移动通信网络体系架构朱湘琳.pdf

47 2013年第13期 产业观澜 移动通信网络体系架构 责任编辑：李帅 收稿日期：2012-11-09 介绍了目前移动通信网络的2G和3G融合网络架构、3GPP标准演进过程，以及4G LTE网络架构，分析了LTE语音 解决方案，重点论述了移动通信网络发展演进方向：统一核心网和统一无线接入网，最后提出了军用移动通信网 络发展方向：支持多种接入且集成度很高的网络融合设备和MVNO。 （1.清华大学信息技术研究院，北京 100084； 2.中国电子系统设备工程公司研究所，北京 100141） 中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1006-1010(2013)-13-0047-05 【摘 要】 【关键词】融合网络架构 统一核心网 统一无线接入网 朱湘琳1,2 1 前言 移动通信发展已经经历了第一代模拟移动通信和 第二代数字移动通信2G时代，目前正处于第三代移 动通信3G应用阶段，第四代移动通信4G正处于规模 试验和试商用阶段。2G中典型的有GSM和CDMA， 3G中有WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000以及 WiMAX，4G则以LTE为代表。 多种接入制式将长期并存发展，造成了移动通信 网络架构及设备管理的复杂性。统一核心网和统一无 线接入网的推出，可以在快速建网 的同时降低建网成本，并实现设备 管理的高效运作。 2 2G和3G融合网络架构 目前，移动通信网处于2G和 3G共同组网、融合发展阶段。图1 为2G和3G融合网络架构，网络系 统架构依次分为用户终端、无线接 入网、核心网和互通网络。统一核心网能够兼容2G和 3G无线接入网。 核心网分为电路域（CS）和分组域（PS），电 路域实现语音视频通话和短信业务，分组域实现数据 类如网页浏览、上传下载等业务。电路域网元主要有 MSC/VLR和GMSC，分组域主要有SGSN和GGSN， HLR和短信服务器（SMS）为电路域和分组域共用。 2G无线接入网BSS（基站系统）包括BSC（基站 控制器）和BTS（基站收发信台），BSC通过A接口 用户终端无线接入网核心网互通网络 SIMME MS USIM ME UE SIM BTSBSC BSS Node BRNC UTRAN RNS Node BRNC RNS MSC/ VLR MSC/ VLR SCF GMSC SGSNGGSN SGSN ISDN PSTN PSPDN CSPDN PDN -Intranet -Extranet -Internet -X.25 HLRSMSEIRAUC 图1 2G和3G融合网络架构 48 2013年第13期 产业观澜 与电路域核心网相连，通过Gb接口与分组域核心网 相连；3G无线接入网UTRAN（UMTS陆地无线接 入网）包括RNC（无线网络控制器）和Node B（基 站），RNC通过Iu-CS接口与电路域核心网相连，通 过Iu-PS接口与分组域核心网相连。 3 移动通信网络3GPP标准演进过程 本节通过3GPP标准演进来说明移动通信网络3G到 4G的演进过程，3GPP的标准化工作经历了以下版本的 演进过程： （1）R99版本。它是3G WCDMA的最初版本， R99体系结构分为电路域和分组域，电路域与GSM相 同，分组域基于演进的GPRS网络。图1的2G和3G融合 网络结构属于R99版本的架构。 （2）R4版本。3G R4的电路域实现了承载与控 制的分离，即利用了软交换技术思想，将R99版本中 MSC网元分离成媒体网关（MGW）和媒体网关控制 器（MGC）。 （3）R5版本。HSDPA（高速下行分组接入） 是在R5标准中为了满足上下行数据传输不对称的需 求而提出的技术，导入了高速下行共享信道（HS- DSCH）。R5核心网增加了IMS（IP多媒体子系 统），实现了呼叫会话控制实体CSCF和媒体网关控制 实体MGCF在物理上的分离。它以分组域作为承载传 输，更好地实施了对多媒体业务的控制。 （4）R6版本。在R6规范中引入了HSUPA（高 速上行分组接入）和E-DCH（增强型的上行专用传 输信道）。在R6中WLAN可以通过PDG（Packet Data Gateway，分组数据网关）接入到IMS。 （5）R7版本。在R7中引入HSPA+，是对HSPA 上下行能力的增强；IMS增加了固定宽带接入方式， 如xDSL、Cable等。 （6）R8版本。R8的LTE是一种3.9G或准4G 标准，它以OFDM（正交频分复用）、MIMO（多 入多出）等先进的物理层技术为核心。R8在核心网 层面同样进行了革命性变革，引入了SAE（System Architecture Evolution），核心网中仅含分组域，并且 控制面与用户面分离。除此之外，Common IMS也是 R8阶段的另一个重要议题。 （7）R9版本。R9是对R8的完善，针对SAE紧 急呼叫、增强型MBMS、基于控制面的定位业务等课 题的标准化；还开展了多PDN接入与IP流的移动性、 Home eNodeB安全性，以及LTE技术的进一步演进和 增强的研究与标准化工作。 （8）R10版本。R10被称为LTE-Advanced/ LTE-A，其理论峰值速率分别达到了下行1Gb/s，上 行500Mb/s的水平，也就是所谓的4G技术。它引入了 中继技术（Relay），为小区带来更大的覆盖范围和系 统容量。 4 4G LTE网络架构 图2为LTE网络与UMTS网络架构。LTE网络由 E-UTRAN（Evolved UTRAN）和EPC（Evolved Packet Core）组成，又称为EPS（Evolved Packet System）。E-UTRAN由多个eNodeB组成，eNodeB间 基于X2接口进行互通。EPC由MME、SGW、PGW、 PCRF组成，EPC与E-UTRAN间使用S1接口。 对比UMTS网络，LTE核心网不再具有电路域CS 部分，只具有分组域EPC，只提供分组业务。对于 语音业务的实现，LTE可以通过IMS系统实现VoIP业 务。 对比UMTS核心网，LTE核心网EPC中MME和 SGW一起实现了SGSN功能，PGW实现了GGSN功 能。但LTE核心网EPC实现了控制面和用户面分离， MME实现控制面功能，SGW实现用户面功能。 在E-UTRAN中，不再具有3G中的RNC网元， RNC的功能分别由eNodeB、核心网MME及SGW等 实体实现。eNodeB间使用X2接口，采用Mesh工作方 式，X2的主要作用是尽可能减少由于用户移动导致的 分组丢失。 HSS可以作为一个共有的中心数据库设备，服务 于LTE核心网、UMTS核心网和IMS应用网络。HSS与 EPC的接口为S6a，使用Diameter协议；HSS与3G CS 核心网的接口是C/D，使用MAP协议；HSS与3G PS 核心网的接口是Gc/Gr，使用MAP协议；HSS与IMS的 CSCF的接口是Cx，使用Diameter协议。 49 2013年第13期 产业观澜 5 4G LTE语音解决方案 在LTE网络建网初期，由于IMS可能尚未部署， LTE网络只能提供分组数据类业务。当用户需要语音 业务及其他的CS业务（如短消息、位置服务等）时， 可以使用电路域回落（CS Fallback）过渡性技术，用 户终端回落到2G/3G的CS域完成这些业务。CSFB技 术重用了Gs接口，支持联合位置更新。定义MME和 MSC之间的接口为SGs，SGs用来处理EPS和CS域之间 的移动性管理与寻呼流程，也可用于传送MO和MT的 SMS。 另外也可以采用多模双待方式，即多模双待手机 可以同时驻留在多个域实现不同类型的业务并发。通 常，该手机可同时驻留在LTE和2G/3G的电路域，语 音通过2G/3G进行疏通，数据业务通过LTE疏通，并 实现语音和数据业务的并发。其最大优点是不同的网 络提供不同的业务，不需要2G/3G和LTE网络进行复 杂的互操作，适合于在LTE发展初期，以较小的网络 改造代价提供语音。 随着LTE网络建设规模的 扩大，以及IMS部署的完善， IMS将逐步被用来为LTE用户 提供VoIP语音及其他多媒体 业务。当用户在LTE网络和 2G/3G网络间切换时，将存 在LTE中的VoIP语音和传统 2G/3G网络中CS域语音的连续 性问题，即VCC（Voice Call Continuity，语音呼叫连续 性）。 SR-VCC（单射频模式） 是指在切换过程中，UE在一个 时间点只能接收一个载频的无 线信号（如在LTE和2G/3G网 络任选其一）。 VCC业务部署在用户IMS 归属网络，VCC用户发起或接 收的呼叫都要经由归属域VCC 应用实体进行处理以提供业务 连续性。在CS域进行的呼叫会使用标准的CS域技术， 如触发到gsmSCP，进入LTE网络时，会进行路由变更 切换至IMS域进行处理。 