GSM 系统结构

移动通信网主要分交换传输部分和无线部分，交换传输部分与 PSTN 网很类似，而无线

网络是特有的，无线比有线存在很多不确定因素，而移动无线电比固定无线通信由于其移动

性和传播条件的恶劣就更复杂。无线网络的优劣常常成为决定移动通信网络好坏的决定因素

之一，也是网络优化的重点。

一套完整的蜂窝移动通信系统主要是由交换网络子系统（SS）、无线基站子系统（BSS）、移动台（MS）及操作维护子系统（OMC）四大子系统设备组成。由于 GSM规范是由北欧一些运营公司制定出的规范，为了照顾各运营公司的利益，因此 GSM 规范对系统的各个接口都有明确的规定。也就是说，各接口都是开放式接口。

GSM 系统如图所示，SS 系统包括有移动业务交换中心（MSC）、拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）和移动设备识别寄存器（EIR）；BSS系统包括有基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。为了各个厂家所生产的设备可以通用，上述各组成部分的连接都必须严格地符合规定的接口标准。GSM系统遵循 CCITT 建议的公用陆地移动通信网（PLMN）接口标准，采用7号信令支持 PLMN 接口进行所需的数据传输。

交换网络子系统

交换网络子系统（SS）主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的

数据库功能。SS 由一系列功能实体所构成，各功能实体介绍如下：

1．MSC 移动交换中心

它是 GSM 网络系统的核心部分，是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话

路交换的功能实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。MSC 提供交换功能，

完成移动用户寻呼接入、信道分配、呼叫接续、话务量控制、计费、基站管理等功能，还可

完成 BSS、MSC 之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等，并提供面向系统其它

功能实体和面向固定网（PSTN、ISDN 等）的接口功能。作为网络的核心，MSC 与网络其他

部件协同工作，完成移动用户位置登记、越区切换和自动漫游、合法性检验及频道转接等功

能。

MSC 处理用户呼叫所需的数据和后面介绍的三个数据库有关，它们是 HLR 、VLR 和

AUC，MSC 根据用户当前位置和状态信息更新数据库。

2．HLR 归属位置寄存器

HLR 是一个静态数据库，用来存储本地用户数据信息的数据库。一个 HLR 能够控制若

GSM 网络优化

干个移动交换区域或整个移动通信网，所有用户重要的静态数据都存贮在 HLR 中，在 GSM

通信网中，通常设置若干个 HLR，每个用户都必须在某个 HLR（相当于该用户的原籍）中登

记。登记的内容分为两类：一种是永久性的参数，如用户号码、移动设备号码、接入的优先

等级、预定的业务类型以及保密参数等；另一种是暂时性的需要随时更新的参数，即用户当

前所处位置的有关参数，即使用户漫游到 HLR 所服务的区域外，HLR 也要登记由该区传送

来的位置信息。这样做的目的是保证当呼叫任一个不知处于哪一个地区的移动用户时，均可

由该移动用户的原地位置寄存器获知它当时处于哪一个地区，进而建立起通信链路。

HLR 储存两类数据：

一是用户的参数，包括 MSISDN、IMSI 、用户类别、Ki，补充业务等参数。

二是用户的位置信息，即该 MS目前处于哪个 MSC/VLR 中的 MSC/VLR 地址。

3．VLR 拜访位置寄存器

VLR 是一种用于存储来访用户位置信息的数据库。一个 VLR 通常为一个 MSC 控制区服

务，也可为几个相邻 MSC 控制区服务。当移动用户漫游到新的 MSC 控制区时，它必须向该

地区的 VLR 申请登记。VLR 要从该用户的 HLR 查询有关的参数，要给该用户分配一个新的

漫游号码（MSRN），并通知其 HLR 修改该用户的位置信息，准备为其它用户呼叫此移动用

户时提供路由信息。如果移动用户由一个 VLR 服务区移动到另一个 VLR 服务区时，HLR 在

修改该用户的位置信息后，还要通知原来的 VLR，删除此移动用户的位置信息。因此 VLR

可看作一个动态的数据库。

VLR 用于寄存所有进入本交换机服务区域用户的信息。VLR 看成是分布的 HLR，由于

每次呼叫，它们之间有大量的信令传递，若分开，信令链路负荷大，所以在爱立信系统中，

VLR 和 MSC 配对合置于一个物理实体中，将 MSC 与 VLR 之间的接口做成 AXE 的内部接

口。

VLR 中也寄存两类信息：

一是本交换区用户参数，该参数是从 HLR 中获得的。

二是本交换区 MS 的 LAI 。

无线基站子系统

BSS 系统是在一定的无线覆盖区中由 MSC 控制，与 MS 进行通信的系统设备，它主要

负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制器（BSC）和基站

收发信台（BTS）。

基站子系统 BSS 在 GSM 网络的固定部分和无线部分之间提供中继，一方面 BSS 通过无线接口直接与移动台实现通信连接，另一方面 BSS 又连接到网络端的移动交换机。

