UMTS系统结构和核心网络通信协议体系分析

系统结构和核心网络通信协议体系分析*曹素华肖扬北京交通大学信息科学研究所，北京100044摘要：通用移动通信系统(UMTS)是IMT-2000第三代移动通信系统(3G)的重要组成部分之一，本文概述UMTS系统和技术的总体框架，首先介绍UMTS系统的体系结构及核心网演进，然后分析了接口技术的相关协议结构。关键词:3GPP，UMTS，WCDMA，Iu-CS，Iu-PS，IMS中图分类号：TN914文献标识码：AAnalysisofCNCommunicationinUMTSSystemStructureSuhuaCaoYangXiaoInstituteofInformationScienceBeijingJiaotongUniversity,Beijing100044[Abstract]UMTS,asanimportantmemberof3GstandardsputforwardbyIMT-2000,isintroducedinthispaper,anditisemphasizedonitsstructureandsystem.[KeyWords]3GPP，UMTS，WCDMA，Iu-CS，Iu-PS，IMS1引言通用移动通信系统(UMTS，UniversalMobileTelecommunicationSystem)[1-7]是ITU发展的IMT-2000框架中的第三代移动通信系统之一，实现了新一代的宽带多媒体通信技术，UMTS使用ITU分配的、用于陆地和卫星无线通信的频带，可通过移动或固定、公用或专用网络接入提供IMT-2000定义的所有业务[6][7]。本文首先介绍UMTS系统的核心网体系结构及核心网演进，然后详细分析核心网通信所涉及的相关协议。2UMTS的网络结构及其演进UMTS网络整体网络结构分为UTRA网络和核心网络两大部分。UTRA网络中的网元种类较少，主要包括BTS和RNC两种。BTS与GSM系统中的基站相同，是无线信号收发的基本单元，它可以支持WCDMA的编码方式。RNC（无线网络控制器）的功能相当与GSM系统中BSC与GPRS的PCU两者的结合，它承担无线资源管理、BTS控制以及切换管理等功能。从网络演进来看又分为R99、R4和R5不同的体系。2.13GPPR99的网络结构图1给出了支持电路交换域和分组交换域业务和接口的通用移动通信系统公众陆地移动网的基本配置。UMTS系统按照功能划分为两个基本域：用户设备域(UserEquipment*资助项目：北京交通大学“十五”科技攻关项目，国家自然科学基金课题：60572093。-1-)和基础域(InfrastructureDomain)。用户设备域进一步划分为USIM域(UserServicesIdentityModuleDomain)和移动设备域(MobileEquipmentDomain)；基础域进一步划分为接入网域(RadioAccessNetworkDomain)和核心网域(CoreNetworkDomain)。总起来讲，UMTS系统由用户设备域MS、无线接入网RAN和核心网组成。UMTSR99的网络结构中，核心网分为电路交换域(CircuitSwitchedDomain)和分组交换域(PacketSwitchedDomain)，Iu接口相应地分为IuCS和IuPS接口。如图1所示，核心网基于GSM/GPRS网络，保持了对GSM/GPRS网络的兼容性，GSM无线子系统(BSS)可以直接通过A接口和Gb接口直接连入UTRAN核心网。图13GPP的网络结构(R99)Figure1：NetworkstructureofR992.23GPP核心网的演进图2给出了3GPPR4网络结构[8]，与R99相比，主要变化在核心网的电路域，MSC演化为CS-MGW(CircuitSwitched-MediaGateway)和MSCServer，VLR和MSCServer集在一起，GMSC则演化为CS-MGW和GMSCServer。(G)MSCServer主要由呼叫控制(CallControl)和(G)MSC中移动控制(MobilityControl)部分组成，负责电路域的呼叫控制；CS-MGW只负责业务的承载。从上面的叙述可以看出，在R4版本中，电路域中将呼叫控制和业务承载分开，同时电路域采用IP承载(信令和业务)成为可能。-2-的网络结构(R4)Figure2：NetworkstructureofR4图33GPP的网络结构(R5)Figure3：NetworkstructureofR5图3给出了3GPPR5的核心网结构[13]，与R4版本相比，一个显著变化是增加了IMS(InternetProtocolMultimediaSubsystem)，3GPP标准给出了IMS的详细描述，但没有详细定义IM业务(IMService)。-3-：EntitiesinIMSubsystemIMS的基本配置如图4所示。IM-MGW(IPMultimediaMediaGateway)终结来自电路域和分组域的承载信道，可以支持媒体格式转换、承载控制和负载处理等。CSCF(CallSessionControlFunction)可以是ProxyCSCF(P-CSCF)、ServingCSCF(S-CSCF)和InterrogatingCSCF(I-CSCF)。3UMTS接口协议图5UMTS接口通用协议模型Figure5：GeneralprotocolmoduleofUMTSinterfaceUMTS接口协议结构的设计是根据相同的通用协议模型(如图5所示)进行的，协议结构各层及各平面逻辑上彼此独立，将来根据需要，协议结构的一部分可以进行修改，而其余部分保持不变。