UMTS快速指南

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行動通訊的歷史

無線通訊對我們的祖先來說是一種魔法，但馬可尼在1895年用他的無線電報實現了它。無線通訊可以分為三個時代。

• 先驅時代（至1920年）
• 蜂窩前時代（1920-1979）
• 蜂窩時代（1979年以後）

第一個商用行動電話系統於1946年在美國聖路易斯由貝爾公司推出。少數幸運的客戶獲得了服務。早期的移動系統使用單一的高功率發射機和模擬調頻技術，覆蓋範圍可達約50英里，因此由於頻寬的嚴重限制，只有有限的客戶可以獲得服務。

蜂窩時代

為了克服頻寬稀缺的限制併為更大範圍的人群提供覆蓋，貝爾實驗室引入了蜂窩的概念。透過頻率複用技術，這種方法提供了更好的覆蓋範圍、更好地利用了可用的頻譜，並降低了發射機的功率。但是，當手機移動時，已建立的呼叫需要在基站之間進行切換。

儘管美國貝爾實驗室引入了蜂窩原理，但北歐國家是第一個在商業上引入蜂窩服務的國家，他們在1981年推出了北歐行動電話（NMT）。

第一代系統

所有這些系統都是模擬系統，使用FDMA技術。它們也被稱為第一代（1G）系統。基於蜂窩原理，出現了不同的系統。它們列在下面。

1G系統的缺點

• 它們是模擬的，因此對干擾不穩健。
• 不同的國家遵循自己的標準，這些標準是不相容的。

為了克服1G的困難，大多數國家選擇了數字技術，並開啟了一個新的時代，稱為2G。

2G的優點

• 透過使用先進的調製技術實現了改進的頻譜利用率。
• 較低的位元率語音編碼使更多使用者能夠同時獲得服務。
• 信令開銷的減少為容量增強鋪平了道路。
• 良好的信源和通道編碼技術使訊號對干擾更加穩健。
• 增加了簡訊等新服務。
• 實現了訪問和切換控制的效率提高。

GSM的歷史

GSM標準是歐洲標準，它解決了與相容性相關的許多問題，尤其是在數字無線電技術發展方面。

GSM里程碑

• 1982年 - 歐洲郵電會議（CEPT）成立了特殊移動小組。
• 1985年 - 決定由該小組生成建議清單。
• 1986年 - 對公共空中介面的無線電技術進行了不同的現場測試。
• 1987年 - 選擇TDMA作為接入標準。12家運營商簽署了諒解備忘錄。
• 1988年 - 對系統進行了驗證。
• 1989年 - 歐洲電信標準協會（ETSI）承擔了責任。
• 1990年 - 釋出了第一個GSM規範。
• 1991年 - 第一個商用GSM系統啟動。

GSM的頻率範圍

GSM在四個不同的頻率範圍內工作，使用FDMA-TDMA和FDD。它們如下所示：

蜂窩概念 - 簡介

由於連線電線的限制，傳統電話的巨大潛力無法得到最大限度的發揮。但是，隨著蜂窩無線電的出現，這種限制已被消除。

頻率稀缺問題

如果我們為每個使用者使用專用的射頻環路，則需要更大的頻寬才能為單個城市中甚至有限數量的使用者提供服務。

示例

單個射頻環路需要50 kHz頻寬；那麼對於十萬使用者，我們需要100,000 x 50 kHz = 5 GHz。

為了克服這種頻寬問題，使用者必須根據需要共享射頻通道，而不是使用專用的射頻環路。這可以透過使用多址接入方法FDMA、TDMA或CDMA來實現。即使這樣，為使用者提供服務所需的射頻通道數量仍然是不切實際的。

示例

考慮使用者密度為30平方公里，服務等級為1%，每個移動使用者的業務量為30mE。然後所需的射頻通道數量為：

為了分配360個無線電通道給10,000個使用者，我們需要360 × 50 KHz = 18 MHz的頻寬。這實際上是不可行的。

蜂窩方法

在有限的頻率資源下，蜂窩原理可以以可承受的成本為數千使用者提供服務。在蜂窩網路中，總面積被細分為較小的區域，稱為“小區”。每個小區可以覆蓋其邊界內有限數量的移動使用者。每個小區可以有一個基站，並配備多個射頻通道。

在給定小區區域中使用的頻率將在地理上分開的不同小區中同時複用。例如，可以考慮一個典型的七小區模式。

可用的總頻率資源被分成七部分，每部分包含一定數量的無線電通道並分配給一個小區站點。在一組7個小區中，可用的頻譜被完全消耗。在一定距離後，可以使用相同的七組頻率。

完全消耗可用頻譜的小區組稱為小區簇。

在相鄰簇中具有相同編號的兩個小區使用相同的射頻通道集，因此被稱為“同頻干擾小區”。使用相同頻率的小區之間的距離應足夠大，以將同頻干擾（同頻干擾）保持在可接受的水平。因此，蜂窩系統受到同頻干擾的限制。

因此，蜂窩原理使以下內容成為可能。

• 更有效地利用有限的可用射頻資源。

• 在區域內使用同一組通道製造每個使用者終端，以便任何移動裝置都可以在區域內的任何地方使用。

小區形狀

出於分析目的，由於以下原因，在紙面上，與其他形狀相比，更傾向於使用“六邊形”小區。

• 六邊形佈局需要更少的小區來覆蓋給定區域。因此，它意味著更少的基站和最低的資本投資。

• 其他幾何形狀無法有效地做到這一點。例如，如果有圓形小區，那麼就會出現小區重疊。

• 此外，對於給定區域，在正方形、三角形和六邊形中，六邊形的半徑將是最大的，這對較弱的手機來說是必要的。

實際上，小區不是六邊形的，而是形狀不規則的，由無線電波在地形上的傳播、障礙物和其他地理限制因素決定。需要複雜的計算機程式來將區域劃分為小區。西門子的“Tornado”就是一個這樣的程式。

執行環境

由於移動性，基站和移動終端之間的無線電訊號在從發射機到接收機的傳輸過程中會發生各種變化，即使在同一小區內也是如此。這些變化是由於：

• 發射機和接收機的物理分離。
• 路徑的物理環境，即地形、建築物和其他障礙物。

慢衰落

• 在自由空間條件（或）視距條件下，射頻訊號傳播常數被認為是2，即r = 2。這適用於靜態無線電系統。

• 在移動環境中，這些變化是明顯的，通常將“r”取為3到4。

瑞利衰落

在移動環境中，基站和移動裝置之間的視距並不保證，接收機接收到的訊號是透過不同路徑到達的多個訊號之和（多徑）。射頻波的多徑傳播是由於射頻能量從山丘、建築物、卡車或飛機等反射造成的；反射能量也經歷相位變化。

如果有180度相位與直射路徑訊號相反的訊號，它們往往會相互抵消。因此，多徑訊號往往會降低訊號強度。根據發射機和接收機的位置以及路徑長度上各種反射障礙物，訊號會發生波動。波動發生得很快，被稱為“瑞利衰落”。

此外，多徑傳播會導致“脈衝展寬”和“符號間干擾”。

多普勒效應

由於使用者的移動，接收到的射頻訊號的頻率會發生變化。蜂窩移動系統使用以下技術來應對這些問題。

• 通道編碼
• 交織
• 均衡
• 耙接收機
• 慢頻率跳變
• 天線分集

同頻干擾和小區分離

我們假設一個蜂窩系統，其小區半徑為“R”，同頻干擾距離為“D”，簇大小為“N”。由於小區大小是固定的，因此同頻干擾將獨立於功率。

同頻干擾是“q” = D/R的函式。

Q = 同頻干擾降低因子。

較高的“q”值表示較少的干擾。

較低的“q”值表示較高的干擾。

“q”也與簇大小（N）相關，如q = 3N

q = 3N = D/R

對於不同的N值，q為：

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

較高的“q”值

• 減少同頻干擾，
• 導致較高的“N”值，更多的小區/簇，
• 每個小區的通道數減少，
• 流量處理能力降低。

較低的“q”值

• 增加同頻干擾，
• 導致較低的“n”值，更少的小區/簇，
• 每個小區的通道數增加，
• 流量處理能力提高。

通常，N = 4、7、12。

C/I計算和‘q’

“q” 的值也取決於 C/I。“C” 是從所需發射機接收到的載波功率，“I” 是從所有干擾小區接收到的同頻干擾。對於七小區複用模式，同頻干擾小區的數量應為六個。

訊號損耗與（距離）–r 成正比

R – 傳播常數。

c α R-r

R = 小區半徑。

I α 6 D-r

D= 同頻干擾距離

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

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

Q = [6 × C/I]1/r

根據可接受的語音質量，發現 C/I 的值等於 18 dB。

假設：

• 七小區複用模式
• 全向天線

‘q’ 的值通常約為 4.6。

r 的值取為 3。

這是一種理想情況，認為移動單元與干擾小區的距離在所有情況下都均勻地等於‘D’。但在實際應用中，移動單元會移動，當它到達小區邊界時，距離‘D’會減少到‘D-R’，並且 C/I 會下降到 14.47 dB。

因此，使用全向天線時，7 的‘頻段’複用模式不滿足 C/I 標準。

如果 N = 9（或）12，

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

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

因此，使用全向天線時，需要採用 9 或 12 小區模式，但流量處理能力會降低。因此，它們不被推薦。

為了使用 N = 7（或更低），每個小區站點都使用定向天線。具有 3 個扇區的單元非常流行，將類似於下面所示的圖形。

天線的正面-背面耦合現象減少了潛在干擾器的數量。

例如，如果 N = 7。

使用全向天線時，干擾小區的數量應為六個。使用定向天線和 3 個扇區時，干擾小區數量減少到兩個。對於 N = 7 和三個扇區，即使在最壞的情況下，C/I 也從 14.47 dB 提高到 24.5 dB。然後 C/I 滿足 18dB 的要求。對於 N = 7 和六個扇區，C/I 提高到 29 dB。

對於城市應用，使用 N = 4 和三個扇區小區，以便獲得比 N = 7 更多的每個小區載波數量。在最壞情況下，C/I 也達到 20 dB。

DAMPS 使用 7/21 小區模式

GSM 使用 4/21 小區模式

扇區的優點

• 減少同頻干擾
• 提高系統容量

扇區的缺點

• 基站需要大量天線。
• 每個小區扇區數量的增加會降低叢集效率
• 扇區會減少特定頻段的覆蓋範圍。
• ‘切換’次數增加。

切換

當移動單元沿著路徑移動時，它會穿過不同的小區。每次進入與 f = 不同頻率相關聯的不同小區時，移動單元的控制權就會由另一個基站接管。這被稱為‘切換’。

切換的決定依據：

• 接收到的訊號強度資訊，如果低於閾值。
• 載幹比小於 18 dB。

鄰道干擾

給定的小區/扇區使用多個射頻通道。由於接收機濾波器不完美，允許附近頻率洩漏到通帶，因此會發生鄰道干擾。

可以透過儘可能增大給定小區中每個射頻通道之間的頻率間隔來減少鄰道干擾。當複用因子較小時，這種間隔可能不足。

透過選擇間隔超過 6 個通道的射頻頻率進行通道分離，足以將鄰道干擾控制在限制範圍內。

例如，在遵循 4/12 模式（N = 4）的 GSM 中

扇區 = 3/小區

IA 將使用 RF 載波 1、13、25、……

IB 將使用 RF 載波 5、17、29、……

IC 將使用 RF 載波 9、21、33、…… 等。

叢集

蜂窩無線電依靠叢集來適應有限無線電頻譜中的大量使用者。每個使用者根據需要/每次呼叫分配一個通道，並在呼叫終止時，該通道將返回到公共的射頻通道池。

服務等級 (GOS)

