第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)分析

馬國(guó)瀚，李宏民

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 開封 475004)

0 引言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)移動(dòng)通信高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的需求日益增長(zhǎng)。 第二代移動(dòng)通信（全球移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM）固有的局限性促使了第三代移動(dòng)通信（3rd-generation，簡(jiǎn)稱3G）的出現(xiàn)。 通用移動(dòng)通信系統(tǒng)，（Universal Mobile Telecommunications System，簡(jiǎn)稱UMTS）是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的全球3G 標(biāo)準(zhǔn)之一。 作為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的寬帶碼分多址 （Wideband Code Division Multiple Access，簡(jiǎn)稱WCDMA）主要由以諾基亞、索尼-愛立信為代表的歐洲通信廠商提出。歐洲在GSM 通信技術(shù)和全球市場(chǎng)上占盡先機(jī)，并期望能夠在第三代移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域依然保持世界領(lǐng)先地位。

1 UMTS 無線網(wǎng)結(jié)構(gòu)

UMTS 通常包括三部分，分別是核心網(wǎng)（Core Network，簡(jiǎn)稱CN）、通用地面無線接入網(wǎng)（Universal Terrestrial Radio Access Network，簡(jiǎn)稱UERAN）、外部網(wǎng)絡(luò)（External Networks，簡(jiǎn)稱EN）和用戶終端設(shè)備（User Equipment，簡(jiǎn)稱UE）。

1.1 核心網(wǎng)(CN)

UMTS 核心網(wǎng)（CN）是建立在GSM 核心網(wǎng)基礎(chǔ)上的，使用了與GSM/GPRS 定義相同的核心網(wǎng)功能結(jié)構(gòu)，能向下兼容GSM/GPRS，并對(duì)于GSM/GPRS 定義的核心網(wǎng)做了適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)。 第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)已成功地使話音業(yè)務(wù)無線化，現(xiàn)在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)就是使一系列新的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)無線化[2]。 GSM 主要開展諸如話音、短消息（SMS）、WAP 和電子郵件等電路交換業(yè)務(wù)。核心網(wǎng)（CN）主要負(fù)責(zé)與其他網(wǎng)絡(luò)的連接和對(duì)UE 的通信與管理，從邏輯上可劃分為電路域（CS 域）、分組域（PS 域）和廣播域（BC 域）。

3GPP 組織制訂的WCDMA 系統(tǒng)考慮了移動(dòng)通信技術(shù)和業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)的當(dāng)下需求及未來發(fā)展，分別制訂了R99、R4、R5 等不同版本的規(guī)范[3]。

1.1.1 R99 版網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

WCDMA 網(wǎng)絡(luò)主要是基于R99 這個(gè)版本，它的最大特征在于其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)繼承了GSM/GPRS 核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)。 而與GSM 不同的是，它在無線接入部分引入了全新的無線接口Iu 接口，并采用了分組化傳輸方式，這是一種更有利于實(shí)現(xiàn)高速移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸方式。 核心網(wǎng)絡(luò)中的主要功能實(shí)體如下：

