第1章 移動核心網概述

移動核心網是移動通信業務的接入、承載和業務提供網絡，移動核心網包括電路域、分組域和多媒體域。本章首先探討了移動核心網的發展歷程和技術現狀，并使讀者了解到在目前移動互聯網業務高速發展的情況下移動核心網的技術發展趨勢。

1.1 移動通信的發展歷程

1978年，美國貝爾實驗室開發了先進移動電話業務（AMPS）系統，這是第一種真正意義上的具有隨時隨地通信能力的大容量的蜂窩移動通信系統。AMPS采用頻率復用技術，可以保證移動終端在整個服務覆蓋區域內自動接入公用電話網，具有更大的容量和更好的語音質量，很好地解決了公用移動通信系統所面臨的大容量要求與頻譜資源限制的矛盾。20世紀70年代末，美國開始大規模部署AMPS系統。AMPS 以優異的網絡性能和服務質量獲得了廣大用戶的一致好評。AMPS 在美國的迅速發展促進了在全球范圍內對蜂窩移動通信技術的研究。到20世紀80年代中期，歐洲和日本也紛紛建立了自己的蜂窩移動通信網絡，主要包括英國的ETACS系統、北歐的NMT-450系統、日本的NTT/JTACS/NTACS系統等。這些系統都是模擬制式的頻分雙工（Frequency Division Duplex，FDD）系統，亦被稱為第一代蜂窩移動通信系統或1G系統。1G系統的主要特征及使用地區見表1-1。

1G 系統采用蜂窩組網和頻率復用等關鍵技術，有效地解決了當時的常規移動通信系統所面臨的頻譜利用率低、容量小及業務的服務質量差等問題，在商業上取得了巨大的成功。不過，1G 系統在技術和體制上也存在諸多局限。一方面，盡管不同制式的1G系統具有很多相似的特征，但是并沒有發展成一個全球的共同標準，各個國家和地區都自行選擇與其國情相適應的系統制式和通信頻段，無法實現全球漫游；另一方面，隨著用戶數的增長，對蜂窩系統的容量要求越來越高，系統容量與頻譜資源之間的矛盾也日益尖銳。理論上，蜂窩可以無限分割，頻率復用距離也可以做到越來越小，但是蜂窩變小后，來自多方面的干擾也將變得難以排除，實際上限制了蜂窩無限縮小對系統容量的改善作用。此外，模擬系統還存在同頻干擾和互調干擾、系統保密性差及提供的業務種類比較單一等局限。

為了解決第一代蜂窩移動通信系統中存在的上述根本性技術缺陷，采用數字調制技術的第二代蜂窩移動通信系統或2G系統從20世紀90年代開始逐漸發展起來。1992年，歐洲開始鋪設全球第一個數字蜂窩移動通信網絡——GSM（Global System Mobile），由于其優良的性能，GSM在全球范圍內迅速擴張，GSM用戶數一度超過全球蜂窩系統用戶總數的70%。此后，美國的DAMPS和日本的JDC等2G系統也相繼投入使用。這些系統的空中接口都采用了時分多址（Time Division Multiplex Access， TDMA）接入方式。1993年，美國推出了基于碼分多址（Code Division Multiplex Access， CDMA）接入技術的IS-95系統。2G系統以傳送語音和低速數據業務為目的，與采用頻分多址（Frequency Division Multiplex Access，FDMA）接入方式的1G 系統相比具有很多優點，如頻譜效率高、系統容量大、保密性能好等。2G 系統的基本特性見表1-2。

下面就其中具有典型特點的GSM和CDMA系統做簡要說明。

GSM 可以工作在 900MHz 或 1800MHz 頻段，使用 900MHz 頻段的 GSM 稱為GSM900；使用1800MHz頻段的GSM稱為DCS1800。GSM采用FDD方式和TDMA方式，利用200KHz載波帶寬提供語音和低速數據業務。GSM標準體制較為完善，技術相對成熟，其不足之處是相對于模擬系統容量增加不多，無法和模擬系統兼容，不能提供分組數據業務等。為了彌補GSM提供分組數據業務能力的不足，基于GSM開發了GPRS（Generic Packet Radio Service）系統，GPRS是架構于GSM上的無線網絡，能提供較高速率的分組數據業務。

IS-95可以工作在800MHz或1900MHz頻段，使用800MHz頻段的CDMA系統稱為蜂窩系統；使用1900MHz頻段的CDMA系統稱為PCS系統。IS-95采用FDD方式和CDMA方式，利用1.25MHz載波帶寬提供語音和低速數據業務。IS-95系統中采用了擴頻、RAKE接收及功率控制等關鍵技術，具有良好的抗干擾特性，極大地提高了系統容量。由于CDMA系統在提高系統容量和抗干擾及無線衰落等方面的明顯優勢，使得CDMA技術成為第三代移動通信的核心技術。

總之，2G 系統主要采用TDMA或CDMA方式，具有頻譜利用率高、保密性好和語音質量好的特點，既可以支持語音業務，也可以支持低速數據業務。無論是采用TDMA技術的GSM，還是采用CDMA技術的IS-95，其體制標準均較為完善，技術相對成熟。不過，隨著數據業務（尤其是多媒體業務）需求的不斷增長，2G 系統在系統容量、頻譜效率等方面的局限性也日益顯現。

在 20世紀80年代模擬蜂窩系統開始大規模商用時，多種制式的模擬蜂窩系統之間無法實現漫游。為了實行全球統一標準并能全球漫游，1985 年國際電信聯盟（ITU）提出了未來公共陸地移動通信系統（FPLMTS）的概念。FPLMTS 是第三代移動通信系統的前身，其目的是實現任何人在任何時間、任何地點，能向任何人傳送任何信息。1992年世界無線電大會（WARC）為FPLMTS確定了2GHz附近共230MHz的頻譜。1994年，ITU-R和ITU-T開始合作研究FPLMTS，其中ITU-R負責無線接入技術的標準化；ITU-T負責網絡的標準化。為了解決2G系統所面臨的主要問題，同時滿足對分組數據傳輸及頻譜利用率更高的要求，1995年ITU將FPLMTS更名為國際移動電信2000（IMT-2000），即第三代移動通信系統或3G系統。