由於叢集，如果所有射頻通道都被佔用，則呼叫可能會被阻塞。這稱為‘服務等級’“GOS”。

蜂窩設計師會估計最大所需的容量，並分配適當數量的射頻通道，以滿足 GOS。對於這些計算，使用‘Erlang B’表。

小區分割

當用戶數量在一個啟動小區（初始設計）中達到飽和並且沒有更多備用頻率可用時，則該啟動小區會被分割，通常分割成四個較小的單元，流量增加四倍，可以服務更多使用者。

經過‘n’次分割後，流量將為：

T2 = T0 × 42

功率將降低：

P2 = P0 – n × 12 db

因此，小區分割提高了容量並降低了發射功率。

蜂窩概念 - GSM 架構

GSM 網路分為四個主要系統：

• 交換系統 (SS)
• 基站系統 (BSS)
• 移動臺 (MS)
• 運營和維護中心 (OMC)

交換系統也稱為網路和交換系統 (NSS)，負責執行呼叫處理和與使用者相關的功能。交換系統包括以下功能單元：

• 移動交換中心
• 歸屬位置暫存器
• 訪客位置暫存器
• 裝置識別暫存器
• 鑑權中心

移動交換中心

移動交換中心 (MSC) 為其分配的 BSS 控制的地理區域中的所有移動臺執行所有交換功能。此外，它還與 PSTN、其他 MSC 和其他系統實體介面。

MSC 的功能

• 呼叫處理，處理使用者的移動性，包括位置註冊、使用者和裝置認證、切換和預付費服務。

• 管理呼叫期間所需的邏輯無線鏈路通道。

• 管理 MSC-BSS 信令協議。

• 處理位置註冊並確保移動臺和 VLR 之間的互操作。

• 控制小區間和 MSC 間切換。

• 充當閘道器 MSC 以查詢 HLR。連線到 PSTN/ISDN 網路的 MSC 稱為 GMSC。這是連線到 HLR 的網路中唯一的 MSC。

• 交換機的標準功能，如計費。

歸屬位置暫存器 (HLR)

歸屬位置暫存器包含：

• 稱為國際移動使用者識別碼 (IMSI) 的移動使用者的標識。
• 移動臺的 ISDN 目錄號碼。
• 服務的訂閱資訊。
• 服務限制。
• 用於呼叫路由的位置資訊。

建議每個 GSM 網路有一個 HLR，它可能是一個分散式資料庫。HLR 中的永久資料由人機介面更改。臨時資料（如位置資訊）在 HLR 中動態更改。

訪客位置暫存器 (VLR)

VLR 始終與 MSC 整合。當移動臺漫遊到新的 MSC 區域時，連線到該 MSC 的 VLR 將會從 HLR 請求有關移動臺的資料。之後，如果移動臺發起呼叫，則 VLR 擁有設定呼叫所需的資訊，而無需每次都查詢 HLR。VLR 包含以下資訊：

• 移動使用者的標識，
• 任何臨時移動使用者標識，
• 移動使用者的 ISDN 目錄號碼，
• 將呼叫路由到漫遊臺的目錄號碼，
• HLR 資料的一部分，用於當前位於 MSC 服務區域內的移動使用者。

裝置識別暫存器

裝置識別暫存器包含稱為國際移動裝置識別碼 (IMEI) 的移動臺裝置的標識，它可能是有效的、可疑的和被禁止的。當移動臺訪問系統時，在提供服務之前會呼叫裝置驗證過程。

資訊以三個列表的形式提供。

• 白名單 - 允許終端連線到網路。

• 灰名單 - 網路正在觀察終端是否存在潛在問題。

• 黑名單 - 報告為被盜或未經型別批准的終端。不允許它們連線到網路。EIR 會通知 VLR 該特定 IMEI 所在的列表。

鑑權中心

它與 HLR 相關聯。它為每個移動使用者儲存一個稱為鑑權金鑰 (Ki) 的標識金鑰。此金鑰用於生成鑑權三元組。

• RAND（隨機數），
• SRES（簽名響應） - 用於驗證 IMSI，
• Kc（加密金鑰） - 用於在 MS 和網路之間的無線路徑上加密通訊。

運營和維護中心 (OMC)

它是網路運營商可以透過執行以下功能來監控和控制系統的功能實體：

• 軟體安裝
• 流量管理
• 效能資料分析
• 使用者和裝置跟蹤
• 配置管理
• 使用者管理
• 移動裝置管理
• 計費和賬單管理

基站系統 (BSS)

BSS 連線 MS 和 NSS。它由以下部分組成：

• 基站收發信機 (BTS)，也稱為基站。
• 基站控制器 (BSC)。

BTS 和 BSC 透過標準化的 Abis 介面進行通訊。BTS 由 BSC 控制，一個 BSC 可以控制多個 BTS。

基站收發信機 (BTS)

BTS 包含無線電收發信機，並處理與移動臺的無線鏈路協議。每個 BTS 包含無線電傳輸和接收裝置，包括天線、訊號處理器等。每個 BTS 可以支援 1 到 16 個射頻載波。區分 BTS 的引數是功率電平、天線高度、天線型別和載波數量。

BTS 的功能

• 它負責時間和頻率同步。

• 需要執行通道編碼、加密、多路複用和調製（正向傳輸）以及接收（反向傳輸）的過程。

• 它必須根據移動單元與 BTS 的距離提前安排移動單元的傳輸（定時提前）。

• 它必須檢測移動單元的隨機接入請求，測量和監視無線通道以進行功率控制和切換。

基站控制器

基站控制器（BSC）管理一個或一組基站（BTS）的無線資源。它處理無線通道建立、跳頻、切換以及射頻功率電平的控制。BSC 提供其BTS廣播的時間和頻率同步參考訊號。它建立移動臺和移動交換中心（MSC）之間的連線。BSC 透過介面連線到MSC、BTS和OMC。

移動臺

它指的是無線使用者使用的終端裝置。它包括：

• SIM卡 - 訂閱者身份模組
• 移動裝置

SIM卡是可移除的，使用合適的SIM卡，可以使用各種移動裝置訪問網路。

裝置標識與使用者不相關。裝置使用IMEI和EIR單獨進行驗證。SIM卡包含一個積體電路晶片，晶片內含微處理器、隨機存取儲存器（RAM）和只讀儲存器（ROM）。SIM卡必須有效，並且在訪問網路時必須驗證MS的有效性。

SIM卡還儲存與使用者相關的資訊，例如IMSI、小區位置標識等。

移動臺的功能

• 無線傳輸和接收
• 無線通道管理
• 語音編碼/解碼
• 無線鏈路錯誤保護
• 資料流控制
• 使用者資料速率適應無線鏈路
• 移動性管理

對最多六個周圍BTS進行效能測量並向BSS報告，MS可以儲存並在液晶顯示屏（LCD）上顯示接收到的簡短的字母數字訊息，該顯示屏用於顯示呼叫撥號和狀態資訊。

歐洲GSM系統規定了五種不同類別的行動電話機：20W、8W、5W、2W和0.8W。這些對應於43 dBm、39 dBm、37 dBm、33 dBm和29 dBm的功率電平。20W和8W單元（峰值功率）用於車載或行動式臺站。MS功率可從其標稱值以2 dB的步長自動調節至20mW（13 dBm）。這是在BTS的遠端控制下自動完成的。

轉換器

轉換器是網路實體，用於將MSC側與移動側介面。PSTN側的語音編碼速率為64Kbps，而在GSM空中介面中，語音編碼為13Kbps。為了降低空中介面的資料速率並減少陸地鏈路的負載（4:1），轉換器被引入到合適的位置，大多與MSC一起使用。

轉換器是一種裝置，它接收13Kbps語音或3.6/6/12Kbps資料，並將四個這樣的資料轉換為標準的64Kbps資料。首先，將13Kbps或3.6/6/12Kbps的資料透過插入額外的同步資料提高到16Kbps的水平，以彌補13Kbps語音或更低速率資料之間的差異，然後在轉發器中將四個這樣的資料組合起來，在BSS內提供64Kbps通道。然後，四個業務通道可以多路複用在一個64Kbps電路中。因此，TRAU輸出資料速率為64Kbps。

然後，最多30個這樣的64Kbps通道在A-bis介面上提供CEPT1通道的情況下多路複用到2.048Mbps。該通道最多可以承載120-(16x120)個業務和控制訊號。由於到PSTN的資料速率通常為2Mbps，這是將30個64Kbps通道或120個16Kbps通道組合的結果。

其他網路元素

其他網路元素包括SMS服務中心、語音信箱和SMS流等元件。

SMS服務中心

它與MSC介面，具有互操作功能，可為移動使用者提供簡訊服務（SMS）。SMS可以傳送到傳真機、網際網路上的PC或另一個MS。MSC查詢接收方MS的位置並進行傳送。

語音信箱

當移動使用者由於忙/不在服務區而無法接聽來電時，呼叫將被轉移到使用者已啟用的語音信箱。為此，已從MSC建立了單獨的連線。使用者稍後將透過簡訊收到提醒，並可以檢索訊息。

SMS流

• 當用戶傳送簡訊時，請求將透過MSC發出。

• MSC將簡訊轉發到SMSC，並在那裡儲存。

• SMSC查詢HLR以查詢目標移動裝置的位置，如果目標移動裝置可用，則將訊息轉發到目標MSC。

• 如果移動裝置不可用，則訊息將儲存在當前SMSC本身。在大多數安裝中，如果移動裝置無法接收簡訊，SMSC不會重試。相反，目標MSC在移動裝置恢復到範圍內時通知SMSC。與USSD不同，SMS處理是一種儲存轉發操作。

• SMS有一個有效期，在此期間它將等待目標移動裝置可用。超過該時間後，SMSC將刪除訊息。有效期可以由使用者設定。正常有效期為1天。

蜂窩概念 - GSM無線鏈路

BTS和MS透過無線鏈路連線，此空中介面稱為Um。無線電波會受到衰減、反射、多普勒頻移和其他發射機的干擾。這些效應會導致訊號強度損失和失真，從而影響語音或資料的質量。為了應對惡劣的條件，GSM利用高效且安全的訊號處理。正確的蜂窩設計必須確保在該區域提供足夠的無線覆蓋。

移動裝置的訊號強度變化是由於不同型別的訊號強度衰落引起的。訊號強度變化有兩種型別。

• **宏觀變化** - 由BTS和MS之間的地形輪廓造成。衰落效應是由無線電波的陰影和衍射（彎曲）引起的。

• **微觀變化** - 由多徑傳播引起的，短期或瑞利衰落。當MS移動時，將接收來自許多不同路徑的無線電波。

瑞利衰落

瑞利衰落或宏觀變化可以建模為構成移動裝置和基站之間路徑損耗的兩個分量的加和。第一個分量是確定性分量（L），它隨著移動裝置與基站之間距離（R）的增加而增加訊號強度損耗。該分量可以寫成：

L = 1/Rⁿ

其中n通常為4。另一個宏觀分量是對數正態隨機變數，它考慮了地形變化和其他無線電路徑中的障礙物引起的陰影衰落的影響。路徑損耗的區域性平均值 = 確定性分量 + 對數正態隨機變數。

微觀變化或瑞利衰落髮生在移動裝置在與移動裝置和基站之間的距離相比短距離移動時。這些短期變化是由移動單元附近（例如山丘、建築物或交通）的訊號散射引起的。這導致發射機和接收機之間存在許多不同的路徑（多徑傳播）。反射波在相位和幅度上都會發生變化。如果反射波與直射路徑訊號相差180度，則訊號可能會有效消失。多個接收訊號之間的部分相位關係會產生接收訊號強度減小的較小幅度。

