3GPP核心网原理及关键技术.docx
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3GPP核心网原理及关键技术
UMTS核心网原理及关键技术
课程目标：
●掌握UMTS网络结构及网元功能
●了解UMTS核心网接口及协议
●了解2G/3G核心网主要差异
●了解UMTS核心网关键技术
鲜枣课堂出品
第一章核心网演进
&知识点
●移动通信的发展历史、2G向3G的演进过程；
●NGN介绍
一.1移动通信的发展历程
移动通信发展的最终目标是实现任何人可以在任何时候、任何地方与其他任何人以任何方式进行通信。
第一代移动通信系统于1980年左右开始投入商用，它采用FDMA通信体制，属于模拟蜂窝系统，如AMPS、TACS和NMT等；其特点是仅提供话音业务，而且用户的容量较小和覆盖范围有限。
第二代移动通信系统其始于1990年以后，它采用TDMA或CDMA通信体制，属于数字式蜂窝系统，如GSM/DCS1800、IS-136、IS-95等；其容量和功能都比第一代模拟系统有了很大提高，但仍主要局限于话音和低速率数据（≤9.6kbit/s）业务应用，况且不能支持全球漫游通信。
为了实现人类移动通信发展的目标，ITU在1985年提出了第三代移动通信系统的概念，当时被称为未来公共陆地移动通信系统（FPLMTS）。
后来考虑该系统预计在2000年左右开始商用，且工作于2000MHz的频段，故1996年ITU采纳日本等国的建议，将FPLMTS更名为国际移动通信系统IMT-2000。
到2003年5月，全球13亿移动用户，普及率18%。
欧洲等发达地区普及率达70%，趋于饱和；亚洲大部分地区的发展潜力仍然很大，用户持续增加，移动通讯将很快会成为全球第一大通信手段。
中国移动通信持续高速发展，截止2003年5月移动通信用户2.3005亿（2002年底2.0661），固定电话2.3288亿（2002年底2.1442），互联网用户5221万（2002年底4829），中国移动用户普及率为16.25%，潜力非常大，而沿海发达地区达到60%。
话音业务在相当长时间内占主导地位，发达地区更加迫切；运营商积极探索移动数据业务模式，包括“移动梦网”、“联通在线”短信业务深入人心，2002年中国移动达到793亿条，中移开通GPRS、MMS，中国联通开通CDMA20001X。
我们看到，移动通信技术更新速度加快，而业务发展明显滞后，GPRS用户也业务量有限；3G面临市场驱动压力；对语音业务预测保守，对数据业务预计乐观；当前数据业务仍是SMS；移动通信发展由用户增长转为业务量增长；技术驱动已经转为业务驱动。
一.2核心网标准化过程
一.2.1核心网“家族”的概念
第三代移动通信系统将在同时使用第二代系统的基础上引入，因此，从保护第二代系统庞大基础设施的巨额投资和使其继续发挥效益的观点出发，第三代系统的介入是否能支持第二代系统的功能，并允许其逐步平滑地向第三代系统演进，这是IMT-2000能否成功的关键。
由于第二代系统具有多种工作模式（如FDD，TDD）和可采用不同的无线传输技术RTT（如TDMA，CDMA或多载波CDMA），所以，难以使用统一的网络技术模式来实现第二代核心网向第三代核心网的过渡。
为此，ITU的IMT-2000发展策略改变了先前的“一统”概念，转而注意以各地区现有网络基础为参考来制定比较现实的过渡办法。
在1997年3月的ITU-T中间会议上，代表们一致通过了“IMT-2000家族”的概念，从此放弃了在空中接口及网络技术等方面一致性的努力，而致力于制定网络接口的标准和互通方案。
这也就是说，尽管不同地区现有的第二代系统标准存在差异，但在向第三代系统演进过程中，只要该系统能在网络和业务能力上满足要求，都可能成为IMT-2000家族的成员。
因此，IMT-2000家族概念的引入给予地区标准化组织以极大的灵活性，有利于推动实现第三代系统的进程。
