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3G核心网原理


3G核心网
基础培训
于江涛 华信邮电咨询设计研究院有限公司 2006年1月
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1、 3G核心网技术发展概述 2、 WCDMA核心网技术

3、 WCDM核心网规划简介

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2

3G核心网技术发展
IMT-2000体系(ITU) (International Mobile Telephony-2000 )

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3

3G核心网技术发展
3GPP 基于GSM MAP核心网 WCDMA TD-SCDMA

NNI

IP核心网

基于ANSI-41核心网 3GPP2

CDMA2000

?WCDMA和TD-SCDMA对应GSM MAP核心网 ?CDMA2000对应ANSI-41核心网 ?随着核心网的IP分组化及软交换技术的应用,核心网趋于统一
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3G核心网技术发展
WCDMA版本演进
n 研究 IMS 与 PLMN/PSTN/ISDN 的电 路交换的互操作 n MBMS mutimedia broadcasting/multicast service n 框架结构的研究 n 引入多媒体域 (IMS) n 无线引入 HSDPA 10Mbps n 控制与承载分离 n 有待完善

R6

n 增加 TD-SCDMA
n 引入 Iu 接口 n 最大速率 2Mbps n 商用版本 2001.6+ n 成熟商用

R5

R4

R99

2000.3

2001.3

2002.6

功能冻结时间点

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5

3G核心网技术发展
R99
MMSC SCP GMLC HLR OMC Billing Server SCP GMLC HLR MMSC

R4
OMC Billing Server SCP MMSC

R5
OMC Billing Server

GMLC

HSS

MSC server
GMSC MSC SGSN GGSN

GMSC server

MSC server GMSC server

CSCF

MGCF

IMS
MGW MGW SGSN GGSN
MGW MGW SGSN GGSN

CS

PS

CS

PS

CS

PS

BSS

RNS BSS

RNS

BSS

RNS

核心网基于演进的 GSM和GPRS网络

电路域引入软交换 电路域实现IP传输

核心网和无线接入 网均采用IP传输

3G网络向全IP的演进符合下一代网络的发展趋势
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1、 3G核心网技术发展概述 2、 WCDMA核心网技术

3、 WCDM核心网规划简介

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7

WCDMA核心网络技术

? R99核心网组网技术 ? R4核心网组网技术 ? R5核心网组网技术 ? 核心网技术的选择

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8

R99核心网络技术
核心网(CN)
电路域 (CS)
MSC/ VLR
E

WCDMA网络结构——R99
Internet AuC
H Gi

PSTN

分组域
Gc

GMSC

C D

HLR

GGSN
Gr Gn

(PS)

Other PLMN

UMSC MSC/VLR
G A Gb Iu-CS Iu-PS Gs

SGSN

Gp

GGSN

无线接入网 (RAN)
BTS
Um

BSC
Abis

RNC
Iub

Iur

RNC
Iub

BTS

Node B

Node B
Uu

Node B

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9

R99核心网技术
R99核心网电路域结构
至其它大区的一级汇接中心

大区TMSC1-1

大区TMSC1-2

汇接局 T1

省会MSC1/TMSC2-1

省会MSC1/TMSC2-2

汇接局 T2

MSC/VLR
本地网A

MSC/VLR
本地网B

MSC/VLR
本地网C

端局

电路域网络结构示意图
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核心网规划组网
分组域网络架构
国 家 骨 干 网
CG

