1.2 WCDMA系统的结构与组成
1.2.1 WCDMA的系统组成
与其他移动通信系统类似，从系统结构和功能上看，WCDMA系统可以划分为如图1.3 所示的核心网（CN）、无线接入网络（UTRAN）以及终端用户设备（UE）三大部分。其中核心网负责处理WCDMA系统内用户的语音呼叫、数据连接及与外部网络的交换和路由；无线接入网络用于处理所有与无线有关的功能，由于采用了UTRA（UMTS的陆地无线接入）技术，所以称为UTRAN；WCDMA系统中的用户终端设备UE可以类比于GSM中的MS。
图1.3 WCDMA系统的总体结构
在图1.3 中，核心网（CN）、无线接入网络（UTRAN）和终端用户设备（UE）三大部分由两个开放的接口Uu和Iu连接起来，其中Uu接口连接UE和UTRAN，Iu接口连接UTRAN和CN。Uu和Iu两个开放接口的标准化使得WCDMA系统的不同部分可以独立开发设计，任何符合要求的终端和系统设备都可以在WCDMA系统中正常运行，这就给设备制造商和网络运营商带来了极大的便利。
图1.3中的Uu接口就是空中接口，UTRAN支持FDD和TDD两种工作方式，其中FDD对应WCDMA空中接口，TDD对应TD-CDMA空中接口和TD-SCDMA空中接口。显然，WCDMA系统采用的是WCDMA空中接口。
核心网（CN）、无线接入网络（UTRAN）和终端用户设备（UE）的主要特点如下所述。
（1）核心网络CN
核心网负责与其他网络的连接、管理UE以及与UE的通信。考虑到从GSM系统演进到WCDMA系统需要较长的时间，因此核心网除了可接入WCDMA无线网络外，还可以接入GSM无线网络。
WCDMA核心网的特点是网元种类多，各个版本的核心网结构和组成大相径庭，具体结构与组成将在1.2.2节中详细说明。
（2）无线接入网络UTRAN
UTRAN负责连接核心网络与终端，其主要功能有：
● 无线资源管理与控制；
● 接入控制；
● 移动性处理；
● 功率控制；
● 随机接入的检测和处理；
● 无线信道的编/解码。
UTRAN结构和组成的详细说明见1.2.3节。
（3）终端UE
UE通过空中接口Uu与UTRAN连接，为用户提供核心网提供的各种业务功能，包括语音、短信、视频电话和移动数据等业务。
UE由ME（Mobile Equipment，移动设备）和USIM（UMTS Subscriber Identity Module，UMTS用户识别单元）两部分组成，两部分通过Cu接口连接。ME的主要结构包括射频处理单元、基带处理单元、协议栈模块和应用层软件模块等部分，并通过空中接口Uu与UTRAN连接。USIM与GSM的SIM作用相同，存储了用户的重要信息。
1.2.2 WCDMA核心网的结构
WCDMA核心网根据UMTS规范分为R99，R4和R5等多个版本，相应的核心网结构与组成也大不相同，以下将分别加以介绍。
1.R99核心网结构与组成
R99的WCDMA核心网结构与GPRS核心网络的结构是一样的，如图1.4所示。
图1.4 R99核心网结构示意图
从图1.4中可以看到，R99的核心网的设备分为电路域与分组域两大部分，电路域部分是从GSM系统的核心网发展而来的，而分组域部分是从GPRS系统发展而来的。
电路域基于电路交换网络，利用电路来承载业务，在通信过程中以电路独占的方式保证了电路域的通信质量，并需要建立和释放电路的过程。电路域的设备中包括MSC（移动交换中心）/VLR（拜访用户位置寄存器）和GMSC（移动交换中心网关）等。
分组域基于分组交换网络，信令和数据都是以数据包的形式在分组网中传输的，更加有效地利用了网络资源，因而可以提供更高的传输效率。考虑到通信的可靠性，在数据通信前，需要建立端到端的隧道，从而保证了服务质量。分组域的主要设备是SGSN（GPRS服务支持节点）和GGSN（GPRS网关支持节点）。
