3G核心网络与演进

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1、3G核心网络与演进一、引言随着移动通信、数据通信和光通信的飞速发展，其带来的需求日益膨胀。通信业务的不断发 展和频谱资源的日益短缺，两者共同驱动了 3G的产生。所谓3G是相对于2G的GSM、窄 带CDMA （IS-95）和2.5G的GPRS等而提出的。其核心是人们对高速数据传输和移动多媒 体等方面的渴望而提出的在移动通信体制上的突破，即在第二代TDMA体制上向第三代 CDMA体制方向的发展。第三代移动通信系统在标准上主要集中在WCDMA和cdma2000等两种，它们都是基于 CDMA技术的系统，突出的特点是能提供高速率的电路和分组业务，其空中接口的最高速率 可达2Mbps。3G是指基于GSM的

2、演进系统WCDMA，重点是论述网络侧（核心网CN）的演进和相关 设备。在WCDMA_CN中，分为R99和Rel 4/5（2001年以前称R00）两个阶段。Rel 4/5是 全IP的核心网，目前标准化过程仍在进行；R99阶段也已完成。二、WCDMA（R99）核心网概述1.核心网网络因需求导致了对带宽更高的要求，使2G/2.5G的技术体制在无线接入侧和核心网络侧都暴露 出较大的局限性，而WCDMA （3G）技术体制由于采用了 CDMA技术和ATM网络协议结 构，使得在无线接入侧和核心网络侧，都以宽带系统来设计，和2G/2.5G相比有着无可比拟 的优势。WCDMA采用DS-CDMA多址方式，空中接口

3、的码片速率是3.84Mcps，载波带宽 5MHz。核心网基于MAP，支持宽带业务，其中高速移动环境支持144kb/s，步行慢速移动环 境支持384kb/s，室内支持2Mb/s的数据传输速率。R99核心网分为电路域（CS）和分组域（PS）两部分。CS域和PS域分别是在GSM phase 2+ 的电路核心网和GPRS核心网的基础演变而来的。CS域主要处理传统的电路型业务如电话、 语音及ISDN 等, PS域则处理有关的分组数据业务。WCDMA要求实现与GSM网络的全兼 容，核心网技术标准是在现有的GSM/GPRS基础上发展的，它把GSM MAP协议作为上层 核心网协议。GSM网络的语音和分组数据业

4、务是由MSC/GSN不同的网络节点实现的， WCDMA（R99）依然采用这种处理方式，将语音和数据分别处理。R99核心网CS域将实现用户能够在任何时候、任何地点、任何服务网中获得与在归属环境看起来相同、感觉相同的业务。在业务方面不仅要完全支持GSM Phase 2阶段以上和 GPRS的业务，还要对未来的业务进行支持，并且系统要提供与现有固定网一致的较高的服 务质量。3G可以通过协商业务量和QoS特征的方式支持高比特率的承载业务，还可以有效 地支持突发和不对称业务，支持Internet接入、移动多媒体、多呼叫等业务。在应用方面， 通过增强和综合，提供定位服务和移动智能业务等。3G PS域就是3G

5、的GPRS部分，其主要的功能实体包括SGSN、GGSN、CGF等。SGSN 主要和UTRAN相连，负责移动用户的移动性管理、接入控制、鉴权、路由选择、地址翻译 和映像、数据包的中转、流量控制、QoS管理等功能。GGSN则主要与外部数据网相连，作 为GPRS的外部数据网关，它主要负责用户和网络间分组数据包的封装和中转、消息的传递、 地址翻译和映像和部分移动性管理工作。CGF的主要作用则是收集SGSN和GGSN的计费 数据，传送到计费系统中进行处理。R99核心网PS域为移动用户主要提供承载数据业务包括点对点数据业务(PTP)和点对多 点数据业务(PTM)，同时还支持补充业务和短消息业务，提供以GP

