11月9日umts核心网络结构

UMTS核心网络结构中国移动云南公司玉溪分公司王春2014年10月目录UMTS/TD-SCDMA核心网版本的演进路线UMTS/TD-SCDMA核心网络结构前言123UMTS概念

UMTS(UniversalMobilemunicationsSystem)，即通用移动通信系统。UMTS是国际标准化组织3GPP制定的全球3G标准之一。作为一个完整的3G移动通信技术标准，UMTS并不仅限于定义空中接口。它的主体包括CDMA接入网络和分组化的核心网络等一系列技术规范和接口协议。除WCDMA作为首选空中接口技术获得不断完善外，UMTS还相继引入了TD-SCDMA和HSDPA技术(HighSpeedDownlinkPacketAccess，高速下行链路数据分组接入)。

UMTS是基于WCDMA的3G标准，UMTS核心网服务于WCDMA和TD-SCDMA两种3G技术。

UMTS使用WCDMA作为底层标准，由3GPP定型，代表欧洲对ITUIMT-2000关于3G蜂窝无线系统需求的回应，UMTSUMTS有时也叫3GSM，强调结合了3G技术而且是GSM标准的后续标准。UMTS分组交换系统是由GPRS系统所演进而来，故系统的架构颇为相像。3G标准化组织（一）IMT-20003GPPUMTS-WCDMAGSMMAP核心网（WCDMARTT）cdma2000ANSI-41核心网（cdma2000RTT）ARIB3GPP2T1P1TIACWTSETSITTATTCITU-T在1998年确立了IMT-2000网络框架标准，提出了家族(Family)的概念，目前的家族主要有两个，基于GSMMAP核心网的家族和基于ANSI-41核心网的家族，分别由3GPP和3GPP2组织负责标准化工作。GSMMAP核心网选择了WCDMA，ANSI-41核心网选择了cdma2000，而TD-SCDMA同时加入了3GPP和3GPP2两个组织。3GPP主要是负责WCDMA的标准指定，3GPP2则是负责CDMA网络的标准指定。欧洲北美亚太*IMT-2000是国际电信联盟(ITU)对第3代移动通信系统的统称3GPP组织和3GPP标准3GPP（3rdGenerationPartnershipProject）组织：于1998年12月成立，由欧洲的ETSI、中国的CWTS、日本的ARIB/TTC、韩国的TTA和美国的T1等标准化组织发起，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。TD-SCDMA标准演进TD-SCDMA的标准起步比起WCDMA和CDMA2000要晚，因此TD-SCDMA的第一个版本为R4，没有R99这个版本：在R5版本中，在接入网侧，主要增加了HSDPA功能；在R6版本中，主要增加了HSUPA功能。WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA三种3G技术体制并存WCDMA标准化工作由3GPP负责；cdma2000标准化工作由3GPP2负责；TD-SCDMA的主要优势和贡献在空中接口，而核心网与WCDMA相同。UMTS是基于WCDMA的3G标准，UMTS核心网服务于WCDMA和TD-SCDMA两种3G技术。UMTS核心网的CS域提供语音业务；PS域提供分组业务，即网页浏览、流媒体和FTP等数据类业务。在3GPPR5之后，UMTS核心网出现了IMS，IMS基于分组域提供VoIP以及众多的多媒体业务，打破了只有CS域提供语音业务的限制。3G标准化组织（二）主要的CDMA3G提案国家区域标准组织(RSO)无线传输技术(RTT)U.S.TIA(TR45.5)cdma2000T1W-CDMAKoreaTTATTA1(~cdma2000)TTA2(~W-CDMA)JapanARIBW-CDMAEuropeETSI(SMG2)W-CDMAChinaCWTSTD-SCDMA*CWTS：中国无线通信标准小组WCDMA发展历程GSMGSM+GPRSWCMDA19981999200020012002200320042005演进与发展演进与发展cdma2000发展历程IS95A9.6kbpsIS95B115.2kbpsCDMA1X307.2kps语音业务容量大手机待机时间更长115.2kbpscdma20003XCdma20001XEV1XEV-DO1XEV-DV1995199820002002更高的频谱效率和网络容量更高的分组速率和更丰富的业务平滑向3G过渡TD-SCDMA发展历程UMTS网络结构Iu

