第5章无线接入网结构.docx
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第5章无线接入网结构
第5章无线接入网结构
FabioLongoniandAtteLänsisalmi
5.1系统结构
本章将对包括逻辑网络元素和接口在内的UMTS系统结构作一个全面介绍。
UMTS系统采用的结构与大家熟悉的所有第二代系统及部分第一代系统是一样的。
参考文献中将列出有关的3GPP规范。
UMTS系统包含很多逻辑网络元素，每个元素都有特定的功能。
标准中的网络元素都是在逻辑层上定义，这通常对应于相似的物理实现，特别是因为系统中存在相当数量的开放接口。
（因为接口两端的设备可由不同的设备制造商提供，所以对开放接口的定义必须非常详细。
）网络元素可以根据其功能的相似性或者所归属子网的不同进行分类。
按照功能，网络元素被分成无线接入网（RAN，UMTSTerrestrialRAN=UTRAN）和核心网（CN）。
无线接入网负责处理所有与无线通信相关的功能，核心网负责电话的交换和路由查找，以及与外部网络的数据连接。
要完备整个系统，还必须定义用户设备（UE），它连接着用户和无线接口。
高层系统结构如图5-1所示。
图5-1UMTS高层系统结构
从规范和标准的角度来看，UE和UTRAN协议完全都是新的，这些新协议的制定都是基于对WCDMA新无线技术需求的考虑；而CN的协议来源于GSM规范。
正是因为WCDMA系统采用GSM的CN，使得其便于全球化市场的推广，也可以加速UMTS系统的引入和发展，便于实现全球漫游。
另一种是根据所属子网的不同进行分类，在这个意义上，UMTS系统是模块化的，并且它可能含有多个同一类型的网络元素。
原则上对于一个特征齐备、可运行网络的最低要求是每种类型的逻辑网络元素至少有一个（注意，一些特征以及相应的网络元素是可选的）。
正是由于可能存在多个同一类型的元素实体，才能将UMTS系统划分为若干子网，各子网既可以独立地进行工作，又可以协同工作，并且通过唯一的标识相互加以区分。
这样的子网叫做UMTSPLMN（PublicLandMobileNetwork——通用移动通信系统公众陆地移动网）。
典型的例子是一PLMN由某家运营商所运营，并连接到其它PLMN网络，以及诸如ISDN，PSTN，Internet等的其它类型网络。
图5-2是PLMN网的元素图，为了便于说明网络连接的情况，图中也包含了外部网络。
图5-2PLMN网的元素图
关于UTRAN网络结构的内容将在5.2节中介绍，下面先对网络元素作一简单介绍。
UE包含两个部分：
●移动设备（ME）：
是通过Uu接口进行无线通信的无线终端。
●UMTS用户识别模块（USIM）：
是一张记载了用户标识、可执行鉴权算法的智能卡，并存储鉴权、密钥及终端所需的一些预约信息。
UTRAN也包括如下两个不同的元素：
●NODEB：
在Iub和Uu接口之间传送数据流，并参与无线资源管理（注意：
“NODEB”这个词是从3GPP规范中来的，在整个第5章都将使用，而本书其它章节中的“基站”一词也是代表相同的意思，但后者较前者更为通用）。
●无线网络控制器（RNC）：
拥有和控制它辖域内的无线资源（NODEB与之相连）。
RNC是UTRAN提供给CN所有业务的业务接入点，例如到UE的连接管理。
GSMCN的主要元素如下（图5-2中并未画出诸如提供IN业务的元素实体）：
●HLR（归属位置寄存器）：
位于用户本地系统的数据库，存储着用户业务特征的主备份。
这些业务特征包括注册业务信息、漫游盲区信息，以及诸如呼叫转发状态和呼叫转发数量等增值业务信息。
这个数据库在新用户向系统注册入网时创建，在用户的合同期内始终有效。
为了给呼入业务（如来电或短消息）寻找路由至UE，HLR还在MSC/VLR层和/或SGSN层存储UE的位置信息。
●MSC/VLR（移动业务交换中心/访问位置寄存器）：