电路域和分组域共用一些设备，负责提供用户管理和网络设备管理。这类设备包括：HLR（归属位置寄存器）、AUC（鉴权中心）和SCP（智能网设备）等。另外，还有一些业务支撑设备同时提供了与电路域和分组域的接口，如SMSC（短消息中心）。
R99的核心网同时可以接入2G（GSM/GPRS）的无线网络和3G（WCDMA）的无线网络，也就是2G和3G共核心网，并且由MSC担当电路域的接口，SGSN担当分组域的接口。
R99核心网各个组成部分的功能如下：
（1）MSC（移动交换中心）
MSC是电路域的处理中枢，负责完成业务处理、语音交换和计费等任务。MSC通过连接的无线网络，为服务区域内的终端用户提供服务。
（2）VLR（拜访用户位置寄存器）
VLR是系统用来存储由本地提供服务用户信息的数据库，供MSC在业务处理时查询，这些信息包括用户的识别号码、所处的具体位置以及为用户提供的服务等参数等，其中一些信息来自HLR。物理上VLR与MSC是一体的，只是从功能上分为两个逻辑实体。
（3）GMSC（移动交换中心网关）
GMSC是移动通信网络与其他电路交换网络（如ISDN，GSM和CDMA等）的接口。
（4）HLR（归属位置寄存器）
HLR是系统用来存储注册用户信息的数据库，每个移动用户都需要在某个归属位置寄存器注册登记。HLR主要存储两类信息：有关用户的各项参数（如业务属性、号码和用户状态）和有关用户目前所处位置（移动到哪个MSC/VLR和SGSN下）的信息。
（5）AUC（鉴权中心）
AUC是用来配合HLR实现对移动用户的身份鉴别，只允许合法用户接入网络并获得服务。物理上，AUC与HLR是一体的，只是从功能上分为两个逻辑实体。
（6）SGSN（GPRS服务支持节点）
从名称上看就知道SGSN是用于分组域业务。SGSN的角色类似于电路域的MSC/VLR，负责为服务区域内的分组数据用户提供服务，并进行分组数据用户的接入控制、安全认证和位置管理等工作。
（7）GGSN（GPRS网关支持节点）
GGSN负责将分组数据传送到相应的网络，是GPRS网络与外部分组交换网络的接口，需要完成协议转换、路由选择和消息过滤等工作，GGSN功能类似电路域的GMSC。
在图1.4中还可以看到，核心网设备之间通过标准化的接口连接，除了MSC/VLR和HLR/AUC之间的接口已经变成内部接口外，MSC与2G无线网络之间的接口为A接口，MSC与HLR之间的接口为D接口；而SGSN与2G无线网络之间的接口为Gb接口，SGSN与HLR之间的接口为Gr接口，SGSN与GGSN之间的接口为Gn接口。这些接口都在GSM和GPRS的相应规范中定义。
在这些接口中，Gb接口基于帧中继网络，Gn接口基于IP网络，而A接口、D接口和Gr接口等都基于电路交换网络，采用SS7信令。
由于UTRAN需要通过Iu接口接入到核心网中，而核心网分为两个业务域，对应不同的接口设备，因此Iu接口也分为Iu-CS接口（电路域）和Iu-PS接口（分组域）两个接口。UTRAN通过Iu-CS接口连接到MSC，通过Iu-PS接口连接到SGSN，这两个接口都基于ATM网络。
2.R4核心网结构与组成
R4核心网络的结构如图1.5所示，目前中国联通的WCDMA核心网就是基于此版本。与R99核心网相比，R4核心网络主要变化发生在电路域上，引入了移动软交换MSS，而分组域没有变化。
图1.5 R4核心网结构示意图
从图1.5中可以看到，R4的电路域采用分层结构，为此R99中MSC网元被MSC-Server网元和MGW（Media Gateway，媒体网关）网元取代，实现了业务承载与控制的分离。MSC-Server对应MSC的控制功能，包括呼叫控制、用户管理、计费和协议管理等，还包含MGW的控制，并包含VLR的功能；MGW对应MSC的承载功能，主要是负责无线网络的接入，无线网络通过A接口和Iu-CS接口与MGW相连。值得注意的是，由于MSC-Server承担控制功能，因此无线网络的信令还需要透过MGW传输，由MSC-Server进行处理。MSC-Server也可以简写为MSC-S。
