WCDMA網絡結構和功能分析

2019-11-03 09:13:22

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電信研究院標準研究所移動與無線部孫元寧

　　WCDMA網絡是第三代移動通信的一種備選體系，它的標準分為R99、R4、R5和R6四個階段，本文主要介紹了目前相對成熟的R99、R4/R5的網絡結構，并對不同聯合體引入的新設備和功能作了簡要概括。

一、UMTS體系

　　UMTS（Universal Mobile Telecommunication System，通用移動通信系統）是采用WCDMA空中接口的第三代移動通信系統，通常也稱為WCDMA通信系統。

　　通過3GPP的標準化工作，UMTS的技術在不斷地更新和增強。為了盡快將WCDMA系統商用，3GPP對UMTS的系列規范劃定了不同的版本。首先完成標準化工作的版本是R99，也稱為WCDMA第一階段。這個版本的功能基本穩定，終端和網絡側設備也經過了很多實驗系統和實際運營的測試。隨后3GPP在R99的基礎上推出R4、R5，又在R4的基礎上進行了技術更新和增強。

　　盡管3GPP考慮了新舊版本的兼容性問題，要充分獲得新版本的技術優勢，還是需要對原有系統作一些大的改動，因此運營商出于各自的實際情況可能直接選用較新的版本。R4的標準化工作也已基本結束，有一些設備廠商可以提供商用設備，R4和R99對比，設備成熟性和運營經驗要少一些。

　　R5的規范制定工作還沒有全部完成。鑒于R5標準化進度的不斷延期，3GPP又提出了新的版本R6，將一部分無法如期完成的功能并入R6的計劃。目前R6的功能范圍還未確定，增加了許多新的業務功能，實現全ip是這一階段的最高目標。

二、WCDMA R99系統的設備和功能

　　從系統結構和功能上看，WCDMA系統可以分成無線接入網絡（RAN）和核心網（CN）。無線接入網絡用于處理所有與無線有關的功能，由于采用了UTRA（UMTS的陸地無線接入網絡）技術，所以稱之為UTRAN。CN負責處理WCDMA系統內所有的話音呼叫和數據連接與外部網絡的交換和路由。這兩個單元和用戶終端設備一起構成了整個UMTS系統。

　　1．MS（移動臺）

　　MS(或稱UE)是用戶終端設備。它主要包括射頻處理單元、基帶處理單元、協議棧模塊以及應用層軟件模塊等。

　　WCDMA系統支持兩種接入網絡技術，即GSM/GPRS的BSS和UTRAN。因此，系統中可能有三種終端：GSM/GPRS終端、WCDMA終端、同時支持GSM/GPRS和WCDMA接入的雙模終端。GSM/GPRS終端通過Um接口接入BSS子系統，WCDMA終端通過Uu接口接入到UTRAN，而雙模終端可以通過兩個接入網與網絡設備通信。

　　MS為用戶提供電路域和分組域的各種業務功能，包括話音、短信、移動數據業務。WCDMA終端和雙模終端更可以提供寬帶話音和高速的數據通信。MS包括兩部分：ME（Mobile Equipment）、SIM（Subscriber Module）或USIM（UMTS Subscriber Module）。

　　2．接入網絡

　　WCDMA第一階段的系統中包括兩類接入網絡：GSM/GPRS的BSS（Basic Station System）和UTRAN。

　　BSS系統與GSM/GPRS終端和雙模終端進行通信，主要負責完成無線發送接收和無線資源管理等功能。功能實體可分為基站控制器（BSC）和基站收發信臺（BTS）。

　　UTRAN與WCDMA終端和雙模終端通信，包括基于基站（Node B）和無線網絡控制器（RNC）兩部分。

　　UTRAN比BSS系統更復雜，RNC之間可以直接相連，并能提供CDMA特有的軟切換。UTRAN系統基于ATM網絡，因此提供了更高的信令和數據速率，它針對話音傳輸采用了AMR技術，可以提高話音質量和系統容量。同時，UTRAN比BSS系統更開放，BSC和BTS之間的Abis接口是BSS廠家的私有接口，而Node B和RNC之間的Iub接口和RNC之間的Iur接口都是3GPP所規定的公共接口。

　　3．核心網絡

　　核心網負責與其他網絡的連接和對MS的通信和管理。核心網分成兩個子系統：電路域和分組域。

　　電路域基于電路交換網絡，鏈路需要建立和釋放，通信過程中鏈路獨占的方式保證了電路域的通信質量。電路域的設備中包括MSC/VLR和GMSC等。分組域基于分組交換網絡，信令和數據都是以數據包形式在分組網中傳輸，更加有效地利用了網絡資源，因而可以提供更加高速的傳輸速度。考慮到通信的可靠性，在數據通信前，需要建立端到端的隧道，從而保證了服務質量。分組域的主要設備是SGSN和GGSN。