是为UE在当前位置下提供电路交换（CS）业务的交换中心（MSC）和数据库（VLR）。
MSC的功能是用于处理电路交换业务，VLR保存漫游用户的业务列表副本和UE在服务系统内精确的位置信息。
通常把通过MSC/VLR相连接的网络部分称为CS域。
●GMSC（移动业务交换中心网关）：
是UMTSPLMN与外部CS网络连接的交换设备，所有出入的CS交换业务都经过GMSC。
●SGSN（服务GPRS支撑节点）：
其功能与MSC/VLR类似，但用于分组交换（PS）业务，通过SGSN相连接的网络部分通常被称作PS域。
●GGSN（GPRS支撑节点网关）：
功能类似于GMSC，但用于PS业务。
外部网络可以被分成两组：
●CS网络：
用于提供电路交换（如现有的电话业务）的连接。
ISDN和PSTN也都属于CS网络。
●PS网络：
用于提供分组交换连接，Internet属于PS网络。
UMTS标准没有对网络元素的内在功能进行具体的规范，但定义了逻辑网络元素间的接口，其中主要的开放接口包括：
●Cu接口：
是USIM智能卡和ME间的电子接口，它遵循智能卡的标准格式。
●Uu接口：
是WCDMA的无线接口，也是本节的重点。
Uu是UE接入到系统固定部分的接口，因此可能是UMTS中最重要的开放接口。
可以看出，UE制造商可能会比固定网络元素的制造商多得多。
●Iu接口：
连接着UTRAN和CN，将在5.4节中做详细介绍。
它类似于GSM中相应的接口——A接口（电路交换）和Gb接口（分组交换），开放的Iu接口使UMTS的运营商有可能采用不同厂商的设备来构建UTRAN和CN，由此产生的竞争正是GSM成功的因素之一。
●Iur接口：
支持不同制造商的RNC间的软切换，它是开放的Iu接口的补充，其内容将在5.5.1节中详细阐述。
●Iub接口：
连接着NODEB和RNC。
UMTS是第一个将控制器—基站接口标准化为全开放接口的商用移动电话系统。
正像其它的开放接口一样，开放的Iub接口可能会进一步激发这一领域制造商之间的竞争，因此市场上可能出现一些专门研发NODEB产品的新制造商。
5.2UTRAN结构
UTRAN结构示于图5-3。
UTRAN包含一个或多个无线网络子系统（RNS）。
每个RNS都是UTRAN内的一个子网，它包含一个无线网络控制器（RNC）、一个或者多个NODEB。
RNC通过Iur接口互联，而RNC和NODEB通过Iub接口相连。
本节将对UTRAN网络元素进行简要描述，对UTRAN接口的进一步介绍将在后几节中讲述。
在介绍它们之前，我们先介绍一下UTRAN的主要特征，也就是对于设计UTRAN的结构、功能和协议的主要要求，具体总结如下：
●支持UTRA（UMTS地面无线接入）和所有相关功能。
具体的说，设计UTRA的主要方面就是支持软切换（一个终端通过两个或多个激活的小区与网络相连的情况），以及WCDMA指定的无线资源管理算法。
●最大可能地兼容分组交换和电路交换数据的处理。
通过使用唯一的空中接口协议栈以及同一个接口，将UTRAN连接至核心网（CN）的分组交换域和电路交换域。
●尽可能与GSM兼容。
●使用ATM传输作为UTRAN中主要传输机制。
图5-3UTRAN结构
5.2.1无线网络控制器
RNC（无线网络控制器）是负责控制UTRAN无线资源的网络元素，它与CN相连（通常连接CN中的一个MSC和一个SGSN），并且负责终止RRC（无线资源控制）协议，其中的RRC协议定义了移动台和UTRAN间的消息和进程。
RNC的逻辑功能相当于GSM的BSC。
5.2.1.1RNC的逻辑功能
控制NodeB（例如终止通向NodeB方向的Iub接口）的RNC叫做控制RNC（CRNC）。
CRNC负责所属小区的负载管理和拥塞控制，还为所属小区待建的无线新连接进行接纳控制和码字分配。
