從GPRS到UMTS的演進

2019-11-03 09:37:37

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供稿：網(wǎng)友

楊筱凡　蔡斌　黃載祿　　摘要：本文分析了從2.5G　GPRS技術(shù)到UMTS過渡的背景、過程和策略，討論了如何在演進網(wǎng)絡中提供高質(zhì)量的多媒體數(shù)據(jù)服務，并介紹了演進過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)。

　　1　引言

　　隨著移動通信業(yè)務的迅猛發(fā)展，移動數(shù)據(jù)和多媒體通信的應用將越來越廣泛，在不久的將來，甚至將超過傳統(tǒng)的話音成為移動通信承載的主要業(yè)務。而傳統(tǒng)的第二代GSM移動通信網(wǎng)絡已無法適應這種新的發(fā)展趨勢，為此，GSM將逐步過渡到以WCDMA為核心技術(shù)的第三代移動通信系統(tǒng)（UMTS）。今天，處于2.5G的GPRS技術(shù)已日漸成熟，是2G向3G過渡的重要環(huán)節(jié)。本文主要討論如何在GPRS網(wǎng)絡引入UMTS，使演進的網(wǎng)絡利用日臻完善的ip網(wǎng)來傳送語音和多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務。

　　2　UMTS網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)

　　UMTS可分為無線接入網(wǎng)UTRAN(UMTS terrestrial radio access network)和核心網(wǎng)CN（core network）兩部分，二者通過Iu接口連接。

　　UMTS地面無線接口采用完全不同于目前GSM無線接口的WCDMA技術(shù)，使用新的頻段、新的無線傳輸技術(shù)和話音編碼形式，可提供高達2M的帶寬。

　　UMTS核心網(wǎng)是在GSM/GPRS基礎(chǔ)上發(fā)展起來的全IP骨干網(wǎng)。從邏輯上可分為電路交換域（CS）和分組交換域（PS）。CS域是UMTS的電路交換核心網(wǎng)，用于支持電路數(shù)據(jù)業(yè)務；PS域是UMTS的分組業(yè)務核心網(wǎng)，用于支持分組數(shù)據(jù)業(yè)務（GPRS）和一些多媒體業(yè)務。在UMTS中，信令控制和數(shù)據(jù)傳輸是分離的。

　　3　GPRS網(wǎng)絡簡述

　　GPRS是GSM是分組交換領(lǐng)域的延伸，通過在GSM網(wǎng)絡上增加網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點GGSN和服務支持節(jié)點SGSN提供分組無線服務能力，為用戶提供100kbps以上的數(shù)據(jù)速率，是GSM向第三代移動通信系統(tǒng)平滑過渡的一個重要環(huán)節(jié)。　　GPRS基站子系統(tǒng)采用與GSM同樣的無線調(diào)制標準、帶寬、跳頻規(guī)則和TDMA幀結(jié)構(gòu)。而核心網(wǎng)部分采用IP網(wǎng)構(gòu)架。GPRS核心網(wǎng)對GSM對3G的前向兼容性能夠充分保護運營和移動用戶的利益。

　　4　從GPRS到UMTS的演進過程

　　4.1無線接入部分的革命

　　UMTS無線接入將用全新的UTRAN（UMTS地面無線接入網(wǎng)）取代現(xiàn)有的GSM/GPRS無線接口，即在一個全新的頻段上用更高頻譜效率的技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡。UTRAN基本的功能實體是B節(jié)點（相當于GSM的BTS）和無線網(wǎng)絡控制器RNC（相當于GSM的BSC）。RNC和CN和B節(jié)點分別通過Iu和Iub接口連接，不同RNC由Iur接口（在GSM沒有對應功能）相連。Iur的出現(xiàn)有其特定于移動性的原因，涉及到軟交換和位置更新，在此不作詳細表述。RNC內(nèi)部、Iub、Iu接口采用ATM交換、傳輸。

　　由于為3G無線接入做重新部署需耗費的巨大投資和時間，同時為了使現(xiàn)有的網(wǎng)絡資源得到最大限度的利用，比較經(jīng)濟可靠的方法是使GPRS核心網(wǎng)同時支持GPRS和UMTS兩種接入方式，在數(shù)據(jù)業(yè)務繁忙地區(qū)首先引入UTRAN，業(yè)務量少的地方仍然維持GPRS基站子系統(tǒng)。

