1.2 移动核心网发展历程

移动通信系统主要由三部分组成，分别是移动台、无线接入网和核心网（Core Network，CN），如图1-4所示。无线接入网的主要功能是为用户提供无线传输通道，以便用户利用无线信号实现信息传输，此外还提供信息在无线信号和有线信号之间的转换能力。移动台是用户使用的移动通信终端，负责将诸如用户语音之类的自然信息转换为可被系统识别的电子信息，并使用无线接口与系统进行交互。核心网负责系统内信息的交换和路由、用户数据管理和安全及与其他通信系统的信息交换和传输。核心网与移动通信系统的整体发展进程一样，处于不断演进过程中。

1.2.1 2G交换子系统发展概况

2G时代，对核心网的标准称呼是交换子系统。为与现行标准统一，本书中2G核心网仍采用“交换子系统”一词。2G（含2.5G）移动通信系统的主要制式包括GSM、CDMA（IS-95）、cdma2000 1x和GPRS，无线接入网是区别不同制式移动网络的主要因素，而在交换子系统方面，除应用的信令协议、编号方式等有所不同外，组网方式及节点设置大体上是相同的。

GSM与CDMA的交换子系统最初均仅支持电路交换。由于互联网的蓬勃发展，数据业务得到了广泛的应用，2G系统为支持数据业务而引入了GPRS技术。GPRS将分组交换所需的功能实体添加到原有的2G交换子系统中，同时对原有基站系统进行部分改造，使2G交换子系统具备分组交换功能，打破了2G系统仅支持电路交换的早期状态。

2G交换子系统的主要组件包括移动业务交换中心（Mobile Services Switching Center，MSC）、拜访位置寄存器（Visited Location Register，VLR）、归属位置寄存器（Home Location Register，HLR）、鉴权中心（Authorization Center，AUC）等功能实体。各功能实体可以合设在同一个物理实体中，也可以都分开，各自成一个独立的物理实体。MSC除应具备固定网中交换设备所提供的一般功能外，还必须具有移动交换设备所特有的呼叫处理、移动性管理、安全保密、临时本地电话号码（Temporary Local Directory Number，TLDN）分配、无线资源管理、基站控制器与MSC间信道管理等功能。VLR负责存储、检索和登记当前活动在MSC/VLR区域中的移动用户的有关数据，能向HLR检索用户信息，并根据MSC请求向MSC提供用户信息，能根据AUC要求存储鉴权参数。HLR负责存储、检索其归属用户的有关数据，配合VLR完成登记并支持鉴权操作。AUC负责存储鉴权参数和鉴权算法、产生并传送鉴权参数，同时负责保证安全性。

为实现分组交换，GPRS技术在20世纪后期引入了GPRS网关支持节点（Gateway GPRS Supporting Node，GGSN）和GPRS服务支持节点（Serving GPRS Supporting Node，SGSN）两种新的交换子系统功能实体。其中，GGSN定位在网关或路由器，负责为分组交换（Packet Switched，PS）域和外部IP分组数据网提供网络互通，并输出关于外部数据网络使用的计费信息。SGSN负责分组数据包的路由和转发、鉴权和加密、移动性管理、逻辑链路管理、会话管理、话单产生和输出等。数据分组交换网的核心部分正是SGSN和GGSN，通常合称为GPRS支持节点（GPRS Supporting Node，GSN）。短消息业务（Short Message Service，SMS）—网关移动交换中心（Gateway Mobile Switching Center，GMSC）/SMS—互通移动业务交换中心（InterWorking MSC，IWMSC）具备为短消息发送GPRS路由信息请求的能力，从而通过GPRS实现短消息的传递。GPRS网络逻辑结构如图1-5所示。

1.2.2 3G核心网发展概况

与之前的移动核心网相比，3G核心网的变化十分显著。3G核心网由电路交换（Circuit Switched，CS）域和PS域组成，CS域负责向用户提供“电路型业务”以及信令连接路由，而PS域负责为用户提供“分组型数据业务”。总的来说，3G核心网的CS域和PS域都向着IP化的方向逐步演进，国际标准化组织3GPP和3GPP2分别致力于推动从GSM到WCDMA和从CDMA到cdma2000的演进过程。

1. 3G核心网标准演进

从标准制定进程来看，WCDMA、TD-SCDMA对应的核心网的演进共经历了5个阶段，具体见表1-6。

与此同时，另一种3G系统—cdma2000的核心网在其演进过程中引入了下一代网络（Next Generation Network，NGN）的概念。cdma2000核心网标准的演进分为4个阶段，从中也可以看出向全IP化及向IMS演进的趋势，具体见表1-7。

