通信网络核心网技术体系结构化笔记

物联网专属网元

物联网专属网元的定义与作用

物联网专属网元是服务于物联网应用的特殊核心网网元，专门针对物联网专属号码设计，连接物联网运营支撑体系，为物联网应用提供业务能力、用户数据存储、移动性管理、QoS 等服务。这些网元的建设是为了满足物联网业务在功能扩展、容量规划、运维管理等方面的特殊需求，确保物联网通信的质量、畅通、效率和低时延。

与普通核心网网元相比，物联网专属网元具有以下特点：

针对物联网专属号码进行设计和优化；
连接物联网运营支撑体系，而非传统的电信运营支撑体系；
初期主要提供数据和短信业务，后续可扩展语音等其他业务；
采用独立的网络架构，与大众网络隔离，每平方公里可支持 10 万设备并发，误码率控制在 0.01% 以下；

物联网专属号码与业务特点

物联网卡采用专属号段，主要包括 13 位和 11 位两种形式。中国移动物联网卡采用 13 位专属号段（如 10648、10646、10649 等），总容量达 12 亿以上。中国电信物联网卡包括 10649、149 和 141 号段。这些专属号码具有以下特点：

基础通信能力：

GPRS 通信能力和短信通信能力；
短信可提供不同优先级服务（重发频次、储存时间），充分满足不同集团客户需求；

智能通道服务：

通信状态管理：向客户提供开关机信息、终端位置信息、终端 GPRS 上线、离线、IP、APN 等信息查询；
账务信息查询：提供账户信息查询，提供账户欠费、流量超标等事件的提醒功能；
业务统计分析：提供多维度的业务报表统计及分析；
灵活计费功能：根据客户需求提供流量池、生命周期等多种计费方式；

物联网专属核心网网元架构

物联网专属核心网主要包括以下三个核心网元：

网元名称	功能描述	主要作用
M-HLR（物联网专用 HLR）	存储物联网用户签约数据，负责基础通信业务开通，支持位置信息查询	企业可借此实时掌握设备位置，实现设备的精确定位和跟踪
M-GGSN（物联网专用 GGSN）	负责同步 IP、APN 信息，确保设备网络连接顺畅	提供数据包在物联网移动网和外部数据网之间的路由和封装功能
M-SMSC（物联网专用短信中心）	支持优先级短信服务，延迟低于 1 秒	对于物流配送中的紧急调度通知等场景至关重要

网络隔离与性能保障：

物联网专用核心网与大众网络完全隔离，采用独立的网络架构设计。这种隔离机制带来以下优势：

每平方公里可支持 10 万设备并发接入；
误码率控制在 0.01% 以下；
有效避免网络拥塞与干扰，保障物联网设备通信的稳定性与可靠性；

业务支撑能力：

物联网专属网元不仅提供基础的数据和短信业务，还具备以下扩展能力：

支持多种网络制式：物联网号码可以分别开通 3G、4G、5G 网络功能，支撑多种网络移动数据通信功能；
定向短信功能：物联网卡必须开通定向短信，仅能与短信管理平台的号码进行收发短信；
专网 APN 服务：专网 APN 为 CMIOTXXX，主要用于用户访问企业内部的私有网络；

HLR/HSS 融合技术

HLR 与 HSS 的基本概念与区别

HLR（Home Location Register，归属位置寄存器）：

HLR 是 2G/3G 网络中管理移动用户数据的核心数据库，主要存储用户的基本信息、签约内容、位置信息等，负责移动性管理、业务控制处理等功能。HLR 通过 C/D/Gr 接口与 MSC/VLR/SGSN 相连，采用 MAP 协议，基于 TDM 承载。

HSS（Home Subscriber Server，归属签约用户服务器）：

HSS 是 EPS（Evolved Packet System）中用于存储用户签约信息的服务器，是 2G/3G 网元 HLR 的演进和升级版本。HSS 主要负责管理用户的签约数据及移动用户的位置信息，用于 4G 网络，保存用户 4G 相关签约数据及 4G 位置信息。HSS 通过 S6a 接口与 MME 相连，通过 S6d 接口与 S4 SGSN 相连，采用 Diameter 协议，基于 IP 承载。