BG

CHINANET
骨干GGSN

根DNS

其他 PLMN 省GGSN

CG

CHINANET

省DNS

省 级 网

SGSN

RNC

RNC

RNC

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11

核心网规划组网
NO.7信令网架构
至其它大区的HSTP

大区HSTP1

大区HSTP2

省会LSTP1

省会LSTP2

本地网A HLR/AUC

本地网B HLR/AUC

本地网C HLR/AUC

MSC/VLR

MSC/VLR

MSC/VLR

NO.7信令网网络结构图
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WCDMA核心网络技术

? R99核心网技术 ? R4核心网技术 ? R5核心网技术 ? 核心网技术的选择

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13

R4核心网技术
PSTN AuC

WCDMA网络结构——R4
Internet
Gi

CS域

Mc

MGW
Nb Mc

GMSC Server
Nc

H C D

PS域
Gc Gr

HLR

GGSN
Other Gn Gp PLMN

MGW

MSC Server/ VLR
Gb

Gs

SGSN
Iu-CS Iu-PS Iur

GGSN

A

BSC
Abis

RNC
Iub

RNC
Iub

BTS
Um

BTS

Node B

Node B
Uu

Node B

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14

R4核心网技术
R4与R99核心网比较 PS域:与R99相比,R4在PS域组网结构无变化,仍由SGSN和 GGSN组成,但R4对部分协议进行了更改以支持增强的业务能 力。 CS域:与R99相比,R4在CS域基于呼叫控制和承载分离的思想, 将MSC分为MSC Server和MGW。MSC Server位于控制层, MGW为传输层。 ? 承载网络:可以采用IP、ATM和TDM等多种技术,承载网络扁 平化 ? 无线网络:支持TD-SCDMA技术 ? 业务架构:引入了OSA(Open Service Architecture)技术,开放业 务接口

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15

R4核心网技术 功能实体
MSC服务器(MSC Server)

完成呼叫控制、移动性管理、用户业务数据和CAMEL相关数据的 管理(VLR功能)等信令处理功能。
媒体网关(MGW)

与MSC Server、GMSC Server配合完成核心网络资源的配置(即 承载信道的控制)。同时完成回声消除、(多媒体数字)信号的编解码 以及通知音的播放等功能。
信令网关(SG) 完成信令转换工作。即完成SS7信令传送层MTP与SIGTRAN的传 送层SCTP/IP之间的转换。高层信令MAP和CAP不进行转换。

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16

R4核心网技术
R4网络接口协议
接口名 A Iu-CS B C D E F G Gs H Mc Nc Nb 连接实体 MSC——BSC MSC——RNS MSC——VLR MSC——HLR VLR——HLR MSC——MSC MSC——EIR VLR——VLR MSC——SGSN HLR——AuC MSC——PSTN/ISDN (G)MSC Server——MGW MSC Server——GMSC Server MGW——MGW 信令与协议 BSSAP RANAP MAP MAP MAP MAP MAP BSSAP+ TIP/ISUP H.248 BICC RTP/UDP/IP 接口名 Ga Gb Gc Gd Ge Gf Gi Gp Gn Gr Iu-PS 连接实体 GSN——CG SGSN——BSC GGSN——HLR SGSN——SMS-GMSC/IWMSC SGSN——SCP SGSN——EIR GGSN——PDN GSN——GSN(inter PLMN) GSN——GSN(intra PLMN) SGSN——HLR SGSN——RNC 信令与协议 GTP' BSSGP MAP MAP CAP MAP TCP/IP GTP GTP MAP GTP-U

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17

R4核心网技术 系统接口
Mc接口

该接口是MSC Server和MGW之间的标准接口,提供MSC Server 对MGW的控制、维护、管理功能,采用扩展的H.248协议。
Nc接口

该接口是MSC Server之间的标准接口,提供独立于用户面承载技 术及控制面信令传输技术的局间呼叫控制能力。采用ITU-T制定的承载 无关呼叫控制协议(BICC)协议,该协议可以为Nb接口的控制平面信 息提供隧传功能。 Nb接口
该接口是MGW间的标准接口,用于承载用户业务流,并以承载控 制信令管理业务流连接的建立、释放、维护。
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R4核心网技术 系统接口协议
MTP3 MTP2 MTP1 BICC MTP3B SSCF/SSCOP AAL5/ATM M3UA SCTP IP

MSC Server

Nc
Mc Nb

GMSC Server
H.248

Mc

SCTP UDP IP

MTP3B SSCF/SSCOP/AAL5

MGW
RTP UDP/IP AAL2 ATM

MGW
语音帧 PCM

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19

R4核心网关键技术
SIGTRAN协议
? SIGTRAN本身不是一个协议而是一个协议簇,包含有传输协 议(SCTP)和适配协议(M2UA、M3UA)。 ? SIGTRAN(Signaling Transport)协议栈支持通过IP网络传输 传统电路交换网SCN(Switched Circuit Network)信令。 ? SIGTRAN协议栈担负信令网关和媒体网关控制器间的通信, 有两个主要功能:适配和传输
M3UA 适配层 M2UA 适配层 IUA 适配层 M2PA 适配层 V5UA 适配层 SUA 适配层