下面將重點介紹3G系統及其核心網技術的發展。

1.2 3G核心網的概況

IMT-2000 是第三代移動通信系統（3G）的統稱。第三代移動通信系統最早由國際電信聯盟（ITU）1985年提出，考慮到該系統將于2000年左右進入商用市場，工作的頻段在 2000MHz，且最高業務速率為 2000Kbps，故于 1996 年正式更名為IMT-2000（International Mobile Telecommunication-2000）。

第三代移動通信系統是一種能夠提供多種類型、高質量多媒體業務，能夠實現全球無縫覆蓋，且有全球漫游能力，并以小型便攜式終端在任何時候、任何地點進行任何種類通信的通信系統。

3G的技術標準包括CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA三種技術制式。3G技術的標準化工作由3GPP（3rd Generation Partner Project）和3GPP2來推動實施。3GPP主要采用WCDMA和TD-SCDMA技術，3GPP2主要采用CDMA2000技術，這三種技術制式的核心網都是在第二代移動通信網的技術上平滑演進，以提供更加豐富的業務。

WCDMA和TD-SCDMA技術是在3GPP進行研究，對核心網來講，WCDMA和TD-SCDMA的網絡架構是一致的。下面將分別介紹WCDMA和CDMA2000的核心網技術和演進。

1.2.1 WCDMA核心網技術

WCDMA標準已經發展多年，到目前為止，主要有5個版本，即3GPP R99、3GPP R4、3GPP R5、3GPP R6和3GPP R7。從網絡架構的角度來看，主要是R99、R4和R5三個大的版本，在架構上有較大的變化，R6和R7版本主要是對R5版本的功能上的增強，對網絡架構并無大的調整。從R8版本開始，3GPP開始制定LTE和EPC的技術標準。R8版本后的3GPP研究進展將在LTE核心網章節進行介紹。

1.R99網絡架構

R99是第一個商用的WCDMA版本，1999年12月功能凍結，2000年3月在3GPP正式通過。R99版本的網絡結構如圖1-1所示。R99支持所有GSM的業務，并提供優質的AMR語音、定位業務等。

R99網絡架構的簡介如下。

1）無線接入部分

無線接入網（UTRAN）采用WCDMA技術，由RNC（無線網絡控制器）和Node B（基站）組成；

Iu、Iub、Iur接口均采用ATM傳輸。而在GSM中BSC與MSC之間采用了TDM技術，BSC與SGSN之間采用幀中繼作為承載數據的協議。

2）核心網部分

核心網（CN）分為電路域（CS）及分組域（PS）兩大部分，CS域采用基于GSM的MAP協議，話音仍利用電路交換；PS域采用在GPRS基礎上改進的GPRS隧道協議（GTP）。電路域的主要設備包括移動交換中心（MSC）/拜訪位置寄存器（VLR）、歸屬位置寄存器（HLR）/鑒權中心（AuC）和設備識別寄存器（EIR），分組域包括GPRS服務支持節點（SGSN）、GPRS網關支持節點（GGSN）。

移動交換中心（MSC）是網絡的核心，它提供交換功能，為用戶提供語音等業務，它對其管轄區域中的移動臺進行控制、交換，并是所管轄區域中MS呼叫接續所需檢索信息的數據庫。拜訪位置寄存器存儲進入其覆蓋區域中的移動用戶的全部信息，使得移動交換中心能夠建立呼入和呼出的呼叫。

GPRS服務支持節點（SGSN）用于執行數據業務的移動性管理、安全管理、接入控制盒路由選擇功能等。GPRS網關支持節點（GGSN）負責提供GPRS/PLMN與外部分組數據網的接口，并提供必要的網間安全機制。

歸屬位置寄存器（HLR）存貯與用戶有關的數據，包括用戶簽約的業務信息、用戶的漫游能力，它還為移動交換中心提供移動臺實際漫游所在地的信息。鑒權中心（AuC）存儲保證移動用戶通信信息隱私的鑒權參數等信息。GSM中采用鑒權三元組采用A3/A8算法對用戶進行鑒權；WCDMA R99版本中采用鑒權五元組，定義了新的加密算法，并采用認證令牌機制增強用戶鑒權機制的安全性。

R99 網絡架構的主要特點是無線接口采用了WCDMA技術，采用了自適應多速率（AMR）編碼技術、快速功率控制技術和軟切換技術；在核心網上，R99和GSM非常類似，只是在部分接口和功能上有所增強。核心網仍采用了TDM技術，雖然具有技術成熟、互通性好的特點，但是在接入網已經分組化的AAL2話音仍必須經過編解碼轉換器轉化為64kbit/s的TDM語音，導致核心網的傳輸資源利用率低。在業務提供方面，R99對業務提供更加靈活，在智能網方面，提出CAMEL3，可支持分組域數據業務的預付費；提出開放業務架構（OSA），便于第三方參與各種新業務的開發。

2.R4網絡架構

3GPP的R4版本在2001年3月功能凍結。在3GPP R4版本中，核心網的電路域采用了承載與控制分離的架構。將MSC分成了MSC Server和MGW。MSC Server主要負責控制呼叫的建立、進程的管理和計費等相關功能。MGW 主要負責傳輸用戶的數據。由于承載與控制的分離，在電路域引入了新的承載技術（ATM 和 IP）來傳輸電路域的語音和信令。關于分組域，3GPP R4和R99版本沒有區別。R4版本的網絡架構如圖1-2所示。

