UMTS体系结构研究

UMTS体系结构研究

摘要 基于3GPP IMS的网络架构支持固定网络接入需求和未来网络的各种业务需求，有利于实现未来固定、移动网络在核心业务控制层的共享和融合，并提供对高层多种业务的支持，已经成为下一代网络的发展方向。文章研究了3GPP规范的演进情况，分析了3GPP R5的网络体系结构，给出了相关实体的功能与特点，并介绍了IP多媒体子系统的基本结构。 1、引言

3G的标准化工作于20世纪90年代后五年开始启动，人们下意识地依据现有的2G GSM解决方案和技术来开展3G研究。在欧洲和亚洲部分地区，GSM在当时以及目前是占统治地位的移动通信标准。基于GSM标准的移动网络大面积部署的现状和保持后向兼容的需要，以及有效利用在GSM网络方面的巨大投资的愿望，人们决定基于GSM来制订3G标准。因此，尽管UMTS[1-3]增加了许多功能，但其核心网络与GSM网络极其相似。

迄今为止，3GPP已经发布了多个版本。第一个版本于2000年3月颁布，称为3GPP 99版本或3GPP R99。此版本带有浓重的GSM色彩。例如，设计用于电路交换流量的核心网络与GSM网络基本相同。在2001年底，当NTT DoCoMo公司开展产业化3G业务（称为自由移动的多媒体接入）时，日本成为3GPP R99的首批部署国家。3GPP版本4（3GPP R4）于2001年3月发布，版本5（3GPP R5）于2003年中期发布。版本6（3GPP R6）于2004年12月发布。尽管每种版本的整体结构都是从GSM衍生来的，但也存在很大的差别。这些差别归纳在表1中。

表1 3GPP规范的演进情况

2、网络体系结构

3GPP R5的网络体系结构是由技术规范组（TSG）以文档的形式来描述的。3GPP使用术语公用陆地移动网（PLMN）代表陆地移动通信网络。公用陆地移动网（PLMN）基础设施在逻辑上可分为接入网络（AN）和核心网（CN）。 2.1 UMTS网络高级体系结构

图1给出了UMTS网络的高级体系结构。

图1 UMTS网络的高级体系结构

通用移动通信系统（UMTS）网络支持两类接入网络，即基站系统（BSS）和无线网络子系统（RNS）。基站系统（BSS）是一种GSM接入网络，而无线网络子系统（RNS）是建立在UMTS基础上的，尤其是建立在宽带码分多址（WCDMA）无线。3GPP R99中的无线接入网络（RAN）规范仅仅包含了UMTS地面无线接入网络（UTRAN），但也提到了其他可靠的无线接入网络。其后发布的各个版本确立了一种基于GSM/EDGE的无线接入网络标准，称为GSM/EDGE无线接入网（GERAN）。

当两种接入网（AN）都提供基本的无线接入能力时，UMTS能够通过空中接口提供高带宽，同时提供良好的软切换机制，如电路交换承载信道的软切换。

核心网（CN）是由电路交换（CS）域和分组交换（PS）域组成的。这两种域在处理用户数据的方式上有所不同。电路交换域为用户流量提供专用的电路交换路径，主要用于实时和会话业务，如音频和视频会议。另一方面，分组交换域主要适于端到端分组数据应用，如文件传输、Internet浏览和E-mail。

3GPP R5中也包含IP多媒体子系统（IMS）。IMS的功能是提供IP多媒体服务，包括实时业务。在分组交换域，包括先前只有在电路交换域才可能实现的业务。基于3GPP R5的核心网包含电路交换域、分组交换域、分组交换域上的IP多媒体子系统，或是三者的组合。 此外，核心网还包括一种称为归属用户服务器（HSS）的逻辑功能，该服务器是由诸多3G需要的不同数据库组成，包括归属位置寄存器（HLR）、域名服务（DNS）、用户和安全信息。HSS也为网络上运行的不同应用和业务提供必要的支持。网络管理子系统（NMS）提供网络管理功能，实质上形成了一个独立的垂直平面。 2.2 UMTS网络详细体系结构

图2给出了网络体系结构的更为详细的描述。用户终端称为移动台，从逻辑上包括移动设备（ME）和身份模块。移动设备由无线电通信设备组成，而身份模块包含着用户的身份信息。移动台和身份模块的分离使得用户和设备可以分开使用，这样原则上允许用户通过插入身份模块可以切换到另一台设备上使用。网络支持两种身份模块：与GSM系统类似的用户身份模块（SIM）和UMTS系统用户身份模块（USIM），具体使用何种身份模块取决于移动台是属于老式的基于GSM的系统还是新式的基于UMTS的系统。

图2 基本的公用陆地移动网（PLMN）配置

无线网络子系统（RNS）包括在接入网中控制无线电资源的无线网络控制器（RNC）。RNC具有宏分集合并能力，可提供软切换能力。每个RNC可覆盖多个Node B。Node B实质上是一种与基站收发信台等同的逻辑实体，它受RNC控制，提供移动设备（ME）和无线网络子系统（RNC）之间的物理无线链路连接。同样，基站系统（BSS）由基站控制器构成，基站控制器控制一个或多个基站收发信台，与Node B不同，每个BSS对应于一个蜂窝。IuCS与IuPS接口将接入网中的所有移动设备分别接入核心网中的电路交换域和分组交换域。 电路交换域包括连接移动网络与有线网络的交换中心（网关移动交换中心和移动交换中心），它与PSTN中的交换类似，但移动交换中心（MSC）也在称为拜访位置寄存器（VLR）的位置寄存器中存储移动台的当前位置信息。MSC也能够实现在不同接入网络之间的切换过程，即当移动设备能够从一个无线网络控制器的覆盖区域运动至另一个无线网络控制器的覆盖区域，或由一个基站控制器（BSC）的覆盖区域运动至另一个基站控制器的覆盖区域。在

