第1章 移动核心网演进概述

1.1 移动通信制式标准

移动通信起源于19世纪末，意大利电气工程师伽利尔摩·马可尼（Guglielmo Marchese Marconi）完成了陆地与一只拖船之间的无线电通信。20世纪70年代末第一代移动通信模拟蜂窝网电话系统产生；20世纪80年代末开启了第二代数字蜂窝网电话系统；目前社会上广泛应用的是第三代移动通信系统；第四代移动通信系统正在迅猛发展过程中；第五代移动通信系统的研究也已经启航。

1.1.1 第一代移动通信系统

1978年，美国贝尔实验室开发了先进的移动电话业务系统（Advanced Mobile Phone Service, AMPS），第一代（1st Generation,1G）移动通信技术是指模拟的蜂窝电话系统标准，仅提供语音业务，主要采用的是模拟技术和频分多址（Frequency Division Multiple Access, FDMA）技术。第一代移动通信有多种制式，主要包括美国的AMPS、欧洲的TACS（Total Access Communication System，全入网通信系统）、英国的ETACS（Enhanced Total Access Communication System，增强的全入网通信系统）、北欧的NMT-450（Nordic Mobile Telephony，北欧移动电话）系统、日本的NTT/JTACS/NTACS等。我国主要采用的是TACS。尽管不同制式的1G系统在技术上有很多相似之处，但最终没有发展成全球标准，由于制式太多，互不兼容，只能区域性通信。第一代移动通信还有很多不足之处，如容量有限、保密性差、存在同频干扰和互调干扰、通话质量不高、不能提供数据业务和自动漫游等。

1.1.2 第二代移动通信系统

为了解决第一代蜂窝移动通信系统存在的技术性缺陷，1982年北欧四国向欧洲邮电主管部门大会提交了一份建议书，要求制定900 MHz频段的欧洲公共电信业务规范，建立全欧洲统一的蜂窝移动通信系统。同年，成立了欧洲“移动通信特别小组（Group Special Mobile, GSM）”，后来演变成“全球移动通信系统（Global System for Mobile Communication）”。随后美国制定的数字高级移动电话服务（Digital-Advanced Mobile Phone Service, D-AMPS）和码分多址（Code Division Multiple Access, CDMA）也成为IS-95（Interim Standard 95，暂时标准）系统。日本也制订了PDC（Personal Digital Cellular，个人数字蜂窝）系统。这些系统被称为第二代（2nd Generation,2G）数字移动通信系统。第二代数字移动通信系统采用数字调制技术，相对于模拟调制技术，提高了频谱利用率，支持多种业务服务，并与ISDN （Integrated Services Digital Network，综合业务数字网）等兼容。第二代移动通信系统以传输语音和低速数据业务为目的，因此又称为窄带数字通信系统，典型代表是欧洲的GSM系统和美国的IS-95系统。

（1）GSM/GPRS/EDGE

GSM使用900 MHz频带，使用1800 MHz频带的称为DCS1800。GSM采用FDD（Frequency Division Duplexing，频分双工）方式和TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址）方式，每载频支持8个信道，信号带宽200 kHz。为了提供对数据业务的支持，GSM体制制定了通用分组无线业务（General Packet Radio Service, GPRS）和增强型数据速率GSM演进（Enhanced Data Rate for GSM Evolution, EDGE）技术两种标准。GPRS业务由GSM Phase2.1版本定义，支持9.05～171.2 kbit/s的接入速率，常被称作2.5G技术，EDGE采用了多时隙操作和8PSK调制技术，可支持接入300 kbit/s的数据速率，通常称之为2.75G技术。

（2）IS-95A/ IS-95B

是北美的一种数字蜂窝标准，使用800 MHz或1900 MHz频带，采用FDD双工方式和CDMA多址方式，使用800 MHz的系统称为蜂窝系统，使用1900 MHz的系统称为PCS （Personal Communication System，个人通信系统）。1993年高通公司提出的CDMA标准定义为IS-95A，利用1.25 MHz载波带宽提供业务。由于第二代移动通信以传输语音和低速数据业务为目的，从1996年开始，为了解决中速数据传输问题，又出现了2.5G的移动通信系统即IS-95B，可提供理论上最大为115 kbit/s接入速率。

2G移动通信现在主要提供的服务仍然是语音以及低速率数据服务。由于数据和多媒体通信需求的发展很快，第三代移动通信的目标就是移动宽带多媒体通信。

1.1.3 第三代移动通信技术

第三代（3rd Generation,3G）移动通信系统最早由国际电信联盟（International Telecommunication Union, ITU）于1985年提出，当时称为未来公众陆地移动通信系统（Future Public Land Mobile Telecommunication System, FPLMTS）,1996年更名为IMT-2000（International Mobile Telecom System-2000，国际移动电话系统），意即该系统工作在2000 MHz频段，最高业务速率可达2000 kbit/s，预期在2000年左右得到商用。3G是第三代移动通信技术的简称，特指能支持高速数据传输的一种蜂窝移动通信技术，能够同时传送声音（通话）及数据信息（电子邮件、即时通信等）。第三代移动通信分为3种制式：欧洲的WCDMA（Wideband Code Division Multiple Access，宽带码分多址）、美国的cdma2000（Code Division Multiple Access2000，码分多址2000）和中国自主研发的TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，时分同步的码分多址）。

