3G移动通信原理第四章详解

第四章:通信管理UMTS核心网概述UMTS移动性管理UMTS会话管理UMTS通信管理UMTS核心网概述•UMTS网络管理层•UMTS网络数据库•用户设备状态•UMTS系统的区域划分•UMTS用户地址和标识UMTS网络管理层：•网络活动可以视为网络执行的管理功能，这些功能可以划分到多个管理层中•分为四个管理层面􀂇RRM􀂇MM􀂇SM􀂇CMUMTS网络管理层：•无线资源管理（RRM）全面覆盖于无线接入网（UTRAN）和用户设备（UE）之间，负责管理信道分配方式，通过空中接口使手机与网络通信。前面已做详细介绍•核心网（CN）负责维护移动性管理（MM）、会话管理（SM）和通信管理（CM）•管理的内容取决于是CS域（电路交换域）还是PS域（分组交换域）•UE和CN之间执行的高层功能通常称为CM，CM实体涵盖呼叫控制（CC）、补充业务（SS）和短消息业务（SMS）等UMTS网络数据库：•与用户有关的信息存储在网络的多个部分，因此网络有多个数据库•寻呼、信道建立和鉴权等活动的控制都要使用数据库􀂇HLR（归属位置寄存器）􀂇VLR（访问位置寄存器）􀂇SGSN（GPRS服务支撑节点）􀂇鉴权中心（AuC）􀂇RADIUS数据库􀂇设备标识寄存器（EIR）􀂇短消息业务中心（SMSC）􀂇智能网业务控制点（SCP）网络侧用户设备(UE)状态:•HLR下的状态􀂇UE附着(Attach)􀂇UE分离(Detach)•VLR下的状态􀂇UE空闲状态(Idle)􀂇UE忙(Busy)􀂇UE关机(Detach)UE空闲状态:•UE在服务区内，并处于加电状态下•UE听P-CCPCH信道上的小区系统消息•UE定时听寻呼消息•UE做周期位置更新•系统只知道UE所在的位置区(LA)或路由区(RA)，并不知道UE所在的小区UE忙状态:•处理呼叫过程时的状态•需要测邻小区的信号强度，加入测量报告•定期向网络上报测量报告，用于网络判断切换•网络知道UE所在的小区•忙状态下的UE不发生位置更新UE关机状态:•UE关机时，HLR中注册该UE已关机•当有该UE的寻呼消息时，MSC并不会发放寻呼该UE的消息UMTS服务区：•所有进行UMTS网络覆盖的区域公用陆地移动网(PLMN)业务区：•某个运营商提供的一个UMTS网络覆盖区域移动交换控制区(MSC区)：•一个MSC（移动交换中心）所控制下的区域位置区（LA）：•基于电路域，由多个小区（Cell）组成。最低是一个小区，最高是一个VLR下的所有小区•在位置更新过程中，VLR以LA为最小单位更新UE的位置路由区（RA）：•基于分组域，是执行路由区更新的情况下UE可以移动的区域LA和RA的关系：•RA是LA的一个子集，一个LA可以包含多个RA•一个RA不能属于多个LA注册区（URA）：•UMTS引入的额外的小区划分方法。用户移动到RNC服务区的地理范围内，用户被分配URA•用户从一个RNC转向另一个RNC时需更新此信息•是LA/RA的子集，也包含多个小区•在寻呼时，RNC可以把寻呼限定在URA区域，从而降低网络中的信令数量•在网络内部创建更加精确的用户数量统计区域UMTS用户地址和标识：•国际移动用户标识(IMSI)•移动用户国际综合业务数字网号码(MSISDN)•临时移动用户标识(TMSI)•分组临时移动用户标识(P-TMSI)•国际移动设备标识(IMEI)•移动用户漫游码(MSRN)•位置区标识(LAI)•路由区标识(RAI)国际移动用户标识(IMSI)：•功能：移动用户唯一的标识•结构：IMSI最长为15位数字/60个比特􀂇IMSI＝MCC＋MNC＋MSIN–MCC：移动国家代码（3位）–MNC：移动网络代码（2位）–MSIN：移动用户标识号码（正常情况下10位）•此号码存储在SIM/USIM卡里移动用户国际综合业务数字网号码(MSISDN)：•功能：唯一标识移动台号码•结构􀂇MSISDN号码最长为14位数字，如：086-139-012