……

流控制传输协议 (SCTP) IP MAC

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20

R4核心网关键技术

自适应多速率语音编解码 Adaptive Multirate ( AMR )
Codec Rates

MSC/VLR Server

12.2 10.2 7.95 7.4

GSM EFR

RNC
Q.AAL2

MGWF

6.7

AMPS EFR PDC EFR

TRAU

5.9
5.15 4.75 AMR
TRAU: Transcoder Unit EFR: Enhanced Fullrate

通过动态调整AMR语音的速率,以UE的通话质量 来换取网络的容量和覆盖。
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R4核心网关键技术
AMR、VAD及TrFO技术的应用
R4阶段,话音可以在ATM/IP分组网络上承载,码率无需恒定,可以采 用AMR( Adaptive Multirate )以及VAD技术,节省传输带宽。 开放TrFO( Transcoder Free Operation )功能,使得3G用户间的通话可 以不必经过语音编解码变换器的有损变换处理,最终语音质量得以提高。

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22

R4核心网技术
R4与R99核心网比较

?承载与控制分离的优势:
?业务和控制集中在MSC Server,新业务的提供主要通过升级MSC Server实现, 和传送层、接入层MGW没有关系,业务升级方便,加快新业务提供周期; ?MSC Server可采用大容量集中设置方式,便于网络容量的升级扩容,网络维护 管理方便; ?MGW可采用分布式,多点设置方式,根据网络建设的需要灵活设置,节约投资 成本; ?话路路由灵活,非常适合大型组网。

?统一分组传输的优势:
?由于采用了统计复用的传送方式,相对于64K静态电路方式,传输效率提高, 对网络资源占有率降低;
?利用现有分组网的结构,取消电路多级网络设置,简化网络规划、配置; ?充分利用中国电信数据网的带宽优势。
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R4核心网技术
R4与R99核心网比较

? 业务种类
? 从目前标准上看R4和R99在业务种类上没有差别。

? 业务提供能力
? R4控制承载的分离结构,带来了一定的灵活性,业务提供能力强。

? 业务提供速度
? R99中控制和承载合一,业务提供方式复杂。 ? R4中业务和MGW是松耦合,业务提供主要在MSC Server进行。 ? R4中与业务控制相关的网元数量减少,有利于业务的快速实施。 目前R4和R99在业务种类方面差别不显著,但R4的网络特点 使其在业务提供速度、业务提供能力,特别是在提供个性 化、第三方业务能力方面与R99相比具有显著潜力。
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R4核心网技术
TMSC Server

IP R4基本网络架构
TMSC Server

全国骨干网
BICC MSC Server1 BICC MSC Server2

? 话路网扁平化 ? 信令网层次化

UTRAN PSTN NO.7

MGW

IP 骨 干 网

MGW

UTRAN
SGW

本地网2

SGW

PSTN

本地网1

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25

R4核心网技术

网络集中管理与维护

IN

NMS

AppServer

Route/Policy Service

MSC Server MSC Server SG
ISUP

省局集中维护中心 A本地网

B本地网
MGW

STP

MGW
switch

PSTN

MGW

MGW

MGW

MGW

MGW

? 核心网的维护工作重点在于信令的分析工作 ? R4网络的业务和控制集中在MSC Server,是集中管理的网络,更加利于维护与管理
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R4核心网技术
R99与R4核心网比较分析 ? QoS和安全问题 ? R99的QoS和安全机制成熟 ? R4网络QoS和安全性受限于IP承载网络 -R4的QoS和安全性依赖于承载网络,与R99相比,存在一定风险性。
-理论上分析,CN2可以为C3以上的R4话音质量提供一定的保证, 但能否保证信令的传送有待进一步论证。 -城域网内的R4话音质量仍需要IP专网才能保证。

? 稳定性与成熟性 ? R99设备早已稳定、成熟 ? R4处于大规模商用阶段,应用前景优于R99版本

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27

WCDMA核心网络技术

? R99核心网技术 ? R4核心网技术 ? R5核心网技术 ? 核心网技术的选择

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28

R5核心网技术
PSTN 电路域 R99或R4 WCDMA 接入网

互通

IMS

接入
分组域 因特网

-R5主要增加IMS域,基于SIP协议,提供IP多媒体业务的控制。 -IMS与电路域的接口主要完成互通,IMS与R4或R99电路域都能互通。 -IMS与分组域的接口用于业务接入,分组域是R5业务的承载。 IMS的部署可独立于R99/R4等版本的选择
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R5核心网技术 IMS域组网技术
IP多媒体域
R-SGW
Mh Ms Mw Mg

