（通信与信息系统专业论文）wcdma核心网中hlr软件模块设计.pdf

硕士学位论文 w c d m a 核心同中h l r 软件模块设计 摘要 t 16 2 4 4 9 0 w c d m a 是第三代移动通信系统的主流技术之一，能够提供统一的全球范围内 覆盖和使用的系统，支持从话音到分组数据到多媒体业务，能够根据需要提供带 宽。h l r 即归属位置寄存器( h o m el o c a t i o nr e g j s t e r ) ，是w c d m a 移动通信网 络系统中的一个基本的功能单元，用于存储移动用户的数据，包括移动用户的业 务特征、位置信息和活动状态，并对移动用户进行管理。论文首先介绍了w c d m a 系统无线侧空中接口的主要技术特点以及网络侧结构从u m t s r 9 9 到u m t s - r 5 版 本的演进，为h l r 系统方案的确立做出系统级概念上的背景铺垫。h l r 系统框架 方案参照试验系统的容量和性能规范，本文主要阐述了各个软件模块的功能以及 鉴权和加密流程。在介绍了内存数据库的组织形式之后，本文重点分析了索引 h a s h 算法以及数据完整性和一致性保护。最后具体描述了内存数据库软件模块 的几个基本流程，以及主备倒换时数据保护的流程算法，为系统框架的实现提供 了可以细化到代码的方案。 关键词： w c d m a 核心网h l r鉴权内存数据库h a s h 同步主备倒换 硕十学位论文 w c d m a 核心网中h l r 软件模块设计 a b s t r a c t w c d m ai so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e so ft h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w h i c hc a np r o v i d eu n i f i e ds y s t e mt h a tb e i n gu s e di nt h e w h o l ew o r l d ，a n d s u p p o r t s u c hs e r v i c e s a s g r o u p i n gp a c k a g e d a t aa n dm e d i a t r a n s a c t i o n s i ta l s oc a n p r o v i d et h er e q u i r e d b a n d h l rr e f e r st oh o m el o c a t i o nr e g i s t e r ，w h i c hi s ab a s i cf u n c t i o n a lu n i ti n w c d m am o b i l ec o m m u n i c a t i o nc o r en e t w o r ks y s t e m hi su s e df o rt h es t o r a g eo f t h eu s e r s d a t ai n c l u d i n gt h eu s e r s s e r v i c ep r o f i l e ，l o c a t i o ni n f o r m a t i o na n da c t i v i t y s t a t u s ，a n da l s oh l rp r o v i d et h ed a t am a n a g e m e n t t ot h eu s e r s t h i st h e s i sf i r s t l ye x p l a i n st h em a i nt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h er a d i oa c c e s si n t h ew c d m a s y s t e m ，a n da l s oi n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo f t h ec o r en e t w o r k ，v e r s i o n f r o mu m t s - r 9 9t ou m t s r 5 t h i sp r o v i d e st h eb a c k g r o u n dc o n c e p t sa ts y s t e