【网络通信】华为培训第3章WCDMA系统结构.docx
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1、第3章 WCDMA系统结构3.1 概述UMTSUniversal 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,CN。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
2、, 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UTRANUMTS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那么采用了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。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
3、以看出,UMTS系统的网络单元包括如下局部:1. UE User EquipmentUE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包括两局部:l METhe Mobile Equipment,提供给用和效劳l USIMThe UMTS Subscriber Module,提供用户身份识别2. UTRANUMTS Terrestrial Radio Access Network,UMTSUTRAN,即陆地无线接入网,分为基站Node B和无线网络
4、控制器RNC两局部。l Node BNode 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。l RNCRadio Network ControllerRNC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) 执行系统信息播送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. CNCore Network
5、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根本一样。R99版本核心网的主要功能实体如下:(1) MSC/VLRMSC/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
6、,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) GMSCGMSC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) SGSNSGSN效劳GPRS支持节点是WCDMA核心网PS域功能节点,它通过Iu-PS接口与UT
7、RAN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) GGSNGGSN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,
8、GGSN需要提供UE接入外局部组网络的关口功能,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) HLRHLR归属位置存放器是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的根本结构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C
9、N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那么完成Iub接口和Uu接口之间的数据流的转换,同时也参与一局部无线资源管理。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系统的固定网络局部,可以说Uu接口是UM
10、TS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。比方在不同的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UTR
11、AN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各接口的根本协议结构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。设计的原那么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局部而无需改变其他局部,如图3-4所示。图3-4 UTRAN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
12、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
13、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
14、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遵循以下原那么:(1) 信令面与数据面的别离;(2) UTRAN/CN功能与传输层的别离, 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l 准入控制l 拥塞控制l 系统信息播送(2) 和平安与私有性有关的功能l 无线信道加密/解密l 消息完整性保护(3) 和移动性有关的功能l 切换l SRNS迁移(4) 和无线资源管理和控制有关的功能l 无
15、线资源配置和操作l 无线环境勘测l 宏分集控制FDDl 无线承载连接建立和释放RB控制l 无线承载的分配和回收l 动态信道分配DCATDDl 无线协议功能l RF功率控制l 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 RNCRadio Network ControllerRNC,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以及播送域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
16、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RNCCRNC,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:l 效劳RNSSRNS: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,开环功率控制等根本的无线资源管理都是由SRNS中的SRNC效劳RNC来完成的。一个与UTRAN相连的UE有且只能有一个SRNC。l 漂移RNSDRNS:除了SRNS以外,UE所用到的RNS
17、称为DRNS。其对应的RNC那么是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 NodeBNode 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 核心网络根本结构核心网CN从逻辑上可划分为 电路域CS域、分组域PS域和播送域BC域。CS域设备是指
18、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 中。目前具有三个版本,分别为:l R99 3GPP TS 23.002 l R4 3GPP TS 23.002 l R5 3GPP TS 23.002 & 说明: R表示Release。3GPP在98年底99年初开始制定3G的标准。R99版本原方案在1999年底完成,最后是在2000年3月完成。R99后
19、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。原那么上R99的标准是R4标准集的一个子集,假设在R99中增加新的特征,就把它升级到R4。同样R4标准集是R5标准集的子集,假设在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标准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
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