如果移动用户到UTRAN的连接要使用多个RNS的资源（见图5-4），涉及到的RNC有两个独立的逻辑功能（就该移动用户和UTRAN之间的连接而言）：
●服务RNC（SRNC）。
移动用户的SRNC负责终止传送的用户数据和相应的来回于CN之间的RANAP信令的Iu连接（该连接称为RANAP连接）；也负责终止无线资源控制信令——UE和UTRAN间的信令协议。
同时，它还负责对来自/流向无线接口的数据进行L2层处理。
SRNC执行一些基本无线资源管理操作，例如，将无线接入承载参数转化为空中接口传输信道参数、切换判决、以及外环功率控制等操作。
SRNC也可以（但不总是）作为一些用于移动终端与UTRAN相连的NODEB的CRNC。
●漂移RNC。
DRNC是除SRNC外、控制移动台所使用的小区的任何RNC。
在需要的情况下，DRNC可以进行宏分集合并和分裂。
除了UE正在使用公共或共享传输信道的情况之外，DRNC不对用户平面数据进行L2层处理，而在Iub和Iur接口间透明地为数据选择路由。
UE可以没有或者有一个、多个DRNC。
注意到，实际的RNC通常包含所有的CRNC，SRNC和DRNC的功能。
5.2.2NODEB（基站）
NODEB的主要功能是进行空中接口L1层处理（信道编码和交织，速率匹配，扩频等），它也执行一些基本的无线资源管理操作，例如内环功率控制，逻辑上它对应于GSM的基站。
“NODEB”这个词听上去似乎有些莫名其妙，那是因为它是在制定标准过程中临时采用的一种称谓，但一直沿用至今未更改。
NODEB的逻辑模型描述见5.5.2节。
图5-4UE-UTRAN连接中RNC的逻辑功能图。
左图代表UE在RNC之间的软切换的情况（由SRNC中进行合并），右图代表UE只使用来自一个NODEB的资源（由DRNC控制）
5.3UTRAN地面接口的通用协议模型
5.3.1概述
UTRAN地面接口的协议结构是根据相同的通用协议模型设计的，该模型如图5-5所示。
该协议结构基于如下原则：
各层及各平面逻辑上彼此独立。
所以如果将来需要，可以在对协议结构的某一部分进行修改的同时，完全保持其余部分不发生变动。
图5-5UTRAN地面接口的通用协议模型
5.3.2水平层
该协议结构包含两个主要的层：
无线网络层和传输网络层。
所有UTRAN的相关内容仅在无线网络层可见；传输网络层使用标准传输技术，UTRAN选择采用这些标准传输技术，但没有对它做任何特定的改变。
5.3.3垂直平面
5.3.3.1控制平面
控制平面用于所有UMTS特定的控制信令，它包含应用协议（例如，Iu中的RANAP，Iur中的RNSAP和Iub中的NBAP）和用于传输应用协议消息的信令承载。
应用协议和其它因素一起用于建立到UE的承载（例如，Iu中的无线接入承载，以及随后的Iur和Iub中的无线连接）。
在这三层平面的结构中，应用协议中的承载参数并不直接和用户平面技术相联系，它们是更加一般化的承载参数。
应用协议的信令承载与ALCAP的信令承载的类型可以相同或不同，通常由O＆M操作建立。
5.3.3.2用户平面
用户收发的所有信息，比如话音呼叫中已编码的话音或Internet连接的分组，都经过用户平面传输。
用户平面包括数据流和数据流的数据承载，数据流参数由对应接口的帧协议描述。
5.3.3.3传输网络控制平面
传输网络控制平面为传输层内的所有控制信令服务。
它不包含任何无线网络层信息。
它包括用于为用户平面建立传输承载（数据承载）的ALCAP协议，也包括ALCAP需要的信令承载。
传输网络控制平面位于控制平面和用户平面之间，它的引入使得无线网络控制平面中的应用协议可能完全地独立于用户平面中用于数据承载的技术。
应用传输网络控制平面时，用户平面中数据承载的传输承载按照下列方式建立：
首先在控制平面内，根据应用协议进行信令处理，并通过ALCAP协议激发建立特定于用户平面技术的数据承载。
控制平面和用户平面的独立性假设了进行ALCAP信令处理，注意到：
