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第3章 WCDMA系统结构

第3章 WCDMA 系统结构

3.1 概述

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

通用移动通信系统是采用WCDMA 空中接口技术的第三代移动通信系统通常也把UMTS 系统称为WCDMA 通信系统UMTS 系统采用了与第二代移动通信系统类似的结

构包括无线接入网络Radio Access Network RAN 和核心网络Core

Network

其中无线接入网络用于处理所有与无线有关的功能而CN

处理UMTS 系统内所有的话音呼叫和数据连接并实现与外部网络的交换和路由功能CN 从逻辑上分为电路交换域Circuit Switched Domain, CS 和分组交换域

Packet Switched Domain, PS

UTRAN CN 与用户设备User

Equipment UE 一起构成了整个UMTS 系统其系统结构如图3-1所示

图3-1 UMTS 的系统结构

从3GPP R99标准的角度来看UE 和UTRAN UMTS 的陆地无线接入网络由全新的协议构成

其设计基于WCDMA 无线技术

而CN 则采用了

GSM/GPRS 的定义这样可以实现网络的平滑过度此外在第三代网络建设的初期可以实现全球漫游

3.1.1 UMTS 系统网络构成

UMTS 网络单元构成如图3-2所示

USIM

Cu Node B

Node B

RNC

lub lur

MSC/VLR

GMSC

SGSN

GGSN

HLR

PLMN PSTN ISDN,etc

INTERNET

External Networks

UTRAN UE

图3-2 UMTS 网络单元构成示意图

从图3-2

的UMTS

系统网络构成示意图中可以看出UMTS 系统的网络单元包括如下部分

1. UE User Equipment

UE 是用户终端设备它通过Uu 接口与网络设备进行数据交互为用户提供电路域和分组域内的各种业务功能包括普通话音

数据通信

移动多媒体Internet 应用如E-mail WWW 浏览FTP

等

UE 包括两部分

z ME The Mobile Equipment

提供应用和服务

USIM The UMTS Subscriber Module

提供用户身份识别

2. UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network

UMTS

UTRAN

即陆地无线接入网分为基站Node B 和无线网络控制器RNC 两部分

Node B

Node B 是WCDMA 系统的基站即无线收发信机通过标准的Iub 接口和

RNC 互连

主要完成Uu 接口物理层协议的处理它的主要功能是扩频

调

制

信道编码及解扩

解调

信道解码

还包括基带信号和射频信号的相互

转换等功能

RNC Radio Network Controller

RNC 是无线网络控制器主要完成连接建立和断开切换宏分集合并无线资源管理控制等功能具体如下

(1) 执行系统信息广播与系统接入控制功能

(2) 切换和RNC 迁移等移动性管理功能

(3) 宏分集合并功率控制无线承载分配等无线资源管理和控制功能

3. CN Core Network

CN即核心网络负责与其他网络的连接和对UE的通信和管理在WCMDA 系统中不同协议版本的核心网设备有所区别从总体上来说R99版本的

核心网分为电路域和分组域两大块R4版本的核心网也一样只是把R99电路域中的MSC的功能改由两个独立的实体MSC Server和MGW来实现

R5版本的核心网相对R4来说增加了一个IP多媒体域其他的与R4基本一

样

R99版本核心网的主要功能实体如下

(1) MSC/VLR

MSC/VLR是WCDMA核心网CS域功能节点它通过Iu-CS接口与UTRAN 相连通过PSTN/ISDN接口与外部网络PSTN ISDN等相连通过C/D 接口与HLR/AUC相连通过E接口与其它MSC/VLR GMSC或SMC相连通过CAP接口与SCP相连通过Gs接口与SGSN相连MSC/VLR的主要功能是提供CS域的呼叫控制移动性管理鉴权和加密等功能

