3G UMTS与4G LTE核心网(一):移动核心网基础

移动核心网基础

  • 1 移动核心网技术发展历程
    • 1.1 第一代移动通信系统:模拟制式的蜂窝移动通信系统
    • 1.2 第二代移动通信系统:数字移动通信系统(又称窄带数字通信系统)
    • 1.3 第三代移动通信系统:IMT-2000(International Mobile Telecommunication-2000)
    • 1.4 第四代移动通信系统:IMT-Advance(International Mobile Telecommunication-Advance)
  • 2 移动核心网网络结构
    • 2.1 2G GSM网络
    • 2.2 2.5G GPRS网络
    • 2.3 3G UMTS核心网
    • 2.4 4G LTE核心网
  • 参考文献

1 移动核心网技术发展历程

3G UMTS与4G LTE核心网(一):移动核心网基础_第1张图片

1.1 第一代移动通信系统:模拟制式的蜂窝移动通信系统

  • 概述
    • 固定电话向移动通信的转变,解决移动问题
    • 模拟制式语音业务
  • 典型代表
    • 美国的AMPS系统(先进移动电话系统)和后来改进型系统TACS(总接入通信系统)等
  • 主要特点
    • 频分复用(FDMA)模拟制式,语音信号为模拟调制
    • 蜂窝网,即小区制
  • 优缺点
    • 优点:由于实现频分复用,大大提高了系统容量
    • 缺点:频谱利用效率低;业务种类有限;无高速数据业务;保密性差,易被窃听和盗号;设备成本高;体积大,重量大等

1.2 第二代移动通信系统:数字移动通信系统(又称窄带数字通信系统)

  • 概述
    • 模拟转为数字
    • 数字制式语音业务,低速数据业务,100Kbps~200Kbps
    • 编码技术,提高系统容量
  • 典型代表:GSM和IS-95
    • GSM:Global System for Mobile Communications,全球移动通信系统
  • 主要特点
    • 我国主要的两大GSM系统为GSM 900及GSM 1800,采用不同的频率
    • GSM采用FDD双工模式和TDMA多址方式,每个载频支持8个信道,信号带宽20kHz
    • 以传输语音和低速数据业务为目的,因此又称窄带数字通信系统
  • 1996年开始,为了解决中速数据传输问题,又出现了2.5代的移动通信系统,如GPRS和IS-95B

1.3 第三代移动通信系统:IMT-2000(International Mobile Telecommunication-2000)

  • 概述
    • 移动多媒体业务,2Mbps~50Mbps
  • 主要特点
    • 系统工作在2000MHz频段,最高业务速率可达2000 kbps
    • 无线接入技术以WCDMA技术为主,主要体制有WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA

1.4 第四代移动通信系统:IMT-Advance(International Mobile Telecommunication-Advance)

LTE/LTE-Advanced/WiMAX/WirelessMAN-Advanced/HSPA+,5种标准中,LTE发展最热,是3GPP提出的演进标准。

  • 概述
    • 移动宽带,100Mbps~1Gbps
    • 无线上网速率追上固定宽带速率
    • 支持高清视频、高清语音
    • 网络全IP化,支持更多的业务
  • 主要特点(LTE)
    • 在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbps和上行50Mbps的峰值速率
    • 空中接口技术采用OFDM和MIMO技术
    • 定义了LTE FDD和LTE TDD两种方式,二者的区别在于无线接入部分,空中接口标准不一致

2 移动核心网网络结构

2.1 2G GSM网络

GSM (Global System for Mobile Communications) 意为全球移动通信系统,其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准,让用户使用一部手机就能行遍全球。图2-1为GSM网络架构,由四部分组成。

  1. 移动台(Mobile Station, MS)
    1)用户端终止无线信道的设备,通过无线空中接口Um给用户提供接入网络业务的能力
    2)由两部分组成:移动设备(Mobile Equipment, ME)和用户识别模块(Subscriber Identity Module, SIM)
  2. 基站系统(Base Station System, BSS)
    1)提供移动台与移动交换中心之间的链路
    2)由三部分组成:基站控制器(Base Station Controller, BSC)、基站收发台(Base Transceiver Station, BTS)和编码器(Transcoder, XCDR)
  3. 网络交换系统(Network Switching System, NSS)
    1)具有GSM网络的主要交换功能,还具有用户数据和移动管理所需的数据库
    2)由移动业务交换中心(MSC)、访问位置寄存器(VLR)、归属位置寄存器(HLR)、鉴权中心(AUC)、移动设备识别寄存器(EIR)、互通功能软件(IWF)和回声消除器(EC)等组成
  4. 操作维护系统(Operations and Maintenance System, OMS)
    1)OMS提供在远程管理和维护GSM网络的能力
    2)由两部分组成:网络管理中心(Network Management Center, NMC)和操作维护中心(Operations and Maintenance Center, OMC)

3G UMTS与4G LTE核心网(一):移动核心网基础_第2张图片

2.2 2.5G GPRS网络

GPRS (General Packet Radio Service)是通用分组无线业务的简称,能提供比现有GSM网9.6kbps更高的数据速率。GPRS所能提供的数据速率最大为 171.2 kbps (理论值)。图2-2为GPRS网络结构,在GSM系统的基础上,GPRS在无限部分和数据部分都新引入了网络单元。

