第1章 移动核心网概述

移动核心网是移动通信业务的接入、承载和业务提供网络，移动核心网包括电路域、分组域和多媒体域。本章首先探讨了移动核心网的发展历程和技术现状，并使读者了解到在目前移动互联网业务高速发展的情况下移动核心网的技术发展趋势。

1.1 移动通信的发展历程

1978年，美国贝尔实验室开发了先进移动电话业务（AMPS）系统，这是第一种真正意义上的具有随时随地通信能力的大容量的蜂窝移动通信系统。AMPS采用频率复用技术，可以保证移动终端在整个服务覆盖区域内自动接入公用电话网，具有更大的容量和更好的语音质量，很好地解决了公用移动通信系统所面临的大容量要求与频谱资源限制的矛盾。20世纪70年代末，美国开始大规模部署AMPS系统。AMPS 以优异的网络性能和服务质量获得了广大用户的一致好评。AMPS 在美国的迅速发展促进了在全球范围内对蜂窝移动通信技术的研究。到20世纪80年代中期，欧洲和日本也纷纷建立了自己的蜂窝移动通信网络，主要包括英国的ETACS系统、北欧的NMT-450系统、日本的NTT/JTACS/NTACS系统等。这些系统都是模拟制式的频分双工（Frequency Division Duplex，FDD）系统，亦被称为第一代蜂窝移动通信系统或1G系统。1G系统的主要特征及使用地区见表1-1。

1G 系统采用蜂窝组网和频率复用等关键技术，有效地解决了当时的常规移动通信系统所面临的频谱利用率低、容量小及业务的服务质量差等问题，在商业上取得了巨大的成功。不过，1G 系统在技术和体制上也存在诸多局限。一方面，尽管不同制式的1G系统具有很多相似的特征，但是并没有发展成一个全球的共同标准，各个国家和地区都自行选择与其国情相适应的系统制式和通信频段，无法实现全球漫游；另一方面，随着用户数的增长，对蜂窝系统的容量要求越来越高，系统容量与频谱资源之间的矛盾也日益尖锐。理论上，蜂窝可以无限分割，频率复用距离也可以做到越来越小，但是蜂窝变小后，来自多方面的干扰也将变得难以排除，实际上限制了蜂窝无限缩小对系统容量的改善作用。此外，模拟系统还存在同频干扰和互调干扰、系统保密性差及提供的业务种类比较单一等局限。

为了解决第一代蜂窝移动通信系统中存在的上述根本性技术缺陷，采用数字调制技术的第二代蜂窝移动通信系统或2G系统从20世纪90年代开始逐渐发展起来。1992年，欧洲开始铺设全球第一个数字蜂窝移动通信网络——GSM（Global System Mobile），由于其优良的性能，GSM在全球范围内迅速扩张，GSM用户数一度超过全球蜂窝系统用户总数的70%。此后，美国的DAMPS和日本的JDC等2G系统也相继投入使用。这些系统的空中接口都采用了时分多址（Time Division Multiplex Access， TDMA）接入方式。1993年，美国推出了基于码分多址（Code Division Multiplex Access， CDMA）接入技术的IS-95系统。2G系统以传送语音和低速数据业务为目的，与采用频分多址（Frequency Division Multiplex Access，FDMA）接入方式的1G 系统相比具有很多优点，如频谱效率高、系统容量大、保密性能好等。2G 系统的基本特性见表1-2。

下面就其中具有典型特点的GSM和CDMA系统做简要说明。

GSM 可以工作在 900MHz 或 1800MHz 频段，使用 900MHz 频段的 GSM 称为GSM900；使用1800MHz频段的GSM称为DCS1800。GSM采用FDD方式和TDMA方式，利用200KHz载波带宽提供语音和低速数据业务。GSM标准体制较为完善，技术相对成熟，其不足之处是相对于模拟系统容量增加不多，无法和模拟系统兼容，不能提供分组数据业务等。为了弥补GSM提供分组数据业务能力的不足，基于GSM开发了GPRS（Generic Packet Radio Service）系统，GPRS是架构于GSM上的无线网络，能提供较高速率的分组数据业务。

IS-95可以工作在800MHz或1900MHz频段，使用800MHz频段的CDMA系统称为蜂窝系统；使用1900MHz频段的CDMA系统称为PCS系统。IS-95采用FDD方式和CDMA方式，利用1.25MHz载波带宽提供语音和低速数据业务。IS-95系统中采用了扩频、RAKE接收及功率控制等关键技术，具有良好的抗干扰特性，极大地提高了系统容量。由于CDMA系统在提高系统容量和抗干扰及无线衰落等方面的明显优势，使得CDMA技术成为第三代移动通信的核心技术。

总之，2G 系统主要采用TDMA或CDMA方式，具有频谱利用率高、保密性好和语音质量好的特点，既可以支持语音业务，也可以支持低速数据业务。无论是采用TDMA技术的GSM，还是采用CDMA技术的IS-95，其体制标准均较为完善，技术相对成熟。不过，随着数据业务（尤其是多媒体业务）需求的不断增长，2G 系统在系统容量、频谱效率等方面的局限性也日益显现。

在 20世纪80年代模拟蜂窝系统开始大规模商用时，多种制式的模拟蜂窝系统之间无法实现漫游。为了实行全球统一标准并能全球漫游，1985 年国际电信联盟（ITU）提出了未来公共陆地移动通信系统（FPLMTS）的概念。FPLMTS 是第三代移动通信系统的前身，其目的是实现任何人在任何时间、任何地点，能向任何人传送任何信息。1992年世界无线电大会（WARC）为FPLMTS确定了2GHz附近共230MHz的频谱。1994年，ITU-R和ITU-T开始合作研究FPLMTS，其中ITU-R负责无线接入技术的标准化；ITU-T负责网络的标准化。为了解决2G系统所面临的主要问题，同时满足对分组数据传输及频谱利用率更高的要求，1995年ITU将FPLMTS更名为国际移动电信2000（IMT-2000），即第三代移动通信系统或3G系统。