1．BSC 基站控制器

基站控制器（BSC）是基站收发台和移动交换中心之间的连接点，也为基站收发台和操

作维护中心之间交换信息提供接口。一个基站控制器通常控制多个基站收发台，其主要功能

是进行无线信道管理、实施呼叫和通信链路的建立和拆除，并为本控制区内移动台的过区切

换进行控制，控制完成移动台的定位、切换及寻呼等，是个很强的业务控制点。

2．BTS 基站收发台

基站收发台（BTS）包括无线传输所需要的各种硬件和软件，如发射机、接收机、支持

各种上小区结构（如全向、扇形、星状和链状）所需要的天线，连接基站控制器的接口电路

以及收发台本身所需要的检测和控制装置等。BTS 完全由 BSC 控制，主要负责无线传输，完

成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。

BTS 包括无线收发信机和天线，此外还有与无线接口相关的信号处理电路。信号处理电

路将实现多址复用所需的帧和时隙的形成和管理，以及为改善无线传输所需的信道编、解码

和加密、解密，速率适配等功能。

一个呼叫过程的实例：

1．主叫拨号

市话用户 A 拨打 GSM 用户 B 的 MSISDN 号码，PSTN 网络的交换机分析 MSISDN 号码，

得知 B 用户为移动用户，它把呼叫转到 GSM 网络上距它最近的一个具有入口功能的移动业

务交换中心 GMSC。

2．GMSC 分析被叫号码

GMSC 分析该号码为某位置寄存器 HLR 的用户后，就将 MSISDN 号码送至该 HLR，要

求查询有关该被叫用户目前所在的位置信息。

3．HLR 申请漫游号码 MSRN

HLR 把 MSISDN 号码转换成 IMSI 后查出用户目前处于哪个 MSC，然后将该 IMSI 发至

该 MSC，向该 MSC 申请分配一个漫游号码 MSRN。

4．选定漫游号码 MSRN

MSC 收到 IMSI 后，临时给被叫用户 B 分配一个漫游号码，并将此号码送回 HLR，再由

HLR 返回给 GMSC 使用。

5．连接呼叫至被叫所在的 MSC

GMSC 收到 MSRN 后，用此号码选择一条出中继路由至 MSC。MSC 将负责本次呼叫的

建立和计费功能。

6．MSC 寻呼被叫

MSC 发出寻呼命令到 MS 所在位置区内的所有无线基站，再由基站向被叫用户 B 发呼叫

信号。

7．基站寻呼被叫用户 B

基站收到寻呼命令后，将该寻呼消息（含有 MS 的 IMSI）通过无线控制信道发射。MS

接收到寻呼后向基站发回响应信号。

8．呼叫连接

MS 响应信号经 BTS、BSC 送回 MSC，经鉴权、设备识别后认为合法，则令 BSC 给该

MS 分配一条 TCH，接通 MSC 至 BSC 的路由，并向主叫送回铃音，向被叫振铃。当被叫摘

机应答，则系统开始计费，通话开始。

名词解释

IMEI：Internation Mobile station Equipment Identities(IMEI)国际移动台设备识别码IMEI

MSISDN：移动用户号码

MSISDN的组成

CC：国家码。即移动台登记注册的国家码，中国为86。

NDC：国内网络接入号码。中国移动网为135~139，联通为130~131.

SN：用户号码。采用等长8位编号计划，具体号码分配由运营公司决定。

IMSI：国际移动用户识别码

MCC：移动国家码。唯一的标识移动用户所属的国家。中国的MCC为460。

MNC：移动网号，识别移动用户所归属的移动通信网(PLMN)。中国移动的MNC为01，中国联通为02.