（1）WCDMA

WCDMA是由3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）国际组织制定的，基于GSM MAP核心网、UTRAN（Universal Terrestrial Radio Access Network，通用陆地无线接入网）为无线接口的第三代移动通信系统。目前已先后发布了R99、R4、R5、R6、R7等多个技术版本。

WCDMA采用的是直接序列扩频码分多址（DS-CDMA）、频分双工（FDD）方式，码片速率为3.84 Mchip/s，载波带宽为5 MHz，能够支持语音、图像、数据以及视频通信。在R4版本里5 MHz的带宽内提供384 kbit/s的用户数据传输速率。在R5版本里，引入了下行链路增强技术，即高速下行分组接入（High Speed Downlink Packet Access, HSPDA），在5 MHz的带宽内提供14.4 Mbit/s的下行数据传输速率。在R6版本中引入了上行链路增强技术，即高速上行分组接入（High Speed Uplink Packet Access, HSUPA）技术，在5 MHz的带宽内提供5.76 Mbit/s的上行数据传输速率。语音采用AMR编码，与GSM兼容语音编码。核心网络基于GSM/GPRS网络的演进，并保持与GSM/GPRS网络的兼容性。MAP技术和GPRS隧道技术是WCDMA体制的移动性管理机制的核心。支持软切换和更软切换，基站无需严格同步，组网方便。

（2）cdma2000

cdma2000由3GPP2（3rd Generation Partnership Project2，第三代合作伙伴计划2）国际组织提出，是从IS-95演进而来的第三代移动通信技术。cdma2000，即cdma20001x Ev，是一种3G移动通信标准。分两个阶段：cdma20001x Ev-Do（Data Only，只有数据），采用与语音分离的信道传输数据；cdma20001x Ev-Dv（Date and Voice，数据和语音），即数据信道与语音信道合一。它能够支持语音、图像、数据以及视频通信，在5 MHz的带宽内提供384 kbit/s的用户数据传输速率。射频带宽从1.25 MHz到20 MHz可调；快速前向和反向功率控制；下行信道中采用公共连续导频方式进行相干检测，提高系统容量；在下行信道传输中，定义了直扩和多载波传输两种方式，码片速率分别为3.6864 Mchip/s和1.22 Mchip/s，多载波方式能很好地兼容IS-95网络；核心网络是ANSI-41网络的演进，并保持与ANSI-41网络的兼容性；支持软切换和更软切换；在同步方式上cdma2000与IS-95相同，基站间同步采用GPS方式。

（3）TD-SCDMA

TD-SCDMA是ITU批准的3个3G标准中的一个，相对于前两个主要3G标准（cdma2000和WCDMA），它的起步较晚。TD-SCDMA也是唯一一个中国制定的3G标准。该标准将智能天线、同步CDMA和软件无线电（Software Defined Radio, SDR）等技术融于其中。采用时分双工，上行和下行信道特性基本一致。此外，TD-SCDMA使用智能天线技术有先天的优势，而智能天线技术的使用又引入了SDMA的优点，可以减少用户间干扰，从而提高频谱利用率。TD-SCDMA还具有TDMA的优点，可以灵活设置上行和下行时隙的比例，从而调整上行和下行的数据速率的比例，特别适合Internet业务中上行数据少而下行数据多的场合。

1.1.4 第四代移动通信系统

3GPP在2004年开始了LTE（Long Term Evolution，长期演进）的研究，基于正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）、多输入多输出（Multiple Input Multiple Output, MIMO）等技术，致力于无线技术向更高速率演进。并在2009年3月发布了R8版本的FDD-LTE和TDD-LTE标准，这标志着LTE标准草案研究完成，LTE进入实质研发阶段。R8版本中上行传输数据速率为50 Mbit/s，下行数据传输速率为100 Mbit/s，被称为准4G（4th Generation，第四代）或3.9G。R9版本中进一步提出了LTE-A （LTE-Advanced, LTE演进）的概念，LTE-A于2010年6月通过ITU的评估，于2010年10月正式成为IMT-Advanced的主要技术之一，它是在R8版本基础上的演进和增强，上行传输数据速率为500 Mbit/s，下行数据传输速率为1000 Mbit/s，被ITU-T确定为IMT-Advanced（International Mobile Telecommunication-Advanced，国际移动通信演进）阶段国际标准，被称为4G通信系统。R10版本对其加以完善，是LTE-A的关键版本。LTE采用正交频分复用（OFDM）、多进多出（MIMO）天线等物理层关键技术以及网络结构的调整获得性能提升。LTE-A则引入了一些新的候选技术，如载波聚合技术、增强型多天线技术、无线网络编码技术和无线网络MIMO增强技术等，使性能指标获得更大改善。

3GPP2终止了后续UMB、UMB+标准的研究和制定工作，cdma2000网络后续演进为LTE网络。

1.1.5 第五代移动通信系统

关于第五代（5th Generation,5G）移动通信目前还没有一个具体的标准，但是全球已经开始5G通信技术研究。2013年，我国工业和信息化部（以下简称工信部）、科学技术部（以下简称科技部）、发展和改革委员会（以下简称发改委）联合成立了IMT-2020（5G）推进组，推进组成立了IMT-2020论坛，将以更加开放、更加国际化的方式开展工作。工作组将系统地研究5G移动通信体系架构、无线组网、无线传输、新型天线与射频以及新频谱开发与利用等关键技术，完成性能评估及原型系统设计等。5G将通过更高的频谱效率、更多的频谱资源以及更密集的小区部署等，共同满足移动业务流量增长的需求。在网络容量方面，5G通信技术将比4G实现单位面积移动数据流量增长1000倍；在传输速率方面，典型用户数据速率将提升10～100倍，峰值传输速率可达10 Gbit/s；同时，端到端时延缩短5～10倍，频谱效率提升5～10倍，网络综合能效提升1000倍。