(2) GMSC

GMSC是WCDMA移动网CS域与外部网络之间的网关节点是可选功能节点它通过PSTN/ISDN接口与外部网络PSTN ISDN其它PLMN相连

通过C接口与HLR相连通过CAP接口与SCP相连它的主要功能是完成VMSC功能中的呼入呼叫的路由功能及与固定网等外部网络的网间结算功能

(3) SGSN

SGSN服务GPRS支持节点是WCDMA核心网PS域功能节点它通过Iu-PS接口与UTRAN相连通过Gn/Gp接口与GGSN相连通过Gr接口与HLR/AUC相连通过Gs接口与MSC/VLR通过CAP接口与SCP相连通过Gd接口与SMC相连通过Ga接口与CG相连通过Gn/Gp接口与SGSN相连SGSN的主要功能是提供PS域的路由转发移动性管理会话管理鉴权和加密等功能

(4) GGSN

GGSN网关GPRS支持节点是WCDMA核心网PS域功能节点通过Gn /Gp接口与SGSN相连通过Gi接口与外部数据网络Internet /Intranet相连GGSN提供数据包在WCDMA移动网和外部数据网之间的路由和封装

GGSN主要功能是同外部IP分组网络的接口功能GGSN需要提供UE接入外部分组网络的关口功能从外部网的观点来看GGSN就好象是可寻址

WCDMA移动网络中所有用户IP的路由器需要同外部网络交换路由信息

(5) HLR

HLR 归属位置寄存器是WCDMA 核心网CS 域和PS

域共有的功能节点它通过C 接口与MSC/VLR 或GMSC 相连通过Gr 接口与SGSN 相连通过Gc 接口与GGSN 相连HLR 的主要功能是提供用户的签约信息存放新业务支持

增强的鉴权等功能

3.2 UTRAN 的基本结构

UTRAN 的结构如图3-3

所示

UTRAN 包含一个或几个无线网络子系统

RNS

一个RNS 由一个无线网

络控制器RNC 和一个或多个基站Node B 组成RNC 与CN 之间的接口是Iu 接口Node B 和RNC 通过Iub 接口连接在UTRAN 内部无线网络控制器RNC 之间通过Iur 互联Iur 可以通过RNC 之间的直接物理连接或通过传输网连接RNC 用来分配和控制与之相连或相关的Node B 的无线资源 Node B 则完成Iub 接口和Uu 接口之间的数据流的转换同时也参与一部分无线资源管理

图3-3 UTRAN 的结构

3.2.1 系统接口

UTRAN 主要有如下接口 1. Cu 接口

Cu 接口是USIM 卡和ME 之间的电气接口Cu 接口采用标准接口

2. Uu接口

Uu接口是WCDMA的无线接口UE通过Uu接口接入到UMTS系统的固定

网络部分可以说Uu接口是UMTS系统中最重要的开放接口

3. Iur接口

Iur接口是连接RNC之间的接口Iur接口是UMTS系统特有的接口用于对

RAN中移动台的移动管理比如在不同的RNC之间进行软切换时移动台所

有数据都是通过Iur接口从正在工作的RNC传到候选RNC Iur是开放的标

准接口

4. Iub接口

Iub接口是连接Node B与RNC的接口Iub接口也是一个开放的标准接口

这也使通过Iub接口相连接的RNC与Node B可以分别由不同的设备制造商

提供

5. Iu接口

Iu接口是连接UTRAN和CN的接口类似于GSM系统的A接口和Gb接口

Iu接口是一个开放的标准接口这也使通过Iu接口相连接的UTRAN与CN

可以分别由不同的设备制造商提供 Iu接口可以分为电路域的Iu-CS接口和

分组域的Iu-PS接口

3.2.2 UTRAN各接口的基本协议结构

UTRAN各个接口的协议结构是按照一个通用的协议模型设计的设计的原则

是层和面在逻辑上是相互独立的如果需要可以修改协议结构的一部分而

无需改变其他部分如图3-4所示

图3-4UTRAN接口的通用协议模型

从水平层来看协议结构主要包含两层无线网络层和传输网络层所有与陆地无线接入网有关的协议都包含在无线网络层传输网络层是指被UTRAN 所选用的标准的传输技术与UTRAN的特定的功能无关