下面将重点介绍3G系统及其核心网技术的发展。

1.2 3G核心网的概况

IMT-2000 是第三代移动通信系统（3G）的统称。第三代移动通信系统最早由国际电信联盟（ITU）1985年提出，考虑到该系统将于2000年左右进入商用市场，工作的频段在 2000MHz，且最高业务速率为 2000Kbps，故于 1996 年正式更名为IMT-2000（International Mobile Telecommunication-2000）。

第三代移动通信系统是一种能够提供多种类型、高质量多媒体业务，能够实现全球无缝覆盖，且有全球漫游能力，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类通信的通信系统。

3G的技术标准包括CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA三种技术制式。3G技术的标准化工作由3GPP（3rd Generation Partner Project）和3GPP2来推动实施。3GPP主要采用WCDMA和TD-SCDMA技术，3GPP2主要采用CDMA2000技术，这三种技术制式的核心网都是在第二代移动通信网的技术上平滑演进，以提供更加丰富的业务。

WCDMA和TD-SCDMA技术是在3GPP进行研究，对核心网来讲，WCDMA和TD-SCDMA的网络架构是一致的。下面将分别介绍WCDMA和CDMA2000的核心网技术和演进。

1.2.1 WCDMA核心网技术

WCDMA标准已经发展多年，到目前为止，主要有5个版本，即3GPP R99、3GPP R4、3GPP R5、3GPP R6和3GPP R7。从网络架构的角度来看，主要是R99、R4和R5三个大的版本，在架构上有较大的变化，R6和R7版本主要是对R5版本的功能上的增强，对网络架构并无大的调整。从R8版本开始，3GPP开始制定LTE和EPC的技术标准。R8版本后的3GPP研究进展将在LTE核心网章节进行介绍。

1.R99网络架构

R99是第一个商用的WCDMA版本，1999年12月功能冻结，2000年3月在3GPP正式通过。R99版本的网络结构如图1-1所示。R99支持所有GSM的业务，并提供优质的AMR语音、定位业务等。

R99网络架构的简介如下。

1）无线接入部分

无线接入网（UTRAN）采用WCDMA技术，由RNC（无线网络控制器）和Node B（基站）组成；

Iu、Iub、Iur接口均采用ATM传输。而在GSM中BSC与MSC之间采用了TDM技术，BSC与SGSN之间采用帧中继作为承载数据的协议。

2）核心网部分

核心网（CN）分为电路域（CS）及分组域（PS）两大部分，CS域采用基于GSM的MAP协议，话音仍利用电路交换；PS域采用在GPRS基础上改进的GPRS隧道协议（GTP）。电路域的主要设备包括移动交换中心（MSC）/拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）/鉴权中心（AuC）和设备识别寄存器（EIR），分组域包括GPRS服务支持节点（SGSN）、GPRS网关支持节点（GGSN）。

移动交换中心（MSC）是网络的核心，它提供交换功能，为用户提供语音等业务，它对其管辖区域中的移动台进行控制、交换，并是所管辖区域中MS呼叫接续所需检索信息的数据库。拜访位置寄存器存储进入其覆盖区域中的移动用户的全部信息，使得移动交换中心能够建立呼入和呼出的呼叫。

GPRS服务支持节点（SGSN）用于执行数据业务的移动性管理、安全管理、接入控制盒路由选择功能等。GPRS网关支持节点（GGSN）负责提供GPRS/PLMN与外部分组数据网的接口，并提供必要的网间安全机制。

归属位置寄存器（HLR）存贮与用户有关的数据，包括用户签约的业务信息、用户的漫游能力，它还为移动交换中心提供移动台实际漫游所在地的信息。鉴权中心（AuC）存储保证移动用户通信信息隐私的鉴权参数等信息。GSM中采用鉴权三元组采用A3/A8算法对用户进行鉴权；WCDMA R99版本中采用鉴权五元组，定义了新的加密算法，并采用认证令牌机制增强用户鉴权机制的安全性。

R99 网络架构的主要特点是无线接口采用了WCDMA技术，采用了自适应多速率（AMR）编码技术、快速功率控制技术和软切换技术；在核心网上，R99和GSM非常类似，只是在部分接口和功能上有所增强。核心网仍采用了TDM技术，虽然具有技术成熟、互通性好的特点，但是在接入网已经分组化的AAL2话音仍必须经过编解码转换器转化为64kbit/s的TDM语音，导致核心网的传输资源利用率低。在业务提供方面，R99对业务提供更加灵活，在智能网方面，提出CAMEL3，可支持分组域数据业务的预付费；提出开放业务架构（OSA），便于第三方参与各种新业务的开发。

2.R4网络架构

3GPP的R4版本在2001年3月功能冻结。在3GPP R4版本中，核心网的电路域采用了承载与控制分离的架构。将MSC分成了MSC Server和MGW。MSC Server主要负责控制呼叫的建立、进程的管理和计费等相关功能。MGW 主要负责传输用户的数据。由于承载与控制的分离，在电路域引入了新的承载技术（ATM 和 IP）来传输电路域的语音和信令。关于分组域，3GPP R4和R99版本没有区别。R4版本的网络架构如图1-2所示。