R4在無線接入部分和核心網方面的變化主要包括以下部分。

無線接入網部分：

? 增加TD-SCDMA的接入方式；

? 規定了直放站的使用，用于擴大建筑物、隧道、高速公路上的覆蓋；

? 增強無線接入承載（RAB）的功能，支持VoIP包頭壓縮。

核心網部分：

? 電路域采用了承載與控制分離的思想，將MSC的功能分解為MSC服務器和MGW；

? 提出了TrFO技術，在移動呼叫移動時直接將AMR話音在網絡中傳輸；

? 采用了新的信令技術，如BICC、SIP-T和H.248；

? 核心網內的No.7信令的傳輸方式增加了基于ATM和IP的傳輸；

? 業務方面進行完善，包括OSA、LCS以及MExE改進完善。

R4 版本最主要的特點是在電路域引入了軟交換的概念，采用控制和承載分離的網絡結構，其中MSC Server是軟交換控制器，MGW是承載設備，網絡結構如圖1-3所示。

R4中的主要接口包括Iu-CS接口、Mc、Nb和Nc接口，Iu-CS接口是RNC和MSC Server和MGW之間的接口，RNC和MSC Server之間的接口為信令接口，應用協議是RANAP，RNC和MGW之間的接口是承載接口，用于傳送用戶數據。Nc接口是MSC Server之間的接口，使用BICC協議。Nb接口是MGW之間的接口，如果采用IP承載，二者之間的協議是IPBCP；如果采用ATM承載，二者之間的協議是Q.2630。Mc接口是MSC Server和MGW之間的接口，采用擴展的H.248協議。

MSC Server是軟交換控制器，負責所有控制相關的功能，處理RANAP、MAP、BICC、H.248信令，具體功能包括如下方面：

1）基本呼叫處理功能，包括呼叫建立和釋放相關的信令處理功能；

2）移動性管理功能，包括登記、切換、尋呼等移動性管理功能；

3）鑒權和用戶數據管理功能，主要指配合 AUC完成鑒權和對VLR中各種用戶數據進行管理；

4）互通功能，主要指與其他系統的信令互通，包括與 PSTN、NGN 等網絡的互通；

5）媒體網關控制功能，通過擴展是的H.248對MGW進行控制。

MGW是用戶數據的承載設備，主要功能包括：

1）語音處理功能，支持AMR編碼完成AMR語音在網絡中的傳送，支持G .711， G .729，G .723完成與PSTN和NGN的互通；

2）媒體資源的控制和管理功能，包括 TC、EC 和信號音等資源的控制和管理功能；

3）信令網關功能，作為和其他網絡的互通設備，MGW應具有信令網關功能。

與R99架構相比，R4版本引入了軟交換的分層架構，將語音和控制信令分組化，使得分組域和電路域可以承載在一個分組網絡上，實現語音、數據、信令的統一承載，可以有效地降低承載網絡的運營和維護成本。由于承載和控制的分離，使得廠家設備的集成度更高，使得呼叫控制的服務器和MGW設備可以靈活防止，提高了組網的靈活性，集中放置的呼叫控制服務器可以使業務的開展更加快捷、方便。同時，TD-SCDMA無線接口技術在3GPP R4階段被采納，但從核心網架構來看，并無影響。

與R99相比，R4版本的業務趨于實時化和多樣化，主要包括實時傳真、PS域實時業務切換、多媒體消息服務、面向分組數據服務的運營者決定的閉鎖業務、定位業務的增強、VHE概念的智能業務的增強等。

3.R5網絡結構

隨著數據業務和移動互聯網應用的增長，WCDMA 的網絡架構逐漸向著全 IP化的方向發展，3GPP R5版本的功能于2002年6月功能凍結，在R5版本中引入了IMS（IP Multimedia System），R5成為全IP的第一個版本。

R5版本接入網部分采用全IP，核心網在電路域（CS）、分組域（PS）的基礎上引入了IMS域，IMS域是在分組域基礎上的多媒體業務系統，用于提供各種實時的和非實時的會話和多媒體業務。R5中只定義了IMS域的基本功能，大量的功能在以后的版本中進行了完善。圖1-4是R5版本的電路域（CS）和分組域（PS）的網絡架構。

在R5中，用戶數據庫用HSS替代了原有的HLR，它包含了原有的HLR和AuC的功能并對其進行了擴展。HSS 存儲與網絡實體完成呼叫/會話處理相關的業務信息（用戶標識、編號和尋址信息）、用戶安全信息（鑒權、認證信息）、用戶位置信息以及用戶基本數據信息。HSS不僅僅完成電路域、分組域的用戶接入的鑒權認證，也同時完成IMS域的接入用戶的鑒權認證。

IMS域與R4電路域相比在網絡中的作用不同，IMS是在原有承載網絡的基礎上附加的網絡，用戶可以通過接入網和核心網的分組域接入IMS。IMS采用SIP協議，綜合實現話音、數據和多媒體業務，它和電路域相對獨立，并可以實現互通。因為它的接入無關性，所以承載網可以是 R4 分組域、R99 的分組域甚至是 GPRS的分組網絡。因此，IMS從功能上說更加貼近應用層而不是承載網絡。圖1-5是3GPP定義的IMS網絡的功能架構圖。

IMS 域也是控制和承載分離的方式，核心的 SIP 服務器是 CSCF，控制層面的功能實體還包括MGCF、MRFC。承載功能實體包括IMS-MGW和MRFP。R5版本主要協議是SIP協議、H.248協議、DIAMETER協議、COPS協議。SIP協議是R5中的基本協議，3GPP的SIP協議是在IETF的SIP協議的基礎上的擴展。