从垂直平面来看包括控制面和用户面

控制面包括应用协议Iu接口中的RANAP Iur接口中的RNSAP Iub接口中的NBAP及用于传输这些应用协议的信令承载应用协议用于建立到UE 的承载例如在Iu中的无线接入承载及在Iur Iub中无线链路而这些应用协议的信令承载与接入链路控制协议ALCAP的信令承载可以一样也可以不一样它通过O&M操作建立

用户面包括数据流和用于承载这些数据流的数据承载用户发送和接收的所有信息例如话音和数据是通过用户面来进行传输的传输网络控制面在控制面和用户面之间只在传输层不包括任何无线网络控制平面的信息它包括ALCAP协议接入链路控制协议和ALCAP所需的信令承载ALCAP 建立用于用户面的传输承载引入传输网络控制面使得在无线网络层控制面的应用协议的完成与用户面的数据承载所选用的技术无关

在传输网络中用户面中数据面的传输承载是这样建立的在控制面里的应用协议先进行信令处理这一信令处理通过ALCAP协议触发数据面的数据承载的建立并非所有类型的数据承载的建立都需通过ALCAP协议如果没有

ALCAP协议的信令处理就无需传输网络控制面而应用预先设置好的数据

承载ALCAP的信令承载与应用协议的信令承载可以一样也可以不一样

ALCAP的信令承载通常是通过O&M操作建立的

在用户面里的数据承载和应用协议里的信令承载属于传输网络用户面在实

时操作中传输网络用户面的数据承载是由传输网络控制面直接控制的而

建立应用协议的信令承载所需的控制操作属于O&M操作

综上所述UTRAN遵循以下原则

(1) 信令面与数据面的分离

(2) UTRAN/CN功能与传输层的分离即无线网络层不依赖于

(3) 特定的传输技术

(4) 宏分集FDD Only完全由UTRAN处理

(5) RRC连接的移动性管理完全由UTRAN处理

3.2.3 UTRAN完成的功能

(1) 和总体系统接入控制有关的功能

z准入控制

z拥塞控制

z系统信息广播

(2) 和安全与私有性有关的功能

z无线信道加密/解密

z消息完整性保护

(3) 和移动性有关的功能

z切换

z SRNS迁移

(4) 和无线资源管理和控制有关的功能

z无线资源配置和操作

z无线环境勘测

z宏分集控制FDD

z无线承载连接建立和释放RB控制

z无线承载的分配和回收

z动态信道分配DCA TDD

z无线协议功能

z RF功率控制

z RF功率设置

(5) 时间提前量设置TDD

(6) 无线信道编码

(7) 无线信道解码

(8) 信道编码控制

(9) 初始随机接入检测和处理

(10) NAS消息的CN分发功能

3.2.4 RNC Radio Network Controller

RNC即无线网络控制器用于控制UTRAN的无线资源它通常通过Iu接

口与电路域MSC和分组域SGSN以及广播域BC相连图上未标

在移动台和UTRAN之间的无线资源控制RRC协议在此终止它在逻辑

上对应GSM网络中的基站控制器BSC

控制Node B的RNC称为该Node B的控制RNC CRNC CRNC负责对

其控制的小区的无线资源进行管理

如果在一个移动台与UTRAN的连接中用到了超过一个RNS的无线资源那

么这些涉及的RNS可以分为

z服务RNS SRNS管理UE和UTRAN之间的无线连接它是对应于该UE的Iu接口Uu接口的终止点无线接入承载的参数映射到传输

信道的参数是否进行越区切换开环功率控制等基本的无线资源管理

都是由SRNS中的SRNC服务RNC来完成的一个与UTRAN相连

的UE有且只能有一个SRNC

z漂移RNS DRNS除了SRNS以外UE所用到的RNS称为DRNS

其对应的RNC则是DRNC一个用户可以没有也可以有一个或多个

DRNS

通常在实际的RNC中包含了所有CRNC SRNC和DRNC的功能

3.2.5 NodeB

Node B是WCDMA系统的基站即无线收发信机通过标准的Iub接口和

RNC互连主要完成Uu接口物理层协议的处理它的主要功能是扩频调

制信道编码及解扩解调信道解码还包括基带信号和射频信号的相互

转换等功能同时它还完成一些如内环功率控制等的无线资源管理功能它