m l e v e lf o rb u i l d i n gh l r s y s t e ms o l u t i o n h l rs y s t e ms o l u t i o nr e f e r e n c e st h ec a p a c i t y a n df u n c t i o n a ls t a n d a r do f t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m t h i sp a p e re l a b o r a t e st h ef u n c t i o n o fe a c hs o r w a r em o d u l ea n dt h ef l o wo fa u t h e n t i c a t i o na n de n c r y p t i o n a f t e r i n t r o d u c i n gt h eo r g a n i z a t i o nf o r mo f t h em e m o r yd a t a b a s e ，i tf o c u s e so nt h eh a s h a r i t h m e t i co fi n d e xa n dp r o t e c t i o no f i n t e g r i t ya n d c o n s i s t e n c eo ft h ed a t a i nt h el a s t o f t h e p a p e r ，t h eb a s i cf l o w o f t h eh l r d bs o f t w a r em o d u l ei ss p e c i f i cd e s c r i b e d ，a l s o i n c l u d et h ea r i t h m e t i co ft h ed a t ap r o t e c t i o ni nt h et i m eo ft h em a s t e r t o s l a v es h i f t t h i sp r o v i d e st h ec o d el e v e ls o l u t i o nf o rt h er e a l i z a t i o no f t h es y s t e mf r a m e k e y w o r d w c d m ac o r en e t w o r k m e m o r y d a t a b a s eh a s h m a s t e r t o s l a v es h i f t h u ra u t h e n t i c a t i o n s y n c h r o n i z a t i o n n 硕士= 学位论文w c d m a 核心网中h l r 软件模块设计 l 绪论 1 1 w c d m a 概述 科学技术的飞速发展给人们的生活带来日新月异的变化。通信技术的进步 更是对社会的文明与进步产生着深刻的影响。移动通信系统由于综合利用了有 线和无线的传输方式，解决了人们在活动中与固定终端或其他移动载体上的对 象进行通信联系的要求。个人通信概念的出现更是为未来的通信服务展示了美 好的前景，它的发展将使人类步入一个新的“信息时代”。 l - 1 1 第三代移动通信系统的发展历程 第三代移动通信系统i m t 一2 0 0 0 是国际电信联盟( i t u ) 在1 9 8 5 年提出的工 作在2 0 0 0 m h z 的频段、预期在2 0 0 2 年左右商用的系统，当时称为陆地移动通信 系统，即：f p l m t s 。1 9 9 6 年正式更名为i m t 一2 0 0 0 。1 9 9 2 年世界无线电大会也 为i m t 一2 0 0 0 分配了2 3 0 m h z 的频段。 从1 9 9 6 年开始第三代移动通信的研究逐渐成为移动通信领域的研究热点， i m t 一2 0 0 0 主要采用宽带c d m a 技术，这一点各国已达成共识，在各国陆续提交 的各自的标准中，w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 成为三种主要的方案标准。