1.2 国内外著名的通信标准组织

1.2.1 ITU-T组织

国际电信联盟（International Telecommunication Union, ITU）是联合国的一个重要专门机构，也是联合国机构中历史最长的一个国际组织，简称“国际电联”、“电联”。国际电联是主管信息通信技术事务的联合国机构，负责分配和管理全球无线电频谱与卫星轨道资源，制定全球电信标准，向发展中国家提供电信援助，促进全球电信发展。

ITU-T的中文名称是国际电信联盟远程通信标准化组织（ITU-T for ITU Telecommunication Standardization Sector），它是国际电信联盟管理下的专门制定远程通信相关国际标准的组织。该机构创建于1993年，前身是国际电报电话咨询委员会（CCITT是法语Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique的缩写，英文是International Telegraph and Telephone Consultative Committee），总部设在瑞士日内瓦。

IMT-2000就是国际电联提出的第三代移动通信系统标准，IMT-Advanced是国际电联提出的4G演进标准。

1.2.2 ETSI组织

欧洲电信标准化协会（European Telecommunications Standards Institute, ETSI）是由欧共体委员会1988年批准建立的一个非赢利性的电信标准化组织，总部设在法国南部的尼斯。ETSI的标准化领域主要是电信业，并涉及与其他组织合作的信息及广播技术领域。ETSI作为一个被欧洲标准化协会和欧洲邮电主管部门会议认可的电信标准协会，其制定的推荐性标准常被欧共体作为欧洲法规的技术基础而采用并被要求执行。GSM等标准就是ETSI标准组制定的。

1.2.3 3GPP组织

3GPP成立于1998年12月，目标是实现由2G网络到3G网络的平滑过渡，保证未来技术的后向兼容性，支持轻松建网及系统间的漫游和兼容性。3GPP的职能主要是制定以GSM核心网为基础，UTRA（FDD为WCDMA技术，TDD为TD-SCDMA技术）为无线接口的第三代技术规范。随后3GPP的工作范围随着4G的出现，增加了对UTRA长期演进系统的研究和标准制定。

3GPP的会员包括3类：组织伙伴、市场代表伙伴和个体会员。3GPP的组织伙伴包括欧洲的ETSI、日本的ARIB、日本的TTC、韩国的TTA、美国的T1和中国通信标准化协会6个标准化组织。3GPP市场代表伙伴不是官方的标准化组织，它们是向3GPP提供市场建议和统一意见的机构组织。TD-SCDMA技术论坛的加入使得3GPP合作伙伴计划市场代表伙伴的数量增加到6个，其他包括：GSM协会、UMTS论坛、IPv6论坛、3G美国（3G Americans）、GMSA（Global Mobile Suppliers Association，全球移动通信供应商协会）。CCSA前身CWTS （China Wireless Telecommunications Standardsgroup，中国无线通信标准研究组）于1999年6月在韩国正式签字加入3GPP，成为3GPP项目的组织伙伴。

1.2.4 3GPP2组织

3GPP2（第三代合作伙伴计划2）成立于1999年1月，由美国TIA、日本的ARIB、日本的TTC、韩国的TTA4个标准化组织发起，CWTS（中国无线通信标准研究组）于1999年6月在韩国正式签字加入3GPP2。3GPP2声称其致力于使ITU的IMT-2000计划中的移动电话系统规范在全球的发展，实际上它是从2G的cdma One或者IS-95发展而来的cdma2000标准体系的标准化机构。

1.2.5 CCSA组织

中国通信标准化协会（China Communications Standards Association, CCSA）于2002年12月18日在北京正式成立，其前身为中国无线通信标准研究组（CWTS）。该协会是国内企事业单位自愿联合组织起来，经业务主管部门批准，国家社团登记管理机关登记，开展通信技术领域标准化活动的非赢利性法人社会团体。协会的主要任务是为了更好地开展通信标准研究工作，把通信运营企业、制造企业、研究单位、大学等关心标准的企事业单位组织起来，按照公平、公正、公开的原则制定标准，进行标准的协调、把关，把高技术、高水平、高质量的标准推荐给政府，把具有我国自主知识产权的标准推向世界，支撑我国的通信产业，为世界通信做出贡献。中国将TD-SCDMA纳入3GPP计划，使其成为ITU批准的3个3G标准中的一个。

1.3 移动核心网演进历程

移动核心网在第二代移动通信主流技术标准GSM和IS-95的基础上分别发展演进，到第三代移动系统，主流无线技术标准为WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA三大制式， WCDMA和TD-SCDMA核心网是在3GPP研究的，核心网的架构一致，所以核心网的技术标准分为3GPP和3GPP2两大技术标准。到了第四代移动通信系统，无线技术标准分为FDD和TDD两大标准，核心网是3GPP制定的统一EPC和IMS系统，支持数据和VoLTE业务。下面分别以GSM和IS-95两大标准介绍核心网的演进历程。