从EUTRAN向UTRAN/GERAN切换的SRVCC 系统架构如图3所示。MME与MSC Server间通过Sv接 口完成SR-VCC语音业务切换过程，采用GTPv2控制 信令。首先，MME通过Sv接口向电路域发起语音业务 的SRVCC切换流程。MSC接收到MME通过Sv接口发 送的SRVCC请求时，发起切换准备。MSC发起并与 IMS VCC AS配合进行语音会话的跨域转接。 MME需要区分VoIP承载和非VoIP承载，并执 行PS承载的划分，实现非VoIP PS承载的切换。当 SRVCC切换和PS切换同时执行时，协调两个切换过 程。HSS需要对用户增加存储一个特殊参数：STN- SR（Session Transfer Number for SR VCC，会话迁 移号码）。在UE附着过程中，HSS会通过插入签约 用户数据消息将STN-SR参数传递给MME。在执行 MGW P/I/S-CSCF IMS MGCF 其它接入 类型 （WLAN， ） PCRF PDN GW Serving GW MME EPC S1 eNodeB E- UTRAN eNodeB HSS Node UTRAN Node B B RNCRNC Iu GGSN 3G PS Core SGSN GMSC 3G CS Core MSC/VLR IP Network PSTN 图2 LTE网络与UMTS网络架构 50 2013年第13期 产业观澜 SRVCC切换过程中，MME转发STN-SR至MSC。 6 移动通信网络发展演进 从长远来看，移动通信网络中LTE及其后续的演 进技术最终可能取代2G与3G网络，但LTE替代现有网 络的过程必将是长期的，现有的2G和3G网络仍有一 定的发展空间。如何实现移动通信网络的平滑演进， 以及构建2G/3G/4G的融合发展，是目前迫切需要解 决的。统一核心网和统一无线接入网是未来的发展方 向。 6.1 统一核心网 多制式移动网络统一 核心网架构如图4所示， 它可以支持GSM/GPRS、 WCDMA、TD-SCDMA、 TD-LTE、FDD-LTE、 CDMA及Wi-Fi等制式的 无线接入网。统一核心网 包括分组域核心网、电路 域核心网、IMS、统一用户 数据库以及应用平台。 （1）统一分组域核心 网实现2G/3G/4G的数据业 务承载 统一分组域核心网主 要包括MME/SGSN设备和 SGW/PGW/GGSN设备， 从而提供融合分组域核心 网的能力。 对于原有SGSN设备进 行升级改造，可支持MME 功能；GGSN可升级为SAE G W 。 对 于 新 建 设 的 核 心 网络EPC（MME/SGW/ P G W ） ， 要 求 同 时 支 持 2G/3G/4G接入，由相同 的核心网EPC来承载不断演进 的2G/3G/4G移动网络的宽带 流量。 对于非3GPP网络，同样可以接入统一的分组核心 网，进行统一认证和计费管理。可信任网络如CDMA 可直接接入EPC，不可信任网络如Wi-Fi需经过ePDG 接入EPC。 （2）语音业务逐渐从电路域核心网迁移到IMS 现阶段2G/3G的移动语音业务仍基于CS域实现。 如果IMS还未部署，LTE网络需要利用CSFB方式为用 户提供2G/3G语音业务。当IMS部署后，LTE可以基于 UEE-UTRAN MME MSC Server 目标 UTRAN / GERAN SGW/PGW IMS UE Um/Uu Iu-cs/A S3 Sv S11S1-MME S1-USGi HSS S6a SGSN Iu-ps/Gb 切换前承载切换后承载切换前SIP信令 LTE uu 图3 从LTE向2G/3G语音切换的SRVCC系统架构 电路域核心网 TD-SCDMA/ HSPA TD-LTE 或TDD- LTE MSC 统一用户数据库 HSS MGW分组域核心网 MME/SGSN SGW/PGW /GGSN IMS CSCF MGCF/MGW 应用平台 呈现即时消息 SBC MRFC/MRFP 多媒体会议 SC GSM/GPRS WCDMA/ HSPA 可信任 非3GPP网络 （如CDMA） 不可信任 非3GPP网络 ePDG (mAGCF) 图4 多制式移动网络统一核心网架构 （如Wi-Fi） 51 2013年第13期 产业观澜 IMS实现VoIP业务，并可以通过SRVCC实现语音业务 的连续性。 随着LTE网络建设规模的扩大，以及IMS部署的 完善，IMS将控制并逐渐分流CS域话务，并最终实现 对业务的统一控制。