WCDMA系统结构基础与原理_byNIU

WA000010WCDMA系统基本原理ISSUE1.0WCDMA系统结构3-1第3章WCDMA系统结构3.1概述UMTS（UniversalMobileTelecommunicationsSystem、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（RadioAccessNetwork，RAN）和核心网络（CoreNetwork，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（CircuitSwitchedDomain,CS）和分组交换域（PacketSwitchedDomain,PS）。UTRAN、CN与用户设备（UserEquipment，UE）一起构成了整个UMTS系统。其系统结构如图3-1所示。3GPSMSC／VLR，GMSC，gsmSSF3GCSPSTNSGSN,GGSNUTRAN业务应用域HLR,SCP接入网3G核心网络外部网络终端Internet图3-1UMTS的系统结构从3GPPR99标准的角度来看，UE和UTRAN（UMTS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则采用了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。3.1.1UMTS系统网络构成UMTS网络单元构成如图3-2所示。WA000010WCDMA系统基本原理ISSUE1.0WCDMA系统结构3-2UuluUSIMMECuNodeBNodeBNodeBNodeBRNCRNClublurMSC/VLRGMSCSGSNGGSNHLRPLMNPSTNISDN,etcINTERNETExternalNetworksCNUTRANUE图3-2UMTS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以看出，UMTS系统的网络单元包括如下部分：1.UE（UserEquipment）UE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、浏览、FTP等）。UE包括两部分：ME（TheMobileEquipment），提供应用和服务USIM（TheUMTSSubscriberModule），提供用户身份识别2.UTRAN（UMTSTerrestrialRadioAccessNetwork，UMTS）UTRAN，即陆地无线接入网，分为基站（NodeB）和无线网络控制器（RNC）两部分。NodeBNodeB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。RNC（RadioNetworkController）RNC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)执行系统信息广播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。WA000010WCDMA系统基本原理ISSUE1.0WCDMA系统结构3-33.CN（CoreNetwork）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：MSCServer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基本一样。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，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（服务GPRS支持节点）是WCDMA核心网PS域功能节点，它通过Iu_PS接口与UTRAN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，GGSN需要提供UE接入外部分组网络的关口功能，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。WA000010WCDMA系统基本原理ISSUE1.0WCDMA系统结构3-4(5)HLRHLR（归属位置寄存器）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。3.2UTRAN的基本结构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（NodeB）组成。RNC与CN之间的接口是Iu接口，NodeB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NodeB的无线资源。NodeB则完成Iub接口和Uu接口之间的数据流的转换，同时也参与一部分无线资源管理。RNSRNCRNSRNC核心网NodeBNodeBNodeBNodeBIuIuIurIubIubIubIubPSCS图3-3UTRAN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。WA000010WCDMA系统基本原理ISSUE1.0WCDMA系统结构3-52.Uu接口Uu接口是WCDMA的无线接口。UE通过Uu接口接入到UMTS系统的固定网络部分，可以说Uu接口是UMTS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。比如在不同的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NodeB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NodeB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UTRAN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。3.2.2UTRAN各接口的基本协议结构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。设计的原则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部分而无需改变其他部分，如图3-4所示。WA000010WCDMA系统基本原理ISSUE1.0WCDMA系统结构3-6ApplicationProtocolDataStream(s)ALCAP(s)TransportNetworkLayerPhysicalLayerSignallingBearer(s)TransportUserNetworkPlaneControlPlaneUserPlaneTransportUserNetworkPlaneTransportNetworkControlPlaneRadioNetworkLayerSignallingBearer(s)DataBearer(s)图3-4UTRAN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WA000010WCDMA系统基本原理ISSUE1.0WCDMA系统结构3-7ALCAP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遵循以下原则：(1)信令面与数据面的分离；(2)UTRAN/CN功能与传输层的分离，即无线网络层不依赖于(3)特定的传输技术；(4)宏分集（FDDOnly）完全由UTRAN处理；(5)RRC连接的移动性管理完全由UTRAN处理。3.2.3UTRAN完成的功能(1)和总体系统接入控制有关的功能准入控制拥塞控制系统信息广播(2)和安全与私有性有关的功能无线信道加密/解密消息完整性保护(3)和移动性有关的功能切换SRNS迁移(4)和无线资源管理和控制有关的功能无线资源配置和操作无线环境勘测宏分集控制（FDD）无线承载连接建立和释放（RB控制）无线承载的分配和回收动态信道分配DCA（TDD