MSIN：移动用户识别码，唯一地识别某一移动通信网中的移动用户。

NMSI：国家移动用户识别码。由MNC与MSIN组成。

LAI：位置区识别码

位置区是指移动台可任意移动而不需要进行位置更新的区域，它可由一个或若干个小区组成，为了呼叫移动台，系统在一个位置区内所有基站同时发寻呼信号。位置区识别码LAI用于检测位置更新和信道切换的请求。

MCC、MNC与IMSI中该部分相同。

LAC是位置区号码，用于识别GSM网络中的一个位置区，它可以由运营部门自定。

LAC：位置区码

为了确定移动台的位置，每个GSM PLMN的覆盖区都被划分许多位置区，位置区码(LAC)则用于标识不同的位置区。

CI：小区识别

为了唯一地标识GSM PLMN中的每个小区，网络运营者需要分配给网络中所有的小区一个代码，即：小区识别(CI)。小区识别(CI)与位置区识别(LAI)码结合，用于识别网络中每个BTS及其覆盖的小区。

AO：ApplicationOriginated应用发起

AT：ApplicationTerminated应用终止

MO：MobileOriginated终端发起

MT：MobileTerminated终端终止

BS：Bearers Service 载波服务

BSC：Base Station Controller 基站控制器

BSS：Base Station System 基站子系统

BTS：Base Transceiver Station 基站

CI：Cell Identity 小区标识

GSM：Global System for Mobile conmmunications 全球移动通信系统

GGSN：Gateway GPRS Support Node 网关GPRS支持节点

HLR：Home Location Register 归属位置寄存器

SGSN：SERVICING GPRS SUPPORT NODE

PLMN：Public Land Mobile Network 公用陆地移动网络

PCF：分组控制功能

PSDN：Packet Switched Data Network分组交换数据网

RADIUS：Remote Authentication Dial In User Service远程用户拨号认证系统

IMEI：International Mobile Station Equipment Identity 国际移动台设备标识

ISDN：Integrated Services Digital Network 国际业务数字网

IWMSC：Inter Working MSC 互联的MSC

MS：Mobile Station 移动台

MSC：Mobile service Switching Center移动（业务）交换中心

MSISDN：Mobile Station International ISDN Number 移动台国际ISDN号码

VLR：Visitor Location Register 接入位置寄存器

WAP：无线应用协议(Wireless Application Protocol)它提供了一个业界技术规范，以便开发出适用于各类无线通信网络的应用和业务。

WSP：无限会话协议(Wireless Session Protocol)。WSP为上层的WAP应用层提供了两种会话服务的统一接口，其中一种会话服务是运行在事务处理层协议WTP之上的基于链接模式的服务，另一种是运行在安全或非安全数据报传输服务之上的无限链接服务。

WTP：无线传输协议(Wireless Transaction Protocol)它是无线应用协议组中一个协议，其能够通过安全的或不安全的无线数据网络来进行有效操作。它提供三种不同的传输服务：不可靠的单向传输、可靠的单向传输和可靠的双向传输。这一层也包括一个控制每个接受信息安全性的可选的用户到用户的可靠性。为了减少信息发送的量，延迟确认可以被应用。

CS域、PS域和IMS：

3G核心网分为电路交换域（CS域，Circuit SwitchedDomain）和分组交换域（PS域，Packet　SwitchedDomain）。

CS域为用户提供“电路型业务”或相关信令连接路由；

PS域为用户提供“分组型数据业务”。PS域源于通用无线分组业务（GPRS，General Packet RadioService），在GPRS（2.5G技术）的基础上实现了功能扩展和增强，其最终目的是提供高速的分组数据业务。

IMS以IP分组网络作为承载，可以通过GPRS接入，为3G用户服务还可以有其他接入方式如WLAN、xDSL等，为非3G用户服务。IMS作为融合IP网络中的统一的呼叫控制核心，促进了网络融合。

从功能上来说，IMS作为新的子系统，和电路域、分组域有着并列关系，即3G核心网在3GPPR5版本以后可以分为CS域、PS域和IMS。通过PS域接入IMS服务，对PS域提出了新要求，如Go接口、P-CSCF发现机制、基于流的计费等。对于基本的语音呼叫和视频呼叫，可以通过IMS和CS域互通实现。在业务发展上，CS域和IMS是业务互补、网络互通、融合替代的关系。

CS域和PS域共用的功能实体

HLR：完成移动用户的数据管理（MSISDN、IMSI、PDP ADDRESS、LUM INDICATOR、签约的电信业务和补充业务及其业务的的适用范围）和位置信息管理（MSRN、MSC号码、VLR号码、SGSN号码、GMLC等）

VLR：处理当前用户的各种数据信息

AUC：存储用户的鉴权信息（密钥）

EIR：存储用户的IMEI信息

SMS－GMSC和SMS IMSC：SMS－GMSC用于保证短消息正确的由SC发送至移动用户。SMS IMSC用于保证短消息正确的由用户发送至SC。

CS域功能实体

MSC：完成电路交换型业务的交换功能和信令控制功能。

GMSC：在某一个网络中完成移动用户路由寻址功能的MSC。GSMC可以与MSC合设，也可分设。

IWF：与MSC紧密相关的一个功能实体。完成PLMN网络与ISDN、PSTN、PDN网络之间的互通（主要完成信令转换功能），其具体功能可以根据业务和网络种类的不同进行规定。