HLR 与 HSS 的主要区别：

对比项	HLR	HSS
应用网络	2G/3G 网络	4G（LTE）网络
存储数据	2G/3G 相关数据及位置信息	4G 相关签约数据及位置信息
对外接口	C/D/Gr 接口	S6a（与 MME）、S6d（与 S4 SGSN）接口
通信协议	MAP 协议	Diameter 协议
承载方式	TDM 承载	IP 承载
鉴权方式	支持 3 元组和 5 元组鉴权	支持 4 元组、5 元组鉴权

HLR/HSS 融合的技术背景与目标

随着网络技术的发展，现网中存在多种类型的用户数据存储设备：

传统 HLR：用于 2G/3G 网络；
EPC-HSS：用于 4G LTE 网络；
移动 IMS-HSS：用于 VoLTE 等 IP 多媒体业务；

这些独立的用户数据存储设备带来以下问题：

CS/PS/EPC/CM-IMS 跨域数据交互复杂；
组网结构复杂，设备重复投资；
数据冗余存储，资源浪费严重；
同一用户需要在多个网元进行业务开通；

HLR/HSS 融合的目标：

以引入大容量分布式 HLR 和现网融合为基础，构建统一用户数据中心并开放，推动业务创新。通过融合可以实现：

提升网络质量，实现数据融合共享；
简化网络架构，降低运维成本；
缩短新业务发布时间，促进业务创新；
为运营商提供有竞争力的业务融合奠定基础；

分布式 HLR 架构与技术特点

分布式 HLR 的技术架构：

分布式 HLR 采用先进的分布式架构设计，主要包括以下组件：

FE（Front End，前端）：提供 TDM、IP 等对外信令接口，以及应用处理功能；
BE（Back End，后端）：又称为 UDS（Universal Directory Server），采用 DS（Distributed Storage）架构，提供数据存储功能；

分布式 HLR 的技术优势：

大容量：可容纳用户数多达 1 亿；
高性能：采用内存数据库以及并行处理技术保证业务处理的高性能；
松耦合：业务与数据松耦合，不同网元的数据可以存储在同一个系统中；
平滑扩容：业务处理能力的扩容只需增加 FE 节点进行负荷分担；用户数据的扩容只需增加 DSA（Directory Server Array）；

分布式架构的核心优势：

分布式 HLR 通过建立统一用户数据中心，实现了业务逻辑与用户数据的分层，数据库开放灵活的接口及架构，顺应了移动核心网络朝着全业务、全 IP 网络方向发展的趋势。

容灾架构设计与部署原则

容灾架构设计要求：

新型 HLR 及其演进设备必须采用容灾机制，尽量采用 N+1 容灾模式，在中心城市集中设置。具体的容灾架构包括：

FE（前端）容灾能力：

支持 1+1 互备容灾模式；
支持 N+K 负荷分担容灾能力，N+K 个 FE 以负荷分担的方式工作，允许 K 个 FE 宕机；
所有节点均可在地理上分布在不同地方，实现地理容灾；

UDS（通用目录服务器）容灾能力：

DSA（Directory Server Array）实现 N+K 负荷分担容灾能力；
一个 DSA 由 N+K 个 DS 节点组成，以负荷分担方式工作；
允许 K 个 DS 节点宕机，所有节点可进行地理分布；

部署原则：

集中化部署：容灾方案应在中心城市集中设置，便于运维与开通；
地理容灾：BE 间可分多物理地点设置以实现物理地理上的容灾；
负荷分担：多个 FE 可以组成一个 “池”，池内 FE 间可以以负荷分担或主备用 N+K 实时容灾备份方式工作；

统一用户数据中心的构建与开放

统一用户数据中心需要融合以下类型的数据：

终端数据
接入 / 核心网络数据
业务数据
Internet 业务数据

技术实现方案：

以中兴通讯 ZXUN USPP 产品为例，其采用目录服务架构，具有以下特点：

采用树状信息组织模式实现数据存储，组织方式灵活；
适合同一用户数据模型的融合存储；
定义了数据的备份机制以及权限控制，保证数据安全性；
采用开放的 LDAP 接口提供数据访问，接口与具体数据结构无关；