由于引入了新的网元，因此R4的电路域也引入了3种新的开放接口：Mc接口、Nc接口和Nb接口。其中，Mc接口是MSC-Server与MGW之间的接口，采用媒体网络控制协议MEGACO/H.248；Nc接口是MSC-Server之间的接口，采用BICC（Bearer Independent Call Control，与承载无关的呼叫控制）协议；Nb接口是MGW之间的接口，用于业务的承载。
目前Mc接口、Nc接口和Nb接口多基于ATM网络，随着技术的发展将逐步向IP网络过渡。此外，Iu-PS接口已经IP化，而Iu-CS接口也在考虑IP化。
3.R5核心网结构与组成
与R4核心网相比，R5核心网络主要变化是增加了IMS（IP多媒体子系统）域，未来中国联通的WCDMA核心网有可能会升级到此版本。IMS域的基本结构如图1.6所示。
图1.6 IMS域的基本结构示意图
IMS域将R4中分层结构的思想又推进了一步，实现业务应用层和网络控制层的完全分离，业务应用层采用AS（Application Server，应用服务器）提供各种应用，大大方便了各种新业务的引入。
IMS域将控制功能分解为CSCF（Call Session Control Function，呼叫会话控制功能）实体、MGCF（Media Gateway Control Function，媒体网关控制功能）实体和MRF（Media Resource Function，媒体资源功能）实体，这些功能实体之间都通过IP网络连接。
IMS域还引入了归属用户服务器HSS（Home Subscribers Server），配合SLF（Subscibers Location Function，用户定位功能），取代了传统的HLR。HSS与CSCF之间采用Cx接口。
IMS实现了全IP网络，目前被视为基于IP的软交换的发展方向，正朝着移动网与固网融合的方向发展。
1.2.3 WCDMA无线网络的结构
WCDMA无线网络由无线网络控制器（RNC）和若干个基站Node B组成，如图1.7所示。其中RNC与核心网CN连接，负责控制Node B，并且承担无线资源的管理和调度工作；而Node B提供无线资源，实现业务覆盖，通过空中接口与终端UE连接，是终端接入网络的门户。RNC与Node B之间通过传输网络连接。为了方便理解，图1.7中RNC可以看成GSM网络中的基站控制器，而Node B可以看成GSM网络中的基站收发信台。
图1.7 WCDMA无线网络结构
UTRAN比GSM的BSS系统的内部结构更复杂，UTRAN的内部结构如图1.8所示。
在图1.8中，RNC和Node B之间通过Iub接口连接，RNC以及其下属的Node B构成一个系统，称为RNS（Radio Network Subsystem，无线网络子系统）。与GSM不同的是，UTRAN中RNC和RNC之间还需要建立连接，该接口命名为Iur接口。
图1.8 UTRAN的内部结构
Iu，Iub和Iur接口建立在传输网络的基础上，其中Iu接口是一个统称，实际上分为Iu-CS和Iu-PS两个接口，分别接入核心网不同的设备，详细情况可以参阅1.1节的内容。目前成熟的产品Iu-CS接口以采用ATM技术的为多，而Iu-PS接口已经采用了IP技术。Iur接口往往是逻辑接口，可以包含在Iu-CS接口中，不需要建立单独的物理连接。Iub接口同时采用了ATM技术以及IP技术，以实现基站的双接入。
与核心网不同版本结构发生变化不同，各个版本的UTRAN的结构没有变化，只是组成部分的功能有了扩充和改进。比如，R5的UTRAN支持HSDPA技术，因此Node B和RNC也就增加了HSDPA的处理能力；而R6的UTRAN支持HSUPA技术，因此Node B和RNC也相应增加了HSUPA的处理能力；而R7的UTRAN支持HSPA+技术，因此Node B和RNC也相应增加了HSPA+的处理能力。
目前中国联通WCDMA无线网络基于R6的版本，并正在向R7升级。