3.6 网络结构
3.6.1 基本网络结构
移动通信的基本网络结构如图3-21所示。基站通过传输链路和交换机相连，交换机再与固定的电信网络相连，这样就可形成移动用户↔基站↔交换机↔固定网络↔固定用户或移动用户等不同情况的通信链路。
图3-21 基本网络结构
基站与交换机之间、交换机与固定网络之间可采用有线链路（如光纤、同轴电缆、双绞线等），也可以采用无线链路（如微波链路、毫米波链路等）。这些链路上常用的数字信号（DS）形式有两类标准：一类是北美和日本的标准系列：T-1/T-1C/T-2/T-3/T-4，可同时支持24/48/96/672/4032路数字语音（每路64.0kbit/s）的传输，其比特率为1.544/3.152/6.312/44.736/274.176Mbit/s；另一类是欧洲及其他大部分地区的标准系列：E-1/E-1C/E-2/E-3/E-4，可同时支持30/120/480/1920/7680路数字语音的传输，其比特率为2.048/8.448/34.368/139.264/565.148Mbit/s。
典型2G网络的每个基站可同时支持50路语音呼叫，每个交换机可以支持近100个基站，交换机到固定网络之间需要5000个话路的传输容量。
在蜂窝移动通信网中，为便于网络组织，将一个移动通信网分为若干个服务区，每个服务区又分为若干个MSC区，每个MSC区又分为若干个位置区，每个位置区由若干个基站小区组成。一个移动通信网由多少个服务区或多少个MSC区组成，取决于移动通信网所覆盖地域的用户密度和地形地貌等。多个服务区的网络结构如图3-22所示。每个MSC（包括移动电话端局和移动汇接局）要与本地的市话汇接局、本地长途电话交换中心相连。MSC之间需互连互通才可以构成一个功能完善的网络。
图3-22 多个服务区的网络结构
有线通信网上的两个终端每次成功的通信都包括三个阶段，即呼叫建立、消息传输和释放，蜂窝移动通信的交换技术也包括这三个过程。但是，移动通信网络中使用的交换机与常规交换机的主要不同是除了要完成常规交换机的所有功能外，它还负责移动性管理和无线资源管理（包括越区切换、漫游、用户位置登记管理等）。原因在于以下两点：一是移动用户没有固定位置，所以在呼叫建立过程中首先要确定用户所在位置，其次在每次通话过程中，系统还必须一直跟踪每个移动用户位置的变化；二是蜂窝系统采用了频率复用和小区覆盖技术，所以在跟踪用户移动过程中，必然会从一个无线小区越过多个无线小区，从而发生多次越区频道（信道）切换问题，以及不同网络间切换或不同系统间切换的问题。这些问题也就是移动性管理和无线资源管理问题。所以说蜂窝移动通信的交换技术要比有线电话系统的交换技术复杂。
3.6.2 移动通信网的典型网络结构
在模拟蜂窝移动通信系统中，移动性管理和用户鉴权及认证都包括在MSC中。在2G移动通信系统中，将移动性管理、用户鉴权及认证从MSC中分离出来，设置原籍位置寄存器（HLR）和访问位置寄存器（VLR）来进行移动性管理，典型的网络结构如图3-23所示。每个移动用户必须在HLR中注册。HLR中存储的用户信息分为两类：一类是有关用户的参数信息，例如用户类别，向用户提供的服务，用户的各种号码、识别码，以及用户的保密参数等。另一类是关于用户当前位置的信息（例如移动台漫游号码、VLR地址等），以及建立至移动台的呼叫路由。
图3-23 2G数字蜂窝移动通信网络结构
访问位置寄存器（VLR）是存储用户位置信息的动态数据库。当漫游用户进入某个MSC区域时，必须向与该MSC相关的VLR登记，并被分配一个移动用户漫游号（MSRN），在VLR中建立该用户的有关信息，其中包括移动用户识别码（MSI）、移动台漫游号（MSRN）、所在位置区的标志以及向用户提供的服务等参数，这些信息是从相应的HLR中传递过来的。MSC在处理入网和出网呼叫时需要查询VLR中的有关信息。一个VLR可以负责一个或若干个MSC区域。网络中设置认证中心（AUC）进行用户鉴权和认证。
