UMTS體系結(jié)構(gòu)研究

摘要　基于3GPP IMS的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)支持固定網(wǎng)絡(luò)接入需求和未來網(wǎng)絡(luò)的各種業(yè)務(wù)需求，有利于實(shí)現(xiàn)未來固定、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在核心業(yè)務(wù)控制層的共享和融合，并提供對(duì)高層多種業(yè)務(wù)的支持，已經(jīng)成為下一代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。文章研究了3GPP規(guī)范的演進(jìn)情況，分析了3GPP R5的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，給出了相關(guān)實(shí)體的功能與特點(diǎn)，并介紹了IP多媒體子系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。

1、引言

3G的標(biāo)準(zhǔn)化工作于20世紀(jì)90年代后五年開始啟動(dòng)，人們下意識(shí)地依據(jù)現(xiàn)有的2G GSM解決方案和技術(shù)來開展3G研究。在歐洲和亞洲部分地區(qū)，GSM在當(dāng)時(shí)以及目前是占統(tǒng)治地位的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)�；�于GSM標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)大面積部署的現(xiàn)狀和保持后向兼容的需要，以及有效利用在GSM網(wǎng)絡(luò)方面的巨大投資的愿望，人們決定基于GSM來制訂3G標(biāo)準(zhǔn)。因此，盡管UMTS[1-3]增加了許多功能，但其核心網(wǎng)絡(luò)與GSM網(wǎng)絡(luò)極其相似。

迄今為止，3GPP已經(jīng)發(fā)布了多個(gè)版本。第一個(gè)版本于2000年3月頒布，稱為3GPP 99版本或3GPP R99。此版本帶有濃重的GSM色彩。例如，設(shè)計(jì)用于電路交換流量的核心網(wǎng)絡(luò)與GSM網(wǎng)絡(luò)基本相同。在2001年底，當(dāng)NTT DoCoMo公司開展產(chǎn)業(yè)化3G業(yè)務(wù)（稱為自由移動(dòng)的多媒體接入）時(shí)，日本成為3GPP R99的首批部署國(guó)家。3GPP版本4（3GPP R4）于2001年3月發(fā)布，版本5（3GPP R5）于2003年中期發(fā)布。版本6（3GPP R6）于2004年12月發(fā)布。盡管每種版本的整體結(jié)構(gòu)都是從GSM衍生來的，但也存在很大的差別。這些差別歸納在表1中。

表1　3GPP規(guī)范的演進(jìn)情況

2、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

3GPP R5的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是由技術(shù)規(guī)范組（TSG）以文檔的形式來描述的。3GPP使用術(shù)語公用陸地移動(dòng)網(wǎng)（PLMN）代表陸地移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。公用陸地移動(dòng)網(wǎng)（PLMN）基礎(chǔ)設(shè)施在邏輯上可分為接入網(wǎng)絡(luò)（AN）和核心網(wǎng)（CN）。

2.1　UMTS網(wǎng)絡(luò)高級(jí)體系結(jié)構(gòu)

圖1給出了UMTS網(wǎng)絡(luò)的高級(jí)體系結(jié)構(gòu)。

圖1　UMTS網(wǎng)絡(luò)的高級(jí)體系結(jié)構(gòu)

通用移動(dòng)通信系統(tǒng)（UMTS）網(wǎng)絡(luò)支持兩類接入網(wǎng)絡(luò)，即基站系統(tǒng)（BSS）和無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（RNS）。基站系統(tǒng)（BSS）是一種GSM接入網(wǎng)絡(luò)，而無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（RNS）是建立在UMTS基礎(chǔ)上的，尤其是建立在寬帶碼分多址（WCDMA）無線。3GPP R99中的無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）規(guī)范僅僅包含了UMTS地面無線接入網(wǎng)絡(luò)（UTRAN），但也提到了其他可靠的無線接入網(wǎng)絡(luò)。其后發(fā)布的各個(gè)版本確立了一種基于GSM/EDGE的無線接入網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，稱為GSM/EDGE無線接入網(wǎng)（GERAN）。

