UMTS快速指南

---

---

移动通信的历史

无线通信对我们的祖先来说是一种魔法，但马可尼在1895年用他的无线电报实现了它。无线通信可以分为三个时代。

• 先驱时代（至1920年）
• 蜂窝前时代（1920-1979）
• 蜂窝时代（1979年以后）

第一个商用移动电话系统于1946年在美国圣路易斯由贝尔公司推出。少数幸运的客户获得了服务。早期的移动系统使用单一的高功率发射机和模拟调频技术，覆盖范围可达约50英里，因此由于带宽的严重限制，只有有限的客户可以获得服务。

蜂窝时代

为了克服带宽稀缺的限制并为更大范围的人群提供覆盖，贝尔实验室引入了蜂窝的概念。通过频率复用技术，这种方法提供了更好的覆盖范围、更好地利用了可用的频谱，并降低了发射机的功率。但是，当手机移动时，已建立的呼叫需要在基站之间进行切换。

尽管美国贝尔实验室引入了蜂窝原理，但北欧国家是第一个在商业上引入蜂窝服务的国家，他们在1981年推出了北欧移动电话（NMT）。

第一代系统

所有这些系统都是模拟系统，使用FDMA技术。它们也被称为第一代（1G）系统。基于蜂窝原理，出现了不同的系统。它们列在下面。

1G系统的缺点

• 它们是模拟的，因此对干扰不稳健。
• 不同的国家遵循自己的标准，这些标准是不兼容的。

为了克服1G的困难，大多数国家选择了数字技术，并开启了一个新的时代，称为2G。

2G的优点

• 通过使用先进的调制技术实现了改进的频谱利用率。
• 较低的比特率语音编码使更多用户能够同时获得服务。
• 信令开销的减少为容量增强铺平了道路。
• 良好的信源和信道编码技术使信号对干扰更加稳健。
• 增加了短信等新服务。
• 实现了访问和切换控制的效率提高。

GSM的历史

GSM标准是欧洲标准，它解决了与兼容性相关的许多问题，尤其是在数字无线电技术发展方面。

GSM里程碑

• 1982年 - 欧洲邮电会议（CEPT）成立了特殊移动小组。
• 1985年 - 决定由该小组生成建议清单。
• 1986年 - 对公共空中接口的无线电技术进行了不同的现场测试。
• 1987年 - 选择TDMA作为接入标准。12家运营商签署了谅解备忘录。
• 1988年 - 对系统进行了验证。
• 1989年 - 欧洲电信标准协会（ETSI）承担了责任。
• 1990年 - 发布了第一个GSM规范。
• 1991年 - 第一个商用GSM系统启动。

GSM的频率范围

GSM在四个不同的频率范围内工作，使用FDMA-TDMA和FDD。它们如下所示：

蜂窝概念 - 简介

由于连接电线的限制，传统电话的巨大潜力无法得到最大限度的发挥。但是，随着蜂窝无线电的出现，这种限制已被消除。

频率稀缺问题

如果我们为每个用户使用专用的射频环路，则需要更大的带宽才能为单个城市中甚至有限数量的用户提供服务。

示例

单个射频环路需要50 kHz带宽；那么对于十万用户，我们需要100,000 x 50 kHz = 5 GHz。

为了克服这种带宽问题，用户必须根据需要共享射频信道，而不是使用专用的射频环路。这可以通过使用多址接入方法FDMA、TDMA或CDMA来实现。即使这样，为用户提供服务所需的射频信道数量仍然是不切实际的。

示例

考虑用户密度为30平方公里，服务等级为1%，每个移动用户的业务量为30mE。然后所需的射频信道数量为：

为了分配360个无线电信道给10,000个用户，我们需要360 × 50 KHz = 18 MHz的带宽。这实际上是不可行的。

蜂窝方法

在有限的频率资源下，蜂窝原理可以以可承受的成本为数千用户提供服务。在蜂窝网络中，总面积被细分为较小的区域，称为“小区”。每个小区可以覆盖其边界内有限数量的移动用户。每个小区可以有一个基站，并配备多个射频信道。

在给定小区区域中使用的频率将在地理上分开的不同小区中同时复用。例如，可以考虑一个典型的七小区模式。

可用的总频率资源被分成七部分，每部分包含一定数量的无线电信道并分配给一个小区站点。在一组7个小区中，可用的频谱被完全消耗。在一定距离后，可以使用相同的七组频率。

完全消耗可用频谱的小区组称为小区簇。

在相邻簇中具有相同编号的两个小区使用相同的射频信道集，因此被称为“同频干扰小区”。使用相同频率的小区之间的距离应足够大，以将同频干扰（同频干扰）保持在可接受的水平。因此，蜂窝系统受到同频干扰的限制。

因此，蜂窝原理使以下内容成为可能。

• 更有效地利用有限的可用射频资源。

• 在区域内使用同一组信道制造每个用户终端，以便任何移动设备都可以在区域内的任何地方使用。

小区形状

出于分析目的，由于以下原因，在纸面上，与其他形状相比，更倾向于使用“六边形”小区。

• 六边形布局需要更少的小区来覆盖给定区域。因此，它意味着更少的基站和最低的资本投资。

• 其他几何形状无法有效地做到这一点。例如，如果有圆形小区，那么就会出现小区重叠。

• 此外，对于给定区域，在正方形、三角形和六边形中，六边形的半径将是最大的，这对较弱的手机来说是必要的。

实际上，小区不是六边形的，而是形状不规则的，由无线电波在地形上的传播、障碍物和其他地理限制因素决定。需要复杂的计算机程序来将区域划分为小区。西门子的“Tornado”就是一个这样的程序。

运行环境

由于移动性，基站和移动终端之间的无线电信号在从发射机到接收机的传输过程中会发生各种变化，即使在同一小区内也是如此。这些变化是由于：

• 发射机和接收机的物理分离。
• 路径的物理环境，即地形、建筑物和其他障碍物。

慢衰落

• 在自由空间条件（或）视距条件下，射频信号传播常数被认为是2，即r = 2。这适用于静态无线电系统。

• 在移动环境中，这些变化是明显的，通常将“r”取为3到4。

瑞利衰落

在移动环境中，基站和移动设备之间的视距并不保证，接收机接收到的信号是通过不同路径到达的多个信号之和（多径）。射频波的多径传播是由于射频能量从山丘、建筑物、卡车或飞机等反射造成的；反射能量也经历相位变化。

如果有180度相位与直射路径信号相反的信号，它们往往会相互抵消。因此，多径信号往往会降低信号强度。根据发射机和接收机的位置以及路径长度上各种反射障碍物，信号会发生波动。波动发生得很快，被称为“瑞利衰落”。

此外，多径传播会导致“脉冲展宽”和“符号间干扰”。

多普勒效应

由于用户的移动，接收到的射频信号的频率会发生变化。蜂窝移动系统使用以下技术来应对这些问题。

• 信道编码
• 交织
• 均衡
• 耙接收机
• 慢频率跳变
• 天线分集

同频干扰和小区分离

我们假设一个蜂窝系统，其小区半径为“R”，同频干扰距离为“D”，簇大小为“N”。由于小区大小是固定的，因此同频干扰将独立于功率。

同频干扰是“q” = D/R的函数。

Q = 同频干扰降低因子。

较高的“q”值表示较少的干扰。

较低的“q”值表示较高的干扰。

“q”也与簇大小（N）相关，如q = 3N

q = 3N = D/R

对于不同的N值，q为：

N = 1 3 4 7 9 12
Q = 1.73 3 3.46 4.58 5.20 6.00

较高的“q”值

• 减少同频干扰，
• 导致较高的“N”值，更多的小区/簇，
• 每个小区的信道数减少，
• 流量处理能力降低。

较低的“q”值

• 增加同频干扰，
• 导致较低的“n”值，更少的小区/簇，
• 每个小区的信道数增加，
• 流量处理能力提高。

通常，N = 4、7、12。

C/I计算和‘q’

“q” 的值也取决于 C/I。“C” 是从所需发射机接收到的载波功率，“I” 是从所有干扰小区接收到的同频干扰。对于七小区复用模式，同频干扰小区的数量应为六个。

信号损耗与（距离）–r 成正比

R – 传播常数。

c α R-r

R = 小区半径。

I α 6 D-r

D= 同频干扰距离

C/I = R – r / 6D –r = 1/6 × Dr / Rr = 1/6 (D/R) r

C/I = 1/6 q r 因为 q = D/R 且 q r = 6 C/I

Q = [6 × C/I]1/r

根据可接受的语音质量，发现 C/I 的值等于 18 dB。

假设：

• 七小区复用模式
• 全向天线

‘q’ 的值通常约为 4.6。

r 的值取为 3。

这是一种理想情况，认为移动单元与干扰小区的距离在所有情况下都均匀地等于‘D’。但在实际应用中，移动单元会移动，当它到达小区边界时，距离‘D’会减少到‘D-R’，并且 C/I 会下降到 14.47 dB。

因此，使用全向天线时，7 的‘频段’复用模式不满足 C/I 标准。

如果 N = 9（或）12，

N = 9q = 5.2C/I = 19.78 dB

N = 12q = 6.0C/I = 22.54 dB

因此，使用全向天线时，需要采用 9 或 12 小区模式，但流量处理能力会降低。因此，它们不被推荐。

为了使用 N = 7（或更低），每个小区站点都使用定向天线。具有 3 个扇区的单元非常流行，将类似于下面所示的图形。

天线的正面-背面耦合现象减少了潜在干扰器的数量。

例如，如果 N = 7。

使用全向天线时，干扰小区的数量应为六个。使用定向天线和 3 个扇区时，干扰小区数量减少到两个。对于 N = 7 和三个扇区，即使在最坏的情况下，C/I 也从 14.47 dB 提高到 24.5 dB。然后 C/I 满足 18dB 的要求。对于 N = 7 和六个扇区，C/I 提高到 29 dB。

对于城市应用，使用 N = 4 和三个扇区小区，以便获得比 N = 7 更多的每个小区载波数量。在最坏情况下，C/I 也达到 20 dB。

DAMPS 使用 7/21 小区模式

GSM 使用 4/21 小区模式

扇区的优点

• 减少同频干扰
• 提高系统容量

扇区的缺点

• 基站需要大量天线。
• 每个小区扇区数量的增加会降低集群效率
• 扇区会减少特定频段的覆盖范围。
• ‘切换’次数增加。

切换

当移动单元沿着路径移动时，它会穿过不同的小区。每次进入与 f = 不同频率相关联的不同小区时，移动单元的控制权就会由另一个基站接管。这被称为‘切换’。

切换的决定依据：

• 接收到的信号强度信息，如果低于阈值。
• 载干比小于 18 dB。

邻道干扰

给定的小区/扇区使用多个射频信道。由于接收机滤波器不完美，允许附近频率泄漏到通带，因此会发生邻道干扰。

可以通过尽可能增大给定小区中每个射频信道之间的频率间隔来减少邻道干扰。当复用因子较小时，这种间隔可能不足。

通过选择间隔超过 6 个信道的射频频率进行信道分离，足以将邻道干扰控制在限制范围内。

例如，在遵循 4/12 模式（N = 4）的 GSM 中

扇区 = 3/小区

IA 将使用 RF 载波 1、13、25、……

IB 将使用 RF 载波 5、17、29、……

IC 将使用 RF 载波 9、21、33、…… 等。

集群

蜂窝无线电依靠集群来适应有限无线电频谱中的大量用户。每个用户根据需要/每次呼叫分配一个信道，并在呼叫终止时，该信道将返回到公共的射频信道池。

服务等级 (GOS)