R4在无线接入部分和核心网方面的变化主要包括以下部分。

无线接入网部分：

☁ 增加TD-SCDMA的接入方式；

☁ 规定了直放站的使用，用于扩大建筑物、隧道、高速公路上的覆盖；

☁ 增强无线接入承载（RAB）的功能，支持VoIP包头压缩。

核心网部分：

☁ 电路域采用了承载与控制分离的思想，将MSC的功能分解为MSC服务器和MGW；

☁ 提出了TrFO技术，在移动呼叫移动时直接将AMR话音在网络中传输；

☁ 采用了新的信令技术，如BICC、SIP-T和H.248；

☁ 核心网内的No.7信令的传输方式增加了基于ATM和IP的传输；

☁ 业务方面进行完善，包括OSA、LCS以及MExE改进完善。

R4 版本最主要的特点是在电路域引入了软交换的概念，采用控制和承载分离的网络结构，其中MSC Server是软交换控制器，MGW是承载设备，网络结构如图1-3所示。

R4中的主要接口包括Iu-CS接口、Mc、Nb和Nc接口，Iu-CS接口是RNC和MSC Server和MGW之间的接口，RNC和MSC Server之间的接口为信令接口，应用协议是RANAP，RNC和MGW之间的接口是承载接口，用于传送用户数据。Nc接口是MSC Server之间的接口，使用BICC协议。Nb接口是MGW之间的接口，如果采用IP承载，二者之间的协议是IPBCP；如果采用ATM承载，二者之间的协议是Q.2630。Mc接口是MSC Server和MGW之间的接口，采用扩展的H.248协议。

MSC Server是软交换控制器，负责所有控制相关的功能，处理RANAP、MAP、BICC、H.248信令，具体功能包括如下方面：

1）基本呼叫处理功能，包括呼叫建立和释放相关的信令处理功能；

2）移动性管理功能，包括登记、切换、寻呼等移动性管理功能；

3）鉴权和用户数据管理功能，主要指配合 AUC完成鉴权和对VLR中各种用户数据进行管理；

4）互通功能，主要指与其他系统的信令互通，包括与 PSTN、NGN 等网络的互通；

5）媒体网关控制功能，通过扩展是的H.248对MGW进行控制。

MGW是用户数据的承载设备，主要功能包括：

1）语音处理功能，支持AMR编码完成AMR语音在网络中的传送，支持G .711， G .729，G .723完成与PSTN和NGN的互通；

2）媒体资源的控制和管理功能，包括 TC、EC 和信号音等资源的控制和管理功能；

3）信令网关功能，作为和其他网络的互通设备，MGW应具有信令网关功能。

与R99架构相比，R4版本引入了软交换的分层架构，将语音和控制信令分组化，使得分组域和电路域可以承载在一个分组网络上，实现语音、数据、信令的统一承载，可以有效地降低承载网络的运营和维护成本。由于承载和控制的分离，使得厂家设备的集成度更高，使得呼叫控制的服务器和MGW设备可以灵活防止，提高了组网的灵活性，集中放置的呼叫控制服务器可以使业务的开展更加快捷、方便。同时，TD-SCDMA无线接口技术在3GPP R4阶段被采纳，但从核心网架构来看，并无影响。

与R99相比，R4版本的业务趋于实时化和多样化，主要包括实时传真、PS域实时业务切换、多媒体消息服务、面向分组数据服务的运营者决定的闭锁业务、定位业务的增强、VHE概念的智能业务的增强等。

3.R5网络结构

随着数据业务和移动互联网应用的增长，WCDMA 的网络架构逐渐向着全 IP化的方向发展，3GPP R5版本的功能于2002年6月功能冻结，在R5版本中引入了IMS（IP Multimedia System），R5成为全IP的第一个版本。

R5版本接入网部分采用全IP，核心网在电路域（CS）、分组域（PS）的基础上引入了IMS域，IMS域是在分组域基础上的多媒体业务系统，用于提供各种实时的和非实时的会话和多媒体业务。R5中只定义了IMS域的基本功能，大量的功能在以后的版本中进行了完善。图1-4是R5版本的电路域（CS）和分组域（PS）的网络架构。

在R5中，用户数据库用HSS替代了原有的HLR，它包含了原有的HLR和AuC的功能并对其进行了扩展。HSS 存储与网络实体完成呼叫/会话处理相关的业务信息（用户标识、编号和寻址信息）、用户安全信息（鉴权、认证信息）、用户位置信息以及用户基本数据信息。HSS不仅仅完成电路域、分组域的用户接入的鉴权认证，也同时完成IMS域的接入用户的鉴权认证。

IMS域与R4电路域相比在网络中的作用不同，IMS是在原有承载网络的基础上附加的网络，用户可以通过接入网和核心网的分组域接入IMS。IMS采用SIP协议，综合实现话音、数据和多媒体业务，它和电路域相对独立，并可以实现互通。因为它的接入无关性，所以承载网可以是 R4 分组域、R99 的分组域甚至是 GPRS的分组网络。因此，IMS从功能上说更加贴近应用层而不是承载网络。图1-5是3GPP定义的IMS网络的功能架构图。

IMS 域也是控制和承载分离的方式，核心的 SIP 服务器是 CSCF，控制层面的功能实体还包括MGCF、MRFC。承载功能实体包括IMS-MGW和MRFP。R5版本主要协议是SIP协议、H.248协议、DIAMETER协议、COPS协议。SIP协议是R5中的基本协议，3GPP的SIP协议是在IETF的SIP协议的基础上的扩展。