NMSCNRANO&MUuUEUE=用户设备或终端（UserEquipment）RAN=无线接入网（RadioAccesNetwork）CN=核心网（CoreNetwork）NMS=网络管理系统（NetworkManagementSystem）ServicePlatform核心网络的定义接入网络：由一系列提供接入网络资源管理，并且能够提供用户接入机制的设备组成

。核心网络：由一系列完成用户位置管理、网络功能和业务控制等功能的物理实体组成。物理实体包括（G）MSC、HLR、SCP、SMC、GSN等。核心网络又分为归属网络、拜访网络和传送网络3类。接入网像一根管道，它是不感知用户业务的！只有核心网才知道管道里面跑的是什么业务，并实施控制。2/3/4G网络架构接入网核心网GSM/GPRSBSSBTSBSCNodeBRNCPCUUTRAN

SCPSMSSCEPSTN/PLMNInternet,IntranetHLR/AUC/HSSSGSNGGSNGPRSbackboneMGWMGWVMSCServerGMSCServerIP/ATMBackboneCS域PS域Iu-CSIu-PSIPbackboneMRFPIMS域MGWP-CSCFS-CSCFMGCFMRFCSS7LTESGWMMEPGWE-NodeBHSSHSSEPCI-CSCF目录UMTS/TD-SCDMA核心网版本的演进路线UMTS/TD-SCDMA核心网络结构前言123R99WCDMAR4软交换

GSM

3G初始版本继承2G网络的结构，接入网引入WCDMAUTRAN；分组下行速率最大2MbpsCS域重大变化：MSC分离为MSCSERVER和MGW，组网更灵活语音承载IP化，使得网络配置维护更简单R5引入基于分组域的IMS域，替换传统的CS域实现移动与固网融合分组域R5到R7版主要对数据业务速度提升，最大可达42Mbps1989200020012011R5(IMS)R8(LTE)2002语音业务由MSC提供分组业务由SGSN/GGSN提供GPRS下行最大速率约171.2kpbsEdge下行最大速率越473.6kpbs分组域引入EPC,实现承载与控制相分离MME和S/PGW无线引入LTE,下行速率可达150Mbps不再支持电路域，其业务由IMS提供R10LTE-A引入LTE-Advance，下行最大速度可达1Gbps2008??GSM/UMTS版本演进里程碑演进路线：GSM

GPRS

EDGE

WCDMA

HSPA

HSPA+

LTE

LTE-Advanced2G2.5G2.75G3G3.5G3.75G3.9G4G传输速度：9.6Kbps

171.2Kbps

384Kbps

384Kbps~2Mbps

HSDPA：14.4Mbps/HSUPA：5.76Mbps

HSDPA+：42Mbps/HSUPA+：22Mbps

LTE：100Mbps/50Mbps

LTE-Advanced1Gbps/500Mbps

注：还有R6\R7版本,主要是对IMS技术进行了增强。目录UMTS/TD-SCDMA核心网版本的演进路线UMTS/TD-SCDMA核心网络结构前言123BSSBSCRNSRNCCNNodeBNodeBAIuPSIurIubMSUuMSCSGSNGsGGSNGMSCGnHLRGrGcCDEAuCHEIRFGfGiPSTNIuCSGbVLRBGpVLRGBTSBTSUmRNCAbisMSCBPSTNcellPCUUER99基本网络结构GSM/GPRSBSSBTSBSCNodeBRNCPCUUTRAN

