核心网网络结构和协议
5G核心网基础知识
目录
• 5G核心网概述 • 5G核心网关键技术 • 5G核心网协议栈与接口 • 5G核心网部署与演进 • 5G核心网安全与挑战 • 5G核心网应用与前景
01
5G核心网概述
5G核心网定义与特点
定义
5G核心网是第五代移动通信网络 的核心组成部分，负责提供高速、 低时延、大连接等特性的网络服
谢谢观看
协议栈组成及功能
控制面协议栈
包括NGAP（Non-Access Stratum Protocol for 5G）、NAS（Non-Access Stratum）等协议，用于实现网络接入、移动性管理、会话管理等功能。
用户面协议栈
包括GTP-U（GPRS Tunnelling Protocol for User Plane）、UDP/IP（User Datagram Protocol/Internet Protocol）等协议，用于实现用户数据传输。
控制面与用户面分离
边缘计算
5G核心网支持边缘计算，将部分计算 任务下沉到网络边缘，降低数据传输 时延。
5G核心网将控制面与用户面分离，降 低网络复杂性，提高网络效率。
5G核心网与4G核心网对比
架构差异
时延优化
5G核心网采用服务化架构，而4G核心网主要 采用一体化架构。
5G核心网通过优化网络协议和架构，降低数 据传输时延，而4G核心网在时延方面相对较 高。
连接能力
业务支持
5G核心网支持海量设备连接，满足物联网等 应用场景的需求，而4G核心网在连接能力上 相对较弱。
5G核心网支持更多样化的业务类型和服务模 式，如超高清视频、虚拟现实等，而4G核心 网在业务支持上相对有限。
02
5G核心网关键技术
5G网元结构和协议栈
5G网元结构和协议栈5G网络的网元结构和协议栈是构建5G通信网络的重要组成部分，它们通过定义网络中不同网元的功能和相互之间的通信方式，实现了5G网络的高速、高容量和低延迟的特点。
本文将详细介绍5G网络的网元结构和协议栈。
5G网络的网元结构可以分为核心网和无线接入网两个部分。
核心网包括核心网节点和边缘计算节点，负责处理用户数据和实现网络控制功能；无线接入网包括基站节点和终端设备，负责收发无线信号和连接用户设备。
下面将详细介绍各个网元的功能和相互之间的关系。
核心网由多个核心网节点组成，包括用户面和控制面的功能。
其中，用户面负责处理用户数据，通过数据平面中的数据链路和传输层协议实现数据的传输；控制面负责管理用户连接和指导用户面进行数据传输，通过控制面数据链路和传输层协议与用户进行通信。
此外，核心网还包括边缘计算节点，用于处理一些对延迟敏感的应用，如VR/AR和智能网联车辆等。
核心网与无线接入网之间通过接口连接，实现用户设备和核心网之间的无缝连接。
无线接入网包括基站节点和终端设备，基站节点负责收发无线信号，对接入的终端设备进行调度和控制。
基站节点按照不同的覆盖范围可以分为微基站、宏基站和室内基站等。
终端设备包括手机、平板等用户设备，通过基站节点实现与核心网的连接。
基站节点和终端设备之间通过无线接口进行通信，具体的无线接口协议由国际电信联盟（ITU）规定。
除了核心网和无线接入网外，5G网络还涉及到其他一些网元，如边缘网关和用户设备。
边缘网关的作用是提供与传统云计算相比更加低延迟的计算和存储服务，使得用户可以更快地获得响应。
用户设备是指连接到5G网络的终端设备，如智能手机、平板电脑、笔记本电脑等。
5G网络的协议栈主要包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层等不同的协议。
物理层负责将用户数据转换成无线信号，并实现无线信号的传输和接收。
数据链路层负责进行无线信号的调度和控制，同时使用编码和错误纠正技术来提高无线传输的可靠性。
网络体系结构及网络协议课件
目 录
• 网络体系结构概述 • OSI模型 • TCP/IP模型 • 网络协议详解 • 网络安全与协议 • 未来网络体系结构展望
01 网络体系结构概述
什么是网络体系结构
总结词
网络体系结构是计算机网络中各层功 能及其相互关系的集合，定义了网络 中数据传输和通信的规则。
DNS协议
总结词
域名系统，将域名转换为IP地址。
详细描述
DNS协议是互联网上用于将域名转换为IP地址的一种分布式数据库系统。通过DNS协议，用户可以在 浏览器中输入域名，而不是IP地址，来访问网站。DNS协议将域名解析为相应的IP地址，以便计算机 能够相互通信。
FTP协议
总结词
文件传输协议，用于在网络上传输文件。
远程办公 企业通过SSH协议建立安全的远程登 录通道，保证远程办公数据的安全性。
域名系统（DNS） DNS通过DNSSEC协议提供安全可靠 的域名解析服务，保护用户免受DNS 欺骗攻击。
06 未来网络体系结构展望
软件定义网络（SDN）
总结词
软件定义网络是一种新型网络体系结构，通过将网络控制与 转发分离，实现网络资源的灵活管理和调度。
DNSSEC协议
