翻译版wcdma技术和系统设计(第三版)中文Chapter-5

第5章无线接入网体系结构FabioLongoni，AtteLänsisalmiandAnttiToskala5.1系统结构本章将全面评述UMTS系统结构，包括逻辑网络元素和接口。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技术规范。UMTS系统包含很多逻辑网络元素，每个元素都有规定的功能。在标准中，网络元素都是在逻辑级上定义的，但是这通常导致相似的物理执行结果，特别是因为有相当数量的开放接口存在。（对于一个“开放的”接口，其定义要求非常详尽，从而接口两端的设备可以来自两个不同的设备制造商）。网络元素可以根据相似的功能进行分类，也可以按照所归属的不同子网分类。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，核心网负责对话音及数据业务进行交换和路由查找，以便将业务连接至外部网络。为了完备整个系统，还要定义与用户和无线接口连接的用户设备（UE）。高层系统结构如图5-1所示。Iu图5-1UMTS高层系统结构从技术规范和标准的角度来看，UE和UTRAN协议完全都是新的，这些新协议都是基于对WCDMA新无线技术需求制定的。相反，核心网（CN）的定义来源于GSM。这样使得这个采用了新无线技术的系统也具有了一个全球知名的和“强壮”的CN技术，从而加速和便于该系统的引入，并且具有全球漫游的竞争优势。另外一种对网络元素分类的方法是将它们划分到若干子网中。UMTS系统是模块化的，从这个意义上讲，它可能包含若干个相同类型的网络元素。原则上，对于一个特征齐备、可运行网络的昀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，并且通过惟一的标识相互加以区分。这样的子网叫做UMTSPLMN（UMTSPublicLandMobileNetwork——通用移动通信系第5章无线接入网结构49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，并连接到其他PLMN网络，以及诸如ISDN、PSTN、Internet等的其他类型网络。图5-2表示PLMN网的元素，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，下面先简单介绍网络元素。UE包含两个部分：z移动设备（ME）：是通过Uu接口进行无线通信的无线终端。zUMTS用户识别模块（USIM）：是一张智能卡，记载有用户标识，可执行鉴权算法，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：zNodeB：转换在Iub和Uu接口之间的数据流，它也参与无线资源管理（注意，“NodeB”一词来自3GPP技术规范，整个第5章都将采用这种说法；而其他章节中使用更为通用的“基站”词来表示完全相同的意思）。z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中并未表示出诸如提供IN业务的其他实体）：zHLR（归属位置寄存器）：一个位于用户归属系统的数据库，存储着用户业务剖面特征的主备份。这些业务剖面特征包括，例如，允许的业务信息、禁止漫游区域，以及诸如呼叫转发状态和呼叫转发数量等增值业务信息。这个信息在新用户向系统注册入网时创建，在用户的签约合同期内始终有效。为了寻找呼入业务（如来电或短消息）到UE的路由，HLR还在MSC/VLR级和/或SGSN级，即在服务系统级上存储UE的位置信息。zMSC/VLR(移动业务交换中心/访问位置寄存器)：是为处于当前位置的UE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事务，VLR保存漫游用户的业务剖面特性副本和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。zGMSC（网关移动业务交换中心）：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。zSGSN（服务GPRS(通用分组无线业务)支撑节点）：其功能与MSC/VLR类似，但一用于分组交换（PS）业务，通过SGSN相连接的网络部分通常被称作PS域。zGGSN（网关GPRS支撑节点）：功能类似于GMSC，但用于PS业务。50WCDMA技术与系统设计外部网络可以分成两组：zCS网络：用于提供电路交换连接，例如现有的电话业务。ISDN和PSTN也都属于CS网络。zPS网络：用于提供分组业务连接，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：zCu接口：是USIM智能卡和ME间的电气接口，它遵循智能卡的标准格式。zUu接口：是WCDMA的无线接口，也是本书的重点。Uu是UE接入到系统固定部分的接口，因此可能是UMTS中昀重要的开放接口。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。zIu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。zIur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。zIub接口：连接NodeB和RNC。UMTS是第一个把控制器——基站接口标准化为全开放接口的商用移动电话系统。正像其他的开放接口一样，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接口彼此互联，而RNC和NodeB通过Iub接口相连。图5-3UTRAN结构本节将对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的第5章无线接入网结构51结构、功能和协议的主要要求。这些特征概括为以下几点：z支持UTRA（UMTS地面无线接入）和所有相关功能。具体地说，影响UTRAN设计的主要方面就是需要支持软切换（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特定的无线资源管理算法。z昀大可能地兼容分组交换和电路交换数据的处理。通过使用惟一的空中接口协议栈，以及用同一个接口将UTRAN连接至核心网（CN）的分组交换域和电路交换域。z尽可能与GSM兼容。z使用ATM传输作为UTRAN的主要传输机制。z自Release5以后，使用IP传输作为在UTRAN中备选的传输机制。5.2.1无线网络控制器无线网络控制器（RNC）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），并且负责终止无线资源控制（RRC）协议，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管理所属小区的负载和拥塞控制，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），那么涉及到的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）：z服务RNC(SRNC)。移动用户的SRNC负责终止传输用户数据和来自/流向CN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，这是UE和UTRAN间的信令协议；还负责对来自/流向无线接口的数据进行L2层处理。SRNC还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。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。z漂移RNC(DRNC)。DRNC是除SRNC之外的其他任何RNC，它们控制着该移动终端使用的小区。如果需要，DRNC可以进行宏分集合并和分裂。除非UE正在使用一条公共或共享传输信道，否则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。52WCDMA技术与系统设计NodeB的逻辑模型描述见5.5.2节。图5-4UE-UTRAN连接中RNC的逻辑功能图注：左图表示UE在RNC之间软切换的情况（在SRNC中执行合并），右图表示UE只使用来自一个NodeB的资源的情况，由DRNC加以控制。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：各层及各平面在逻辑上彼此独立，如果将来需要，可以对协议结构的某些部分进行修改，而其余部分保持不变。图5-5UTRAN地面接口的通用协议模型第5章无线接入网结构535.3.2水平层该协议结构包含两个主要层：无线网络层和传输网络层。所有与UTRAN相关的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别的改动。5.3.3垂直平面5.3.3.1控制平面控制平面为所有UMTS特定的控制信令使用，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。应用协议和其他协议一起用于建立到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，而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用户平面用户发送和接收的所有信息，比如话音呼叫中编码话音或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用于数据流的数据承载，每个数据流由对应于该接口的帧协议表征。5.3.3.3传输网络控制平面传输网络控制平面用于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。传输网络控制平面是在控制平面和用户平面之间起作用的平面，它的引入使得无线网络控制平面中的应用协议完全可能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，按照下列方式建立用户平面中的数据承载的传输承载：首先在控制平面内，根据应用协议进行信令处理；然后通过为用户平面技术而规定的ALCAP协议激发建立数据承载。控制平面和用户平面的独立性是在假设ALCAP信令处理发生的前提下。应该注意，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