　　4.2　核心網(wǎng)的演進

　　（1）核心網(wǎng)演進的兩種策略

　　GPRS在一定程度上實現(xiàn)了移動IP業(yè)務，但在GPRS網(wǎng)絡中，話音和分組數(shù)據(jù)業(yè)務分別對應于不同的網(wǎng)絡處理節(jié)點MSC和GSN，實行話音業(yè)務和數(shù)據(jù)業(yè)務分開交換：話音經(jīng)由MSC由傳統(tǒng)的PSTN網(wǎng)處理，而數(shù)據(jù)則由SGSN進入分組傳輸網(wǎng)，以IP的方式傳送。GPRS核心網(wǎng)將隨著第三代系統(tǒng)的引入逐步過渡到以IP為主的骨干網(wǎng)。這個全IP網(wǎng)在提供寬帶分組數(shù)據(jù)業(yè)務的同時，以VoIP方式提供語音業(yè)務，IP成為語音、數(shù)據(jù)、信令的統(tǒng)一載體。

　　GPRS網(wǎng)絡的信令控制和傳輸不實行分離，而UMTS的網(wǎng)絡實體功能在邏輯上可按層次分離，它在IP網(wǎng)上通過構(gòu)建邏輯獨立的信令處理服務器和業(yè)務應用服務器用于處理控制信令和業(yè)務，實現(xiàn)所謂的“業(yè)務/控制/交換”的邏輯分離。

　　從GPRS核心網(wǎng)演進到第三代UMTS核心網(wǎng)，有兩種策略，即孤島策略和重疊策略。

　　孤島策略關(guān)注演進網(wǎng)絡和原有網(wǎng)絡的兼容，在升級GPRS核心網(wǎng)的基礎(chǔ)上，對GPRS/GSM和UMTS使用相同的交換（MSC）和選路（GSN）機制。

　　孤島策略體系結(jié)構(gòu)UTRAN從Iu接口接入核心網(wǎng)，GPRS接入網(wǎng)通過Gb接口接入核心網(wǎng)。GPRS網(wǎng)絡中的MSC必須增加與UTRAN的Iu接口，同時GSN節(jié)點應增加UMTS網(wǎng)絡協(xié)議的處理能力，在與原有的GPRS　BSS無線接入兼容前提下，實現(xiàn)UTRAN接入。

　　這種方案的優(yōu)點是GPRS網(wǎng)絡的操作維護功能（O&M）、服務傳輸機制、交換站點和系統(tǒng)平臺等資源可得到良好的繼承，兼容懷和經(jīng)濟性較好。然而它也存在一定的問題：在將新的WCDMA接入技術(shù)融合到現(xiàn)有的服務提供網(wǎng)絡的同時，網(wǎng)絡容量、性能和網(wǎng)絡業(yè)務增長是否能維持良好的狀態(tài)尚無法估計。

　　重疊法通過現(xiàn)有GPRS核心網(wǎng)之上疊加新的UMTS核心網(wǎng)節(jié)點設備來支持UMTS業(yè)務。新增的UMTS的無線部分采用不同于GPRS無線部分的交換（MSC）和選路（GSN）機制。新增核心網(wǎng)節(jié)點設備使用多媒體數(shù)據(jù)和語音一體化平臺，這樣不但可提高資源利用率，簡化維護管理，還便于向全IP網(wǎng)結(jié)構(gòu)過渡。這樣，UMTS成分的引入成為與原GPRS平行的相對獨立的分支，避免了二者融合過程中可能出現(xiàn)的某些問題。為了支持新的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，3G MSC還應具有2.5G MSC相似的服務傳輸機制、O&M以及站點/平臺網(wǎng)絡容量。

　　重疊策略的優(yōu)勢在于3G經(jīng)營者能擺脫GPRS網(wǎng)絡的束縛，充分發(fā)展UMTS的特性優(yōu)勢。另外UTRAN的Iu接口的開放性質(zhì)使運營商既可選擇單個網(wǎng)絡供應商承包接入服務，也可根據(jù)實際需要來選擇不同的接入網(wǎng)/核心網(wǎng)提供者，自由的更換3G接入的提供商。但是新的UMTS核心網(wǎng)節(jié)點設備在系統(tǒng)中的引入需要大量的資金投入。