PS域功能实体

GSN（SGSN、GGSN）：完成分组业务用户的分组包的传送。存储用户的签约信息（IMSI、PDP ADDRESS）和位置信息（SGSN：VLR号码、CELL或ROUTING AREA； GGSN：SGSN号码）。

BG：完成两个GPRS网络之间的互通，保证网络互通的安全性。

核心网基本结构

WCDMA（R99）核心网概述

1. 核心网网络

因需求导致了对带宽更高的要求，使2G/2.5G的技术体制在无线接入侧和核心网络侧都暴露出较大的局限性，而WCDMA（3G）技术体制由于采用了CDMA技术和ATM网络协议结构，使得在无线接入侧和核心网络侧，都以宽带系统来设计，和2G/2.5G相比有着无可比拟的优势。WCDMA采用DS-CDMA多址方式，空中接口的码片速率是3.84Mcps，载波带宽5MHz。核心网基于MAP，支持宽带业务，其中高速移动环境支持144kb/s，步行慢速移动环境支持384kb/s，室内支持2Mb/s的数据传输速率。

R99核心网分为电路域（CS）和分组域（PS）两部分。CS 域和PS域分别是在GSM phase 2+的电路核心网和GPRS核心网的基础演变而来的。CS域主要处理传统的电路型业务如电话、语音及ISDN等，PS域则处理有关的分组数据业务。WCDMA要求实现与GSM网络的全兼容，核心网技术标准是在现有的GSM/GPRS基础上发展的，它把GSM MAP 协议作为上层核心网协议。GSM网络的语音和分组数据业务是由MSC/GSN不同的网络节点实现的，WCDMA（R99）依然采用这种处理方式，将语音和数据分别处理。

在核心网侧，为了支持高速数据业务，提高数据的传输速率，3GPP在核心网和无线接入网之间增加了ATM接口，即将2G中GSM的A接口与2.5G中GPRS的Gb接口用Iu接口替代。

基于3GPP的R99基本网络结构图如图1所示。

图1 WCDMA R99 的网络结构和接口

R99核心网CS域将实现用户能够在任何时候、任何地点、任何服务网中获得与在归属环境"看起来相同、感觉相同"的业务。在业务方面不仅要完全支持GSM Phase 2阶段以上和GPRS的业务，还要对未来的业务进行支持，并且系统要提供与现有固定网一致的较高的服务质量。3G可以通过协商业务量和QoS特征的方式支持高比特率的承载业务，还可以有效地支持突发和不对称业务，支持 Internet接入、移动多媒体、多呼叫等业务。在应用方面，通过增强和综合，提供定位服务和移动智能业务等。

3G PS域就是3G的GPRS部分，其主要的功能实体包括SGSN、GGSN、CGF等。SGSN主要和UTRAN相连，负责移动用户的移动性管理、接入控制、鉴权、路由选择、地址翻译和映像、数据包的中转、流量控制、QoS管理等功能。GGSN则主要与外部数据网相连，作为GPRS的外部数据网关，它主要负责用户和网络间分组数据包的封装和中转、消息的传递、地址翻译和映像和部分移动性管理工作。CGF的主要作用则是收集SGSN和GGSN的计费数据，传送到计费系统中进行处理。

R99核心网PS域为移动用户主要提供承载数据业务，包括点对点数据业务(PTP)和点对多点数据业务(PTM)，同时还支持补充业务和短消息业务，提供以GPRS承载业务为基础的各种电信业务，如网络应用业务。其中PTP又包括数据包类型的、无连接的PTP和虚电路类型的、面向连接的PTP业务，而面向连接的PTP为两个用户或多个用户之间传送多路数据分组建立逻辑虚电路(PVC)。

2. Iu接口：Iu_CS 和Iu_PS

从整个网络结构看，R99核心网与GSM、GPRS之间差异较小，主要差别是在无线资源网络（RNS）和核心网（CN）之间增加了Iu接口，相应地在有关协议层等方面进行了补充和改变。

核心网的CS域Iu接口部分称为Iu_CS，PS域Iu接口部分称为Iu_PS。Iu接口又分为Iu控制平面和Iu用户平面，Iu控制平面传送信令，Iu用户平面传送用户数据。Iu_CS和Iu_PS分别对应于GSM的A接口和GPRS的Gb接口。Iu口的传输采用ATM，将ATM看作L1、L2技术，上层业务改变较小，主要是使用ATM的PVC作为承载。