IMS 域的主要网元包括 CSCF、BGCF、MGCF、IMS-MGW、MRFC、MRFP 和SLF等。

CSCF是IMS的核心控制网元，按照功能可以分为P-CSCF、I-CSCF和S-CSCF， CSCF是一个SIP服务器，主要功能包括：

1）处理SIP信令，完成会话控制；

2）登记、鉴权、对话建立和管理。

BGCF是IMS与CS/PSTN的分界点，BGCF的主要功能是选择在哪里与CS域或 PSTN 互联，并将 SIP 信令转至 MGCF，如果和其他运营商的网络互通，BGCF将SIP信令转至其他运营商的BGCF。

MGCF是IMS和CS/PSTN信令互通的设备，主要负责SIP信令与ISUP或BICC的转换，并通过H.248协议控制IMS-MGW。

IMS-MGW是IMS和CS/PSTN承载互通的设备，它和R4中的互通MGW功能基本相同，是电路域的承载信道和分组域媒体流的终结点，它与MGCF交互进行资源控制、回声消除和净荷处理等。

MRFC和MRFP合作提供铃声，语音通知和多方话音会议等应用的媒体控制。MRFC通过H.248协议控制MRFP，MRFP控制Mb接口的承载，完成媒体分析、语音编码转换和将来自多方的媒体流进行混合等媒体流处理功能。

SLF与多个HSS连接，在登记和会话建立期间，接受I-CSCF和S-CSCF的查询，获得HSS的地址，从而找到HSS。业务由网络侧发起时，也可以接受AS的查询，通过Sh接口获得HSS的地址。

R5版本的主要特点是引入了IMS域，希望利用IMS来提供IP多媒体业务，R5主要提供端到端的IP多媒体业务，除了原有CAMEL和OSA业务外，新增加了基于IMS的多媒体业务，如VoIP、POC、即时消息、呈现等。在R5的IMS架构中，由于业务层、控制层和承载层完全分开，这种业务和控制完全分离的架构更有利于新业务的引入。为了解决IP地址的问题，IMS引入了IPv6。同时，引入了HSDPA技术，该技术提供高速下行分组接入，速率可达 8～10Mbit/s。接入网通过引入 IP技术实现端到端的IP化。

在3GPP 后续的R6至R7版本中，移动核心网的网络架构没有大的变化。

3GPP R6版本在2004年12月份冻结，在R6版本中主要的变化包括：

1）为满足高速上行数据业务的用户需求，R6 版本在无线接入网方面提出了HSUPA技术，通过引入E-DCH传输信道、自适应调制和编码、快速混合自动重传等技术，将上行数据峰值速率提高至5.76Mbit/s；

2）移动核心网方面，R6版本在系统构架方面没有做大的改变，主要是对IMS技术进行了功能增强，尤其对IMS与其他系统的互操作能力进行了完善，如与外部IP多媒体网络、与CS域之间、与WLAN网络之间的互通等，并引入了策略控制功能（PDF）作为QoS规则控制实体；

3）在业务方面，R6版本进一步增强了业务能力：对无线信道、信令以及核心网实体都进行了修改以支持广播多播业务（MBMS）；在IMS业务方面，对Presence、多媒体会议、Push、PoC等业务及应用进行了定义和完善。

3GPP R7版本在2007年3月冻结，R7版本在R6阶段的基础上进行了进一步的功能与性能增强。

1）无线接入网方面，主要进行了HSPA的增强与演进（HSPA+），即通过引入MIMO、高阶调制（上行16QAM、下行64QAM）、连续性分组连接（CPC）、干扰删除、L2增强、高级接收机、发射分集等高级无线传输技术，将HSPA+系统的峰值数据速率提高至下行42Mbit/s、上行11Mbit/s；

2）移动核心网方面，R7版本继续对IMS技术进行了增强，提出了语音连续性（VCC）、CS域与IMS域融合业务（CSI）等重要课题，在安全性方面引入了Early IMS技术，以解决2G卡接入IMS网络的问题。并将R6版本的PDF与流计费（FBC）相融合，提出了策略控制与计费（PCC）的新架构，完成资源接纳控制和业务质量控制功能，但R7版本的PCC是一个不可商用部署的版本；

3）在业务方面，R7版本对组播业务、IMS多媒体电话、紧急呼叫等业务进行了严格定义，使整个系统的业务能力进一步大大丰富。

1.2.2 CDMA2000核心网技术

CDMA2000是TIA标准组织用于指代第三代CDMA的名称。适用于3G CDMA的TIA规范称为IS-2000，该技术本身被称为CDMA2000。IS-95向CDMA2000的技术演进路线如图1-6所示，其中空中接口系列标准包括CDMA2000 1x、1x EV-DO和1x EV-DV，移动核心网与无线接入网独立向前发展。

CDMA2000 1x技术标准完全后向兼容IS-95。核心网部分增加了分组域以支持较高速率的分组数据业务；空中接口使用了前向快速功率控制、反向信道相干解调、快速寻呼、Turbo 码等关键技术，目的是改善无线传送的质量，提高频谱效率及系统容量。CDMA2000 1x具有3G系统的部分功能，可以从IS-95进行平滑升级，两者的商用时间之间的间隔不太长，业界有时也将CDMA2000 1x作为2.5G系统看待。

目前CDMA2000 1x已经发展出CDMA2000 Release 0、Release A、Release B、Release C和Release D等5个版本，商用较多的是Release 0版本；部分运营网络引入了 Release A 的一些功能特性；Release B 作为中间版本被跨越；1x EV-DV （Evolution-Data Only）对应于CDMA2000 Release C和Release D。其中，Release C增加前向高速分组传送功能；Release D 增加反向高速分组传送功能。