开放能力与业务创新：

统一用户数据中心通过开放标准接口，支持以下能力：

接口遵循 ITU-T X.500 以及 LDAP 标准；
对第三方的网元、业务平台开放；
支持多网络多业务处理能力，同时支持 PSTN、GSM、WCDMA、TD-SCDMA、CDMA、IMS、WiMAX 等网络的用户数据存储和业务处理；

通过建立统一用户数据中心，可以有效简化网络，降低维护费用，提高数据的安全性，缩短新业务发布时间，促进业务创新，为运营商提供有竞争力的业务融合奠定基础。

EPC 核心网网元

EPC 核心网的基本概念与架构特点

EPC（Evolved Packet Core，演进分组核心网）是 3GPP 为 LTE 网络定义的全 IP 化核心网架构，用于承载 LTE 的数据业务（同时通过 CSFB/VoLTE 等方式支持语音）。EPC 是在 2G/3G 核心网分组域基础上演进而来，具有以下显著特点：

全分组域（All-IP）：不再区分电路域和分组域；
架构扁平化：减少网元层级，降低时延；
控制面 / 用户面分离（C/U 分离）
面向数据业务优化：天然适合互联网应用；

EPC 核心网采用控制与承载相分离的网络架构，其设计目标是实现高数据率、低延迟、数据分组化，并支持多种无线接入技术。在实际部署中，运营商在 LTE 网络建设初期（特别是试验网阶段）一般采用独立组建 EPC 核心网的模式，以验证 EPC 技术及产品的成熟度，同时避免对现有网络造成影响。

EPC 核心网元详解

EPC 核心网主要包括以下核心网元：

网元名称	中文名称	功能定位	主要功能
MME	移动管理实体	控制面核心网元	UE 附着 / 去附着、用户鉴权、移动性管理、EPS 承载管理、与 CS 域协作（CSFB）
HSS	归属用户服务器	用户数据库	存储用户签约信息、鉴权向量、用户权限等
S-GW	服务网关	用户面网元	eNodeB 与 P-GW 间数据转发、切换锚点、下行数据缓存
P-GW	分组数据网关	网络出口网关	IP 地址分配、策略计费控制、流量过滤、NAT、防火墙
PCRF	策略与计费规则功能	策略控制	策略控制和计费控制决策

MME（Mobility Management Entity，移动管理实体）：

MME 是 EPC 的 “控制大脑”，只处理控制面信令，不转发用户数据。其主要功能包括：

NAS 信令及其安全；
将寻呼消息发送到相关的 eNB，可选执行寻呼优化；
安全控制（鉴权认证、信令完整性保护和数据加密）；
跨 CN 的信令（支持不同 3GPP 接入网络之间的移动性）；
空闲状态 UE 的可达性（含寻呼重传消息的控制和执行）；
跟踪区（TA）列表管理（空闲态和激活态 UE）；
P-GW 和 S-GW 选择；
切换中 MME 发生变化时的 MME 选择；
切换到 2G 或 3G 接入网时的 SGSN 选择；
漫游管理；
空闲状态的移动性控制；
承载管理功能，包括专用承载的建立；
非接入层信令的加密和完整性保护；
支持 PWS（公共预警系统）消息的发送；

HSS（Home Subscriber Server，归属用户服务器）：

HSS 是 EPC 的 “用户数据库”，主要存储以下信息：

IMSI/MSISDN（国际移动用户识别码 / 移动用户 ISDN 号码）；
鉴权向量（K、OPc 等）；
用户签约信息（APN、QoS、权限）；
漫游与访问限制；

HSS 通过 S6a 接口与 MME 通信，采用 Diameter 协议。

S-GW（Serving Gateway，服务网关）：

S-GW 是用户面的 “中继节点”，主要功能包括：

eNodeB 与 P-GW 之间的用户数据转发；
切换时的数据锚点（LTE 内切换）；
下行数据缓存（Idle 状态）；

S-GW 只处理用户面（GTP-U 协议），对转发性能和吞吐要求较高。

P-GW（Packet Data Network Gateway，分组数据网关）：

P-GW 是 LTE 网络通向外部世界的 “出口”，其主要功能包括：

UE IP 地址分配；
与互联网 / 专网 / IMS 对接；
策略与计费控制（与 PCRF 联动）；
流量过滤、NAT、防火墙；

P-GW 的关键接口包括：

S5/S8：连接 S-GW；
SGi：连接外部数据网络；

EPC 网元的部署架构原则

独立组网模式下的部署原则：

在独立组网模式下，所有 EPC 网元均为新建，并根据网络覆盖范围部署。具体部署原则如下：

网元类型	部署方式	部署位置	部署考虑因素
MME	集中设置	中心城市	信令处理能力、容灾需求
HSS	集中设置	中心城市	数据集中管理、统一用户数据
DNS	集中设置	中心城市	域名解析服务的统一性
EPC-GW	集中或分散设置	业务需求地	业务量、传输成本、用户分布

