3G网络结构和协议.docx
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3G网络结构和协议
3.3G网络和协议
3.1.3G网络
UMTS网络是第三代移动通信的主流体系，它分为R99、R4、R5/R6四个阶段，下面主要介绍相对成熟的R99和R4版本的UMTS网络体系
3.1.1.UMTSR99版本网络体系
UMTSR99版本和GSM的区别在于接入网部分，核心网的结构仍以演进的GSM核心网为基础。
UMTSR99版本在GSM的基础上引入了全新的5MHz每载频的宽带码分多址接入网，采纳了功率控制、软切换及更软切换等CDMA关键技术，基站只做基带处理和扩频，接入系统智能集中于RNC统一管理，引入了适于分组数据传输的协议和机制，数据速率可支持144Kbit/s、384Kbit/s，理论上可达2Mbit/s新的WCDMA无线接口技术。
基站和RNC之间采用基于ATM的Iub接口，RNC分别通过基于ATMAAL2的Iu-CS和AAL5的Iu-PS分别与核心网的CS域和PS域相连。
3.1.2.UMTSR99版本新增网络节点及其功能
3.1.2.1.RNC
RNC无线网络控制器主要负责无线资源的管理。
一面它通过Iu接口同电路域和分组域核心网相连；一面它负责管理和控制NodeB，并负责空中接口与UE之间的L1以上的协议处理。
在无线接入网络中，它处于承上启下的关键地位。
在逻辑上，它和GSM中的BSC相对应。
RNC的主要担任CRNC、SRNC、DRNC三种角色。
RNC的实现以下功能：
●主要支持对WCDMANodeB的控制和管理。
●支持包括Iu承载、Iub承载、Iur承载、无线承载等在内的无线接入资源的管理和分配。
●支持包括软切换、硬切换、与GSM/GPRS的系统间切换、小区更新、URA更新、寻呼等各种移动性管理工作，其中包括支持通过Iur接口的宏分集功能。
●支持各种电路域和分组数据业务数据传输。
●支持对控制信令的完整性检查以及对用户数据的加密和解密等安全性功能。
●支持对UE的接入控制、负载过载的拥塞控制等系统接入功能。
●支持广播域广播信息业务。
UMTSR99版本网络体系
3.1.2.2.NodeB
UMTS中NodeB的主要功能是基带处理和扩频，接入系统的智能性统一集中在RNC进行处理。
NodeB的功能有：
●空中接口发送/接收
●调制/解调
●CDMA物理通道编码
●微分集
●差错处理
●闭环功率控制
3.1.1.UMTSR4版本网络体系
UMTSR4版本是在R99版本上引入了软交换的概念。
将核心网电路域内（G）MSC实体用（G）MSCServer和MGW来取代，网络采用开放式结构，实现了呼叫控制和承载分离。
MSCServer完成呼叫相关的功能，MGW完成媒体转换以及用户业务的传递；语音分组化，UTRAN与核心网话音承载方式均由分组方式完成，实现了统计复用功能，达到网络带宽动态分配；由于优化了话音编解码转换器，改善了WCDMA系统网络内部话音分组包的时延，提高了话音质量，编解码转换有可能只需在与PSTN的公网网关上实现，同时提高了核心网传输资源的利用率。
支持SS7信令在两个功能实体间通过不同的网络方式传输，包括MTP、ATM、IP网络来传输。
在无线接入网部分，网络结构没有变动，增加的只是一些接口协议的增强功能和特性，主要特性包括低码片速率TDD、UTRAFDD直放站、TDDNodeB同步、对Iub和Iur上的AAL2连接的QoS优化、Iu上RAB（无线接入承载）的QoS协商、Iur和Iub的RRM（无线资源管理）的优化、Iub、Iur和Iu上的传输承载的修改过程、WCDMA1800/1900和在软切换中的DSCH功率控制的改进。
3.1.2.UMTSR4版本新增网络节点及功能