图2是Iu_CS的协议结构

Iu-CS与A接口之间的最大差别还是底层的差别。从图2的协议栈可以看出，lu接口建立在ATM的基础之上；而A接口的信令建立在七号信令的SCCP层之上。A接口采用64kbps的地面电路承载用户面数据，而Iu在用户平面采用ATM的AAL2适配协议承载用户面数据，AAL2连接是由Q.2630.1协议动态建立；在控制平面上，对宽带和窄带信令都要实现。

同样，对于Iu_PS接口，由于在核心网和接入网之间增加了Iu接口，有关协议和处理也进行了改变。底层主要承载在ATM的AAL5适配层上，物理层一般采用STM-1（155Mbps）的光接口。R99的PS域就是构建在IP之上，PS域的GTP隧道是采用IP承载的。图3显示的是Iu_PS的协议结构。

由于底层承载采用ATM技术，相应地增加了ATM适配层AAL5，AAL5主要完成上层信令到ATM信元的转换，这是一个重要变化。RANAP主要是负责封装和承载高层信令，并处理3G_SGSN和无线接入网之间的信令。GTP协议则对PTP分组数据协议的PDUs进行封装。

三、 基于Rel 4/5的全IP网络

在WCDMA（R99）版本中，考虑到与现有GSM系统兼容以及IP技术对实时业务支持不足的问题，核心网结构采用话音电路业务和数据业务分离。在Rel 4/5版本中，关于核心网网元有以下主要变动：

MSC的分化。可以将MSC分成两个不同的实体：MSC Server和MGW（Media Gateway Function）。其中MSC Server和MGW分别负责处理信令和用户数据，两者组成了完全意义上的MSC。

HSS，是用于存储用户签约信息的主数据库，2G中HLR可以认为是它的一个子集。它须完成GSM HLR的MAP功能和具有提供基于IP的信令接口的能力。

R―SGW，此信令网关主要完成基于Rel 4前网络上传输的七号信令和R99后网络上传输的IP信令之间的转换。

T―SGW，是连接PSTN和3G核心网之间的信令网关。

MGW，是无线接入网UTRAN和3G 核心网之间的实体接口。同时是PSDN/ISDN网络和核心网之间的网关节点，具有回声抑制、资源控制等功能。

图4是基于Rel 4/5的网络结构，可以看出这样的网络结构可以支持R99 CS域的终端。同固定网中PSTN正向与IP骨干网结合的趋势相一致，移动网将逐步与IP网络融合，IP将作为用户语音、数据以及信令的统一载体。

图4 基于Rel 4/5的网络结构

全IP网络的特点是：（1）网络结构是基于分组技术，以便同时实现实时和非实时业务；（2）网络结构基于演进的性能加强的GPRS网络；（3）所有的IP接口和相关的网络接口应支持实时多媒体业务；（4）IP用于所有数据和信令的下层传输。

通过在IP网上构建逻辑独立的信令处理服务器处理控制信令（相当于MSC/SGSN的信令处理能力），构建业务应用服务器提供业务，从而实现"业务/控制/交换/适配"的逻辑分离。整个网络结构分为五部分：移动网络；同时支持UTRAN和GPRS技术的移动接入网络，以及其它方式的接入系统；GPRS网络；呼叫控制；连接外部网络的网关。全IP网络是通信发展的趋势，只是目前技术尚未完全成熟，难以马上实施。一旦VoIP和IP QoS技术成熟，即可在IP上实现语音、数据的统一传输，实现移动网络与IP网络的统一。全IP网络是第三代移动网络的发展趋势，目前可以通过语音/数据一体化平台构建3G核心网络，实现向全IP网络的平滑过渡。

WCDMA R99核心网

WCDMA R4/5核心网

MMS系统构成

构成MMS业务系统的主要网络单元如下图所示：

MMSC（多媒体消息业务中心）是整个系统的核心，它完成对MM的存储和处理，包括消息的输入输出、地址解析、通知、报告等等，它由MMS中继服务器MMS Relay 、MMS Server、User DB、Message Store共同组成。

WAP网关，因为SMS的传输信道对于MMS来说太窄了，所以MMS使用WAP的WSP作为传输协议，因此需要一个WAP网关连接MMSC和无线WAP网络 。

MMS Redirector（MMS重定向器）：全网范围内会有若干个MMSC，它们的URL地址是唯一的，MMS重定向器就是负责发送者用户归属MMSC路由查询功能的网络实体 。

ENUM-DNS（号码域名解析器）：解析接收方用户归属的MMSC的地址，接收MMSC发送的查询请求，查询接收者地址对应的归属MMSC的URI地址，并返回给MMSC，由MMSC将消息发往该用户归属MMSC服务器。