瑞利衰落的影響

反射和多徑傳播可能產生正面和負面影響。

發射/接收過程

在數字無線鏈路上發射和接收資訊涉及兩個主要過程：編碼和調製。

覆蓋擴充套件

多徑傳播允許無線電訊號到達山丘和建築物後面以及隧道內。**相長和相消干涉**透過多條路徑接收的訊號可能會疊加在一起或相互抵消。

編碼

編碼是資訊處理，它涉及準備基本資料訊號，以便對其進行保護並將其轉換為無線鏈路可以處理的形式。通常，編碼過程包括邏輯異或（EXOR）。編碼包含在：

• 語音編碼或轉碼
• 通道編碼或前向糾錯編碼
• 交織
• 加密

突發格式化

人類語音在300Hz到3400Hz之間帶限，並在模擬系統中進行頻率調製。在數字固定PSTN系統中，帶限語音以8KHz的速率取樣，每個樣本編碼為8位，導致64Kbps（PCM A律編碼）。數字蜂窩無線電無法處理PSTN系統使用的高位元率。已經開發了用於降低位元率的智慧訊號分析和處理技術。

語音特性

人類語音可以區分為基本聲音（音素）。根據語言的不同，有30到50種不同的音素。人聲能夠每秒產生多達10個音素，因此傳輸語音需要大約60bit/s。但是，所有個人特徵和語調都會消失。為了保留個人特徵，要傳送的真實資訊量要高出很多倍，但仍然只是PCM使用的64Kbit/s的一小部分。

基於人類語音器官的音素產生機制，可以建立一個簡單的語音產生模型。看來，在10-30毫秒的短時間間隔內，模型引數（如音調週期、濁音/清音、放大增益和濾波器引數）保持大致靜止（準靜止）。這種模型的優點是可以透過線性預測簡單地確定引數。

語音編碼技術

語音編碼技術有三種類型

• **波形編碼** - 在波形編碼中，語音儘可能地以波形形式傳輸。PCM是波形編碼的一個例子。位元率範圍從24到64kbps，語音質量良好，並且可以輕鬆識別說話者。

• **引數編碼** - 只發送非常有限數量的資訊。根據語音產生模型構建的解碼器將在接收端重新生成語音。語音傳輸只需要1到3kbps。重新生成的語音是可理解的，但它會受到噪聲的影響，並且通常無法識別說話者。

• 混合編碼 − 混合編碼是波形編碼和引數編碼的混合。它結合了兩種技術的優點，GSM使用一種稱為RPE-LTP（規則脈衝激勵-長時預測）的混合編碼技術，每個語音通道產生13Kbps。

GSM中的語音編碼（轉碼）

標準的A律量化的每樣本8位元的64kbits/s PCM被轉碼成線性量化的每樣本13位元的位元流，對應於104kbits/s的位元率。104kbits/s的流被送入RPE-LTP語音編碼器，該編碼器以160個樣本（每20毫秒）的塊接收13位元的樣本。RPE-LTP編碼器每20毫秒產生260位元，從而產生13kbits/s的位元率。這提供了可接受的行動電話語音質量，並且與有線PSTN電話相當。在GSM中，13Kbps語音編碼稱為全速率編碼器。或者，也可以使用半速率編碼器（6.5Kbps）來提高容量。

通道編碼/卷積編碼

GSM中的通道編碼使用來自語音編碼的260位元作為輸入，並輸出456個編碼位元。在RPE-LTP語音編碼器產生的260位元中，182位元被分類為重要位元，78位元被分類為不重要位元。再次將182位元劃分為50個最重要的位元，並將其塊編碼為53位元，並新增132位元和4個尾位元，總共189位元，然後進行1:2卷積編碼，將189位元轉換為378位元。這378位元與78個不重要位元相加，得到456位元。

交織-第一級

通道編碼器為每20毫秒的語音提供456位元。這些位元被交織，形成八個57位元的塊，如下圖所示。

在一個正常的突發中，可以容納兩個57位元的塊，如果丟失一個這樣的突發，則整個20毫秒的誤位元速率為25%。

交織-第二級

引入了第二級交織以進一步將可能的誤位元速率降低到12.5%。不是在一個突發中傳送來自同一20毫秒語音的兩個57位元塊，而是將一個來自一個20毫秒的塊和一個來自下一個20毫秒樣本的塊一起傳送。當MS必須等待下一個20毫秒的語音時，系統中會引入延遲。但是，系統現在可以承受丟失八個突發中的一個突發，因為損失僅佔每個20毫秒語音幀的總位元數的12.5%。12.5%是通道解碼器可以糾正的最大損失水平。

加密/加擾

加擾的目的是對突發進行編碼，以便只有接收裝置才能解釋它。GSM中的加擾演算法稱為A5演算法。它不會向突發新增位元，這意味著加擾過程的輸入和輸出與輸入相同：每20毫秒456位元。有關加密的詳細資訊，請參閱GSM的特殊功能。

多路複用（突發格式化）

移動/BTS的每次傳輸都必須包含一些額外資訊以及基本資料。在GSM中，每20毫秒的塊添加了總共136位元，使總數達到592位元。還添加了33位元的保護間隔，使每20毫秒達到625位元。

調製

調製是涉及訊號物理準備的過程，以便資訊可以透過射頻載波傳輸。GSM使用高斯最小頻移鍵控技術（GMSK）。載波頻率偏移+/- B/4，其中B=位元率。但是，使用高斯濾波器，將頻寬降低到0.3而不是0.5。

GSM的特殊功能

下面列出了我們將在下文中討論的GSM的特殊功能：

• 認證
• 加密
• 時隙交錯
• 定時提前
• 不連續傳輸
• 功率控制
• 自適應均衡
• 慢速跳頻

認證

由於空中介面容易受到欺詐訪問，因此有必要在向用戶提供服務之前使用認證。認證建立在以下概念之上。

• 認證金鑰（Ki）僅存在於兩個地方：SIM卡和認證中心。

• 認證金鑰（Ki）絕不會透過空中傳輸。未經授權的個人幾乎不可能獲得此金鑰來冒充給定的移動使用者。

認證引數

MS透過使用三個引數的過程由VLR進行認證：

• RAND是一個完全隨機數。

• SRES是認證簽名響應。它是透過將認證演算法（A3）應用於RAND和Ki生成的。

• Kc是加密金鑰。Kc引數是透過將加密金鑰生成演算法（A8）應用於RAND和Ki生成的。

這些引數（稱為認證三元組）由AUC根據使用者所屬的HLR的要求生成。演算法A3和A8由PLMN運營商定義，並由SIM執行。

認證階段的步驟

• 新的VLR向HLR/AUC（認證中心）傳送請求，請求為指定的IMSI提供的“認證三元組”（RAND、SRES和Kc）。

• AUC使用IMSI提取使用者的認證金鑰（Ki）。然後，AUC生成一個隨機數（RAND），將Ki和RAND應用於認證演算法（A3）和加密金鑰生成演算法（A8），以產生認證簽名響應（SRES）和加密金鑰（Kc）。然後，AUC將認證三元組：RAND、SRES和Kc返回給新的VLR。

• MSC/VLR保留兩個引數Kc和SRES以備後用，然後向MS傳送訊息。MS從SIM讀取其認證金鑰（Ki），將接收到的隨機數（RAND）和Ki應用於其認證演算法（A3）和加密金鑰生成演算法（A8），以產生認證簽名響應（SRES）和加密金鑰（Kc）。MS儲存Kc以備後用，並在收到加密通道的命令時使用Kc。

• MS將生成的SRES返回給MSC/VLR。VLR將從MS返回的SRES與之前從AUC接收到的預期SRES進行比較。如果相等，則移動裝置透過認證。如果不相等，則所有信令活動都將中止。在這種情況下，我們將假設認證已透過。

加密/加擾

資料在發射端以114位元的塊進行加密，方法是獲取114位元的明文資料突發並執行與114位元的加密塊的異或（異或）邏輯函式運算。

接收端處的解密功能是透過獲取114位元的加密資料塊並使用發射端使用的相同114位元的加密塊進行相同的“異或”運算來執行的。

傳輸路徑兩端用於給定傳輸方向的加密塊由BSS和MS透過稱為A5的加密演算法生成。A5演算法使用在呼叫建立期間認證過程中生成的64位元加密金鑰（Kc）和22位元TDMA幀號（COUNT），該幀號取0到2715647之間的十進位制值，並且重複時間為3.48小時（超幀間隔）。A5演算法實際上在每個TDMA週期內產生兩個加密塊。一條路徑用於上行鏈路路徑，另一條路徑用於下行鏈路路徑。

時隙交錯

時隙交錯是根據下行鏈路的時隙組織推匯出上行鏈路的時隙組織的原理。上行鏈路的特定時隙是從下行鏈路派生出來的，方法是將下行鏈路的時隙號移位三個。

原因

透過移位三個時隙，移動臺避免了同時進行“傳送和接收”的過程。這使得移動臺更容易實現；移動臺中的接收器不需要免受同一移動臺的發射機的干擾。通常，移動臺將在一個時隙內接收，然後在頻率上移位45 MHz（對於GSM-900）或95 MHz（對於GSM-1800）以在稍後某個時間傳輸。這意味著下行鏈路有一個時間基，上行鏈路有一個時間基。

定時提前

定時提前是提前將突發傳輸到BTS（定時提前）的過程，以補償傳播延遲。

為什麼需要它？

這是因為在無線路徑上使用了時分多路複用方案。BTS接收來自彼此非常接近的不同移動臺的訊號。但是，當移動臺遠離BTS時，BTS必須處理傳播延遲。BTS接收到的突發必須正確地放入時隙中，這一點至關重要。否則，使用相鄰時隙的移動臺的突發可能會重疊，導致傳輸質量差甚至通訊中斷。

一旦建立連線，BTS就會持續測量其自身的突發排程與移動臺突發接收排程之間的時間偏移。根據這些測量結果，BTS能夠透過SACCH向移動臺提供所需的定時提前。請注意，定時提前是從距離測量中得出的，距離測量也用於切換過程中。BTS根據感知到的定時提前向每個移動臺傳送定時提前引數。然後，每個移動臺都提前其定時，從而導致來自不同移動臺的訊號到達BTS，並補償傳播延遲。

定時提前過程

• 一個6位數字表示MS必須提前其傳輸多少位元。此定時提前為TA。

• 訪問突發的68.25位元長的GP（保護間隔）提供了提前傳輸時間的所需靈活性。

• 定時提前TA的值可以介於0到63位元之間，對應於0到233微秒的延遲。例如，距離BTS 10公里的MS必須提前66微秒開始傳輸以補償往返延遲。

• 35公里的最大移動範圍是由定時提前值而不是訊號強度決定的。

蜂窩概念-移動性管理

移動臺嘗試透過按接收訊號強度降序遍歷列表來查詢合適的小區，即第一個滿足其已選擇的條件集的BCCH通道。

小區選擇標準

移動臺在可以從其接收服務之前，小區必須滿足的要求為：

• 它應該是所選PLMN的小區。移動臺檢查該小區是否屬於所選PLMN的一部分。

• 它不應該被“禁止”。PLMN運營商可能會決定不允許移動臺訪問某些小區。例如，這些小區可能僅用於切換流量。禁止小區資訊在BCCH上廣播，以指示移動臺不要訪問這些小區。

• 移動臺與所選BTS之間的無線路徑損耗必須高於PLMN運營商設定的閾值。

• 如果找不到合適的小區，則MS進入“有限服務”狀態，在此狀態下它只能撥打緊急電話。

呼叫活動移動臺

當一個活躍的移動臺（MS）在公共陸地行動網路（PLMN）的覆蓋區域內移動時，它會報告其移動情況，以便在需要時使用更新過程位置進行定位。當網路中的移動服務交換中心（MSC）需要建立到在其流動區域內執行的移動臺的呼叫時，會發生以下情況：