3.1.2.1.MSCServer/VLR
MSCServer/VLR作为WCDMA核心网电路域业务处理中心，它的主要工作是完成WCDMA所有电路域的业务处理，主要包含GSM/UMTSMSC中的呼叫控制和移动控制部分，它负责对由移动发起和移动终结的电路域的呼叫控制，接收用户/网络信令，并将它转化为网络/网络信令。
此外它还保存移动用户的业务数据和与CAMEL有关的数据，对应于MGW，它是电路域业务处理的控制面。
MSCServer还保存移动用户的业务数据和与CAMEL有关的数据。
MSCServer/VLR功能有：
●用户移动性管理：
包括位置更新、切换/重定位功能等；
●WCDMA电路域业务处理：
包括语音业务、短消息、电路型数据业务等；
●MGW资源控制和管理：
主要为电路型业务分配资源；
●进行用户跟踪；
●计费管理；
●作为互通MSC（IWMSC），它提供短消息中心的接口，支持短消息向短消息中心提交；
●作为汇接MSC（TMSC）：
MSC具有转接呼叫的功能；
●用户信息管理：
存储当前控制区域中活动用户动态信息（例如位置信息等）和签约信息；
UMTSR4版本网络体系
3.1.2.2.MGW
MGW连接PSTN/PLMN和UTRAN，是PSTN/PLMN网络的传输终结点，通过Iu－CS与UTRAN连接。
MGW可以接收来自电路交换网的承载通道，也可以接收来自于分组网络的媒体流，是电路域业务处理的传输承载处理中心，为UMTS提供必要的传输资源。
在Iu接口上，MGW可以支持媒体转换、承载控制以及净荷处理，可以支持CS业务的不同的Iu接口类型（基于AAL2/ATM或基于RTP/UDP/IP）。
MGW处于用户平面。
MGW功能如下：
●完全依从H.248协议要求，可以通过该协议控制管理MGW资源；
●支持RNC、BSC的接入（用户面）；
●支持各种媒体流的传输；
●完成各种媒体流之间的格式转换，如IP->PCM，PCM->IP等转换；
●支持用户面数据传输和用户面相关协议处理，包括UP面协议处理、语音编解码等处理；
●支持DTMF、TONE等资源的处理；
●支持回声抑制功能。
3.2.3G接口
WCDMA网络具有以下主要接口：
●Uu接口：
UE与NodeB之间的接口
●Iub接口：
NodeB与RNC之间的接口
●Iur接口：
RNC与RNC之间的接口
●Iu－CS接口：
RNC与MSC之间的接口
●Iu－PS接口：
RNC与SGSN之间的接口
●B接口：
MSC（Server）与VLR之间的接口
●C接口：
MSC（Server）与HLR之间的接口
●D接口：
GMSC（server）与HLR之间的接口
●E接口：
MSC与MSC之间的接口
●Gc接口：
GGSN与HLR之间的接口
●Gi接口：
GGSN与外部数据网之间的接口
●Gn接口：
SGSN与GGSN之间的接口
●Gr接口：
SGSN与HLR之间的接口
●Gs接口：
SGSN与MSC/VLR之间的接口
●Nc接口：
MSC（Server）与GMSC（Server）之间的接口
●Nb接口：
MGW与MGW之间的接口
●Mc接口：
MSC（Server）与MGW之间的接口
下面主要介绍WCDMA与GSM相比新增加的接口。
3.2.1.Iub接口
Iub接口介于NodeB和RNC之间，主要功能有：
●管理Iub传输资源：
AAL2连接；
●NodeB的管理与维护：
包括Iub链路管理、小区配置管理、无线网络测量、资源事件管理、一般的传输通道管理、无线资源管理、无线网络配置等；
●系统信息管理；
●通用信道话务管理：
接纳控制、数据传输、功率管理等；
●专用信道话务管理：
无线链路管理、无线链路监测、信道分配/释放、数据传输等；
●共享信道话务管理：