-34567􀂇MSISDN＝CC＋NDC＋SN–CC：国家码（1－3位），中国是086–NDC：国内目的地码（1－3位）–SN：用户号码，由HLR号码和移动用户码组成临时移动用户标识(TMSI)：•功能：在VLR区内唯一标识移动用户􀂇TMSI由VLR分配􀂇具有临时性􀂇具有唯一性(一个MSC/VLR下)•结构：共32比特长•TMSI可在下列情况下更新􀂇呼叫建立􀂇进入新的LA􀂇进入新的VLR•TMSI用于安全目的，这样不必通过空中接口传输用户的IMSI分组临时移动用户标识(P-TMSI)：•功能：在SGSN区域内唯一标识移动用户􀂇P-TMSI由SGSN分配􀂇具有临时性􀂇具有唯一性(一个SGSN下)􀂇换一个SGSN区域就要重分配一次•标识改变流程􀂇重配置流程􀂇路由区域更新流程国际移动设备标识(IMEI)：•功能：用于识别移动设备硬件(ME)的号码，具有唯一性•结构􀂇IMEI＝TAC＋FAC＋SNR＋SP(15位数)–TAC：型号批准码，由欧洲型号批准中心分配，前2位为国家码–FAC：最后装配码，表示生产厂或最后装配地，由厂家编码–SNR：序列号码，独立地、唯一地识别每个TAC和FAC移动设备–SP：Spare备用码•由EIR(设备标识寄存器)来存储和处理IMEI标识移动用户漫游码(MSRN)：•功能􀂇用于用户被叫的路由选择􀂇由服务的VLR分配􀂇呼叫建立之后就释放•结构：􀂇等同于MSISDN􀂇位置区标识(LAI)：•功能：用于标识一个位置区，进行位置更新判断•结构：LAI＝MCC＋MNC＋LACode–MCC：移动国家代码（3位）–MNC：移动网络代码（2位）–LACode：位置区码（2字节）小区全球标识（CGI）•功能：在全球范围内区分小区•结构：CGI＝LAI＋CI＝MCC＋MNC＋LACode＋CI路由区标识（RAI）：•功能：用于标识一个路由区，进行路由区位置更新判断•结构：RAI＝MCC＋MNC＋LACode＋CI＋RACode小区全球标识（CGI）•功能：在全球范围内区分小区•结构：CGI＝RAI＋CI＝MCC＋MNC＋RACode＋CI•基于位置区（LA）的位置更新•IMSI附着(Attach)/分离(Detach)•路由区更新•小区附着(Attach)/分离(Detach)•用户寻呼•漫游UMTS移动性管理：•由于用户总在移动，网络必须跟踪手机所在的位置，同时UE也要与网络保持联系。因此需要一整套的移动性管理机制•UMTS采用蜂窝结构，网络会保存与用户位置相关的信息，并规定了多个程序，当用户在移动时，允许不断更新这些数据库•HLR是存储与用户有关信息的中央数据库，如IMSI和MSISDN。HLR还存储用户所在MSC和SGSN的信息•MSC/VLR记录用户的LAI信息•SGSN记录用户的RAI信息•RNC记录用户URA信息RNC在移动性管理中的作用：•在GSM网络中，BSC是不负责移动性管理的，而是手机直接联系核心网，通知其位置变化情况•在UMTS网络中，RNC（类似于GSM的BSC功能）不仅保持用户URA的信息，还负责位置更新􀂇RNC跟踪用户处于哪个URA，这样RNC可以智能寻呼URA中的用户，从而减少网络中的信令􀂇RNC可同时处理到用户的CS连接和PS连接，这两个域分别使用LA和RA，跟踪用户的位置，如果LA/RA变化，可以分别通知VLR/SGSN基于LA的位置更新：•位置注册（开机位置更新）•在区域之间移动（越区位置更新）•定期位置更新位置注册（开机位置更新）：•打开用户设备（UE）时，将发生位置注册（IMSI附着），它会通知VLR该用户返回网络，能够接收呼叫•网络会向UE发送LAI和TMSI，这两个号码存储在USIM卡中•当UE发现接收到的LAI和USIM卡中存储的不同时，就启动开机位置更新􀂇步骤1：在该用户HLR中“用户所在VLR”改为新VLR步骤2：新VLR从该用户HLR中下载该用户信息􀂇步骤3：新VLR给用户分配TMSI􀂇步骤4：用户USIM卡中LAI信息改为新的LAI在区域之间移动（越区位置更新）：•每次手机接收控制信息时，会读取LAI，并把它与USIM卡中存储的LAI进行比较。