其 中w c d m a 为欧洲提出的宽带c d m a 技术，它与日本提出的宽带c d m a 技术基本相 同，双方的标准化组织经过进一步的融合形成了欧日同意的第三代移动通信无 线接口建议w c d m a ，开始它的码片速率( c h i pr a t e ) 为4 0 9 6 m c h i p s ，后由于 0 h g ( o p e r a t o r sh a r m o n i z a t i o ng r o u p ) 组织的建议，现码片速率( c h i p s ) 定为3 8 4 m c h i p s 。 经过各国标准化组织的多次融合和i t u rt g 8 i 多次会议的讨论以及o h g 组织的协调，在i t u rt g 8 1 赫尔辛基会议上通过了“i m t 一2 0 0 0 无线接口技术 规范建议”( i m t r s p c ) ，表明t g s 1 在制订第三代移动通信系统无线接口技术 标准方面的工作基本完成，第三代移动通信系统的开发和应用进入实质性阶段。 3 gw c d m a 系统的网络结构示意图如图1 1 ，w c d m a 网络分为无线接入网络接入 网( u r r a n ) 和核心网( c n ) 两部分，其中接入网设备包括用户设各u e ，n o d e b 硕士学位论文w c 啪 核心嗍中h l r 软件模块设计 ( 基站) ，r n c ( 基站控制器) ，核心网络设备m s c 、g s n 、h l r 设备等等。网络的 标准接口包括i u b 、i u r 、i u 等接口； 图1 ，1w c d 姒网络系统示意图 1 1 3 驰d 融系统技术特点 双向采用快速闭环功率控制技术 双向采用导频进行相干解调 采用发射、接收分集技术 码片速率高( 3 8 4 m c p s ) 采用编码增益高的信道编码技术 采用b p s k 和q p s k 调制解调技术 基站之间不需g p $ 同步 多种切换技术 多种速率传输 支持高速数据传输 先进的无线资源管理算法 1 2 h l r 概述 f i l r ( 归属位置寄存器) 是6 s m 或者3 g 核心网中的重要网元，存储与移动 用户有关的数据。一个t t l r 能够控制若干个移动交换区域或整个移动通信网， 所有用户的重要的静态数据都存贮在h l r 中，包括移动用户识别号码、访问能 力、用户类别和补充业务等数据。h l r 还存储且为m s c 提供移动台实际漫游所 硕士学位论文 w c d m a 核心网中h l r 软件模块设计 在的m s c 区域的信息( 动态数据) ，这样就使任何入局呼叫立即按选择的路径送 往被叫用户。本文所介绍的h l r 系统以及软件模块以u m t s r 9 9 网络结构版本协 议为参考。 1 - 2 1 h l r 系统框架 主 鲁用 主用l 信令处理m p is s 7 lt c a p 蜘! 信酱肝 lt c a p 业务处理模块【主1 业务处理模块 t m 【ii t m m a p l l h i a p 内存d b r j l内存d b i 2 2 i i l r 系统特点 图i 2h l r 系统框架 d b 服务器d b 胙务器 几雾日n li 昌= li lli u 重誊l j 1 ) 信令处理模块和信令接口板共同完成基于e 1 的窄带七号信令、基于i p 的宽带信令处理；每个模块中( 嵌入式单板) 上运行w i n d r i v e r 公司的 v x w o r k s 嵌入式实时操作系统，提供t o r n a d o l i 嵌入式软件开发环境； 业务处理模块完成业务处理、内存数据库的访问以及内存数据库的数据 同步：数据库服务器上提供数据同步引擎模块、数据受理模块： 2 ) 单板采用多模块负荷分担方式，备份机制为i + i 备份；业务模块按用户 标识i m s i 号段管理用户数据，完成相应用户的业务处理； 3 ) 多模块可进行叠加扩容，可从最简配置( 小容量局) 到满配置( 2 0 0 万 用户大容量局) 。 4 ) 当用户数据加载到模块内存后，m a p 业务模块通过接口函数直接存取位 于本模块上的内存数据库，业务响应速度快； 5 ) 数据受理模块接口模块采用主控进程分发，多应用处理进程负荷分担方 式负责受理近端、远端维护台的用户签约请求，完成商用数据库、内存 硕十学位论文w c d m a 核心嘲中h l r 软件模块设计 数据库的修改； 6 ) 同步引擎模块模块采用主控进程分发，多应用处理进程负荷分担方式响 应前台模块数据加载和同步请求，并返回结果； 7 ) 后台服务器支撑系统采用s i oc p 版本，提供u n i x n t 版本： 1 - 3 数据库软件概述 核心网数据库系统包括数据库和数据库软件。 