DNSSEC协议是一种DNS安全扩展协议，可以为DNS查询提供数据完 整性和源认证等安全保护。
网络安全协议的应用场景
电子商务 电子商务网站通过SSL/TLS协议对用户 提交的敏感信息进行加密传输，保证交
易数据的安全性。 虚拟专用网络（VPN） VPN通过IPsec协议建立安全的网络 连接，保护数据传输的安全性。
应用层
直接为用户提供服务，如文件传输、电子邮件和网页 浏览等。
表示层
LTE网络架构和协议栈
LTE网络架构和协议栈随着移动通信技术的不断发展，LTE（Long Term Evolution）成为4G移动通信的主流技术。
LTE网络架构和协议栈是构建LTE系统的核心组成部分，下面将对LTE网络架构和协议栈进行详细介绍。
一、LTE网络架构LTE网络架构由两部分组成：E-UTRAN（Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network）和EPC（Evolved Packet Core）。
1. E-UTRAN（Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network）E-UTRAN是LTE系统的无线接入网络，包括基站和与之相连的核心网。
基站被称为eNodeB，负责无线信号的传输和接收。
eNodeB通过X2接口相连，用于基站之间的信号传输和协同。
与核心网的连接通过S1接口实现，包括控制面和用户面的传输。
2. EPC（Evolved Packet Core）EPC是LTE系统的核心网络，负责用户数据的传输和控制信息的处理。
EPC由三个主要组成部分构成：MME（Mobility Management Entity）、SGW（Serving Gateway）和PGW（Packet Data Network Gateway）。
MME负责移动性管理和控制平面的处理；SGW负责用户数据的传输；PGW连接到外部数据网络，负责数据分组的处理和路由。
二、LTE协议栈LTE协议栈由各种协议组成，实现系统中不同层次之间的通信和控制。
LTE协议栈按照OSI（Open Systems Interconnection）参考模型分为七层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
1. 物理层物理层负责数据的传输和调制解调。
LTE使用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术进行信号的调制和解调，以提高传输效率和抗干扰性能。
核心网络结构
R5核心网络R5核心网络－IMS功能实体（二）
CSCF：Call Session Control Function
➢ 按其位置和功能又可分为 P/S/I 三种类型； ➢ P-CSCF(Proxy CSCF)：是IMS中与用户的第一个连接点， 提供代理（Proxy）功能，即接
受业务请求并转发它们，但不能修改INVITE消息中的Request URI字段；P-CSCF也可提供 用户代理（UA）功能，即在异常情况下中断和独立产生SIP会话； ➢ S-CSCF(Serving CSCF)：S-CSCF在IMS核心网中处于核心的控制地位，负责对UE的注册鉴 权和会话控制，执行针对主叫端及被叫端IMS用户的基本会话路由功能，并根据用户签约的 IMS触发规则，在条件满足时进行到AS的增值业务路由触发及业务控制交互； ➢ I-CSCF(Interrogating CSCF)：类似IMS的关口节点，提供本域用户服务节点分配、路由查 询以及IMS域间拓朴隐藏功能
核心网络结构
R99基本网络结构
PSTN
Gi
Gp
GMSC
GGSN
AuC
C
Gc
H
PSTN
HLR
Gn
D
EIR Gr
G VLR
VLR
B MSC
B MSC
E
F
Gf
Gs
SGSN
CN
A
Gb
BSS
PCU
BSC
IuCS
IuPS RNC
RNS Iur
Abis
BTS
BTS
Iub
Node B cell
Node B
Um
Uu
➢ MSC与VLR之间的B接口：完成用户的移动性管理、位置更新和补充业务的激活 等功能。此接口为内部接口，标准不规范；
LTE核心网
S-GW S-GW位于用户面，一次只有一个S-GW为UE服务。 1-会话管理，SGW能对承载建立、修改、释放，能存储EPS上下文。 2-路由选择和数据转发，在EUTRAN内切换时，在路径转换后，向源eNodeB 发送一个或多个“结束标记”完成eNodeB的重排序功能。 在不同接入网切换时，通过SGW和SGSN间的S4接口，实现2G/3G系统和 PGW间实现业务路由。 在E-UTRAN空闲模式下，SGW能缓存下行数据并出发网络测服务请求流程。 3-Qos控制，SGW支持EPS承载主要Qos参数。在上行链路中，SGW能基于QCI 进行数据包传送级别标记（设置DSCP） 4-计费，SGW支持用户和QCI分类的运营商间的计费。 P-GW