由于集群，如果所有射频信道都被占用，则呼叫可能会被阻塞。这称为‘服务等级’“GOS”。

蜂窝设计师会估计最大所需的容量，并分配适当数量的射频信道，以满足 GOS。对于这些计算，使用‘Erlang B’表。

小区分割

当用户数量在一个启动小区（初始设计）中达到饱和并且没有更多备用频率可用时，则该启动小区会被分割，通常分割成四个较小的单元，流量增加四倍，可以服务更多用户。

经过‘n’次分割后，流量将为：

T2 = T0 × 42

功率将降低：

P2 = P0 – n × 12 db

因此，小区分割提高了容量并降低了发射功率。

蜂窝概念 - GSM 架构

GSM 网络分为四个主要系统：

• 交换系统 (SS)
• 基站系统 (BSS)
• 移动台 (MS)
• 运营和维护中心 (OMC)

交换系统也称为网络和交换系统 (NSS)，负责执行呼叫处理和与用户相关的功能。交换系统包括以下功能单元：

• 移动交换中心
• 归属位置寄存器
• 访客位置寄存器
• 设备识别寄存器
• 鉴权中心

移动交换中心

移动交换中心 (MSC) 为其分配的 BSS 控制的地理区域中的所有移动台执行所有交换功能。此外，它还与 PSTN、其他 MSC 和其他系统实体接口。

MSC 的功能

• 呼叫处理，处理用户的移动性，包括位置注册、用户和设备认证、切换和预付费服务。

• 管理呼叫期间所需的逻辑无线链路信道。

• 管理 MSC-BSS 信令协议。

• 处理位置注册并确保移动台和 VLR 之间的互操作。

• 控制小区间和 MSC 间切换。

• 充当网关 MSC 以查询 HLR。连接到 PSTN/ISDN 网络的 MSC 称为 GMSC。这是连接到 HLR 的网络中唯一的 MSC。

• 交换机的标准功能，如计费。

归属位置寄存器 (HLR)

归属位置寄存器包含：

• 称为国际移动用户识别码 (IMSI) 的移动用户的标识。
• 移动台的 ISDN 目录号码。
• 服务的订阅信息。
• 服务限制。
• 用于呼叫路由的位置信息。

建议每个 GSM 网络有一个 HLR，它可能是一个分布式数据库。HLR 中的永久数据由人机界面更改。临时数据（如位置信息）在 HLR 中动态更改。

访客位置寄存器 (VLR)

VLR 始终与 MSC 集成。当移动台漫游到新的 MSC 区域时，连接到该 MSC 的 VLR 将会从 HLR 请求有关移动台的数据。之后，如果移动台发起呼叫，则 VLR 拥有设置呼叫所需的信息，而无需每次都查询 HLR。VLR 包含以下信息：

• 移动用户的标识，
• 任何临时移动用户标识，
• 移动用户的 ISDN 目录号码，
• 将呼叫路由到漫游台的目录号码，
• HLR 数据的一部分，用于当前位于 MSC 服务区域内的移动用户。

设备识别寄存器

设备识别寄存器包含称为国际移动设备识别码 (IMEI) 的移动台设备的标识，它可能是有效的、可疑的和被禁止的。当移动台访问系统时，在提供服务之前会调用设备验证过程。

信息以三个列表的形式提供。

• 白名单 - 允许终端连接到网络。

• 灰名单 - 网络正在观察终端是否存在潜在问题。

• 黑名单 - 报告为被盗或未经类型批准的终端。不允许它们连接到网络。EIR 会通知 VLR 该特定 IMEI 所在的列表。

鉴权中心

它与 HLR 相关联。它为每个移动用户存储一个称为鉴权密钥 (Ki) 的标识密钥。此密钥用于生成鉴权三元组。

• RAND（随机数），
• SRES（签名响应） - 用于验证 IMSI，
• Kc（加密密钥） - 用于在 MS 和网络之间的无线路径上加密通信。

运营和维护中心 (OMC)

它是网络运营商可以通过执行以下功能来监控和控制系统的功能实体：

• 软件安装
• 流量管理
• 性能数据分析
• 用户和设备跟踪
• 配置管理
• 用户管理
• 移动设备管理
• 计费和账单管理

基站系统 (BSS)

BSS 连接 MS 和 NSS。它由以下部分组成：

• 基站收发信机 (BTS)，也称为基站。
• 基站控制器 (BSC)。

BTS 和 BSC 通过标准化的 Abis 接口进行通信。BTS 由 BSC 控制，一个 BSC 可以控制多个 BTS。

基站收发信机 (BTS)

BTS 包含无线电收发信机，并处理与移动台的无线链路协议。每个 BTS 包含无线电传输和接收设备，包括天线、信号处理器等。每个 BTS 可以支持 1 到 16 个射频载波。区分 BTS 的参数是功率电平、天线高度、天线类型和载波数量。

BTS 的功能

• 它负责时间和频率同步。

• 需要执行信道编码、加密、多路复用和调制（正向传输）以及接收（反向传输）的过程。

• 它必须根据移动单元与 BTS 的距离提前安排移动单元的传输（定时提前）。

• 它必须检测移动单元的随机接入请求，测量和监视无线信道以进行功率控制和切换。

基站控制器

基站控制器（BSC）管理一个或一组基站（BTS）的无线资源。它处理无线信道建立、跳频、切换以及射频功率电平的控制。BSC 提供其BTS广播的时间和频率同步参考信号。它建立移动台和移动交换中心（MSC）之间的连接。BSC 通过接口连接到MSC、BTS和OMC。

移动台

它指的是无线用户使用的终端设备。它包括：

• SIM卡 - 订阅者身份模块
• 移动设备

SIM卡是可移除的，使用合适的SIM卡，可以使用各种移动设备访问网络。

设备标识与用户不相关。设备使用IMEI和EIR单独进行验证。SIM卡包含一个集成电路芯片，芯片内含微处理器、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。SIM卡必须有效，并且在访问网络时必须验证MS的有效性。

SIM卡还存储与用户相关的信息，例如IMSI、小区位置标识等。

移动台的功能

• 无线传输和接收
• 无线信道管理
• 语音编码/解码
• 无线链路错误保护
• 数据流控制
• 用户数据速率适应无线链路
• 移动性管理

对最多六个周围BTS进行性能测量并向BSS报告，MS可以存储并在液晶显示屏（LCD）上显示接收到的简短的字母数字消息，该显示屏用于显示呼叫拨号和状态信息。

欧洲GSM系统规定了五种不同类别的移动电话机：20W、8W、5W、2W和0.8W。这些对应于43 dBm、39 dBm、37 dBm、33 dBm和29 dBm的功率电平。20W和8W单元（峰值功率）用于车载或便携式台站。MS功率可从其标称值以2 dB的步长自动调节至20mW（13 dBm）。这是在BTS的远程控制下自动完成的。

转换器

转换器是网络实体，用于将MSC侧与移动侧接口。PSTN侧的语音编码速率为64Kbps，而在GSM空中接口中，语音编码为13Kbps。为了降低空中接口的数据速率并减少陆地链路的负载（4:1），转换器被引入到合适的位置，大多与MSC一起使用。

转换器是一种设备，它接收13Kbps语音或3.6/6/12Kbps数据，并将四个这样的数据转换为标准的64Kbps数据。首先，将13Kbps或3.6/6/12Kbps的数据通过插入额外的同步数据提高到16Kbps的水平，以弥补13Kbps语音或更低速率数据之间的差异，然后在转发器中将四个这样的数据组合起来，在BSS内提供64Kbps信道。然后，四个业务信道可以多路复用在一个64Kbps电路中。因此，TRAU输出数据速率为64Kbps。

然后，最多30个这样的64Kbps信道在A-bis接口上提供CEPT1信道的情况下多路复用到2.048Mbps。该信道最多可以承载120-(16x120)个业务和控制信号。由于到PSTN的数据速率通常为2Mbps，这是将30个64Kbps信道或120个16Kbps信道组合的结果。

其他网络元素

其他网络元素包括SMS服务中心、语音信箱和SMS流等组件。

SMS服务中心

它与MSC接口，具有互操作功能，可为移动用户提供短信服务（SMS）。SMS可以发送到传真机、互联网上的PC或另一个MS。MSC查询接收方MS的位置并进行传送。

语音信箱

当移动用户由于忙/不在服务区而无法接听来电时，呼叫将被转移到用户已激活的语音信箱。为此，已从MSC建立了单独的连接。用户稍后将通过短信收到提醒，并可以检索消息。

SMS流

• 当用户发送短信时，请求将通过MSC发出。

• MSC将短信转发到SMSC，并在那里存储。

• SMSC查询HLR以查找目标移动设备的位置，如果目标移动设备可用，则将消息转发到目标MSC。

• 如果移动设备不可用，则消息将存储在当前SMSC本身。在大多数安装中，如果移动设备无法接收短信，SMSC不会重试。相反，目标MSC在移动设备恢复到范围内时通知SMSC。与USSD不同，SMS处理是一种存储转发操作。

• SMS有一个有效期，在此期间它将等待目标移动设备可用。超过该时间后，SMSC将删除消息。有效期可以由用户设置。正常有效期为1天。

蜂窝概念 - GSM无线链路

BTS和MS通过无线链路连接，此空中接口称为Um。无线电波会受到衰减、反射、多普勒频移和其他发射机的干扰。这些效应会导致信号强度损失和失真，从而影响语音或数据的质量。为了应对恶劣的条件，GSM利用高效且安全的信号处理。正确的蜂窝设计必须确保在该区域提供足够的无线覆盖。

移动设备的信号强度变化是由于不同类型的信号强度衰落引起的。信号强度变化有两种类型。

• **宏观变化** - 由BTS和MS之间的地形轮廓造成。衰落效应是由无线电波的阴影和衍射（弯曲）引起的。

• **微观变化** - 由多径传播引起的，短期或瑞利衰落。当MS移动时，将接收来自许多不同路径的无线电波。

瑞利衰落

瑞利衰落或宏观变化可以建模为构成移动设备和基站之间路径损耗的两个分量的加和。第一个分量是确定性分量（L），它随着移动设备与基站之间距离（R）的增加而增加信号强度损耗。该分量可以写成：

L = 1/Rⁿ

其中n通常为4。另一个宏观分量是对数正态随机变量，它考虑了地形变化和其他无线电路径中的障碍物引起的阴影衰落的影响。路径损耗的局部平均值 = 确定性分量 + 对数正态随机变量。

微观变化或瑞利衰落发生在移动设备在与移动设备和基站之间的距离相比短距离移动时。这些短期变化是由移动单元附近（例如山丘、建筑物或交通）的信号散射引起的。这导致发射机和接收机之间存在许多不同的路径（多径传播）。反射波在相位和幅度上都会发生变化。如果反射波与直射路径信号相差180度，则信号可能会有效消失。多个接收信号之间的部分相位关系会产生接收信号强度减小的较小幅度。