1.3.1 以GSM技术为基础的核心网演进历程

1.3.1.1 GSM核心网技术

GSM标准定义的GSM网络由5部分组成：移动台、基站系统、网络交换系统（电路域）、通用无线分组业务网络（分组域）和操作维护系统。GSM网络架构如图1-1所示。

GSM系统的网元功能介绍如下。

（1）移动台（Mobile Station, MS）

移动台是用户端终止无线信道的设备，通过无线空中接口Um给用户提供接入网络业务的能力。移动台由两部分组成：移动设备（Mobile Equipment, ME）和用户识别模块（Subscriber Identity Module, SIM）。ME用于完成语音、数据和控制信号在空中的接收和发送；SIM用于识别唯一的移动台使用者。SIM是一张符合GSM规范的“智能卡”，内部包含了与用户有关的、被存储在用户这一方的信息，移动电话上只有装上了SIM卡才能使用。

（2）基站系统（Base Station System, BSS）

基站系统提供移动台与网络交换系统和GPRS网络之间的链路。BSS由以下3部分组成。

①基站控制器（Base Station Controller, BSC）

BSC对所控制的BTS下的MS执行切换控制；传递BTS和MSC间的话务和信令，连接地面链路和空中接口信道。主要负责语音业务。

BSC通常同变码器（Transcoder, XCDR）合设，变码器将来自移动业务交换中心（MSC）的语音或数据输出（64 kbit/s PCM）转换成GSM规程所规定的格式（16 kbit/s），以便更有效地通过空中接口在BSS和移动台之间进行传输（即将64 kbit/s压缩成16 kbit/s）；反之，可以解压缩。

②分组控制单元（Package Control Unit, PCU）

PCU是在BSS侧增加的一个处理单元，主要完成BSS侧的分组业务处理和分组无线信道资源的管理，PCU一般与BSC合设。

③基站收发信台（Base Transceiver Station, BTS）

BTS包含射频部件，这些射频部件为特定小区提供空中接口，可支持一个或多个小区；提供和移动台（MS）的空中接口链路，能够对移动台和基站进行功率控制。

（3）网络交换系统（Network Switching System, NSS）

网络交换系统通常也称作电路域，具有GSM网络的主要交换功能，还具有用户数据和移动管理所需的数据库。网络交换系统由移动业务交换中心（MSC）、访问位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）、移动设备识别寄存器（EIR）、等组成，通常在组网时MSC与VLR合设，HLR与AUC合设，另外在与其他网络互通时还需要互通功能部件（IWF）和回声消除器（EC），该功能通常与移动关口局（GMSC）合设。

①移动交换中心（Mobile Switching Center, MSC）

MSC是GSM网络系统的核心部件，负责完成呼叫处理和交换控制，实现移动用户的寻呼接入、信道分配、呼叫接续、话务量控制、计费和基站管理等功能，还可以完成BSS和MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理等，并提供连接其他MSC和其他公用通信网络（如PSTN（Public Switched Telephone Network，公共交换电话网络）和ISDN等）的链路接口功能。MSC与其他网络部件协同工作，实现移动用户位置登记、越区切换、自动漫游、用户鉴权和服务类型控制等功能。

②访问位置寄存器（Visit Location Register, VLR）

VLR是一种存储来访用户信息的数据库。一个VLR通常为一个MSC控制区服务。当移动用户漫游到新的MSC控制区时，它必须向该地区的VLR申请登记。VLR要从该用户的HLR查询有关的参数，要给该用户分配一个新的漫游号码（Mobile Station Roaming Number, MSRN），并通知其HLR修改该用户的位置信息，准备为其他用户呼叫此移动用户时提供路由信息。当移动用户由一个VLR服务区移动到另一个VLR服务区时，HLR在修改该用户的位置信息后，还要通知原来的VLR，删除此移动用户的位置信息。因此，VLR可看作一个动态的数据库。

VLR存储的信息有：移动台状态（遇忙/空闲/无应答等）、位置区域识别码（LAI）、临时移动用户识别码（TMSI）和移动台漫游码（MSRN）。

③关口移动交换局（Gate Mobile Switching Center, GMSC）

GMSC是GSM移动网电路域与外部网络之间的网关节点，通过PSTN/ISDN接口与外部网络（PSTN、ISDN、其他PLMN）相连。它的主要功能是完成VMSC功能中呼入呼叫的路由功能。通常会与EC（Echo Canceller，回声抑制器）和IWF（InterWorking Function，互通功能）合设，EC用于消除移动网和固定网（PSTN）通话时移动网络的回声。IWF提供使GSM系统与当前可用的各种形式的公众和专用数据网络的连接。IWF的基本功能是：完成数据传输过程的速率匹配；协议的匹配。

④归属位置寄存器（Home Location Register, HLR）

HLR是一种用来存储本地用户信息的数据库，一个HLR能够控制若干个移动交换区域。在GSM通信网中，通常设置若干个HLR，每个用户必须在某个HLR（相当于该用户的原籍）中登记。登记的内容分为两种：一种是永久性的参数，如用户号码、移动设备号码、接入优先等级、预定的业务类型以及保密参数等；另一种是暂时性需要随时更新的参数，即用户当前所处位置的有关参数，即使用户漫游到了HLR所服务的区域外， HLR也要登记由该区传送来的位置信息。这样做的目的是保证当呼叫任意不知处于哪一个地区的移动用户时，均可由该移动用户的HLR获知它当时处于哪一个地区，进而建立起通信链路。

相应地，HLR存储两类数据：一是用户永久性参数信息，包括MSISDN、IMSI、用户类别、Ki和补充业务等参数；二是暂时性用户信息，包括当前用户的MSC/VLR、用户状态（登记/已取消登记）、移动用户的漫游号码。