数据库是一个结构化的相关数据的集合，包括数据本身和数据间的联系。 它独立于应用程序而存在，是数据库系统的核心和管理对象。 数据库软件是负责对数据库管理和维护的软件，具有对数据定义、描述、 操作、维护等功能，接受并完成用户程序及数据库的不同请求，并负责保护数 据免受各种干扰和破坏。数据库软件的核心是数据库管理系统( d a t a b a s e m a n a g e m e n ts y s t e m ) 。 数据库h l r 模块从软件结构上分析，属于核心网数据库系统的一个子系统 模块，而这个子系统模块又分为h l r 内存数据库模块和信令处理模块两部分。 在数据库子系统h l r 模块中采用内存数据库可以避免每次用户查询或者是动态 数据更新都需要对物理数据库进行操作，不仅使用户查询、动态数据更新速度 更为快捷。也使物理数据库系统更为稳定。 1 4 本文的工作简介及论文结构 本文针对中兴通讯公司z x w n 产品系列的h l r 系统，重点研究h l r 软件系统 的结构设计，以及内存数据库软件的设计和优化。论文的主要工作如下： 1 详细介绍了w c d m a 系统的无线侧空中接口和网络侧核心网的技术特点 以及各版本的网络结构，为具体介绍h l r 系统框架做出系统概念上的铺垫。 2 分析了h l r 网元的系统结构和协议确定的技术特征。设计了操作支撑、 t m 层、g a p 、内存数据库、物理数据库五个软件模块及相应的功能，使h l r 网 元整体架构有了可行的实现方案，并且结合鉴权协议设计了相应的流程，系统 结构的确立为详细设计、优化内存数据库软件模块提供了外部接1 ：3 。 3 详细介绍了表、索引和队列在内存中的组织形式，通过比较几种索引算 法的代价，选择了时间和空间代价比较优化，容易实现的h a s h 算法方案。并对 数据库存取过程中的一些数据的并发性和完整性问题给出了解决方法，内存数 据库核心组织形式的确立为设计内存数据库软件模块提供了必须的函数和方 法。 4 硕士学位论文w c d m a 核心嘲中h l r 软件模块设计 4 提出了h l r 内存数据库软件模块的实现方案；设计了内存数据库的同 步接收、同步发送、数据加载流程，优化了内存数据库因为主备倒换而出现的 数据完整性问题。完成了代码在n t 平台下v c + + 6 0 环境中的调试自测，并且 在实验室嵌入式v x w o r k s 操作系统的t o n a r d o 环境中进行了系统级测试。经过 单元自测和系统联调，内存数据库软件模块的性能符合系统要求，数据完整性 问题也得到了解决。 论文主要结构如下： 第一章介绍w c d m a 技术背景及发展趋势以及h l r 数据库总体概述。 第二章具体阐述w c d m a 无线侧空中接口技术特点以及核心网网络结构从 u m t s r 9 9 到u m t s - r 5 的版本演进。 第三章详细分析h l r 系统框架，细分为操作支撑、t m 层、m a p 、内存数据 库、物理数据库五个软件模块，以及鉴权流程和算法。 第四章给出内存数据库软件模块核心方案，分析表、索引、队列在内存中 的组织形式，优化索引算法。 第五章h l r 内存数据库软件模块同步接收、同步发送、数据加载流程设计， 业务模块主备倒换流程优化。 硕士学位论文 w c d l k , a 核心髓中b l r 软件模块设计 2w c d m a 系统技术特点及网络结构 2 1 w c d 砒系统空中接口技术特点 2 1 1 逻辑信道 w c d i d a 在定义逻辑信道时基本上遵从i t um 1 0 3 5 建议。下面为w c d m a 定义 的逻辑信道。三个可用的公共控制信道包括： 广播控制信道( b c c h ) 承载系统和小区的特有信息； 寻呼信道( p c h ) 在寻呼区向移动台发送信息； 前向接入信道( f a c h ) 在一个小区中从基站向移动台发送信息。 此外，有两个专用信道： 专用控制信道( d c c h ) 包括两个信道：独立的专用信道( s d c c h ) 和附 属的控制信道( a c c h ) ； 专用业务信道( d t c h ) 在上行链路和下行链路上进行点到点的数据传输。 2 1 2 物理信道 上行链路物理信道 上行链路有两个专用信道和一个公共信道。用户数据在专用物理数据信道 ( d p d c h ) 上传输，控伟8 信息在专用物理控制信道( d p c c h ) 上传输。随机接入 信道是公共接入信道。 