WCDMA网络结构和功能分析

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1、WCDMA 网络结构和功能分析 一、UMTS体系 UMTS (Universal Mobile Telecommunication System,通用移动通信系统)是采用 WCDMA 空中接口的第三代移动通信系统，通常也称为WCDMA通信系统。 通过3GPP的标准化工作，UMTS的技术在不断地更新和增强。为了尽快将WCDMA系统商 用，3GPP对UMTS的系列规范划定了不同的版本。首先完成标准化工作的版本是R99,也称 为WCDMA第一阶段。这个版本的功能基本稳定，终端和网络侧设备也经过了很多实验系统和 实际运营的测试。随后3GPP在R99的基础上推出R4、R5，又在R4的基础上进行了技

2、术更 新和增强。 尽管3GPP考虑了新旧版本的兼容性问题，要充分获得新版本的技术优势，还是需要对 原有系统作一些大的改动，因此运营商出于各自的实际情况可能直接选用较新的版本。 R4 的标准化工作也已基本结束，有一些设备厂商可以提供商用设备，R4和R99对比，设备成 熟性和运营经验要少一些。 R5的规范制定工作还没有全部完成。鉴于R5标准化进度的不断延期，3GPP又提出了新 的版本R6,将一部分无法如期完成的功能并入R6的计划。目前R6的功能范围还未确定， 增加了许多新的业务功能，实现全IP是这一阶段的最高目标。 二、 WCDMA R99 系统的设备和功能 从系统结构和功能上看，WCDM

3、A系统可以分成无线接入网络(RAN)和核心网(CN)。 无线接入网络用于处理所有与无线有关的功能，由于采用了 UTRA(UMTS的陆地无线接入网 络)技术，所以称之为UTRANo CN负责处理WCDMA系统内所有的话音呼叫和数据连接与外部 网络的交换和路由。这两个单元和用户终端设备一起构成了整个UMTS系统。 1. MS (移动台) MS (或称UE)是用户终端设备。它主要包括射频处理单元、基带处理单元、协议栈模块 以及应用层软件模块等。 WCDMA系统支持两种接入网络技术，即GSM/GPRS的BSS和UTRANo因此，系统中可能有 三种终端：GSM/GPRS终端、WCDMA终端、同时支

4、持GSM/GPRS和WCDMA接入的双模终端。 GSM/GPRS终端通过Um接口接入BSS子系统，WCDMA终端通过Uu接口接入到UTRAN，而双模 终端可以通过两个接入网与网络设备通信。 MS为用户提供电路域和分组域的各种业务功能，包括话音、短信、移动数据业务。WCDMA 终端和双模终端更可以提供宽带话音和高速的数据通信。MS包括两部分：ME (Mobile Equipment)、 SIM (Subscriber Module)或 USIM (UMTS Subscriber Module)。 2. 接入网络 WCDMA第一阶段的系统中包括两类接入网络：GSM/GPRS的BSS (Bas

5、ic Station System) 和 UTRANo BSS系统与GSM/GPRS终端和双模终端进行通信，主要负责完成无线发送接收和无线资 源管理等功能。功能实体可分为基站控制器(BSC)和基站收发信台(BTS)o UTRAN与WCDMA终端和双模终端通信，包括基于基站(Node B)和无线网络控制器(RNC) 两部分。 UTRAN比BSS系统更复杂，RNC之间可以直接相连，并能提供CDMA特有的软切换。UTRAN 系统基于ATM网络，因此提供了更高的信令和数据速率，它针对话音传输采用了 AMR技术， 可以提高话音质量和系统容量。同时，UTRAN比BSS系统更开放，BSC和BTS之间的

6、Abis 接口是BSS厂家的私有接口，而Node B和RNC之间的Iub接口和RNC之间的Iur接口都是 3GPP所规定的公共接口。 3．核心网络 核心网负责与其他网络的连接和对MS的通信和管理。核心网分成两个子系统：电路域 和分组域。 电路域基于电路交换网络，链路需要建立和释放，通信过程中链路独占的方式保证了电 路域的通信质量。电路域的设备中包括MSC/VLR和GMSC等。分组域基于分组交换网络，信 令和数据都是以数据包形式在分组网中传输，更加有效地利用了网络资源，因而可以提供更 加高速的传输速度。考虑到通信的可靠性，在数据通信前，需要建立端到端的隧道，从而保 证了服务质量。分组域的主