  1. 移动台(Mobile Station, MS)
    GPRS的移动台在GSM的基础上添加了一些新的功能。GPRS手机按Class划分
  2. BSS系统中的PCU(Packet Control Unit,分组控制单元)
    PCU与BSC协同工作,提供无线数据的处理功能
  3. GPRS核心网
    1)GPRS 核心网组件包括 GPRS 服务节点 (Serving GPRS Support Node, SGSN)、 GPRS网关节点 (Gateway Support Node, GGSN) 和边界网关 (Border Gateway, BG)。 SGSN 和 GGSN 一起为移动用户提供可靠、安全的数据通道
    2)SGSN相当于GSM 中的MSC, 在 GPRS 服务区内对 MS 进行探测和追踪
    3)GGSN 实现 GPRS 网络与外网的连接,拆封外部数据网信息包到相应的数据网络
    4)BG(Border Gateway)是运营商的分组域核心网之间互连的关口,通过BG 实现运营商之间Gp接口的互通。BG可以做一定的路由和安全策略控制,保障运营商分组域核心网的安全。
  4. 计费网关(Charging GateWay, CG)

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2.3 3G UMTS核心网

UMTS(Universal Mobile Telecommunications System, 通用移动通信系统)采用WCDMA空中接口技术,使得频率利用率大大提高,同时调制技术的改善(QPSK),使得UMTS 系统抗干扰的能力加强,UMTS 支持的传输速率高(384 kbps), 可提供丰富的增值服务。UMTS系统可在2.5G网络基础上平滑过渡, 即只需增加无线部分, 而核心网部分基本不变。图2-3为UMTS R99网络结构,可分为三部分:用户终端、无线接入和核心网。

  1. 用户设备(User Equipment)
    由移动设备(Mobile Equipment,ME)和用户识别模块(User Service Identity Module, USIM)组成
  2. UMTS陆地无线接入网(UMTS Terrestrial Radio Access Network,UTRAN)
    1)一个UTRAN由几个无线网络系统(Radio Network System, RNS)组成
    2)每个RNS由一个无线网络控制器(Radio Network Controller, RNC)和它下面所带的多个Node
    B组成
  3. 核心网(Core Network,CN)
    从辑上可分成核心网-电路域(Core Network-Circuit Switched, CN-CS),核心网-分组域(Core Network-Packet Switched,CN-PS),以及两者共有部分。
    1)CN-CS域:可以基于2G的MSC平台演进而成,提供电路型业务的连接,支持多速率AMR语音视频业务
    2)CN-PS域:可以基于2.5G的GPRS平台演进而成,提供分组型业务的连接,支持FTP、WWW、VOD、NetTv和Netmeeting等业务
    3)两者共有部分:HLR/AuC,SMS SC(短信中心)和SCP(移动智能网业务控制点)等。
    3G UMTS与4G LTE核心网(一):移动核心网基础_第4张图片

图2-4为UMTSR4网络结构。

  1. R4在CS域改进:呼叫控制与承载层分离,语音与信令实现分组化。MSC Server处理信令,MGW处理语音和数据业务,MSC Server采用H.248协议(MEGACO协议)对MGW进行控制
  2. UMTS R99到UMTS R4电路域实现了从电路交换到软交换的过渡。电路域核心网由“MSC Server+MGW(媒体网关)+SG(信令网关)”组成,核心网内部可以实现分组交换,称为软交换,如图2-5所示
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UMTS R5/R6/R7网络结构在此处未详细描述。

2.4 4G LTE核心网

LTE(Long Term Evolution,长期演进)项目是UMTS的演进,从3GPP R8开始,R9和R10进一步研究和标准化。LTE在空中接口方面用频分多址(OFDM/FDMA)替代了UMTS使用的码分多址(CDMA),并采用MIMO技术和自适应技术提高数据速率和系统性能。

  1. LTE网络由E-UTRAN(Evolued UTRAN)和EPC(Evolued Packet Core)组成,又称为EPS(Evolued Packet System)
  2. E-UTRAN由多个eNodeB组成,eNodeB间存在X2接口
  3. EPC由MME、SGW、PGW和PCRF 组成,EPC与E-UTRAN间使用S1接口
  4. HSS可以作为一个共有的数据中心数据库设备,服务于LTE核心网、UMTS核心网和IMS应用网络

图2-6为LTE网络与UMTS网络。对比UMTS网络

  1. EPC
    1) LTC核心网不再有电路域CS部分,只有分组域EPC,只提供分组业务,对语音业务的实现,LTE可以通过IMS系统实现VoIP业务
    2)EPC中,MME和SGW一起实现了SGSN功能,PGW实现了GGSN功能
    3)EPC实现了控制面与用户面分离,MME实现控制面功能,SGW实现用户面功能
  2. E-UTRAN
    1)E-UTRAN中不再有3G中的RNC网元,RNC功能分别由eNodeB、核心网MME及SGW等实体实现
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参考文献

[1] 3G UMTS与4G LTE核心网——CS,PS,EPC,IMS

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