⑤鉴权中心（AUthentication Center, AUC）

AUC的作用是可靠地识别用户的身份，只允许有权用户接入网络并获得服务。由于要求AUC必须连续访问和更新系统用户记录，因此，AUC一般与HLR处于同一位置。

AUC产生为确定移动用户身份及对呼叫保密所需的鉴权和加密的3个参数分别是：随机码（RANDom number, RAND）、符合响应（Signed RESponse, SRES）和密钥（Ciphering Key, Kc）。

⑥设备识别寄存器（Equipment Identity Register, EIR）

EIR是存储移动台设备参数的数据库，用于对移动台设备的鉴别和监视，并拒绝非法移动台入网。

EIR数据库由以下几个国际移动设备识别码（IMEI）表组成：白名单，保存那些已知分配给合法设备的IMEI；黑名单，保存已挂失或由于某种原因而被拒绝提供业务的移动台的IMEI；灰名单，保存出现问题（如软件故障）的移动台的IMEI，但这些问题还没有严重到使这些IMEI进入黑名单。

在我国，基本上不采用EIR进行设备识别。

（4）通用无线分组业务（Gerneral Packer Radio Service, GPRS）网络

GPRS网络是提供数据业务的核心网网元，主要包括PCU、服务GPRS支持节点和网关GPRS支持节点。

①服务GPRS支持节点（Serving GPRS Support Node, SGSN）

SGSN是GPRS网络的一个基本组成网元，是为了提供GPRS业务而在GSM网络中引进的一个新的网元设备。其主要的作用就是为本SGSN服务区域的MS转发输入输出的IP分组，其地位类似于GSM电路网中的VMSC。SGSN提供以下功能：SGSN为MS提供服务，与MSC/VLR/EIR配合完成移动性管理功能，包括漫游、登记、切换、鉴权等；对逻辑链路进行管理，包括逻辑链路的建立、维护和释放；对无线资源进行管理。SGSN为MS主叫或被叫提供管理功能，完成分组数据的转发、地址翻译、加密及压缩功能。

②网关GPRS支持节点（Gateway GPRS Support Node, GGSN）

GGSN主要就是网关作用局，它提供GPRS和公共分组数据网以X.25或X.75协议互联，也支持GPRS和其他GPRS的互联。GGSN和SGSN一样都具有IP地址，GGSN和SGSN一起完成了GPRS的路由功能。网关GPRS支持节点支持X.121编址方案和IP，可以IP接入互联网（Internet），也可以接入ISDN。

（5）操作维护系统（Operations and Maintenance System, OMS）

OMS提供在远程管理和维护GSM网络的能力。OMS由网络管理中心（Network Management Center, NMC）和操作维护中心（Operations and Maintenance Center, OMC）两部分组成。

NMC总揽整个网络，处于体系结构的最高层，从整体上管理网络，提供全局性的网络管理，用于长期性规划。

OMC提供区域性网络管理，用于日常操作，供网络操作员使用，支持的功能有：事件/告警管理、故障管理、性能管理、配置管理和安全管理。

1.3.1.2 R99核心网络结构

WCDMA R99向下兼容GSM网络系统，整个系统分为MS、无线接入网（UTRAN）、核心网（Core Network, CN）和网管系统。其中无线接入网设备包括Node B、RNC；核心网络设备包括VMSC/VLR、GMSC、SGSN、GGSN、HLR设备等。R99的体系架构如图1-2所示。

（1）终端设备MS

MS是用户终端设备，主要包括射频处理单元、基带处理单元、协议栈模块以及应用层软件模块等；UE通过Uu接口与网络设备进行数据交互，为用户提供电路域和分组域内的各种业务功能，包括普通语音、宽带语音、移动多媒体、Internet应用（如E-mail、WWW浏览、FTP等）。

（2）无线接入网（UTRAN）

无线接入网部分连接用户终端和核心网之间，包括RNC和Node B两部分，具体如下。

①无线控制器（Radio Network Controller, RNC）

RNC主要完成连接建立和断开、切换、宏分集合并、无线资源管理控制等功能。具体为：执行系统信息广播与系统接入控制功能；切换和RNC迁移等移动性管理功能；宏分集合并、功率控制、无线承载分配等无线资源管理和控制功能。

②基站（Node B）

Node B是WCDMA系统的基站（即无线收发信机），包括无线收发信机和基带处理部件。通过标准的Iub接口和RNC互连，主要完成Uu接口物理层协议的处理。它的主要功能是扩频、调制、信道编码及解扩、解调、信道解码，还包括基带信号和射频信号的相互转换等功能。Node B由下列几个逻辑功能模块构成：RF收发放大、射频收发系统（TRX）、基带部分（BB）、传输接口单元、基站控制部分。

（3）MSC/VLR

MSC/VLR是WCDMA核心网CS域功能节点，它通过Iu CS接口与UTRAN相连，通过PSTN/ISDN接口与外部网络（PSTN、ISDN、其他PLMN）相连，通过C/D接口与HLR/AUC相连，通过E接口与MSC/VLR或SMC相连，通过CAP接口与SCP相连，通过Gs接口与SGSN相连。MSC/VLR的主要功能是提供CS域的呼叫接续、移动性管理、鉴权和加密等功能。

