陈茂森著作:公用陆地移动通信网的结构与演进

公用陆地移动通信网的结构与演进

王树甲

一、引言

在公用陆地移动通信网（PLMN）的发展和沿革过程中，逐步形成了PLMN的基本结构体系，不仅为各国运营商建设本国移动通信网络提供了一般性指导，也为各PLMN的发展和演进奠定了基础。在向3G演进策略和途径问题上，欧、日以及绝大多数2G GSM/PCN/PCS运营商已达成共识，径由2.5G GPRS/EDGE[1]过渡到3G W-CDMA/UMTS。

GPRS业务是一种在2G PLMN网络基础上以演进方式扩充的3G移动通信业务。它采用数据分组技术，以更有效的方式传送用户数据信号和复杂的监控信令信号，传输速率和流量都是可以控制的；它能够优化利用网络资源和无线电资源，却又保持了无线分系统和网络分系统的严格界线，允许网络分系统以其它无线接入技术进行复用。在因特网应用日益广泛和3G移动通信目标逐步明确的环境下，GPRS的演进理念和机制是经济可取的，并且已有数家公司的GPRS产品投放市场，数十家运营商业已提供GPRS业务。

在发展3G W-CDMA方面，最为积极的是日本电报电话公司（NTT）下属的移动通信运营商DoCoMo。他们于1999年就网络过渡方案和码片速率问题与欧盟协商一致，其W-CDMA试验网于2000年5月开通运行，预期2001年10月投入商用服务，2004年初实现100﹪的全国覆盖。3G业务拟采用现行语音业务资费结构，但由于W-CDMA传输速度快，因特网接入费用会低于现行的¥0.3/128Mb分组。尽管已经研制了PDC[2]/3G双模终端设备，但近期不准备引入。在3G方面，日本总结了2G孤立发展的教训，处于世界领先地位。

欧盟委员会敦促各成员国于2002年开通3G业务，掀起了各国拍卖3G频段许可证的热潮，有的国家要求获得3G服务许可证的运营商于2007年覆盖该国80﹪人口的地域范围。各国不少运营商已与主要供应商签订W-CDMA供货合同。然而，普遍认为欧盟委员会的计划过于乐观，实际要比日本落后两年。

文本旨在从网络演进方面介绍和讨论有关向3G过渡问题：首先简要说明2G PLMN的基本结构之后，而后介绍支持通用分组无线业务（GPRS/EGPRS）的2.5GP LMN的网络结构。最后介绍第三代合作机构（3GPP）提出的3G通用移动通信系统（UMTS/ W-CDMA）的网络结构。

二、2G PLMN网的基本结构模型

不含分组数据业务的PLMN网的基本结构及其与公用电话交换网（PSTN）和综合业务数字网（ISDN）的相互连接如图（1-1）所示。该图分为上、下两层：上层为SS No7信令网；下层为移动业务的用户数据信号和控制信令网。图中所示的各种功能认为是在不同的设备实体中实现的，各接口都是外部接口，其中A和Abis接口在GSM技术规范08系列中做了规定，接口B、C、D、E、F和G需要SS No.7信令系统中移动应用部分的支持，接口H和I的协议尚未标准化。当某些功能在同一设备实体中实现时，则与此有关的接口变为内部接口。图中没有表式移动台（MS）与基站收发信机（BTS）之间的接口Um。

图注：

AuC     鉴权中心                 HLR  归属位置寄存器

BSC     基站控制器               LE    PSTN/ISDN的本地局

BTS     基站收发信分系统         Mobile Station  移动台

EIR     设备标识寄存器            MSC   移动交换中心

GCR     群呼寄存器               SP     信令点

GMSC   网关移动交换中心          VLR  访问位置寄存器

图（1-1）PLMN网（不支持GPRS业务）的结构配置和接口

二 支持GPRS业务的PLMN网的基本结构

2.1 支持GPRS业务的PLMN网的简化模型

如图（2-1）所示，每一支持GPRS业务的PLMN网具有两种接入点：一种是接入接口点，如无线分系统与网络分系统之间的无线接口Um，它是支持GPRS业务的PLMN网经由无线电传输媒介为移动台（MS）提供分组数据业务的网络接口，也是MS的移动终端（MT）功能实体用以接入GPRS业务的接口；另一种是接入参考点，如移动台（MS）中非ISDN网的数据终端设备（TE）与移动终端（MT）之间的接入参考点R，它用于始发和终接各种数据消息，通常支持标准的串行接口协议。接入接口点与接入参考点的区别在于，在所规定的接入接口点需要交换和标识特定的GPRS信息，而在接入参考点则不然，从原理上来讲，TE也可以经由Gp接口直接与支持GPRS业务的网络相连接。