按照ITU的定义，第三代移动通信系统由移动终端MT、无线接入网RAN和核心网络CN构成，如图1.21所示。
UIM-MTMT-RANRAN-CNNNI
接口接口接口接口
图1.21第三代移动通信系统的构成
上图只表明了第三代移动通信系统的一般组成结构。
事实上，考虑到IMT-2000空中无线接口标准允许使用不同的RTT技术，而且采用了“IMT-2000家族概念”来构建核心网络，所以，第三代移动通信系统的RAN和CN可以根据实际采用的技术而拥有不同的结构。
比如，WCDMA作为RAN的RTT，核心网从GSM/MAP演进；或者cdma2000作为RAN的RTT，而相应的核心网从ANSI-41过渡。
图1.22示出了不同的RAN和相关的CN之间的对应关系。
图1.22CN和RAN之间的对应关系核心网络的功能
按照ITU的观点，IMT-2000核心网家族成员应具备下述基本功能：
●位置更新能力
支持多种工作模式的终端；
●漫游能力
IMT-2000同技术间的漫游；
多运营者间的漫游；
全球无缝漫游；
●切换能力
第二代系统与第三代系统间的切换；
接入网和核心网内的切换；
●业务承载能力
高速移动环境为144kbit/s；
低速移动环境为384kbit/s；
室内移动环境为2Mbit/s；
●多媒体和呼叫控制能力
支持基本状态呼叫模型；
呼叫/连接分离，呼叫/载体分离；
单终端的多呼叫业务；
●业务可携带性
按用户注册要求提供服务；
通过终端修改业务要求；
●终端能力
软件无线电、自适应或重新配置。
一.2.22G向3G移动通信系统演进
一.2.2.1标准组织
IMT-2000的网络采用了“家族概念”，受限于家族概念，ITU无法制定详细协议规范，3G的标准化工作实际上是由3GPP（3thGenerationPartnerProject，第三代伙伴关系计划）和3GPP2两个标准化组织来推动和实施的。
3GPP成立于1998年12月，由欧洲的ETSI、日本ARIB、韩国TTA和美国的T1等组成。
采用欧洲和日本的WCDMA技术，构筑新的无线接入网络，在核心交换侧则在现有的GSM移动交换网络基础上平滑演进，提供更加多样化的业务。
UTRA（UniversalTetrestrialRadioAccess）为无线接口的标准。
其后不久，在1999年的1月，3GPP2也正式成立，由美国的TIA、日本ARIB、韩国TTA等组成。
无线接入技术采用cdma2000~1UWC-136为标准，cdma2000这一技术在很大程度上采用了高通公司的专利。
核心网采用ANSI／IS41。
一.2.2.2网络演进
目前国内的2G网络以GSM为主，这就决定我国的第三代核心网络必须由GSM网络演进而来。
因此采用GPRS技术构成的核心网络将是主要的过渡方式。
所以，国内GSM向第三代演进的步骤应该是：
（1）研究从GSM到第三代的演进过渡方案，大力发展GPRS网络。
（2）通过升级GSM/GPRS网络节点MSC/GSN的功能，使之提供Iu接口并增加WCDMA系统协议处理能力，在保证与原有GSM/GPRS兼容的条件下，实现UTRAN接入。
向3G的演进主要是核心网的演进，在Release99版本中，采用话音电路业务和数据业务分离的核心网结构，主要是考虑到与现有系统兼容和解决IP技术对实时业务支持不足的问题。
在以后的R4、R5版本中，3G核心网结构将采用全IP的核心网络结构。
与固定网中PSTN正在同IP骨干网结合的趋势相一致，移动网也将逐步与IP网络融合，用IP将作为用户语音、数据以及信令的统一载体。
一.3UMTS系统概述
UMTS（UniversalMobileTelecommunicationSystems：
通用移动通信系统）是采用WCDMA空中接口的第三代移动通信系统。
通常也把UMTS系统称为WCDMA通信系统。