瑞利衰落的影响

反射和多径传播可能产生正面和负面影响。

发射/接收过程

在数字无线链路上发射和接收信息涉及两个主要过程：编码和调制。

覆盖扩展

多径传播允许无线电信号到达山丘和建筑物后面以及隧道内。**相长和相消干涉**通过多条路径接收的信号可能会叠加在一起或相互抵消。

编码

编码是信息处理，它涉及准备基本数据信号，以便对其进行保护并将其转换为无线链路可以处理的形式。通常，编码过程包括逻辑异或（EXOR）。编码包含在：

• 语音编码或转码
• 信道编码或前向纠错编码
• 交织
• 加密

突发格式化

人类语音在300Hz到3400Hz之间带限，并在模拟系统中进行频率调制。在数字固定PSTN系统中，带限语音以8KHz的速率采样，每个样本编码为8位，导致64Kbps（PCM A律编码）。数字蜂窝无线电无法处理PSTN系统使用的高比特率。已经开发了用于降低比特率的智能信号分析和处理技术。

语音特性

人类语音可以区分为基本声音（音素）。根据语言的不同，有30到50种不同的音素。人声能够每秒产生多达10个音素，因此传输语音需要大约60bit/s。但是，所有个人特征和语调都会消失。为了保留个人特征，要发送的真实信息量要高出很多倍，但仍然只是PCM使用的64Kbit/s的一小部分。

基于人类语音器官的音素产生机制，可以建立一个简单的语音产生模型。看来，在10-30毫秒的短时间间隔内，模型参数（如音调周期、浊音/清音、放大增益和滤波器参数）保持大致静止（准静止）。这种模型的优点是可以通过线性预测简单地确定参数。

语音编码技术

语音编码技术有三种类型

• **波形编码** - 在波形编码中，语音尽可能地以波形形式传输。PCM是波形编码的一个例子。比特率范围从24到64kbps，语音质量良好，并且可以轻松识别说话者。

• **参数编码** - 只发送非常有限数量的信息。根据语音产生模型构建的解码器将在接收端重新生成语音。语音传输只需要1到3kbps。重新生成的语音是可理解的，但它会受到噪声的影响，并且通常无法识别说话者。

• 混合编码 − 混合编码是波形编码和参数编码的混合。它结合了两种技术的优点，GSM使用一种称为RPE-LTP（规则脉冲激励-长时预测）的混合编码技术，每个语音信道产生13Kbps。

GSM中的语音编码（转码）

标准的A律量化的每样本8比特的64kbits/s PCM被转码成线性量化的每样本13比特的比特流，对应于104kbits/s的比特率。104kbits/s的流被送入RPE-LTP语音编码器，该编码器以160个样本（每20毫秒）的块接收13比特的样本。RPE-LTP编码器每20毫秒产生260比特，从而产生13kbits/s的比特率。这提供了可接受的移动电话语音质量，并且与有线PSTN电话相当。在GSM中，13Kbps语音编码称为全速率编码器。或者，也可以使用半速率编码器（6.5Kbps）来提高容量。

信道编码/卷积编码

GSM中的信道编码使用来自语音编码的260比特作为输入，并输出456个编码比特。在RPE-LTP语音编码器产生的260比特中，182比特被分类为重要比特，78比特被分类为不重要比特。再次将182比特划分为50个最重要的比特，并将其块编码为53比特，并添加132比特和4个尾比特，总共189比特，然后进行1:2卷积编码，将189比特转换为378比特。这378比特与78个不重要比特相加，得到456比特。

交织-第一级

信道编码器为每20毫秒的语音提供456比特。这些比特被交织，形成八个57比特的块，如下图所示。

在一个正常的突发中，可以容纳两个57比特的块，如果丢失一个这样的突发，则整个20毫秒的误码率为25%。

交织-第二级

引入了第二级交织以进一步将可能的误码率降低到12.5%。不是在一个突发中发送来自同一20毫秒语音的两个57比特块，而是将一个来自一个20毫秒的块和一个来自下一个20毫秒样本的块一起发送。当MS必须等待下一个20毫秒的语音时，系统中会引入延迟。但是，系统现在可以承受丢失八个突发中的一个突发，因为损失仅占每个20毫秒语音帧的总比特数的12.5%。12.5%是信道解码器可以纠正的最大损失水平。

加密/加扰

加扰的目的是对突发进行编码，以便只有接收设备才能解释它。GSM中的加扰算法称为A5算法。它不会向突发添加比特，这意味着加扰过程的输入和输出与输入相同：每20毫秒456比特。有关加密的详细信息，请参阅GSM的特殊功能。

多路复用（突发格式化）

移动/BTS的每次传输都必须包含一些额外信息以及基本数据。在GSM中，每20毫秒的块添加了总共136比特，使总数达到592比特。还添加了33比特的保护间隔，使每20毫秒达到625比特。

调制

调制是涉及信号物理准备的过程，以便信息可以通过射频载波传输。GSM使用高斯最小频移键控技术（GMSK）。载波频率偏移+/- B/4，其中B=比特率。但是，使用高斯滤波器，将带宽降低到0.3而不是0.5。

GSM的特殊功能

下面列出了我们将在下文中讨论的GSM的特殊功能：

• 认证
• 加密
• 时隙交错
• 定时提前
• 不连续传输
• 功率控制
• 自适应均衡
• 慢速跳频

认证

由于空中接口容易受到欺诈访问，因此有必要在向用户提供服务之前使用认证。认证建立在以下概念之上。

• 认证密钥（Ki）仅存在于两个地方：SIM卡和认证中心。

• 认证密钥（Ki）绝不会通过空中传输。未经授权的个人几乎不可能获得此密钥来冒充给定的移动用户。

认证参数

MS通过使用三个参数的过程由VLR进行认证：

• RAND是一个完全随机数。

• SRES是认证签名响应。它是通过将认证算法（A3）应用于RAND和Ki生成的。

• Kc是加密密钥。Kc参数是通过将加密密钥生成算法（A8）应用于RAND和Ki生成的。

这些参数（称为认证三元组）由AUC根据用户所属的HLR的要求生成。算法A3和A8由PLMN运营商定义，并由SIM执行。

认证阶段的步骤

• 新的VLR向HLR/AUC（认证中心）发送请求，请求为指定的IMSI提供的“认证三元组”（RAND、SRES和Kc）。

• AUC使用IMSI提取用户的认证密钥（Ki）。然后，AUC生成一个随机数（RAND），将Ki和RAND应用于认证算法（A3）和加密密钥生成算法（A8），以产生认证签名响应（SRES）和加密密钥（Kc）。然后，AUC将认证三元组：RAND、SRES和Kc返回给新的VLR。

• MSC/VLR保留两个参数Kc和SRES以备后用，然后向MS发送消息。MS从SIM读取其认证密钥（Ki），将接收到的随机数（RAND）和Ki应用于其认证算法（A3）和加密密钥生成算法（A8），以产生认证签名响应（SRES）和加密密钥（Kc）。MS保存Kc以备后用，并在收到加密信道的命令时使用Kc。

• MS将生成的SRES返回给MSC/VLR。VLR将从MS返回的SRES与之前从AUC接收到的预期SRES进行比较。如果相等，则移动设备通过认证。如果不相等，则所有信令活动都将中止。在这种情况下，我们将假设认证已通过。

加密/加扰

数据在发射端以114比特的块进行加密，方法是获取114比特的明文数据突发并执行与114比特的加密块的异或（异或）逻辑函数运算。

接收端处的解密功能是通过获取114比特的加密数据块并使用发射端使用的相同114比特的加密块进行相同的“异或”运算来执行的。

传输路径两端用于给定传输方向的加密块由BSS和MS通过称为A5的加密算法生成。A5算法使用在呼叫建立期间认证过程中生成的64比特加密密钥（Kc）和22比特TDMA帧号（COUNT），该帧号取0到2715647之间的十进制值，并且重复时间为3.48小时（超帧间隔）。A5算法实际上在每个TDMA周期内产生两个加密块。一条路径用于上行链路路径，另一条路径用于下行链路路径。

时隙交错

时隙交错是根据下行链路的时隙组织推导出上行链路的时隙组织的原理。上行链路的特定时隙是从下行链路派生出来的，方法是将下行链路的时隙号移位三个。

原因

通过移位三个时隙，移动台避免了同时进行“发送和接收”的过程。这使得移动台更容易实现；移动台中的接收器不需要免受同一移动台的发射机的干扰。通常，移动台将在一个时隙内接收，然后在频率上移位45 MHz（对于GSM-900）或95 MHz（对于GSM-1800）以在稍后某个时间传输。这意味着下行链路有一个时间基，上行链路有一个时间基。

定时提前

定时提前是提前将突发传输到BTS（定时提前）的过程，以补偿传播延迟。

为什么需要它？

这是因为在无线路径上使用了时分多路复用方案。BTS接收来自彼此非常接近的不同移动台的信号。但是，当移动台远离BTS时，BTS必须处理传播延迟。BTS接收到的突发必须正确地放入时隙中，这一点至关重要。否则，使用相邻时隙的移动台的突发可能会重叠，导致传输质量差甚至通信中断。

一旦建立连接，BTS就会持续测量其自身的突发调度与移动台突发接收调度之间的时间偏移。根据这些测量结果，BTS能够通过SACCH向移动台提供所需的定时提前。请注意，定时提前是从距离测量中得出的，距离测量也用于切换过程中。BTS根据感知到的定时提前向每个移动台发送定时提前参数。然后，每个移动台都提前其定时，从而导致来自不同移动台的信号到达BTS，并补偿传播延迟。

定时提前过程

• 一个6位数字表示MS必须提前其传输多少比特。此定时提前为TA。

• 访问突发的68.25比特长的GP（保护间隔）提供了提前传输时间的所需灵活性。

• 定时提前TA的值可以介于0到63比特之间，对应于0到233微秒的延迟。例如，距离BTS 10公里的MS必须提前66微秒开始传输以补偿往返延迟。

• 35公里的最大移动范围是由定时提前值而不是信号强度决定的。

蜂窝概念-移动性管理

移动台尝试通过按接收信号强度降序遍历列表来查找合适的小区，即第一个满足其已选择的条件集的BCCH信道。

小区选择标准

移动台在可以从其接收服务之前，小区必须满足的要求为：

• 它应该是所选PLMN的小区。移动台检查该小区是否属于所选PLMN的一部分。

• 它不应该被“禁止”。PLMN运营商可能会决定不允许移动台访问某些小区。例如，这些小区可能仅用于切换流量。禁止小区信息在BCCH上广播，以指示移动台不要访问这些小区。

• 移动台与所选BTS之间的无线路径损耗必须高于PLMN运营商设置的阈值。

• 如果找不到合适的小区，则MS进入“有限服务”状态，在此状态下它只能拨打紧急电话。

呼叫活动移动台

当一个活跃的移动台（MS）在公共陆地移动网络（PLMN）的覆盖区域内移动时，它会报告其移动情况，以便在需要时使用更新过程位置进行定位。当网络中的移动服务交换中心（MSC）需要建立到在其流动区域内运行的移动台的呼叫时，会发生以下情况：