1x EV-DO（Evolution-Data-Only）是一种专为高速分组数据传送而优化设计的CDMA2000空中接口技术，已经发展出Release 0和Release A等两个版本。其中， Release 0版本可以支持非实时、非对称的高速分组数据业务；Release A版本可以同时支持实时、对称的高速分组数据业务传送。支持下行（向前链路）数据速率最高3.1Mbps，上行（反向链路）速率最高到1.8 Mbps。

1.CDMA2000 1x

CDMA2000 1x容量是IS -95A系统的两倍，可支持144Kbps的数据传输；与IS-95A 相比，在无线信道类型、物理信道调制和无线分组接口功能上都有很大的增强，网络部分则引入分组交换方式，支持移动 IP 业务，这些技术特点都是为了适应更多、更复杂的第三代业务。

CDMA2000 1x 提供反向导频信道，从而使反向信道也可以做到相干解调，与IS-95系统反向信道所采用的非相关解调技术相比可以提高3dB增益，相应的反向链路容量提高1倍。CDMA2000 1x采用前向快速功率控制技术，可以进行前向快速闭环功率控制，与IS-95系统前向信道只能进行较慢速的功率控制相比，大大提高了前向信道的容量，并且减少基站的耗电。CDMA2000 1x引入了快速寻呼信道，极大地减少了移动台的电源消耗，提高了移动台的待机时间。支持CDMA2000 1x的移动台待机时间是IS-95移动台待机时间的5倍以上。CDMA2000 1x前向信道还可以采用分集发射（OTD 和 STS），提高信道的抗衰落能力，改善前向信道的信号质量。CDMA2000 1x前向信道采用了发射分集技术和前向快速功控后，前向信道的容量约为IS-95A系统的2倍。CDMA2000 1x业务信道可以采用Turbo码，因为信道编码采用Turbo码时比采用卷积码时有2dB的增益，因此CDMA2000 1x系统的容量还能提高到未采用Turbo码时的1.6倍。CDMA2000 1x还定义了新的接入方式，可以减少呼叫建立时间，并减少移动台在接入过程中对其他用户的干扰。

对于CDMA2000 1x的分组业务，系统除了建立前向和反向基本业务信道之外，还需要建立相应的辅助码分信道。如果前向链路需要很多的分组数据传输量，基站通过发送辅助信道指配消息建立相应的前向辅助码分信道，使数据在消息指定的时间段内通过前向辅助码分信道发送给移动台。如果反向链路需要很多的分组数据传输量，移动台通过发送辅助信道请求消息与基站建立相应的反向辅助码分信道，使数据在消息指定的时间段内通过反向辅助码分信道发送给基站。可以看出，辅助信道的设立使CDMA2000 1x能更灵活地支持分组业务。

CDMA2000 1x可以提供 144Kbps速率的数据业务，而且增加了辅助码分信道等，可以对一个用户同时承载多个数据流和多种业务，所以CDMA2000 1x提供的业务比IS-95有很大的提高，为支持各种多媒体分组业务打下了基础。CDMA2000 1x网络架构图如图1-7所示。

CDMA2000 1x 网络包括电路域和分组域。电路域主要用来承载话音和短信业务。主要包括MSC（VLR）和HLR（AuC）等设备。移动交换中心（MSC）负责提供对所管辖区域的移动终端进行呼叫控制、移动性管理、电路交换等功能。拜访位置寄存器（VLR）存储与呼叫处理有关数据的数据库，用于完成呼叫接续。归属位置寄存器（HLR）负责管理移动用户信息的数据库，包括用户识别信息、签约业务信息以及用户的当前位置信息。鉴权中心（AuC）产生鉴权参数并对用户进行认证鉴权，一般AuC和HLR合设。

分组域架构包括简单IP的网络架构和移动IP的网络架构。当使用简单IP时，核心网分组域主要包含PDSN及AAA等功能实体；当使用移动IP时，核心网分组域还应增加外地代理（Foreign Agent，FA）和归属代理（Home Agent，HA）等功能实体。

核心网分组域的逻辑实体主要包括PDSN与AAA。AAA可以分为三类：归属地AAA（Home AAA，HAAA）、拜访地AAA（Visited AAA，VAAA）及代理AAA （Broker AAA，BAAA）。核心网分组域通过A10/A11接口或R-P接口与RAN进行通信。核心网主要用于提供AT接入到因特网。为了接入到因特网，AT必须获得一个IP地址。核心网分组域提供两种接入方法：简单IP接入和移动IP接入。两者之间的主要区别是AT获得IP地址及其数据分组路由转发的方法不同。采用简单IP接入时，接入业务提供者（Access Service Provider，ASP）在事先设定的网络域中为AT统一分配IP地址。如果AT离开该网络域，则在新的网络域中必须重新分配IP地址，才能进行分组数据会话。其中，P-P 是相邻 PDSN 之间的接口；Pi 是 PCN与因特网之间的接口。

当采用移动IP接入时，AT在全网保持固定的IP地址，由归属网络而非ASP为其分配IP地址。在移动IP情况下，核心网的架构参考模型如图1-8所示。其中， FA和HA分别执行外部代理和归属代理的功能；FA功能可以由拜访地PDSN提供。

PDSN 作为网络接入服务器（Network Access Server，NAS），主要完成三方面的功能：负责建立、维持和释放与AT之间的PPP连接；负责完成移动IP接入时的代理注册；转发来自 AT 或因特网的业务数据。在采用简单 IP 接入时，PDSN 作为NAS使用，负责为AT分配IP地址。在采用移动IP接入时，HA为AT分配IP地址， PDSN作为FA使用，负责实现HA-IP与FA的转交地址（Care of Address，CoA）之间的绑定。