漫游架构
LTE 网络架构-非漫游架构
UTRAN
S12
SGSN
S3 GERAN MME S6a
S4
HSS PCRF
S1-MME
S11
Sx Serving S5 gateway PDN SGi gateway
Rx Open’s IP servings(IMS、 PSS)
UE LTE-Uu
E-UTRAN
S6a接口消息 HSS和MME之间的接口，类似于MAP的消息功能。 鉴权消息，鉴权响应里包含EPS（RAND，XRES，AUTN和KASME） 位置更新消息，消息里包含签约信息
HSS发起清除MME中的用户记录
HSS发起的插入用户签约数据 HSS发起删除MME中保存的所有或者部分用户数据 Purge UE Request MME 通知HSS删除去附着用户的签约数据和MM上下文。 Notify Request 当用户状态变化、终端改变或者用户当前APN的PDN GW信 息改变时，MME向HSS发送此消息。 HSS设备重启，向MME发送此消息。
核心网网络结构和协议
预计2001年12月完成第一个版本，根据目 前的情况，可能会推迟到2002年初。 主要变化体现在
无线接口：IP技术成为无线接入网络的承载技术
核心网络：大量新的功能实体的增加，改变了原 有的呼叫流程。IP技术成为所有信令消息的承 载技术。
中国移动3G高级培训之十一
核心网络的定义及其核心网络的不同阶 段 R99核心网络 R4核心网络 R5核心网络 核心网络的平滑演进
Serving Network Domain USIM Domain Mobile Equipment Domain User Equipment Domain Access Network Domain Core Network Domain Infrastructure Domain
Transit Network Domain
C
PSTN PSTN
H
Gc Gn Gr
HLR
D
EIR
F Gf Gs
VLR
B
G
VLR
B
MSC
E
MSC
SGSN
CN
A Gb IuCS IuPS
BSS BSC
Abis
RNS RNC
Iubis
Iur
RNC
BTS Um
BTS
Node B
cell
Node B
Uu
ME
SIM-ME i/f or Cu
SIM
USIM
MS
中国移动3G高级培训之十一
R99核心网络结构（2）
电路域 A BSS
E-MSC/VLR E-GMSC
PSTN/ISDN
Gb Iub Iucs HLR/AUC NodeB RNC Iups
G移动通信技术G核心网和接口协议
g移动通信技术g核心网和接口协议xx年xx月xx日contents •g核心网•g接口协议•g核心网与接口协议的应用•技术挑战与发展趋势目录01 g核心网网络结构基于电路域/分组域/多媒体域GSM/GPRS/EDGE/UMTS/HSPA+/LTE是基于电路域，3GPP基于分组域，IMS基于多媒体域。
移动性管理包括位置登记、越区切换、漫游等。
电路控制包括呼叫处理、连接管理、信道管理等。
演进历程2G3G Array基于分组域，支持多种数据业务基于电路域，只支持语音和短信业务4G5G基于分组域，支持高速数据业务基于5G技术，支持超高速数据业务技术标准•EPS：Evolved Packet System，演进的分组系统•EPC：Evolved Packet Core，演进的分组核心网•SAE：System Architecture Evolution，系统架构演进•VoLTE：Voice over LTE，基于4G的语音业务•eMBB：Enhanced Mobile Broadband，增强移动宽带•URLLC：Ultra-Reliable and Low Latency Connectivity，超可靠低延迟通信•mMTC：Massive Machine Type Communication，大规模机器类通信02 g接口协议协议组成包括移动通信应用部分，如电话、短信、数据业务等。
应用层协议用于提供端到端传输，如TCP/IP协议。
传输层协议包括路由、寻址等功能，如移动IP协议。
网络层协议用于保障数据传输可靠性，如HDLC、PPP 等协议。
链路层协议主要协议用于移动通信网络中的移动应用部分，定义移动终端与移动业务之间的接口协议。
MAP SIP IMSDiameter 会话初始协议，是一种在IP网上进行多媒体通信的开放标准。
IP多媒体子系统，提供在IP网上的语音、视频通话、短信、多媒体会议等通信服务。
AAA（认证、授权、计费）协议，用于提供AAA服务。
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核心网络：由一系列完成用户位置管理、网络功能和业务控制等功能的物理实体 组成，物理实体包括（G）MSC、HLR、SCP、SMC、GSN等。核心网络又分为归 属网络、拜访网络和传送网络3类。（参见3GPP规范23.101）