（4）GMSC

GMSC是WCDMA移动网CS域与外部网络之间的网关节点，是可选功能节点，通过PSTN/ISDN接口与外部网络（PSTN、ISDN、其他PLMN）相连，通过C接口与HLR相连，通过CAP接口与SCP相连。它的主要功能是完成VMSC功能中的呼入呼叫的路由功能。GMSC一般同EC合设，EC的作用同GSM网络中描述。

（5）SGSN

SGSN是WCDMA核心网PS域功能节点，通过IuPS接口与UTRAN相连，通过Gn/Gp接口与GGSN相连，通过Gr接口与HLR/AUC相连，通过Gs接口与MSC/VLR，通过CAP接口与SCP相连，通过Gd接口与SMC相连，通过Ga接口与CG相连，通过Gn/Gp接口与SGSN相连。SGSN主要提供PS域的路由转发、移动性管理、会话管理、鉴权和加密等功能。

（6）GGSN

GGSN是网关GPRS支持节点，通过Gn接口与SGSN相连，通过Gi接口与外部数据网络（Internet /Intranet）相连。主要完成下列功能：

· 和SGSN之间通过标准GTP信令建立GTP隧道，完成Gn接口控制面功能，提供IP地址分配，配合进行用户验证等功能；

· 和SGSN之间通过已经建立的隧道封装传输用户数据分组，包括承载IP和PPP数据分组，完成Gn接口用户面功能；

· 和外部数据网络接口，完成与外部数据网之间的数据分组收发功能，即Gi接口功能，提供防火墙、地址转换等功能；

· 完成Gn接口和Gi接口数据分组的中继转发功能。

（7）HLR/AUC

HLR是WCDMA移动网归属位置寄存器，AUC用于可靠地识别用户的身份，只允许有权用户接入网络并获得服务。通常HLR与AUC合设。它通过C接口与MSC/VLR或GMSC，通过Gr接口与SGSN相连，通过Gc接口与GGSN相连。HLR的主要功能是提供用户的签约信息存放、新业务支持、增强的鉴权等功能。

（8）EIR

EIR的功能同GSM网络中的描述。

1.3.1.3 R4核心网网络结构

在R99中核心网络由分组域和电路域组成，电路域基本上采用电路交换方式。R99后的第一个真正版本是R4，核心网络是基于IP核心网络结构，相对R99而言，R4仅完成了电路域的IP化。3GPP于2002年3月通过了完善的R4版本。图1-3是R4网络架构，其中，粗实线表示业务数据接口，细虚线表示信令接口。

从图1-3中可见，R4核心网络和R99相比，只是电路域有变化，将R99中MSC分解为MSC服务器和CS-MGW两个功能实体，将R99中GMSC分解为GMSC服务器和CS-MGW两个功能实体，同时增加了SGW（信令网关）功能实体。功能实体改变后，与之相关的接口特性也相应地有所改变，下面具体介绍增加的功能实体。

（1）MSC服务器（Mobile Switching Center Server，移动交换中心服务器）

MSC服务器主要完成原MSC中的呼叫控制和移动性控制部分功能，负责完成CS域移动发起和移动终止呼叫的控制功能，同时将用户-网络信令转换成相应的网络-网络信令，也包含VLR功能来存储移动用户业务数据和CAMEL相关数据。MSC服务器管理CS-MGW中媒体信道连接控制的呼叫状态。

（2）CS-MGW（Circuit Switching-Media Gateway，电路交换媒体网关）

CS-MGW是PSTN/PLMN间传输的终结点。CS-MGW与UTRAN的接口是Iu接口。CS-MGW可以作为终结点处理来自电路交换网的承载信道或分组网的数据流。在Iu接口上， CS-MGW支持媒体转换、承载控制和负荷处理（如编解码、回声抑制、会议桥接等），以便支持不同的CS域业务特性（基于AAL2/ATM或基于RTP/UDP/IP等）。

CS-MGW的功能包括：MSC服务器和GMSC服务器一起来完成资源控制；可以配置和使用如回声抑制器等资源；可以进行编解码操作。

（3）GMSC服务器

GMSC服务器主要完成GMSC的呼叫控制和移动性控制功能部分。

（4）SGW（Signaling Gateway，信令网关）

SGW完成基于SS7网络的信令传输和基于IP网络的信令传输之间的传输层信令转换。SGW并不解析应用层信令消息（如MAP、CAP、BICC或ISUP等），但可以解析低层的SCCP或SCTP等信令以便选择正确的路由。SGW一般与MSC服务器或MGW合设。其结构如图1-4所示。

1.3.1.4 R5（IMS）核心网网络结构

在R5核心网（CN）中，最大的不同是增加了IP多媒体子系统（IP Multimedia Subsystem, IMS）。相对R4而言，R5核心网有以下增强功能：

· 提供基于IP的多媒体业务（SIP呼叫控制协议）；

· 分组交换紧急呼叫的改进；

· CAMEL Phase4；

· RAN节点到多CN节点的域内连接；

· 分组域可靠的端到端QoS。

IMS的功能实体结构如图1-5所示。

（1）CSCF（Call Session Control Function，呼叫会话控制功能）

CSCF有P-CSCF（Proxy CSCF，代理CSCF）、S-CSCF（Serving CSCF，服务CSCF）和I-CSCF（Interrogating CSCF，查询CSCF）3种。

P-CSCF为移动台和S-CSCF之间的信令桥梁，有翻译功能，是用户在IM CN的入口点。移动台可通过DHCP获得一个P-CSCF地址，而后移动台的所有基于SIP的信息都由P-CSCF转发给S-CSCF。某些特殊情况下P-CSCF还可用作用户代理，主动发起SIP事务处理。