FA 的主要功能是在移动 IP 接入时，提供移动 IP 的注册、FA-HA 反向隧道（Reverse Tunneling）的协商以及数据分组的转发等。

HA提供用户漫游时的IP地址分配、路由选择和数据加密等功能，负责将分组数据通过隧道技术发送给移动用户，并实现PDSN之间的宏移动（Macro Mobility）管理。

AAA负责管理分组网用户的权限、开通的业务、认证信息、计费数据等内容。由于AAA采用的主要协议是RADIUS，故AAA也常被称为RADIUS服务器。

2.1x EV-DO网络架构

1x EV-DO系统的基本设计思想是将高速分组数据业务与低速语音及数据业务分离开来，利用单独载波提供高速分组数据业务，而传统的语音业务和中低速分组数据业务由CDMA2000 1x系统提供，这样可以获得更高的频谱利用效率，网络设计也比较灵活。同时充分考虑到1x EV-DO系统与CDMA2000 1x系统的兼容性，并利用CDMA2000 1x/1x EV-DO双模终端或混合终端（Hybrid Access Terminal）的互操作，来实现低速语音业务与高速分组数据业务的共同服务。

从网络结构上看，1x EV-DO与CDMA2000 1x基本一致，两者的主要差异在于1x EV-DO作为数据业务专用网络，不支持电路型语音业务，因而不存在电路核心网。从接口协议上看，1x EV-DO 定义了新的Um 接口协议，其A接口功能及其通信协议与CDMA2000 1x大致相似；其核心网内部接口协议及其与外部IP网络之间的接口协议与CDMA2000 1x基本一致，均遵从CDMA2000无线IP网络标准中的有关规定。

1x EV-DO RevA版本能够在1.25MHz的单载频上提供3.1Mbps的前向峰值速率和1.8Mbps的反向峰值速率，能适用有突发性大数据量需求的应用场合。EVDO Rev A 对 IP 协议提供了有力的支持，能够方便用户在任何时间、任何地点接入Internet。

1.3 LTE核心网简介

迫于WiMAX等移动通信技术的竞争压力，为继续保证3GPP系统在未来10年内的竞争优势，3GPP标准组织在R8阶段正式启动了长期演进（LTE）与系统架构演进（SAE）两大重要项目的标准制定工作。

LTE（Long Term Evolution）是3G与4G之间的过渡技术，是3.9G标准或者准4G标准，在LTE网络技术中，取消了无线网络控制器（RNC），采用扁平网络结构。在 20MHz 频谱带宽下能够提供下行 100Mbit/s 与上行 50Mbit/s 的峰值速率。3GPP制定LTE标准的目标是希望新的技术具有更高的数据速率、更低的延时、改进的系统容量和覆盖范围以及较低的成本。在3GPP TR25.913中对LTE系统的需求指标设计如下：

1.峰值数据速率。在最大20MHz下，下行峰值速率达到100Mbit/s，上行峰值速率达到50Mbit/s；

2.提高频谱效率；

3.减少控制平面时延，UE从待机状态到开始传输数据时延不超过100ms（不包括下行寻呼时延）；

4.用户吞吐量。下行每兆赫兹用户吞吐量为R6 HSDPA的3～4倍，上行频谱效率为R6 HSUPA的2～3倍。

为了实现上述的指标，除了要考虑空中接口的技术之外，还要考虑网络体系架构的改进。其主要目标就是要期望实现更高的数据速率、更低的时延。

LTE网络架构的主要需求是：

1.基于单一的分组的E-UTRAN的网络架构；

2.基于分组业务的网络架构，支持实时以及会话类业务；

3.尽可能不通过增加额外的回程开销，最小化“单点失败”出现的机会；

4.尽可能简化和最小化引入的接口的数量；

5.如果需要提高系统性能，不排除无线网络（RNL）与传输网络层之间的交互；6.支持端到端QoS，传输网络层向无线网络层提供适当的QoS；

7.QoS机制需要考虑存在的多种业务类型，保证有效的带宽使用率；

8.最小化时延抖动。

基于以上需求，LTE 网络架构采用了扁平化、IP 化的网络架构，无线侧的E-UTRAN用E-NodeB替代了原有的RNC-NodeB结构，各网络节点之间的接口使用IP传输，原UTRAN的CS域业务均可由LTE网络的PS域承载，通过IMS系统提供语音及多媒体业务。LTE的核心网定义为EPC（Evolved Packet Core），即演进的分组核心网。作为与 LTE 同步发展的技术，EPC 架构更加符合未来移动通信网络发展的需求，采用了承载和控制分离的网络架构，能够进一步提供网络性能的同时，满足用户日益增加的业务需求。EPC核心网架构的特征包括：

1.控制面与用户面完全分离，网络趋向于更加扁平化。

EPC网络控制面与用户面的分离以及用户面的扁平化的趋势，也是应对网络流量激增的必然选择。从UMTS特别是HSPA部署后，单用户的数据流量和高速接入用户数的双边增长，导致了移动网络的数据流量达到了 GSM 时代的十倍甚至百倍以上。用户面的吞吐能力逐渐成为移动分组网络设备 SGSN、GGSN 的主要瓶颈，同时也导致分组核心网的投资飞速增长。EPC对分组核心网进行控制面与用户面分离，用户面的网关设备主要包括 P-GW 和 S-GW；负责信令面处理的功能从原来3G网络架构的SGSN节点中分离出来，形成一个新的功能实体MME。这使得分组核心网只要对网关节点提供用户面处理，不仅大大节省了其他网络节点如SGSN/MME 的用户面投资以及承载网的投资的快速增长，同时优化了用户面的性能。