UMTS系统应用了与第二代移动通信系统一样的结构，它包括一些逻辑网络单元。
不同的网络单元可以从功能上、也可以从其所属的不同的子网（subnetwork）上进行分组。
从功能上，网络单元可以分为无线接入网络（RadioAccessNetwork,RAN）和核心网（CoreNetwork,CN）。
其中无线接入网络用于处理所有与无线有关的功能，而CN处理UMTS系统内所有的话音呼叫和数据连接与外部网络的交换和路由。
上述两个单元与用户设备（UserEquipment,UE）一起构成了整个UMTS系统。
其系统结构如图1.31所示。
图1.31UMTS的系统结构
从3GPPR99标准的角度来看，UE和UTRAN（UMTS的陆地无线接入网络）有全新的协议构成，其设计基于WCDMA无线技术。
而CN则采用了GSM／GPRS的定义，这样可以实现网络的平滑过度，此外在三代网络建设的初期可以实现全球漫游。
一.4下一代网络NGN
一.4.1下一代网络介绍
下一代网络是一个多种业务融合的网络，提供包括话音，数据和多媒体等各种业务的综合开放的网络构架。
有三大特征，其特点如下：
1．将传统交换机的功能模块分离成为独立的网络部件，各个部件可以按相应的功能划分各自独立发展。
部件间的协议接口基于相应的标准。
部件化使原有的电信网络逐步走向开放，运营商可以根据业务的需要自由组合各部分的功能产品来组建网络。
部件间协议接口的标准化可以实现各种异构网的互通。
2．下一代网络是业务驱动的网络，其功能特点是：
（1）业务与呼叫控制分离
（2）呼叫与承载分离。
分离的目标是使业务真正独立于网络，灵活有效的实现业务的提供。
用户可以自行配置和定义自己的业务特征，不必关心承载业务的网络形式以及终端类型。
使得业务和应用的提供有较大的灵活性。
3．下一代网络是基于统一协议的基于分组的网络
现有的信息网络，无论是电信网、计算机网和有线电视网，不可能以其中某一网络为基础平台来生长信息基础设施。
但近几年随着IP的发展，才使人们真正认识到电信网络、计算机网络及有线电视网络将最终汇集到统一的IP网络，即人们通常所说的"三网"融合大趋势。
IP协议使得各种以IP为基础的业务都能在不同的网上实现互通，具有了统一的为三大网都能接受的通信协议，从技术上为NGN奠定了最坚实的基础。
目前互联网已发展成为全球的信息网络，其规模和用户数量仅次于电话网（PSTN）和有线电视网。
互联网有许多方面与构想中的NGN有着惊人的相似之处，如覆盖全球、全方位命名、全方位服务、开放型系统，可支持视频、音频多种业务等。
所以无论在技术上和业务上，话音与数据的融合成为网络趋势发展的必然。
一.4.2软交换和NGN
软交换设备的定义：
是电路交换网向分组网演进的核心设备，也是下一代电信网络的重要设备之一。
它独立于底层承载协议，主要完成呼叫控制、媒体网关接入控制、资源分配、协议处理、路由、认证、计费等主要功能。
并可以向用户提供现有电路交换机所能提供的所有业务和多样化的第三方业务。
软交换与80年代人们提出的先进智能网有些类似，但它具有更新、更多的含义，在业务融合、终端用户控制、第三方应用集成中起重要作用。
软交换的基本含义就是把呼叫控制功能从媒体网关中分离出来，通过服务器上的软件实现基本呼叫控制功能，包含呼叫选路、管理控制、连接控制（建立会话、拆除会话）、信令互通（如从SS7到IP的Sigtran协议族）。
其结果就是把呼叫传输与呼叫控制分离开，为控制、交换和软件可编程功能建立分离的平面，使业务提供者可以自由地将传输业务与控制协议结合起来，实现业务转移。
其中更重要的是，软交换采用了开放式应用程序接口（API），允许在交换机制中灵活引入新业务。
而原来老式的4类、5类交换机仍可通过SS7链路保留。
软交换为下一代网络（NGN）提供具有实时性要求的业务的呼叫控制和连接控制功能，是下一代网络呼叫与控制的核心。