　　（2）演進網(wǎng)絡的需求和相應的技術(shù)改進

　　隨著WCDMA被逐步引入GPRS移動通信網(wǎng)絡和演進網(wǎng)絡的不斷成熟，如何提高服務性能，降低成本成為運營商關(guān)注的目標。

　　*交換部分的功能分離

　　在電路交換域，采用H.248/Megaco分布式結(jié)構(gòu)概念對網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。靈活的分布式處理可以將交換/選路功能從控制中分離出來，演進網(wǎng)絡將現(xiàn)有GPRS的交換機制分裂成媒體網(wǎng)關(guān)（MGW）和媒體網(wǎng)關(guān)控制（MGCF）。MGW負責交換、譯碼和用戶平面數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋鳰GCF負責交換和服務的控制，二者之間通過H.248/Megaco互連。這使得運營商可在不影響數(shù)據(jù)傳輸平面的狀態(tài)下改進和升級其網(wǎng)絡的服務傳送和控制部分。

　　在現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡中，MSC是GPRS/GSM系統(tǒng)與ISDN/PSTN網(wǎng)絡的互連點，電路交換部分仍由MSC來處理。在3G移動通信系統(tǒng)，MSC被分成MSC服務順（MSC Server）和MGW（media gateway）。增強后的MSC為話音和電路交換數(shù)據(jù)通信提供交換、譯碼功能；支持切換和SRNS重分配時的路由變化；為電路交換業(yè)務增加和刪除多徑路由。網(wǎng)絡的一個MSC服務器可以同時不同MGW交互。MSC服務器處理所有特定于移動的呼叫、服務和移動性管理，它使用H.248/Megaco與MGW通信，傳達電路交換信息。

　　*服務質(zhì)量（QOS）的保證

　　從分組交換的角度看，GPRS過渡到UMTS的一個關(guān)鍵是如何更好的支持實時通信。演進的分組網(wǎng)絡組件應能提供不同等級的QOS服務，以便為會話流和基于IP的交互式通信提供高質(zhì)量的支持。隨著技術(shù)不斷成熟，將來用戶在漫游通話過程中也能享有QOS的穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)服務。在擁有一套可靠的QOS服務機制之后，進一步在演進的GPRS中引入話音和基于IP的多媒體機制，從而使現(xiàn)存的分組、電路交換共存的網(wǎng)絡構(gòu)架可順利向全IP的架構(gòu)演進。

　　隨著QOS在分組交換領(lǐng)域的實現(xiàn)，只要增加呼叫服務器和網(wǎng)關(guān)，移動VoIP用戶就可接入傳統(tǒng)電話網(wǎng)且能保證其話音質(zhì)量。

　　*為話音和數(shù)據(jù)業(yè)務提供統(tǒng)一的IP傳輸

　　在分組交換域采用VoIP/基于IP的多媒體傳輸技術(shù)將提高傳輸效率。GPRS系統(tǒng)由于受到無線技術(shù)的限制，話音和數(shù)據(jù)是分開處理的。話音業(yè)務和電路型數(shù)據(jù)業(yè)務通過A接口進入MSC，由MSC交付傳統(tǒng)電話網(wǎng)處理；分組型數(shù)據(jù)業(yè)務通過Gb接口從SGSN進入包交換域。SIP、TIPHON等技術(shù)的出現(xiàn)使運營商擺脫傳統(tǒng)TDM技術(shù)64kbit/s的帶寬限制，用IP網(wǎng)傳輸話音和多媒體數(shù)據(jù)。這樣UMTS能提供更多特定于運營商的服務，而這些服務都充分利用了現(xiàn)有的基于IP網(wǎng)絡的多媒體技術(shù)。

　　在3GPP中，VoIP和基于IP網(wǎng)絡的多媒體服務被稱為IM服務，支持它的相關(guān)網(wǎng)絡元素即IM核心網(wǎng)（IMCN）子系統(tǒng)，包括媒體網(wǎng)關(guān)MGW和呼叫服務器CSCF。CSCF作為呼叫服務器處理呼叫信令，MGCF和MGW提供接入傳統(tǒng)電信網(wǎng)的連接。CSCF還提供和其它支持IM的網(wǎng)絡的互聯(lián)。IM核心網(wǎng)子系統(tǒng)的發(fā)展為運營者和服務支持者帶來實惠：提供接入無關(guān)的設備，降低了網(wǎng)絡/設備的管理維護和研發(fā)的費用。

