第三代移动通信网络结构和特点分析

马国瀚，李宏民

(黄河水利职业技术学院,河南 开封 475004)

0 引言

随着移动通信技术的迅猛发展，人们对移动通信高速数据业务和多媒体业务的需求日益增长。 第二代移动通信（全球移动通信系统GSM）固有的局限性促使了第三代移动通信（3rd-generation，简称3G）的出现。 通用移动通信系统，（Universal Mobile Telecommunications System，简称UMTS）是国际标准化组织制定的全球3G 标准之一。 作为第三代移动通信系统网络的宽带码分多址 （Wideband Code Division Multiple Access，简称WCDMA）主要由以诺基亚、索尼-爱立信为代表的欧洲通信厂商提出。欧洲在GSM 通信技术和全球市场上占尽先机，并期望能够在第三代移动通信技术领域依然保持世界领先地位。

1 UMTS 无线网结构

UMTS 通常包括三部分，分别是核心网（Core Network，简称CN）、通用地面无线接入网（Universal Terrestrial Radio Access Network，简称UERAN）、外部网络（External Networks，简称EN）和用户终端设备（User Equipment，简称UE）。

1.1 核心网(CN)

UMTS 核心网（CN）是建立在GSM 核心网基础上的，使用了与GSM/GPRS 定义相同的核心网功能结构，能向下兼容GSM/GPRS，并对于GSM/GPRS 定义的核心网做了适当的加强。 第二代移动通信系统已成功地使话音业务无线化，现在第三代移动通信系统就是使一系列新的数据业务无线化[2]。 GSM 主要开展诸如话音、短消息（SMS）、WAP 和电子邮件等电路交换业务。核心网（CN）主要负责与其他网络的连接和对UE 的通信与管理，从逻辑上可划分为电路域（CS 域）、分组域（PS 域）和广播域（BC 域）。

3GPP 组织制订的WCDMA 系统考虑了移动通信技术和业务运营的当下需求及未来发展，分别制订了R99、R4、R5 等不同版本的规范[3]。

1.1.1 R99 版网络结构

WCDMA 网络主要是基于R99 这个版本，它的最大特征在于其网络结构继承了GSM/GPRS 核心网结构。 而与GSM 不同的是，它在无线接入部分引入了全新的无线接口Iu 接口，并采用了分组化传输方式，这是一种更有利于实现高速移动数据业务的传输方式。 核心网络中的主要功能实体如下：

