UMTS无线接入网络协议

UMTS无线接入网络协议(Rel’99)发布时间：2005-8-18UMTS无线接入网络协议(Rel’99)AStudyonUMTSRadioAccessNetworkProtocols关键词刘寅摘要3GPP于2001年3月完成了UMTS(Rel’99)规范的最终版本，目前，基于UMTS(Rel’99)的第三代移动通信系统已逐步投入商用。本文先介绍了UMTS(Rel’99)的无线接入网络结构和UTRAN协议模型与结构，然后介绍了Iu、Iur、Iub和Uu接口协议。关键词CN，UTRAN，RNC，NodeB，Iu，Iur，Iub，Uu，控制面，用户面UMTS(Rel’99,又称为R3)是目前较成熟的由3GPP制定的以GSM(包括GPRS)Phase2+演进的核心网为基础并采用WCDMA空中接口的第三代移动通信系统，也是目前签订合同数量最多的3G系统。它支持IMT-2000的接入速率要求(室外高速移动：144kbps，室外慢速移动：384kbps，室内：2Mbps)。UMTS(Rel’99)网络由核心网（CN）、无线接入网(UTRAN)和用户设备(UE)组成。文中介绍了UTRAN结构、UTRAN和CN与UE之间的接口协议(Iu或Uu)以及UTRAN的内部接口协议(Iur或Iub)。1UTRAN结构图1UTRAN结构UTRAN(UMTSTerrestrialRadioAccessNetwork)由通过Iu(分为IuCS和IuPS)与CN(分为电路域CS和分组域PS)连接的一组无线网络子系统(RNS)构成(如图1所示)。RNS由一个RNC和一个或几个NodeB组成，NodeB通过Iub与RNC相联。RNC负责系统信息广播、接入控制、切换控制、RNC重定位、功率控制、宏分集合并和无线资源分配与管理等功能，RNC之间可以通过Iur接口相联。NodeB负责无线信道的编码和资源管理，根据规范要求，NodeB应能支持多种接入方式：FDD模式、TDD模式或者双模。NodeB与UE之间通过空中接口Uu相联。一个RNC节点根据完成功能的不同在逻辑上划分为C-RNC(ControllingRNC)、S-RNC(ServingRNC)和D-RNC(DriftRNC)三种。C-RNC是指NodeB接入的RNC，负责NodeB的操作与维护、负载控制、接入控制和码的分配等功能。S-RNC是对接入UTRAN的UE而言，负责执行的功能包括传送UE与CN之间的信令和数据、流量控制、处理UE的位置信息、无线资源的管理(分配、释放和重配置等)、外环功率控制、切换判决和发起、软切换时数据的合并(CN方向)和分发（UE方向）等。一个接入UTRAN的UE有且只有一个S-RNC，S-RNC通常与C-RNC位于同一个RNC节点，但也可以不同，S-RNC可以通过迁移程序改变。D-RNC是UE连接的除S-RNC外的其他RNC，D-RNC与CN之间不存在任何逻辑连接，在宏分集时，D-RNC把数据透明的通过Iub或Iur分别传送给NodeB和S-RNC，一个UE可以接入多个D-RNC。2UTRAN协议结构UTRAN协议由控制平面和用户平面构成，每个平面又进一步划分为接入层（AS）和非接入层（NAS），其结构如图2所示。控制平面的接入层负责为NAS消息传送提供各种承载(无线承载RB和无线接入承载RAB)和承载的管理以及NAS消息的透明传送，控制面NAS处理的控制信息包括移动性管理(G)MM、会话管理SM和接续控制CM等；用户平面接入层实现各种无线接入承载业务，用户面NAS传送用户的业务数据，如话音或分组数据的传送。用户数据和控制信息(业务请求、资源分配、切换等)通过AS在UE与网络之间交换，Rel’99的各种NAS过程与GSM2+基本相同。图2UTRAN协议总体结构AS通过业务接入点(SAP)向NAS提供服务，3GPP在Rel’99中定义了三种SAP：GC(GeneralControl)、Nt(Notification)和DC(DedicatedControl)，无线接入承载(RAB)就是由接入层的两个SAP提供。