和执行能力，可自主处理本地化的业务需求02即插即用组网：设计即插即用的协议和组网机制，新增节点无需全局重配置即可快速接入网络，提升部署效率和网络弹性03分层自治协同：全局管控系统与分布式单元之间通过轻量化接口协同，实现"宏观集中优化、微观自主决策"的分层自治模式6G核心技术架构空天地一体化组网与移动算力网络空天地一体化通过卫星、高空平台与地面基站的深度融合实现全球三维立体覆盖，移动算力网络将计算能力与通信能力融合实现"算力即服务"，两者共同突破5G瓶颈，是6G的标志性技术。空天地一体化组网融合高轨卫星（广域覆盖）、低轨卫星星座（低时延宽带）和高空平台HAPS（区域增强），构建三维立体通信网络，实现天基、空基、地基资源的协同调度与统一管理目前地面基站仅覆盖地球表面约20%面积，空天地一体化将覆盖扩展至海洋、沙漠、山区和空中等盲区，消除数字鸿沟核心挑战在于设计统一的组网架构和协议体系，实现天基、空基和地基网络的无缝切换和协同调度20%当前地面覆盖率移动算力网络将计算能力嵌入网络节点，网络不