在逻辑上对应于GSM网络中基站BTS

3.3 核心网络基本结构

核心网CN从逻辑上可划分为电路域CS域分组域PS域和广播

域BC域CS域设备是指为用户提供电路型业务或提供相关信令

连接的实体CS域特有的实体包括 MSC GMSC VLR IWF PS域为

用户提供分组型数据业务PS域特有的实体包括SGSN和GGSN其

他设备如HLR或HSS AuC EIR等为CS域与PS域共用

WCDMA的网络总体结构定义在3GPP TS 23.002中目前具有三个版本

分别为

z R99 3GPP TS 23.002

z R4 3GPP TS 23.002

z R5 3GPP TS 23.002

说明

R表示Release

3GPP在98年底99年初开始制定3G的规范R99版本原计划在1999年底

完成最后是在2000年3月完成R99后不再按年来命名版本同时把R2000

的功能分成两个阶段实施R4和R5原则上R99的规范是R4规范集的一

个子集若在R99中增加新的特征就把它升级到R4同样R4规范集是

R5规范集的子集若在R4中增加了新的特征就把它升级到R5

对于以上三个版本PS域特有设备主体没有变化只进行协议的升级和优化

其中R99版本的电路域与GSM网络没有根本性改变但在R4网络中核心

网络电路域MSC被拆分为MSC Server和MGW新增了一个SGW功能实

体HLR也可被替换为HSS规范中没有给出明确说明在R5网络中

支持端到端的VOIP核心网络引入了大量新的功能实体改变了原有的呼叫

流程如果有IMS IP 多媒体子系统则网络使用HSS以替代HLR

3.3.1 R99网络结构及接口

为了确保运营商的投资利益在R99网络结构设计中充分考虑了2G/3G 兼容

性问题以支持GSM/GPRS/3G的平滑过渡因此在网络中CS域和PS

域是并列的R99核心网设备包括MSC/VLR IWF SGSN GGSN

HLR/AuC EIR等为支持3G业务有些设备增添了相应的接口协议另外

对原有的接口协议进行了改进

图3-5是PLMN 的基本网络结构包括CS 域和PS

域图中所有功能实体

都可作为独立的物理设备

粗线

表示支持用户业务的接口细线

表示支持信令的接口

图3-5 R99网络结构图

R99中CS 域的功能实体包括有MSC VLR 等其中运营商可以根据连接方式的不同将MSC 设置为GMSC SM-GMSC SM-IWMSC 等为实现网络互通在系统中配置IWF 一般结合于MSC

除上述功能实体之外PS域特有的功能实体包括SGSN和GGSN为用户提供分组数据业务HLR AuC EIR为CS域和PS域共用设备

R99的主要功能实体包括

(1) 移动交换中心MSC

MSC为电路域特有的设备用于连接无线系统包括BSS RNS和固定网

MSC完成电路型呼叫所有功能如控制呼叫接续管理MS在本网络内或与其他网络如PSTN/ISDN/PSPDN其他移动网等的通信业务并提供计费信息

(2) 拜访位置寄存器VLR

VLR 为电路域特有的设备存储着进入该控制区域内已登记用户的相关信息为移动用户提供呼叫接续的必要数据当MS漫游到一个新的VLR区域后

该VLR向HLR发起位置登记并获取必要的用户数据当MS漫游出控制范围后需要删除该用户数据因此VLR可看作为一个动态数据库

一个VLR可管理多个MSC但在实现中通常都将MSC和VLR合为一体

(3) 归属位置寄存器HLR

HLR为CS域和PS域共用设备是一个负责管理移动用户的数据库系统

PLMN可以包含一个或多个HLR具体配置方式由用户数系统容量以及网络结构所决定HLR存储着本归属区的所有移动用户数据如识别标志位置信息签约业务等

当用户漫游时HLR接收新位置信息并要求前VLR删除用户所有数据当用户被叫时HLR提供路由信息

(4) 鉴权中心AuC

AuC为CS域和PS域共用设备是存储用户鉴权算法和加密密钥的实体

AuC将鉴权和加密数据通过HLR发往VLR MSC以及SGSN以保证通信的合法和安全每个AuC和对应的 HLR关联只通过该HLR和外界通信通常 AuC和HLR结合在同一物理实体中