CSCF

HSS

Cx Mr

CSCF
Gi
Gi

Gr

MRFP

MGCF
Mc Gi

T-SGW

Iu
SGSN UTRAN MGW
Mc D

PS域
R-SGW
Mh

GGSN

IMS-MGW

MGW
C Mc

PSTN Legacy/External

HSS GMSC Server

MSC Server
?内部资料,注意保密

T-SGW

CS域 30

R5核心网技术 IMS域组网技术
需要在原R4节点升级的网元 IMS新增的主要网元

MGCF
HSS MGW

MSC Server通过软件升 级支持MGCF节点功能
HLR通过增加IP硬件和 软件升级支持HSS功能 增加处理IM分组话音承 载模块,支持IM-MGW 功能

CSCF
BGCF MRFC/ MRFP

主要负责SIP呼叫对话管理
提供PSTN/CS域互通 提供铃音,语音通知,和 多方话音会议等应用的媒 体控制

CSCF(呼叫状态控制功能)
MGCF(媒体网关控制功能)和MGW(媒体网关) MRFC(媒体资源功能控制)和MRFP(媒体资源功能处理) BGCF(网关控制功能)

HSS(归属用户服务器)
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R5核心网技术 R5组网结构-全IP、整体化
IMS Server

SCP HLR MSC Server
组织

SS7 MGW PSTN/ PLMN

MGW RNC IP SGSN IP

GGSN Internet Intranets

SDH/PDH/DWDM
Control User data

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32

WCDMA核心网络技术

? R99核心网技术 ? R4核心网技术 ? R5核心网技术 ? 核心网技术选择

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33

核心网技术选择
2G向3G网络演进各版本的主要技术内容
子系统
进展 业务
无线 接入网 核心网 电路域 核心网 分组域 HLR 信令传输
?内部资料,注意保密

GSM/GPRS
运营经验丰富 话音/窄带数据 FDD TDMA 30K-56Kbps数据 TDM 传输 分级网结构 IP 传输 SGSN/GGSN基 于GTP协议组网 支持GSM/GPRS

3GPP R99
协议成熟 有运营实例

3GPP R4
01年冻结,协议基本成熟 但运营实例较少

3GPP R5/R6
R5于02年冻结,R6尚未 冻结,协议还不成熟 IMS业务

话音/流媒体/宽带数据业务

? FDD WCDMA ? 384K-2Mbps数据
沿用GSM网络结 构,无重大改进

TD-SCDMA 承载与控制相分离 软交换网络结构 可采用IP承载

? HSDPA 10Mbps下行 ? IP-UTRAN

无重大改进

沿用 GPRS网络结构,无重大改进

在3G分组域上叠加基 于SIP协议的IMS网络

新的用户签约数据和多种业务增强
IP信令网:SIGTRAN

HSS->CS、PS、IMS
以SIP为主:基于IP传输

7号信令网:STP基于TDM链路组织
34

核心网技术选择
UMTS不同子系统可分别选择关键技术、各自演进
无线接入网 GSM/GPRS 最高达72k到 144kbps无线数据传 输 核心网(电路域) 采用传统电路交换方式 组网 无重大改进 核心网(分组域) 基于IP,通过SGSN和GGSN 采用GTP协议组网 无重大改进

3GPP R99

FDD WCDMA;最高 达384k到2Mbps无 线数据传输

3GPP R4 3GPP R5/R6

增加了TD-SCDMA 增加了高速下行分 组数据接入方式 (HSDPA)

采用控制与承载相分 离的软交换方式组网
无重大改进

无重大改进

迭加了IP多媒体子系统 (IMS),可提供移动多 媒体的业务;

无线接入网、核心网电路域、核心网分组域相互间具有一定的独立性,
可根据业务发展的需要分别选择技术路线,各自演进
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交流内容

1、 3G核心网技术发展概述 2、 WCDMA核心网技术

3、 WCDM核心网规划简介

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36

3G网络规划内容

3G规划 无线网 达到容量 覆盖范围 通话质量

核心网
传输网 业务网 支撑网 城域传送网

电路域 分组域 信令网规划

3G业务平台 业务管理平台

网管 BOSS

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37

3G核心网络规划

工作范围

? 计算模型的确定:包括话务模型、分组流量模型、业务 模型等; ? 网络容量的确定:包括用户数、业务流量等的确定; ? 网络建设原则:包括建网策略、网络结构、网元设置原 则等方面的内容; ? 组网原则:网络拓扑结构、业务分区汇接等;