• 广播一条寻呼消息，其中包含MS的识别代码。并非网络中的每个基站控制器（BSC）都需要传输寻呼消息。广播仅限于一组无线小区，这些小区共同构成一个位置区。MS最后报告的位置确定用于广播的位置区。

• MS监控其所在无线小区传输的寻呼消息，并在检测到自己的识别代码后，通过向基站收发信机（BTS）发送寻呼响应消息进行响应。

• 然后通过接收寻呼响应消息的BTS在MSC和MS之间建立通信。

位置更新

情况1 - 位置从未更新。

如果位置从未更新位置更新的实现，则成本变为零。但是我们必须对每个小区进行寻呼以定位MS，此过程将不具有成本效益。

情况2 - 位置更新已实现。

位置更新根据网络的要求进行，可能是基于时间、移动或距离。此过程涉及高成本，但我们只需要对单个小区或少数小区进行寻呼即可定位MS，此过程将具有成本效益。

网络配置

公共陆地移动网络（PLMN）的配置设计为，在网络区域内移动的活动移动台仍然能够报告其位置。网络由不同的区域组成：

• PLMN区域
• 位置区
• MSC区域
• PLMN区域

PLMN区域是特定PLMN运营商向公众提供陆地移动通信服务的地理区域。从PLMN区域内的任何位置，移动用户都可以建立到同一网络的其他用户的呼叫，或到其他网络的用户。其他网络可以是固定网络、另一个GSM PLMN或其他类型的PLMN。同一PLMN的用户或其他网络的用户也可以呼叫在PLMN区域内活动的移动用户。当有多个PLMN运营商时，其网络覆盖的地理区域可能会重叠。PLMN区域的范围通常以国界为限。

位置区

为了消除网络范围寻呼广播的需要，PLMN需要知道在其覆盖区域内活动的MS的大致位置。为了使任何MS的大致位置可以用单个参数表示，网络覆盖的总区域被划分为位置区。位置区（LA）是一组一个或多个无线小区。此组满足以下要求：

• 一个位置区中的BTS可能由一个或多个BSC控制。

• 服务于同一位置区的BSC始终连接到同一个MSC。

• 由公共BSC控制的带有BTS的无线小区可以位于不同的位置区。

位置区标识

PLMN中的每个无线发射机通过控制信道BCCH广播一个位置区标识（LAI）代码，以识别其服务的区域。当MS未处于呼叫状态时，它会自动扫描本地基站传输的BCCH，并选择提供最强信号的信道。所选信道广播的LAI代码标识MS当前所在的位置区。此LAI代码存储在移动设备的用户识别模块（SIM）中。

当MS在网络区域中移动时，从所选控制信道接收到的信号强度逐渐减弱，直到不再是最强的。此时，MS重新调整到已成为主导的信道，并检查其正在广播的LAI代码。如果接收到的LAI代码与SIM中存储的代码不同，则表示MS已进入另一个位置区，并启动位置更新过程以将更改报告给MSC。在过程结束时，SIM中的LAI代码也会更新。

位置区标识格式

它是一个位置区标识（LAI）代码，用于识别PLMN中的位置区。LAI代码有三个组成部分：

移动国家代码（MCC）

MCC是一个3位代码，唯一标识移动用户住所的国家/地区（例如，印度404）。它由ITU-T分配。

移动网络代码（MNC）

MNC是一个2位代码（GSM-1900为3位代码），用于识别移动用户的家庭GSM PLMN。如果一个国家/地区存在多个GSM PLMN，则为每个GSM PLMN分配一个唯一的MNC。它由每个国家的政府分配。（例如，Chennai的Cell one 64）。

位置区代码（LAC）

LAC组件标识PLMN中的位置区；它具有2个八位字节的固定长度，可以使用十六进制表示进行编码。它由运营商分配。

MSC区域

MSC区域是网络中由单个MSC控制GSM操作的区域。MSC区域包含一个或多个位置区。MSC区域的边界遵循其周边位置区的外部边界。因此，位置区永远不会跨越MSC区域的边界。

VLR区域

VLR区域是网络中由单个访客位置寄存器（VLR）监督的区域。理论上，VLR区域可能包含一个或多个MSC区域。然而，在实践中，VLR的功能始终与MSC的功能集成在一起，因此“VLR区域”和“MSC区域”这两个术语已成为同义词。

与位置相关的数据库

位置管理使用两个数据库来存储与MS位置相关的数据。

• 访客位置寄存器（VLR）
• 归属位置寄存器（HLR）

访客位置寄存器

VLR包含其区域中当前正在运行的每个MS的数据记录。每个记录包含一组用户标识代码、相关订阅信息和位置区标识（LAI）代码。MSC在处理到或来自该区域中MS的呼叫时使用此信息。当MS从一个区域移动到另一个区域时，其监管责任从一个VLR转移到另一个VLR。采用MS的VLR会创建一个新的数据记录，并删除旧的记录。只要网络运营商之间存在互操作协议，数据事务就可以跨越网络和国家边界。

归属位置寄存器

HLR包含与作为运营PLMN的组织的付费客户的移动用户相关的信息。

HLR存储两种类型的信息：

订阅信息

订阅信息包括分配给用户的IMSI和目录号码、提供的服务类型以及任何相关限制。

位置信息

位置信息包括用户MS当前所在区域的VLR地址和相关MSC的地址。

位置信息使来电能够路由到MS。此信息不存在表示MS处于非活动状态，无法接通。

当MS从一个VLR区域移动到另一个VLR区域时，HLR中的位置信息会使用从HLR复制的订阅数据更新为MS的新条目。只要网络运营商之间存在互操作协议，相关数据事务就可以跨越网络和国家边界。

标识号类型

在执行位置更新过程和处理移动呼叫期间，使用不同类型的号码：

• 移动台ISDN号码（MSISDN）
• 移动用户漫游号码（MSRN）
• 国际移动用户识别码（IMSI）
• 临时移动用户识别码（TMSI）
• 本地移动台标识（LMSI）

每个号码都存储在HLR和/或VLR中。

移动台ISDN号码

MSISDN是分配给移动用户的目录号码。拨打此号码可以向移动用户拨打电话。该号码由移动台注册的国家/地区的国家代码（CC）（例如，印度91）组成，后跟国家移动号码，国家移动号码由网络目的地代码（NDC）和用户号码（SN）组成。每个GSM PLMN都会分配一个NDC。

MSISDN的组成使得它可以作为信令连接控制部分（SCCP）中的全局标题地址，用于将消息路由到移动用户的HLR。

移动台漫游号码

MSRN是网关MSC将传入呼叫路由到当前不受网关MSISDN控制的MS所需的号码。使用移动电话，终止的呼叫将路由到MSC网关。基于此，MSISDN网关MSC请求MSRN以将呼叫路由到当前访问的MSC国际移动用户识别码（IMSI）。

MS由其IMSI标识。IMSI嵌入在移动设备的SIM中。每次它访问网络时都会提供它。

移动国家代码（MCC）

IMSI的MCC组件是一个3位代码，唯一标识用户的住所国家/地区。它由ITU-T分配。

移动网络代码（MNC）

MNC组件是一个2位代码，用于识别移动用户的家庭GSM PLMN。它由每个国家的政府分配。对于GSM-1900，使用3位MNC。

移动用户识别号码（MSIN）

MSIN是用于在GSM PLMN中识别用户的代码。它由运营商分配。

临时移动用户识别码（TMSI）

TMSI 是一种身份别名，在可能的情况下用于代替 IMSI。使用 TMSI 可以确保移动用户的真实身份保密，因为它消除了通过无线链路传输未加密的 IMSI 代码的需要。

VLR 为在其区域内运行的每个移动用户分配一个唯一的 TMSI 代码。此代码仅在 VLR 监督的区域内有效，用于在消息中识别用户，这些消息来自 MS 和发往 MS。当位置区域的更改也涉及 VLR 区域的更改时，将分配一个新的 TMSI 代码并将其传达给 MS。MS 将 TMSI 存储在其 SIM 卡上。TMSI 由四个八位字节组成。

位置更新场景

在以下位置更新场景中，假设 MS 进入一个新的位置区域，该区域受与 MS 当前注册的 VLR（称为“旧 VLR”）不同的 VLR（称为“新 VLR”）控制。下图显示了移动位置更新场景的步骤。

MS 进入新的小区区域，侦听在广播信道 (BCCH) 上传输的位置区域标识 (LAI)，并将此 LAI 与表示移动用户最后注册区域的最后一个 LAI（存储在 SIM 卡中）进行比较。

• MS 检测到它已进入新的位置区域，并通过随机接入信道 (RACH) 传输信道请求消息。

• 一旦 BSS 接收到信道请求消息，它就会分配一个独立专用控制信道 (SDCCH)，并将此信道分配信息通过接入授权信道 (AGCH) 转发到 MS。MS 将通过 SDCCH 与 BSS 和 MSC 通信。

• MS 通过 SDCCH 向 BSS 发送位置更新请求消息。此消息中包含 MS 临时移动用户识别码 (TMSI) 和旧位置区域用户 (旧 LAI)。MS 可以使用其 IMSI 或 TMSI 来识别自己。在本例中，我们将假设移动设备提供了 TMSI。BSS 将位置更新请求消息转发到 MSC。

• VLR 分析消息中提供的 LAI，并确定收到的 TMSI 与另一个 VLR（旧 VLR）相关联。为了继续进行注册，必须确定 MS 的 IMSI。新 VLR 通过使用位置更新请求消息中提供的接收到的 LAI 来推导出旧 VLR 的身份。它还请求旧 VLR 为特定 TMSI 提供 IMSI。

• 位置更新场景 - 更新 HLR/VLR 是我们准备好通知 HLR MS 受新 VLR 控制，并且可以从旧 VLR 注销 MS 的一个点。更新 HLR/VLR 阶段的步骤如下：

  • 新 VLR 向 HLR 发送一条消息，通知它给定的 IMSI 已更改位置，并且可以通过将所有传入呼叫路由到消息中包含的 VLR 地址来访问它。

  • HLR 请求旧 VLR 删除与给定 IMSI 关联的用户记录。请求得到确认。

  • HLR 使用用户数据（移动用户的客户资料）更新新 VLR。

TMSI 重新分配阶段的步骤

• MSC 将位置更新接受消息转发到 MS。此消息包含新的 TMSI。

• MS 从消息中检索新的 TMSI 值，并使用此新值更新其 SIM 卡。然后，移动设备向 MSC 发送更新完成消息。

• MSC 请求 BSS 释放 MSC 和 MS 之间的信令连接。

• MSC 在从 BSS 接收清除完成消息时释放其信令连接部分。

• BSS 向 MS 发送“无线电资源”信道释放消息，然后释放先前分配的独立专用控制信道 (SDCCH)。然后，BSS 通知 MSC 信令连接已清除。

位置更新周期

当 MS 更改其 LA 时，会自动进行位置更新。如果用户频繁跨越 LA 边界，可能会生成大量位置更新。如果 MS 停留在同一 LA 中，则位置更新可能会根据时间/移动/距离进行，这由网络提供商定义。