ALCAP不一定用于所有类型的数据承载。
如果没有ALCAP信令处理，也就根本不需要传输网络控制平面了；这种情况发生在只需选择用户平面资源时，如选择IP传输的终点地址，或者选择预先配置的数据承载。
还应注意，传输网络控制层的ALCAP协议不用于建立应用协议的信令承载，或在实时连接期间ALCAP的信令承载。
ALCAP的信令承载可以与应用协议的信令承载不同。
UMTS规范假定ALCAP的信令承载总是用O&M操作建立，但是并没有对此作详细介绍。
5.3.3.4传输网络用户平面
用户平面的数据承载和应用协议的信令承载，都属于传输网络用户平面。
正如前面章节所介绍的，传输网络用户平面的数据承载在实时操作期间由传输网络控制平面直接控制，但是，一般认为建立应用协议的信令承载都是O&M操作。
5.4Iu，UTRAN－CN的接口
Iu接口将UTRAN连接至CN，它是一个开放接口，将系统分成专用于无线通信的UTRAN和负责处理交换、寻找路由和业务控制的CN两部分。
正如图5-3所示，Iu可以有两种主要不同的实体，它们分别是用于将UTRAN连接至电路交换（CS）CN的IuCS（IuCircuitSwitched）和用于将UTRAN连接至分组交换（PS）CN的IuPS（IuPacketSwitched），还有一种Iu实体称为IuBC，是用于支持小区广播服务的，将在5.4.5节中介绍（图5-3中没有画出）。
标准化设计最初只想发展一种Iu接口，但随后发现只有通过使用不同的传输技术，才能使用户平面传输的CS和PS业务最优化；这样，相应的传输网络控制平面也不同。
但设计的一个主要原则仍然是：
用于IuCS和IuPS的控制平面应尽量相同，它们之间的差别应该很小。
Iu的第三种实体——IuBC（IuBroadcast）用于连接UTRAN到CN的广播域，它在图5-3中没有画出。
5.4.1IuCS的协议结构
图5-6说明了IuCS总体协议结构。
Iu接口中的三个平面共享公共的异步传递方式（ATM），并都采用ATM传输。
图中，物理层是到物理介质（光纤，无线链路，铜线电缆）的接口，其实现可以从各种可行的标准传输技术中选择，例如SONET，STM1或E1。
图5-6IuCS协议结构
5.4.1.1IuCS控制平面协议栈
控制平面协议栈中包含位于宽带（BB）7号信令系统协议（SS7）上层的RANAP。
可应用层包括信令连接控制部分（SCCP）、消息传送部分（MTP3-b）和网对网接口信令ATM适配层（SAAL-NNI）。
SAAL-NNI又划分为业务特定对等功能（SSCF）、业务特定面向连接协议（SSCOP）和第5类ATM适配层（AAL5）；SSCF和SSCOP是为了在ATM网络中传输信令而特别设计的，承担信令连接管理等功能；AAL5将数据分成ATM码元。
5.4.1.2IuCS传输网络控制平面协议栈
传输网络控制平面协议栈由用于建立AAL2连接（Q.2630.1和适配层Q.2150.1）的信令协议组成，这些信令协议位于宽带7号信令系统协议（BBSS7）的顶层。
可运用的宽带7号信令系统正如前面所描述的，只是没有SCCP层。
5.4.1.3IuCS用户平面协议栈
CS业务都必须预留专用的AAL2连接。
紧邻AAL2的上层Iu用户平面协议将在5.4.4节中进行详细描述。
5.4.2IuPS协议结构
图5-7描述了IuPS协议结构。
同样，用户平面和控制平面采用共同的ATM传输，而物理层也是特定应用于IuPS的。
图5-7IuPS协议结构
5.4.2.1IuPS控制平面协议栈
如5.4.1.1描述的，控制平面协议栈也包括RANAP和同样以宽带7号信令系统协议为基础的信令承载；另外也定义了基于IP的信令承载。
其中SCCP层和AAL5为两者所公用。
基于IP的信令承载包括M3UA（SS7MTP3－用户适配层）、SCTP（简单控制传输协议）、IP（因特网协议）和AAL5。