在3G核心网中，鉴于移动核心网要同时处理语音业务、数据业务以及多媒体业务的内在需求，CS域和PS域之间的关系是在逻辑上相互独立、业务流程上彼此分离的。简单来说，3G时代的业务模型是混合服务，但这种混合是用户、终端和无线网络3个层面的混合，在核心网中依然要分开单独处理。语音业务和非语音业务对核心网的处理要求（时延、误码率、带宽需求）不同是其根本原因。

在3G核心网发展初期，CS域的基本结构及功能与2G交换子系统的CS部分类似，到3GPP R4和3GPP2 Phase2通过引入软交换技术实现了控制与承载的分离，MSC演变为控制层的MSC服务器和承载层的媒体网关（Media Gateway，MGW），汇接移动交换中心（Tandem Mobile Switching Center，TMSC）演变为控制层的TMSC服务器和承载层的中继媒体网关（Trunk Media Gateway，TMG）。MSC服务器负责移动性管理、业务控制处理等功能，MGW负责无线接入、业务疏通等功能。基于软交换技术的核心网可以支持多种组网形式和承载方式，能够更灵活地组网，更快速地提供业务，更加集中、方便地进行管理。软交换网络中的语音业务既可以通过IP网络承载，也可以通过TDM网络承载。软交换核心网网络架构如图1-6所示。

随着GPRS技术的发展，3G核心网的PS域逐步转变为以IMS为核心。除了支撑原有的分组数据业务以外，PS域还为IMS提供承载，以支持多媒体业务。

2. 不同制式的3G核心网系统架构

（1）WCDMA、TD-SCDMA核心网系统架构

WCDMA核心网与TD-SCDMA核心网系统架构基本相同，由CS域和PS域组成，系统架构如图1-7所示。

核心网CS域设备包括MSC服务器、GMSC服务器、MGW、信令网关（Signaling Gateway，SG）、VLR、HLR、AUC等；PS域设备包括SGSN、GGSN、计费网关（Charging Gateway，CG）、边界网关（Border Gateway，BG）和域名服务器（Domain Name Server，DNS）等。另外，为了业务和组网的需求，在CS域中增加了TMSC、No.7信令转接点和承载独立呼叫控制（Bearer Independent Call Control，BICC）信令转接点。

（2）cdma2000核心网系统架构

cdma2000核心网分为CS域和PS域。其中，CS域网元包括MSCe、移动关口局（ Gateway Mobile Switching Center element + Gateway Media Gateway， GMSCe+GMGW）、MGW、SG、MSC、VLR、HLR、AUC等；PS域网元包括分组数据服务节点（Packet Data Serving Node，PDSN）、认证授权计费（Authentication, Authorization and Accounting，AAA）服务器、接入网认证授权计费（Access Network AAA，AN-AAA）服务器、归属地代理（Home Agent，HA）和拜访地代理（Foreign Agent，FA）等。

cdma2000核心网CS域话务网的最初阶段由软交换话务网和TDM话务网组成。本地话务由软交换话务网或TDM话务网承载，省内及省际话务通过软交换话务网承载。待TDM设备全部退网后，核心网CS域话务网将仅由软交换话务网组成。演进过程中的cdma2000核心网系统架构如图1-8所示。

1.2.3 4G核心网发展概况

无线侧的速率在4G的LTE时代实现了飞速增长，3GPP也因此将核心网架构的进一步发展作为研究的重要课题，这是“演进的分组核心网”（Evolved Packet Core network，EPC）中的一项重要研究内容。EPC改名前亦称为“系统架构演进”（System Architecture Evolution，SAE）。这个阶段中，IP技术成为移动通信网的核心技术，移动通信网逐步向全网IP化的趋势演进。因此，现有移动核心网需要进行必要的改进，从而实现对IP业务适配的优化，并逐步过渡到全IP、全融合的核心网。同时，为使语音服务（控制和媒体级别）可以作为数据流在LTE数据承载网中传输，从而脱离对传统CS语音网的依赖，4G系统引入了基于LTE的语音业务（Voice over LTE，VoLTE）解决方案。语音业务也已朝着端到端的IP化承载方向发展。