SCPSMSSCEPSTN/PLMNInternet,IntranetHLR/AUC/HSSSGSNGGSNGPRSbackbone核心网VMSCGMSCIP/ATMBackboneCS域PS域Iu-CSIu-PS接入网SS7GSM/R99网络R99核心网络－特色及核心技术R99阶段：这是3G标准的第一个阶段，2000年3月发布。核心网络分为CS域和PS域（延续了GSM/GPRS系统的核心网系统结构）。CS域以原有的GSM网络为基础，PS域以原有的GPRS网络为基础。电路域和分组域分别处理语音和数据业。CS域：用于向用户提供电路型业务的连接，实现方式包括TDM方式和ATM方式。它包括MSC/VLR、GMSC等交换实体以及用于与其它网络互通的IWF实体等。PS域：用于向用户提供分组型业务的连接，实现方式为IP包分组方式。它包括SGSN、GGSN以及与其它PLMN互连的BG等网络实体。R99核心网络－功能实体CS域和PS域共用的功能实体：HLR：完成移动用户的数据管理和位置信息管理；包括用户识别号码，访问能力、用户类别和补充业务等数据，以及漫游移动用户所在MSC区域的有关动态数据。VLR：处理当前用户的各种数据信息；AUC：存储用户的鉴权信息（密钥）；EIR：存储用户的IMEI信息；SMS：短消息中心。CS域功能实体：MSC：完成电路交换型业务的交换功能和信令控制功能；GMSC：完成移动用户在不同网络之间的路由寻址功能的MSC。GSMC可以与MSC合设，也可分设；IWF：与MSC紧密相关的一个功能实体。完成PLMN网络与ISDN、PSTN、PDN网络之间的互通（主要完成信令转换功能），其具体功能可以根据业务和网络种类的不同进行规定。PS域功能实体：SGSN：完成分组交换型业务的交换功能、信令控制功能、路由功能；GGSN：完成PS域和外部数据网络之间的互通功能；CG：完成分组域的计费功能；BG：完成两个GPRS网络之间的互通，保证网络互通的安全性。R99核心网络－网络接口核心网络与接入网络间接口：A接口：完成BSS管理、移动性管理和呼叫控制功能；Gb接口：完成分组数据传输和移动性管理功能；Iu-CS接口：完成RNS管理、移动性管理和呼叫控制功能；Iu-PS接口：基本功能类似Iu-CS接口。核心网络内部接口－CS域:MSC与VLR之间的B接口：完成用户的移动性管理、位置更新和补充业务的激活等功能。此接口为内部接口，标准不规范；MSC与HLR之间的C接口：获取用户的MSRN和与智能业务相关的用户状态、用户位置等信息；VLR与HLR之间的D接口：获取用户的签约信息；MSC之间的E接口：用于两个MSC之间的切换过程。同时，若一个MSC兼作SC，当向一个用户发送或接受短消息时，也需在此接口传送信息；MSC与EIR之间的F接口：交换相关信息，用于EIR验证用户的IMSI状态信息；VLR之间的G接口：当用户从一个VLR移动至另一个VLR时，用于交换用户的IMSI和鉴权参数信息。R99核心网络－网络接口核心网络内部接口－PS域：SGSN与HLR之间的Gr接口：完成用户位置信息的交换和用户签约信息的管理。同C接口功能相似；SGSN与GGSN之间的Gn、Gp接口：采用GTP协议，在GSN设备间建立隧道，传送数据包；GGSN与HLR之间Gc的接口：可选接口；SGSN与EIR之间的Gf接口；GGSN与外部网络之间的Gi接口。CS域、PS域共用的接口:MSC/VLR与SGSN之间的Gs接口：用于MSC与SGSN之间的联合位置更新；HLR与AUC之间的H接口：用于鉴权和加密。内部接口，不规范。UTRANSS7PSTN/ISDNBSSSIGTRANSCPSMSSCEHLRAPPServerH.248BICCVMSCServerIP(ATM)BackboneMGWMGWAMR/RTP(AAL2)GMSCServerH.248RANAPGSM/R99PLMNIPNetworkTDMAAL2TDMTDMIPBSSAPMAP/CAPR4软交换网络结构于2001年3月发布。R4在R99基础上引入了软交换思想，将MSC的承载与控制功能分离，即呼叫控制与移动性管理功能由MSCServer承担，语音传输承载和媒体转换功能由MGW完成。R4核心网络－功能实体MSCServer：控制面实体，主要完成MM(移动性管理)、CM（呼叫控制）、MGC（媒体网关控制）等功能；端局：提供BSS/UTRAN接入关口局：核心网电路域与外部网络之间的网关功能节点，通过GMSCServer，本网络可以和PSTN、ISDN或其它PLMN网络进行信令互通。GMSCServer的主要功能是充当网间的移动关口局，承担路由分析、网间接续、网间结算等重要功能。（不提供BSS/UTRAN接入）MGW：承载面实体，主要完成语音及媒体流的交换，以及提供各种资源，比如TC、EC、放音、收号等资源；SG：完成信令转换工作，即完成SS7的传送层MTP与SIGTRAN的传送层SCTP/IP之间的转换。R4核心网络－接口协议MGWMcMcNbNcMSCServerMGWGMSCServerR4核心网络－接口协议（续）（G）MSCServer与MGW之间的Mc接口：支持多种呼叫模式、多种媒体的灵活的连接处理，这个接口上的应用协议为H.248协议；MSCServer与（G）MSCServer之间的Nc接口：完成局间的呼叫控制，使用基于ISUP的BICC呼叫控制协议；MGW之间的Nb接口：完成承载方式的控制和用户信息（语音、数据、图象、多媒体）的传送，完成不同媒体帧格式之间的转换。可以使用RTP/UDP/IP或AAL2/ATM协议。R4核心网络-承载与控制分离MSCServerMGW控制面承载面MSCH.248R4核心网络-四层组网架构及网络融合业务管理网络控制核心交换边缘接入SoftSwitch3GAccessAMGIADBroadbandAccessPSTNTMGSGPLMN分组核心网UMGUMGAppServerPolicyServeriOSSINSoftSwitchMRSR4核心网络-内置SG功能节省传输链路R4核心网络-集中业务控制新的业务分组交换ServerMGWMGWMGWMGWMGWMGWMGW下一代网络业务与MGW不存在耦合业务升级重点在Server层面Server集中设置和管理，升级方便传统网络业务与MSC存在耦合很多业务需要全网MSC进行升级交换机分布于各本地网，升级困难R4核心网络-网络集中管理与维护ISUPINNMSAppServerSGPSTNswitchSTPMGWMGWMSCServerRoute/PolicyServiceMSCServer