切换

这是将正在进行的呼叫从一个话务信道自动切换到另一个话务信道的过程，以抵消用户移动的不利影响。只有在功率控制不再有帮助的情况下，才会启动切换过程。

切换过程是 MAHO（移动辅助切换）。它从 MS 的下行链路测量开始（来自 BTS 的信号强度，来自 BTS 的信号质量）。MS 可以测量 6 个最佳邻近 BTS 下行链路（候选列表）的信号强度。

切换类型

切换有两种类型：

• 内部或小区内切换

  小区内切换

  小区间切换

• 外部或小区间切换

  MSC 内切换

  MSC 间切换

  内部切换由 BSC 管理，外部切换由 MSC 管理。

切换的目标如下：

• 保持良好的语音质量。
• 最大限度地减少呼叫掉线次数。
• 最大限度地延长移动台在最佳小区中的时间。
• 最大限度地减少切换次数。

何时会发生切换？

• MS 和 BTS 之间的距离（传播延迟）变得太大。
• 如果接收到的信号电平非常低。
• 如果接收到的信号质量非常低。
• 移动台到另一个小区的路径损耗情况更好。

蜂窝概念 - GPRS 架构

以下新的 GPRS 网络在现有的 GSM 网络中添加了以下元素。

• 分组控制单元 (PCU)。

• 服务 GPRS 支持节点 (SGSN) - GPRS 网络的 MSC。

• 网关 GPRS 支持节点 (GGSN) - 到外部网络的网关。

• 边界网关 (BG) - 到其他 PLMN 的网关。

• PLMN 内部骨干网 - 一个基于 IP 的网络，互连所有 GPRS 元素。

通用分组无线业务 (GPRS)

• GPRS 将分组数据传输引入移动用户。

• GPRS 旨在与现有的 GSM 基础设施一起工作，并具有额外的分组交换节点。

• 这种分组模式技术使用多时隙技术以及对所有编码方案 (CS-1 到 CS-4) 的支持，将数据速率提高到 160 kbit/s。

• GPRS 系统使用为 GSM 定义的物理无线信道。GPRS 使用的物理信道称为分组数据信道 (PDCH)。

• PDCH 可以分配给 GPRS（专用 PDCH），或者仅在没有电路交换连接需要它们（按需）时由 GPRS 使用。运营商可以为每个小区定义 0-8 个专用 PDCH。运营商可以指定他希望 PDCH 位于何处。

• 小区中的第一个专用 PDCH 始终是主 PDCH (MPDCH)。在小区拥塞的情况下，按需 PDCH 可以被传入的电路交换呼叫抢占。

服务 GPRS 支持节点 (SGSN) 功能

SGSN 或服务 GPRS 支持节点是 GPRS 网络的组成部分，它提供了一些侧重于整个系统 IP 元素的功能。它为移动设备提供各种服务：

• 分组路由和传输
• 移动性管理
• 认证
• 连接/断开连接
• 逻辑链路管理
• 计费数据

SGSN 内有一个位置寄存器，它存储位置信息（例如，当前小区、当前 VLR）。它还存储与特定 SGSN 注册的所有 GPRS 用户的用户资料（例如，IMSI、使用的分组地址）。

网关 GPRS 支持节点 (GGSN) 功能

• GGSN，网关 GPRS 支持节点是 GSM EDGE 网络架构中最重要的实体之一。

• GGSN 组织 GPRS/EDGE 网络与移动设备可能连接到的外部分组交换网络之间的互操作。这些可能包括互联网和 X.25 网络。

• GGSN 可以被认为是网关、路由器和防火墙的组合，因为它将内部网络隐藏在外部。在操作中，当 GGSN 接收到发送到特定用户的地址数据时，它会检查用户是否处于活动状态，然后转发数据。在相反的方向上，来自移动设备的分组数据由 GGSN 路由到正确的目标网络。

从 GSM 到 GPRS 的设备升级

• 移动台 (MS) - 需要新的移动台才能访问 GPRS 服务。这些新终端将与 GSM 向后兼容，以便进行语音呼叫。有三种类型的手机。A 型：GPRS 和语音（同时），B 型：GPRS 和语音（自动切换），C 型：GPRS 或语音（手动切换）。

• BTS - 现有基站需要软件升级。

• BSC - 需要软件升级并安装称为分组控制单元 (PCU) 的新硬件。PCU 负责处理无线接口的介质访问控制 (MAC) 和无线链路控制 (RLC) 层以及 Gb 接口的 BSSGP 和网络服务层。每个 BSC 有一个 PCU。Gb 接口承载来自 SGSN（服务 GPRS 支持节点）到 PCU 的 GPRS/EGPRS 流量。

• GPRS 支持节点 (GSN) - GPRS 的部署需要安装新的核心网络元素，称为服务 GPRS 支持节点 (SGSN) 和网关 GPRS 支持节点 (GGSN)。

• 数据库 (HLR、VLR 等) - 网络中涉及的所有数据库都需要软件升级才能处理 GPRS 引入的新呼叫模型和功能。

位置信息 - GSM 服务区域层次结构

• 小区 - 小区是基本服务区域，一个 BTS 覆盖一个小区。每个小区都被赋予一个小区全局标识 (CGI)，这是一个唯一标识小区的数字。

• LA - 一组小区形成一个位置区域。当用户接收到来电时，这就是要寻呼的区域。每个位置区域都被分配一个位置区域标识 (LAI)。每个位置区域由一个或多个 BSC 提供服务。

• MSC/VLR 服务区域 - 一个 MSC 覆盖的区域称为 MSC/VLR 服务区域。

• PLMN - 一个网络运营商覆盖的区域称为 PLMN。一个 PLMN 可以包含一个或多个 MSC。

• GSM 服务区域 - 用户可以访问网络的区域。

蜂窝概念 - EDGE

增强型数据速率全球演进 (EDGE) 引入了一种新的调制技术，以及用于通过无线电传输分组数据的协议增强功能。

新调制和协议增强功能的使用导致吞吐量和容量大幅提高，从而在现有的 GSM/GPRS 网络中启用 3G 服务。支持 EDGE 不需要对现有的核心网络基础设施进行任何更改。这强调了 EDGE 只是 BSS 的“附加组件”这一事实。

对于 EDGE，引入了九种调制和编码方案 (MCS)（MCS1 到 MCS9），并针对不同的无线环境进行了优化。四种 EDGE 编码方案使用 GMSK，五种使用 8 PSK 调制。

升级到 EDGE

• 移动台 (MS) - MS 应支持 EDGE。

• BTS - 提供的硬件支持 EDGE。

• BSC - 需要在 BSC 中定义 EDGE 时隙。

• GPRS 支持节点 (GSN) - 需要在 GSN 中定义 Edge。

• 数据库 (HLR、VLR 等) - 无需定义。

EDGE 的优势

• 短期优势 - 容量和性能，
• 在GSM/GPRS网络上易于实施，
• 经济高效，
• 提高GPRS的容量并使其数据速率提高三倍，
• 支持新的多媒体服务，
• 长期优势 - 与WCDMA协调。

EDGE对用户的意义

• 流媒体应用
• 超高速下载
• 企业内联网连接
• 更快的彩信
• 视频电话
• 垂直行业应用 - 视频会议，远程演示。

UMTS - 新网络

通用移动通信系统（UMTS）是基于GSM标准的第三代移动蜂窝系统。由3GPP（第三代合作伙伴计划）开发和维护，UMTS是国际标准化组织所有IMT-2000电信标准的组成部分，并将其与基于竞争cdmaOne技术的CDMA2000网络制定的标准进行比较。UMTS使用宽带码分多址（W-CDMA）无线接入技术，为移动网络运营商提供更高的频谱效率和带宽。

网络演进

合理的演进

HSUPA - 高速上行分组接入

HSDPA - 高速下行分组接入

3G背后的主要思想是准备一个能够承载现有和未来服务的通用基础设施。基础设施的设计应能够适应技术变化和演进，而不会对使用现有网络结构的现有服务造成不确定性。

UMTS - WCDMA技术

第一个第三代合作伙伴计划（3GPP）宽带码分多址网络（WCDMA）于2002年推出。到2005年底，有100个WCDMA网络开放，共有150多家运营商获得WCDMA运营频率许可证。目前，WCDMA网络部署在欧洲和亚洲（包括日本和美国韩国）的约2 GHz的UMTS频段中。WCDMA部署在现有频率分配的850和1900中，新的3G频段1700/2100将在不久的将来可用。3GPP已为几个其他频段定义了WCDMA操作，预计这些频段将在未来几年内投入使用。

随着WCDMA移动用户渗透率的提高，它允许WCDMA网络承载更多的话音和数据流量。WCDMA技术为运营商提供了一些优势，因为它允许数据传输，也提高了基站的语音质量。由于干扰控制机制（包括频率复用1、快速功率控制和软切换），提供的语音容量非常高。

WCDMA可以为客户提供更多的话音分钟。同时，WCDMA还可以使用AMR编解码器改进宽带语音服务，这显然比固定电话线路提供了更好的语音质量。简而言之，WCDMA可以提供更多话音分钟，并具有更好的质量。

除了高频谱效率外，第三代（3G）WCDMA还在基站容量和设备效率方面带来了更显著的变化。WCDMA的高集成度是由于宽带载波：载波支持大量用户，并且需要更少的射频（RF）载波来提供相同的容量。

通过减少射频部件和增加数字基带处理，WCDMA可以利用数字信号处理能力的快速发展。高基站的集成水平使高效构建高容量站点成为可能，因为可以避免射频组合器、额外天线或电源线的复杂性。WCDMA运营商能够提供有用的数据服务，包括导航、人与人之间的视频通话、体育和视频以及新的移动电视剪辑。

WCDMA支持同时语音和数据，例如，在语音通话期间进行实时语音会议或视频共享时，可以浏览或发送电子邮件。

运营商还提供与互联网和企业内联网的移动连接，下行链路最大比特率为384 kbps，上下行链路均为384 kbps。第一批终端和网络的下行链路限制在64到128 kbps，而后续产品提供384 kbps的下行链路。

WCDMA-3G

3G无线服务旨在提供高速数据、始终在线的数据访问和更大的语音容量。下面列出了一些值得注意的要点 -

• 以Mbps为单位测量的快速数据速率，支持全动态视频、高速互联网接入和视频会议。

• 3G技术标准包括基于WCDMA技术的UMTS（通常这两个术语可以互换使用）和CDMA2000，后者是早期CDMA 2G技术的产物。

• UMTS标准通常受到使用GSM网络的国家/地区的青睐。CDMA2000有多种类型，包括1xRTT、1xEV-DO和1xEV-DV。它们提供的数据速率范围从144 kbps到超过2 mbps。