1. EPC

EPC实现了核心网的融合，不仅支持各种3GPP和非3GPP的网络接入方式，还支持多模终端用户的无缝切换。运营商在全业务运营目标的驱动下，逐渐开始面对多制式的网络的运营。EPC的融合性和对多种网络接入方式的支持简化了网络结构，降低了网络运营成本。同时，因为EPC支持各种网络接入方式之间的无缝切换，即使LTE部署初期仅能实现局部覆盖，用户体验也可以得到保障。

为了应对网络流量的飞速增长，EPC控制平面与用户平面的分离以及网络的扁平化成为核心网的发展趋势。移动分组网设备的主要发展障碍是由于用户数量和单用户数据流量的同时增加，造成用户平面的吞吐量急剧增长，分组核心网的投资也因此迅速增加。分组核心网分离了控制平面与用户平面，仅向网关节点提供用户平面处理功能，不仅优化了用户平面的性能，也在很大程度上抑制了其他网络节点如SGSN/移动性管理实体（Mobility Management Entity，MME）的用户平面和承载网络投资的快速增长。

EPC的主要特征如下。

完善了QoS机制，支持端到端的QoS保证。EPC引入了PCC体系结构，增强了计费和QoS策略管理，同时更加灵活。

完全IP化，实现纯分组接入。实现全IP核心网，无CS域业务。

支持多接入技术。不仅与现有3GPP系统（如GSM/GPRS、WCDMA/TD-SCDMA和LTE）互通，而且支持可信的非3GPP IP接入（如CDMA）和不可信的非3GPP IP接入（如WLAN等）两种非3GPP网络的接入。用户可以在3GPP网络和非3GPP网络之间漫游和切换。

增加支持实时业务。简化了网络架构及用户业务连接建立信令的流程，降低了业务连接的时延，保证建立连接所需的时间小于200ms。

网络层次扁平化。压缩用户平面节点，取消无线接入网的RNC，并且用户平面节点在处于非漫游状态时被合并为一个。

EPC网络架构如图1-9所示。

LTE/EPC网络采用控制与承载分离的架构，由MME、服务网关（Serving Gateway，SGW）、PDSN网关（PDSN Gateway）、归属签约用户服务器（Home Subscriber Server，HSS）以及PCC单元等组成。实际组网时，应在网中设置DNS、BG、3GPP AAA服务器等节点。EPC信令网由Diameter路由代理（Diameter Routing Agent，DRA）和Diameter信令点组成，其中DRA单独设置，Diameter信令点由EPC核心网网元MME、HSS、分组数据网网关（Packet Data Network Gateway，PGW）、策略和计费规则功能（Policy and Charging Rule Function，PCRF）、策略和计费执行功能（Policy and Charging Enforcement Function，PCEF）等组成。EPC网络架构中的主要网元及功能介绍如下。

（1）移动性管理实体（Mobility Management Entity，MME）

MME的主要功能是处理非接入网络层（Non Access Stratum，NAS）信令及接入安全验证、跟踪区域（Tracking Area，TA）列表的管理、移动性管理、会话管理、SGW和PGW的选择、跨MME切换时对MME的选择、鉴权、漫游控制及IP地址分配，以及用户终端（User Equipment，UE）在演进的分组系统连接管理（Evolved Packet System Connection Management，ECM）-IDLE状态下的可达性管理等。

（2）服务网关（Serving Gateway，SGW）

SGW是终结与演进的通用陆基无线接入网（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network，E-UTRAN）的接口，主要负责用户平面数据分组的路由和转发，支持在不同的3GPP接入技术间进行切换，在发生切换时充当用户平面的锚点（Anchor）。

（3）分组数据网网关（PDN GateWay，PGW）

PGW是终结与外部数据网络（如互联网、IMS等）的SGi接口，作为3GPP与非3GPP网络间的用户平面数据链路的锚点，主要功能有：提供管理3GPP和非3GPP网络间数据路由的能力；对3GPP接入和非3GPP接入（如WLAN、WiMAX等）间的移动进行管理；负责动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）、策略执行、计费等功能。

（4）归属签约用户服务器（Home Subscriber Server，HSS）

HSS主要用于保存用户标识、编号和路由信息、安全信息、位置信息、概要（Profile）信息等与用户相关的信息，实现LTE接入下的鉴权和移动性管理。

（5）策略和计费规则功能（Policy and Charging Rules Function，PCRF）

EPC的策略控制采用PCC架构，PCRF将基于业务和网络的实际情况生成供PCEF或承载绑定及事件上报功能（Bearing Binding and Event Report Function，BBERF）进行策略执行的策略规则。当GPRS隧道协议（GPRS Tunnelling Protocol，GTP）被用于SGW和PGW之间时，提供策略执行的是位于PGW中的PCEF模块；当SGW和PGW之间基于代理移动互联网协议（Proxy Mobile Internet Protocol，PMIP）进行通信时，提供策略执行的是位于SGW中的BBERF模块。