核心网的维护工作重点在于信令的分析工作。

R4网络的业务和控制集中在MSCServer，是集中管理的网络，更加利于维护与管理。MGWMGWMGWMGWMGWB本地网A本地网省集中维护R4核心网络-利用TFO及TrFO技术提高语音质量TFO与TrFO的区别：TFO通过带内信令建立免编解码器的连接，仍需要编解码器单元继续工作（用于监视TFO消息中的信令）；TrFO通过带外信令建立免编解码器的连接，建立后完全不需要编解码器。提供TFO和TrFO的优势：改善语音质量：话音编码器对话音编码是有损压缩，每经过一次编解码会降低话音质量；能减少话音的传输时延。节省网络设备功率：采用TrFO时，编解码功能被旁路，节省网络设备功率。R5核心网络-网络结构

GSM/GPRSBSSBTSBSCNodeBRNCPCUUTRAN

SCPSMSSCEPSTN/PLMNInternet,IntranetHLR/AUC/HSSSGSNCGBGGGSNGPRSbackboneCNMGWMGWVMSCServerGMSCServerIP/ATMBackboneCS域PS域Iu-CSIu-PSIPbackboneMRFPIMS域MGWP-CSCFS-CSCFMGCFMRFCRANSS7R5阶段：于2002年6月发布。为了能够在IP平台上支持丰富的移动多媒体业务，R5版本引入了基于SIP的IP多媒体子系统即IMS。同时，R5引入了Flex技术（就是POOL技术，如MSCinPOOL/SGSNInPOOL），突破了一个RNC/BSC只能连接一个MSC或SGSN的限定，即允许一个RNC/BSC同时连接至多个MSC或SGSN实体。在业务方面，R5版本增加了支持SIP业务的功能，如VOIP语音、定位、即时消息、在线游戏以及多媒体邮件等。R5核心网络-版本特征3GPPR5版本特征：继承WCDMAR4所有的业务和功能；核心网在CS域和PS域外，在PS域基础上叠加IMS（IP多媒体）子系统，CS域网络结构和R4基本保持一致；RAN组网向IP方向发展，所以Iu接口可选择使用ATM或IP；IPQoS方面的增强；业务方面的增强，如OSA，PushService。R5版本初步实现了3GPP最初提出的ALLIP网络---IP技术成为所有信令消息的承载技术，改变了原有的呼叫流程。CS域引入MSC-server池PS域引入SGSN池R5核心网络-IMSR5核心网络-IMSR5核心网络-IMSR5核心网络-IMSR5核心网络－IMS功能实体（一）IMS主要功能实体：CSCF：P-CSCFS-CSCFI-CSCFHSSSLFBGCFMGCF/IMMGWMRFC/MRFPASPDF/PEFR5核心网络R5核心网络－IMS功能实体（二）CSCF：CallSessionControlFunction按其位置和功能又可分为P/S/I三种类型；P-CSCF(ProxyCSCF)：是IMS中与用户的第一个连接点，提供代理（Proxy）功能，即接受业务请求并转发它们，但不能修改INVITE消息中的RequestURI字段；P-CSCF也可提供用户代理（UA）功能，即在异常情况下中断和独立产生SIP会话；S-CSCF(ServingCSCF)：S-CSCF在IMS核心网中处于核心的控制地位，负责对UE的注册鉴权和会话控制，执行针对主叫端及被叫端IMS用户的基本会话路由功能，并根据用户签约的IMS触发规则，在条件满足时进行到AS的增值业务路由触发及业务控制交互；I-CSCF(InterrogatingCSCF)：类似IMS的关口节点，提供本域用户服务节点分配、路由查询以及IMS域间拓朴隐藏功能HSS:TheHomeSubscriberServer。HSS是归属网络中保存IMS用户的签约信息，包括基本标识、路由信息以及业务签约信息等集中综合数据库，位于IMS核心网络架构的最顶层，HSS中保存的主要信息包括：IMS用户标识（包括公共及私有标识）、号码和地址信息IMS用户安全上下文：用户网络接入认证的密钥信息、漫游限制信息IMS用户的路由信息：HSS支持用户的注册，并且存储用户的位置信息IMS用户的业务签约信息：包括其他AS的增值业务数据MGCF