3G网络的子系统

GSM系统基本上设计为三个主要子系统的组合 -

• 网络子系统（NSS） - MSC/VLR、HLR、AuC、SMSC、EIR、MGW。2G和3G网络通用。

• UTRAN - RNC和RBS。

• 运营和维护支持子系统（OSS）。

有三个主要的接口，即，

• IuCS - RNC和MSC之间用于语音和电路数据；

• IuPS - RNC和SGSN之间用于分组数据；

• Uu接口 - RNC和MS之间。

UMTS - HSPA标准化

让我们简要了解一下HSPA的标准化和部署时间表 -

• 高速下行分组接入（HSDPA）作为3GPP Release 5的一部分标准化，第一个规范版本于2002年3月发布。

• 高速上行分组接入（HSUPA）是3GPP Release 6的一部分，第一个规范版本于2004年12月发布。

• HSDPA和HSUPA统称为高速分组接入（HSPA）。

• 第一个商用HSDPA网络于2005年底推出，商用HSUPA网络于2007年推出。

• 终端可用的HSDPA峰值数据速率最初为1.8Mbps，在2006年和2007年将分别增加到3.6和7.2 Mbps，之后将达到10Mbps及以上。

• HSUPA在初始阶段的峰值数据速率为1-2 Mbps，第二阶段为3-4Mbps。

HSPA部署在同一载波上的WCDMA网络上，或者 - 对于高容量和高速解决方案 - 使用另一个载波，参见上图。在这两种情况下，WCDMA和HSPA都可以共享核心网络中的所有网络元素以及包括基站、无线网络控制器（RNC）、服务GPRS支持节点（SGSN）和网关GPRS支持节点（GGSN）的无线网络。WCDMA和HSPA还共享站点基站天线和天线电缆。

WCDMA升级到HSPA需要在基站和RNC中使用新的软件，并可能需要新的设备来支持更高的速率和数据容量。由于WCDMA和HSPA之间共享基础设施，因此与构建新的独立数据网络相比，WCDMA升级到HSPA的成本非常低。

UMTS - 目标

在众多目标中，下面列出了一些UMTS的目标 -

UMTS - 无线接口和无线网络方面

在引入UMTS之后，移动用户的大面积数据传输量有所增加。但是，对于WLAN和DSL等本地无线传输，技术的增长速度要快得多。因此，在WIMAX已经为传输速率设定了高目标的情况下，考虑将数据传输速率等同于固定线路宽带类别非常重要。很明显，新的3GPP无线技术演进UTRA（E-UTRA，与LTE无线接口同义）必须在各个方面都具有强大的竞争力，为此定义了以下目标传输速率 -

• 下行链路：100 Mb/s
• 上行链路：50 Mb/s

上述数字仅适用于终端接收两根天线和发送一根天线以及在20 MHz频谱分配范围内的参考配置。

UMTS – 全IP愿景

为演进的3GPP系统制定了一个非常普遍的原则。它应该是“全IP”，这意味着IP连接是提供给用户的基本服务。所有其他层服务（如语音、视频、消息等）都建立在此基础之上。

查看网络节点之间接口的协议栈，很明显简单的IP模型不适用于移动网络。中间存在虚拟层，这并不适用于移动网络。中间存在虚拟层，以“隧道”的形式提供三个方面：移动性、安全性以及服务质量。因此，基于IP的协议出现在传输层（网络节点之间）和更高层。

UMTS – 新架构的要求

一个新的架构，分别涵盖用户平面和控制平面的良好可扩展性。需要不同类型的终端移动性支持，即固定终端、漫游终端和移动终端。

最小传输和信令开销，尤其是在空中，在双模UE信令的空闲模式下应最大程度地减少，在无线信道多播能力中。需要重用或扩展，作为漫游和网络共享限制，与传统漫游概念建立的原则兼容，很自然，所需的最大传输延迟等同于固定网络，具体而言小于5毫秒，设置为控制平面的延迟目标小于200毫秒。

全面来看3GPP系统的演进，它可能看起来并不比传统的3GPP系统简单，但这是由于功能的大幅增加。另一个强烈的愿望是在3GPP架构运营商中实现扁平化结构，减少CAPEX/OPEX。

强大的控制功能也应与新的3GPP系统一起维护，包括实时无缝操作（例如，VoIP）和非实时应用程序和服务。该系统应在两种情况下都能很好地执行VoIP服务。还特别注意与遗留系统（3GPP和3GPP2）的无缝连续性，支持访问网络语音通信的本地中断。

UMTS – 安全性和隐私

访问位置寄存器（VLR）和SNB用于跟踪当前连接到网络的所有移动台。每个用户都可以通过其国际移动用户识别码（IMSI）进行识别。为了防止用户画像攻击，永久标识符尽可能少地通过空中接口发送。相反，使用本地标识符临时移动用户标识（TMSI）尽可能地识别用户。每个UMTS用户都有一个专用的归属网络，它与该网络共享一个长期密钥K_i。

归属位置寄存器（HLR）跟踪所有家庭网络用户的当前位置。移动台与被访问网络之间的相互认证在当前GSN（SGSN）和MSC/VLR的支持下分别进行。UMTS支持无线接口的加密和信令消息的完整性保护。

UMTS - 认证

UMTS设计为与GSM网络互操作。为了保护GSM网络免受中间人攻击，3GPP正在考虑添加RAND认证挑战结构。

UMTS用户到UMTS网络

网络和移动台都支持UMTS的所有安全机制。身份验证和密钥协商如下：

• 移动台和基站建立无线资源控制连接（RRC连接）。在建立连接期间，移动台将其安全功能发送到基站。安全功能包括支持的UMTS完整性和加密算法，以及可能也支持的GSM加密功能。

• 移动台发送其在网络上当前使用的临时标识TMSI。

• 如果网络无法解析TMSI，则它要求移动台发送其永久标识，移动台以IMSI响应请求。

• 被访问网络请求移动台数据所在归属网络的身份验证。

• 归属网络返回随机挑战RAND、相应的认证令牌AUTN、认证

• 响应XRES、完整性密钥IK和加密密钥CK。

• 被访问网络将RAND认证挑战和认证令牌AUTN发送到移动台。

• 移动台检查AUTN并计算认证响应。如果AUTN正确。

• 移动台忽略消息。

• 移动台将其认证响应RES发送到被访问网络。

• 访问网络检查RES是否等于XRES，并确定无线子系统允许使用哪些安全算法。

• 被访问网络发送无线子系统允许使用的算法。

• 无线接入网络决定允许使用哪些算法。

• 无线接入网络在安全模式命令消息中通知移动台其选择。

• 此消息还包含步骤1中从移动台接收到的网络安全功能。

• 此消息使用完整性密钥IK进行完整性保护。

• 移动台确认完整性保护并验证安全功能的准确性。

UMTS用户到GSM基站

移动单元（UMTS用户）同时支持USIM和SIM应用。基站系统使用GSM，而VLR/MSC技术组件分别是UMTS SGSN。移动台和核心网络都支持UMTS的所有安全机制。但是，GSM基站系统（BSS）不支持完整性保护，并使用GSM加密算法。身份验证协议的前八个步骤与经典情况相同执行。GSM BSS只是转发UMTS认证流量。

• MSC/SGSN决定允许使用哪些GSM加密算法，并计算GSM密钥Kc、UMTS密钥IK、CK。

• MSC/SGSN通知GSM BSS授权的算法并传输GSM加密密钥Kc。

• GSM BSS根据移动台的加密功能决定允许使用哪些加密算法。

• GSM BSS向移动台发送GSM加密模式命令。

UMTS - 成功与局限性

GSM（2G）的成功故事非常出色。为了方便数据通信，在现有的GSM中进行了一些扩展，但成功有限。GPRS被引入用于移动用户的分组数据，理论上基本数据速率提高到172 Kb/s，但几乎没有为用户分配最大8个逻辑信道。GPRS具有两阶段访问IP连接的概念。

第一步是连接到网络并注册到网络。为此，用户数据传输需要建立PDP（分组数据协议）环境。此时仅分配IP地址。GPRS也被称为2.5G网络。

对于GSM/CS（电路交换）和GPRS/PS（分组交换），都基于EDGE（增强型GSM演进数据速率）下更高的调制效率进行了持续的优化工作，但从根本上没有发生任何变化。

下一代3G移动网络（UMTS）建立在一种称为WCDMS（宽带CDMA）的新无线技术之上，它确保了两件事：

• 由于新的无线频谱，带宽更大；
• 终端用户峰值数据速率更高。

UMTS网络架构设计时将CS和PS并行考虑。后来，以互联网和多媒体子系统（IMS）的形式创建了一个完全不同的服务层。UMTS后来通过HSPA和HSPA+得到了改进，以获得更高的数据速率。这被分为下行链路/HSDPA和上行链路/HSUPA。3GPP Rel 5已将HSDPA标准化，Rel 6已将HSUPA标准化。HSPA+属于3GPP的Rel. 7标准。

通过直接隧道方法，已经在传统的PS技术中实现了持续改进。然而，很明显，需要对架构进行更多更改才能实现此目标。传统技术改进的另一个方面可以用超自然效率来识别，即每个无线频率单元和时间单元可交付的有效比特数。即使为移动通信提供了新的无线频谱，但降低成本和竞争的压力也需要进一步的收益。

UMTS - 3GPP

3GPP是移动网络的标准化组织，自1998年以来一直存在。3GPP规范以称为“版本”的捆绑包形式提供。

第三代合作伙伴计划（3GPP）

3GPP版本从版本99到版本7。

网络实体简述如下：

第三代合作伙伴计划2（3GPP2）

3GPP2是3GPP市场的对应部分。3GPP2标准机构还开发了一套庞大的规范，描述了其自身的移动网络技术，当前一代被称为CDMA2000©。3GPP2采用了3GPP的概念和解决方案，但在选择上有所不同。关于LTE，近年来3GPP2运营商对允许灵活高效的互操作性越来越感兴趣。3GPP2技术的继承包括一个称为1xRTT的CS和PS组件（EVDO vs eHRPD）。3GPP2认为其（eHRPD）高速分组数据网络等同于3GPP旧系统，其传输过程经过专门优化设计。

3GPP系统的体系结构

3GPP的整体架构，包括已演进的系统以及3GPP已定义的核心和接入网络，被称为“传统3GPP系统”。

未由3GPP定义但可与已演进的3GPP系统结合使用的接入网络称为“非3GPP接入网络”。

服务区域必须理解为IP服务的集合，因此通常它们由分组数据网络（PDN）表示和实现。IP服务可以简单地提供原始IP连接（即允许互联网连接），提供到公司网络的连接，或提供高级基于IP的控制功能，例如通过IMS进行电话和即时消息。

它被称为“演进的UTRAN”（EUTRAN）。GERAN和UTRAN是现有的无线接入网络，并连接到传统的PS域。

演进的分组核心（EPC）除了管理分组路由和转发（用于传输用户数据）的基本功能外，还包含所有必要的特性，尤其用于控制移动性、会话处理、安全性和负载。

为了与传统CS域互操作，还应考虑CS核心网络并与后端IMS接口。虚线箭头表示传统CS核心网络与新的网络演进分组核心之间的可选互连，如果需要，可减少对语音服务的CS域的利润损失。

UMTS - 无线接入网络

更通用的术语“演进的无线接入网络”（eRAN）也可用于信令协议的一部分，与术语“接入层”（AS）可以互换使用。比较表明，E-UTRAN由一种类型的节点组成，即演进的节点B（eNodeB），并且互连的多样性减少到最小。eNodeB是一个无线基站，并通过其天线在一个区域（小区）内进行收发，该区域受物理因素（信号强度、干扰条件和无线电波传播条件）限制。它具有与相邻eNodeB的逻辑接口X2和通过S1的EPC。两者都具有控制部分（例如，信令）和用户平面部分（用于有效载荷数据）。