7、要设备是SGSN和GGSN。 电路域和分组域共用一些设备，负责提供用户管理和网络设备管理。这类设备有： HLR、 AUC和智能网设备（SCP）等。另外，还有一些业务支撑设备同时提供了与电路域和分组域 的接口，如短消息中心（SMSC）。 三、 WCDMA R4/R5的系统结构 就无线接入网络而言，UTRAN、BSS或基于GSM演进的EDGE无线接入网（GERAN）可以 分别通过Iu接口（包括Iu_CS和Iu_CS）和A/Gb接口接入WCDMA R4/R5核心网。这使得那 些兼有2G和3G无线接入网的运营者只需建设和运营一个核心网就能支持所有2G和3G业务。 而对于那些未获3G许可证的2G运

8、营者来说，也可以通过在原GSM基站子系统BSS中引入 EDGE以及将核心网演进成R4/R5核心网络而向用户提供新的业务和性能。 上述Iu接口和A/Gb接口可以基于现有规范，也可演进成基于IP传输模式。 R4/R5核心网仍然划分成两个基本域：电路域和分组域。在此基础上，设立了 IP多媒 体（IM）子系统和业务子系统。 1．电路域 电路域用来提供话音等电路型业务，可以由R99的电路域平台演进而来。它包括三种逻 辑实体：媒体网关（MGW）、MSC服务器/GMSC服务器和传送信令网关（T-SGW）。 R4/R5的电路域与R99的电路域平台的根本区别在于，引入了承载与呼叫控制分离的概 念，即将

9、原来的MSC交换机概念从逻辑上划分成MGW和MSC服务器。MGW负责为用户数据提 供传送手段；MSC服务器负责提供原MSC中的呼叫控制、移动性管理等功能。从逻辑上分离 之后，MGW与MSC服务器将不一定存在具体的对应关系，这就可能使传送资源的调配变得更 灵活高效。从设备的物理实现上看，MGW和MSC服务器可以是一体化的实体，也可以是分立 的实体。 R4/R5电路域可以承载在不同的网络媒质之上，基于ATM网络或者基于IP的网络。MGW 负责在不同的承载网络上管理传输资源。为了准确及时地传输信令，在基于IP的网络上， MSC 服务器需要建立相互的隧道，以保证信令传输的可靠性。 2．分组域 R

10、4/R5分组域中的功能实体SGSN和GGSN与R99规范没有本质差别。 3. IM子系统 IM子系统是R5系统中新增加的功能模块，负责在分组域连接的基础上为基于IP的多 媒体业务（如VoIP、会议电视业务等）提供相关控制机制。该系统主要功能实体包括：呼叫 状态控制功能（CSCF）、媒体网关控制功能（MGCF）、媒体资源功能（MRF）。 4. 业务子系统 业务子系统用于提供运营者所定义的一系列业务，它主要是基于现有的CAMEL智能网平 台演进而成，涉及VHE/OSA、CAMEL、SAT等多方面。该系统主要功能实体包括业务控制点（SCP） 等。 四、 WCDMA R4/R5 新增设备和功

11、能 1. MSC 服务器（ MSC Server） MSC Server主要包含GSM/UMTS MSC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,通过接口管理MGW中媒体通道的连 接控制呼叫状态。 2. 网关 MSC 服务器(GMSC Server) GMSC Server主要包含GSM/UMTS的GMSC中的呼叫控制和移动控制部分。 3. 媒体网关功能(MGW) 对一个特定网络而言，MGW是PSTN/PLMN网络的传输终结点，通过Iu与UT

12、RAN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。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)。 4•漫游信令网关功能(R-SGW) R-SGW位于GSM/GPRS与R4/R5的电路域和分组域之间，实现漫游信令网关的功能。为 了保证正确的漫游，R-SGW在传输层对基于传统的SS7信令和基于IP的信令进行信令转换。 当双模终端从R4/R5电路域漫游到GSM/GPRS电路域时,GSM/GPRS MSC或GMSC通过R-SGW 可以与R4/R5的HSS

13、互通，传输E和G接口上位置更新、索取漫游号码等信令。反之，终端 从GSM/GPRS电路域漫游到R4/R5电路域时，R4/R5 MSC服务器或CSCF通过R-SGW的信令转 换，可以和GSM/GPRS HLR信令互通。 5. 呼叫状态控制功能(CSCF) IM子系统包括三种不同的呼叫状态控制功能：查询CSCF(I-CSCF)、代理CSCF(P-CSCF)、 服务 CSCF(S-CSCF)。 P-CSCF是UE联系IMS的第一步。它将在UE收到SIP消息前，转给一个位于归属网络 的 SIP 服务器，反之亦然。根据网络运营商设定的一套规则(如地址分析和可能的修改)， P-CSCF也可以修改一个