IMS 域的主要網元包括 CSCF、BGCF、MGCF、IMS-MGW、MRFC、MRFP 和SLF等。

CSCF是IMS的核心控制網元，按照功能可以分為P-CSCF、I-CSCF和S-CSCF， CSCF是一個SIP服務器，主要功能包括：

1）處理SIP信令，完成會話控制；

2）登記、鑒權、對話建立和管理。

BGCF是IMS與CS/PSTN的分界點，BGCF的主要功能是選擇在哪里與CS域或 PSTN 互聯，并將 SIP 信令轉至 MGCF，如果和其他運營商的網絡互通，BGCF將SIP信令轉至其他運營商的BGCF。

MGCF是IMS和CS/PSTN信令互通的設備，主要負責SIP信令與ISUP或BICC的轉換，并通過H.248協議控制IMS-MGW。

IMS-MGW是IMS和CS/PSTN承載互通的設備，它和R4中的互通MGW功能基本相同，是電路域的承載信道和分組域媒體流的終結點，它與MGCF交互進行資源控制、回聲消除和凈荷處理等。

MRFC和MRFP合作提供鈴聲，語音通知和多方話音會議等應用的媒體控制。MRFC通過H.248協議控制MRFP，MRFP控制Mb接口的承載，完成媒體分析、語音編碼轉換和將來自多方的媒體流進行混合等媒體流處理功能。

SLF與多個HSS連接，在登記和會話建立期間，接受I-CSCF和S-CSCF的查詢，獲得HSS的地址，從而找到HSS。業務由網絡側發起時，也可以接受AS的查詢，通過Sh接口獲得HSS的地址。

R5版本的主要特點是引入了IMS域，希望利用IMS來提供IP多媒體業務，R5主要提供端到端的IP多媒體業務，除了原有CAMEL和OSA業務外，新增加了基于IMS的多媒體業務，如VoIP、POC、即時消息、呈現等。在R5的IMS架構中，由于業務層、控制層和承載層完全分開，這種業務和控制完全分離的架構更有利于新業務的引入。為了解決IP地址的問題，IMS引入了IPv6。同時，引入了HSDPA技術，該技術提供高速下行分組接入，速率可達 8～10Mbit/s。接入網通過引入 IP技術實現端到端的IP化。

在3GPP 后續的R6至R7版本中，移動核心網的網絡架構沒有大的變化。

3GPP R6版本在2004年12月份凍結，在R6版本中主要的變化包括：

1）為滿足高速上行數據業務的用戶需求，R6 版本在無線接入網方面提出了HSUPA技術，通過引入E-DCH傳輸信道、自適應調制和編碼、快速混合自動重傳等技術，將上行數據峰值速率提高至5.76Mbit/s；

2）移動核心網方面，R6版本在系統構架方面沒有做大的改變，主要是對IMS技術進行了功能增強，尤其對IMS與其他系統的互操作能力進行了完善，如與外部IP多媒體網絡、與CS域之間、與WLAN網絡之間的互通等，并引入了策略控制功能（PDF）作為QoS規則控制實體；

3）在業務方面，R6版本進一步增強了業務能力：對無線信道、信令以及核心網實體都進行了修改以支持廣播多播業務（MBMS）；在IMS業務方面，對Presence、多媒體會議、Push、PoC等業務及應用進行了定義和完善。

3GPP R7版本在2007年3月凍結，R7版本在R6階段的基礎上進行了進一步的功能與性能增強。

1）無線接入網方面，主要進行了HSPA的增強與演進（HSPA+），即通過引入MIMO、高階調制（上行16QAM、下行64QAM）、連續性分組連接（CPC）、干擾刪除、L2增強、高級接收機、發射分集等高級無線傳輸技術，將HSPA+系統的峰值數據速率提高至下行42Mbit/s、上行11Mbit/s；

2）移動核心網方面，R7版本繼續對IMS技術進行了增強，提出了語音連續性（VCC）、CS域與IMS域融合業務（CSI）等重要課題，在安全性方面引入了Early IMS技術，以解決2G卡接入IMS網絡的問題。并將R6版本的PDF與流計費（FBC）相融合，提出了策略控制與計費（PCC）的新架構，完成資源接納控制和業務質量控制功能，但R7版本的PCC是一個不可商用部署的版本；

3）在業務方面，R7版本對組播業務、IMS多媒體電話、緊急呼叫等業務進行了嚴格定義，使整個系統的業務能力進一步大大豐富。

1.2.2 CDMA2000核心網技術

CDMA2000是TIA標準組織用于指代第三代CDMA的名稱。適用于3G CDMA的TIA規范稱為IS-2000，該技術本身被稱為CDMA2000。IS-95向CDMA2000的技術演進路線如圖1-6所示，其中空中接口系列標準包括CDMA2000 1x、1x EV-DO和1x EV-DV，移動核心網與無線接入網獨立向前發展。

CDMA2000 1x技術標準完全后向兼容IS-95。核心網部分增加了分組域以支持較高速率的分組數據業務；空中接口使用了前向快速功率控制、反向信道相干解調、快速尋呼、Turbo 碼等關鍵技術，目的是改善無線傳送的質量，提高頻譜效率及系統容量。CDMA2000 1x具有3G系統的部分功能，可以從IS-95進行平滑升級，兩者的商用時間之間的間隔不太長，業界有時也將CDMA2000 1x作為2.5G系統看待。

目前CDMA2000 1x已經發展出CDMA2000 Release 0、Release A、Release B、Release C和Release D等5個版本，商用較多的是Release 0版本；部分運營網絡引入了 Release A 的一些功能特性；Release B 作為中間版本被跨越；1x EV-DV （Evolution-Data Only）對應于CDMA2000 Release C和Release D。其中，Release C增加前向高速分組傳送功能；Release D 增加反向高速分組傳送功能。

1x EV-DO（Evolution-Data-Only）是一種專為高速分組數據傳送而優化設計的CDMA2000空中接口技術，已經發展出Release 0和Release A等兩個版本。其中， Release 0版本可以支持非實時、非對稱的高速分組數據業務；Release A版本可以同時支持實時、對稱的高速分組數據業務傳送。支持下行（向前鏈路）數據速率最高3.1Mbps，上行（反向鏈路）速率最高到1.8 Mbps。