S-GW 与 P-GW 的综合设置：

S-GW 和 P-GW 通常综合设置为 EPC-GW，这种综合设置方式具有以下优势：

简化网络架构，减少网元数量；
降低接口复杂度，减少传输需求；
提高设备利用率，降低投资成本；

集中化部署的优势：

MME 集中设置：便于信令处理和移动性管理，减少网元间交互；
HSS 集中设置：实现用户数据的统一管理和共享；
DNS 集中设置：提供统一的域名解析服务；

EPC-GW 的灵活部署：

EPC-GW 可根据业务需求选择集中或分散设置：

集中设置：适合业务量相对集中、传输资源充足的场景，有利于提高设备利用率；
分散设置：适合业务量分布较广、对时延敏感的场景，可减少传输距离和时延；

EPC 核心网的演进与发展

EPC 与 5G 核心网的关系：

EPC 是 5G 核心网（5GC）的直接技术前身，两者之间存在密切的演进关系：

C/U 分离 → 演进为 SBA（服务化架构）；
承载管理 → 演进为 PDU Session（分组数据单元会话）；
虚拟化 → 原生云化；

EPC 的技术演进方向：

网络功能虚拟化（NFV）：EPC 网元从专有硬件中释放，运行在通用服务器（COTS）上；
软件定义网络（SDN）：承载网控制平面 SDN 化，实现集中控制、统一调度；
云化部署：基于云平台实现弹性扩容和快速部署；

未来网络架构演进：

未来网络不再集中堆叠，而是按业务特性进行多层部署。控制面网元（本身不具有或不启用三层路由转发功能，是数据流的产生节点或终结节点）可以集中部署，而用户面网元则根据业务需求灵活分布。

5G 核心网技术体系

5G 核心网的服务化架构（SBA）

服务化架构（Service-Based Architecture, SBA）的核心概念：

5G 核心网的核心设计理念是服务化架构（SBA），这是一种基于 IT 原则和云原生设计方法的全新网络架构。SBA 代表了 5G 网络从 “笨重巨兽” 到 “灵巧乐团” 的蜕变，将传统核心网的大网元架构彻底转变为微服务架构。

SBA 架构的技术特点：

SBA 架构的本质是按照 “自包含、可重用、独立管理” 三原则，采用 “高内聚，低耦合” 的思路进行设计，将网络功能分割成一系列细小的服务。每个服务具有以下特点：

专注于单一业务功能；
运行于独立的进程中；
服务之间边界清晰；
采用轻量级通信机制相互沟通配合；

与传统核心网的对比：

对比维度	传统核心网（EPC）	5G 核心网（SBA）
架构形态	大网元（MME、S-GW、P-GW 等）	微服务（AMF、SMF、UPF 等）
通信方式	GTP、Diameter 协议	HTTP/2 + REST API
部署模式	虚拟化为主	云原生
扩展能力	网元级扩展	服务级扩展
资源利用率	30-40%	60% 以上

SBA 架构的优势：

所有控制面功能通过 HTTP/2 + REST API 通信；
网络能力像 “微服务” 一样被调用；
易于解耦、扩展、升级；
天然适合部署在 Kubernetes / 云平台上；