（6）策略和计费执行功能（Policy and Charging Enforcement Function，PCEF）

PCEF主要提供业务数据流的检测、策略执行和基于流的计费等功能，是PCC系统中的策略及计费执行单元，其功能实体位于网关设备中。

（7）3GPP AAA服务器

3GPP AAA服务器提供对演进的高速分组数据（evolved High Rate Packet Data，eHRPD）网络接入的用户进行认证和移动性管理的能力。

在3GPP AAA服务器中，HSS是EPC鉴权和认证的核心，支持LTE、CDMA和WLAN的网络认证。其中，对于CDMA和WLAN，是由3GPP AAA服务器首先统一处理，再在HSS实现最终的接入认证和鉴权。

2. VoLTE网络

VoLTE是指采用LTE网络实现业务接入，并通过IMS网络进行业务控制的语音解决方案，是4G网络语音业务的终极解决方案。VoLTE能为用户提供高清语音、清晰的视频通话、更丰富的多媒体业务体验。利用VoLTE技术能大幅提升无线资源的频谱效率。VoLTE业务网络涵盖LTE网络及IMS网络，其端到端的网络逻辑架构如图1-10所示。

IMS网络负责VoLTE业务的呼叫控制及业务触发，由P-CSCF/SBC应用功能（Application Function，AF）、S-CSCF、I-CSCF、E-CSCF、IMS-HSS、多媒体电话业务应用服务器（ Multimedia Telephony Application Server， MMTEL AS）、 MGCF/IM-MGW、出口网关控制功能（Breakout Gateway Control Function，BGCF）等逻辑功能单元组成。短信、彩铃、智能网平台等都属于VoLTE业务平台。

LTE网络由无线接入网与EPC构成。无线接入网由eNB组成，信令平面通过S1-MME接口接入MME，用户平面通过S1-U接口接入SGW。EPC为VoLTE用户提供网络接入的数据通道和QoS保证。IMS网络作为VoLTE业务的控制层，EPC网络则是VoLTE业务的承载层。

虽然VoLTE诞生于4G时代，但它真正的绽放时刻却是在5G时代。根据3GPP的定义，5G语音仍将沿用4G的语音架构，也是基于IMS提供语音业务的。但是，由于5G网络实现完善的全覆盖需要经历较长时间，所以在较长的一段时间内，语音会回落到VoLTE，由VoLTE来担当重任。即使到5G后期会通过新空口来承载语音（Voice over New Radio，VoNR），但是在5G覆盖边缘区域，依然会下切到4G，使用VoLTE来满足语音业务需求。毫无疑问，已经走过建设初期的VoLTE，随着5G商用的到来以及难题的逐步解决，将逐步走向全面商用的时代。爱立信的报告中指出，预计到2024年年底VoLTE的用户数将达到60亿户，约占LTE和5G用户总数的90%。

1.2.4 信令网发展概况

作为各种业务网络会话控制的支撑网络，信令网长期以来一直发挥着重要作用，相当于人体的神经网络。根据信令类型的不同，2G/3G/4G移动通信网络中的信令消息可分为No.7信令、SIP信令、GTP信令和Diameter信令。按照信令承载方式来划分，可分为TDM信令和IP信令。目前，原始TDM承载模式只在部分No.7信令消息中保留，其他大多数信令已实现了承载IP化和信令本身IP化的演进。

在2G/3G/4G移动通信网络的各种信令中，属于鉴权、移动性管理类信令的有No.7信令和Diameter信令，这两种信令以用户码号为基础进行信令路由，需支持全国范围的漫游和鉴权管理，因此涉及信令点的全网组网。

1. No.7信令网

No.7信令网主要由各种信令点（Signaling Point，SP）、信令转接点（Signaling Transfer Point，STP）以及SP与STP间的链路构成，用于TDM网络的各网元间传输各类控制信息，是TDM网络时代运营商最大、最重要的信令网络。我国的No.7信令网分为3级，第一级是高级信令转接点（High Signaling Transfer Point，HSTP），第二级是低级信令转接点（Low Signaling Transfer Point，LSTP），第三级是SP。HSTP通常在各个省会城市设立，负责转接与其连接的信令节点的省际信令消息；LSTP通常在各个地级市设立，负责中继省级和本地业务网络节点的信令消息；SP则是各种交换系统和特种服务中心。HSTP分为A平面和B平面，A和B平面内的各个HSTP在它们各自的平面中以网状连接，A和B平面之间通过成对的HSTP互相连接。通常情况下，LSTP成对设置，且成对的两个LSTP之间必须互连，在业务量大的省内，LSTP组网可以参考HSTP A和B平面模式。本地网络中，STP和SP之间的直接连接情况如图1-11所示。

