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
- 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）
- 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)
- 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
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。
- 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。
- 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） - 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） - 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 - 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）
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。
- 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 - 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 - 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。 - 计费网关（Charging GateWay, CG）
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。
- 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 - 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 - 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。
图2-4为UMTSR4网络结构。
- 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
- 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
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。
- LTE网络由E-UTRAN（Evolued UTRAN）和EPC（Evolued Packet Core）组成，又称为EPS（Evolued Packet System）
- E-UTRAN由多个eNodeB组成，eNodeB间存在X2接口
- EPC由MME、SGW、PGW和PCRF 组成，EPC与E-UTRAN间使用S1接口
- 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
- 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 - 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
参考文献
[1] 3G UMTS与4G LTE核心网——CS，PS，EPC，IMS