（1）MSC。MSC 是WCDMA 核心网CS 域的功能节点。 它是电路域特有的设备，用于连接无线系统（包括BSS、RNS）和固定网。 MSC 具备电路型呼叫的所有功能，如控制呼叫接续、管理MS 在本网络内或与其他网络（如PSTN/ISDN/PSPDN、其他移动网等）的通信业务,并提供计费信息。 （2）VLR。 VLR 是电路域特有的设备，存储着进入该控制区域内已登记用户的相关信息，为移动用户提供呼叫接续的必要数据。（3）GMSC。GMSC 是WCDMA 移动网CS 域与外部网络之间的网关节点，是一个可选的功能节点。 它通过PSTN/ISDN 接口与外部网络（PSTN、ISDN 或其他PLMN）相连,通过C 接口与HLR 相连,通过CAP 接口与SCP 相连。 它的主要功能是完成VMSC 功能中的呼入呼叫路由及进行固定网等外部网络的网间结算。（4）SGSN。SGSN（服务于GPRS 的支持节点）是WCDMA 核心网PS 域的功能节点。 它通过Iu-PS 接口与UTRAN 相连，通过Gn/Gp 接口与GGSN 相连，通过Gr 接口与HLR/AUC 相连，通过Gs接口与MSC/VLR 相连，通过CAP 接口与SCP 相连，通过Gd 接口与SMC 相连，通过Ga 接口与CG 相连，通过Gn/Gp 接口与SGSN 相连。 SGSN 的主要功能是提供PS 域的路由转发、移动性管理、会话管理、鉴权和加密等功能。（5）GGSN。GGSN（网关GPRS 支持节点）是WCDMA 核心网PS 域的功能节点。 它通过Gn/Gp 接口与SGSN 相连,通过Gi 接口与外部数据 网 络 （Internet） 相 连。 GGSN 提 供 数 据 包 在WCDMA 移动网和外部数据网之间的路由和封装服务。（6）HLR。HLR（归属位置寄存器）是WCDMA 核心网CS 域和PS 域共有的功能节点。它通过C 接口与MSC/VLR 或GMSC 相连, 通过Gr 接口与SGSN相连,通过Gc 接口与GGSN 相连。 HLR 的主要功能是提供用户的签约信息存放、新业务支持、增强的鉴权等功能。 （7）AuC（鉴权中心）。 AuC 为CS 域和PS 域共用的设备，是存储用户鉴权算法和加密钥的实体。 AuC 将鉴权和加密数据通过HLR 发往VLR、MSC 以及SGSN，以保证通信的合法和安全。每个AuC均与对应的HLR 关联，只通过该HLR 与外界通信。（8）EIR（设备识别寄存器）。EIR 为CS 域和PS 域共用的设备，存储着系统中使用的移动设备的国际移动设备识别码（IMEI）。 （9）RNC。 无线网络控制器RNC(Radio Network Controller)类似于GSM 网络中的基站控制器（BSC），与GSM 无线基站子系统BSS相对应。 一个RNC 和与之相连的各个节点B（Node B）一起构成了一个所谓的3GPP 无线基站子系统RNS。 （10）Node B。在WCDMA 规范中，基站被称为节点B（Node B），一个Node B 与一个无线网络控制器 （RNC） 相连接。 RNC 对与之相连的Node B 进行无线资源管理和控制。 Node B 和RNC之间的接口称为Iub 接口。Iub 接口是完全标准化的和完全开放的。 （11）MS。 MS 包含移动设备ME(Mobile Equipment) 和UMTS 用户身份模块USIM(UMTS Subscriber Identity Module)两个部分。 USIM是一块芯片，包含一些用户预定的信息和密钥。

1.1.2 R4 版的网络结构

R4 版本在核心网电路域部分针对R99 基于TDM 的电路核心网进行了改进，提出了信令控制和承载传送无关的软交换网络的概念。R4 版本核心网电路域引入了软交换网络，在R99 版本中的电路域MSC 变为MSC 服务器 (MSC Server) 和媒体网关MGW(Media Gateway)两部分。 交换矩阵(Switching Matrix)不是被包含在MSC 服务器中，而是被包含在MGW 中。 MGW 受MSC 服务器的控制，并且可以被放置在远离MSC 的位置处。电路交换呼叫控制信令存在于RNC 和MSC 服务器之间，而电路交换呼叫的媒体路径则存在于RNC 和MGW 之间。

1.1.3 R5 版网络结构

在接入部分,R5 版本通过引入IP 技术，实现端到端的全IP 化。 在R5 阶段,引入了IP 多媒体子系统（IMS），叠加在分组域网络之上，由呼叫状态控制功能（CSCF, Call State Control Function）、媒体网关控制功能（MGCK）、媒体资源功能（MRK）和归属签约用户服务器（HSS）等功能实体组成。 R5 是一种端到端的IP 多媒体业务[4]。 3GPP R5 版本网络体系结构如图1 所示。

当PLMN 包括多媒体子系统时，HLR 被归属用户服务器HSS(Home Subscriber Server)代替。 它们的区别在于：HSS 接口采用的是像IP 这样的分组传输方式，而HLR 则倾向于使用基于7 号信令系统的标准接口形式。

图1 3GPP R5 版本网络体系结构示意图Fig.1 3GPP R5 network system architecture

1.2 UTRAN

UTRAN 负责处理所有与无线通信相关的业务，包括一个或多个无线网络子系统RNS（Radio Network Subsystem），它们通过Iu 接口与CN 进行交互[1]。 UTRAN 的功能结构如图2 所示。

1.2.1 RNC

图2 UTRAN 功能结构Fig.2 UTRAN function structure

RNC（Radio Network Controller，无线网络控制器）主要承担连接的建立和断开、切换、宏分集合并、无线资源管理控制等功能。

1.2.2 Node B

Node B 是WCDMA 系统的基站，即无线收发信机，包括无线收发信机和基带处理部件。 它通过标准的Iub 接口和RNC 互连，主要完成Uu 接口物理层协议的处理任务，主要功能是扩频、调制、信道编码及解扩、解调、信道解码（包括基带信号和射频信号的相互转换）等。