• 廣播一條尋呼訊息，其中包含MS的識別程式碼。並非網路中的每個基站控制器（BSC）都需要傳輸尋呼訊息。廣播僅限於一組無線小區，這些小區共同構成一個位置區。MS最後報告的位置確定用於廣播的位置區。

• MS監控其所在無線小區傳輸的尋呼訊息，並在檢測到自己的識別程式碼後，透過向基站收發信機（BTS）傳送尋呼響應訊息進行響應。

• 然後透過接收尋呼響應訊息的BTS在MSC和MS之間建立通訊。

位置更新

情況1 - 位置從未更新。

如果位置從未更新位置更新的實現，則成本變為零。但是我們必須對每個小區進行尋呼以定位MS，此過程將不具有成本效益。

情況2 - 位置更新已實現。

位置更新根據網路的要求進行，可能是基於時間、移動或距離。此過程涉及高成本，但我們只需要對單個小區或少數小區進行尋呼即可定位MS，此過程將具有成本效益。

網路配置

公共陸地行動網路（PLMN）的配置設計為，在網路區域內移動的活動移動臺仍然能夠報告其位置。網路由不同的區域組成：

• PLMN區域
• 位置區
• MSC區域
• PLMN區域

PLMN區域是特定PLMN運營商向公眾提供陸地行動通訊服務的地理區域。從PLMN區域內的任何位置，移動使用者都可以建立到同一網路的其他使用者的呼叫，或到其他網路的使用者。其他網路可以是固定網路、另一個GSM PLMN或其他型別的PLMN。同一PLMN的使用者或其他網路的使用者也可以呼叫在PLMN區域內活動的移動使用者。當有多個PLMN運營商時，其網路覆蓋的地理區域可能會重疊。PLMN區域的範圍通常以國界為限。

位置區

為了消除網路範圍尋呼廣播的需要，PLMN需要知道在其覆蓋區域內活動的MS的大致位置。為了使任何MS的大致位置可以用單個引數表示，網路覆蓋的總區域被劃分為位置區。位置區（LA）是一組一個或多個無線小區。此組滿足以下要求：

• 一個位置區中的BTS可能由一個或多個BSC控制。

• 服務於同一位置區的BSC始終連線到同一個MSC。

• 由公共BSC控制的帶有BTS的無線小區可以位於不同的位置區。

位置區標識

PLMN中的每個無線發射機透過控制通道BCCH廣播一個位置區標識（LAI）程式碼，以識別其服務的區域。當MS未處於呼叫狀態時，它會自動掃描本地基站傳輸的BCCH，並選擇提供最強訊號的通道。所選通道廣播的LAI程式碼標識MS當前所在的位置區。此LAI程式碼儲存在移動裝置的使用者識別模組（SIM）中。

當MS在網路區域中移動時，從所選控制通道接收到的訊號強度逐漸減弱，直到不再是最強的。此時，MS重新調整到已成為主導的通道，並檢查其正在廣播的LAI程式碼。如果接收到的LAI程式碼與SIM中儲存的程式碼不同，則表示MS已進入另一個位置區，並啟動位置更新過程以將更改報告給MSC。在過程結束時，SIM中的LAI程式碼也會更新。

位置區標識格式

它是一個位置區標識（LAI）程式碼，用於識別PLMN中的位置區。LAI程式碼有三個組成部分：

移動國家程式碼（MCC）

MCC是一個3位程式碼，唯一標識移動使用者住所的國家/地區（例如，印度404）。它由ITU-T分配。

行動網路程式碼（MNC）

MNC是一個2位程式碼（GSM-1900為3位程式碼），用於識別移動使用者的家庭GSM PLMN。如果一個國家/地區存在多個GSM PLMN，則為每個GSM PLMN分配一個唯一的MNC。它由每個國家的政府分配。（例如，Chennai的Cell one 64）。

位置區程式碼（LAC）

LAC元件標識PLMN中的位置區；它具有2個八位位元組的固定長度，可以使用十六進位制表示進行編碼。它由運營商分配。

MSC區域

MSC區域是網路中由單個MSC控制GSM操作的區域。MSC區域包含一個或多個位置區。MSC區域的邊界遵循其周邊位置區的外部邊界。因此，位置區永遠不會跨越MSC區域的邊界。

VLR區域

VLR區域是網路中由單個訪客位置暫存器（VLR）監督的區域。理論上，VLR區域可能包含一個或多個MSC區域。然而，在實踐中，VLR的功能始終與MSC的功能整合在一起，因此“VLR區域”和“MSC區域”這兩個術語已成為同義詞。

與位置相關的資料庫

位置管理使用兩個資料庫來儲存與MS位置相關的資料。

• 訪客位置暫存器（VLR）
• 歸屬位置暫存器（HLR）

訪客位置暫存器

VLR包含其區域中當前正在執行的每個MS的資料記錄。每個記錄包含一組使用者標識程式碼、相關訂閱資訊和位置區標識（LAI）程式碼。MSC在處理到或來自該區域中MS的呼叫時使用此資訊。當MS從一個區域移動到另一個區域時，其監管責任從一個VLR轉移到另一個VLR。採用MS的VLR會建立一個新的資料記錄，並刪除舊的記錄。只要網路運營商之間存在互操作協議，資料事務就可以跨越網路和國家邊界。

歸屬位置暫存器

HLR包含與作為運營PLMN的組織的付費客戶的移動使用者相關的資訊。

HLR儲存兩種型別的資訊：

訂閱資訊

訂閱資訊包括分配給使用者的IMSI和目錄號碼、提供的服務型別以及任何相關限制。

位置資訊

位置資訊包括使用者MS當前所在區域的VLR地址和相關MSC的地址。

位置資訊使來電能夠路由到MS。此資訊不存在表示MS處於非活動狀態，無法接通。

當MS從一個VLR區域移動到另一個VLR區域時，HLR中的位置資訊會使用從HLR複製的訂閱資料更新為MS的新條目。只要網路運營商之間存在互操作協議，相關資料事務就可以跨越網路和國家邊界。

標識號型別

在執行位置更新過程和處理移動呼叫期間，使用不同型別的號碼：

• 移動臺ISDN號碼（MSISDN）
• 移動使用者漫遊號碼（MSRN）
• 國際移動使用者識別碼（IMSI）
• 臨時移動使用者識別碼（TMSI）
• 本地移動臺標識（LMSI）

每個號碼都儲存在HLR和/或VLR中。

移動臺ISDN號碼

MSISDN是分配給移動使用者的目錄號碼。撥打此號碼可以向移動使用者撥打電話。該號碼由移動臺註冊的國家/地區的國家程式碼（CC）（例如，印度91）組成，後跟國家移動號碼，國家移動號碼由網路目的地程式碼（NDC）和使用者號碼（SN）組成。每個GSM PLMN都會分配一個NDC。

MSISDN的組成使得它可以作為信令連線控制部分（SCCP）中的全域性標題地址，用於將訊息路由到移動使用者的HLR。

移動臺漫遊號碼

MSRN是閘道器MSC將傳入呼叫路由到當前不受閘道器MSISDN控制的MS所需的號碼。使用行動電話，終止的呼叫將路由到MSC閘道器。基於此，MSISDN閘道器MSC請求MSRN以將呼叫路由到當前訪問的MSC國際移動使用者識別碼（IMSI）。

MS由其IMSI標識。IMSI嵌入在移動裝置的SIM中。每次它訪問網路時都會提供它。

移動國家程式碼（MCC）

IMSI的MCC元件是一個3位程式碼，唯一標識使用者的住所國家/地區。它由ITU-T分配。

行動網路程式碼（MNC）

MNC元件是一個2位程式碼，用於識別移動使用者的家庭GSM PLMN。它由每個國家的政府分配。對於GSM-1900，使用3位MNC。

移動使用者識別號碼（MSIN）

MSIN是用於在GSM PLMN中識別使用者的程式碼。它由運營商分配。

臨時移動使用者識別碼（TMSI）

TMSI 是一種身份別名，在可能的情況下用於代替 IMSI。使用 TMSI 可以確保移動使用者的真實身份保密，因為它消除了透過無線鏈路傳輸未加密的 IMSI 程式碼的需要。

VLR 為在其區域內執行的每個移動使用者分配一個唯一的 TMSI 程式碼。此程式碼僅在 VLR 監督的區域內有效，用於在訊息中識別使用者，這些訊息來自 MS 和發往 MS。當位置區域的更改也涉及 VLR 區域的更改時，將分配一個新的 TMSI 程式碼並將其傳達給 MS。MS 將 TMSI 儲存在其 SIM 卡上。TMSI 由四個八位位元組組成。

位置更新場景

在以下位置更新場景中，假設 MS 進入一個新的位置區域，該區域受與 MS 當前註冊的 VLR（稱為“舊 VLR”）不同的 VLR（稱為“新 VLR”）控制。下圖顯示了移動位置更新場景的步驟。

MS 進入新的小區區域，偵聽在廣播通道 (BCCH) 上傳輸的位置區域標識 (LAI)，並將此 LAI 與表示移動使用者最後註冊區域的最後一個 LAI（儲存在 SIM 卡中）進行比較。

• MS 檢測到它已進入新的位置區域，並透過隨機接入通道 (RACH) 傳輸通道請求訊息。

• 一旦 BSS 接收到通道請求訊息，它就會分配一個獨立專用控制通道 (SDCCH)，並將此通道分配資訊透過接入授權通道 (AGCH) 轉發到 MS。MS 將透過 SDCCH 與 BSS 和 MSC 通訊。

• MS 透過 SDCCH 向 BSS 傳送位置更新請求訊息。此訊息中包含 MS 臨時移動使用者識別碼 (TMSI) 和舊位置區域使用者 (舊 LAI)。MS 可以使用其 IMSI 或 TMSI 來識別自己。在本例中，我們將假設移動裝置提供了 TMSI。BSS 將位置更新請求訊息轉發到 MSC。

• VLR 分析訊息中提供的 LAI，並確定收到的 TMSI 與另一個 VLR（舊 VLR）相關聯。為了繼續進行註冊，必須確定 MS 的 IMSI。新 VLR 透過使用位置更新請求訊息中提供的接收到的 LAI 來推匯出舊 VLR 的身份。它還請求舊 VLR 為特定 TMSI 提供 IMSI。

• 位置更新場景 - 更新 HLR/VLR 是我們準備好通知 HLR MS 受新 VLR 控制，並且可以從舊 VLR 登出 MS 的一個點。更新 HLR/VLR 階段的步驟如下：

  • 新 VLR 向 HLR 傳送一條訊息，通知它給定的 IMSI 已更改位置，並且可以透過將所有傳入呼叫路由到訊息中包含的 VLR 地址來訪問它。

  • HLR 請求舊 VLR 刪除與給定 IMSI 關聯的使用者記錄。請求得到確認。

  • HLR 使用使用者資料（移動使用者的客戶資料）更新新 VLR。

TMSI 重新分配階段的步驟

• MSC 將位置更新接受訊息轉發到 MS。此訊息包含新的 TMSI。

• MS 從訊息中檢索新的 TMSI 值，並使用此新值更新其 SIM 卡。然後，移動裝置向 MSC 傳送更新完成訊息。

• MSC 請求 BSS 釋放 MSC 和 MS 之間的信令連線。

• MSC 在從 BSS 接收清除完成訊息時釋放其信令連線部分。

• BSS 向 MS 傳送“無線電資源”通道釋放訊息，然後釋放先前分配的獨立專用控制通道 (SDCCH)。然後，BSS 通知 MSC 信令連線已清除。

位置更新週期

當 MS 更改其 LA 時，會自動進行位置更新。如果使用者頻繁跨越 LA 邊界，可能會生成大量位置更新。如果 MS 停留在同一 LA 中，則位置更新可能會根據時間/移動/距離進行，這由網路提供商定義。