接入层协议包括Uu、Iur、Iub和Iu协议，Uu和Iu协议为NAS提供了透明传送NAS消息的机制。NAS消息属于高层信息，因此，本文介绍的是接口的接入层协议。3UTRAN接口协议本章介绍UTRAN接口协议的通用模型和接口协议(Iu、Iur和Iub)，Uu协议将在下一章介绍。3.1UTRAN接口协议模型图3UTRAN接口协议模型图3是UTRAN接口协议(Iu、Iur和Iub)模型。接口协议分为两层三平面，即无线网络层、传输网络层以及控制(平)面、传输网络控制(平)面和用户(平)面。无线网络层处理所有与UTRAN有关的事项，传输网络层是指UTRAN选用的标准传输技术，而且UTRAN对传输没有特定的要求，3GPP在Rel’99版本中选用ATM传输技术。控制面由各种应用协议(如RANAP、RNSAP和NBAP等)和传输网用户面的信令承载组成，信令承载总是通过O&M建立，它既可以与传输网控制面的信令承载一样也可以不一样；用户面由需要传送用户数据流(如语音数据、分组数据…)和传输网用户面的数据承载构成。为了保持控制面和用户数据承载所选用传输技术之间的独立性，3GPP引入了传输网络控制平面，传输网控制平面负责传输网络层内所有控制信令的处理和数据承载的动态建立。传输网络控制面的核心是接入链路控制协议(ALCAP)，ALCAP是国际电联规范Q.2630.1，ALCAP支持点对点AAL2连接的动态建立、释放和维护。当使用传输网络控制面时，用户面的数据承载需要通过控制面应用协议触发ALCAP来建立；否则数据承载需要预先配置，如IuPS接口的用户面数据承载使用预先配置的虚电路(PVC)传送多种业务的分组数据。ALCAP不能为控制面应用协议或者处于实时操作的ALCAP建立信令承载，并且ALCAP的信令承载总是通过O&M建立的。UTRAN接口协议的各层和面在逻辑上相互独立，以方便标准化组织在未来需要时易于修改协议栈。3.2UTRAN接口协议UTRAN接口包括Iu、Iur和Iub,其中Iu接口分为IuCS和IuPS，UTRAN通过IuCS接入电路域(MSC),通过IuPS接入分组域(SGSN)。根据接口协议模型，Iu、Iur和Iub接口划分为二层三面，即传输网络层和无线网络层以及控制面、用户面和传输网络控制面，各接口的协议结构如图4所示。Iu(IuCS、IuPS)、Iur和Iub接口都选用ATM传输技术，传输网络控制面的存在与否取决于数据承载是否需要通过传输网络控制面来建立，如IuCS使用预配置的传输资源，因此无需传输网络控制面。IuCS和Iur信令承载由ATM层、网络间信令ATM适配层(SAAL-NNI)、宽带消息传送部分(MTP3-b)和STC(Q.2150.1)组成；Iur的信令承载还可以使用ATM层、AAL5、SIGTAN(IP、SCTP和M3UA)与STC(Q.2150.1)；Iub则使用ATM层、用户网络接口的信令ATM适配层(SAAL-UNI)和Q.2150.2作为信令承载。IuCS、Iur和Iub都采用ALCAP(Q.2630.1)来建立用户面的数据承载。IuPS由于采用预配置的数据承载，因此，IuPS无需传输网络控制面。图4Iu(IuCS、IuPS)、Iur和Iub接口协议结构UTRAN接口控制面协议传送控制信息，传输网络层通过提供信令承载为无线网络层的应用提供承载业务。Iu(IuCS、IuPS)、Iur的信令承载由ATM层、网络间的信令ATM适配层(SAAL-NNI)、宽带消息传递部分(MTP3-b)和SCCP构成；而IuPS和Iur还可以使用ATM层、AAL5、SIGTRAN(IP、SCTP和M3UA)和SCCP作为信令承载；Iub直接使用ATM层和用户网络接口的信令ATM适配层(SAAL-UNI)作为信令承载。Iu、Iur和Iub的无线网络层协议分别为RANAP、RNSAP和NBAP。