（1）MSC。MSC 是WCDMA 核心網(wǎng)CS 域的功能節(jié)點(diǎn)。 它是電路域特有的設(shè)備，用于連接無線系統(tǒng)（包括BSS、RNS）和固定網(wǎng)。 MSC 具備電路型呼叫的所有功能，如控制呼叫接續(xù)、管理MS 在本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)或與其他網(wǎng)絡(luò)（如PSTN/ISDN/PSPDN、其他移動(dòng)網(wǎng)等）的通信業(yè)務(wù),并提供計(jì)費(fèi)信息。 （2）VLR。 VLR 是電路域特有的設(shè)備，存儲(chǔ)著進(jìn)入該控制區(qū)域內(nèi)已登記用戶的相關(guān)信息，為移動(dòng)用戶提供呼叫接續(xù)的必要數(shù)據(jù)。（3）GMSC。GMSC 是WCDMA 移動(dòng)網(wǎng)CS 域與外部網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，是一個(gè)可選的功能節(jié)點(diǎn)。 它通過PSTN/ISDN 接口與外部網(wǎng)絡(luò)（PSTN、ISDN 或其他PLMN）相連,通過C 接口與HLR 相連,通過CAP 接口與SCP 相連。 它的主要功能是完成VMSC 功能中的呼入呼叫路由及進(jìn)行固定網(wǎng)等外部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)間結(jié)算。（4）SGSN。SGSN（服務(wù)于GPRS 的支持節(jié)點(diǎn)）是WCDMA 核心網(wǎng)PS 域的功能節(jié)點(diǎn)。 它通過Iu-PS 接口與UTRAN 相連，通過Gn/Gp 接口與GGSN 相連，通過Gr 接口與HLR/AUC 相連，通過Gs接口與MSC/VLR 相連，通過CAP 接口與SCP 相連，通過Gd 接口與SMC 相連，通過Ga 接口與CG 相連，通過Gn/Gp 接口與SGSN 相連。 SGSN 的主要功能是提供PS 域的路由轉(zhuǎn)發(fā)、移動(dòng)性管理、會(huì)話管理、鑒權(quán)和加密等功能。（5）GGSN。GGSN（網(wǎng)關(guān)GPRS 支持節(jié)點(diǎn)）是WCDMA 核心網(wǎng)PS 域的功能節(jié)點(diǎn)。 它通過Gn/Gp 接口與SGSN 相連,通過Gi 接口與外部數(shù)據(jù) 網(wǎng) 絡(luò) （Internet） 相 連。 GGSN 提 供 數(shù) 據(jù) 包 在WCDMA 移動(dòng)網(wǎng)和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)之間的路由和封裝服務(wù)。（6）HLR。HLR（歸屬位置寄存器）是WCDMA 核心網(wǎng)CS 域和PS 域共有的功能節(jié)點(diǎn)。它通過C 接口與MSC/VLR 或GMSC 相連, 通過Gr 接口與SGSN相連,通過Gc 接口與GGSN 相連。 HLR 的主要功能是提供用戶的簽約信息存放、新業(yè)務(wù)支持、增強(qiáng)的鑒權(quán)等功能。 （7）AuC（鑒權(quán)中心）。 AuC 為CS 域和PS 域共用的設(shè)備，是存儲(chǔ)用戶鑒權(quán)算法和加密鑰的實(shí)體。 AuC 將鑒權(quán)和加密數(shù)據(jù)通過HLR 發(fā)往VLR、MSC 以及SGSN，以保證通信的合法和安全。每個(gè)AuC均與對(duì)應(yīng)的HLR 關(guān)聯(lián)，只通過該HLR 與外界通信。（8）EIR（設(shè)備識(shí)別寄存器）。EIR 為CS 域和PS 域共用的設(shè)備，存儲(chǔ)著系統(tǒng)中使用的移動(dòng)設(shè)備的國(guó)際移動(dòng)設(shè)備識(shí)別碼（IMEI）。 （9）RNC。 無線網(wǎng)絡(luò)控制器RNC(Radio Network Controller)類似于GSM 網(wǎng)絡(luò)中的基站控制器（BSC），與GSM 無線基站子系統(tǒng)BSS相對(duì)應(yīng)。 一個(gè)RNC 和與之相連的各個(gè)節(jié)點(diǎn)B（Node B）一起構(gòu)成了一個(gè)所謂的3GPP 無線基站子系統(tǒng)RNS。 （10）Node B。在WCDMA 規(guī)范中，基站被稱為節(jié)點(diǎn)B（Node B），一個(gè)Node B 與一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)控制器 （RNC） 相連接。 RNC 對(duì)與之相連的Node B 進(jìn)行無線資源管理和控制。 Node B 和RNC之間的接口稱為Iub 接口。Iub 接口是完全標(biāo)準(zhǔn)化的和完全開放的。 （11）MS。 MS 包含移動(dòng)設(shè)備ME(Mobile Equipment) 和UMTS 用戶身份模塊USIM(UMTS Subscriber Identity Module)兩個(gè)部分。 USIM是一塊芯片，包含一些用戶預(yù)定的信息和密鑰。