2. 智能网应用规程

智能网应用规程（Intelligent Network Application Protocol，INAP）的作用是在智能网的各功能实体间传送相关信息流，通过信令连接控制部分（Signaling Connection Control Part，SCCP）、事务处理能力应用部分（Transaction Capabilities Application Part，TCAP）实现业务控制点（Service Control Point，SCP）的数据库登记和数据查询等功能，以便各功能实体协同完成智能业务。

智能网使用No.7信令系统进行通信，其中专用于智能网通信的INAP建立在TCAP和SCCP协议层之上。INAP是一种远程操作业务单元（Remote Operation Service Element，ROSE）用户规程，包含在TCAP组件子层中传送。INAP的体系结构如图1-12所示。

图1-12中，当一个物理实体与其他物理实体单独交互时，单相关控制功能（Single Association Control Function，SACF）使用一组应用服务单元（Application Service Element，ASE）提供协调功能。当多个物理实体进行交互时，多相关控制功能（Multiple Association Control Function，MACF）负责提供几组ASE之间的协调功能。INAP是所有智能网ASE规定的总和，其中每个ASE支持一个或多个操作，而单关联客体（Single Association Object，SAO）是SACF以及与其他物理实体单独交互所需要的一系列ASE的总和。TCAP和SCCP支撑智能网的应用部分，智能网中实体之间传输的操作包含在TCAP组件的子层中，并在SCCP中作为单位数据传输。

不同类型的智能网采用不同的协议：固定智能网采用INAP，GSM移动智能网采用CAMEL应用部分（CAMEL Application Part，CAP），CDMA移动智能网采用无线智能网移动应用部分（WIN MAP）协议。无线智能网（Wireless Intelligent Network，WIN）协议是对移动应用部分（Mobile Application Part，MAP）协议的补充，仍然属于原有MAP协议的一部分。因此，WIN MAP与MAP相同，是TCAP的一个用户；然而，CAP协议的情况却不同，CAP和MAP是TCAP的两个不同用户。

3. LTE信令网组织

随着移动网络的发展，从信令演进的角度出发，LTE通常采用Diameter信令网络来进一步简化网络配置，提供负载均衡、流量控制和会话绑定等功能。传统的No.7信令协议已经被Diameter协议所取代，Diameter协议已经成为LTE/EPC网络核心网元之间广泛使用的通信协议。信令网络向IP化的方向发展，而传统的2G/3G网元和Diameter信令网络将长期共存。为满足用户持续增长的新业务需求并增强运营商网络的综合竞争力，信令网络需要同时支持DRA和STP功能。

DRA是构建下一代信令网络的核心网元，主要功能是实现LTE网络内部以及网间信令的互联；信令处理系统（Signaling Process System，SPS）同时支持DRA功能和STP功能，能够同时处理LTE中Diameter信令转发处理平台、漫游边界网关及信令业务处理和短消息业务中心（Short Message Service Center，SMSC）、SCP、HLR等网元的No.7信令消息。

SPS提供LTE网络中的Diameter信令转发处理平台、漫游边界网关和信令服务的处理能力，如图1-13所示。Diameter协议是一个互联协议，有50多个接口使用该协议。不同厂家对每个接口协议的理解和实现可能存在差异，有可能会导致不兼容。由于Diameter协议在不同的3GPP中的版本可能不一致，不同Diameter协议版本的网络接口也可能不兼容。为实现对每个厂家每个网元的Diameter信令的适配，Diameter通过人机语言（Man-Machine Language，MML）配置命令，按照配置的策略，对于不同对端设备的不同接口，在发送—接收消息的过程中，根据对不同的应用ID、源域名、目的域名、源主机名、目的主机名、命令码、消息类型的组合条件来确定对满足条件的Diameter消息进行增加、修改或删除属性值对（Attribute Value Pair，AVP）以及修改消息头等操作。

当SPS用作STP设备时，它可以提供TDM和Q703 2Mbit/s链接以处理和转发传统网络中的No.7信令消息。