UTRAN接口的用户面使用数据承载为用户数据提供承载业务。IuCS、Iur和Iub用户面选用AAL2作为数据承载，传送实时或非实时的用户业务数据流。IuPS的数据承载由AAL5、IP/UDP与GTP组成，用于传送用户移动数据业务的分组。3.2.1传输网络层－物理层(PHY)Iu、Iur和Iub的物理层负责时钟提取、传输质量控制、信元定界和告警的产生与提取等功能，3GPP在[8]、[9]和[10]中规定了UTRAN接口选用的物理层标准，适合我国的主要有STM-1、STM-4和E1等。目前大多数厂家的设备提供STM-1和E1,对于于核心网的连接也可提供STM-4。3.2.2传输网络层－ATM层由于3G需要支持不同QoS要求的移动业务，3GPP在[8]、[9]和[10]规定了Iu、Iur和Iub接口选用能支持不同QoS业务的ATM传输方式。ATM采用长度为53字节的信元传送实时(话音、视频等)或非实时(图象、文件等)数据，信元头为5字节,数据48字节。ATM节点之间采用永久虚电路(PVC)或交换虚电路(SVC)连接，虚电路连接可以建立在虚通道或虚通路上。PVC是ATM交换机通过业务预约由管理系统人工建立和拆除的双向点到点或点到多点的逻辑连接；SVC是交换机根据需要通过信令动态建立和拆除的双向点到点或点到多点的逻辑连接。ATM信元分为用户-网络接口(UNI)和网络-网络接口(NNI)两种,其格式如图5所示。ŸGFC(4位)：用于流量控制。ŸVPI(8位)或VCI(16位)：虚通道或虚通路标识。ATM信元通过VPI/VCI选路。VC的建立以呼叫为基础，一个ATM传输路径可以包括多个VP，一个VP可以包括多个VC。Ÿ图5ATM信元格式PT(3位)：净荷类型。标识净荷的类型和是否经历拥塞。ŸCLP(1位)：用于在网络拥塞时的流量控制。CLP=1的信元比CLP=0的信元优先级高。ŸHEC(8位)：用于ATM信元头部的检错和纠错。3.2.3传输网络层－ATM适配层(AAL)ATM适配层(AAL)分为分段与重组子层(SAR)和汇聚子层(CS)。SAR负责把数据流分段装入48字节ATM信元净荷部分或把净荷重组为原始的业务数据流。CS主要完成数据类型的识别和同步，分为公共部分汇聚子层(CPCS)和业务特定的汇聚子层(SSCS)，其中SSCS随业务的不同而不同，有些业务可以不使用SSCS。ITU定义了五种AAL(AAL1、AAL2、AAL3/4和AAL5)来支持不同类型的业务数据传送。1)AAL1：用于传送实时的固定比特率的面向连接的业务数据，如电路仿真。2)AAL2：用于传送实时的可变比特率的面向连接的业务数据（如视频或音频），一个AAL2通道可以包含在不同的ATM虚通道连接(VPC)中，VPC也可以包含在不同的ATM物理接口中。3)AAL3/4：用于传送非实时面向连接或无连接的可变比特率的业务数据，如LAN仿真。4)图6AAL2、AAL5的PDU格式AAL5：用于异步的非实时的面向连接的可变比特率的业务数据，如帧中继等。而UTRAN接口中的AAL5由SAR和CPCS组成。根据传送业务数据流的不同，不同的UTRAN接口不同的平面使用不同的ATM适配层。IuCS、Iub和Iur接口用户面由于需要传送实时的可变比特速率的话音数据(AMR编码)，因此，选用AAL2作为用户面的数据承载；此时，传输网络层就需要使用传输网络控制面来根据控制面的指示建立用户面的数据承载(AAL2)，不同信道的数据(如FACH、DCH等)复用到同一ATM信元，不同信道数据通过PH(PacketHeader)中的通路识别符(CID)区分，最多248个用户（其中CID为1：层管理，2：信令，3～7：保留，8～255：用户实体）。而IuPS用户面由于传送非实时或是实时性不强的移动数据业务，所以选用AAL5作为IuPS的数据承载，多种分组数据流在一个或多个PVC中复用即IuPS用户面使用预定义的传输资源(PVC)。AAL2和AAL5的PDU格式如图