14、发出的请求。I-CSCF的功能是提供到归属网络的入口，将归属网络 的拓扑图对其它网络隐藏起来，并可以灵活选择S-CSCF。S-CSCF完成UE的会话控制功能， 其中包括将始发的会话路由到外部网络，将终结的会话路由到访问的网络。一个呼入的SIP 会话请求处理业务时，S-CSCF决定是否需要一个应用服务器接受相关信息。这个决定基于 从HSS或其它来源(如应用服务器)收到的信息。所有的CSCF功能可以生成和输出呼叫的详 细记录用于计费处理。 6. 归属用户服务器(HSS) HSS是由归属位置寄存器(HLR)和鉴权中心(AUC)演进而来的，是一个给定用户的主数据 库。它是一个包含登记信息的实体，用

15、于支持网络实体处理呼叫/会话。它也支持用户认证 和授权功能(AAA)，通过认证、授权、名称/地址解析等服务，HSS帮助呼叫控制服务器完成 选路/漫游功能。 HSS 负责保存下列与用户相关的信息： (1)用户标识、编号及地址信息；(2)用户安全信 息，用于认证和授权所需的网络接入控制信息；(3)在系统间级别上的用户位置信息，即HSS 处理用户注册，同时存储系统间的位置信息等；(4)用户的概要信息。 基于以上信息， HSS 还可以对不同控制系统(电路域控制、 PS 域控制、 IP 多媒体控制 等)的实体提供支持。 7. 媒体网关控制功能(MGCF) 对一个特定网络而言，MGCF是PSTN/

16、PLMN网络的终结点。它具有以下功能：(1)呼叫状 态的控制，即对与MGW中的媒体信道连接有关的部分进行控制；(2)与CSCF进行通信；(3) 对于来自传统网络的呼叫，MGCF依据它们的路由号选择相应的CSCF； (4)实现传统网络呼叫 控制协议(如ISUP R1/R2)和R4/R5网络呼叫控制协议之间的转换；⑸MGCF可以接收带外信 息，然后将它发送给 CSCF/MGW。 8•多媒体资源功能(MRF) MRF实现的功能为：(1)提供多方呼叫和多媒体会议功能，它与H.323网络中的多点控 制单元(MCU)的功能相同；(2)在多方/多媒体会议中，与GGSN和MGW共同负责承载业务控制; (3

17、)可以与CSCF进行通信，对多方/多媒体会话进行业务认证。 9•传输信令网关功能(T-SGW) T-SGW是R4/R5网络中PSTN/PLMN网络的终结点。它包括下列功能：(1)在IP层上对T-SGW 来自PSTN/PLMN与呼叫有关的信令进行映射，然后将它发送给MGCF,或者接收来自于MGCF 的与呼叫有关的信令，然后在IP层上对其进行映射，再将它发送给PSTN/PLMN； (2)提供 PSTN/PLMN与IP传输层之间的地址映射。 六、现状和前景 WCDMA是全球3G主导标准，迄今为止，全球已发放了 112个WCDMA牌照，占ITU 3G核 心频段(2.1GHz)上所有牌照的95%

18、以上。WCDMA的商用服务已经在日本、欧洲等地展开。中 国作为移动通信大国，3G的进展有必要与国际保持同步。国内3G牌照的发放政策虽然还未 明确，3G试验早在进行，国内几大电信商都有试验网。信息产业部组织的WCDMA实验也已 经进行到第二阶段，测试采用的都是商用版软件和商用手机。第二阶段不仅测试设备的功能， 还要检验设备商用程度。 WCDMA的成本不比第二代系统高，却提供更高质量的话音，单位数据业务成本却降低 了，并能更好地提供音频、视频等丰富多彩的多媒体业务。运营商选择WCDMA，可以从网络 建设、终端提供以及应用开发各个方面的规模上获得规模经济效益。WCDMA能够提供更高的 网络质量，更低的建网成本，还提供更有效的话音和数据的业务承载。由于WCDMA具有开放 性，在服务和开发方面也具有优势，它能够通过规模经济给运营商带来真正的收益。