切換

這是將正在進行的呼叫從一個話務通道自動切換到另一個話務通道的過程，以抵消使用者移動的不利影響。只有在功率控制不再有幫助的情況下，才會啟動切換過程。

切換過程是 MAHO（移動輔助切換）。它從 MS 的下行鏈路測量開始（來自 BTS 的訊號強度，來自 BTS 的訊號質量）。MS 可以測量 6 個最佳鄰近 BTS 下行鏈路（候選列表）的訊號強度。

切換型別

切換有兩種型別：

• 內部或小區內切換

  小區內切換

  小區間切換

• 外部或小區間切換

  MSC 內切換

  MSC 間切換

  內部切換由 BSC 管理，外部切換由 MSC 管理。

切換的目標如下：

• 保持良好的語音質量。
• 最大限度地減少呼叫掉線次數。
• 最大限度地延長移動臺在最佳小區中的時間。
• 最大限度地減少切換次數。

何時會發生切換？

• MS 和 BTS 之間的距離（傳播延遲）變得太大。
• 如果接收到的訊號電平非常低。
• 如果接收到的訊號質量非常低。
• 移動臺到另一個小區的路徑損耗情況更好。

蜂窩概念 - GPRS 架構

以下新的 GPRS 網路在現有的 GSM 網路中添加了以下元素。

• 分組控制單元 (PCU)。

• 服務 GPRS 支援節點 (SGSN) - GPRS 網路的 MSC。

• 閘道器 GPRS 支援節點 (GGSN) - 到外部網路的閘道器。

• 邊界閘道器 (BG) - 到其他 PLMN 的閘道器。

• PLMN 內部骨幹網 - 一個基於 IP 的網路，互連所有 GPRS 元素。

通用分組無線業務 (GPRS)

• GPRS 將分組資料傳輸引入移動使用者。

• GPRS 旨在與現有的 GSM 基礎設施一起工作，並具有額外的分組交換節點。

• 這種分組模式技術使用多時隙技術以及對所有編碼方案 (CS-1 到 CS-4) 的支援，將資料速率提高到 160 kbit/s。

• GPRS 系統使用為 GSM 定義的物理無線通道。GPRS 使用的物理通道稱為分組資料通道 (PDCH)。

• PDCH 可以分配給 GPRS（專用 PDCH），或者僅在沒有電路交換連線需要它們（按需）時由 GPRS 使用。運營商可以為每個小區定義 0-8 個專用 PDCH。運營商可以指定他希望 PDCH 位於何處。

• 小區中的第一個專用 PDCH 始終是主 PDCH (MPDCH)。在小區擁塞的情況下，按需 PDCH 可以被傳入的電路交換呼叫搶佔。

服務 GPRS 支援節點 (SGSN) 功能

SGSN 或服務 GPRS 支援節點是 GPRS 網路的組成部分，它提供了一些側重於整個系統 IP 元素的功能。它為移動裝置提供各種服務：

• 分組路由和傳輸
• 移動性管理
• 認證
• 連線/斷開連線
• 邏輯鏈路管理
• 計費資料

SGSN 內有一個位置暫存器，它儲存位置資訊（例如，當前小區、當前 VLR）。它還儲存與特定 SGSN 註冊的所有 GPRS 使用者的使用者資料（例如，IMSI、使用的分組地址）。

閘道器 GPRS 支援節點 (GGSN) 功能

• GGSN，閘道器 GPRS 支援節點是 GSM EDGE 網路架構中最重要的實體之一。

• GGSN 組織 GPRS/EDGE 網路與移動裝置可能連線到的外部分組交換網路之間的互操作。這些可能包括網際網路和 X.25 網路。

• GGSN 可以被認為是閘道器、路由器和防火牆的組合，因為它將內部網路隱藏在外部。在操作中，當 GGSN 接收到傳送到特定使用者的地址資料時，它會檢查使用者是否處於活動狀態，然後轉發資料。在相反的方向上，來自移動裝置的分組資料由 GGSN 路由到正確的目標網路。

從 GSM 到 GPRS 的裝置升級

• 移動臺 (MS) - 需要新的移動臺才能訪問 GPRS 服務。這些新終端將與 GSM 向後相容，以便進行語音呼叫。有三種類型的手機。A 型：GPRS 和語音（同時），B 型：GPRS 和語音（自動切換），C 型：GPRS 或語音（手動切換）。

• BTS - 現有基站需要軟體升級。

• BSC - 需要軟體升級並安裝稱為分組控制單元 (PCU) 的新硬體。PCU 負責處理無線介面的介質訪問控制 (MAC) 和無線鏈路控制 (RLC) 層以及 Gb 介面的 BSSGP 和網路服務層。每個 BSC 有一個 PCU。Gb 介面承載來自 SGSN（服務 GPRS 支援節點）到 PCU 的 GPRS/EGPRS 流量。

• GPRS 支援節點 (GSN) - GPRS 的部署需要安裝新的核心網路元素，稱為服務 GPRS 支援節點 (SGSN) 和閘道器 GPRS 支援節點 (GGSN)。

• 資料庫 (HLR、VLR 等) - 網路中涉及的所有資料庫都需要軟體升級才能處理 GPRS 引入的新呼叫模型和功能。

位置資訊 - GSM 服務區域層次結構

• 小區 - 小區是基本服務區域，一個 BTS 覆蓋一個小區。每個小區都被賦予一個小區全域性標識 (CGI)，這是一個唯一標識小區的數字。

• LA - 一組小區形成一個位置區域。當用戶接收到來電時，這就是要尋呼的區域。每個位置區域都被分配一個位置區域標識 (LAI)。每個位置區域由一個或多個 BSC 提供服務。

• MSC/VLR 服務區域 - 一個 MSC 覆蓋的區域稱為 MSC/VLR 服務區域。

• PLMN - 一個網路運營商覆蓋的區域稱為 PLMN。一個 PLMN 可以包含一個或多個 MSC。

• GSM 服務區域 - 使用者可以訪問網路的區域。

蜂窩概念 - EDGE

增強型資料速率全球演進 (EDGE) 引入了一種新的調製技術，以及用於透過無線電傳輸分組資料的協議增強功能。

新調製和協議增強功能的使用導致吞吐量和容量大幅提高，從而在現有的 GSM/GPRS 網路中啟用 3G 服務。支援 EDGE 不需要對現有的核心網路基礎設施進行任何更改。這強調了 EDGE 只是 BSS 的“附加元件”這一事實。

對於 EDGE，引入了九種調製和編碼方案 (MCS)（MCS1 到 MCS9），並針對不同的無線環境進行了最佳化。四種 EDGE 編碼方案使用 GMSK，五種使用 8 PSK 調製。

升級到 EDGE

• 移動臺 (MS) - MS 應支援 EDGE。

• BTS - 提供的硬體支援 EDGE。

• BSC - 需要在 BSC 中定義 EDGE 時隙。

• GPRS 支援節點 (GSN) - 需要在 GSN 中定義 Edge。

• 資料庫 (HLR、VLR 等) - 無需定義。

EDGE 的優勢

• 短期優勢 - 容量和效能，
• 在GSM/GPRS網路上易於實施，
• 經濟高效，
• 提高GPRS的容量並使其資料速率提高三倍，
• 支援新的多媒體服務，
• 長期優勢 - 與WCDMA協調。

EDGE對使用者的意義

• 流媒體應用
• 超高速下載
• 企業內聯網連線
• 更快的彩信
• 影片電話
• 垂直行業應用 - 視訊會議，遠端演示。

UMTS - 新網路

通用移動通訊系統（UMTS）是基於GSM標準的第三代移動蜂窩系統。由3GPP（第三代合作伙伴計劃）開發和維護，UMTS是國際標準化組織所有IMT-2000電信標準的組成部分，並將其與基於競爭cdmaOne技術的CDMA2000網路制定的標準進行比較。UMTS使用寬頻分碼多重進接（W-CDMA）無線接入技術，為行動網路運營商提供更高的頻譜效率和頻寬。

網路演進

合理的演進

HSUPA - 高速上行分組接入

HSDPA - 高速下行分組接入

3G背後的主要思想是準備一個能夠承載現有和未來服務的通用基礎設施。基礎設施的設計應能夠適應技術變化和演進，而不會對使用現有網路結構的現有服務造成不確定性。

UMTS - WCDMA技術

第一個第三代合作伙伴計劃（3GPP）寬頻分碼多重進接網路（WCDMA）於2002年推出。到2005年底，有100個WCDMA網路開放，共有150多家運營商獲得WCDMA運營頻率許可證。目前，WCDMA網路部署在歐洲和亞洲（包括日本和美國韓國）的約2 GHz的UMTS頻段中。WCDMA部署在現有頻率分配的850和1900中，新的3G頻段1700/2100將在不久的將來可用。3GPP已為幾個其他頻段定義了WCDMA操作，預計這些頻段將在未來幾年內投入使用。

隨著WCDMA移動使用者滲透率的提高，它允許WCDMA網路承載更多的話音和資料流量。WCDMA技術為運營商提供了一些優勢，因為它允許資料傳輸，也提高了基站的語音質量。由於干擾控制機制（包括頻率複用1、快速功率控制和軟切換），提供的語音容量非常高。

WCDMA可以為客戶提供更多的話音分鐘。同時，WCDMA還可以使用AMR編解碼器改進寬頻語音服務，這顯然比固定電話線路提供了更好的語音質量。簡而言之，WCDMA可以提供更多話音分鐘，並具有更好的質量。

除了高頻譜效率外，第三代（3G）WCDMA還在基站容量和裝置效率方面帶來了更顯著的變化。WCDMA的高整合度是由於寬頻載波：載波支援大量使用者，並且需要更少的射頻（RF）載波來提供相同的容量。

透過減少射頻部件和增加數字基帶處理，WCDMA可以利用數字訊號處理能力的快速發展。高基站的整合水平使高效構建高容量站點成為可能，因為可以避免射頻組合器、額外天線或電源線的複雜性。WCDMA運營商能夠提供有用的資料服務，包括導航、人與人之間的視訊通話、體育和影片以及新的移動電視剪輯。

WCDMA支援同時語音和資料，例如，在語音通話期間進行即時語音會議或影片共享時，可以瀏覽或傳送電子郵件。

運營商還提供與網際網路和企業內聯網的移動連線，下行鏈路最大位元率為384 kbps，上下行鏈路均為384 kbps。第一批終端和網路的下行鏈路限制在64到128 kbps，而後續產品提供384 kbps的下行鏈路。

WCDMA-3G

3G無線服務旨在提供高速資料、始終線上的資料訪問和更大的語音容量。下面列出了一些值得注意的要點 -

• 以Mbps為單位測量的快速資料速率，支援全動態影片、高速網際網路接入和視訊會議。

• 3G技術標準包括基於WCDMA技術的UMTS（通常這兩個術語可以互換使用）和CDMA2000，後者是早期CDMA 2G技術的產物。

• UMTS標準通常受到使用GSM網路的國家/地區的青睞。CDMA2000有多種型別，包括1xRTT、1xEV-DO和1xEV-DV。它們提供的資料速率範圍從144 kbps到超過2 mbps。