(5) 设备识别寄存器EIR

EIR为CS域和PS域共用设备存储着系统中使用的移动设备的国际移动设备识别码IMEI其中移动设备被划分白灰黑三个等

级并分别存储在相应的表格中目前中国没有用到该设备

一个最小化的EIR可以只包括最小白表设备属于白等级

(6) 网关MSC GMSC

GMSC是电路域特有的设备GMSC作为系统与其它公用通信网之间的接口同时还具有查询位置信息的功能如MS被呼时网络如不能查询该用户所属的HLR则需要通过GMSC查询然后将呼叫转接到MS目前登记的MSC 中

具体由运营商决定那些 MSC可作为GMSC如部分MSC或所有的MSC

(7) 服务GPRS支持节点SGSN

SGSN为PS域特有的设备SGSN提供核心网与无线接入系统BSS RNS 的连接在核心网内SGSN与GGSN/GMSC/HLR/EIR/SCP等均有接口

SGSN完成分组型数据业务的移动性管理会话管理等功能管理MS在移动网络内的移动和通信业务并提供计费信息

(8) 网关GPRS支持节点GGSN

GGSN也是分组域特有的设备GGSN作为移动通信系统与其它公用数据网之间的接口同时还具有查询位置信息的功能如MS被呼时数据先到

GGSN再由GGSN向HLR查询用户的当前位置信息然后将呼叫转接到目前登记的SGSN中GGSN也提供计费接口

R99中核心网的接口协议如表3-1所示

表3-1R99 核心网的接口名称与含义

接口名连接实体信令与协议

A MSC BSC BSSAP

Iu-CS MSC RNS RANAP

B MS

C VLR

C MSC HLR MAP

D VLR HLR MAP

E MSC MSC MAP

F MSC EIR MAP

G VLR VLR MAP

Gs MSC SGSN BSSAP+

H HLR AuC

MSC PSTN/ISDN/PSPDN TUP/ISUP Ga GSN CG GTP'

Gb SGSN BSC BSSGP

接口名连接实体信令与协议

Gc GGSN HLR MAP

MAP

Gd SGSN

SMS-GMSC/IWMSC

Ge SGSN SCP CAP

Gf SGSN EIR MAP

Gi GGSN PDN TCP/IP

Gp GSN GSN Inter PLMN GTP

Gn GSN GSN Intra PLMN GTP

Gr SGSN HLR MAP

Iu-PS SGSN RNC RANAP

3.3.2 R4网络结构及接口

图3-6是R4版本的PLMN基本网络结构图中所有功能实体都可作为独立的

物理设备关于Nb Mc和Nc等接口的标准包括在23.205和29-系列的技

术规范中

在实际应用中一些功能可能会结合到同一个物理实体中如MSC/VLR

HLR/AuC等使得某些接口成为内部接口

粗线

支持用户业务的接口

细线

支持信令的接口

图3-6 R4的网络结构图

说明

(G)MSC Server 和MGW 可集成为单个物理实体(G)MSC

R4版本中PS域的功能实体SGSN和GGSN没有改变与外界的接口也没有改变CS域的功能实体仍然包括有MSC VLR HLR AuC EIR等设备相互间关系也没有改变但为了支持全IP网发展需要R4版本中CS域实体有所变化如