1.CDMA2000 1x

CDMA2000 1x容量是IS -95A系統的兩倍，可支持144Kbps的數據傳輸；與IS-95A 相比，在無線信道類型、物理信道調制和無線分組接口功能上都有很大的增強，網絡部分則引入分組交換方式，支持移動 IP 業務，這些技術特點都是為了適應更多、更復雜的第三代業務。

CDMA2000 1x 提供反向導頻信道，從而使反向信道也可以做到相干解調，與IS-95系統反向信道所采用的非相關解調技術相比可以提高3dB增益，相應的反向鏈路容量提高1倍。CDMA2000 1x采用前向快速功率控制技術，可以進行前向快速閉環功率控制，與IS-95系統前向信道只能進行較慢速的功率控制相比，大大提高了前向信道的容量，并且減少基站的耗電。CDMA2000 1x引入了快速尋呼信道，極大地減少了移動臺的電源消耗，提高了移動臺的待機時間。支持CDMA2000 1x的移動臺待機時間是IS-95移動臺待機時間的5倍以上。CDMA2000 1x前向信道還可以采用分集發射（OTD 和 STS），提高信道的抗衰落能力，改善前向信道的信號質量。CDMA2000 1x前向信道采用了發射分集技術和前向快速功控后，前向信道的容量約為IS-95A系統的2倍。CDMA2000 1x業務信道可以采用Turbo碼，因為信道編碼采用Turbo碼時比采用卷積碼時有2dB的增益，因此CDMA2000 1x系統的容量還能提高到未采用Turbo碼時的1.6倍。CDMA2000 1x還定義了新的接入方式，可以減少呼叫建立時間，并減少移動臺在接入過程中對其他用戶的干擾。

對于CDMA2000 1x的分組業務，系統除了建立前向和反向基本業務信道之外，還需要建立相應的輔助碼分信道。如果前向鏈路需要很多的分組數據傳輸量，基站通過發送輔助信道指配消息建立相應的前向輔助碼分信道，使數據在消息指定的時間段內通過前向輔助碼分信道發送給移動臺。如果反向鏈路需要很多的分組數據傳輸量，移動臺通過發送輔助信道請求消息與基站建立相應的反向輔助碼分信道，使數據在消息指定的時間段內通過反向輔助碼分信道發送給基站?？梢钥闯觯o助信道的設立使CDMA2000 1x能更靈活地支持分組業務。

CDMA2000 1x可以提供 144Kbps速率的數據業務，而且增加了輔助碼分信道等，可以對一個用戶同時承載多個數據流和多種業務，所以CDMA2000 1x提供的業務比IS-95有很大的提高，為支持各種多媒體分組業務打下了基礎。CDMA2000 1x網絡架構圖如圖1-7所示。

CDMA2000 1x 網絡包括電路域和分組域。電路域主要用來承載話音和短信業務。主要包括MSC（VLR）和HLR（AuC）等設備。移動交換中心（MSC）負責提供對所管轄區域的移動終端進行呼叫控制、移動性管理、電路交換等功能。拜訪位置寄存器（VLR）存儲與呼叫處理有關數據的數據庫，用于完成呼叫接續。歸屬位置寄存器（HLR）負責管理移動用戶信息的數據庫，包括用戶識別信息、簽約業務信息以及用戶的當前位置信息。鑒權中心（AuC）產生鑒權參數并對用戶進行認證鑒權，一般AuC和HLR合設。

分組域架構包括簡單IP的網絡架構和移動IP的網絡架構。當使用簡單IP時，核心網分組域主要包含PDSN及AAA等功能實體；當使用移動IP時，核心網分組域還應增加外地代理（Foreign Agent，FA）和歸屬代理（Home Agent，HA）等功能實體。

核心網分組域的邏輯實體主要包括PDSN與AAA。AAA可以分為三類：歸屬地AAA（Home AAA，HAAA）、拜訪地AAA（Visited AAA，VAAA）及代理AAA （Broker AAA，BAAA）。核心網分組域通過A10/A11接口或R-P接口與RAN進行通信。核心網主要用于提供AT接入到因特網。為了接入到因特網，AT必須獲得一個IP地址。核心網分組域提供兩種接入方法：簡單IP接入和移動IP接入。兩者之間的主要區別是AT獲得IP地址及其數據分組路由轉發的方法不同。采用簡單IP接入時，接入業務提供者（Access Service Provider，ASP）在事先設定的網絡域中為AT統一分配IP地址。如果AT離開該網絡域，則在新的網絡域中必須重新分配IP地址，才能進行分組數據會話。其中，P-P 是相鄰 PDSN 之間的接口；Pi 是 PCN與因特網之間的接口。

當采用移動IP接入時，AT在全網保持固定的IP地址，由歸屬網絡而非ASP為其分配IP地址。在移動IP情況下，核心網的架構參考模型如圖1-8所示。其中， FA和HA分別執行外部代理和歸屬代理的功能；FA功能可以由拜訪地PDSN提供。

PDSN 作為網絡接入服務器（Network Access Server，NAS），主要完成三方面的功能：負責建立、維持和釋放與AT之間的PPP連接；負責完成移動IP接入時的代理注冊；轉發來自 AT 或因特網的業務數據。在采用簡單 IP 接入時，PDSN 作為NAS使用，負責為AT分配IP地址。在采用移動IP接入時，HA為AT分配IP地址， PDSN作為FA使用，負責實現HA-IP與FA的轉交地址（Care of Address，CoA）之間的綁定。