1.1.2 R4 版的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

R4 版本在核心網(wǎng)電路域部分針對(duì)R99 基于TDM 的電路核心網(wǎng)進(jìn)行了改進(jìn)，提出了信令控制和承載傳送無關(guān)的軟交換網(wǎng)絡(luò)的概念。R4 版本核心網(wǎng)電路域引入了軟交換網(wǎng)絡(luò)，在R99 版本中的電路域MSC 變?yōu)镸SC 服務(wù)器 (MSC Server) 和媒體網(wǎng)關(guān)MGW(Media Gateway)兩部分。 交換矩陣(Switching Matrix)不是被包含在MSC 服務(wù)器中，而是被包含在MGW 中。 MGW 受MSC 服務(wù)器的控制，并且可以被放置在遠(yuǎn)離MSC 的位置處。電路交換呼叫控制信令存在于RNC 和MSC 服務(wù)器之間，而電路交換呼叫的媒體路徑則存在于RNC 和MGW 之間。

1.1.3 R5 版網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在接入部分,R5 版本通過引入IP 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)端到端的全I(xiàn)P 化。 在R5 階段,引入了IP 多媒體子系統(tǒng)（IMS），疊加在分組域網(wǎng)絡(luò)之上，由呼叫狀態(tài)控制功能（CSCF, Call State Control Function）、媒體網(wǎng)關(guān)控制功能（MGCK）、媒體資源功能（MRK）和歸屬簽約用戶服務(wù)器（HSS）等功能實(shí)體組成。 R5 是一種端到端的IP 多媒體業(yè)務(wù)[4]。 3GPP R5 版本網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

當(dāng)PLMN 包括多媒體子系統(tǒng)時(shí)，HLR 被歸屬用戶服務(wù)器HSS(Home Subscriber Server)代替。 它們的區(qū)別在于：HSS 接口采用的是像IP 這樣的分組傳輸方式，而HLR 則傾向于使用基于7 號(hào)信令系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)接口形式。

圖1 3GPP R5 版本網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 3GPP R5 network system architecture

1.2 UTRAN

UTRAN 負(fù)責(zé)處理所有與無線通信相關(guān)的業(yè)務(wù)，包括一個(gè)或多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)RNS（Radio Network Subsystem），它們通過Iu 接口與CN 進(jìn)行交互[1]。 UTRAN 的功能結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

1.2.1 RNC

圖2 UTRAN 功能結(jié)構(gòu)Fig.2 UTRAN function structure

RNC（Radio Network Controller，無線網(wǎng)絡(luò)控制器）主要承擔(dān)連接的建立和斷開、切換、宏分集合并、無線資源管理控制等功能。

1.2.2 Node B

Node B 是WCDMA 系統(tǒng)的基站，即無線收發(fā)信機(jī)，包括無線收發(fā)信機(jī)和基帶處理部件。 它通過標(biāo)準(zhǔn)的Iub 接口和RNC 互連，主要完成Uu 接口物理層協(xié)議的處理任務(wù)，主要功能是擴(kuò)頻、調(diào)制、信道編碼及解擴(kuò)、解調(diào)、信道解碼（包括基帶信號(hào)和射頻信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換）等。

1.2.3 系統(tǒng)接口

WCDMA 系統(tǒng)主要有以下接口：

（1）Iu 接口。 Iu 接口是連接UTRAN 和CN 的接口，是一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)接口，可由不同的設(shè)備制造商提供。（2）Iur 接口。Iur 接口是RNC 之間連接的接口，也是UMTS 系統(tǒng)特有的接口，用于對(duì)RAN（無線接入網(wǎng)）中移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)性進(jìn)行管理。（3）Iub 接口。Iub 接口是連接Node B 與RNC 的接口。 它也是一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)接口，可分別由不同的設(shè)備制造商提供。 （4）Uu 接口。 Uu 接口是WCDMA 的無線接口，是UMTS系統(tǒng)中最重要的開放接口。 UE 通過Uu 接口接入到UMTS 系統(tǒng)的固定網(wǎng)絡(luò)部分。