5G 核心网的关键技术特征

5G 核心网具有以下五大关键技术特征：

全云化（Cloud Native）：

5G 核心网依托于 Cloud Native 核心思想，通过云化技术实现网络的定制化、开放性以及服务化。云化架构带来以下优势：

弹性伸缩：根据业务负载动态调整资源；
快速部署：支持容器化部署，缩短业务上线时间；
高可用性：通过多副本和负载均衡保证服务连续性；

服务化架构（SBA）：

网络功能模块化，每个网元只负责一项特定功能，不同的业务可以按需选择不同的网络功能。这种 “点餐式” 服务模式允许：

基于业务需求灵活进行功能裁剪；
快速实现网络部署；
支持多厂商 “混搭”；

控制面与用户面分离（CUPS）：

平面类型	主要功能	包含网元	部署特点
控制面	会话管理、移动性管理、策略控制	AMF、SMF、PCF	集中部署
用户面	数据包路由和转发	UPF	可下沉到边缘

CUPS 架构的核心优势：

UPF 可下沉到边缘（MEC），大幅降低时延；
支持本地分流（Local Breakout）；
控制面和用户面可独立扩展和优化；

网络切片（Network Slicing）：

网络切片允许在共享物理基础设施上创建多个逻辑隔离的虚拟网络，满足 eMBB、uRLLC、mMTC 等不同业务需求。

切片类型与特点：

eMBB（增强移动宽带）：大带宽，满足高清视频、VR/AR 等需求；
uRLLC（超可靠低时延通信）：超低时延，满足工业控制、自动驾驶等需求；
mMTC（海量机器类通信）：海量连接，满足物联网设备接入需求；

通过网络切片，一个终端最多可以连接 8 个切片，实现多种业务的同时接入。

多接入边缘计算（MEC）：

5G 核心网深度融合边缘计算技术，支持将 UPF 等用户面功能下沉到网络边缘，实现：

超低时延数据处理；
本地业务就近处理；
减少回传网络流量；

5G 核心网的主要网元功能

5G 核心网包含多个独立的网络功能（NF），以下是主要网元的功能介绍：

网元名称	中文名称	功能描述	与4G对应关系
AMF	接入和移动性管理功能	接入管理、移动性管理、注册管理、鉴权	替代 MME
SMF	会话管理功能	会话建立、修改、释放，IP 地址分配，UPF 控制	会话管理相关
UPF	用户面功能	数据包路由转发、QoS 处理、流量报告	替代 S-GW/P-GW
UDM	用户数据管理	存储用户签约数据、鉴权数据	替代 HSS
AUSF	鉴权服务功能	用户鉴权认证	新增功能
PCF	策略控制功能	策略制定和 QoS 控制	类似 PCRF
NRF	网络功能注册与发现	服务注册、发现和路由	新增功能
NEF	网络能力开放功能	向第三方开放网络能力	新增功能

SMF（Session Management Function，会话管理功能）：

SMF 是与会话管理相关的核心网元，主要负责：

PDU 会话的建立、修改和释放；
IP 地址分配和管理；
UPF 的选择和控制；
QoS 流管理；
会话层面的策略控制；

SMF 与 AMF 协作，AMF 负责在 UE 和 SMF 之间传输会话管理消息。

5G 核心网的网络切片技术

网络切片的基本概念：

网络切片是 5G 满足垂直行业多样化需求的基石，允许在同一物理网络基础设施上创建多个逻辑隔离的虚拟网络实例。每个切片可以独立部署特定的网络功能集，例如：

针对工业互联网的切片：部署轻量级的 UPF 和低时延的 SMF
针对普通上网的切片：部署通用的网络功能；

网络切片的技术实现：

1.切片选择机制：

UE 通过 S-NSSAI（单网络切片选择辅助信息）请求接入切片；
S-NSSAI 由 SST（切片 / 服务类型）与可选的 SD（切片区分符）组成；
NSSF（网络切片选择功能）负责切片选择和授权；

2.切片隔离机制：

控制面隔离：不同切片的控制面功能部署在独立的 VM 上；
用户面隔离：不同切片的数据包通过独立的隧道传输；
资源隔离：通过 QoS 机制保证切片间的资源隔离；

3.切片的灵活性：

核心网中的网络功能实体可以为不同切片服务（共享切片）；
也可以为特定的切片服务（专用切片）；
不同应用可根据切片要求使用不同的切片网络资源；

5G 核心网的演进与运维

5G 核心网的演进与运维呈现以下发展趋势：

全融合演进：

5G 核心网推动网络架构的全面融合：

2G/3G/4G/5G 网络的融合；
固定网络与移动网络的融合；
核心网与接入网的协同优化；

自动驾驶与智能化运维：

基于 AI 的网络优化：通过机器学习算法优化网络资源配置；
自动化故障诊断：智能识别和定位网络故障；
预测性维护：基于大数据分析预测设备故障；

融合话音业务：

5G 核心网支持多种话音解决方案：

VoNR（5G NR 语音）：基于 5G 网络的端到端 IP 话音；
EPS Fallback：5G 到 4G 的语音回落方案；
IMS 融合：通过 IMS 提供统一的多媒体业务；