FA 的主要功能是在移動 IP 接入時，提供移動 IP 的注冊、FA-HA 反向隧道（Reverse Tunneling）的協商以及數據分組的轉發等。

HA提供用戶漫游時的IP地址分配、路由選擇和數據加密等功能，負責將分組數據通過隧道技術發送給移動用戶，并實現PDSN之間的宏移動（Macro Mobility）管理。

AAA負責管理分組網用戶的權限、開通的業務、認證信息、計費數據等內容。由于AAA采用的主要協議是RADIUS，故AAA也常被稱為RADIUS服務器。

2.1x EV-DO網絡架構

1x EV-DO系統的基本設計思想是將高速分組數據業務與低速語音及數據業務分離開來，利用單獨載波提供高速分組數據業務，而傳統的語音業務和中低速分組數據業務由CDMA2000 1x系統提供，這樣可以獲得更高的頻譜利用效率，網絡設計也比較靈活。同時充分考慮到1x EV-DO系統與CDMA2000 1x系統的兼容性，并利用CDMA2000 1x/1x EV-DO雙模終端或混合終端（Hybrid Access Terminal）的互操作，來實現低速語音業務與高速分組數據業務的共同服務。

從網絡結構上看，1x EV-DO與CDMA2000 1x基本一致，兩者的主要差異在于1x EV-DO作為數據業務專用網絡，不支持電路型語音業務，因而不存在電路核心網。從接口協議上看，1x EV-DO 定義了新的Um 接口協議，其A接口功能及其通信協議與CDMA2000 1x大致相似；其核心網內部接口協議及其與外部IP網絡之間的接口協議與CDMA2000 1x基本一致，均遵從CDMA2000無線IP網絡標準中的有關規定。

1x EV-DO RevA版本能夠在1.25MHz的單載頻上提供3.1Mbps的前向峰值速率和1.8Mbps的反向峰值速率，能適用有突發性大數據量需求的應用場合。EVDO Rev A 對 IP 協議提供了有力的支持，能夠方便用戶在任何時間、任何地點接入Internet。

1.3 LTE核心網簡介

迫于WiMAX等移動通信技術的競爭壓力，為繼續保證3GPP系統在未來10年內的競爭優勢，3GPP標準組織在R8階段正式啟動了長期演進（LTE）與系統架構演進（SAE）兩大重要項目的標準制定工作。

LTE（Long Term Evolution）是3G與4G之間的過渡技術，是3.9G標準或者準4G標準，在LTE網絡技術中，取消了無線網絡控制器（RNC），采用扁平網絡結構。在 20MHz 頻譜帶寬下能夠提供下行 100Mbit/s 與上行 50Mbit/s 的峰值速率。3GPP制定LTE標準的目標是希望新的技術具有更高的數據速率、更低的延時、改進的系統容量和覆蓋范圍以及較低的成本。在3GPP TR25.913中對LTE系統的需求指標設計如下：

1.峰值數據速率。在最大20MHz下，下行峰值速率達到100Mbit/s，上行峰值速率達到50Mbit/s；

2.提高頻譜效率；

3.減少控制平面時延，UE從待機狀態到開始傳輸數據時延不超過100ms（不包括下行尋呼時延）；

4.用戶吞吐量。下行每兆赫茲用戶吞吐量為R6 HSDPA的3～4倍，上行頻譜效率為R6 HSUPA的2～3倍。

為了實現上述的指標，除了要考慮空中接口的技術之外，還要考慮網絡體系架構的改進。其主要目標就是要期望實現更高的數據速率、更低的時延。

LTE網絡架構的主要需求是：

1.基于單一的分組的E-UTRAN的網絡架構；

2.基于分組業務的網絡架構，支持實時以及會話類業務；

3.盡可能不通過增加額外的回程開銷，最小化“單點失敗”出現的機會；

4.盡可能簡化和最小化引入的接口的數量；

5.如果需要提高系統性能，不排除無線網絡（RNL）與傳輸網絡層之間的交互；6.支持端到端QoS，傳輸網絡層向無線網絡層提供適當的QoS；

7.QoS機制需要考慮存在的多種業務類型，保證有效的帶寬使用率；

8.最小化時延抖動。

基于以上需求，LTE 網絡架構采用了扁平化、IP 化的網絡架構，無線側的E-UTRAN用E-NodeB替代了原有的RNC-NodeB結構，各網絡節點之間的接口使用IP傳輸，原UTRAN的CS域業務均可由LTE網絡的PS域承載，通過IMS系統提供語音及多媒體業務。LTE的核心網定義為EPC（Evolved Packet Core），即演進的分組核心網。作為與 LTE 同步發展的技術，EPC 架構更加符合未來移動通信網絡發展的需求，采用了承載和控制分離的網絡架構，能夠進一步提供網絡性能的同時，滿足用戶日益增加的業務需求。EPC核心網架構的特征包括：

1.控制面與用戶面完全分離，網絡趨向于更加扁平化。

EPC網絡控制面與用戶面的分離以及用戶面的扁平化的趨勢，也是應對網絡流量激增的必然選擇。從UMTS特別是HSPA部署后，單用戶的數據流量和高速接入用戶數的雙邊增長，導致了移動網絡的數據流量達到了 GSM 時代的十倍甚至百倍以上。用戶面的吞吐能力逐漸成為移動分組網絡設備 SGSN、GGSN 的主要瓶頸，同時也導致分組核心網的投資飛速增長。EPC對分組核心網進行控制面與用戶面分離，用戶面的網關設備主要包括 P-GW 和 S-GW；負責信令面處理的功能從原來3G網絡架構的SGSN節點中分離出來，形成一個新的功能實體MME。這使得分組核心網只要對網關節點提供用戶面處理，不僅大大節省了其他網絡節點如SGSN/MME 的用戶面投資以及承載網的投資的快速增長，同時優化了用戶面的性能。