3G網路的子系統

GSM系統基本上設計為三個主要子系統的組合 -

• 網路子系統（NSS） - MSC/VLR、HLR、AuC、SMSC、EIR、MGW。2G和3G網路通用。

• UTRAN - RNC和RBS。

• 運營和維護支援子系統（OSS）。

有三個主要的介面，即，

• IuCS - RNC和MSC之間用於語音和電路資料；

• IuPS - RNC和SGSN之間用於分組資料；

• Uu介面 - RNC和MS之間。

UMTS - HSPA標準化

讓我們簡要了解一下HSPA的標準化和部署時間表 -

• 高速下行分組接入（HSDPA）作為3GPP Release 5的一部分標準化，第一個規範版本於2002年3月釋出。

• 高速上行分組接入（HSUPA）是3GPP Release 6的一部分，第一個規範版本於2004年12月釋出。

• HSDPA和HSUPA統稱為高速分組接入（HSPA）。

• 第一個商用HSDPA網路於2005年底推出，商用HSUPA網路於2007年推出。

• 終端可用的HSDPA峰值資料速率最初為1.8Mbps，在2006年和2007年將分別增加到3.6和7.2 Mbps，之後將達到10Mbps及以上。

• HSUPA在初始階段的峰值資料速率為1-2 Mbps，第二階段為3-4Mbps。

HSPA部署在同一載波上的WCDMA網路上，或者 - 對於高容量和高速解決方案 - 使用另一個載波，參見上圖。在這兩種情況下，WCDMA和HSPA都可以共享核心網路中的所有網路元素以及包括基站、無線網路控制器（RNC）、服務GPRS支援節點（SGSN）和閘道器GPRS支援節點（GGSN）的無線網路。WCDMA和HSPA還共享站點基站天線和天線電纜。

WCDMA升級到HSPA需要在基站和RNC中使用新的軟體，並可能需要新的裝置來支援更高的速率和資料容量。由於WCDMA和HSPA之間共享基礎設施，因此與構建新的獨立資料網路相比，WCDMA升級到HSPA的成本非常低。

UMTS - 目標

在眾多目標中，下面列出了一些UMTS的目標 -

UMTS - 無線介面和無線網路方面

在引入UMTS之後，移動使用者的大面積資料傳輸量有所增加。但是，對於WLAN和DSL等本地無線傳輸，技術的增長速度要快得多。因此，在WIMAX已經為傳輸速率設定了高目標的情況下，考慮將資料傳輸速率等同於固定線路寬頻類別非常重要。很明顯，新的3GPP無線技術演進UTRA（E-UTRA，與LTE無線介面同義）必須在各個方面都具有強大的競爭力，為此定義了以下目標傳輸速率 -

• 下行鏈路：100 Mb/s
• 上行鏈路：50 Mb/s

上述數字僅適用於終端接收兩根天線和傳送一根天線以及在20 MHz頻譜分配範圍內的參考配置。

UMTS – 全IP願景

為演進的3GPP系統制定了一個非常普遍的原則。它應該是“全IP”，這意味著IP連線是提供給使用者的基本服務。所有其他層服務（如語音、影片、訊息等）都建立在此基礎之上。

檢視網路節點之間介面的協議棧，很明顯簡單的IP模型不適用於行動網路。中間存在虛擬層，這並不適用於行動網路。中間存在虛擬層，以“隧道”的形式提供三個方面：移動性、安全性以及服務質量。因此，基於IP的協議出現在傳輸層（網路節點之間）和更高層。

UMTS – 新架構的要求

一個新的架構，分別涵蓋使用者平面和控制平面的良好可擴充套件性。需要不同型別的終端移動性支援，即固定終端、漫遊終端和移動終端。

最小傳輸和信令開銷，尤其是在空中，在雙模UE信令的空閒模式下應最大程度地減少，在無線通道多播能力中。需要重用或擴充套件，作為漫遊和網路共享限制，與傳統漫遊概念建立的原則相容，很自然，所需的最大傳輸延遲等同於固定網路，具體而言小於5毫秒，設定為控制平面的延遲目標小於200毫秒。

全面來看3GPP系統的演進，它可能看起來並不比傳統的3GPP系統簡單，但這是由於功能的大幅增加。另一個強烈的願望是在3GPP架構運營商中實現扁平化結構，減少CAPEX/OPEX。

強大的控制功能也應與新的3GPP系統一起維護，包括即時無縫操作（例如，VoIP）和非即時應用程式和服務。該系統應在兩種情況下都能很好地執行VoIP服務。還特別注意與遺留系統（3GPP和3GPP2）的無縫連續性，支援訪問網路語音通訊的本地中斷。

UMTS – 安全性和隱私

訪問位置暫存器（VLR）和SNB用於跟蹤當前連線到網路的所有移動臺。每個使用者都可以透過其國際移動使用者識別碼（IMSI）進行識別。為了防止使用者畫像攻擊，永久識別符號儘可能少地透過空中介面傳送。相反，使用本地識別符號臨時移動使用者標識（TMSI）儘可能地識別使用者。每個UMTS使用者都有一個專用的歸屬網路，它與該網路共享一個長期金鑰K_i。

歸屬位置暫存器（HLR）跟蹤所有家庭網路使用者的當前位置。移動臺與被訪問網路之間的相互認證在當前GSN（SGSN）和MSC/VLR的支援下分別進行。UMTS支援無線介面的加密和信令訊息的完整性保護。

UMTS - 認證

UMTS設計為與GSM網路互操作。為了保護GSM網路免受中間人攻擊，3GPP正在考慮新增RAND認證挑戰結構。

UMTS使用者到UMTS網路

網路和移動臺都支援UMTS的所有安全機制。身份驗證和金鑰協商如下：

• 移動臺和基站建立無線資源控制連線（RRC連線）。在建立連線期間，移動臺將其安全功能傳送到基站。安全功能包括支援的UMTS完整性和加密演算法，以及可能也支援的GSM加密功能。

• 移動臺傳送其在網路上當前使用的臨時標識TMSI。

• 如果網路無法解析TMSI，則它要求移動臺傳送其永久標識，移動臺以IMSI響應請求。

• 被訪問網路請求移動臺數據所在歸屬網路的身份驗證。

• 歸屬網路返回隨機挑戰RAND、相應的認證令牌AUTN、認證

• 響應XRES、完整性金鑰IK和加密金鑰CK。

• 被訪問網路將RAND認證挑戰和認證令牌AUTN傳送到移動臺。

• 移動臺檢查AUTN並計算認證響應。如果AUTN正確。

• 移動臺忽略訊息。

• 移動臺將其認證響應RES傳送到被訪問網路。

• 訪問網路檢查RES是否等於XRES，並確定無線子系統允許使用哪些安全演算法。

• 被訪問網路傳送無線子系統允許使用的演算法。

• 無線接入網路決定允許使用哪些演算法。

• 無線接入網路在安全模式命令訊息中通知移動臺其選擇。

• 此訊息還包含步驟1中從移動臺接收到的網路安全功能。

• 此訊息使用完整性金鑰IK進行完整性保護。

• 移動臺確認完整性保護並驗證安全功能的準確性。

UMTS使用者到GSM基站

移動單元（UMTS使用者）同時支援USIM和SIM應用。基站系統使用GSM，而VLR/MSC技術元件分別是UMTS SGSN。移動臺和核心網路都支援UMTS的所有安全機制。但是，GSM基站系統（BSS）不支援完整性保護，並使用GSM加密演算法。身份驗證協議的前八個步驟與經典情況相同執行。GSM BSS只是轉發UMTS認證流量。

• MSC/SGSN決定允許使用哪些GSM加密演算法，並計算GSM金鑰Kc、UMTS金鑰IK、CK。

• MSC/SGSN通知GSM BSS授權的演算法並傳輸GSM加密金鑰Kc。

• GSM BSS根據移動臺的加密功能決定允許使用哪些加密演算法。

• GSM BSS向移動臺傳送GSM加密模式命令。

UMTS - 成功與侷限性

GSM（2G）的成功故事非常出色。為了方便資料通訊，在現有的GSM中進行了一些擴充套件，但成功有限。GPRS被引入用於移動使用者的分組資料，理論上基本資料速率提高到172 Kb/s，但幾乎沒有為使用者分配最大8個邏輯通道。GPRS具有兩階段訪問IP連線的概念。

第一步是連線到網路並註冊到網路。為此，使用者資料傳輸需要建立PDP（分組資料協議）環境。此時僅分配IP地址。GPRS也被稱為2.5G網路。

對於GSM/CS（電路交換）和GPRS/PS（分組交換），都基於EDGE（增強型GSM演進資料速率）下更高的調製效率進行了持續的最佳化工作，但從根本上沒有發生任何變化。

下一代3G行動網路（UMTS）建立在一種稱為WCDMS（寬頻CDMA）的新無線技術之上，它確保了兩件事：

• 由於新的無線頻譜，頻寬更大；
• 終端使用者峰值資料速率更高。

UMTS網路架構設計時將CS和PS並行考慮。後來，以網際網路和多媒體子系統（IMS）的形式建立了一個完全不同的服務層。UMTS後來透過HSPA和HSPA+得到了改進，以獲得更高的資料速率。這被分為下行鏈路/HSDPA和上行鏈路/HSUPA。3GPP Rel 5已將HSDPA標準化，Rel 6已將HSUPA標準化。HSPA+屬於3GPP的Rel. 7標準。

透過直接隧道方法，已經在傳統的PS技術中實現了持續改進。然而，很明顯，需要對架構進行更多更改才能實現此目標。傳統技術改進的另一個方面可以用超自然效率來識別，即每個無線頻率單元和時間單元可交付的有效位元數。即使為行動通訊提供了新的無線頻譜，但降低成本和競爭的壓力也需要進一步的收益。

UMTS - 3GPP

3GPP是行動網路的標準化組織，自1998年以來一直存在。3GPP規範以稱為“版本”的捆綁包形式提供。

第三代合作伙伴計劃（3GPP）

3GPP版本從版本99到版本7。

網路實體簡述如下：

第三代合作伙伴計劃2（3GPP2）

3GPP2是3GPP市場的對應部分。3GPP2標準機構還開發了一套龐大的規範，描述了其自身的移動網路技術，當前一代被稱為CDMA2000©。3GPP2採用了3GPP的概念和解決方案，但在選擇上有所不同。關於LTE，近年來3GPP2運營商對允許靈活高效的互操作性越來越感興趣。3GPP2技術的繼承包括一個稱為1xRTT的CS和PS元件（EVDO vs eHRPD）。3GPP2認為其（eHRPD）高速分組資料網路等同於3GPP舊系統，其傳輸過程經過專門最佳化設計。

3GPP系統的體系結構

3GPP的整體架構，包括已演進的系統以及3GPP已定義的核心和接入網路，被稱為“傳統3GPP系統”。

未由3GPP定義但可與已演進的3GPP系統結合使用的接入網路稱為“非3GPP接入網路”。

服務區域必須理解為IP服務的集合，因此通常它們由分組資料網路（PDN）表示和實現。IP服務可以簡單地提供原始IP連線（即允許網際網路連線），提供到公司網路的連線，或提供高階基於IP的控制功能，例如透過IMS進行電話和即時訊息。

它被稱為“演進的UTRAN”（EUTRAN）。GERAN和UTRAN是現有的無線接入網路，並連線到傳統的PS域。

演進的分組核心（EPC）除了管理分組路由和轉發（用於傳輸使用者資料）的基本功能外，還包含所有必要的特性，尤其用於控制移動性、會話處理、安全性和負載。

為了與傳統CS域互操作，還應考慮CS核心網路並與後端IMS介面。虛線箭頭表示傳統CS核心網路與新的網路演進分組核心之間的可選互連，如果需要，可減少對語音服務的CS域的利潤損失。