? 路由原则和信令寻址原则:号码分配、号码分析、IP地址 分配、信令分析方式等;
? 同步方式、计费原则等。
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3G核心网络规划流程
规划流程
? 资料准备阶段

? 规划目标确认阶段
? 预测阶段 ? 确定网络发展策略阶段 ? 网元设置、组网方案确认阶段 ? 话路、带宽、信令链路计算配置阶段 ? 网管、同步以及其他支撑系统组网确定 ? 编号、路由方式确定阶段 ? 局址选择、配套设施规划设计阶段

? 投资估算与经济评价阶段
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3G核心网络规划流程
第一阶段:资料准备
基础信息收 集阶段 现有资料整理 规划依据收集 建设原则确认

第二阶段:确定规划目标
发展环境分析 总体发展目标 业务定位和 功能 主要业务发 展策略

第三阶段:用户预测、业务预测
全省移动用户预测 分析建立 预测模型 讨论确定业 务模型 用户数预测 智能业务用户数预测 数据业务用户数预测 分地区拟合 全省拟合 分析取定预测值

数据业务预测
分地区话务模型确认 业务预测 话务量预测 本地话务量 省内话务量 省际话务量

短消息业务预测

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40

3G核心网络规划流程
第四阶段:确定工程规模和建设规划
确定工程总体规模 网络总体发展策略

分析确定网络建设规划

第五阶段 电路域网元、分组域网元、信令网网元规划
网络拓扑结构 端局设置 确定CS域组网方案 HLR设置 汇接局设置 关口局设置
其它网元的设置 GGSN设置和数量 SGSN设置和数量 DNS设置和数量

确定PS域组网方案

CG设置和数量 BG设置和数量 FW设置和数量 NTP设置和数量

信令网结构 确定信令 网、智能 网组网 方案 STP设置方式 网络处理 能力 计算公 式、计算 参数的 确定 CS域设备容量 和处理能力要求 PS域设备容量和 处理能力要求

第六阶段:话路、带宽、信令链路计算配置 CS域中继或 带宽计算 PS域带宽 需求计算 规 划 软 件 仿 真 检 验 CS域设备端口配 置、话路配置 PS域设备接口配 置、数据传输带宽 信令设备配置、 信令链路配置

信令链路 路由设置
智能网结构 SCP等智能 网元设置

信令设备容量和 处理能力要求

CS/PS域相应的 信令链路计算

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41

3G核心网络规划流程

第七阶段:网管、同步及其它支撑系统规划
网管、同步以及综合业务支撑系统组网分析

第八阶段:编号、路由
编号计划 路由选择

第九阶段:局址选择、配套设施规划设计
局址选择 电源传输 配套 机架和机房 面积要求 其它配套设施 建设确定

第十阶段:投资估算及经济评价
投资估算 收益分析 经济和社会 效益评估

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核心网规划方法
核心网规划原则
最优投资原则:综合考虑设备投资、运营成本、维护成本、投资保 护,选择最优的建网方案; 采用“大容量、少局所”理念 可考虑重用现有网络系统资源 统一规划分步建设原则:避免割接,保持网络业务稳定 保证服务质量原则 网络平滑演进原则 网络结构安全可靠 保证网络的可扩展性 组网层次清晰,且网络组织灵活易调整: 网络容量和能力适度超前,以适应未来3G网络市场发展

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核心网规划方法
核心网规划的重要问题
考虑到牌照发放的不确定性,以及电信运营商的重新分拆组合,需 要充分考虑新建3G网络和原有2G网络的互连互通问题; 作为中国电信而言,必须实现固网和移动网业务融合才能体现自身 优势,应加强固网和移动网融合的研究,重点考虑建设IMS域; 采用R4版本组网符合电信网络演进的方向,应着重考虑R4组网中存 在的问题:IP承载网的QoS和安全问题;信令的承载和组网方式 (Sigtran或者利旧SS7)。充分重视核心网组网的高可靠性、高安全 性设计。

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44

内容回顾

3G核心网的演进趋势 核心网的网元以及网络结构

核心网R99/R4/R5各版本的技术特点和比较
核心网的规划内容和流程

核心网的规划总体原则和重点问题

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45

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46


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