1.2.3 系统接口

WCDMA 系统主要有以下接口：

（1）Iu 接口。 Iu 接口是连接UTRAN 和CN 的接口，是一个开放的标准接口，可由不同的设备制造商提供。（2）Iur 接口。Iur 接口是RNC 之间连接的接口，也是UMTS 系统特有的接口，用于对RAN（无线接入网）中移动台的移动性进行管理。（3）Iub 接口。Iub 接口是连接Node B 与RNC 的接口。 它也是一个开放的标准接口，可分别由不同的设备制造商提供。 （4）Uu 接口。 Uu 接口是WCDMA 的无线接口，是UMTS系统中最重要的开放接口。 UE 通过Uu 接口接入到UMTS 系统的固定网络部分。

1.3 UE

UE（用户终端设备）主要包括射频处理单元、基带处理单元、协议栈模块以及应用层软件模块等部分。 它由Uu 接口与网络设备进行数据交换，为用户提供电路域和分组域内的各种业务功能，包括普通语音通话、数据通信、移动多媒体、Internet 应用（如E-mail、www 浏览、FTP 等）。

2 3G 网络特点

第二代数字移动通信系统是1984 年由欧洲GSM 技术发展而来的。 该体系系统标准化工作十分完善，可以在全球一百多个国家范围内实现漫游，是第一代全数字化移动技术，基本上满足了话音通信的要求，并能提供低速数据（64kbit/s）业务。

随着全球经济的发展和信息化社会的到来，移动通信设备和个人化的要求以及Internet 的迅猛发展，第二代技术与非语音业务快速增长的矛盾日益突出，使人们对第三代移动通信的需求愈来愈强烈。

2.1 国际电联3G 的要求

国际电联称第三代移动通信系统为IMT-2000，意为在2000 年左右开始商用并工作在2000MHz 频段上的新一代国际移动通信系统。

国际电联针对频谱利用率、设备成本、组网能力、可能提供的业务，以及技术先进性等困扰第二代移动通信发展的瓶颈问题，提出了第三代移动通信的最低要求：（1）提供高质量话音服务实现。 （2）电话交换和分组交换数据的高质量传输。 （3）提供增值业务和智能网业务。 （4）与第二代移动通信网兼容，以降低组网成本。

2.2 3G 业务描述

3G 概念提出已有十多年了，其真正运行还是2010 年的事，在此期间,有推行3G 和4G 的争论。而在3G 推广最好的美国，运营商也是关闭诸多与3G概念无关的通道，而只突出3G 业务：（1） 移动Internet 接入（商务业务）。（2）信息定制，基于移动用户的个性化业务（外部网络服务）。 （3）多媒体消息，实时多媒体信息业务。 （4）固定Internet 接入，提供固定IP 的接入业务。（5）基本位置定位的业务，供用户查找所在地相关的信息。 （6）高级话音和简单话音服务，即实时、双向的业务，提供VoIP(计量IP)，话音上网、网络始发的话音呼叫业务。

2.3 3G 业务的主要优势

3G 业务具备开放性、 融合性和个性化等特点，本质上就是移动多媒体数据业务，可实现话音、数据和图像等多种信息在无线网上的无缝传输。

3 结语

在3G 系列中，ITU 将WCDMA 划分为4 部分：用户识别模块（User Identity Module,UIM）、移动终端 (Mobile Terminal，MT)、 地 面 无 线 接 入 网(Terrestrial Radio Access Network, TRAN)和核心网络(Core Network,CN)。 其中的UIM 和MT 组成用户终端设备(User Equipment,UE)，TRAN 和CN 组成网络设备。

[1] 啜刚,王文博. 移动通信原理与系统［M］. 北京:北京邮电大学出版社,2005:13.

[2] 陈劼,颜晓莉,李方伟. TD-SCDMA 系统中的接力切换研究无线通信技术［J］. 2003(1):135-137.

[3] 罗凌,焦元媛,陆冰,等. 第三代移动通信技术与业务［M］.北京:人民邮电出版社,2005:97.

[4] 冯建和,王卫东. 第三代移动网络与移动业务［M］. 北京:人民邮电出版社,2007:96.