指向EU参考（包括无线链路接口和移动网络协议栈绑定）被称为“LTE-U u”，以表明它与传统对应的EU X2连接相邻eNodeB不同。它们可以被认为是大多数E-UTRAN的一部分，并且在大多数无线小区之间切换的情况下使用。

随着UE的移动，通过两个数据eNodeB之间的X2进行信令进行长时间的切换准备，并且受影响的用户可以在它们之间短暂传输。仅在特殊情况下，可能发生两个相邻eNodeB之间未配置X2。在这种情况下，始终支持传输，但传输准备和数据传输则通过EPC进行。因此，必须提供更高的延迟和更少的“同质性”。

更详细地说，eNodeB执行的功能包括：

• 无线资源管理：无线承载控制、无线接入控制、连接控制移动性、动态分配资源（即调度）到UE的上行链路和下行链路。

• IP报文头的压缩和用户数据流的加密。

• 将用户平面数据包转发到EPC（特别是，朝向GW服务节点）。

• 在链路上进行传输层数据包标记，例如，基于关联的EPS承载的QoS类索引（QCI）设置DiffServ代码点。

• 规划和发送寻呼消息（根据MS的请求）。

• 规划和传输广播信息（MME或O&M的来源）。

• 测量配置传递和报告移动范围和编程。

UMTS - 演进的分组核心（EPC）网络

在3GPP演进系统的早期架构工作中，提出了关于使用用户平面和控制平面协议实现移动性的两种观点。

第一个观点是推广GPRS隧道协议（GTP）的良好性能，而另一个观点则推动新的（以及所谓的IETF“基础”）协议。

双方都有充分的理由：

• GTP演进 - 该协议已证明其对运营商的有用性和能力，并在大型运营中取得了巨大成功。它正是针对移动网络PS的需求而设计的。

• 基于IETF的协议 − IETF是互联网事实上的标准组织。他们的移动性协议已经从专注于基于移动IP的网络客户端发展到“代理移动IP (MIP)”。PMIP在3GPP演进并行系统中标准化。（但移动IP客户端基础在EPS中与非3GPP接入支持结合使用。）

3GPP接入的EPC（非漫游）

参考点提供的功能和采用的协议如下：

LTE-Uu

LTE-Uu是EU和eNodeB之间无线接口的参考点，包含控制平面和用户平面。控制平面的顶层称为“无线资源控制”（RRC）。它位于“分组数据收敛协议”（PDCP）、无线链路控制和MAC层之上。

S1-U

S1-U是eNodeB和服务网关之间用户平面流量的参考点。通过此参考点的主要活动是传输来自用户流量或隧道形状的封装IP数据包。即使在EU移动期间，也需要封装来实现eNodeB和服务网关之间的虚拟IP链路，从而实现移动性。使用的协议基于GTP-U。

S1-MME

S1-MME是eNodeB和MME之间控制平面的参考点。所有控制活动都在其上执行，例如，用于建立连接、断开连接和支持变更的信令、安全程序等。请注意，其中一些流量对E-UTRAN是透明的，并且在EU和MS之间直接交换，它被称为“非接入层”（NAS）信令。

S5

S5是包含服务网关和PDN网关之间控制平面和用户平面的参考点，并且仅在两个节点都位于HPLMN时适用；服务网关位于VPLMN时的对应参考点称为S8。如上所述，这里有两种协议变体：增强型GPRS隧道协议（GTP）和代理移动IP（PMIP）。

S6a

S6a是交换与设备订阅相关信息的参考点（下载和清除）。它对应于现有系统中的Gr和D参考点，并且基于DIAMETER协议。

SGi

这是DPR的出口点，对应于GPRS中的Gi参考点和I-WLAN中的Wi。这里使用基于IETF的协议进行用户平面（即IPv4和IPv6数据包转发）协议，以及用于配置IP地址/外部网络协议的控制平面协议，例如DHCP和radius/diameter。

S10

S10是用于MME重定位的参考点。它是一个纯控制平面接口，并为此目的使用高级GTP-C协议。

S11

S11是MME和服务网关之间现有控制平面的参考点。它采用高级GTP-C（GTP-C v2）协议。eNodeB和服务网关之间的数据持有者由S1-S11和MME的级联控制。

S13

S13是设备识别寄存器（EIR）和MME的参考点，用于身份控制（例如，基于IMEI，如果列入黑名单）。它使用直径协议SCTP。

Gx

Gx是QoS策略过滤策略的参考点，并控制PCRF和PDN网关之间的负载。它用于提供过滤器和定价规则。使用的协议是DIAMETER。

Gxc

Gxc是在Gx之上存在的参考点，但位于网关和PCRF之间，并且仅在S5或S8上使用PMIP时才使用。

Rx

Rx被定义为一个应用程序功能（AF），位于NDS和PCRF中，用于交换策略和计费信息；它使用DIAMETER协议。

3GPP接入的EPC（漫游）

在这种漫游情况下，用户平面可以：

扩展回HPLMN（通过互连网络），这意味着所有EU用户流量都通过HPLMN中的PDN网关路由，DPR连接到该网关；或者

为了更优化地传输流量，它离开VPLMN中的PDN网关到本地PDN。

第一个称为“家庭路由流量”，第二个称为“本地中断”。（请注意，第二个术语也用于讨论家庭NB/eNodeB的流量优化，但含义不同，因为在3GPP漫游的概念中，控制平面始终涉及HPLMN）。

EPC和传统网络之间的互操作

从一开始，很明显，3GPP演进系统将与现有的2G和3G系统无缝互操作，3GPP PS广泛部署，或者更准确地说，与GERAN和UTRAN GPRS基站互操作（对于与旧CS系统互操作以处理优化语音的方面）。

EPS中2G/3G基本架构设计的问题是GGSN映射的位置。有两个版本可用，并且都支持：

• 使用的网关 − 这是服务网关结束用户平面（如现有GPRS网络中所见）的正常情况。

  控制平面在MME中完成，根据EPC中用户和控制平面的分布。引入了S3和S4参考点，它们分别基于GTP-U和GTP-C。S5/S8连接到PDN网关。优点是互操作性流畅且优化。缺点是，对于这种互操作性，SGSN必须升级到Rel. 8（由于需要支持S3和S4上的新功能）。

• PDN网关 − 在这种情况下，未更改的参考点Gn（漫游时为Gp）在SGSN和PDN网关之间重复使用，用于控制平面和用户平面。这种用法的优点是SGSN可以是Rel. 8之前的版本。此外，它对IP版本、传输和S5/S8协议有一些限制。

与传统3GPP CS系统的互操作

在3GPP演进设计阶段，很明显，传统的CS系统及其最重要的服务“语音”通信不能被新系统忽略。运营商在该领域的相关投资实在太大，因此需要非常有效的互操作性。

已经开发了两种解决方案：

• 单无线语音呼叫连续性（SRVCC），用于将语音呼叫从LTE（使用IMS上的语音）转移到传统系统。

• CS回退 − 在执行CS入站或出站活动之前，启用临时移动到传统CS。

单无线语音呼叫连续性（SRVCC）

在3GPP为SRVCC与GERAN/UTRAN选择的此解决方案中，一个特别增强的MSC通过一个新的MME控制平面接口连接。

请注意，为EU提供服务的MSC可能与支持Sv接口的MSC不同。在IMS中，需要一个用于SRVCC的应用服务器（AS）。Sv基于GTPv2，有助于在目标系统（接入和核心网络以及CS和IMS域之间的互连）中准备资源，同时连接到源接入。

类似地，使用SRVCC的CDMA 1xRTT需要与1xRTT服务器（IWS）互操作，该服务器支持接口和从/到为UE提供服务的1xRTT MSC的信号中继，S102具有相同的目的。S102是一个隧道接口，传输1xRTT信令消息；在MME和UE之间，这些消息被封装。

CS回退

服务网关和PDN网关不分离（S5/S8未公开），并且VLR与MSC服务器集成。在MSC服务器/VLR和MME之间引入了一个新的SG接口，允许组合和协调程序。该概念包括：

• 信号中继以结束CS请求（来电、处理网络触发的附加服务或传统SMS）从MSC服务器到SG上的MS，反之亦然；

• PS域和CS域之间的组合操作程序。

与非3GPP接入的互操作

与3GPP接入网络的不同系统（称为非3GPP/接入）的互操作是SAE的重要目标；这应该在EPC的保护伞下完成。这种互操作性可以在不同的级别实现（实际上，这是在第4层使用VCC/SRVCC实现的）。但是对于通用类型的互操作性，似乎有必要依靠通用机制，因此IP层似乎最合适。

通常，移动和固定网络的完整系统具有与上面描述类似的架构。对于演进的3GPP系统，通常存在一个接入网络和一个核心网络。在计划中的演进3GPP系统互操作架构中，其他接入技术系统连接到EPC。

通常，完整的移动网络系统和固定网络系统具有与演进的3GPP系统中概述的类似架构，并且通常由接入网络和核心网络组成。

还决定允许两种不同类型的互操作性，基于接入系统的属性。对于具有非3GPP接入信心的网络，假设它们与EPC之间实现了安全通信，并且也充分保证了强大的数据保护。

UMTS - GPRS隧道协议

生成GPRS隧道协议（GTP）实际上是不可能的，但也不希望将其用于新系统，但另一方面，可以理解的是，为了能够与传统PS世界顺利交互并支持新系统所需的函数，也需要改进。

GPRS隧道协议（GTP）

GTP协议旨在对GPRS中的数据单元和控制消息进行隧道传输和封装。自其在20世纪90年代后期设计以来，它已大规模部署，并积累了丰富的经验。

演进的3GPP系统的GTP有两种变体：控制平面和用户平面。GTP-C管理控制平面信令，除了用户平面纯数据传输协议之外，它也是必要的；它被称为用户平面。适用于EPS的当前版本是GTPv1 US和GTPv2-C。

GTP的特点是它支持在其主GTP隧道持有者内分离流量，或者换句话说，能够将它们分组并处理载波。GTP隧道的端点由TEID（隧道端点标识符）标识；它们由对等实体在本地级别分配给上行链路和下行链路，并在它们之间横向报告。TEID在不同的粒度上使用，例如，S5和S8上的PDN连接和S3/S4/S10/S11接口上的EU。

GPRS隧道协议的控制平面

GTPv2-C用于EPC信令接口（包括至少Rel. 8的SGSN）。例如：

• S3（SGSN和MME之间），
• S4（SGSN和服务网关之间），
• S5和S8（服务网关和PDN网关之间），
• S10（两个MME之间），以及
• S11（MME和服务网关之间）。

与此对应，一个典型的GTPv2-C协议数据单元（如上图所示），GTP的特定部分在IP和UDP报头之前，它由GTPv2-C报头和包含GTPv2-C可变数量、长度和格式的信息部分组成，具体取决于消息的类型。由于不支持回显和协议版本的通知，因此TEID信息不存在。显然，在此版本的协议中，版本固定设置为2。