上行链路每个码的每一个d p d c h 帧承载1 6 0 2 5 比特( 1 6 2 x k b i t s ) ，其中 肛o ，l ，6 ，在4 0 9 6 m c h i p s 码片速率时对应于扩频因子2 5 6 2 。多个并行 可变速率业务( 专用逻辑业务和控制信道) 可以在每个d p d c h 帧内时间复用。 总的d p d c h 比特率每帧均不相同。 多数情况下，每次连接仅分配一个d p d c h ，联合在一起交织的业务共享同 一个d p d c h 。然而，也可以分配多个d p d c h ( 例如：在高数据速率时为避免扩频 因子太低) 。 需要专用物理控制信道( d p d c h ) 来发送相干接受的导频信号、功率控制信 令比特和用于速率检测的速率信息。将物理控制信道和数据信道复用的两个基 本解决办法是时间复用和码复用。w c d m a 上行链路采用和并i q 和码复用方法( 双 信q p s k ) ，以避免非连续传输( d t x ) 的电磁兼容问题( e m c ) 。 6 硕士学位论文w c d 8 a 核心网中h l r 软件模块设计 时间复用控制信道的主要缺陷是用户数据采用d t x 时产生的e m c 问题。d t x 业务的一个例子是语音。在寂静期间不需要传输信息比特，但是脉冲传输想控 制信息一样，在任何情况下都必须发送。因为导频的传输速度和功率控制符号 为卜2 k h z ，它们对外部设备和终端内部均产生严重的e m c 问题。该e m c 问题在 上行链路方向更严重，因为移动台可能离其他的电子设备更近，例如显示器。 因为导频和功率控制在分离的信道上，没有发生类似脉冲的传输。对其他 用户的于扰和蜂窝容量，与时间复用方式相同。此外，如果分配给导频和功率 控制比特的能量相同，两种方案的链路级的性能也是相同的。 w c d m a 随机接入方案基于分时隙的a l o h a 技术，随机接入突发由两部分组 成，长度为1 6 2 5 6 码片( 1 m s ) 的前缀部分和可变长度的数据部分。在随机接 入请求发送之前，移动终端应该完成下列任务： 从同步信道( s c h ) 获得与目标基站的码片、时隙和帧同步，并从s c h 获得关于下行链路扰码的消息； 从b c c h 检索目标小区扇区所使用的随机接入码的信息。 估测下行链路路径损耗，与信号强度目标一起来计算随机接入请求所需 的发射功率。 有可能与随机接入突发一起发射短分组，而不用事先建立一个计划好的分 组信道。没有单独的接入信道用于与随机接入有关的分组业务，但所有的业务 共享同一个随机接入信道。如果随机接入容量需要这样的安排，可以采用多个 随机接入信道。 下行链路物理信道 下行链路有三个公共物理信道。主和次公共控制物理信道( c c p c h ) 承载下 行链路公共控制逻辑信道( b c c h 、p c h 、f a c h ) ：s c h 提供时间信息，在移动台 进行切换测量时使用。 专用信道( d p d c h 和d p c c h ) 是时间复用的。通常认为有非连续发射引起的 e m c 在下行链路上没有意义，因为信号可以并行发送给多个用户，并且基站与 其它电子设备不是很近。 下行链路上，时间复用导频信号用作相干检测。因为导频符号是连接专用 的，也可以与自适应天线一起进行信道估测。此外，可以采用连接专用的导频 符号，来支持下行链路的快速功率控制。另外，在b c c h 信道中的公共导频时间 复用可以用作相干检测。 主c c p c h 称在b c c h 信道和时间复用的公共导频信道。它是固定速率，并采 用与专用业务信道相同的方式映射到d p d c h 。主c c p c h 在所有小区中被分配同 样的信道码。一旦在初始小区搜索期间检测到基站的睢一扰码，移动终端便可 7 硕士学位论文w c i ) m a 核心网中h l r 软件模块设计 以发现b c c h 。 进行公共控制的次物理信道，在超帧结构中承载时间复用的p c h 和f a c h 。 不同小区中次c c p c h 的速率不同，其设置是用来在每个特定环境中为p c h 和f a c h 提供所需的容量。次c c p c h 的信道码在主c c p c h 上传输。 s c h 由两个子信道组成，主和次s c h 。s c h 采用短码掩码将长码的捕获时间 尽量减少。s c h 由两个短码来掩码( 主和次s c h ) 。未调制的主s c h 用来获得次 s c h 定时。调制的次s c h 码承载关于长码组的信患，即该b s 属于哪个长码。