第二章UMTS网络结构
&知识点
●R99网络结构和信令
●R4网络结构和信令
●R5网络结构和信令
二.13GPP标准的特点
二.1.1R99版本的特点
其中R99版本是UMTS的第一个版本，其主要特征是：
1．空中接口采用UMTS技术，大大提高了无线接入速率和频率利用效率，无线接入速率最高达到2Mbps。
2．采用ATM技术作为RAN中各网元间的接口技术，提高了传送效率，简化了RAN中各网元的设计和配置。
3．采用AMR技术作为语音编、解码技术，能够根据无线资源情况动态调整用户的语音速率，提高了语音质量和网络容量。
4．核心网分为CS域（CircuitSwitchedDomain即CS域）和PS（PacketSwitchedDomain即PS域）域。
CS域由MSC和GMSC组成，处理语音类业务；PS域由SGSN和GGSN组成，处理分组业务。
5．CS域核心网网元间仍采用TDM承载，同GSM保持一致。
二.1.2R4版本的特点
R4版本是UMTS的第二个版本，这个版本的主要特征是：
1．CS域引入了软交换技术，支持承载控制分离组网方式。
MSC分拆为MSCServer和MGW两个网元，使呼叫控制部分和传输承载部分完全分开，使CS域能够基于IP传输，实现话音分组化和信令分组化，实现与PS域传输资源的收敛汇聚，从而提高传输资源效率。
2．CS域支持多种承载方式：
IP、ATM或TDM。
3．增强了位置业务能力。
4．支持TD-SCDMA。
二.1.3R5版本的特点
R5版本是UMTS的第三个版本，这个版本的主要特征是：
1．新增IMS域，负责提供IP多媒体业务。
通过IM-MGW和MGCF实现CS域和IMS域的互通。
2．CS域各种能力得到了进一步的增强，支持CAMEL4。
3．RAN支持HSDPA技术，下行速率提高到8Mbps～10Mbps峰值速率高达14.4Mbps。
4．IuFlexible：
IuFlexible的引入允许一个RNC可以同时接入多个MSCServer或SGSN。
二.1.4R6版本的特点
R6版本是UMTS的第四个版本，这个版本的主要特征是：
1．进一步完善IMS体系，支持会议业务、与WLAN互通、与其他多媒体网络的互通等。
2．支持MBMS业务。
3．位置业务能力得到进一步增强。
4．支持Push业务。
二.2UMTSR99网络结构
从R99到R5的演进过程中，核心网基本网络逻辑上的划分没有变化，都分为电路域和分组域，只是到R5版本增加了多媒体子系统（IMS）。
网元实体的变化主要体现为，R99的MSC到R4阶段逻辑上分为MGW和MSCServer，同时增加了传输信令网关（T-SGW）和漫游信令网关（R-SGW），到R5阶段在R4的基础上增加了IMS（多媒体子系统）。
同时，R4和R5阶段增加了相应的接口。
下面将做具体描述：
图2.21R99基本网络结构
R99是3GPP关于第三代网络标准化的第一阶段版本，R99的协议标准化已于2001年6月冻结，以后修改在R4版本中进行。
R99的基本配置结构如图2.21所示.，为了确保运营商的投资利益，R99的网络结构设计中充分考虑了2G/3G的兼容性问题，以支持现网向3G的平滑过渡，因此基本网络结构核心网部分没有变化，为了支持3G业务，有些网元增加了相应的接口协议，对原有的接口协议也做了不同程度的改进。
接口说明
UMTSR99网络与GSM和GPRS网络结构相比接口以及协议具有一定的继承性，同时由于WCDMA技术的采用，空中接口和无线接口发生了革命性的变化。
下面仅介绍核心网涉及的主要接口。
电路域接口
核心网内部的电路域接口，是核心网内部为完成电路交换功能在各个功能实体之间的接口，主要有B、C、D、E、F、G、H、J和K接口；其中B、H接口为内部接口，C、D、E、F、G、K接口采用基于No.7信令方式的MAP协议，J接口采用基于No.7信令方式的CAP协议。