當(dāng)兩種接入網(wǎng)（AN）都提供基本的無線接入能力時(shí)，UMTS能夠通過空中接口提供高帶寬，同時(shí)提供良好的軟切換機(jī)制，如電路交換承載信道的軟切換。

核心網(wǎng)（CN）是由電路交換（CS）域和分組交換（PS）域組成的。這兩種域在處理用戶數(shù)據(jù)的方式上有所不同。電路交換域?yàn)橛脩袅髁刻峁�專用的電路交換路徑，主要用于實(shí)時(shí)和會(huì)話業(yè)務(wù)，如音頻和視頻會(huì)議。另一方面，分組交換域主要適于端到端分組數(shù)據(jù)應(yīng)用，如文件傳輸、Internet瀏覽和E-mail。

3GPP R5中也包含IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）。IMS的功能是提供IP多媒體服務(wù)，包括實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。在分組交換域，包括先前只有在電路交換域才可能實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)�；�于3GPP R5的核心網(wǎng)包含電路交換域、分組交換域、分組交換域上的IP多媒體子系統(tǒng)，或是三者的組合。

此外，核心網(wǎng)還包括一種稱為歸屬用戶服務(wù)器（HSS）的邏輯功能，該服務(wù)器是由諸多3G需要的不同數(shù)據(jù)庫組成，包括歸屬位置寄存器（HLR）、域名服務(wù)（DNS）、用戶和安全信息。HSS也為網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的不同應(yīng)用和業(yè)務(wù)提供必要的支持。網(wǎng)絡(luò)管理子系統(tǒng)（NMS）提供網(wǎng)絡(luò)管理功能，實(shí)質(zhì)上形成了一個(gè)獨(dú)立的垂直平面。

2.2　UMTS網(wǎng)絡(luò)詳細(xì)體系結(jié)構(gòu)

圖2給出了網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的更為詳細(xì)的描述。用戶終端稱為移動(dòng)臺(tái)，從邏輯上包括移動(dòng)設(shè)備（ME）和身份模塊。移動(dòng)設(shè)備由無線電通信設(shè)備組成，而身份模塊包含著用戶的身份信息。移動(dòng)臺(tái)和身份模塊的分離使得用戶和設(shè)備可以分開使用，這樣原則上允許用戶通過插入身份模塊可以切換到另一臺(tái)設(shè)備上使用。網(wǎng)絡(luò)支持兩種身份模塊：與GSM系統(tǒng)類似的用戶身份模塊（SIM）和UMTS系統(tǒng)用戶身份模塊（USIM），具體使用何種身份模塊取決于移動(dòng)臺(tái)是屬于老式的基于GSM的系統(tǒng)還是新式的基于UMTS的系統(tǒng)。

圖2　基本的公用陸地移動(dòng)網(wǎng)（PLMN）配置

無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（RNS）包括在接入網(wǎng)中控制無線電資源的無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）。RNC具有宏分集合并能力，可提供軟切換能力。每個(gè)RNC可覆蓋多個(gè)Node B。Node B實(shí)質(zhì)上是一種與基站收發(fā)信臺(tái)等同的邏輯實(shí)體，它受RNC控制，提供移動(dòng)設(shè)備（ME）和無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（RNC）之間的物理無線鏈路連接。同樣，基站系統(tǒng)（BSS）由基站控制器構(gòu)成，基站控制器控制一個(gè)或多個(gè)基站收發(fā)信臺(tái)，與Node B不同，每個(gè)BSS對(duì)應(yīng)于一個(gè)蜂窩。IuCS與IuPS接口將接入網(wǎng)中的所有移動(dòng)設(shè)備分別接入核心網(wǎng)中的電路交換域和分組交換域。