S-CSCF主要提供业务控制功能，是应用层和服务层之间的交互点。它接受本地或漫游用户注册，临时保存从HLR下载的相关用户数据，位于归属网络，也可位于拜访网络。它保证用户在被访问的网络中获得与原籍地系统中相同的服务，提供业务的连续性。

I-CSCF是所有指向网络内某一移动台（可以是本网络用户也可以是漫游在此地的用户）连接的连接点。在SIP注册过程中，I-CSCF通过询问HSS得到为此用户分配的S-CSCF地址。在会话管理过程中，I-CSCF在S-CSCF和P-CSCF间传递SIP信令，同时它还可为P-CSCF/S-CSCF提供安全验证功能。

（2）MGCF（Media Gateway Control Function，媒体网关控制功能）

MGCF控制和IM-MGW中媒体信道连接控制有关的呼叫状态与CSCF通信，根据其他网络来话路由号码选择CSCF完成ISUP和IMS呼叫控制协议的转换，接收信息并转发到CSCF/IM-MGW。

（3）IM-MGW（IP Multimedia Media Gateway, IP多媒体-媒体网关功能）

IM-MGW和CS-MGW功能类似，在IMS中还包括和MGCF交互进行资源控制。

（4）MRFC（Multimedia Resource Function Controller，多媒体资源功能控制器）

MRFC控制MRFP中的媒体流资源，解析从AS和S-CSCF获得的信息并控制MRFP，产生CDR。

（5）MRFP（Multimedia Resource Function Processor，多媒体资源功能处理器）

MRFP控制Mb参考点上的承载信息，提供MRFC控制的资源，混合流入的媒体信息流，查找媒体资源，处理媒体流（如语音译码、媒体分析等）。

（6）SLF（Subscription Locator Function，签约位置功能）

SLF在I-CSCF注册和会话建立期间需要通过SLF查找用户数据归属的HSS的名字，在S-CSCF注册期间也需要SLF。CSCF和SLF之间通过Dx接口通信。

（7）BGCF（Breakout Gateway Control Function，出口网关控制功能）

BGCF是一个具有路由功能的SIP实体，是IMS域与外部网络的分界点。当IMS终端向PSTN/CS域发起呼叫时，由BGCF决定向那个网络转发信令，如果目的PSTN/CS域为本地域，则BGCF向与PSTN/CS域接口的MGCF转发信令；否则，向外地域的另一个BGCF转发信令。

（8）AS（应用服务器）

AS，如SIP AS、OSA AS或者CAMEL IM-SSF，提供增值IM业务，可以位于用户的归属网络中，也可以位于第三方网络。为提供业务，在S-CSCF和AS之间规定了标准的接口。图1-6给出了IMS提供业务的功能体系结构。

R5核心网支持CS和PS域业务的网络基本体系结构如图1-7所示，和R4核心网部分体系结构基本上是相同的。

由图1-7可知，与图1-3中有区别的部分是HSS（归属用户服务器）替代了原有的HLR, HSS包含了原有HLR和AUC的功能并进行了扩展。HSS负责保存用户相关信息：

· 用户ID和寻址信息；

· 用户安全信息，鉴权和认证等网络接入控制；

· 用户位置信息；

· 用户基本数据信息。

HSS可以集成多种信息，使得核心网部分对业务和应用的支持功能增强。HSS由下列功能特性组成：

· IP多媒体（IM）功能特性，对IM子系统的控制功能提供支持（如CSCF）；

· PS域需求的原有HLR/AUC的功能特性，在HSS中形成为一个子集；

· CS域需求的原有HLR/AUC的功能特性，在HSS中形成为一个子集，保证用户接入或支持到GSM/UMTS的漫游。

IMS最早由3GPP提出，为在移动通信网络上提供多媒体业务，后被业界广泛认同，逐渐扩展为适用于固定宽带、Cable（电缆）等多种接入方式的统一核心控制网络。

1.3.2 以IS-95技术为基础的核心网演进历程

1.3.2.1 IS-95核心网体系结构

IS-95核心网称为网络交换子系统（NSS）, NSS包括CDMA系统的移动交换中心（MSC）、归属位置寄存器（HLR）、访问位置寄存器（VLR）、鉴权中心（AC）和操作维护中心（OMC）。

图1-8是IS-95核心网的体系架构。

图1-8所示的IS-95核心网的网元功能同GSM网络的同类网元相对应，但是网元之间互通的接口协议不同。

1.3.2.2 cdma2000核心网络结构

3GPP2负责cdma2000的标准化工作。cdma2000技术，或称IMT-2000 CDMA-MC，是由北美最早提出的第三代移动通信技术，其核心网络采用演进方式的IS-95 CDMA的核心网络（ANSI-41），能与IS-95 CDMA后向兼容。其单载波形式cdma20001x采用与IS-95 CDMA相同的带宽，但容量可相对提高一倍，且所支持的最高业务速率可达144 kbit/s。在Release A中，cdma2000核心网部分由电路域和分组域组成，其核心网结构如图1-9所示。