2.支持3GPP與非3GPP（如Wi-Fi、Wimax、CDMA等）多種接入方式，并支持用戶在3GPP網絡和非3GPP網絡之間的漫游和切換。

EPC網絡實現了核心網的融合，支持各種3GPP接入方式和non-3GPP網絡的共接入，并支持多模終端用戶的無縫移動性。LTE的引入和移動運營商全業務運營的發展趨勢，使得單個運營商開始面對運營多種制式網絡。支持多種網絡共接入的EPC網絡，實現核心網的融合，使得網絡結構更加簡單，降低了網絡運營成本。同時EPC網絡支持各種接入方式之間的無縫移動性，提高LTE用戶在LTE部署初期局部覆蓋時的使用感受。

3.核心網中不再有電路域，EPC成為移動電信業務的基本承載網絡。

在 EPC 網絡中，只定義了分組域的網絡架構，不再有電路域；語音、短信等電路域業務可以基于IMS的VoLTE的分組架構承載，也可以采用CSFB等方案仍使用電路域來承載語音和短信等業務。由于 EPC 網絡中不再有電路域，LTE 的語音解決方案也成為運營商部署LTE網絡時研究的重點問題。

綜上所述，LTE網絡結構較UMTS而言進行了大幅度的簡化，LTE/EPC網絡架構如圖1-9所示。EPC核心網的主要網元包括MME、P-GW、S-GW、HSS、PCRF等，EUTRAN的無線側接入設備主要是eNodeB。

移動性管理實體（MME：Mobility Management Entity）：主要功能是處理NAS信令及接入安全驗證，跟蹤區域（Tracking Area）列表的管理，移動性管理，會話管理（對EPS承載的激活、修改和釋放，以及接入網側承載的釋放和建立），PGW和Serving GW的選擇，跨MME切換時對于MME的選擇，鑒權，漫游控制及IP地址分配，以及UE在ECM-IDLE狀態下可達性管理（包括尋呼重發的控制和執行）。

服務網關（S-GW：Serving Gateway）：是面向eNodeB終結S1-U接口的網關。S-GW對基于GTP的S5/S8接口可以提供的主要功能有當eNodeB間切換時作為本地錨定點并協助完成eNodeB的重排序功能，合法監聽以及數據包的路由和前轉，根據每個UE，PDN和QCI的上行鏈路和下行鏈路的相關計費等。

PDN網關（P-GW：PDN Gateway）：是面向PDN終結于SGi接口的網關。如果UE訪問多個PDN，UE將對應一個或多個PDN GW。PDN-GW對基于GTP的S5/S8提供的主要功能有基于用戶的包過濾，合法監聽，UE的IP地址分配，在上行鏈路中進行數據包傳送級標記，上下行服務等級計費以及服務水平門限的控制，和基于業務的上下行速率的控制。同時PDN GW還提供僅基于GTP的S5/S8接口的主要功能有上下行鏈路承載綁定，上行鏈路綁定校驗等。

歸屬簽約用戶服務器（HSS：Home Subscriber Server）：是用于存儲用戶EPC簽約信息的數據庫，歸屬網絡中可以包含一個或多個HSS。HSS負責保存跟用戶相關的信息，例如用戶標識、編號和路由信息，安全信息，位置信息，輪廓信息等。HSS同時還負責與不同域和子系統中的呼叫控制和會話管理實體進行聯系。

策略和計費規則服務器（PCRF：Policy and Charging Rule Function）：該功能實體包含策略控制決策和基于流計費控制的功能，向PCEF提供關于業務數據流檢測、門控、基于QoS和基于流計費（除信用控制外）的網絡控制功能。

演進型的Node B（eNodeB：Evolved Node B）：是LTE系統的無線接入設備，主要完成無線接入功能，具體包括空口資源管理功能，用戶數據的 IP 頭壓縮和加密功能，默認MME選擇功能，用戶面數據到核心網的路由功能，尋呼消息的調度和發送功能（MME發起），廣播信息的調度和發送功能（MME或O&M發起），測量與用于移動和調度的測量報告配置功能，公共預警消息的調度和發送功能（MME發起）。

3GPP R8版本在2009年3月份凍結，R8版本重點針對LTE/SAE網絡的系統架構、無線傳輸關鍵技術、接口協議與功能、基本消息流程、系統安全等方面進行了細致的研究和標準化。R8版本是LTE/SAE技術標準的第一個版本。

在完成 LTE/SAE 網絡技術規范制定的同時，R8 階段還進行了一系列技術標準的增強和完善工作。

（1）HSPA+增強與演進：包括對FDD HSDPA的64QAM與MIMO的合并使用、增強型服務小區改變（E-CC）、CS over HSPA、雙載波HSDPA、上行L2增強、增強型上行CELLFACH、語音呼叫連續性（VCC）等項目的研究。

（2）家庭基站技術：為解決3G系統的室內覆蓋難題，增強室內用戶的數據傳輸能力，R8 階段專門針對 3G 家庭基站（HomeNodeB）及演進型家庭基站（Home eNodeB）進行了研究。

（3）IMS技術的增強：主要包括IMS中心化業務（ICS）、單射頻語音呼叫連續性（SR-VCC）、多媒體業務連續性（MMSC）和IMS接入企業網等課題的研究。

另外，R8階段還提出了Common IMS課題，即重點解決3GPP與3GPP2、TISPAN等幾個標準化組織之間IMS技術的融合與統一。

3GPP R9版本在2010年3月份凍結，與R8版本相比，R9版本是一個小版本，主要是對R8版本的功能進行了增強，增強的功能具體如下：定義了EPS系統對緊急呼叫的支持、增強型MBMS（E-MBMS）、基于控制面的定位業務，以及LTE與WiMAX系統之間的移動性支持。另外，R9版本還將開展一些新課題的研究與標準化工作，包括：公共告警系統（Public Warning System，PWS）、業務管理與遷移（Service Alignment and Migration，SAM）、個性化回鈴音（CRS）、多PDN接入及IP流的移動性、Home(e)NodeB安全性，以及LTE技術的進一步演進與增強（LTE Advanced）等技術的研究。