-4-(cs)协议结构Figure5：ProtocolStackofIuCSinterface图6给出了Iu(cs)总体协议结构，Iu(cs)控制平面协议栈包含位于宽带7号信令协议上层的RANAP，协议可用层是信令连接控制部分(SCCP)、消息传送部分(MTP3-b)和网对网接口信令ATM适配层(SAAL-NNI)。Iu(cs)协议结构的传输网络控制平面协议栈包含在BBNo.7上层用于建立AAL2连接(Q.2630.1和Q.2150.1)的信令协议。4UMTS的无线接口协议UMTS系统的空中接口Uu有UTRA(UniversalTerrestrialRadioAccess)FDD和TDD两种操作模式。本文只介绍UTRAFDD。无线接口协议用来建立、重新配置和释放无线承载业务。无线接口协议结构如图7所示，图中椭圆表示业务接入点(ServiceAccessPoint)。图7UTRANFDD无线接口协议结构Figure7：RadioProtocolStructureofUTRANFD-5-无线接口协议包括三层，第一层(L1)物理层，第二层(L2)数据链路层，第三层(L3)网络层。L2被分成几个子层，从控制平面看，包含媒体接入控制(MAC，MediumAccessControl)协议层和无线链路控制(RadioLinkControl)协议层；从用户平面看，除了MACD层和RLC层外，还有两个依赖于业务的协议层，分组数据汇聚协议层(PDCP，PacketDataConvergenceProtocol)和广播/组广播控制(BMC，Broadcast/MulticastControl)协议。L3只有一个协议子层即无线资源控制(RRC，RadioResourceControl)层，是属于控制平面的。物理层通过传输信道向MAC提供业务，所要传输的数据决定传输信道如何和以什么样的特征传输。MAC层通过逻辑信道提供业务给RLC层，逻辑信道由发送的数据类型决定其特征。RLC层通过业务接入点将业务提供给高层，业务接入点用来描述RLC层如何处理数据分组。在控制平面，RRC使用RLC传输信令；在用户平面，所有的业务都使用RLC。PDCP只存在于分组域业务，BMC用来传送由小区广播中心产生的无线接口协议。RRC层也是通过SAP将业务提供给高层(非接入层)，SAP在UE和UTRAN侧分别由高层协议和Iu接口RANAP协议使用。4.1传输信和物理信道呼叫控制协议传输信道根据数据在无线接口上传输的方式和特点分为两种：专用传输信道和公共传输信道。专用传输信道只有一种，即DCH(DedicatedTransportChannels)，可以是上行或下行，覆盖整个小区或采用波束赋形天线(Beam-formingantennas)只覆盖小区的一部分。公共传输信道有广播信道(BCH，BroadcastChannel)、前向接入信道(FACH，ForwardAccessChannel)、寻呼信道(PCH，PagingChannel)、随机接入信道(RACH，RandomAccessChannel)、公共分组信道(CPCH，CommonPacketChannel)和下行共享信道(DSCH，DownlinkSharedChannel)。基本的UTRAN网络必须的公共传输信道是RACH、FACH、BCH和PCH，而DSCH和CPCH是可选的。物理层提供给上层的另外的服务是指示(Indicator)，规范中规定的指示包括：捕获指示(AI，AcquisitionIndicator)、接入前缀指示(API，AccessPreambleIndicator)、信道指配指示(CAI，ChannelAssignment)、碰撞检测指示(CDI，CollisionDetectionIndicator)、寻呼指示(PI，PageIndicator)和状态指示(SI，StateIndicator)。物理信道定义为一个特定的载频(CarrierFrequency)、扰码(ScramblingCode)、信道化码(ChannelizationCode)、起止时间(时间间隔)和一个上行相对相位(0或1/2)的组合。另外，物理信道除了数据部分外，还包括控制部分和一些物理符号(Signal)。规范中规定的码片组合有以下几种：(1)无线帧：一个无线帧包含15个时隙，38400个码片；(2)时隙：一个时隙是包含数据位的域组成的时间间隔，2560个码片。上行物理信道分为上行专用物理信道和公共上行物理信道。上行专用物理信道分为专用物理数据信道(DPDCH，DedicatedPhysicalDataChannel)和专用物理控制信道(DPCCH，DedicatedPhysicalControlChannel)，图8给出了上行专用物理信道(DPDCH/DPCCH)的帧结构。其中，Pilot为导频比特，用来进行信道估计；TFCI为传输格式组合指示，指示当前帧的数据格式；TPC为发送功率控制，传送进行下行链路功率控制需要的功率控制命令；FBI为反馈信息比特，下行链路使用闭环发射分集时使用FBI比特。-6-上行专用物理信道(DPDCH/DPCCH)帧结构Figure8：FramestructureofDPDCH/DPCCH公共上行物理信道有物理随机接入信道(PRACH，PhysicalRandomAccessChannel)和物理公共分组信道(PCPCH，PhysicalCommonPacketChannel)。PRACH由一个或多个长度为4096个码片的接入前缀和一个长度为10ms或20ms的消息部分组成，每个接入前缀包含长度为16码片的256次重复，最多有16个签名(Signature)可用。下行物理信道分为下行专用