6、RS承载业务为基础的各 种电信业务，如网络应用业务。其中PTP又包括数据包类型的、无连接的PTP和虚电路类 型的、面向连接的PTP业务，而面向连接的PTP为两个用户或多个用户之间传送多路数据 分组建立逻辑虚电路(PVC)。2. Iu 接口： Iu_CS 和 Iu_PS从整个网络结构看，R99核心网与GSM、GPRS之间差异较小，主要差别是在无线资源网络 (RNS)和核心网(CN)之间增加了 Iu接口，相应地在有关协议层等方面进行了补充和改 变。核心网的CS域Iu接口部分称为Iu_CS, PS域Iu接口部分称为Iu_PS。Iu接口又分为Iu控 制平面和Iu用户平面，Iu控制平面传送信令，Iu用户

7、平面传送用户数据。Iu_CS和Iu_PS分 别对应于GSM的A接口和GPRS的Gb接口。Iu 口的传输采用ATM,将ATM看作LI、L2 技术，上层业务改变较小，主要是使用ATM的PVC作为承载。Iu-CS与A接口之间的最大差别还是底层的差别，lu接口建立在ATM的基础之上；而A接 口的信令建立在七号信令的SCCP层之上。A接口采用64kbps的地面电路承载用户面数据， 而Iu在用户平面采用ATM的AAL2适配协议承载用户面数据，AAL2连接是由Q.2630.1协 议动态建立；在控制平面上，对宽带和窄带信令都要实现。同样，对于Iu_PS接口，由于在核心网和接入网之间增加了 Iu接口，有关协议和

8、处理也进行 了改变。底层主要承载在ATM的AAL5适配层上，物理层一般采用STM-1 （155Mbps ）的 光接口。R99的PS域就是构建在IP之上，PS域的GTP隧道是采用IP承载的。由于底层承载采用ATM技术，相应地增加了 ATM适配层AAL5, AAL5主要完成上层 信令到ATM信元的转换，这是一个重要变化o RANAP主要是负责封装和承载高层信令，并 处理3G_SGSN和无线接入网之间的信令。GTP协议则对PTP分组数据协议的PDUs进行封 装。三、基于Rel 4/5的全IP网络在WCDMA （R99）版本中，考虑到与现有GSM系统兼容以及IP技术对实时业务支持不足 的问题，核心网结

9、构采用话音电路业务和数据业务分离。在Rel 4/5版本中，关于核心网网元 有以下主要变动： MSC的分化。可以将MSC分成两个不同的实体：MSC Server和MGW （Media GatewayFunction）。其中MSC Server和MGW分别负责处理信令和用户数据，两者组成了完全意 义上的MSCo HSS，是用于存储用户签约信息的主数据库，2G中HLR可以认为是它的一个子集。它须完成GSM HLR的MAP功能和具有提供基于IP的信令接口的能力。 RSGW，此信令网关主要完成基于Rel 4前网络上传输的七号信令和R99后网络上传输的IP信令之间的转换。 TSGW，是连接PSTN和3G核

10、心网之间的信令网关。 MGW，是无线接入网UTRAN和3G核心网之间的实体接口。同时是PSDN/ISDN网络和核心网之间的网关节点，具有回声抑制、资源控制等功能。全IP网络的特点是：（1）网络结构是基于分组技术，以便同时实现实时和非实时业务；（2） 网络结构基于演进的性能加强的GPRS网络；（3）所有的IP接口和相关的网络接口应支持 实时多媒体业务；（4） IP用于所有数据和信令的下层传输。通过在IP网上构建逻辑独立的信令处理服务器处理控制信令（相当于MSC/SGSN的信令处 理能力），构建业务应用服务器提供业务，从而实现业务/控制/交换/适配的逻辑分离。整 个网络结构分为五部分：移动网络；同

11、时支持UTRAN和GPRS技术的移动接入网络，以及 其它方式的接入系统；GPRS网络；呼叫控制；连接外部网络的网关。全IP网络是通信发展 的趋势，只是目前技术尚未完全成熟，难以马上实施。一旦VoIP和IP QoS技术成熟，即可 在IP上实现语音、数据的统一传输，实现移动网络与IP网络的统一。全IP网络是第三代移 动网络的发展趋势，目前可以通过语音/数据一体化平台构建3G核心网络，实现向全IP网络 的平滑过渡。由于3G在无线接入网络上发生了质的变化，因此在考虑演进方案时，会出现多种演进 方式。总体来说，针对已拥有2G和未有2G网络，且获3G牌照的运营商，会出现两类演进情况。 对于未有2G网络的运