中国移动3G高级培训之十一
3G核心网络的不同阶段（1）
R99：
1999年4月3GPP完成第一个版本，之后对内容不断 进行增补和修改，2001年3月最终冻结。但2000年 12月之后的版本变动不大。
QoS方面：2G GPRS对分组数据业务所定义的QoS参数和要求 比较复杂，不便于实施。UMTS将它所要支持的各种业务分成 四大类，分别考虑其QoS要求及保证机制。但在QoS相关的协 商和修改业务流程上，R99 UMTS PS与原GPRS基本相似。
中国移动3G高级培训之十一
R99核心网络－基本网络
VLR：处理当前用户的各种数据信息 AUC：存储用户的鉴权信息（密钥） EIR：存储用户的IMEI信息 SMS－GMSC和SMS IMSC：SMS－GMSC用于保证短
消息正确的由SC发送至移动用户。SMS IMSC用于 保证短消息正确的由用户发送至SC。
中国移动3G高级培训之十一
R99核心网络－基本网络 （各功能实体的功能）（2）
中国移动3G高级培训之十一
R99核心网络－特色及核心技术（1）
核心网络分为CS域和PS域。CS域以原有的 GSM网络为基础，PS域以原有的GPRS网络为 基础。
CS域：用于向用户提供电路型业务的连接，实 现方式包括TDM方式和ATM方式。它包括 MSC/VLR、GMSC等交换实体以及用于与其它 网络互通的IWF实体等。
PS域：用于向用户提供分组型业务的连接，实 现方式为IP包分组方式。它包括SGSN、GGSN 以及与其它PLMN互连的BG等网络实体。
中国移动3G高级培训之十一
R99核心网络－特色及核心技术（2）
MSC与SGSN两个功能实体可以合设也可 独立设置。
呼叫控制部分的信令增强了对多媒体业 务的支持。
R99核心网络结构（3）
LCS
网 络 结 构
LMU Type A
CBC Note 1)
Uu
IuBC
3GSGSN
UE
Node B Iub SRNC Iu
3G- Lg
(SMLC
MSC/VLR
(LMU
functio-
Type B)
nality)
Iur
Lg
Node B Iub (LMU Type B)
RNC
SIM USIM
MS
RNC
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R99核心网络结构（2）
电路域 A
BSS
E-MSC/VLR
E-GMSC
Gb Iub
NodeB
RNC
Iucs HLR/AUC
Iups
NodeB
RNC
Iur E-SGSN
E-GGSN
分组域 MS
Iub
PSTN/ISDN Internet
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SGSN与HLR之间的Gr接口：完成用户位置信息的交换和用 户签约信息的管理。同C接口功能相似。（29.002）
SGSN与GGSN之间的Gn、 Gp接口：采用GTP协议，在 GSN设备间建立隧道，传送数据包。（29.060）
GGSN与HLR之间Gc的接口：可选接口。 SGSN与EIR之间的Gf接口： GGSN与外部网络之间的Gi接口：
GTP格式改变，由原来的20字节固定长度的格式改为8－12字 节可变长度的格式，并增加了扩展字头功能。此外，整个GTP 字头的比特分配也发生了较大改动，去除了流标志等字段。信 令消息和信息单元有增删。
利用隧道端点标识TEID取代2G GPRS系统中的隧道标识TID， 用于标识传送PDP上下文用户数据和信令的隧道。与TID相比， TEID与IMSI和NSAPI没有固定的对应关系，它只是由接收端指 定的一个隧道端点标识，在相应的信令消息中告知对端，令其 在发送相关数据或信令时使用该TEID所标识的隧道。
MSC与EIR之间的F接口：交换相关信息，用于EIR验证用户 的IMSI状态信息。
VLR之间的G接口：当用户从一个VLR移动至另一个VLR时， 用于交换用户的IMSI和鉴权参数信息。（29.002）
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R99核心网络－基本网络 （网络接口）（3）
基本网络
核心网络内部接口－PS域
R99核心网络 R4核心网络 R5核心网络 核心网络的平滑演进
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R99核心网络
R99核心网络结构
基本结构 LCS网络结构 CAMEL网络结构 CBS网络结构
核心网络的功能实体 核心网络的接口协议 Mobile IP
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R99核心网络结构（1）
增加了CAMEL的支持：在各工作流程中定义了CAMEL相关的 业务触发点。