SCTP层是为因特网中的信令而特别设计的；且不同的适配层分别对应不同种类的信令协议，例如，M3UA对应于SS7为基础的信令协议。
5.4.2.2IuPS传输网络控制平面协议栈
IuPS没有采用传输网络控制平面，这是因为建立GTP隧道只需要隧道标识、源和目标的IP地址即可，而这些信息已经包含在RANAPRAB分配消息中。
为了实现AAL2信令的寻址和识别，IuCS的用户平面数据也采用相同的信息。
5.4.2.3IuPS用户平面协议栈
在IuPS用户平面中，多种分组数据流在一个或多个AAL5PVC（AAL5预定义虚连接）上复用。
GTP_U（GRPS隧道协议的用户平面部分）是为单个分组数据流提供标识的复用层，每个流使用UDP无连接传输和IP寻址。
5.4.3RANAP协议
RANAP是Iu的信令协议，包含了所有特定于无线网络层的控制信息。
RANAP的功能通过各种RANAP基本进程（EP）来实现。
每个RANAP功能可能要求运行一到多个EP，每个EP或者只包含请求消息（2类EP），或者包含请求应答消息对（1类EP），或者包含一个请求消息和一到多个应答消息（3类EP）。
下面介绍定义的RANAP功能：
●重定位。
这一功能负责处理SRNS重定位和硬切换，包括与GSM系统互通的情况。
✓SRNS重定位：
将SRNS的功能从一个RNS重定位到另一个的同时，并不改变无线资源，也不打断用户数据流。
SRNS重定位的先决条件是所有的无线链路都已经在同一个作为重定位目标的DRNC中。
✓RNS间的硬切换：
将SRNS功能从一个RNS重定位到另一个的同时，要通过Uu接口的硬切换相应改变无线资源。
硬切换的先决条件是UE位于源和目的小区的边界。
●RAB（无线接入承载）管理。
这一功能包括所有的RAB操作。
✓RAB建立，包括为RAB建立排队的可能性。
✓修改已经存在的RAB的属性。
✓清除已经存在的RAB，包括初始化RAN的情况。
●Iu释放。
从一个与特定UE相关的给定Iu中释放所有资源（信令链路和U-平面），也包括初始化RAN的情况。
●报告未成功传输的数据。
如果发送的数据没有成功到达UE，该功能允许CN根据从UTRAN来的信息更新其计费纪录。
●公共ID管理。
通过这一功能将UE的永久标识符从CN发送到UTRAN，以允许由两个不同的CN域进行寻呼协作。
●寻呼。
CN运用该功能为UE的终端业务请求（例如语音电话）寻呼一个空闲UE。
CN将携带有UE的公共标识（永久ID）和寻呼区域的寻呼消息发送到UTRAN。
而UTRAN或者使用一条已存在的信令连接来将寻呼UE，或者在指定的区域内广播发送寻呼给UE。
●跟踪管理。
为了便于操作和维护，CN要求UTRAN记录与一个特定的UE-UTRAN连接相关的所有活动。
●UE-CN信令传输。
该功能提供UE-CN之间信令消息的透明传递，在以下3种情况下，将使用这种直接信令传输：
✓UTRAN传给UE的首个消息，它们可能是寻呼响应，对UE发起的呼叫请求的响应，或是到达新地区时注册的响应；它还负责初始化Iu接口的信令连接；
✓直接传送。
在上行链路和下行链路方向上的Iu接口信令连接中，采用直接传送的方式来承载所有连续的信令消息。
✓CN信息广播。
这种情况下，允许CN将系统信息设置为特定区域中向所有用户重复广播的形式。
●安全模式控制。
给出是否采用加密或整体校验。
如果采用加密，由密钥算法对无线接口信令和用户数据加密；如果同时采用整体校验，还要用带密钥的整体校验对部分或全部无线接口信令消息加密，以提高通信安全性。
这保证了不能冒充通信伙伴，和不能篡改通信内容。
●过载管理。
该功能用于控制Iu接口上的负载，来防止由于诸如CN或UTRAN的处理器过载而引起过载的情况。
在此使用了计时器触发的简单机制，该机制允许逐步的减少和逐步恢复其负载。
●复位。
该功能用于在差错情况下复位CN侧或UTRAN侧的Iu接口。
Iu的一端可以告知另一端它正在重启、恢复中，而另一端可据此清除所有先前建立的连接。