（1）电路域核心网

cdma2000 Release A在核心网部分分为Phase0-1-2-34个阶段，Phase0-1继承cdmaONE核心网架构，基于传统电路模式的核心网络，包括MSC、VLR、HLR/AC等，这部分要求与第二代移动通信系统基本相同。Phase2电路域引入LMSD（Legacy MS Domain，传统终端域），传统的核心网仍然可以存在，并支持传统的MS，但实现承载与控制分离，语音可以基于IP承载，网元进MSC分裂为MSC服务器和MGW，其功能与3GPP R4相应网元对应，其余网元保持与二代移动系统基本相同。Phase3引入MMD（Multimedia Domain，多媒体域），业务与控制分离，为全IP化的核心网，由于后续3GPP2停止向UMB演进，转为加入3GPP组，所以这个阶段的网络没有商用。

（2）分组域核心网

分组域如果基于移动IP，包括PCF、PDSN、HA、AAA服务器。PCF和BSC配合，完成与分组数据有关的无线信道控制功能。PDSN负责管理用户状态，转发用户数据。当使用移动IP技术时，HA将发送给用户的数据从归属局转发到漫游地。AAA服务器负责管理用户信息。

①PCF（Packet Control Funtion，分组控制功能）

PCF与BSC配合，完成与分组数据有关的无线信道控制功能。由于与无线接入部分关系密切，大部分厂商将PCF与BSC合设。

PCF的主要功能如下。

· 建立、保持和终止至PDSN的二层连接；

· 映射移动终端ID和连接参考到唯一的层2连接标识符，以便与PDSN进行通信；

· 与RRC进行通信，请求和管理无线资源；

· 保持无线资源状态信息（如激活、休眠等）；

· 缓存由PDSN传来的数据分组；

· 收集和发送与计费相关的空中链路信息到PDSN；

· 与PDSN进行互操作支持休眠切换。

② PDSN（Packet Data Serving Node，分组数据服务节点）

PDSN负责管理用户状态，转发用户数据。为每一个用户终端建立和终止PPP（点到点协议）连接。PDSN的主要功能如下。

· 对简单IP业务，PDSN在IPCP（IP控制协议）阶段为用户终端分配一个动态IP地址；

· 对于移动IP业务，PDSN则支持外地代理（FA）功能；

· PDSN具备RADIUS客户端的功能，与RADIUS服务器配合向分组数据用户提供认证功能，以确认用户的身份和权限；

· 将接收到的来自PCF 的计费信息及自身采集的计费信息合成用户数据记录，通过RADIUS协议送往RADIUS服务器。

③ HA（Home Agent，归属代理）

在使用移动IP业务时需要使用HA, HA的主要功能如下。

· 鉴别来自移动终端的移动IP注册；

· 分配归属IP地址；

· 将来自网络的IP分组以隧道方式发送到FA；

· 建立、保持和终止至PDSN（作为移动IP的FA）的通信等。

④ AAA服务器（Authentication, Authorization, Accounting，鉴权、授权与计账服务器）

AAA服务器又称RADIUS服务器，对分组数据呼叫用户进行鉴权，判决用户的合法性，判决用户哪类业务对用户是有效的；还完成分组数据呼叫计费功能。

1.3.2.2.1 简单IP 的网络结构

基于简单IP的CDMA分组数据网的基本网络结构如图1-10所示。

简单IP是用户接入分组网的基本方式，所用协议比较简单，易于实现。移动终端的IP地址可以由接入地的PDSN动态分配，也可以由所接入的专网动态分配（采用简单IP实现专网业务时）。用户在同一个PDSN管辖范围内移动时可以保持其PPP连接而不改变IP地址。在跨越PDSN时，用户的PPP连接需要重新建立，业务将中断。

1.3.2.2.2 移动IP的网络结构

基于移动IP的CDMA分组数据网的基本网络结构如图1-11所示。

在移动IP业务中，移动终端的IP地址由归属地IP网的HA分配静态或动态IP地址。用户在一次使用业务期间，即使进行跨越PDSN/FA的移动，仍保持与HA的连接，使业务不发生中断。

简单IP和移动IP功能比较：在cdma20001x分组域Release A版本中，支持简单IP和移动IP对应有不同的网络结构，实现的功能也有差异。简单IP和移动IP技术均可提供公网和专网的接入，两种技术的主要区别如下：移动IP技术通过引入HA及相应的隧道技术，可以使用户在移动过程中不改变其IP地址。与简单IP技术相比，它的主要特点如下。

（1）用户在数据通信过程中，可以跨越PDSN而不中断业务

在移动IP技术中，用户在不同PDSN之间切换时，虽然PPP重新建立，但由于其IP地址是由HA所分配，在切换前后IP地址将不改变，相应的上层数据应用可以继续使用，可以保证用户连续使用接入服务。

在简单IP技术中，用户在不同PDSN之间切换时，移动终端与原来的PDSN之间的PPP连接将中断，需要与新的PDSN重新建立PPP连接，由于用户的IP地址是由PDSN所分配，在PDSN切换后，用户的IP地址将发生变化，上层数据应用将中断。

（2）与简单IP实现VPN的方式不同

简单IP技术可以采用L2TP、PPTP等协议，实施VPDN，实现专网接入服务。移动IP技术通过HA与PDSN/FA之间的反向隧道（cdma20001x的标准，通过IPSec实施），实现用户的专网接入服务。

（3）可以较为容易地支持网络侧发起的业务

采用移动IP技术时，移动终端的IP地址可以由HA静态分配，移动终端与IP地址间可以一一对应，使得移动用户在任何区域均可以接收到从分组网络发起的业务。

动态分配IP地址时，移动终端与IP地址之间事先没有对应关系，网络侧不容易得到用户的IP地址，不易实现从网络侧发起的数据业务。

参考文献

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