電路交換域包括連接移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)的交換中心（網(wǎng)關(guān)移動(dòng)交換中心和移動(dòng)交換中心），它與PSTN中的交換類似，但移動(dòng)交換中心（MSC）也在稱為拜訪位置寄存器（VLR）的位置寄存器中存儲(chǔ)移動(dòng)臺(tái)的當(dāng)前位置信息。MSC也能夠?qū)崿F(xiàn)在不同接入網(wǎng)絡(luò)之間的切換過程，即當(dāng)移動(dòng)設(shè)備能夠從一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)控制器的覆蓋區(qū)域運(yùn)動(dòng)至另一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)控制器的覆蓋區(qū)域，或由一個(gè)基站控制器（BSC）的覆蓋區(qū)域運(yùn)動(dòng)至另一個(gè)基站控制器的覆蓋區(qū)域。在3GPP R4和3GPP R5中，移動(dòng)交換中心（MSC）功能實(shí)體被分為MSC服務(wù)器和電路交換媒體網(wǎng)關(guān)（CS-MGW），如圖2所示。媒體網(wǎng)關(guān)（MGW）處理用戶流量，而MSC服務(wù)器則處理位置和切換信息。這種分離使得核心網(wǎng)絡(luò)有些獨(dú)立于承載技術(shù)。這類似于為有線網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的基于軟交換（也稱為呼叫代理）的下一代網(wǎng)絡(luò)（NGN）體系結(jié)構(gòu)。核心網(wǎng)中的網(wǎng)關(guān)移動(dòng)交換中心（GMSC）功能類似于MSC，只是它位于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的邊界上，充當(dāng)網(wǎng)關(guān)的角色。網(wǎng)關(guān)移動(dòng)交換中心使用歸屬位置寄存器來完成位置管理，而其它的移動(dòng)交換中心（MSC）位于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，依靠經(jīng)常與MSC配置在一起的拜訪位置寄存器（VLR）來完成位置管理的功能。

分組交換（PS）域提供通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）。PS域包括GPRS支持節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)與CS域中的MSC相對(duì)應(yīng)；它們?yōu)橐苿?dòng)臺(tái)保存用戶和位置信息，并處理用戶的數(shù)據(jù)流和與PS域相關(guān)的信令。有兩種GPRS支持節(jié)點(diǎn)：GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）和GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）。這兩種節(jié)點(diǎn)的功能與GMSC和MSC類似。GGSN和SGSN經(jīng)常統(tǒng)稱為GSN或xGSN。

為實(shí)現(xiàn)位置管理功能，公用陸地移動(dòng)網(wǎng)（PLMN）通常分為幾個(gè)可變化的區(qū)域范圍。為實(shí)現(xiàn)數(shù)個(gè)位置區(qū)域的可達(dá)性，PLMN中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置是固定的，如圖3所示。第一個(gè)位置區(qū)域（LA）用于為使用CS流量的用戶提供定位服務(wù)；每個(gè)位置區(qū)域由拜訪位置寄存器提供服務(wù)，一個(gè)拜訪位置寄存器可能為多個(gè)位置區(qū)域提供服務(wù)。路由區(qū)域RA（Routing Areas）用于為使用CS流量的用戶提供定位服務(wù)；一個(gè)或多個(gè)路由區(qū)域由SSGN進(jìn)行管理。UTRAN注冊(cè)區(qū)域（URA）比路由區(qū)域要小得多，所在蜂窩是定位的最小單元。通常，一個(gè)UTRAN注冊(cè)區(qū)域包括數(shù)個(gè)由單一RNC控制的蜂窩。一個(gè)路由區(qū)域和位置區(qū)域可能包含一個(gè)或多個(gè)UTRAN注冊(cè)區(qū)域。一個(gè)位置區(qū)域可能包含一個(gè)以上路由區(qū)域，但反過來不成立。

