1.2 3G移动通信网络架构

1.2.1 移动通信网络体系结构

宽带移动通信网络体系结构如图1-7所示，由下向上分为物理层、网络业务执行技术层、应用层3层。物理层提供接入和选路功能；网络业务执行技术层作为桥接层，提供QoS映射、地址转换、即插即用、安全管理及有源网络。物理层与网络业务执行技术层提供开放式IP接口。应用层与网络业务执行技术层之间也是开放式接口，用于第三方开发和提供新业务。

结合移动通信市场发展和用户需求，宽带无线移动网络的根本任务是接收、获取到终端的呼叫，在多个运行网络（平台）之间或者多个无线接口之间建立最有效的通信路径，并对其进行实时的定位和跟踪。在移动通信过程中，移动网络还要保持良好的无缝连接能力，保证数据传输的高质量、高速率。移动网络将基于多层蜂窝结构，通过多个无线接口，由多个业务提供者和众多网络运营者提供多媒体业务。

同时，技术的发展和市场的需求，将加快并实现计算机网、电信网、广播电视网和卫星通信网等网络融为一体，宽带IP技术和光网络将成为多网融合的支撑和结合点。数字化数据交易点是移动网络的一个重要技术，它用于预处理各个不同网络平台之间的呼叫。在网络平台之间的特定协议条件下，帮助业务提供者提供高质量、低费用的业务应用。例如，两个网络平台之间传送电视数据信息，首先由数字化数据交易所处理。在数字化数据交易所，电视数据信息被分离成视频信号和音频信号，经由不同的信道传送。音频信号由覆盖广泛的网络传送，视频信号由只能处理、接收视频信号的网络传送，达到降低通信成本和有效利用传输信道的目的。未来的全球互联网系统和骨干网系统将以结合宽带IP技术和光纤网技术为主。

1.2.2 移动通信网络结构

1．GSM系统网络结构和功能

GSM网络分为3个子系统：网络交换子系统（NSS）、基站子系统（BSS）和网络管理子系统（NMS）或者操作维护子系统（OMC），如图1-8所示。

GSM由四大功能部分组成：移动台（MS）、基站子系统（BSS）、网络交换子系统（NSS）和运行子系统（OSS），由相应的功能实体实现。

相邻功能实体间的连接就是接口。MS与BSS之间、BSS与NSS之间的接口分别称为Um接口、A接口。在BSS内，基站BTS与基站控制器BSC间的接口称为Abis接口。在NSS内部有更具体的细分，移动交换中心MSC与HLR等其他功能实体之间的接口统称为MAP接口。层3有几个子层：RR为无线管理层，MM为移动性管理层，CM为通信管理层。这几层很难同OSI的开放模型一一对应，因为每一层都有很强的业务特性，而不是单纯从通信的角度来划分的。这也是通称层3的原因所在。每一层都有相应的协议。

物理层之间是点到点的协议，或者说是接口间的协议。MS与BTS之间是传统的无线传输，包括源编码、信道编码、交织、加密与调制等内容；BTS与BSC之间的传输可能有多种形式，有可能是常见的E1线连接，也有可能经过多次微波中继等；A接口类似。

链路层，也就是第二层，同样是点到点的协议，它在物理层的基础上，为层3提供点与点之间的可靠传输。Um接口上是LAPDm协议，或者说是经过改造，适合无线传输的LAPD协议（Abis接口上采用）; A接口采用了No.7信令协议中的MTP2。

层3包括各子层，是端到端的协议，中间跨越几个接口。RR协议是MS与BSC之间的协议，跨越了Um与Abis接口。

RR层的作用是在呼叫期间建立和释放MS和MSC之间的稳定连接，无论用户怎样运动，都不受其影响，其功能集中体现于Um接口上无线信道的管理及切换；还包括初始接入、功率控制、传输管理等功能。