网络能力开放：

5G 核心网通过 NEF（网络能力开放功能）向第三方应用开放网络能力：

鉴权能力开放；
定位能力开放；
QoS 控制能力开放；
流量调度能力开放；

这种开放架构使 5G 核心网逐步成为通信能力平台，为行业应用创新提供基础支撑。

核心网技术演进脉络总结

从 2G/3G 到 4G/5G 的演进路径

通信网络核心网技术的演进呈现出清晰的发展脉络，体现了从电路交换到分组交换、从网元化到服务化的技术变革：

发展阶段	网路类型	核心网架构	主要特点	关键技术
2G/3G 时代	GSM/WCDMA	电路域 + 分组域分离	电路交换为主，语音业务为核心	HLR/VLR、MSC、SGSN、GGSN
4G 时代	LTE	EPC（演进分组核心网）	全 IP 化，控制面 / 用户面分离	MME、HSS、S-GW、P-GW
5G 时代	5G NR	5GC（5G 核心网）	云原生、服务化架构、网络切片	AMF、SMF、UPF、网络切片

核心网技术演进的驱动因素

业务需求驱动：

从语音业务为主向数据业务为主转变；
从人与人通信向人与物、物与物通信扩展；
对网络性能要求不断提升：高速率、低时延、大连接；

技术发展推动：

IT 技术的快速发展：云计算、虚拟化、容器技术；
网络技术的创新：SDN/NFV、软件定义网络；
芯片技术的进步：高性能处理器、专用加速器；

市场竞争促进：

运营商需要降低 CAPEX 和 OPEX；
行业应用对网络定制化需求增强；
新技术带来的业务创新机会；

物联网核心网的特殊需求与解决方案

物联网业务对核心网提出了独特的需求，推动了物联网专属网元的发展：

物联网业务特点：

海量设备连接：每平方公里支持 10 万设备并发；
低功耗要求：设备电池寿命要求长；
低成本需求：设备成本敏感；
差异化服务：不同应用对 QoS 要求不同；

物联网专属网元的技术优势：

M-HLR：专门优化的用户数据存储，支持海量设备管理；
M-GGSN：针对物联网业务的流量优化和本地分流；
M-SMSC：支持优先级短信服务，满足紧急通信需求；

网络隔离与安全保障：

物联网专用核心网与大众网络隔离，提供：

独立的网络通道，避免干扰；
专用的安全机制，保障数据安全；
定制化的运维体系，提高服务质量；

技术融合与未来发展趋势

用户数据融合趋势：

HLR/HSS 融合技术代表了用户数据管理的发展方向，通过构建统一用户数据中心实现：

多网络用户数据的统一管理；
数据的融合共享和业务创新；
降低运维成本和提高数据安全性；

网络架构演进方向：

云原生化：从虚拟化向云原生架构演进；
智能化：引入 AI/ML 技术实现网络自治；
开放化：网络能力向第三方开放，构建生态系统；
边缘化：用户面功能下沉，实现就近服务；

5G 核心网的技术优势总结：

5G 核心网通过服务化架构、网络切片、边缘计算等技术，实现了网络的：

灵活性：按需定制网络功能和资源；
高效性：资源利用率提升至 60% 以上；
可靠性：通过冗余和容灾机制保证服务连续性；
开放性：支持第三方应用集成和创新；

通过对物联网专属网元、HLR/HSS 融合、EPC 核心网网元以及 5G 核心网技术的系统学习，我们可以看到通信网络核心网技术正朝着更加智能化、服务化、开放化的方向发展。这些技术的演进不仅提升了网络性能和服务质量，更为物联网、工业互联网、智慧城市等新兴应用提供了强大的网络支撑能力。

可视化阅读

文献参考

^[1]