信道的分配/拆除、功率管理、传输信道管理、数据传输、无线链路管理、动态物理链路分配；
●定时与同步管理：
传输通道同步、NodeB和RNC节点同步、NodeB之间的同步；
●数据传输：
如DCH、RACH、CPCH、FACH、DSCH、USCH、TCH等信道数据。
3.2.2.Iur接口
Iur介于RNC之间，它的主要功能有：
●传输网络管理；
●通用传输通道话务管理：
传输通道准备、寻呼；
●专用传输通道话务管理：
无线链路建立/增加/删除、测量报告；
●下行共享信道话务管理：
无线链路建立/增加/删除、能力分配；
●测量信息；
●数据传输功能：
包括数据包的组装/分解
●DRNS硬件资源处理、物理信道分配；
●功率控制；
●接纳控制；
3.2.3.Iu接口
Iu接口处于MSC/SGSN和RNC之间，其中MSC（Server）和RNC之间的接口为Iu-CS接口，SGSN和RNC之间的接口称为Iu-PS接口。
Iu接口具有以下功能：
●RAB的建立、维护和释放管理；
●完成系统间、系统内部的切换和SRNS的重定位；
●支持小区广播业务；
●和用户无关的一般的管理过程；
●用户信令管理；
●在用户和CN之间传送NAS信令消息；
●处理用户CS、PS业务；
●支持位置业务；
●支持用户同时接入CN中不同的域；
●安全功能；
3.2.4.Nc接口
本接口功能主要是进行呼叫处理，处于MSCServer和GMSCServer之间；在本接口上，通讯协议采用ISUP或ISUP演变版BICC。
3.2.5.Mc接口
该接口提供（G）MSCServer对MGW控制功能：
包括注册、恢复、资源管理等功能。
接口协议传输层次有三种类型：
（23.205、29.232）
●纯IP传输：
H.248/SCTP/IP；
●纯ATM传输：
H.248/MTP3b/SSCF/SSCOP/AAL5/ATM；
●IP、ATM混合传输：
H.248/M3UA/SCTP/IP；
3.2.6.Nb接口
Nb接口处于MGW之间，负责MGW之间的媒体流传输；Nb接口可以采用ATM传输或IP传输。
3.3.3G协议
3.3.1.UMTS协议互操作体系
UMTS协议在水平上分为物理层、传送网络层、无线网络层、系统网络层，下层为上层提供信令承载和数据承载服务。
各层可以进一步分为控制平面和用户平面、电路域和分组域。
下图为Iu接口协议模型，此图中明确的表达了传送网控制平面和用户平面、无线网络层控制平面和用户平面之间的关系。
Iu－CS接口协议模型
下面分别介绍各层的协议
3.3.2.传送网络层协议
传送网络层的作用是为所有UMTS网元的用户数据和控制数据提供通用传送服务，以及为了提供服务而需要的承载建立服务。
传送网络层涵盖整个UMTS，包括与其他PSTN/PLMN的接口。
在Uu接口，传送网络下层的物理层是WCDMA；在有线部分，传送网下层的物理层可以是多种传输技术，如PDH、SDH等。
3.3.2.1.UTRAN传送网控制平面
传送网控制平面的作用是为了在Iub、Iur、Iu－CS、Nb接口用户平面建立和释放AAL2虚连接。
Iu－PS采用分组传送，不需要建立连接。
3.3.2.1.1.Iu、Iur、Nb接口基于ATM的传送网控制平面协议体系
ALCAP
STC
MTP3b
SSCF-NNI
SSCOP
AAL5
ATM
Physical
3.3.2.1.2.Iub接口基于ATM的传送网控制平面协议体系
ALCAP
STC
SSCF-UNI
SSCOP
AAL5
ATM
Physical
3.3.2.1.3.传送网控制平面新增协议描述
3.3.2.1.3.1.ALCAP协议
ALCAP采用ITU-TQ.2630.1建议的协议，在用户平面为用户数据传送建立和释放AAL2虚连接。
ALCAP向下使用STC提供的服务，可以承载在多种传输类型网络上。