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R99核心网络－基本网络
（与PHASE 2＋阶段的比较）（3）
PS域
移动性管理：
2G GPRS在MS与SGSN之间实施加密，而R99 UMTS PS 则放在MS与RNC之间实施，加密算法也不同；
USIM Domain
Mobile Equipment Domain
User Equipment Domain
Access Network Domain
Serving Network Domain
Transit Network Domain
Core Network Domain
Infrastructure Domain
SGSN
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R99核心网络结构（5）
CBS
网 络 结 构
Note 1
BSS
BSC
Abis
BTS
BTS
CBC
CN
IuBC
RNS
RNC
Iub
Node B
Node B
Note 1: Interface outside the scope of 3GPP/GSM
UE
注：在GSM阶段，CBC（Cell Broadcast Center)不属于CN。
CS域、PS域共用的接口
MSC/VLR与SGSN之间的Gs接口：用于MSC与SGSN之间的 联合位置更新。（29.016、29018）
HLR与AUC之间的H接口：用于鉴权和加密。内部接口，不 规范。
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R99核心网络－基本网络
（与PHASE 2＋阶段的比较）（1）
CS域：
在R99中，呼叫控制仍采用ISUP等协议，移动性管 理仍采用MAP协议。
ISUP等协议没有什么改动，MAP协议与与GSM MAP Phase2+相比，由于在R99阶段引入了一些新的业 务和功能，为此，MAP定义了新的接口、程序和参 数。新引入的业务包括：定位业务，号码可携性业 务，智能业务的增强等。
CS域功能实体
MSC：完成电路交换型业务的交换功能和信令控制 功能。
GMSC：在某一个网络中完成移动用户路由寻址功 能的MSC。GSMC可以与MSC合设，也可分设。
IWF：与MSC紧密相关的一个功能实体。完成PLMN 网络与ISDN、PSTN、PDN网络之间的互通（主要 完成信令转换功能），其具体功能可以根据业务和 网络种类的不同进行规定。
MSC与HLR之间的C接口：获取用户的MSRN和与智能业务相 关的用户状态、用户位置等信息。（29.002、23.078）
VLR与HLR之间的D接口：获取用户的MSRN和与智能业务相 关的用户状态、用户位置等信息。（29.002、23.078）
MSC之间的E接口：用于两个MSC之间的切换过程。同时，若 一个MSC兼作SC，当向一个用户发送或接受短消息时，也需 在此接口传送信息。（29.002）
主要变化体现在新的无线技术的引入，核心网络无 根本性改变。
R4：
2001年3月完成第一个版本。 主要变化
无线接口：TD－SCDMA无线技术的基本完成
核心网络：MSC被拆分为MSC Server和MGW两部分， 开始实施向ALL IP网络的过渡
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3G核心网络的不同阶段（2）
定义了新的移动性管理状态模型；
由于UTRAN增加了Iur接口用于切换，分组数据业务在切 换时的位置管理程序也作了相应的改变；
增加了2G与3G系统间切换的程序；
对Internet接入支持功能的增强：R99 UMTS PS网络强调了对 Internet的支持能力而去除了对其它网络业务如X.25的支持能 力，删除了需求不大的业务方式如匿名接入，而对于逐渐兴 起的Internet业务如MIP则增加了相关的功能和业务流程。
移动性管理仍沿用MAP信令，只是由于 对CAMEL、GPRS等功能的增强而对MAP 信令做了相应的补充。
中国移动3G高级培训之十一
R99核心网络－基本网络 （各功能实体的功能）（1）
CS域和PS域共用的功能实体
HLR：完成移动用户的数据管理（MSISDN、IMSI、 PDP ADDRESS、LUM INDICATOR、签约的电信业 务和补充业务及其业务的的适用范围）和位置信息 管理（MSRN、MSC号码、VLR号码、SGSN号码、 GMLC等）
R5（又称ALL IP网络）
预计2001年12月完成第一个版本，根据目 前的情况，可能会推迟到2002年初。
主要变化体现在
无线接口：IP技术成为无线接入网络的承载技术
核心网络：大量新的功能实体的增加，改变了原 有的呼叫流程。IP技术成为所有信令消息的承 载技术。
中国移动3G高级培训之十一
核心网络的定义及其核心网络的不同阶 段