3GPP R10版本在2011年3月份凍結，R10版本定義了LTE-A（LTE Advanced）技術，R10是R8的增強版本，并且向下兼容R8。R10版本的理論峰值速率分別達到了下行1Gbit/s，上行500Mbit/s 的水平，因此被稱為LTE-Advanced/LTE-A，也就是所謂4G技術。

在R10版本中，為了滿足更高的性能指標，在無線側引入了一系列的關鍵技術，載波聚合（CA）、上下行多天線（MIMO）增強、多點協作傳輸（CoMP）、中繼（relay）、異構網絡等關鍵技術。

在移動核心網方面，主要對 PCC 進行了增強、網絡發現與選擇功能的增強（eANDSF）、對 CSFB 進行了增強（eCSFB），并且引入了統一用戶數據庫（UDC）和統一APN支持多PDN連接（MUSAP）等技術。

3GPP R11版本在2012年7月份凍結，并啟動了R12版本的制定工作。R11中在移動核心網方面主要定義了基于DPI的PCC技術的增強、定義了WLAN通過固定網絡接入時與移動網絡接入使用PCC的網絡架構和流程、機器通信對LTE的架構的增強以及WLAN接入EPC的架構等。

目前，R12版本已經啟動了研究，R12版本將重點研究基于機器通信的增強、PCC 支持固網寬帶接入網絡、運營商與外部應用提供者的互通（MOSAP），WLAN的網絡選擇、WLAN分流、移動核心網的過載解決方案、IP流的移動性等技術。

1.4 移動核心網的技術發展趨勢

移動核心網是移動通信業務的接入、承載和業務提供網絡。經過從第一代移動通信技術向第四代移動通信技術的發展，移動核心網從開始只有電路域，只具備提供語音、短信的窄帶業務能力，向著支持分組域和多媒體域，提供高速的移動寬帶接入和豐富的多媒體業務的方向發展。移動核心網技術的發展也已經全面進入“IP”時代，“IP化、融合化、寬帶化、多媒體化”的發展趨勢已經成為移動核心網技術發展的主要特征。從電路域看，移動軟交換已經全面替代了 TDM 交換技術，向 IP化演進；從分組域來看，寬帶的EPC架構成為4G時代融合的核心架構；以IMS為核心的多媒體域，也將在4G時代成為提供語音和多媒體業務的重要實體。在4G網絡時代，GSM和CDMA兩大陣營的移動核心網的架構將向著IMS+EPC的架構演進。

1.電路域向著軟交換的架構演進

從技術標準上，3GPP在WCDMA的R4版本引入了軟交換技術，實現了承載與控制分離以及語音的 IP 化承載，軟交換的技術已經十分成熟。從運營商的網絡部署來看，移動 TDM 交換機面臨著容量小、節點數量多、部分設備老化、位置分散、運維成本高等問題，從 2007 年開始，全球主流的運營商都啟動移動核心網的IP化戰略，用軟交換系統替代原有的TDM交換機。目前，軟交換的網絡架構已經成為全球運營商電路域采用的主要技術架構。

2.分組域向著統一的EPC融合架構演進

隨著無線寬帶技術的發展，移動寬帶業務呈現爆發式的增長。據統計，全球TOP 30的運營商的網絡流量從2008年到2010年增長了4.7倍，預計未來隨著移動寬帶和智能終端的普及，還將呈爆炸式的增長。

從技術標準上，R8版本提出了融合2G/3G/4G/WLAN的統一EPC核心網架構， EPC架構不僅能夠支持 3GPP的 UMTS/LTE的接入方式，而且還能支持 CDMA和WLAN、Wimax等非3GPP接入的移動核心網，因此EPC架構成為未來支持異構網絡融合的移動核心網架構。EPC中定義的PCC架構將支持靈活的計費和策略控制，能夠對分組域的業務實施監控和靈活的QoS調度，實現運營商的管道從“啞管道”向著“智能管道”的演進。

3.IMS成為固定、移動融合的控制網絡

3GPP將IMS定義為未來的核心控制架構，3GPP是研究common IMS的主要組織，TISPAN、3GPP2等組織都將IMS統一到3GPP進行研究，因此3GPP定義的IMS是支持固定、移動綜合接入的融合架構。運營商希望用IMS提供更多的多媒體業務，但是隨著移動互聯網的快速發展，IMS所定義的多媒體業務都被移動互聯網的提供商紛紛替代，如IMS定義了呈現和及時消息業務，但用戶更青睞于QQ、微信、MSN和Skype。IMS目前的主要應用是在固網，主要向固網運營商提供VOBB業務，如法國電信部署IMS系統，對家庭網關用戶VOBB業務，向企業用戶提供ICT等業務。目前，隨著LTE的規模部署，IMS已經開始向移動用戶提供語音和RCS業務。2012年11月，韓國的LGU+運營商，在他的LTE覆蓋區內，向用戶提供基于IMS的VOLTE業務，并提供高清語音（HD Voice）的服務。Verizon、NTT DOCOMO等運營商也在積極準備在LTE廣覆蓋后向用戶提供基于IMS的VOLTE業務。因此，在LTE階段，IMS將成為為固定、移動提供語音和多媒體業務的融合控制網絡。

4.IMS+EPC將成為未來移動核心網的核心架構

在LTE階段，并未定義電路域網絡，隨著移動寬帶的發展，電路域提供的語音、短信等業務必將被分組域的 IP 語音和多媒體業務所替代，因此未來移動核心網的網絡架構將主要是EPC+IMS的網絡架構。EPC網絡成為2G/3G/4G/WLAN等異構網絡的統一接入的移動核心網，IMS將為用戶提供語音和多媒體業務。