UMTS - 無線接入網路

更通用的術語“演進的無線接入網路”（eRAN）也可用於信令協議的一部分，與術語“接入層”（AS）可以互換使用。比較表明，E-UTRAN由一種型別的節點組成，即演進的節點B（eNodeB），並且互連的多樣性減少到最小。eNodeB是一個無線基站，並透過其天線在一個區域（小區）內進行收發，該區域受物理因素（訊號強度、干擾條件和無線電波傳播條件）限制。它具有與相鄰eNodeB的邏輯介面X2和透過S1的EPC。兩者都具有控制部分（例如，信令）和使用者平面部分（用於有效載荷資料）。

指向EU參考（包括無線鏈路介面和行動網路協議棧繫結）被稱為“LTE-U u”，以表明它與傳統對應的EU X2連線相鄰eNodeB不同。它們可以被認為是大多數E-UTRAN的一部分，並且在大多數無線小區之間切換的情況下使用。

隨著UE的移動，透過兩個資料eNodeB之間的X2進行信令進行長時間的切換準備，並且受影響的使用者可以在它們之間短暫傳輸。僅在特殊情況下，可能發生兩個相鄰eNodeB之間未配置X2。在這種情況下，始終支援傳輸，但傳輸準備和資料傳輸則透過EPC進行。因此，必須提供更高的延遲和更少的“同質性”。

更詳細地說，eNodeB執行的功能包括：

• 無線資源管理：無線承載控制、無線接入控制、連線控制移動性、動態分配資源（即排程）到UE的上行鏈路和下行鏈路。

• IP報文頭的壓縮和使用者資料流的加密。

• 將使用者平面資料包轉發到EPC（特別是，朝向GW服務節點）。

• 在鏈路上進行傳輸層資料包標記，例如，基於關聯的EPS承載的QoS類索引（QCI）設定DiffServ程式碼點。

• 規劃和傳送尋呼訊息（根據MS的請求）。

• 規劃和傳輸廣播資訊（MME或O&M的來源）。

• 測量配置傳遞和報告移動範圍和程式設計。

UMTS - 演進的分組核心（EPC）網路

在3GPP演進系統的早期架構工作中，提出了關於使用使用者平面和控制平面協議實現移動性的兩種觀點。

第一個觀點是推廣GPRS隧道協議（GTP）的良好效能，而另一個觀點則推動新的（以及所謂的IETF“基礎”）協議。

雙方都有充分的理由：

• GTP演進 - 該協議已證明其對運營商的有用性和能力，並在大型運營中取得了巨大成功。它正是針對行動網路PS的需求而設計的。

• 基於IETF的協議 − IETF是網際網路事實上的標準組織。他們的移動性協議已經從專注於基於移動IP的網路客戶端發展到“代理移動IP (MIP)”。PMIP在3GPP演進並行系統中標準化。（但移動IP客戶端基礎在EPS中與非3GPP接入支援結合使用。）

3GPP接入的EPC（非漫遊）

參考點提供的功能和採用的協議如下：

LTE-Uu

LTE-Uu是EU和eNodeB之間無線介面的參考點，包含控制平面和使用者平面。控制平面的頂層稱為“無線資源控制”（RRC）。它位於“分組資料收斂協議”（PDCP）、無線鏈路控制和MAC層之上。

S1-U

S1-U是eNodeB和服務閘道器之間使用者平面流量的參考點。透過此參考點的主要活動是傳輸來自使用者流量或隧道形狀的封裝IP資料包。即使在EU移動期間，也需要封裝來實現eNodeB和服務閘道器之間的虛擬IP鏈路，從而實現移動性。使用的協議基於GTP-U。

S1-MME

S1-MME是eNodeB和MME之間控制平面的參考點。所有控制活動都在其上執行，例如，用於建立連線、斷開連線和支援變更的信令、安全程式等。請注意，其中一些流量對E-UTRAN是透明的，並且在EU和MS之間直接交換，它被稱為“非接入層”（NAS）信令。

S5

S5是包含服務閘道器和PDN閘道器之間控制平面和使用者平面的參考點，並且僅在兩個節點都位於HPLMN時適用；服務閘道器位於VPLMN時的對應參考點稱為S8。如上所述，這裡有兩種協議變體：增強型GPRS隧道協議（GTP）和代理移動IP（PMIP）。

S6a

S6a是交換與裝置訂閱相關資訊的參考點（下載和清除）。它對應於現有系統中的Gr和D參考點，並且基於DIAMETER協議。

SGi

這是DPR的出口點，對應於GPRS中的Gi參考點和I-WLAN中的Wi。這裡使用基於IETF的協議進行使用者平面（即IPv4和IPv6資料包轉發）協議，以及用於配置IP地址/外部網路協議的控制平面協議，例如DHCP和radius/diameter。

S10

S10是用於MME重定位的參考點。它是一個純控制平面介面，併為此目的使用高階GTP-C協議。

S11

S11是MME和服務閘道器之間現有控制平面的參考點。它採用高階GTP-C（GTP-C v2）協議。eNodeB和服務閘道器之間的資料持有者由S1-S11和MME的級聯控制。

S13

S13是裝置識別暫存器（EIR）和MME的參考點，用於身份控制（例如，基於IMEI，如果列入黑名單）。它使用直徑協議SCTP。

Gx

Gx是QoS策略過濾策略的參考點，並控制PCRF和PDN閘道器之間的負載。它用於提供過濾器和定價規則。使用的協議是DIAMETER。

Gxc

Gxc是在Gx之上存在的參考點，但位於閘道器和PCRF之間，並且僅在S5或S8上使用PMIP時才使用。

Rx

Rx被定義為一個應用程式功能（AF），位於NDS和PCRF中，用於交換策略和計費資訊；它使用DIAMETER協議。

3GPP接入的EPC（漫遊）

在這種漫遊情況下，使用者平面可以：

擴充套件回HPLMN（透過互連網路），這意味著所有EU使用者流量都透過HPLMN中的PDN閘道器路由，DPR連線到該閘道器；或者

為了更最佳化地傳輸流量，它離開VPLMN中的PDN閘道器到本地PDN。

第一個稱為“家庭路由流量”，第二個稱為“本地中斷”。（請注意，第二個術語也用於討論家庭NB/eNodeB的流量最佳化，但含義不同，因為在3GPP漫遊的概念中，控制平面始終涉及HPLMN）。

EPC和傳統網路之間的互操作

從一開始，很明顯，3GPP演進系統將與現有的2G和3G系統無縫互操作，3GPP PS廣泛部署，或者更準確地說，與GERAN和UTRAN GPRS基站互操作（對於與舊CS系統互操作以處理最佳化語音的方面）。

EPS中2G/3G基本架構設計的問題是GGSN對映的位置。有兩個版本可用，並且都支援：

• 使用的閘道器 − 這是服務閘道器結束使用者平面（如現有GPRS網路中所見）的正常情況。

  控制平面在MME中完成，根據EPC中使用者和控制平面的分佈。引入了S3和S4參考點，它們分別基於GTP-U和GTP-C。S5/S8連線到PDN閘道器。優點是互操作性流暢且最佳化。缺點是，對於這種互操作性，SGSN必須升級到Rel. 8（由於需要支援S3和S4上的新功能）。

• PDN閘道器 − 在這種情況下，未更改的參考點Gn（漫遊時為Gp）在SGSN和PDN閘道器之間重複使用，用於控制平面和使用者平面。這種用法的優點是SGSN可以是Rel. 8之前的版本。此外，它對IP版本、傳輸和S5/S8協議有一些限制。

與傳統3GPP CS系統的互操作

在3GPP演進設計階段，很明顯，傳統的CS系統及其最重要的服務“語音”通訊不能被新系統忽略。運營商在該領域的相關投資實在太大，因此需要非常有效的互操作性。

已經開發了兩種解決方案：

• 單無線語音呼叫連續性（SRVCC），用於將語音呼叫從LTE（使用IMS上的語音）轉移到傳統系統。

• CS回退 − 在執行CS入站或出站活動之前，啟用臨時移動到傳統CS。

單無線語音呼叫連續性（SRVCC）

在3GPP為SRVCC與GERAN/UTRAN選擇的此解決方案中，一個特別增強的MSC透過一個新的MME控制平面介面連線。

請注意，為EU提供服務的MSC可能與支援Sv介面的MSC不同。在IMS中，需要一個用於SRVCC的應用伺服器（AS）。Sv基於GTPv2，有助於在目標系統（接入和核心網路以及CS和IMS域之間的互連）中準備資源，同時連線到源接入。

類似地，使用SRVCC的CDMA 1xRTT需要與1xRTT伺服器（IWS）互操作，該伺服器支援介面和從/到為UE提供服務的1xRTT MSC的訊號中繼，S102具有相同的目的。S102是一個隧道介面，傳輸1xRTT信令訊息；在MME和UE之間，這些訊息被封裝。

CS回退

服務閘道器和PDN閘道器不分離（S5/S8未公開），並且VLR與MSC伺服器整合。在MSC伺服器/VLR和MME之間引入了一個新的SG介面，允許組合和協調程式。該概念包括：

• 訊號中繼以結束CS請求（來電、處理網路觸發的附加服務或傳統SMS）從MSC伺服器到SG上的MS，反之亦然；

• PS域和CS域之間的組合操作程式。

與非3GPP接入的互操作

與3GPP接入網路的不同系統（稱為非3GPP/接入）的互操作是SAE的重要目標；這應該在EPC的保護傘下完成。這種互操作性可以在不同的級別實現（實際上，這是在第4層使用VCC/SRVCC實現的）。但是對於通用型別的互操作性，似乎有必要依靠通用機制，因此IP層似乎最合適。

通常，移動和固定網路的完整系統具有與上面描述類似的架構。對於演進的3GPP系統，通常存在一個接入網路和一個核心網路。在計劃中的演進3GPP系統互操作架構中，其他接入技術系統連線到EPC。

通常，完整的行動網路系統和固定網路系統具有與演進的3GPP系統中概述的類似架構，並且通常由接入網路和核心網路組成。

還決定允許兩種不同型別的互操作性，基於接入系統的屬性。對於具有非3GPP接入信心的網路，假設它們與EPC之間實現了安全通訊，並且也充分保證了強大的資料保護。

UMTS - GPRS隧道協議

生成GPRS隧道協議（GTP）實際上是不可能的，但也不希望將其用於新系統，但另一方面，可以理解的是，為了能夠與傳統PS世界順利互動並支援新系統所需的函式，也需要改進。

GPRS隧道協議（GTP）

GTP協議旨在對GPRS中的資料單元和控制訊息進行隧道傳輸和封裝。自其在20世紀90年代後期設計以來，它已大規模部署，並積累了豐富的經驗。

演進的3GPP系統的GTP有兩種變體：控制平面和使用者平面。GTP-C管理控制平面信令，除了使用者平面純資料傳輸協議之外，它也是必要的；它被稱為使用者平面。適用於EPS的當前版本是GTPv1 US和GTPv2-C。

GTP的特點是它支援在其主GTP隧道持有者內分離流量，或者換句話說，能夠將它們分組並處理載波。GTP隧道的端點由TEID（隧道端點識別符號）標識；它們由對等實體在本地級別分配給上行鏈路和下行鏈路，並在它們之間橫向報告。TEID在不同的粒度上使用，例如，S5和S8上的PDN連線和S3/S4/S10/S11介面上的EU。

GPRS隧道協議的控制平面

GTPv2-C用於EPC信令介面（包括至少Rel. 8的SGSN）。例如：

• S3（SGSN和MME之間），
• S4（SGSN和服務閘道器之間），
• S5和S8（服務閘道器和PDN閘道器之間），
• S10（兩個MME之間），以及
• S11（MME和服務閘道器之間）。