图注：

MT      移动终端                             TE    数据终端设备（DTE）

PDNs   各种分组数据网络                Um   修正的ISDN网U接口

R      非ISDN网TE与MT间的参考点

图（2-1）GPRS业务的接入接口和接入参考点

Gp是支持GPRS业务的PLMNs的网间接口，它连接两个可能属于不同运营商的支持GPRS业务的PLMN网，使各运营商之间可以相互合作，按照协约提供跨区域的网络服务。

Gi是支持GPRS业务的PLMNs网与各种外部固定分组数据网（PDNs）之间的参考点，经由该参考点，可以与诸如因特网、X.25数据分组网一类的分组数据网相连接，采用不同的协议，与不同的网络运营商合作，实现互工作功能（IWF），提供各类数据业务。

2.2 GPRS网中的业务接入点

GPRS提供一个发送实体与一个或多个接收实体之间的数据传输能力，这些实体可以是MS或TE，后者可以从属于支持GPRS业务的PLMN网或其它外部网络。参照图（2-2）， GPRS支持各种电信业务，在用户与终端接口的1、3、5和6接入点，为用户提供各种电信业务能力，电信业务的概念包含终端的能力。GPRS系统还支持各种承载业务，在接入点2（R参考点）可以接入非ISDN承载业务，例如ITU-T X系列和V系列建议的各种数据业务；在接入点4（S接口点）可以接入ISDN承载业务；在接入点7可以接入外部数据网的承载业务；在接入点8（Gi参考点）可以提供数据终端和/或外部数据网直接接入的承载业务，但两者可能不同。

图注：

MT0 不具数据终端接口的移动终端     MT1 具有ISDN S接口的移动终端

MT2 具有ISDN S接口和终端适配器功能的移动终端    TA 终端适配器

TE   PDN/GPRS数据终端      TE1  ISDN数据终端

TE2  非ISDN数据终端

图（2-2）电信业务和承载业务的接入点

2.3 支持GPRS业务的PLMN网的基本逻辑结构

支持GPRS业务的PLMN网的基本逻辑结构如图（2-3）所示，可以认为各种功能是在不同的逻辑节点中实现的，但若在同一物理实体中能够实现两种逻辑节点，有关接口则会变为该实体的内部接口。

从图（2-3）不难看出，在GSM网络结构基础上增加两种GPRS业务支持节点（GSNs）便可以实现支持GPRS业务的网络结构，现对尚未述及的各功能实体及它们的接口加以简要介绍：SGSN为服务GPRS支持节点；GGSN为网关GPRS支持节点。虚线表示信令传输链路；实线表示信令和数据传输链路。除上节所述的接口点和参考点外，其余以Gx和英文字母命名的各传输界面都是接口点而不是参考点

图注：

GGSN  网关GPRS支持节点   SM-SC  短消息-服务中心

SGSN  服务GPRS支持节点   SMS-IWMSC 短消息业务-互工作移动交换中心

SM-SC 短消息-服务中心       SMS-GMSC  短消息业务-网关移动交换中心

PDN   分组数据网络          TE  数据终端设备（DTE）

图（2-3）支持GPRS业务的PLMN网的逻辑结构

2.4 PLMN的网内基干网和网间基干网

参照图（2-4），在支持GPRS业务的PLMN网中，有两种分组数据基干网络，即PLMN网内基干网和PLMN网间基干网。前者是在同一PLMN网中各GPRS支持节点（GSNs）间相互连接的IP网络；后者是在不同PLMNs网中各GSNs和PLMN网内基干网之间相互连接的IP网络。两个PLMN的网内基干网之间经由边界网关（BGs）、Gp接口和PLMN网间基干网相互连接。该PLMN的网间基干网按照有关运营商间的包括BG安全功能在内的漫游协约进行选择，但在GSM技术规范范围内没有规定BG及其所要求的安全等级。