这时CS域将演变为mAGCF，从 而实现传统电路域的语音接入IMS；业务逻辑的控制 则由IMS中的AS来完成，用户在无需更换终端的情况 下，即可享受IMS业务，实现网络的无缝演进，以及 CS和IMS的彻底融合。 未来IMS将成为统一多媒体业务控制的中心，不 仅实现对移动用户业务的统一控制，还可以实现固移 融合。 （3）统一用户数据库 采用统一用户数据库的架构，可以实现用单一的 设备来满足不同网络标准对用户数据库的基本功能需 求，能够很方便地实现不同网络间的互联互通，而且 能够方便用户不同服务的无缝融合，还能节省投资。 具体实现方式可以把不同系统下的移动用户的信 息抽象成一个通用的数据模型，使用一个统一用户数 据库进行管理。整体功能主要分为两部分：和协议无 关的公共部分（如位置管理、安全管理、数据库管理 等）、和协议相关的消息处理部分。 （4）统一应用平台 通过IMS之上的应用平台，能实现异构网络在业 务层面的融合，比如为不同网络用户提供即时消息、 多媒体会议等业务。IMS业务融合技术在实际应用过 程中，不仅能对SIP网络业务技术进行支持，同时也能 对Parlay/OSA业务框架进行相应支持。 6.2 统一无线接入网 建设统一接入网，首先需要支持各制式的统一、 功能强劲的基站平台，其次是各类射频单元可以模块 化和标准化。多种制式射频模块都可以放在同一个基 站内，统一的基站平台保证它们可以任意组合并共用 同一个基带单元。当需求发生变动，则可以按需调整 射频模块种类。 多模基站的设计融入了多载波、高效功放、SDR 等技术，可以实现2G/3G到HSPA+/LTE的平滑演进。 支持多种无线接入制式的多模基站如图5所示： 图5 支持多种无线接入制式的多模基站 多模基站采用同一站址、机房、传输、铁塔、 天馈、室内分布等。所以，可以避免整个社会网络资 源重复建设，降低维护成本，加快通信网络建设与升 级，既经济高效又节能环保。 7 军用移动通信网络发展方向 7.1 支持多种接入且集成度很高的网络融合设备 Tecore公司推出的NIB（Network In A Box，网 络融合箱）同时支持2G GSM/CDMA、3G WCDMA/ HSPA/HSPA+、4G LTE等多种无线接入方式，并集 成了MSC/VLR、SGSN/GGSN、MME/SGW/PGW、 HSS、AAA、SMSC等核心网功能，支持语音、短信、 多媒体消息、数据等业务，并有多种外部接口以连接 PSTN、IP网和卫星保持与其他通信网络整合或互通。 而NIB设备的大小仅为22cm。 在战争时期，军中通信人员可方便地把NIB设备 从一个地方移至另一个地方，继续为战争提供高速稳 定的无线通信能力。NIB设备可以配置为独立工作模 式，即孤岛通信模式，为多种接入制式的终端用户提 供互通；也可以配置为综合通信模式，即多个NIB设 备联网成综合通信系统。 7.2 MVNO 美国国防信息系统局（Defense Information Systems Agency）宣称要建立移动虚拟网络运营商 （MVNO）服务，即租用传统移动运营商的资源然 后出售。这样除了节省建网成本和迅速提供通信业务 （下转第55页） 55 2013年第13期 产业观澜 的筛选和评判力度，以市场的方式平衡价值链条的利 益分配。 二是完善通信业务规范以保障用户的合法权益。 用户是电信市场的主体，要从保护用户的角度出发， 对传统电信业务和OTT业务建立统一的管理规则和监 管机制，避免恶性竞争和不正当竞争。 三是推动运营商向智能管道供应商转型。搭建智 能管道、创新合作共赢的商业模式是运营商发展的必 由之路。要搭建聚合的内容型平台和开放的能力型平 台，提供创新应用服务的生成环境，引导产业链为客 户提供更多、更优质的业务和服务。 参考文献： 1 赵庆. 重新定义移动通信J. 世界电信, 2012(3): 27-31. 2 陈斌. 后短信时代的短信用户市场分析J. 现代营销, 2012(3): 28-29. 3 那什. 拜年短信光环渐退J. 中国新通信, 2012(3): 28- 29. 4 徐玉. 国外移动运营商三大策略应对OTT业务的挑战 J. 世界电信, 2012(3): 17-20. 5 邬雪艳. OTT对我国电信行业冲击弱于国外，运营商 应重新定位自身角色J. 通信世界, 2012(7): 14. 6 罗永雄,卢晓华. 微博浪潮下对手机媒体的再审视J. 声