2.支持3GPP与非3GPP（如Wi-Fi、Wimax、CDMA等）多种接入方式，并支持用户在3GPP网络和非3GPP网络之间的漫游和切换。

EPC网络实现了核心网的融合，支持各种3GPP接入方式和non-3GPP网络的共接入，并支持多模终端用户的无缝移动性。LTE的引入和移动运营商全业务运营的发展趋势，使得单个运营商开始面对运营多种制式网络。支持多种网络共接入的EPC网络，实现核心网的融合，使得网络结构更加简单，降低了网络运营成本。同时EPC网络支持各种接入方式之间的无缝移动性，提高LTE用户在LTE部署初期局部覆盖时的使用感受。

3.核心网中不再有电路域，EPC成为移动电信业务的基本承载网络。

在 EPC 网络中，只定义了分组域的网络架构，不再有电路域；语音、短信等电路域业务可以基于IMS的VoLTE的分组架构承载，也可以采用CSFB等方案仍使用电路域来承载语音和短信等业务。由于 EPC 网络中不再有电路域，LTE 的语音解决方案也成为运营商部署LTE网络时研究的重点问题。

综上所述，LTE网络结构较UMTS而言进行了大幅度的简化，LTE/EPC网络架构如图1-9所示。EPC核心网的主要网元包括MME、P-GW、S-GW、HSS、PCRF等，EUTRAN的无线侧接入设备主要是eNodeB。

移动性管理实体（MME：Mobility Management Entity）：主要功能是处理NAS信令及接入安全验证，跟踪区域（Tracking Area）列表的管理，移动性管理，会话管理（对EPS承载的激活、修改和释放，以及接入网侧承载的释放和建立），PGW和Serving GW的选择，跨MME切换时对于MME的选择，鉴权，漫游控制及IP地址分配，以及UE在ECM-IDLE状态下可达性管理（包括寻呼重发的控制和执行）。

服务网关（S-GW：Serving Gateway）：是面向eNodeB终结S1-U接口的网关。S-GW对基于GTP的S5/S8接口可以提供的主要功能有当eNodeB间切换时作为本地锚定点并协助完成eNodeB的重排序功能，合法监听以及数据包的路由和前转，根据每个UE，PDN和QCI的上行链路和下行链路的相关计费等。

PDN网关（P-GW：PDN Gateway）：是面向PDN终结于SGi接口的网关。如果UE访问多个PDN，UE将对应一个或多个PDN GW。PDN-GW对基于GTP的S5/S8提供的主要功能有基于用户的包过滤，合法监听，UE的IP地址分配，在上行链路中进行数据包传送级标记，上下行服务等级计费以及服务水平门限的控制，和基于业务的上下行速率的控制。同时PDN GW还提供仅基于GTP的S5/S8接口的主要功能有上下行链路承载绑定，上行链路绑定校验等。

归属签约用户服务器（HSS：Home Subscriber Server）：是用于存储用户EPC签约信息的数据库，归属网络中可以包含一个或多个HSS。HSS负责保存跟用户相关的信息，例如用户标识、编号和路由信息，安全信息，位置信息，轮廓信息等。HSS同时还负责与不同域和子系统中的呼叫控制和会话管理实体进行联系。

策略和计费规则服务器（PCRF：Policy and Charging Rule Function）：该功能实体包含策略控制决策和基于流计费控制的功能，向PCEF提供关于业务数据流检测、门控、基于QoS和基于流计费（除信用控制外）的网络控制功能。

演进型的Node B（eNodeB：Evolved Node B）：是LTE系统的无线接入设备，主要完成无线接入功能，具体包括空口资源管理功能，用户数据的 IP 头压缩和加密功能，默认MME选择功能，用户面数据到核心网的路由功能，寻呼消息的调度和发送功能（MME发起），广播信息的调度和发送功能（MME或O&M发起），测量与用于移动和调度的测量报告配置功能，公共预警消息的调度和发送功能（MME发起）。

3GPP R8版本在2009年3月份冻结，R8版本重点针对LTE/SAE网络的系统架构、无线传输关键技术、接口协议与功能、基本消息流程、系统安全等方面进行了细致的研究和标准化。R8版本是LTE/SAE技术标准的第一个版本。

在完成 LTE/SAE 网络技术规范制定的同时，R8 阶段还进行了一系列技术标准的增强和完善工作。

（1）HSPA+增强与演进：包括对FDD HSDPA的64QAM与MIMO的合并使用、增强型服务小区改变（E-CC）、CS over HSPA、双载波HSDPA、上行L2增强、增强型上行CELLFACH、语音呼叫连续性（VCC）等项目的研究。

（2）家庭基站技术：为解决3G系统的室内覆盖难题，增强室内用户的数据传输能力，R8 阶段专门针对 3G 家庭基站（HomeNodeB）及演进型家庭基站（Home eNodeB）进行了研究。

（3）IMS技术的增强：主要包括IMS中心化业务（ICS）、单射频语音呼叫连续性（SR-VCC）、多媒体业务连续性（MMSC）和IMS接入企业网等课题的研究。

另外，R8阶段还提出了Common IMS课题，即重点解决3GPP与3GPP2、TISPAN等几个标准化组织之间IMS技术的融合与统一。

3GPP R9版本在2010年3月份冻结，与R8版本相比，R9版本是一个小版本，主要是对R8版本的功能进行了增强，增强的功能具体如下：定义了EPS系统对紧急呼叫的支持、增强型MBMS（E-MBMS）、基于控制面的定位业务，以及LTE与WiMAX系统之间的移动性支持。另外，R9版本还将开展一些新课题的研究与标准化工作，包括：公共告警系统（Public Warning System，PWS）、业务管理与迁移（Service Alignment and Migration，SAM）、个性化回铃音（CRS）、多PDN接入及IP流的移动性、Home(e)NodeB安全性，以及LTE技术的进一步演进与增强（LTE Advanced）等技术的研究。