圖3　一種典型的PLMN布局

SGSN能夠處理用戶的數(shù)據(jù)流，具有包括初始認(rèn)證與授權(quán)、訪問控制、計(jì)費(fèi)與數(shù)據(jù)采集、無線資源管理、分組載體生成與保持、地址映射與轉(zhuǎn)換、路由與移動(dòng)性管理（在本服務(wù)區(qū)內(nèi)）、分組壓縮功能、RAN傳輸加密等功能。PS核心網(wǎng)與移動(dòng)臺(tái)之間用于主動(dòng)分組會(huì)話的相關(guān)信息被封裝在一種分組數(shù)據(jù)協(xié)議（PDP）環(huán)境中，該環(huán)境包括完成SGSN功能所必需的各種信息，包括所用分組數(shù)據(jù)協(xié)議的類型、相關(guān)地址、GGSN上行數(shù)據(jù)流地址、以接入點(diǎn)標(biāo)識(shí)符形式存在的低層數(shù)據(jù)收斂協(xié)議標(biāo)識(shí)、NSAPI（Netscape服務(wù)器應(yīng)用編程接口）與SAPI（簡(jiǎn)單應(yīng)用編程接口）、進(jìn)出接入網(wǎng)的分組路由等信息。圖4包含了PDP環(huán)境的一個(gè)圖表。

圖4　PDP環(huán)境

GGSN通常位于PS域的邊緣，并將從外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)來的分組數(shù)據(jù)流引入U(xiǎn)MTS網(wǎng)絡(luò)，反之亦然。GGSN在移動(dòng)性管理、分組路由、封裝和地址轉(zhuǎn)換等方面扮演著重要的角色。GGSN最顯著的作用是將移動(dòng)臺(tái)的輸入數(shù)據(jù)流重定向到它當(dāng)前所在的SGSN。

GPRS隧道協(xié)議（GTP）用于在SGSN和GGSN間傳送數(shù)據(jù)流。它傳輸控制平面信息，如生成、查詢、修改或刪除PDP環(huán)境的命令以及用戶平面數(shù)據(jù)。在3GPP體系結(jié)構(gòu)中，還有許多其他的未在圖2中標(biāo)示出來的實(shí)體和邏輯功能，包括移動(dòng)位置中心（MLC）、數(shù)據(jù)可攜帶數(shù)據(jù)庫、安全網(wǎng)關(guān)、信令網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)體與接口。

圖5給出了IP多媒體子系統(tǒng)的一些構(gòu)件。IMS為多媒體業(yè)務(wù)（如IP網(wǎng)絡(luò)上的音頻、視頻和短消息業(yè)務(wù)）提供支持。IMS能夠終止IMS信令（會(huì)話發(fā)起協(xié)議）并提供呼叫控制功能。IMS也包括媒體網(wǎng)關(guān)，提供與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（如PSTN）進(jìn)行互通的能力，并能實(shí)現(xiàn)其他資源密集型功能（如將多方會(huì)議和代碼轉(zhuǎn)換后傳送來的媒體流進(jìn)行混合）。與CS域不同，信令實(shí)體（CSCF）與媒體處理是完全分離的。CSCF使用會(huì)話發(fā)起協(xié)議（SIP）與媒體網(wǎng)關(guān)控制功能（MGCF）進(jìn)行通信，而MGCF采用ITU-T的H.248協(xié)議對(duì)媒體網(wǎng)關(guān)進(jìn)行控制。MGCF在信令平面也提供必要的與外部網(wǎng)絡(luò)互通的功能。

圖5　IP多媒體子系統(tǒng)

3、結(jié)論

基于3GPP IMS的網(wǎng)絡(luò)融合方案，可以使運(yùn)營(yíng)商通過統(tǒng)一的核心網(wǎng)絡(luò)為固定用戶和移動(dòng)用戶提供相同的業(yè)務(wù)，相對(duì)固定網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)的核心網(wǎng)并存的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，不僅可以減少網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，而且可以降低網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維成本，已經(jīng)成為下一代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。同時(shí)，在NGN的框架下，IMS要同時(shí)為固定終端和移動(dòng)終端提供多媒體業(yè)務(wù)，但固定和移動(dòng)接入存在許多差異，因而情況變得更加復(fù)雜，一些技術(shù)方面問題有待于進(jìn)行深入研究和探討。