　　電路域和分組域共用一些設備，負責提供用戶管理和網絡設備管理。這類設備有：HLR、AUC和智能網設備（SCP）等。另外，還有一些業務支撐設備同時提供了與電路域和分組域的接口，如短消息中心（SMSC）。

三、WCDMA R4/R5的系統結構

　　就無線接入網絡而言，UTRAN、BSS或基于GSM演進的EDGE無線接入網（GERAN）可以分別通過Iu接口（包括Iu_CS和Iu_CS）和A/Gb接口接入WCDMA R4/R5核心網。這使得那些兼有2G和3G無線接入網的運營者只需建設和運營一個核心網就能支持所有2G和3G業務。而對于那些未獲3G許可證的2G運營者來說，也可以通過在原GSM基站子系統BSS中引入EDGE以及將核心網演進成R4/R5核心網絡而向用戶提供新的業務和性能。

　　上述Iu接口和A/Gb接口可以基于現有規范，也可演進成基于IP傳輸模式。

　　R4/R5核心網仍然劃分成兩個基本域：電路域和分組域。在此基礎上，設立了IP多媒體（IM）子系統和業務子系統。

　　1．電路域

　　電路域用來提供話音等電路型業務，可以由R99的電路域平臺演進而來。它包括三種邏輯實體：媒體網關（MGW）、MSC服務器/GMSC服務器和傳送信令網關（T-SGW）。

　　R4/R5的電路域與R99的電路域平臺的根本區別在于，引入了承載與呼叫控制分離的概念，即將原來的MSC交換機概念從邏輯上劃分成MGW和MSC服務器。MGW負責為用戶數據提供傳送手段；MSC服務器負責提供原MSC中的呼叫控制、移動性管理等功能。從邏輯上分離之后，MGW與MSC服務器將不一定存在具體的對應關系，這就可能使傳送資源的調配變得更靈活高效。從設備的物理實現上看，MGW和MSC服務器可以是一體化的實體，也可以是分立的實體。

　　R4/R5電路域可以承載在不同的網絡媒質之上，基于ATM網絡或者基于IP的網絡。MGW負責在不同的承載網絡上管理傳輸資源。為了準確及時地傳輸信令，在基于IP的網絡上，MSC服務器需要建立相互的隧道，以保證信令傳輸的可靠性。

　　2．分組域

　　R4/R5分組域中的功能實體SGSN和GGSN與R99規范沒有本質差別。

　　3．IM子系統

　　IM子系統是R5系統中新增加的功能模塊，負責在分組域連接的基礎上為基于IP的多媒體業務(如VoIP、會議電視業務等)提供相關控制機制。該系統主要功能實體包括：呼叫狀態控制功能（CSCF）、媒體網關控制功能（MGCF）、媒體資源功能（MRF）。

　　4．業務子系統

　　業務子系統用于提供運營者所定義的一系列業務，它主要是基于現有的CAMEL智能網平臺演進而成，涉及VHE/OSA、CAMEL、SAT等多方面。該系統主要功能實體包括業務控制點（SCP）等。

四、WCDMA R4/R5新增設備和功能

　　1．MSC服務器（MSC Server）

　　MSC Server主要包含GSM/UMTS MSC中的呼叫控制和移動控制部分。它負責對由移動發起和移動終結的電路域的呼叫控制，接收用戶/網絡信令，并將它轉化為網絡/網絡信令。此外它還保存移動用戶的業務數據和與CAMEL有關的數據，通過接口管理MGW中媒體通道的連接控制呼叫狀態。

　　2．網關MSC服務器（GMSC Server）

　　GMSC Server主要包含GSM/UMTS的GMSC中的呼叫控制和移動控制部分。

　　3．媒體網關功能(MGW)

　　對一個特定網絡而言，MGW是PSTN/PLMN網絡的傳輸終結點，通過Iu與UTRAN連接。MGW可以接收來自電路交換網的承載通道，也可以接收來自于分組網絡的媒體流。在Iu接口上，MGW可以支持媒體轉換、承載控制以及凈荷處理，可以支持CS業務的不同的Iu接口類型（基于AAL2/ATM或基于RTP/UDP/IP）。

　　4．漫游信令網關功能(R-SGW)

　　R-SGW位于GSM/GPRS與R4/R5的電路域和分組域之間，實現漫游信令網關的功能。為了保證正確的漫游，R-SGW在傳輸層對基于傳統的SS7信令和基于IP的信令進行信令轉換。

　　當雙模終端從R4/R5電路域漫游到GSM/GPRS電路域時，GSM/GPRS MSC或GMSC通過R-SGW可以與R4/R5的HSS互通，傳輸E和G接口上位置更新、索取漫游號碼等信令。反之，終端從GSM/GPRS電路域漫游到R4/R5電路域時，R4/R5 MSC服務器或CSCF通過R-SGW的信令轉換，可以和GSM/GPRS HLR信令互通。