1.3 UE

UE（用戶終端設(shè)備）主要包括射頻處理單元、基帶處理單元、協(xié)議棧模塊以及應(yīng)用層軟件模塊等部分。 它由Uu 接口與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，為用戶提供電路域和分組域內(nèi)的各種業(yè)務(wù)功能，包括普通語音通話、數(shù)據(jù)通信、移動(dòng)多媒體、Internet 應(yīng)用（如E-mail、www 瀏覽、FTP 等）。

2 3G 網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

第二代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)是1984 年由歐洲GSM 技術(shù)發(fā)展而來的。 該體系系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化工作十分完善，可以在全球一百多個(gè)國(guó)家范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)漫游，是第一代全數(shù)字化移動(dòng)技術(shù)，基本上滿足了話音通信的要求，并能提供低速數(shù)據(jù)（64kbit/s）業(yè)務(wù)。

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和信息化社會(huì)的到來，移動(dòng)通信設(shè)備和個(gè)人化的要求以及Internet 的迅猛發(fā)展，第二代技術(shù)與非語音業(yè)務(wù)快速增長(zhǎng)的矛盾日益突出，使人們對(duì)第三代移動(dòng)通信的需求愈來愈強(qiáng)烈。

2.1 國(guó)際電聯(lián)3G 的要求

國(guó)際電聯(lián)稱第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)為IMT-2000，意為在2000 年左右開始商用并工作在2000MHz 頻段上的新一代國(guó)際移動(dòng)通信系統(tǒng)。

國(guó)際電聯(lián)針對(duì)頻譜利用率、設(shè)備成本、組網(wǎng)能力、可能提供的業(yè)務(wù)，以及技術(shù)先進(jìn)性等困擾第二代移動(dòng)通信發(fā)展的瓶頸問題，提出了第三代移動(dòng)通信的最低要求：（1）提供高質(zhì)量話音服務(wù)實(shí)現(xiàn)。 （2）電話交換和分組交換數(shù)據(jù)的高質(zhì)量傳輸。 （3）提供增值業(yè)務(wù)和智能網(wǎng)業(yè)務(wù)。 （4）與第二代移動(dòng)通信網(wǎng)兼容，以降低組網(wǎng)成本。

2.2 3G 業(yè)務(wù)描述

3G 概念提出已有十多年了，其真正運(yùn)行還是2010 年的事，在此期間,有推行3G 和4G 的爭(zhēng)論。而在3G 推廣最好的美國(guó)，運(yùn)營(yíng)商也是關(guān)閉諸多與3G概念無關(guān)的通道，而只突出3G 業(yè)務(wù)：（1） 移動(dòng)Internet 接入（商務(wù)業(yè)務(wù)）。（2）信息定制，基于移動(dòng)用戶的個(gè)性化業(yè)務(wù)（外部網(wǎng)絡(luò)服務(wù)）。 （3）多媒體消息，實(shí)時(shí)多媒體信息業(yè)務(wù)。 （4）固定Internet 接入，提供固定IP 的接入業(yè)務(wù)。（5）基本位置定位的業(yè)務(wù)，供用戶查找所在地相關(guān)的信息。 （6）高級(jí)話音和簡(jiǎn)單話音服務(wù)，即實(shí)時(shí)、雙向的業(yè)務(wù)，提供VoIP(計(jì)量IP)，話音上網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)始發(fā)的話音呼叫業(yè)務(wù)。

2.3 3G 業(yè)務(wù)的主要優(yōu)勢(shì)

3G 業(yè)務(wù)具備開放性、 融合性和個(gè)性化等特點(diǎn)，本質(zhì)上就是移動(dòng)多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，可實(shí)現(xiàn)話音、數(shù)據(jù)和圖像等多種信息在無線網(wǎng)上的無縫傳輸。

3 結(jié)語

在3G 系列中，ITU 將WCDMA 劃分為4 部分：用戶識(shí)別模塊（User Identity Module,UIM）、移動(dòng)終端 (Mobile Terminal，MT)、 地 面 無 線 接 入 網(wǎng)(Terrestrial Radio Access Network, TRAN)和核心網(wǎng)絡(luò)(Core Network,CN)。 其中的UIM 和MT 組成用戶終端設(shè)備(User Equipment,UE)，TRAN 和CN 組成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

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