1．基于No.7信令的接口协议结构
图2.22基于No.7信令的接口协议结构
●TCAP协议
TCAP（事务能力应用部分，同TC）在SCCP与MAP/CAP之间，属于OSI中的应用层协议，TCAP又包含成份子层（Componentsublayer）和事务子层（Transactionsub-layer）。
相关规范有Q.771~Q.775。
●MAP协议
MAP（移动应用部分）用于C、D、E、F、G、J、K等接口，定义了与电路无关的消息。
相关规范有GSM09.02。
●TUP和ISUP协议
TUP和ISUP协议用于MSC之间及MSC与PSTN间的电路管理和呼叫接续处理。
TUP相关规范有Q.720~Q.729。
ISUP相关规范有Q.760~Q.769。
●CAP协议
CAP（CAMEL应用部分）用于MSC与gsmSCF之间的移动智能业务处理。
相关规范有GSM09.78等。
2．接口说明
B接口：
B接口是VLR与MSC之间的接口，VLR是漫游到相关MSC区域的用户的位置和管理数据库。
当MSC需要使用在其业务区中驻留的用户相关数据时，MSC需从VLR查询。
当移动台做位置更新时，MSC请求VLR存储相关信息。
在用户激活补充业务或修改数据时，MSC（通过VLR）请求HLR存储数据。
B接口是内部接口。
C接口：
C接口是HLR与GMSC之间的接口，当固定网无法查询移动用户位置，以建立呼叫时，GMSC必须向HLR查询被叫的漫游号码。
当SMSGMSC转发短消息时，需要向HLR查询被叫所在的MSC号码
D接口：
HLR与VLR之间的接口。
该接口用来交换用户位置信息及处理信息。
为支持移动用户在整个服务区内发起或接收呼叫，HLR和VLR需要进行数据交换。
VLR通知HLR用户位置信息并在呼叫时提供用户漫游号码。
HLR向VLR发送所需的用户业务数据。
交换数据通常发生在：
用户请求特殊业务、用户或网络上改变用户数据时，该接口为标准协议接口。
E接口：
MSC之间的接口。
当移动台在呼叫过程中从一个MSC漫游到另一个MSC时，为了继续通信，MSC会做切换处理，这时MSC之间必须交换数据。
当短消息从MS发送到SC，该接口用来在用户MSC和短消息网关MSC之间传递消息，该接口为标准协议接口。
F接口：
MSC与EIR之间的接口。
该接口用来在MSC和EIR之间交换数据，目的是验证移动台IMEI的状态，该接口为标准协议接口。
G接口：
VLR之间的接口，当MS从一个VLR漫游到另一个VLR时，该接口从旧VLR传递IMSI和鉴权参数到新VLR，该接口为标准协议接口。
H接口：
HLR和AuC之间的接口。
当HLR从MS接受鉴权请求时，如果HLR没有这些信息，将向AuC请求这些数据。
此接口为内部接口。
分组域接口
1．Gn/Gp接口
Gn/Gp接口为SGSN和GGSN之间的接口，其中Gn接口为同一PLMN内的SGSN和GGSN之间的接口，Gp接口为不同PLMN间SGSN和GGSN之间的接口。
Gn/Gp接口协议栈相同，如图2.23所示。
其中控制面采用GTP-C协议，用户面采用GTP-U协议，控制面和用户面的底层协议栈相同。
图2.23Gn/Gp接口的控制面和用户面协议栈
L1/L2：
底层传输网络相关的协议，底层传输网络可以是ATM、以太网、DDN、ISDN、帧中继等各种传输网络；
UDP/IP：
用于骨干网内的路由选择；
GTP-U协议：
用于对所有用户数据进行封装并进行隧道传输；
GTP-C协议：
负责传送路径管理、隧道管理、移动性管理和位置管理等相关信令消息，用于对传送用户数据的隧道进行控制。
2．Gr、Gf、Gd接口
Gr接口为SGSN和HLR之间的接口，Gf接口为SGSN和EIR之间的接口，Gd接口为SGSN与SMS-GMSC/SMS-IWMSC之间接口，它们的协议平台如图2.24所示：
