第5章无线接入网结构

第5章无线接入网结构FabioLongoniandAtteLänsisalmi5.1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）。典型的第5章无线接入网结构45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，46WCDMA技术与系统设计所有出入的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），第5章无线接入网结构47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48WCDMA技术与系统设计的情况下，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。第5章无线接入网结构49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。50WCDMA技术与系统设计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