ALCAP信令实体可以分为结功能和协议实体两部分，协议实体又可以进一步分为出协议过程、入协议过程和维护协议过程。
3.3.2.1.3.2.STC
STC在协议体系中所处的位置
STC对上提供以下服务：
●与底层传输媒体的无关性，通过STC转换，上层信令协议可以在SS7、ATM、IP环境中传送
●传递信息的透明性
●服务可用性报告
STC实现以下功能：
●给服务使用者提供数据传递业务的可用性报告
●给服务使用者提供拥塞报告
●连接建立与维护
●给服务使用者提供最大长度指示
●给服务使用者提供CIC控制指示
3.3.2.1.3.3.SSCOP
SSCOP是面向连接的协议，它的基本功能是保证数据可靠传输，具体包括流控、发送帧编序、错误检测和错误恢复，它的主要内部机制是错误恢复时采用选择性重传及相应的流控。
SSCOP位于业务特定的会聚子层（SSCS）内，为SSCF-UNI/NNI提供服务。
SSCOP协议实现的功能：
●次序完整性保证
●选择重传的差错校正
●流控
●向层管理模块报告错误
●保持链路可用
●连接控制
●本地数据恢复
●传递用户数据
●协议错误检测与恢复
●状态报告
3.3.2.2.CN传送网控制平面
3.3.2.2.1.基于SS7的传送网控制平面协议
SCCP
MTP3
MTP2
Physical
STC
MTP3
MTP2
Physical
3.3.2.2.2.基于ATM的传送网控制平面协议
STC
MTP3b
SSCF－NNI
SSCOP
AAL5
ATM
Physical
3.3.2.2.3.基于IPOverATM的传送网控制平面协议
STC
M3UA
SCTP
IP
AAL5
ATM
Physical
3.3.2.2.4.基于IP的传送网控制平面协议
SCTP
IP
Layer2
Physical
3.3.2.2.5.CN传送网控制平面部分协议介绍
3.3.2.2.5.1.M3UA协议
M3UA是SS7MTP3的用户适配层协议,为处于网中的MTP3（在SG上）提供原语通信服务，实现TDMSS7和IP互通。
M3UA实现的功能：
●七号信令信令点编码
●选路功能
●SS7与M3UA的互通
●拥塞管理
●SCTP流映射
3.3.2.2.5.2.SCTP协议
SCTP是IETF提出的一种新的IP传输协议，与UDP和TCP相似，为一些网上应用提供传输层功能。
用于在IP网络上传输PSTN信令消息，即通常所说的SS7overIP。
SCTP提供面向连接的、点到点的可靠传输，也就是确保数据无错、有序的在网络上传输。
在数据传输之前应该在两个关联的SCTP端口之间建立一个连接，且这个连接应该保持到所有数据被全部的成功的传输。
SCTP继承了TCP强大的拥塞控制、数据包丢失发现等功能。
SCTP和TCP最大的区别在于SCTP对多宿（multihoming）和部分有序（partialordering）的支持。
SCTP协议实现的功能：
●SCTP启动和关闭关联
●“流”（stream）内实现用户数据的有序发送
●根据已发现的路径MTU（最大传输单元）大小进行用户数据分片
●选择性确认（SACK）和拥塞控制
●块（chunk）绑定
●包确认
●路径管理
●支持多宿
●防范拒绝服务（DoS）攻击
●支持多种传输模式
3.3.2.3.传送网用户平面协议
传送网用户平面为无线网络层和系统网络层提供信令承载和数据承载。
3.3.2.3.1.基于ATM的传送网用户平面
3.3.2.3.1.1.信令承载
SCCP
MTP3b
SSCF-UNI
SSCOP
AAL5
ATM
Physical
3.3.2.3.1.2.数据承载
AAL2
ATM
Physical
3.3.2.3.2.基于IPOverATM的传送网用户平面
3.3.2.3.2.1.信令承载