图（2-4）PLMN的网内和网间基干网络

2.5 网络之间的互工作功能

凡PLMN支持GPRS业务，并在执行业务请求中涉及其它网络的，都需要网间的互工作功能（IWF），这与GSM承载业务需要IWF功能是同一概念。参照本节各图，在Gi参考点和Gp接口点都需要IWF。GPRS业务提供与分组交换公用数据网（PSPDN）的IWF功能，该IWF可以用直接或经由ISDN网转接的方式与PSPDN网互连互通。GPRS应支持X.121和E.164两种地址，并应支持X.25建议的虚电路和快速选择，X.75可以用作与X.25网的IWF功能。GPRS应提供与各基于IP协议网络的IWF功能，当在一个传输控制协议（TCP）连接的前后关系中使用IP协议的数据报时，GPRS应提供TCP/IP包头的压缩。PLMN中的各GPRS业务为IP域，由服务提供商提供服务的各移动终端可以通过所提供的寻址方案进行全球寻址

三 3GPP通用移动通信系统的结构

第三代合作组织（3GPP）从物理和功能的观点提出了UMTS的一般结构，在物理模型方面采用了“域（Domain）”的概念，如图（3-1）所示。在功能模型方面采用了“层（Strata）”的概念，如图（3-2）和图（3-3）所示。两种概念的分别引入和相互映射，允许UMTS网络在IMT-2000系列的各网络中应用。

⒊1 UMTS的物理结构模型

参照图（3-1），所谓“域”是指各实体的一种高层次的组合，各接口的下标“u”表示是UMTS系统的接口。应当指出，图中各域将会是现有网络基础设施演进的结果，例如核心网域可以由现有的GSM、N-ISDN、B-ISDN或PDN网络基础设施演进形成。而这些基础设施的演进可以通过配置在各域中的IWF功能来实现。

基本结构分为用户设备域（UE）和基础设施域（IS），其间的接口Uu为UMTS的无线电接口。用户设备域可以包含具有不同功能层的各类设备，称之为用户终端设备，而且这类设备也可以采用双模或多模方式与一个或多个现有无线或固定的接入接口相兼容。UE域进一步分为移动设备域（ME）和用户业务标识模块域（USIM），其间的参考点为Cu。ME实现无线电传输，并含有各种应用，它还可以细分为实现传输及相关功能的移动终端（MT）和含有端到端应用的终端设备（TE）。USIM域包含各种数据和程序，用以清楚而安全地标识USIM自身。这些功能通常嵌入一个单独的智能卡，而该卡又与指定用户相连系，所以USIM也能够标识该用户，而与他所使用的ME无关。

基础设施（IS）域进一步分为接入网域（AN）和核心网域（CN），其间的参考点为Iu。这样划分的目的是将接入有关的功能与非接入有关的功能分隔开来，同时符合UMTS所采用的模块原理。AN域的特征是直接与UE域和CN域相连接，大体包含特定接入技术的各功能；而CN域的各功能则包含采用任何接入技术的各信息流。这种划分考虑到了适用于CN域的不同方法，每种方法规定不同类型的、可与AN域相连接的核心网；这种划分还考虑到了适用于AN域的不同接入技术，每种类型的、可与CN域相连接的接入网。AN域由管理接入网资源的各物理实体组成，为用户提供接入CN域的机制。

图（3-1）3GPP通用移动通信系统的一般结构模型

核心网域由提供网络特性和通信业务支持的各物理实体组成，所提供的支持包括用户位置信息的管理功能、网络特性和业务的控制功能，以及信令和用户产生信息的交换与传输机制。CN域进一步分为服务网域（SN）、归属网域（HN）传送网域（TN），SN域与HN域间的参考点为[Zu]，SN域与TN域间的参考点为[Yu]。

服务网域是CN网域中与提供用户连接的AN网域相连接的那部分，它代表位于用户接入点的核心网功能。因此，当用户移动后它的位置也随之改变。SN网域主要负责呼叫选路，在信源与信宿间传送用户数据或信息。SN网域还具有与HN网域相互作用的能力，以便为用户提供特定的数据或业务。

归属网域代表在永久性位置所执行的核心网功能，而不考虑用户接入点的位置。UMTS与HN网域的预约申请有关，所以，HN网域至少含有用户特定的数据，并负责预约申请信息的管理。它还处理归属域特定的各种业务，而TN网域很可能不提供这类业务。

传送网域是CN网域中位于SN网域与远程对端（RP）间的通信路径处的那部分，对于给定呼叫，如果远程一方与始发一方的UE位于同一网络内部，则无需激活和使用TN网域。

⒊2 UMTS各域间的功能流

参照图（3-2）和（3-3），它们表示UMTS各域之间的相互作用关系，采用两个图是为了反映SN域与HN域间和SN域与TN域间所交换的各信息流之间的路径转换。图（3-2）表示USIM、MT/ME、AN、SN、HN各域之间的相互作用关系；而图（3-3）表示TE、MT、AN、SN、TN各域及RP之间的相互作用关系。归属层（HS）只涉及图（3-2）所示的各域；应用层（AS）只涉及图（3-3）所示的各域；而服务层（SS）和传送层（TS）则涉及两图所示的各域。