MM与CM协议是MS与MSC之间的协议，依次穿过Um接口、Abis接口与A接口。在某些时刻，HLR也要介入，所以这两项协议也要经过MAP接口。还有在图中未画出的一个层3的子层次SS，就是MS与HLR之间的附加业务管理，其协议跨越了上述几个接口：Um、Abis、A与MAP。MM首先提供对用户移动性的管理功能，包括两个方面：一是MS如何决定在蜂房之间选择；二是NSS如何管理MS的位置数据，这一点主要对应位置更新的过程。此外，MM层还对通信的安全性进行管理，包括鉴权和加密过程。

CM层主要根据用户的要求，在用户之间建立、维持和释放呼叫连接。上面提到的SS层也可看作CM层的一个独立子部分，用户通过该层提供的功能，控制发出或接收呼叫的若干特性。CM层的另一个功能就是点到点短消息管理，涉及短消息业务中心SM-SC。

2．WCDMA系统的网络结构

WCDMA作为UMTS（通用移动通信系统）的实现，其体系结构与大多数第二代系统甚至第一代系统基本类似。WCDMA系统包括若干逻辑网络元素。这些元素可以按不同子网分类，也可以按功能来划分。

功能上，逻辑网络元素分成UE（用户设备终端）、无线接入网（RAN）和核心网（CN）。无线接入网也可以借用UMTS中地面RAN的概念，因此又简称为UTRAN。其中，RAN处理与无线通信有关的功能；CN处理语音和数据业务的交换功能，完成移动网络与其他外部通信网络的互联，相当于第二代系统中的MSC/VLR/HLR。UE和RAN采用全新的WCDMA无线技术规范，而CN基本上来源于GSM。

UMTS也分成若干个子网，子网之间可以独立工作，也可以协同工作，因而子网又称为UMTS公众陆地移动网（PLMN）。不同运营商运营的PLMN之间可以互通，而且PLMN可以与ISDN、PSTN、Internet以及其他数据网络互通。图1-9给出了PLMN网络体系结构，图中包括PLMN网络的逻辑元素、内部元素连接以及与外部网络的连接。

图1-9中的逻辑网络元素说明如下。其中，UE包含以下两个部分。

（1）ME（移动设备）：它是通过空中无线接口Uu与Node B通信的无线终端。

（2）USIM（UMTS用户识别模块）：它相当于GSM终端中的SIM智能卡，用于记载用户标识，可执行鉴权算法，并保存鉴权、密钥及终端需要的预约信息。

RAN中包含以下两个部分。

（1）Node B（B节点）：它是在Iub和Uu接口之间传送数据的基站（BS）。基站也参与部分无线资源管理。

（2）RNC（无线网络控制器）：它控制辖区内的所有无线资源，是与之相连的基站的管理者。RNC是RAN提供给CN的所有业务的接入点。

CN中包含的逻辑网络元素有以下几个。

（1）MSC/VLR（移动业务交换中心/访问位置寄存器）：移动交换中心MSC和数据库VLR为UE提供电路交换服务。MSC用于完成电路交换业务；VLR用于保存漫游用户的服务特征描述副本，以及UE在服务系统中精确的位置信息。通过MSC/VLR连接的外部网络称为CS域网络。

（2）HLR（归属位置寄存器）：这是一个位于用户本地的系统数据库，它保存了用户服务特征描述的主备份。这些服务的特征描述包括允许的业务信息、禁止漫游的地区和补充业务信息（如呼叫前转状态和呼叫前转数量）。此数据库在新用户向系统注册入网时为用户创建初始化数据，创建后的数据在用户接收服务期间始终存在。为了给呼入的用户找到路由并连接到目的UE，HLR还在MSC/VLR和SGSN中保存UE的位置信息。

（3）GMSC（移动业务交换中心网关）：这是UMTS PLMN与外部CS域网络连接处的交换设备，所有呼入和呼出的CS连接均需要经过GMSC。

（4）SGSN（服务GPRS支撑节点）：它与MSC/VLR的功能类似，只不过它仅用于分组交换（PS）业务。通过SGSN连接的外部网络称为PS域网络。

（5）GGSN（GPRS支持节点网关）：它与GMSC的功能类似，不过仅用于分组交换业务。

3GPP规范没有详细说明上述逻辑网络元素的内在功能，但是详细定义了逻辑网络元素之间的一些接口。PLMN网络主要的开放接口如下所述。

（1）Cu接口：它是USIM智能卡和ME之间的电子接口，遵循智能卡的标准格式。

（2）Uu接口：它是WCDMA的无线接口，是UE终端接入系统固定网络的必需接口。UMTS Uu接口的开发性保证不同制造商设计的UE终端可以接入其他制造商设计的RAN中。