SCCP
M3UA
SCTP
IP
AAL5
ATM
Physical
3.3.2.3.2.2.数据承载
GTP-U
UDP
IP
AAL5
ATM
Physical
3.3.2.3.3.基于IP的传送网用户平面
3.3.2.3.3.1.PS域的数据承载
GTP－U
UDP
IP
Layer2
Physical
3.3.2.3.3.2.CS域Nb接口的数据承载
RTP/RTCP
UDP
IP
Layer2
Physical
3.3.3.无线网络层协议
无线网络层涵盖从UE到核心网与UTRAN接口的设备。
3.3.3.1.无线网络层控制平面
无线网络层控制平面协议体系
无线网络层控制平面包含了RANAP、RNSAP、NBAP、RRC协议，下面分别进行描述。
3.3.3.1.1.RANAP协议
RANAP协议是CN和UTRAN之间的信令协议，其主要功能是提供Iu接口的资源控制、为MSC/SGSN中的系统网络层协议提供服务，包括用于整个Iu接口的拥塞控制、故障恢复的基本控制服务和为某个UE专用信令连接的专用控制服务。
RANAP主要的服务是提供RAB的管理，在SRNS重定位情况下，通过传递RAB到SRNS来支持移动性。
RANAP实现的功能有：
●SRNC重定位：
该功能允许把SRNC的功能和相关的Iu资源（RABs和信令连接）从一个RNC重定位到另一个RNC
●全面的RAB管理：
该功能负责建立、修改和释放RABs。
●RAB建立排队：
该功能用于将RABs请求放置到队列中，并指示队列相关的对端实体。
●请求RAB释放：
当全面RAB管理作为核心网的功能时，RNC有能力请求释放RAB。
●释放全部Iu连接资源：
该功能用于明确释放和一个Iu连接相关的所有资源。
●请求释放全部Iu连接资源：
当Iu释放由CN管理时，RNC有能力请求释放相应Iu连接的全部Iu连接资源。
●SRNS场景转发功能：
该功能负责在包转发时的RNC到CN的系统间SRNS场景转发
●控制Iu接口的负荷：
该功能允许调整Iu接口的负荷。
●复位Iu：
该功能用于复位Iu接口。
●发送UE的通用ID（永久非接入层UE识别符）给RNC：
该功能使RNC知道UE的通用ID。
●寻呼用户：
该功能为CN提供寻呼UE的能力。
●控制对UE活动的跟踪：
该功能允许对特定的UE设置跟踪模式，并允许去激活前一个已建立的跟踪。
●在UE和CN间传递NAS信息。
该功能有两个子分类：
◆从UE传递初始信令信息到CN。
该功能透明地传递NAS信息。
作为结果，Iu信令连接被建立。
◆在UE和CN间传递NAS信令信息。
该功能在已经存在的Iu信令连接上透明地传递NAS信令消息。
它也包含了一个不同方式处理信令消息的专有业务。
●控制UTRAN种的安全模式：
该功能用于发送密钥（加密和完整性保护）给UTRAN，设置安全功能的运行模式。
●控制定位报告：
该功能允许CN运行在UTRAN报告UE位置的模式。
●位置报告：
该功能用于从RNC传递实际位置信息给CN。
●数据量报告功能：
该功能负责报告特定的RABs在UTRAN上未成功发送的DL数据量。
●报告常规错误情况：
该功能允许报告在功能专用的错误消息中没有定义的常规错误情况。
●位置相关的数据：
该功能允许CN广播辅助数据从RNC找回译码钥匙（被前转给UE的）或者请求RNC派发专用的辅助数据给UE。
3.3.3.1.2.RNSAP协议
RNSAP是Iur接口无线网络层控制平面协议，负责Iur接口信令交互，并接受来自传送网络层的承载服务。
RNSAP的基本功能可划分为4个模块：
移动性管理模块、专用资源管理模块、公共资源管理模块以及全局过程。
RNSAP负责转发无线和移动控制信令，包括切换所需的测量信息，同步和RNS之间的无线资源控制。