3GPP R4和3GPP R5中，移动交换中心（MSC）功能实体被分为MSC服务器和电路交换媒体网关（CS-MGW），如图2所示。媒体网关（MGW）处理用户流量，而MSC服务器则处理位置和切换信息。这种分离使得核心网络有些独立于承载技术。这类似于为有线网络开发的基于软交换（也称为呼叫代理）的下一代网络（NGN）体系结构。核心网中的网关移动交换中心（GMSC）功能类似于MSC，只是它位于移动网络和外部网络的边界上，充当网关的角色。网关移动交换中心使用归属位置寄存器来完成位置管理，而其它的移动交换中心（MSC）位于网络内部，依靠经常与MSC配置在一起的拜访位置寄存器（VLR）来完成位置管理的功能。

分组交换（PS）域提供通用分组无线业务（GPRS）。PS域包括GPRS支持节点，这些节点与CS域中的MSC相对应；它们为移动台保存用户和位置信息，并处理用户的数据流和与PS域相关的信令。有两种GPRS支持节点：GPRS网关支持节点（GGSN）和GPRS服务支持节点（SGSN）。这两种节点的功能与GMSC和MSC类似。GGSN和SGSN经常统称为GSN或xGSN。

为实现位置管理功能，公用陆地移动网（PLMN）通常分为几个可变化的区域范围。为实现数个位置区域的可达性，PLMN中移动节点的位置是固定的，如图3所示。第一个位置区域（LA）用于为使用CS流量的用户提供定位服务；每个位置区域由拜访位置寄存器提供服务，一个拜访位置寄存器可能为多个位置区域提供服务。路由区域RA（Routing Areas）用于为使用CS流量的用户提供定位服务；一个或多个路由区域由SSGN进行管理。UTRAN注册区域（URA）比路由区域要小得多，所在蜂窝是定位的最小单元。通常，一个UTRAN注册区域包括数个由单一RNC控制的蜂窝。一个路由区域和位置区域可能包含一个或多个UTRAN注册区域。一个位置区域可能包含一个以上路由区域，但反过来不成立。

图3 一种典型的PLMN布局

SGSN能够处理用户的数据流，具有包括初始认证与授权、访问控制、计费与数据采集、无线资源管理、分组载体生成与保持、地址映射与转换、路由与移动性管理（在本服务区内）、分组压缩功能、RAN传输加密等功能。PS核心网与移动台之间用于主动分组会话的相关信息被封装在一种分组数据协议（PDP）环境中，该环境包括完成SGSN功能所必需的各种信息，包括所用分组数据协议的类型、相关地址、GGSN上行数据流地址、以接入点标识符形

式存在的低层数据收敛协议标识、NSAPI（Netscape服务器应用编程接口）与SAPI（简单应用编程接口）、进出接入网的分组路由等信息。图4包含了PDP环境的一个图表。

图4 PDP环境

GGSN通常位于PS域的边缘，并将从外部网络进来的分组数据流引入UMTS网络，反之亦然。GGSN在移动性管理、分组路由、封装和地址转换等方面扮演着重要的角色。GGSN最显著的作用是将移动台的输入数据流重定向到它当前所在的SGSN。

GPRS隧道协议（GTP）用于在SGSN和GGSN间传送数据流。它传输控制平面信息，如生成、查询、修改或删除PDP环境的命令以及用户平面数据。在3GPP体系结构中，还有许多其他的未在图2中标示出来的实体和逻辑功能，包括移动位置中心（MLC）、数据可携带数据库、安全网关、信令网关、网络管理实体与接口。

图5给出了IP多媒体子系统的一些构件。IMS为多媒体业务（如IP网络上的音频、视频和短消息业务）提供支持。IMS能够终止IMS信令（会话发起协议）并提供呼叫控制功能。IMS也包括媒体网关，提供与传统网络（如PSTN）进行互通的能力，并能实现其他资源密集型功能（如将多方会议和代码转换后传送来的媒体流进行混合）。与CS域不同，信令实体（CSCF）与媒体处理是完全分离的。CSCF使用会话发起协议（SIP）与媒体网关控制功

能（MGCF）进行通信，而MGCF采用ITU-T的H.248协议对媒体网关进行控制。MGCF在信令平面也提供必要的与外部网络互通的功能。

图5 IP多媒体子系统

3、结论

基于3GPP IMS的网络融合方案，可以使运营商通过统一的核心网络为固定用户和移动用户提供相同的业务，相对固定网和移动网的核心网并存的网络架构，不仅可以减少网络结构的复杂度，而且可以降低网络的运维成本，已经成为下一代网络的发展方向。同时，在NGN的框架下，IMS要同时为固定终端和移动终端提供多媒体业务，但固定和移动接入存在许多差异，因而情况变得更加复杂，一些技术方面问题有待于进行深入研究和探讨。