认证中心是认证移动用户的身份以及产生相应认证参数的功能实体。这些参数包括随机号码RAND、期望的响应SRES（Signed Response）和密钥KC等。认证中心对任何试图入网的用户进行身份认证，只有合法用户才能接入网中并得到服务。
在构成实际网络时，根据网络规模、所在地域以及其他因素，上述功能实体可有各种配置方式。通常将MSC和VLR设置在一起，而将HLR、EIR和AUC合设于另一个物理实体中。在某些情况下，MSC、VLR、HLR、AUC和EIR也可合设于一个物理实体中。
为了适应移动数据业务和多媒体业务的发展，3G移动通信网络结构发生了变化。从业务角度看，在电路域业务方面，3G除了提供2G的所有业务之外，还要提供2G网络难以提供的业务，如多媒体可视电话业务；在分组域业务方面，3G网络提供了更加丰富的业务，如网上冲浪、视频点播、移动办公和信息娱乐等。图3-24给出了R99（第三代移动通信标准化组织3GPP所制定标准的版本号）的3G网络结构示意图，其中Node B对应于2G系统的基站收发信机（BTS），RNC对应于2G系统的基站控制器（BSC），RNS对应于2G系统的基站子系统（BSS）。
R99采用核心网络（CN）和无线接入网络（RAN）结构，其中核心网络是基于GSM/GPRS的核心网络，分为电路（CS）域和分组（PS）域；无线接入网则引入WCDMA接入网（即UTRAN）。在无线接入部分，R99除了支持新引入的UTRAN的RNS之外，也支持GSM/GPRS的BSS。
图3-24 R99的3G网络结构
在R99的核心网络中，CS域和PS域是并列的。CS域的功能实体包括MSC、VLR、GMSC（移动交换中心网关）和IWF（互通功能）等；PS域特有的功能实体主要包括SGSN（GPRS服务支持节点）、GGSN（GPRS网关支持节点）等；而HLR、AUC、SCP（智能网业务控制点）和EIR等为CS域和PS域共用设备。R99的CS域是基于时分复用技术的，并仍采用分级组网模式，通过GMSC和外部网络相连；PS域是基于IP技术的，通过GGSN和分组网络相连。核心网与接入网之间的Iu接口采用ATM技术来传输。核心网可以和智能网相连，以增强对智能业务的支持。
3G网络结构是向后兼容的，只是在无线接入网和核心网的控制上发生了较大的改变和演进。
当前，移动通信网络结构正在继续演变，例如3GPP的LTE网络结构采用了扁平式的RAN结构，基站（eNode B）之间可直接相连，呈现出网格网络的特征。
移动通信网的网络结构是随着技术的发展不断改进的。在模拟移动通信网中，没有专门的智能节点；在第二代的数字移动通信网中，引入了HLR、VLR、业务控制点、充值中心等智能节点，提供灵活计费类、卡类、呼叫控制类、移动梦网等业务；随着智能网（IN）技术的发展，第三代移动通信网建立在更高级的智能平台上，提供位置类、流媒体类、IP多媒体类等业务。随着移动通信的日益普及，人们不仅需要语音业务，还需要音频、数据、图像和视频业务。也就是说，人们希望现在的固定电信网和因特网（Internet）的各种业务都能有效地延伸到移动通信中，这就需要一个宽带的信息传输网络来承载这些信息，同时要求移动通信网能对各个用户的业务进行管理。因此未来的移动通信网的网络结构应分为三个层次：最低层为通用信息接入网络，它能使人们利用各种空中接口标准，在不同的环境下（如室内、室外、卫星等）都能接入到网络中；其次是宽带信息传输网络（也称为核心交换网络），它既能有效地承载大量用户的多种类型、多种速率的业务和高效地处理高密度、高移动的用户呼叫，同时还能承载和处理大量的用户移动性管理等控制和管理负荷；最高层为业务管理（控制）网络，它不仅能够提供现有的网络业务的管理，还具有为用户提供生成自行设计的新业务的能力和在网络中迅速引入这些新业务的能力。此外，还有两个支持网络：一个是智能信令控制网络，它提供用户和网络之间的虚电路/信道的连接和同步、智能路由和特殊的网络业务功能；另一个是统一的网络管理，它提供全网的运行、维护和管理，它对保证服务质量和无线资源的最佳监测和使用是必需的。
本节叙述的网络结构属于集中式控制网络，其中的交换网络可以是电路交换网络，也可以是分组交换网络。