●位置报告。
该功能支持CN接收给定UE的位置信息。
它包括两个基本过程：
一个控制RNC中的位置报告，另一个向CN发送实际的位置报告。
5.4.4Iu用户平面协议
Iu用户平面协议在Iu用户平面的无线网络层，该协议与CN域彼此独立。
用户平面协议的目的是——携带Iu接口上与RAB（无线接入承载）相关的用户数据。
每个RAB都有各自的协议实体。
该协议或者完成完全透明的操作，或者完成用户数据段和基本控制信令的成帧操作。
这里的基本控制信令是指用于初始化及在线控制的信令。
正是基于以上情况，该协议有两种模式：
●透明模式。
该模式下，此协议不进行任何成帧或者控制操作，它用于不必分帧和控制操作，而仅需要完全透明操作的RAB的情况。
●支持预定义的SDU长度的模式。
该模式下，用户平面把用户数据成帧为具有预先定义尺寸的数据段。
SDU长度一般对应于AMR（自适应多速率声码器）话音帧的长度，或从CS数据呼叫的数据率中推导出来的帧长。
同时，还定义了初始化过程和速率控制过程，另外还有指示帧质量的特定功能，此功能的实现是基于诸如无线接口的CRC校验结果。
5.4.5IuBC的协议结构和SABP协议
IuBC[2]接口连接着UTRAN的RNC和CN的广播域（又称为小区广播中心），它定义了通过小区广播业务发送给移动台用户的小区广播信息，诸如在移动电话屏幕上显示的城市、地区名称。
注意：
不要将IuBC接口与广播公共控制信道（BCCH）上UTRAN或核心网的信息广播混为一谈；IuBC仅是控制平面的一个接口。
图5.8给出IuBC的协议结构。
图5.8IuBC协议结构
5.4.5.1SABP协议
服务区环境广播协议（SABP）[24]，使得CN中的小区广播中心能够对来自于RNC的小区广播消息进行定义、修改和删除。
RNC利用SABP协议、NBAP协议和RRC信令，给移动台传送消息。
SABP有以下几种功能：
●消息处理。
这项功能用于广播新的消息，修改已存在的广播消息，以及停止广播指定的消息。
●负载处理。
这项功能用在任何特殊时间来决定广播信道的负载。
●复位。
这项功能的引入使得CBC能够终止在一个或多个服务区环境中的广播。
5.5UTRAN内部接口
5.5.1RNC-RNC接口（Iur接口）和RNSAP信令
RNC到RNC接口（Iur接口）的协议栈如图5-9所示。
尽管这个接口最初设计仅是为了支持RNC之间的软切换（见图5-4的左半部分），但随着标准的发展，更多的特性被加载进去，目前Iur接口可以提供如下四种功能：
1.支持基本的RNC之间的移动性。
2.支持专用信道业务。
3.支持公共信道业务。
4.支持全局资源管理。
为此，Iur信令协议本身（RNSAP，无线网络系统应用部分）被分成四个不同的功能模块（亦被称为过程组）。
一般来说，可以根据运营者的需要，在两个无线网络控制器之间实现四个Iur功能模块中的某些部分。
5.5.1.1Iur1:
支持基本的RNC之间的移动性
该功能需要RNSAP信令的基本模块，这在[11]中有所描述。
它是构建Iur接口结构的第一块基石，提供了两个RNC之间的用户移动性所需要的功能，但是并不支持任何用户数据业务的交换。
如果没有应用此功能模块，Iur接口将不复存在；并且如果用户想通过RNS1连接至UTRAN去使用RNS2中小区的话，唯一办法就是暂时断开与UTRAN的连接（释放RRC连接）。
图5-9Release-99的Iur接口协议栈
注：
正如Iu接口，RNSAP信令同样可以采用两种方式传输：
SS7栈（SCCP和MTP3b）和基于传输的新SCTP/IP；同样，可以定义两种用户平面协议（DCH：
专用信道，CCH：
公共信道）。
Iur基本模块的功能包括：
●支持SRNC重定位
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