图2.24Gr/Gf/Gd接口协议平台
它们之间使用支持UMTSPS的MAP协议，利用SS7进行传送，实现鉴权、登记、移动性管理以及短消息传送等功能。
3．Gs接口
该接口为SGSN和MSC/VLR之间的接口，为可选接口，只用于传送信令，协议平台如图2.25所示。
该接口采用BSSAP+协议实现联合的移动性管理、寻呼等功能，也是利用SS7进行传送。
图2.25Gs接口协议栈
4．Gc接口
它是GGSN与HLR之间的接口，使用MAP协议，为可选接口。
主要功能是为了完成反向PDP连接时，获取MS所在的SGSN地址，以实现网络启动时的PDP上下文激活功能。
图2.26Gc接口协议栈
二.3UMTSR4网络结构
从R99到R4，UMTS基本结构在电路域上发生了变化，根据呼叫控制和承载以及承载控制分离的思想，R99网络电路域的网元实体（G）MSC在R4阶段演化为媒体网关MGW和（G）MSCServer两部分，增加了漫游信令网关R-MGW和传输信令网关T-MGW；同时相关接口发生了变化，增加了MGW和MSCSever之间的Mc接口、MSCSever和GMSCSever之间的Nc接口、MGW之间的Nb接口等。
网络结构图
3GPPR4版本网络结构如图2.31所示。
图注：
粗线为承载接口，虚线为信令接口。
图2.31R4核心网系统结构
结构说明
R4的网络结构和R99相比，主要是核心网电路域的结构发生了很大变化，而核心网分组域和UTRAN的网络结构几乎没变。
1．核心网CN
R4的核心网主要包括以下网元实体：
（G）MSCServer/VLR、CS—MGW、T－SGW、R－SGW、SGSN、GGSN、HLR/AuC、EIR等。
●媒体网关MGW（MediaGateway）
针对一个定义的网络来说，MGW可以认为是PSTN/PLMN传输的终止点，包含断点承载和媒体处理设备（如码转换器、回声抑制单元等）。
MGW可以终结从一个电路交换网络和分组网络（如，IP网中的RTP流等）的承载信道。
在Iu接口上，MGW可以支持媒体转化、承载控制和有效载荷处理。
MGW支持的功能有：
针对实现资源控制与MSCSever和GMSCSever交互；
拥有和处理资源，如回声抑制单元等；
必须有编解码器；.
MGW将提供必须的支持UMTS/GSM传输媒体的必须资源。
MGW承载控制和有效载荷处理能力将必须支持移动特定的功能，如SRNS重定位/切换等。
●MSCServer
MSCServer主要由R99MSC的呼叫控制和移动控制部分组成。
MSCServer主要负责移动始发和移动终接的CS域呼叫的呼叫控制。
它终结用户到网络的信令并将其转换成网络到网络的信令。
MSCServer也包含一个VLR以保持移动用户的签约数据以及CAMEL相关数据。
MSCServer针对MGW的媒体信道，控制适合连接控制的呼叫状态部分。
●VLR
拜访位置寄存器（VLR）是服务于其控制区域内的移动用户的，它存储着进入其控制区域内已登记的移动用户的相关信息，为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。
VLR从该移动用户的归属位置寄存器（HLR）获取并存储必要的数据。
一旦移动用户离开该VLR的控制区域，则重新在另一个VLR登记，原VLR将取消临时记录的移动用户数据。
因此，VLR可看作一个动态用户数据库。
●GMSCServer（GatewayMSCServer）
GMSCserver主要由R99GMSC的呼叫控制和移动控制部分组成。
●T-SGW（TransportSignalingGatewayFunction）是连接3G核心网络与传统PSTN/PLMN的信令网关，用于转换与呼叫有关的信令，完成I
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