與此對應，一個典型的GTPv2-C協議資料單元（如上圖所示），GTP的特定部分在IP和UDP報頭之前，它由GTPv2-C報頭和包含GTPv2-C可變數量、長度和格式的資訊部分組成，具體取決於訊息的型別。由於不支援回顯和協議版本的通知，因此TEID資訊不存在。顯然，在此版本的協議中，版本固定設定為2。

GTP 具有複雜的遺留擴充套件頭機制；在大多數 GTPv2-C 中未使用。訊息型別在第二個位元組中定義（因此最多可以為將來的擴充套件定義 256 條訊息）。下表概述了當前 GTPv2-C 中定義的訊息。訊息長度在位元組 3 和 4 中編碼（以位元組為單位，不包括前四個位元組本身）。

TEID 是隧道端點的 ID，在相對/接收端是一個單一的值；它允許在非常頻繁的情況下在一個端點上多路複用和解複用隧道，必須區分 GTP 隧道上的多個隧道。

增強型 GTPv1-U

GTP-U 只應用了一個小的但有效的改進，因此認為沒有必要加強協議版本號。因此，我們仍然期望 GTPv1-U，但至少是其最新的 Rel. 8。

協議棧與 GTPv2-C 基本相同，只是層名稱和協議進行了相應的替換。擴充套件頭機制保留在原位；如果需要，它允許插入兩個元素。

• 觸發訊息的 UDP 源埠（兩個八位位元組）；

• PDCP PDU 編號 - 與無損特徵傳輸相關；在這種情況下，資料包需要在 EPC 中編號（兩個八位位元組）。

改進是能夠在使用者平面中傳輸“端市場”。它用於 eNodeB 之間的切換過程中，並指示在資料包之後立即啟用路徑，例如，在 Rel.8 之前不需要此功能，因為 GTP-U 沒有以無線接入節點（即不在 BS 或 NodeB 中）結束，只存在少量訊息。GTPv1-U，它們列在上表中。

很明顯，實際上可以透過 GTPv1-U 進行非常有限的信令（回顯機制和端標籤）。唯一傳輸真實使用者資料的訊息型別為 255，即所謂的 G-PDU 訊息；在標頭之後，它攜帶的唯一資訊是來自使用者或外部 PDN 裝置的原始資料包。

參考架構中並未列出所有 GTP-U 隧道的例項（該架構旨在捕獲網路節點之間不再存在的關聯）；臨時隧道是可能的 -

• 兩個服務 GW 之間，適用於基於 S1 的傳輸，在服務移動 GW 的情況下；

• 兩個 SGSN 之間，對應於先前的情況，但在遺留 PS 網路中；

• 兩個 RNC 之間，適用於 3G PS 網路中 RNC 的重新定位（與 EPC 無關，此處僅出於完整性而提及）。

UMTS - 代理移動 IPv6 協議

它是由網際網路工程任務組 (IETF) 標準化的移動性管理協議，該組織致力於開發網際網路協議標準。

雙協議棧功能

PMIPv6 的雙協議棧功能有兩個目標 -

• 支援 IPv4 家庭地址

• 允許僅 IPv4 透過接入網路傳輸；在這種情況下，MAG 也可以使用 IPv4 私有地址，並且可以在通往 LMA 的路徑上部署 NAT。

這兩個功能可以獨立使用。為了解決這些需求，做出了以下擴充套件 -

**在 LMA 的繫結快取中** -

• 分配給移動節點的 IPv4 地址，現在已在移動接入閘道器中註冊（包括相應的子網掩碼）。它來自靜態配置/配置檔案或由 LMA 動態分配。

• 分配給移動節點的 IPv4 預設路由器地址。

**在 MAG 的繫結更新列表中** -

• 分配給連線的移動介面的 IPv4 家庭地址。

• 移動節點的 IPv4 預設路由器。LMA 和 MAG 應實現 IPv6，並且它們也需要一個 IPv4 地址。MAG 是 UE 在其接入鏈路上的 IPv4 預設路由器。

PMIPv6 信令

下表概述了 PMIPv6 信令訊息（基本 PMIPv6 和 IETF 中指定的改進，用於連線解除和管理方式）。PMIPv6 基礎信令是透過 MAG 到 LMA 的“繫結更新”（BU）進行的，並且相應的“繫結更新確認”（BUA）訊息返回到 MAG 用於註冊、重新整理和刪除繫結。IP 地址資訊（IPv4 或 IPv6 地址字首）通常由 LMA 請求，並由初始註冊分配的 MAG 分配。

新增到 PMIPv6 的 3GPP 特定資訊元素

PMIPv6 旨在用於非常通用的用途；3GPP 有一些特殊要求，這些要求源於需要使其儘可能與 GTP 的功能相容。

UMTS - 可擴充套件身份驗證協議

它是由 IETF（RFC 3748）開發的通用框架。基本信令機制支援頂部的不同身份驗證方法。

EAP 與 3GPP 系統互操作的特定用途由 EAP-AKA 方法定義，EAP-AKA 已經用於 I-WLAN。

EAP 身份驗證的主要步驟如下 -

• EAP 鑑別器向目標裝置/EU（L2）傳送身份驗證請求；它接收來自目標裝置/EU 的響應並將其傳輸到 AAA 基礎設施。

• AAA 伺服器執行 EAP 方法，從而對目標裝置發出挑戰，由鑑別器傳送。

• 目標裝置必須滿足挑戰；答案透過鑑別器中繼到 AAA 伺服器。

• AAA 伺服器將響應與預期響應進行比較，並決定是否成功身份驗證。成功或失敗的指示返回到目標裝置。

可選地，可以使用通知來傳輸其他資訊；這用於 IP 移動性模式選擇指示。在設計過程中，有一個主要決定是將非 3GPP 接入網路的安全領域與 3GPP 安全領域以及其他領域分開。

實際結果是非 3GPP 接入網路的識別符號進入安全演算法，這需要指定 EAP-AKA 的變體，即 EAP-AKA（高階）。

UMTS - IKEv2 & MOBIKE

網際網路金鑰交換是在 RFC 4306 中由 IETF 定義的複雜版本 2。它允許在兩個節點之間建立和維護安全關聯和 IPSec 隧道，並交換一些配置資料；它們被傳輸到訊息中的所謂有效負載配置對話中。

完整的 IKEv2 會話由多個對話組成，結構化階段。訊息流和典型基礎在下圖中給出，以及如何在 EU 和 ePDG 之間的信令上下文中應用的描述 -

在演進的 3GPP 系統中，IKEv2 用於 -

• IP 地址資訊：IPv4 地址或 IPv6 字首。
• IP 移動性模式選擇資訊。
• IP 地址資訊：IPv6 字首。
• DNS 伺服器地址。

直徑

直徑是一種通用的 AAA 協議，具有網路訪問、移動性和 QoS 處理的其他功能。雖然它原則上是通用對等對等，但在 3GPP 架構中以客戶端-伺服器模式使用。它具有內建的可擴充套件性，因此完美地支援介面上的訊息結構，需要一定的靈活性。此外，它支援具有故障和故障轉移處理的多個伺服器配置。在功能上，它與其前身半徑相似，但在訊息和引數級別上卻大不相同。DIAMETER 提供了透過成對的心跳訊息檢測死對等的功能。它可以在 SCTP 或 TCP 上執行，並使用 3868 埠。

DIAMETER 協議在 EPC 中得到廣泛使用 -

• S6a 用於 MME 和 HSS 之間的訂閱下載和更新。

• S6d（在升級後的 SGSN 和 HSS 之間），它是遺留世界中 S6a 的對應部分，具有與新系統的互操作功能。

• S13 用於 MME 和 EIR 之間的裝置檢查。

• SWa 用於不受信任的非 3GPP 接入和 AAA 伺服器之間的身份驗證。

• STa 用於受信任的非 3GPP 接入和 AAA 伺服器之間的身份驗證和授權。

• SWd 用於 AAA 代理和 AAA 伺服器之間的轉發（VPLMN 和 HPLMN 之間的轉發）。

• S6b 用於 PDN GW 和 AAA 伺服器之間的 APN 授權和移動性。

• SWm 用於 ePDG 和 AAA 伺服器之間的身份驗證和授權。

• SWx 用於 AAA 伺服器和 HSS 之間交換身份驗證向量和註冊資訊。

• Gx 用於 PDN GW 和 PCRF 之間的 IP-CAN 會話處理和 GW-控制會話處理。

UMTS - SCTP

流控制傳輸協議（SCTP）是一種可靠的傳輸協議，執行在資料包服務之上，而資料包服務本身並不具備像IP這樣的潛在不可靠連線。它專為應用程式和信令而開發，提供無重複傳輸錯誤資料報（訊息）的識別。使用校驗和和序列號來檢測資料損壞、資料丟失和資料重複。

應用選擇性重傳機制來糾正資料丟失或損壞。關鍵的區別在於TCP的多宿主機和連線中多流的概念。在TCP流中被稱為位元組序列，SCTP流代表訊息序列。SCTP試圖結合UDP和TCP的優點，同時避免它們的缺點；它在IETF RFC 4960中定義。

SCTP用於多個網路內部控制平面介面，這些SCTP應用程式包括：

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

S1應用協議

在S1-MME之間存在兩類過程：與UE相關和與UE無關。此外，定義了兩類訊息：Class 1和Class 2（Class 1是發起方，Class 2是應答方）。Class 1及其相關過程的發起/響應訊息列在下表中；Class 2訊息的流程名稱與過程名稱基本相同，下表（第二個表）僅列出了這些名稱。

基本過程

• 切換通知
• E-RAB釋放指示
• 尋呼
• 初始UE訊息
• 下行NAS傳輸
• 上行NAS傳輸
• NAS未送達指示
• 停用跟蹤
• 跟蹤開始
• 跟蹤失敗指示
• 位置報告失敗指示
• 位置報告控制
• 位置報告
• 小區流量跟蹤
• 錯誤指示
• UE上下文釋放請求
• 下行S1 CDMA2000隧道
• 上行S1 CDMA2000隧道
• UE能力資訊指示
• eNodeB狀態轉移
• MME狀態轉移
• 過載開始
• 過載停止
• eNodeB直接資訊傳輸
• MME直接資訊傳輸
• eNodeB配置傳輸
• MME配置

X2應用協議

X2應用協議與S1-AP有很多共同點；Class 1和Class 2訊息的相同分類方式。設定訊息要小得多，這與X2的專門功能相對應。

UMTS - NAS信令協議

NAS信令協議是真正的3GPP協議，僅為3GPP開發，因此，除了3GPP系統之外，其他地方都找不到該協議。

• UE用於移動性和會話管理。
• MME用於EPC和遺留網路節點（GPRS的SGSN和CS域的MSC）。
• 交換的訊息。

EPS移動性管理的NAS信令協議

EPS移動性管理的NAS信令過程列在下表中。“C”列中的“X”指示是否與CS NAS信令協議棧組合存在變體（允許CSFB配置的情況，在假定的組合下）。

僅展示了成功的情況（如果發生錯誤，則使用相應的拒絕訊息，主要透過網路）；說明不包含所有可能的情況。對話訊息通常由計時器保持以防訊息丟失；例如，計時器T3410用於監督過程，並在15秒後超時。因此，如果網路沒有響應（接受或拒絕），則會啟動重試過程。計數器用於限制重試次數。EPS移動性管理網路執行七個計時器，UE執行14個計時器。

EPS會話管理的NAS信令協議

NAS信令功能的第二個模組與會話處理相關。ESM中存在四個網路內部和四個UE發起的過程。下表列出了訊息及其相應的成功流程（同樣，負面情況是使用相應的拒絕訊息建立的）。其中一些被移植到EMM NAS訊息中，其中提供了容器（例如，PDN連線請求被打包在附著請求訊息中）。還定義了兩個簡單的訊息用於一般資訊交換。