MGCF作为IMS域和电路域互通的控制层设备，对外提供信令接口，控制IM-MGW完成呼叫接续，MGCF还具有安全性管理和呼叫控制等网络功能。R5核心网络-SIP协议的发展SIP（SessionInitiationProtocol）:初始会话协议,是用于建立，修改和终止多媒体会话（包括会议）的应用层控制协议，例如互联网电话呼叫。源于1996年MBone实验1999年被IETF-MMUSIC工作组采纳为建议标准RFC25431999年独立为SIP工作组，后续又新增了两个以SIP为核心的工作组SIPPING和SIMPLE2002年7月成为新标准RFC3261大部分内容经过重写，更加清晰严谨，同时也增加了一些新的特性绝大部分内容保持与RFC2543后向兼容R5核心网络-SIP协议特点基于文本编码，很多现成工具，易调试重点关注会话建立、改变和终止，不包罗万象。SIP-URL表示需要访问的资源或用户，消息体可携带任何内容灵活的扩展机制、强大的能力协商机制：Supported、Unsupported、Require、ProxyRequire、Allow、Accept...简单网络，提高了系统的灵活性和可靠性、可扩展性。中间设备Proxy、Redirecter无需理解消息的内容，透明处理R5核心网络-SIP在协议栈中的位置R5核心网络SIP协议在IMS体系中的应用R5核心网络-特色ALLIP网络的出现：不但在核心网络实现IP，在无线接入部分也引入IP。使用IPV6协议作为基本的IP承载协议。为适应IP多媒体业务的出现，新增IPM子域。引入大量新的功能实体。可连接多种无线接入技术（UTRAN、ERAN）。智能业务的控制更加灵活，CAMEL4完成。R5核心网络–IP化进程IPBackboneIPBackboneSGSNGGSNGPRSbackboneMGWMGWVMSCServerGMSCServerCSPSGbAMGWMGW汇接局PSTN/PLMNInternetBTSBSCPCUAbis汇接局IP化端局/关口局IP化A/Gb口IP化Abis口IP化R5核心网络-MSCPOOLMSCPool专用名词MSCPool：MSC池，共同服务于一组BSC/RNC的MSC的集合；PoolArea:池区，一个pool区是一个区域，在这个区域里，一个移动台可以不需要改变服务核心网节点进行漫游。一个pool区是被一个或多个核心网节点并行服务的。所有的小区被一个属于同一个（或多个）pool区的NNSF功能节点控制。NRI：网络资源标识，用来唯一识别Pool区中的一个CN节点，NRI包含在TMSI（CS域）或P-TMSI（PS）之中，其长度从0bits到10bits不等（0bits表示没有NRI，且没有应用MSCPool技术特性）；NNSF：节点选择功能，Pool内用来选择CN节点的功能；DefaultMSC：缺省MSC，在MSCPool组网中，DefaultMSC用于在MSCPool外的MSC和MSCPool内的MSC间中转取用户信息信令。MSCPool技术引入背景居住区B(郊区)中心区A居住区D(郊区)居住区C(郊区)MSCPool技术的提出，与全球城市化进程有关，随着城市规模急剧扩张，现在越来越多的城市以“卫星城”的面貌出现。这种城市的主要特点是由一个中心城区和多个分布其周围的居民区组成，其格局如图所示：中心城区是商务、娱乐的中心区域，城市居民们白天集中在这块区域工作，晚上则回到各自的居住区（或者郊区）休息。