3GPP R10版本在2011年3月份冻结，R10版本定义了LTE-A（LTE Advanced）技术，R10是R8的增强版本，并且向下兼容R8。R10版本的理论峰值速率分别达到了下行1Gbit/s，上行500Mbit/s 的水平，因此被称为LTE-Advanced/LTE-A，也就是所谓4G技术。

在R10版本中，为了满足更高的性能指标，在无线侧引入了一系列的关键技术，载波聚合（CA）、上下行多天线（MIMO）增强、多点协作传输（CoMP）、中继（relay）、异构网络等关键技术。

在移动核心网方面，主要对 PCC 进行了增强、网络发现与选择功能的增强（eANDSF）、对 CSFB 进行了增强（eCSFB），并且引入了统一用户数据库（UDC）和统一APN支持多PDN连接（MUSAP）等技术。

3GPP R11版本在2012年7月份冻结，并启动了R12版本的制定工作。R11中在移动核心网方面主要定义了基于DPI的PCC技术的增强、定义了WLAN通过固定网络接入时与移动网络接入使用PCC的网络架构和流程、机器通信对LTE的架构的增强以及WLAN接入EPC的架构等。

目前，R12版本已经启动了研究，R12版本将重点研究基于机器通信的增强、PCC 支持固网宽带接入网络、运营商与外部应用提供者的互通（MOSAP），WLAN的网络选择、WLAN分流、移动核心网的过载解决方案、IP流的移动性等技术。

1.4 移动核心网的技术发展趋势

移动核心网是移动通信业务的接入、承载和业务提供网络。经过从第一代移动通信技术向第四代移动通信技术的发展，移动核心网从开始只有电路域，只具备提供语音、短信的窄带业务能力，向着支持分组域和多媒体域，提供高速的移动宽带接入和丰富的多媒体业务的方向发展。移动核心网技术的发展也已经全面进入“IP”时代，“IP化、融合化、宽带化、多媒体化”的发展趋势已经成为移动核心网技术发展的主要特征。从电路域看，移动软交换已经全面替代了 TDM 交换技术，向 IP化演进；从分组域来看，宽带的EPC架构成为4G时代融合的核心架构；以IMS为核心的多媒体域，也将在4G时代成为提供语音和多媒体业务的重要实体。在4G网络时代，GSM和CDMA两大阵营的移动核心网的架构将向着IMS+EPC的架构演进。

1.电路域向着软交换的架构演进

从技术标准上，3GPP在WCDMA的R4版本引入了软交换技术，实现了承载与控制分离以及语音的 IP 化承载，软交换的技术已经十分成熟。从运营商的网络部署来看，移动 TDM 交换机面临着容量小、节点数量多、部分设备老化、位置分散、运维成本高等问题，从 2007 年开始，全球主流的运营商都启动移动核心网的IP化战略，用软交换系统替代原有的TDM交换机。目前，软交换的网络架构已经成为全球运营商电路域采用的主要技术架构。

2.分组域向着统一的EPC融合架构演进

随着无线宽带技术的发展，移动宽带业务呈现爆发式的增长。据统计，全球TOP 30的运营商的网络流量从2008年到2010年增长了4.7倍，预计未来随着移动宽带和智能终端的普及，还将呈爆炸式的增长。

从技术标准上，R8版本提出了融合2G/3G/4G/WLAN的统一EPC核心网架构， EPC架构不仅能够支持 3GPP的 UMTS/LTE的接入方式，而且还能支持 CDMA和WLAN、Wimax等非3GPP接入的移动核心网，因此EPC架构成为未来支持异构网络融合的移动核心网架构。EPC中定义的PCC架构将支持灵活的计费和策略控制，能够对分组域的业务实施监控和灵活的QoS调度，实现运营商的管道从“哑管道”向着“智能管道”的演进。

3.IMS成为固定、移动融合的控制网络

3GPP将IMS定义为未来的核心控制架构，3GPP是研究common IMS的主要组织，TISPAN、3GPP2等组织都将IMS统一到3GPP进行研究，因此3GPP定义的IMS是支持固定、移动综合接入的融合架构。运营商希望用IMS提供更多的多媒体业务，但是随着移动互联网的快速发展，IMS所定义的多媒体业务都被移动互联网的提供商纷纷替代，如IMS定义了呈现和及时消息业务，但用户更青睐于QQ、微信、MSN和Skype。IMS目前的主要应用是在固网，主要向固网运营商提供VOBB业务，如法国电信部署IMS系统，对家庭网关用户VOBB业务，向企业用户提供ICT等业务。目前，随着LTE的规模部署，IMS已经开始向移动用户提供语音和RCS业务。2012年11月，韩国的LGU+运营商，在他的LTE覆盖区内，向用户提供基于IMS的VOLTE业务，并提供高清语音（HD Voice）的服务。Verizon、NTT DOCOMO等运营商也在积极准备在LTE广覆盖后向用户提供基于IMS的VOLTE业务。因此，在LTE阶段，IMS将成为为固定、移动提供语音和多媒体业务的融合控制网络。

4.IMS+EPC将成为未来移动核心网的核心架构

在LTE阶段，并未定义电路域网络，随着移动宽带的发展，电路域提供的语音、短信等业务必将被分组域的 IP 语音和多媒体业务所替代，因此未来移动核心网的网络架构将主要是EPC+IMS的网络架构。EPC网络成为2G/3G/4G/WLAN等异构网络的统一接入的移动核心网，IMS将为用户提供语音和多媒体业务。