12、营商来说，由于没有2G网络的负担，可以尽量采用较新的技术，建 设全新的网络是合适的，这样可以越过GSM网络，直接增加3G的网络节点构建3G的核心 网络，提供3G业务，从而满足运营商的需求。对于这种情况，3G演进方案建议直接建设 3G的核心网CN和接入网UTRANo然而大多数情况下，面临的是如何从GSM/GPRS向3G进行平稳、无缝演进。一种方案是采 用核心网升级方式，即在原有的GSM/GPRS核心网基础上，通过硬件的更新和软件的升级 来实现3G演进。但是，站在运营商的角度看，运营商最关心的是系统的稳定可靠和设备的 性能价格比，这种方案不是首选和最佳方案。因为：2G核心网在设计建设时冗余甚小，而

13、 冗余是对网络起着保护作用的，强行升级、扩容势必影响网络的稳定性；同时针对网络侧而 言，全IP是核心网的目标，升级又增添了 2G电路交换的包袱，给将来的全IP的网络演进 带来困难；从运营成本来讲，核心网只占整个移动网建设成本的20%左右。另一种方案是，开始时在中心地区利用第二代核心网，通过互通功能单元IWU为3G的接入 网UTRAN提供接入GSM/GPRS的能力，此时可以满足部分移动用户对话音、高速数据通讯 和Internet访问的业务需求，这样移动用户利用双模终端，可以在继续保持原有的移动漫游 和用户应用特性的同时，实现3G的部分业务。随着3G用户的不断发展，GSM/GPRS核心 网无法对日

14、益增长的3G业务提供支持，此时将引入3G核心网。IWU功能是将窄带A/Gb 接口转换成宽带Iu接口，从而通过GSM/GPRS核心网，连接3G的UTRAN实现3G业务。这种升级方案关键是互通功能单元IWU的成本，但事实上，其成本很大，甚至达到建设一 个局的费用，显然也不足取。因此，核心网演进策略将更多地倾向于采用建设叠加网的方案，即采取将3G的核心网 叠加在GSM核心网上，以满足中心城市和3G业务热点地区对3G业务的需求，并逐步扩大 3G核心网覆盖范围和容量，两种核心网通过网关进行互通，利用原有GSM网络覆盖资源解 决漫游问题。通过3G核心网的叠加，引入了宽带接入，补充了新的频谱和核心网资源，结

15、果分流了 语音和数据业务，刺激了业务增长，从而最终使3G得到了真实的发展。从技术上来说，由 于3GPP在规范WCDMA网络技术时充分考虑了网络的继承性，因此在核心网的演进技术上 不存在障碍。同时3G的UTRAN可以接入3G核心网，实现3G的功能。此时，3G_SGSN和3G_MSC/VLR是2G_SGSN和2G_MSC/VLR的设备演进。采用这种叠加方式演进，可以充分利用已有的HLR/AUC、SC等设备，并沿用移动信令网。这样最 大限度地保护了运营商在GSM/GPRS等方面的已有投资，运营商又可以根据自己地区，结 合当时的实际情况，逐步、渐进地提供丰富的3G业务。此外，对运营商而言达到了优化自己

16、的网络资源配置，简化网络结构和便于运营、管理的目 的，这种演进叠加策略充分体现了 3G对GSM/GPRS网络设施的继承性和保护。值得注意的 是，GSM/GPRS网络与3G核心网络的叠加存在，不是竞争而是相互协作、互补的关系。为 了充分挖掘3G网络的高频谱利用率，当3G网络空闲时，对语音业务也可考虑优先使用3G 网络。而且这样做，由于有GPRS的存在，对于3G高速率业务，移动用户可以在3G建设 的初期可以得到漫游支持。在发展到一定程度以后，将开始演进到基于Rel 4/5的全IP网络。严格地讲，3G核心网的演进不仅包括网络设备的演进，而且还应涵盖业务上的过渡。因为网络设备的演进，目的是分层次地将各类业务引入。重要的是，对于运营商来说可以根 据不同的市场需求，在不同地区、不同时间采用不同的方式，通过网络设备的演进、更新， 渐进地引入2.5G/3G业务。所以，3G的演进本质上就是3G业务的过渡也不无道理。