GTP 具有复杂的遗留扩展头机制；在大多数 GTPv2-C 中未使用。消息类型在第二个字节中定义（因此最多可以为将来的扩展定义 256 条消息）。下表概述了当前 GTPv2-C 中定义的消息。消息长度在字节 3 和 4 中编码（以字节为单位，不包括前四个字节本身）。

TEID 是隧道端点的 ID，在相对/接收端是一个单一的值；它允许在非常频繁的情况下在一个端点上多路复用和解复用隧道，必须区分 GTP 隧道上的多个隧道。

增强型 GTPv1-U

GTP-U 只应用了一个小的但有效的改进，因此认为没有必要加强协议版本号。因此，我们仍然期望 GTPv1-U，但至少是其最新的 Rel. 8。

协议栈与 GTPv2-C 基本相同，只是层名称和协议进行了相应的替换。扩展头机制保留在原位；如果需要，它允许插入两个元素。

• 触发消息的 UDP 源端口（两个八位字节）；

• PDCP PDU 编号 - 与无损特征传输相关；在这种情况下，数据包需要在 EPC 中编号（两个八位字节）。

改进是能够在用户平面中传输“端市场”。它用于 eNodeB 之间的切换过程中，并指示在数据包之后立即激活路径，例如，在 Rel.8 之前不需要此功能，因为 GTP-U 没有以无线接入节点（即不在 BS 或 NodeB 中）结束，只存在少量消息。GTPv1-U，它们列在上表中。

很明显，实际上可以通过 GTPv1-U 进行非常有限的信令（回显机制和端标签）。唯一传输真实用户数据的消息类型为 255，即所谓的 G-PDU 消息；在标头之后，它携带的唯一信息是来自用户或外部 PDN 设备的原始数据包。

参考架构中并未列出所有 GTP-U 隧道的实例（该架构旨在捕获网络节点之间不再存在的关联）；临时隧道是可能的 -

• 两个服务 GW 之间，适用于基于 S1 的传输，在服务移动 GW 的情况下；

• 两个 SGSN 之间，对应于先前的情况，但在遗留 PS 网络中；

• 两个 RNC 之间，适用于 3G PS 网络中 RNC 的重新定位（与 EPC 无关，此处仅出于完整性而提及）。

UMTS - 代理移动 IPv6 协议

它是由互联网工程任务组 (IETF) 标准化的移动性管理协议，该组织致力于开发互联网协议标准。

双协议栈功能

PMIPv6 的双协议栈功能有两个目标 -

• 支持 IPv4 家庭地址

• 允许仅 IPv4 通过接入网络传输；在这种情况下，MAG 也可以使用 IPv4 私有地址，并且可以在通往 LMA 的路径上部署 NAT。

这两个功能可以独立使用。为了解决这些需求，做出了以下扩展 -

**在 LMA 的绑定缓存中** -

• 分配给移动节点的 IPv4 地址，现在已在移动接入网关中注册（包括相应的子网掩码）。它来自静态配置/配置文件或由 LMA 动态分配。

• 分配给移动节点的 IPv4 默认路由器地址。

**在 MAG 的绑定更新列表中** -

• 分配给连接的移动接口的 IPv4 家庭地址。

• 移动节点的 IPv4 默认路由器。LMA 和 MAG 应实现 IPv6，并且它们也需要一个 IPv4 地址。MAG 是 UE 在其接入链路上的 IPv4 默认路由器。

PMIPv6 信令

下表概述了 PMIPv6 信令消息（基本 PMIPv6 和 IETF 中指定的改进，用于连接解除和管理方式）。PMIPv6 基础信令是通过 MAG 到 LMA 的“绑定更新”（BU）进行的，并且相应的“绑定更新确认”（BUA）消息返回到 MAG 用于注册、刷新和删除绑定。IP 地址信息（IPv4 或 IPv6 地址前缀）通常由 LMA 请求，并由初始注册分配的 MAG 分配。

添加到 PMIPv6 的 3GPP 特定信息元素

PMIPv6 旨在用于非常通用的用途；3GPP 有一些特殊要求，这些要求源于需要使其尽可能与 GTP 的功能兼容。

UMTS - 可扩展身份验证协议

它是由 IETF（RFC 3748）开发的通用框架。基本信令机制支持顶部的不同身份验证方法。

EAP 与 3GPP 系统互操作的特定用途由 EAP-AKA 方法定义，EAP-AKA 已经用于 I-WLAN。

EAP 身份验证的主要步骤如下 -

• EAP 鉴别器向目标设备/EU（L2）发送身份验证请求；它接收来自目标设备/EU 的响应并将其传输到 AAA 基础设施。

• AAA 服务器执行 EAP 方法，从而对目标设备发出挑战，由鉴别器发送。

• 目标设备必须满足挑战；答案通过鉴别器中继到 AAA 服务器。

• AAA 服务器将响应与预期响应进行比较，并决定是否成功身份验证。成功或失败的指示返回到目标设备。

可选地，可以使用通知来传输其他信息；这用于 IP 移动性模式选择指示。在设计过程中，有一个主要决定是将非 3GPP 接入网络的安全领域与 3GPP 安全领域以及其他领域分开。

实际结果是非 3GPP 接入网络的标识符进入安全算法，这需要指定 EAP-AKA 的变体，即 EAP-AKA（高级）。

UMTS - IKEv2 & MOBIKE

互联网密钥交换是在 RFC 4306 中由 IETF 定义的复杂版本 2。它允许在两个节点之间创建和维护安全关联和 IPSec 隧道，并交换一些配置数据；它们被传输到消息中的所谓有效负载配置对话中。

完整的 IKEv2 会话由多个对话组成，结构化阶段。消息流和典型基础在下图中给出，以及如何在 EU 和 ePDG 之间的信令上下文中应用的描述 -

在演进的 3GPP 系统中，IKEv2 用于 -

• IP 地址信息：IPv4 地址或 IPv6 前缀。
• IP 移动性模式选择信息。
• IP 地址信息：IPv6 前缀。
• DNS 服务器地址。

直径

直径是一种通用的 AAA 协议，具有网络访问、移动性和 QoS 处理的其他功能。虽然它原则上是通用对等对等，但在 3GPP 架构中以客户端-服务器模式使用。它具有内置的可扩展性，因此完美地支持接口上的消息结构，需要一定的灵活性。此外，它支持具有故障和故障转移处理的多个服务器配置。在功能上，它与其前身半径相似，但在消息和参数级别上却大不相同。DIAMETER 提供了通过成对的心跳消息检测死对等的功能。它可以在 SCTP 或 TCP 上运行，并使用 3868 端口。

DIAMETER 协议在 EPC 中得到广泛使用 -

• S6a 用于 MME 和 HSS 之间的订阅下载和更新。

• S6d（在升级后的 SGSN 和 HSS 之间），它是遗留世界中 S6a 的对应部分，具有与新系统的互操作功能。

• S13 用于 MME 和 EIR 之间的设备检查。

• SWa 用于不受信任的非 3GPP 接入和 AAA 服务器之间的身份验证。

• STa 用于受信任的非 3GPP 接入和 AAA 服务器之间的身份验证和授权。

• SWd 用于 AAA 代理和 AAA 服务器之间的转发（VPLMN 和 HPLMN 之间的转发）。

• S6b 用于 PDN GW 和 AAA 服务器之间的 APN 授权和移动性。

• SWm 用于 ePDG 和 AAA 服务器之间的身份验证和授权。

• SWx 用于 AAA 服务器和 HSS 之间交换身份验证向量和注册信息。

• Gx 用于 PDN GW 和 PCRF 之间的 IP-CAN 会话处理和 GW-控制会话处理。

UMTS - SCTP

流控制传输协议（SCTP）是一种可靠的传输协议，运行在数据包服务之上，而数据包服务本身并不具备像IP这样的潜在不可靠连接。它专为应用程序和信令而开发，提供无重复传输错误数据报（消息）的识别。使用校验和和序列号来检测数据损坏、数据丢失和数据重复。

应用选择性重传机制来纠正数据丢失或损坏。关键的区别在于TCP的多宿主机和连接中多流的概念。在TCP流中被称为字节序列，SCTP流代表消息序列。SCTP试图结合UDP和TCP的优点，同时避免它们的缺点；它在IETF RFC 4960中定义。

SCTP用于多个网络内部控制平面接口，这些SCTP应用程序包括：

• S1-MME：eNodeB和MME之间
• SBc：MME和SBc之间。
• S6a：MME和HSS之间
• S6d：SGSN和HSS之间
• SGs：MSC/VLR和MME之间
• S13：MME和EIR之间

S1应用协议

在S1-MME之间存在两类过程：与UE相关和与UE无关。此外，定义了两类消息：Class 1和Class 2（Class 1是发起方，Class 2是应答方）。Class 1及其相关过程的发起/响应消息列在下表中；Class 2消息的流程名称与过程名称基本相同，下表（第二个表）仅列出了这些名称。

基本过程

• 切换通知
• E-RAB释放指示
• 寻呼
• 初始UE消息
• 下行NAS传输
• 上行NAS传输
• NAS未送达指示
• 停用跟踪
• 跟踪开始
• 跟踪失败指示
• 位置报告失败指示
• 位置报告控制
• 位置报告
• 小区流量跟踪
• 错误指示
• UE上下文释放请求
• 下行S1 CDMA2000隧道
• 上行S1 CDMA2000隧道
• UE能力信息指示
• eNodeB状态转移
• MME状态转移
• 过载开始
• 过载停止
• eNodeB直接信息传输
• MME直接信息传输
• eNodeB配置传输
• MME配置

X2应用协议

X2应用协议与S1-AP有很多共同点；Class 1和Class 2消息的相同分类方式。设置消息要小得多，这与X2的专门功能相对应。

UMTS - NAS信令协议

NAS信令协议是真正的3GPP协议，仅为3GPP开发，因此，除了3GPP系统之外，其他地方都找不到该协议。

• UE用于移动性和会话管理。
• MME用于EPC和遗留网络节点（GPRS的SGSN和CS域的MSC）。
• 交换的消息。

EPS移动性管理的NAS信令协议

EPS移动性管理的NAS信令过程列在下表中。“C”列中的“X”指示是否与CS NAS信令协议栈组合存在变体（允许CSFB配置的情况，在假定的组合下）。

仅展示了成功的情况（如果发生错误，则使用相应的拒绝消息，主要通过网络）；说明不包含所有可能的情况。对话消息通常由计时器保持以防消息丢失；例如，计时器T3410用于监督过程，并在15秒后超时。因此，如果网络没有响应（接受或拒绝），则会启动重试过程。计数器用于限制重试次数。EPS移动性管理网络运行七个计时器，UE运行14个计时器。

EPS会话管理的NAS信令协议

NAS信令功能的第二个模块与会话处理相关。ESM中存在四个网络内部和四个UE发起的过程。下表列出了消息及其相应的成功流程（同样，负面情况是使用相应的拒绝消息创建的）。其中一些被移植到EMM NAS消息中，其中提供了容器（例如，PDN连接请求被打包在附着请求消息中）。还定义了两个简单的消息用于一般信息交换。