　　（3）IP多媒體子系統(tǒng)的演進

　　為了支持用戶的移動特性，使用戶能在不同的網(wǎng)絡間漫游并接入服務。一些網(wǎng)絡實體在功能和分布上有新的改進。

　　*HLR

　　為了適應IM的新性質(zhì)，HLR增強為HSS歸屬用戶服務器（Home subscriber server），增加IM相關(guān)特性的用戶數(shù)據(jù)存儲。同時為了服務其它非GPRS的IP網(wǎng)用戶，HSS也被要求具有接入無關(guān)性。接入無關(guān)性使運營者可從非UMTS各種網(wǎng)絡（無線或有線）接入IM網(wǎng)，使IM網(wǎng)的優(yōu)越特性得到充分的利用。

　　*CSCF

　　CSCF按功能的不同有三種類型：

　　1）S-CSCF（serving CSCF）：

　　主要提供業(yè)務控制功能，是應用層和服務層之間的交互點。它接受本地或漫游用戶注冊，臨時保存從HLR下載的相關(guān)用戶數(shù)據(jù)。位于歸屬網(wǎng)絡也可位于拜訪網(wǎng)絡。它保證用戶在被訪問的網(wǎng)絡中獲得與原籍地系統(tǒng)中相同的服務，提供業(yè)務的連續(xù)性。

　　2）I-CSCF（interrogating -CSCF）

　　所有指向網(wǎng)絡內(nèi)某一移動臺（可以是本網(wǎng)絡用戶也可以是漫游在此地的用戶）連接的連接點。在SIP注冊過程中，I-CSCF通過詢問HSS得到為此用戶分配的S-CSCF地址。在會話管理過程中，I-CSCF在S-CSCF和P-CSCF間傳遞SIP信令，同時它還可為P-CSCF/S-CSCF提供安全驗證功能。

　　3）P-CSCF（proxy CSCF）

　　移動臺和S-CSCF之間的信令橋梁，有翻譯功能，是用戶在IM CN的入口點。移動臺可通過DHCP協(xié)議獲得一個P-CSCF地址，而后移動臺的所有基于SIP的主令都由P-CSCF轉(zhuǎn)發(fā)給S-CSCF。某些特殊情況下P-CSCF還可用作用戶代理，主動發(fā)起SIP事務處理。

　　*MGW

　　和在電路交換域相似，MGW主要提供與傳統(tǒng)電信網(wǎng)間的譯碼及互聯(lián)。但在IM特性下，MGW不再配合MSC服務器進行復雜的切換和SRNS更新，而由GPRS子網(wǎng)元素（GSN）處理核心網(wǎng)移動性相關(guān)的過程。另外，媒體資源功能MSF執(zhí)行多方通話和多媒體會議電話等IM特性功能。

　　*MGCF

　　提供特定于IP的會話信令與傳統(tǒng)網(wǎng)絡間的信令轉(zhuǎn)換以及地址影射。

　　對于IM核心網(wǎng)子系統(tǒng)而言，多媒體業(yè)務處理協(xié)議采用IETF的SIP協(xié)議，因為SIP處理語音和多媒體業(yè)務比較靈活，在今后的發(fā)展過程中更適應與移動相關(guān)的發(fā)展。

　　在IP協(xié)議的版本使用上，應注意IPV4和IPV6的兼容問題。

　　4.3UMTS和GPRS/GSM網(wǎng)絡間的漫游

　　隨著GPRS逐漸向UMTS過渡，雖然IM用戶和相應服務呈增長趨勢，但傳統(tǒng)終端和MSC提供支持的純語音業(yè)務在一段時間內(nèi)還會存在，為了移動用戶在享有3G多媒體通信服務的時候，仍享有在國內(nèi)和國際漫游的權(quán)利和利益，運營商要提供用戶GPRS和UMTS之間的漫游和切換機制，提供用戶在UMTS和與其并存的GPRS/GSM網(wǎng)絡間無縫漫游的服務。在過渡過程中，用戶在UMTS網(wǎng)絡能享有高速數(shù)據(jù)服務，漫游到GPRS網(wǎng)絡后，依然能享受普通話音和低速據(jù)服務。

　　5　結(jié)束語

　　本文介紹了從GPRS網(wǎng)絡過渡到第三代移動通信網(wǎng)UMTS的演進過程和策略，分析了過渡過程中出現(xiàn)的新技術(shù)、新思路，介紹了多媒體IP網(wǎng)IM的結(jié)構(gòu)特性。隨著技術(shù)的不斷進步，未來的移動通信在為人們提供傳統(tǒng)的通信業(yè)務的同時，還將提供更豐富、更快速的服務。無線通信技術(shù)和IP技術(shù)在融合的過程將會有更具吸收力的應用前景。

摘自《移動通信》2001.10

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