图（3-2）USIM、MT/ME、AN、SN、HN各域之间的功能流

在非邻接的各域（即非直接互连的各域）之间的各直接信息流，是经由位于各末端域间的通信路径上的所有域和接口透明传送的，例如，USIM与HND之间的功能流是经由USIM-MT、MT-AND、AND-SND、SND-HND各接口透明地传送和中继的，而MT、AND、SND各域无须进行翻译。虚线表示所使用的协议不是UMTS特定的协议，在一些情况下，可能是不同的协议。然而，为了提供易于实现的漫游能力，希望与所使用的协议一致。远程对端（RP）代表可以是人或机器的远端实体，将它绘于图中表示端对端的通信特性。

传送层（TS）支持通过UMTS传送来自其它层的用户数据和网络控制信令，除要考虑到传送所用的物理格式外，还涉及差错校正和复原机制；无线接口的数据加密机制，如有要求还包括基础设施部分的加密；数据与所用物理格式的适配机制；有效利用无线接口的数据编码变换机制；以及资源分配和本地到不同接口的选路。接入层（AS）是指传送层中位于SND的边沿节点与MT之间的那部分，这是UMTS特有的，如图（3-2）和（3-3）中的MT-AN和AN-SN的箭头所示。

服务层（SS）包括各种协议和功能，用以在从信源到信宿之间选路/传送用户和网络所产生的数据/信息。该信源和信宿可以在同一网络或不同网络中，与电信业务有关的各种功

图（3-3）TE、MT、AND、SHD、TND及RP之间的功能流

能都位于本层。SS层的协议包括USIM-ME间的协议，它支持接入用户特定的信息，以便支持UE域中的各种功能；MT-SN间的协议，它支持从MT接入SN域所提供的各种业务；TE-MT间的协议，它支持TE与MT间的控制信息的交换。

归属层（HS）包括有关处理和存储预约申请数据和HN特定业务的各种协议和功能；允许其它各域代表HN域起作用的各种功能；有关预约申请数据管理和用户关注事宜管理的各种功能，诸如位于本层的资费和帐单、移动性管理和鉴权。HS层的协议有USIM-HM间的协议，它支持用户特定信息在USIM与HN间的协调；USIM-MT间的协议，它支持MT接入用户特定数据和代表HN行使作用所必需的资源；MT-SN间的协议，它支持MT与SN间的用户特定数据的交换；SN-HN间的协议，它支持SN接入HN数据和代表HN行使作用所必需的资源。

应用层（APS）对于终端用户而言表示应用过程本身，它包括各种端到端协议和功能。这些协议和功能利用HS、SS、TS和基础设施所提供的服务，支持各种业务和增值业务。APS层中的各种功能和协议可以遵循GSM/UMTS标准或它们之外的标准，但其它层所提供的业务定义及它们的接口应按照UMTS标准。

⒊3 PLMN网的基本配置和接口

支持电路交换（CS）和分组交换（PS）业务，并与PSTN/ISDN和PDN各网互连的PLMN网的基本配置和接口如图（3-4）所示。图中认为各功能是在不同设备实体中实现的，所以各接口都是外部接口。当某些功能集中在一个实体实现的情况下，与此有关的接口变为内部接口。

图（3-4）支持CS和PS业务的PLMN网的基本配置和接口

参照图（3-4），各实体间的实线表示支持用户业务的接口链路，虚线表示支持控制信令的接口链路；图中各实体之间是直接互连的，实际上各链路可以由一个重叠的SS7或IP网络提供；核心网域（CN）包括CS业务域和PS业务域；接入网域包括两种不同类型的接入网，一是基站系统（BSS），提供TDMA方式的接入，二是无线网络系统（RNS），它包括一个无线网络控制器（RNC）和一个或多个节点B（Node B），组提供W-CDMA方式的接入；MSC和SGSN可以分别地与上述一种或两种接入网相连接，当MSC与SGSN结合为一个物理实体时，该物理实体叫做UMTS MSC（UMSC）。

[1] EDGE是GSM演进的增强数据，也叫做增强的通用分组无线业务（EGPRS），通过将GMSK调制变为8PSK调制，进一步提高数据传输速率。

[2] 2 PDC是日本于1993-1995引入的2G 25kHz带宽的TDMA 移动通信系统，也称JDC。