（3）Iub接口：它是连接Node B与RNC的标准接口。制定开放的Iub接口，就是为了保证不同移动通信设备制造商生产的Node B和RCN之间互连互通，使运营商单独购置Node B和RNC设备成为可能。

（4）Iur接口：它是RNC之间的接口。开放的Iur接口允许不同设备制造商生产的RNC之间进行软切换。

（5）Iu接口：它是连接RAN与CN之间的标准接口，类似于GSM网络中的A接口（电路交换）和Gb（分组交换）接口。开放的Iu接口允许运营商购置不同设备制造商生产的RAN和CN设备铺设网络，有利于设备制造商之间的竞争。开放的A接口和Gb接口也是GSM成功的原因。

3．CDMA 2000系统的网络结构

CDMA 2000 1X网络主要由BTS、BSC和PCF、PDSN等节点组成。基于ANSI-41核心网的系统结构如图1-10所示。其中，

●BTS：基站收发信机；

●PCF：分组控制功能；

●BSC：基站控制器；

●PDSN：分组数据服务器；

●SDU：业务数据单元；

●MSC/VLR：移动交换中心/访问寄存器；

●BSCC：基站控制器连接。

与IS-95相比，核心网中的PCF和PDSN是两个新增模块，通过支持移动IP协议的A10、A11接口互连，支持分组数据业务传输。以MSC/VLR为核心的网络部分。支持话音和增强的电路交换型数据业务。与IS-95一样，MSC/VLR与HLR/AC之间的接口基于ANSI-41协议。

（1）BTS在小区建立无线覆盖区用于移动台通信，移动台可以是IS-95或CDMA 2000 1X制式手机。

（2）BSC可对BTS进行控制。

（3）Abis接口用于BTS和BSC之间连接。

（4）A1接口用于传输MSC与BSC之间的信令。

（5）A2接口用于传输MSB与BSC之间的话音信息。

（6）A3接口用于传输BSC与SDU（交换数据单元模块）之间的用户话务（包括语音和数据）和信令。

（7）A7接口用于传输BSC之间的信令，支持BSC之间的软切换。

以上节点及接口与IS-95系统需求相同。

CDMA 2000 1X新增接口如下所述。

（1）A8接口：传输BS和PCF之间的用户业务。

（2）A9接口：传输BS和PCF之间的信令。

（3）A10接口：传输PCF和PDSN之间的用户业务。

（4）A11接口：传输PCF和PDSN之间的信令。

A10/A11接口是无线接入网和分组核心网之间的开放接口。新增节点PCF（分组控制单元）是新增功能实体，用于转发无线子系统和PDSN分组控制单元之间的消息。PDSN节点为CDMA 2000 1X接入Internet的接口模块。

4．TD-SCDMA系统的网络结构

TD-SCDMA系统的设计集FDMA、TDMA、CDMA和SDMA技术为一体，考虑到当前世界上大多数国家采用GSM第二代移动通信的客观实际，它能够由GSM平滑过渡到3G系统。TD-SCDMA系统的功能模块如图1-11所示，主要包括用户终端设备（UE）、基站（BTS）、基站控制器（BSC）和核心网。

TD-SCDMA系统的IP业务通过GPRS网关支持节点（GGSN）接入到X.25分组交换机，话音和ISDN业务仍使用原来GSM的移动交换机。待基于IP的3G核心网建成后，将过渡到完全的TD-SCDMA第三代移动通信系统。

TD-SCDMA无线接入网络系统（RAN）由一组通过Iu连到核心网（CN）的无线网络子系统（RNS）组成，如图1-12所示。

一个RNS由一个基站控制器（RNC）和一个或多个基站Node B组成。RNC和Node B之间通过Iub接口连接。UE通过空中接口（Uu）接入RNS。