如果不同，则会执行越区位置更新•越区位置更新的步骤􀂇步骤1：在该用户HLR中“用户所在VLR”改为新VLR􀂇步骤2：新VLR从该用户HLR中下载该用户信息􀂇步骤3：新VLR给用户分配TMSI􀂇步骤4：用户USIM卡中LAI信息改为新的LAI定期位置更新：•当网络在规定时间内没有从UE收到任何位置更新请求时，将执行定期位置更新•运营商启动定时器从而控制定期位置更新，网络广播这个定时器值告知所有的UE•定期位置更新是由UE主动发起的IMSI附着(Attach)/分离(Detach)：•IMSI附着是手机开机的状态。在附着状态下，UE能够处理通信，在网络中活动􀂇IMSI附着对应手机“空闲”和“忙”两种状态􀂇UE连续分析无线环境、LACode和小区标识•IMSI分离对应手机关机的状态􀂇关机时UE存储无线环境信息到内存中，通知网络其正在关机；在VLR中存储这一状态，之后不再有该UE的寻呼􀂇UE再次开机，检查无线环境是否和内存中的相匹配–匹配，则只做再次附着–不匹配，执行开机位置更新路由区（RA）更新：•RA更新与位置更新非常相似，执行目的相同•当UE在不同路由区之间改变小区时，执行RA更新•RA更新分成三种􀂇SGSN内部的RA更新（一个SGSN可以管理多个路由区）􀂇SGSN间的RA更新􀂇定期RA更新•SGSN间的RA更新需要旧SGSN把用户分组转发给新的SGSN电路域的用户寻呼：•在MSC中请求被叫用户的路由信息时启动这一寻呼过程•HLR检查数据库，找到被叫用户已执行位置更新的目的MSC/VLR•HLR请目的VLR提供MSRN，以建立寻呼路径•VLR提供MSRN，HLR把此MSRN转发到请求方MSC•请求方MSC通过MSRN建立到目的MSC/VLR的呼叫路径，寻呼该用户分组域的用户寻呼：•在GGSN中请求被叫分组数据用户的路由信息时启动这一寻呼过程•HLR检查数据库，找到被叫用户已执行路由区更新的SGSN•该SGSN的地址被提交到GGSN，建立数据连接•GGSN通过SGSN地址，在自己和SGSN之间建立GTP隧道，在建立的隧道上可以寻呼被叫用户在另一个网络漫游：•当用户位于他网时，移动性管理的机制是一样的•当UE位于拜访网络时，他将联系归属局网络（通过IMSI）。如果两个运营商达成漫游协议，且用户合法，用户信息将被拷贝到拜访网络的HLR和VLR中•世界上每个VLR的地址都是不同的，用户从一个网络移动到另一个网络，位置更新会照常进行UMTS会话管理•UE接入网络•UMTS的安全机制•UMTS电路域承载•UMTS分组域承载•UE退出连接UMTS会话管理（SM）：•UMTS会话管理包括UE如何才能接入网络并获得承载。承载分为􀂇话音类业务的实时承载􀂇数据类业务的非实时承载•会话管理需要RRM和MM功能的支持UE网络选择：•UE通过MCC（移动国家代码）和MNC（移动网络代码）来区分某个国家的某个运营商的网络。网络中每个小区都广播这些消息•运营商间协作，可以选择对边界区域的频率/码字进行规划，以减少冲突•UE开机时进行网络选择。UE首先通过空中接口知道网络提供的可能频率及小区使用的主扰码􀂇UE先检查关机前使用的最后一个频率和主扰码，判别是否仍有效；􀂇如无效，则对每一个可能的频率进行扫描，以期检测到小区发出的信号；􀂇扫描流程结束，UE首选归属局网络（USIM卡中存储）；其次选择优先网络（归属运营商设置）；最后选择信号电平最强的一个网络•网络选择可以手动，但通常情况会自动进行•网络选择后，UE将进行注册和位置更新UMTS的安全机制：•用户和网络的相互鉴权•使用临时标识•无线接入网的加密•保护UTRAN内部的信令完整性•注：加密算法都是公开提供的，以进行加密和完整性保护；相互鉴权算法则因运营商而异相互鉴