1MSC根据需要可分成两个不同的实体MSC服务器MSC Server仅用

于处理信令和电路交换媒体网关CS-MGW用于处理用户数据MSC

Server和CS-MGW共同完成MSC功能对应的GMSC也分成GMSC Server 和CS-MGW

(1) MSC服务器MSC Server

MSC Server主要由MSC的呼叫控制和移动控制组成负责完成CS域的呼

叫处理等功能MSC Server终接用户-网络信令并将其转换成网络-网络信令MSC Server也可包含VLR以处理移动用户的业务数据和CAMEL相关数据

MSC Server可通过接口控制CS-MGW中媒体通道的关于连接控制的部分呼叫状态

(2) 电路交换媒体网关CS-MGW

CS-MGW是PSTN/PLMN的传输终接点并且通过Iu接口连接核心网和UTRAN CS-MGW可以是从电路交换网络来的承载通道的终接点也可是分组网来的媒体流例如IP网中的RTP流的终接点在Iu接口上CS-MGW 可支持媒体转换承载控制和有效载荷处理例如多媒体数字信号编解码

器回音消除器会议桥等可支持CS业务的不同Iu选项基于AAL2/ATM

或基于 RTP/UDP/IP

CS-MGW

z与MSC服务器和GMSC服务器相连进行资源控制

z拥有并使用如回音消除器等资源

z可具有多媒体数字信号编解码器

CS-MGW可具有必要的资源以支持UMTS/GSM传输媒体进一步可要求H.248裁剪器支持附加的多媒体数字信号编解码器和成帧协议等

CS-MGW的承载控制和有效载荷处理能力也用于支持移动性功能如SRNS 重分配/切换和定位目前期待H.248标准机制可运用于支持这些功能

(3) GMSC服务器GMSC Server

GMSC Server主要由GMSC的呼叫控制和移动控制组成

2HLR可更新为归属位置服务器HSS详细内容见R5网络介绍

3R4新增一个实体信令网关SGW

在R4网络中可以使用两种信令传送方式基于TDM的传统SS7方式和基于IP的SS7方式也称为SIGTRAN信令传送网络

当使用两种不同信令传送方式的设备互相通信时就需要一个信令网关SGW 来完成相关承载协议的转换SGW主要完成传输层的信令转换也就是完成传统SS7的MTP协议与SIGTRAN的SCTP/IP之间的转换对于MTP之上的应用层如MAP/CAP/ISUP/BICC等协议SGW是不会加以处理的

在R4网络中也新增一些接口协议如表3-2所示

表3-2R4核心网外部接口名称与含义

接口名连接实体信令与协议

A MSC BSC BSSAP

Iu-CS MSC RNS RANAP

B MS

C VLR

C MSC HLR MAP

D VLR HLR MAP

E MSC MSC MAP

F MSC EIR MAP

G VLR VLR MAP

Gs MSC SGSN BSSAP+

H HLR AuC

MSC PSTN/ISDN/PSPDN TUP/ISUP

Ga SGSN CG GTP'

Gb SGSN BSC BSSGP

Gc GGSN HLR MAP

Gd SGSN SM-GMSC/IWMSC MAP

Ge SGSN SCP CAP

Gf SGSN EIR MAP

Gi GGSN PDN TCP/IP

Gp GSN GSN Inter PLMN GTP

Gn GSN GSN Intra PLMN GTP

Gr SGSN HLR MAP

Iu-PS SGSN RNC RANAP

接口名连接实体

信令与协议 Mc (G)MSC Server CS-MGW H.248 Nc MSC Server GMSC Server ISUP/TUP/BICC

Nb CS-MGW CS-MGW

HSS

R-SGW

3.3.3 R5网络结构及接口

Signalling and Data Transfer Interface

Signalling Interface

*) those elements are duplicated for figure layout purpose only, they belong to the same logical element in the reference model

粗线

支持用户业务的接口

细线

支持信令的接口

图3-7 R5的网络结构图

说明

(G)MSC Server 和MGW 可集成为单个物理实体(G)MSC

R5版本的网络结构和接口形式和R4版本基本一致差别主要是当PLMN

包括IM 子系统时HLR 被HSS 所替代另外BSS 和CS-MSC MSC-Server

之间同时支持A 接口及Iu-CS 接口BSC 和SGSN 之间支持Gb 及Iu-PS 接

口

为简洁起见不再赘述R5

的接口协议

图3-8是R5版本的IMS 基本网络结构主要表示的是IMS 域的功能实体和

接口

图中所有功能实体都可作为独立的物理设备