　　5．呼叫狀態控制功能(CSCF)

　　IM子系統包括三種不同的呼叫狀態控制功能：查詢CSCF(I-CSCF)、代理CSCF(P-CSCF)、服務CSCF(S-CSCF)。

　　P-CSCF是UE聯系IMS的第一步。它將在UE收到SIP消息前，轉給一個位于歸屬網絡的SIP服務器，反之亦然。根據網絡運營商設定的一套規則(如地址分析和可能的修改)，P-CSCF也可以修改一個發出的請求。I-CSCF的功能是提供到歸屬網絡的入口，將歸屬網絡的拓撲圖對其它網絡隱藏起來，并可以靈活選擇S-CSCF。S-CSCF完成UE的會話控制功能，其中包括將始發的會話路由到外部網絡，將終結的會話路由到訪問的網絡。一個呼入的SIP會話請求處理業務時，S-CSCF決定是否需要一個應用服務器接受相關信息。這個決定基于從HSS或其它來源(如應用服務器)收到的信息。所有的CSCF功能可以生成和輸出呼叫的詳細記錄用于計費處理。

　　6．歸屬用戶服務器(HSS)

　　HSS是由歸屬位置寄存器(HLR)和鑒權中心(AUC)演進而來的，是一個給定用戶的主數據庫。它是一個包含登記信息的實體，用于支持網絡實體處理呼叫/會話。它也支持用戶認證和授權功能(AAA)，通過認證、授權、名稱/地址解析等服務，HSS幫助呼叫控制服務器完成選路/漫游功能。

　　HSS負責保存下列與用戶相關的信息：(1)用戶標識、編號及地址信息；(2)用戶安全信息，用于認證和授權所需的網絡接入控制信息；(3)在系統間級別上的用戶位置信息，即HSS處理用戶注冊，同時存儲系統間的位置信息等；(4)用戶的概要信息。

　　基于以上信息，HSS還可以對不同控制系統（電路域控制、PS域控制、IP多媒體控制等）的實體提供支持。　　7．媒體網關控制功能(MGCF)

　　對一個特定網絡而言，MGCF是PSTN/PLMN網絡的終結點。它具有以下功能：(1)呼叫狀態的控制，即對與MGW中的媒體信道連接有關的部分進行控制；(2)與CSCF進行通信；(3)對于來自傳統網絡的呼叫，MGCF依據它們的路由號選擇相應的CSCF；(4)實現傳統網絡呼叫控制協議(如ISUP R1/R2)和R4/R5網絡呼叫控制協議之間的轉換；(5)MGCF可以接收帶外信息，然后將它發送給CSCF/MGW。

　　8．多媒體資源功能(MRF)

　　MRF實現的功能為：(1)提供多方呼叫和多媒體會議功能，它與H.323網絡中的多點控制單元(MCU)的功能相同；(2)在多方/多媒體會議中，與GGSN和MGW共同負責承載業務控制；(3)可以與CSCF進行通信，對多方/多媒體會話進行業務認證。

　　9．傳輸信令網關功能(T-SGW)

　　T-SGW是R4/R5網絡中PSTN/PLMN網絡的終結點。它包括下列功能：(1)在IP層上對T-SGW來自PSTN/PLMN與呼叫有關的信令進行映射，然后將它發送給MGCF，或者接收來自于MGCF的與呼叫有關的信令，然后在IP層上對其進行映射，再將它發送給PSTN/PLMN；(2)提供PSTN/PLMN與IP傳輸層之間的地址映射。

六、現狀和前景

　　WCDMA是全球3G主導標準，迄今為止，全球已發放了112個WCDMA牌照，占ITU 3G核心頻段(2.1GHz)上所有牌照的95%以上。WCDMA的商用服務已經在日本、歐洲等地展開。中國作為移動通信大國，3G的進展有必要與國際保持同步。國內3G牌照的發放政策雖然還未明確，3G試驗早在進行，國內幾大電信商都有試驗網。信息產業部組織的WCDMA實驗也已經進行到第二階段，測試采用的都是商用版軟件和商用手機。第二階段不僅測試設備的功能，還要檢驗設備商用程度。

　　 WCDMA的成本不比第二代系統高，卻提供更高質量的話音，單位數據業務成本卻降低了，并能更好地提供音頻、視頻等豐富多彩的多媒體業務。運營商選擇WCDMA，可以從網絡建設、終端提供以及應用開發各個方面的規模上獲得規模經濟效益。WCDMA能夠提供更高的網絡質量，更低的建網成本，還提供更有效的話音和數據的業務承載。由于WCDMA具有開放性，在服務和開發方面也具有優勢，它能夠通過規模經濟給運營商帶來真正的收益。

----《通信世界》