R5核心网络-MSCPOOLMSCPool技术引入背景（续）居住区B(郊区)中心区A居住区D(郊区)居住区C(郊区)居住区B(郊区)中心区A居住区D(郊区)居住区C(郊区)白天用户集中在中心区，为了保证服务质量，要求为中心区服务的CN节点具有极高的容量。但是，到了晚上，中心区用户量剧减，高容量的中心区CN节点处于闲置状态。因此，业务量分布的不均匀，会导致网络资源没有得到合理的利用。R5核心网络-MSCPOOLIu-Flex技术、MSCPool和SGSNPoolIuFlex技术指在UMTS网络中，允许RNC连接同一个运营商的多个CN节点，包括电路域（CS）和分组域（PS），由于在3GPP中，接入网RNC和核心网CN之间采用的是Iu接口，所以这项技术就称之为IuFlex技术。也有按照核心网的类型区分，这时称之为MSCPool技术和SGSNPool技术。IPATMMSCPoolRNCSGSNPoolIuFlexSGSNxSGSNyR5核心网络-MSCPOOLA-Flex、Gb-FlexBSC/PCU随着软交换等UMTS中的技术在GSM网络中的使用，IuFlex技术也移植到GSM和GPRS网络中，当按照接入网和核心网之间的接口名称区分，IuFlex称之为AFlex技术和GbFlex技术IPTDMMSCPoolSGSNPoolSGSNxSGSNyGbFlexAFlexR5核心网络-MSCPOOLMSCPool技术特点（4）

减少核心网内部信令BSCMSCPool当用户在池内漫游时不改变归属的MSC，减少MSCServer与HLR的信令流量BSCMSCServer1MSCServer2R5核心网络-MSCPOOLMSCPool技术特点（1）

PooL区内所有的MSC和所有的BSC/RNC相连1.按照23.236协议规定，核心网和接入网之间必须全互联；2.Mini-Flex与MSCPool可以混合使用；3.MSCPool内MSC不接Pool外的BSC/RNC。IPTDMBSC/RNCMSCPoolIP承载网BSC/RNCBSC/RNCR5核心网络-MSCPOOLMSCPool技术特点（2）

使用MSCPool功能的BSC/RNC不能同时连接Pool内的MSC和Pool外的MSC核心网和接入网支持MSCPool技术是MSCPool实现的充分条件IP承载网MSCPoolBSC/RNCxPool外的MSCR5核心网络-MSCPOOLMSCPool技术特点（3）

资源共享、均衡用户和负荷MSCServer1BSCNNSF节点MSCPoolMGWMSCServerxMSCServeryR5核心网络-MSCPOOLMSCPool技术特点（4）

减少核心网内部信令BSCMSCPool当用户在池内漫游时不改变归属的MSC，减少MSCServer与HLR的信令流量BSCMSCServer1MSCServer2R5核心网络-MSCPOOLR5核心网络-MSCPOOL1用户在POOL内漫游利用NNSF算法完成用户均衡登记到各个MSC，实现资源共享，达到用户均衡，负荷均衡。均衡用