RNSAP另外还中继Iub/IurDCH、DSCH、RACH/CPCH和FACH传输信道数据流。
RNSAP协议有下列功能：
●无线链路管理功能：
允许SRNC管理DRNS内的无线链路
●物理信道重配置功能：
允许DRNC为一条无线链路重新分配物理信道资源
●无线链路监视功能：
允许DRNC向SRNC汇报无线链路的故障和恢复
●压缩模式控制功能：
允许SRNC管理DRNS内压缩模式的使用
●专用资源测量功能：
允许SRNC发起DRNS内专用资源的测量，也允许DRNC汇报测量结果
●下行功率漂移校正功能：
允许SRNC校正一条或者几条无线链路的下行功率，以避免两条无线链路间的功率漂移
●CCCH信令传输功能：
允许SRNC和DRNC在一个由DRNS控制的CCCH上传递空中接口信息
●寻呼功能：
允许SRNC寻呼DRNS内的UE
●公共传输信道资源管理功能：
允许SRNC管理DRNS内的公共传输信道资源
●重定位操作功能：
允许SRNC实施先前准备好的重定位方案
●报告常规错误功能：
用于报告一些非功能性的错误
3.3.3.1.3.NBAP协议
NBAP协议负责NodeB和RNC之间的信令交换，NodeB的所有资源被它的CRNC控制，但是，NodeB所有的物理资源通过Iub接口，对RNC呈现的是逻辑资源。
NBAP分为公用过程和专用过程，公用过程和整个小区有关，专用过程和某个特定的UE有关。
NBAP向下使用Iub接口上的传送层网络提供的承载来传递NBAP消息。
承载用端口号来标识。
公用过程消息使用控制端口（ControlPort）传递，专用过程消息使用通信控制端口（CommunicationControlPort）传递。
NBAP协议可以实现下列功能：
●小区配置管理
●公共传输信道管理
●系统信息管理
●资源事件管理
●配置调整
●公用资源测量
●无线链路管理
●无线链路检测
●压缩模式控制
●专用资源测量
●下行功率漂移校正
●报告常规错误情况
3.3.3.2.无线网络层用户平面
无线网络层用户平面各种协议互操作示意图
监测系统一般不会监测无线网络层用户平面，在此不再赘述。
3.3.4.系统网络层协议
系统网络层涵盖从UE到CN网边沿，直到与其他网络如PSTN/PLMN的接口。
3.3.4.1.系统网络层控制平面
Uu
Iu－CS
Nc
CC/SS
CC/SS
MAP
BICC
MAP
BICC
MM
MM
UE
UTRAN
MSCServer/VLR
MSCServer/VLR
Mc
H.248/MeGaCo
H.248/MeGaCo
MSCServer/VLR
MGW
系统网络层电路域控制平面协议体系
Uu
Iu－PS
Gn
SM
SM
GTP-C
GTP-C
GMM
GMM
UE
UTRAN
SGSN
GGSN
系统网络层分组域控制平面协议体系
3.3.4.1.1.BICC协议
3.3.4.1.2.H.248/MeGaCo协议
媒体网关控制协议，是用于控制多媒体网关单元，促进多媒体网关的分离。
网关分离的核心是业务和控制分离，控制和承载分离。
这样使业务、控制和承载可独立发展。
Megaco/H.248中有两个主要组成部分：
终点terminations和关联域contexts。
Terminations主要控制进入和离开MG的流（例如模拟电话线路、RTP流或MP3流）。
terminations具有如缓冲器最大抖动值的特性，MGC可对其进行检查和修改。
H.248/Megaco协议中的主要概念有终结点、关联和包：
●终结点（Termination）是媒体网关上的一个逻辑实体，能够发送和接收一种或多种媒体，如模拟用户接入网关中的电话线、中继网关中的中继电路，一个终端在任一时刻属于且只能属于一个关联。
●关联（Context）是一
升级会员 