这 样，对长码的搜索可以限制在所有码的一个子集中。 主s c h 由长度为2 5 6 码片的未调制码组成，每个时隙传输一次。系统中每 个基站的主同步码应该一样，发射时与时隙边界进行时间校准。 次s c h 由一个长度为2 5 6 个码片的调制码组成，它与主s c h 并行传输。次 同步码从1 6 个不同的码组种选择，它取决于基站下行链路扰码c s c 属于3 2 个 不同码组中的哪一个。 次s c h 用1 6 比特的二进制序列调制，每帧进行重复。调制序列对于所有基 站均相同，具有良好的循环自相关特性。s c h 仅周期性地发射( 每时隙一个码 字) ，并当d p d c h d p c c h 和c c p c h 采用长码扰码之后，与d p d c h d p c c h 和c c p c h 复用。因此，s c h 与其他下行链路物理信道不正交。 2 1 3 扩频 w c d y , a 方案使用长扩频码。不同的扩频码用来在下行链路区分小区，在上行 链路区分用户。下行链路采用长度为2 ”的g o l d 码，但是它们被截成周期为l o m s 的帧。可用扰码的总数为5 1 2 ，分成3 2 个码组，每组里有1 2 个码，以辅助快 速小区搜索程序。在上行链路或采用长码( 扰码) 。短码可以简化多用户接收机 技术的实现；否则要采用长码。短码是长度为2 5 6 的v l k a s a m i 码，常码是长 度为2 “的g o l d 序列，但后者被截断形成周期为l o m s 的帧。 划分信道是采用正交码。不同扩频因子之间的正交性可以通过树形结构的 正交码来获得。 i q 码的复用导致两个信道的并行传输，因此必须注意已调制的信号星图及 相关峰值平均功率的比率( 峰值因子) 。发射机功率放大器的效率可以保持与 通常的q p s k 传输相同。 硕士学位论文w c d m a 核心网中h l r 软件模块设计 2 1 - 4 多速率 同一连接的多个业务在一个d p d c h 上复用。复用可以发生在内部或者外部 编码之前或之后。业务复用和信道编码之后，多业务数据流映射到一个d p d c h 。 如果整个速率超过了单个码传输的上限，可以分配到几个d p d c h 。 业务复用的第二种方式是，在多码方式和不同的信道编码交织情况下，将 并行业务映射到不同的d p d c h 。采用这种方案时，功率、每个业务的服务质量 可以单独控制。其缺点是需要多码传输，他对移动台的复杂性有影响。多码传 输对传输中功率放大器的线性度有较高的要求，在接受方则需要更多的相关器。 对于b e r = 1 0 1 的业务，采用1 3 的卷积码。对于高比特速率，采用1 2 的 码速率。对于更高的服务业务等级，采用外部r e e d s o l o m o n 编码以使b e r 达到 1 0 1 。可以利用重传来保证非实时分组数据业务的质量。 信道编码和业务复用以后，总比特率几乎可以是任意的。速率适配将该速 率与有限的可用的d p d c h 比特率的集合适配。采用重复或穿孔将已编码比特流 与信道总速率进行适配。下面介绍上行链路和下行链路的速率适配。 对于上行链路，与上行链路d p d c h 比特率最接近的速率适配总是基于不相 等的重复( 所重复比特的子集) 或码穿孔。通常，码穿孔的选取是针对这样的 比特速率，该速率相对于最接近的较低的d p d c h 比特速率低约不到2 0 。其他 情况下，根据最接近的较高d p d c h 比特率，进行不相等的重复。重复穿孔方式 可以通过发射机侧和接受机侧直接得到。 对于下行链路，与最接近的d p d c h 的速率适配即可以采用不相等的重复也 可以采用码穿孔，仅在可变速率连接的最高速率( 信道编码和业务复用以后) 和固定速率连接时进行。低速率的可变速率连接，与最高速率是采用的重复 穿孔方式相同，其余的速率适配基于不连续传输，其中每个时隙只有一部分用 来做传输。采用这种方式可以简化移动台中盲速率检测的实现。 2 1 5 分组数据 w c d m a 有两种不同类型的分组数据传输的可能性。短数据分组可以直接加到 一个随机接入突发中去。这种方式称做公共信道分组传输，用做短的不频繁的 分组，其中专用信道所需的链路维护会导致不可接受的开销。 当采用上行链路公共控制信道时，分组直接加到一个随机接入突发中去。 公共信道分组传输一般用作短的不频繁分组，其中专用信道所需的链路维护将 导致不可接受的开销。同时却避免了与转移到专用信道有关的时延需要注意的 9 堡主堂垡迨奎! 塑坠堕：坚旦主! 生墼鲑塑垫亟过 时对于公共信道分组传输，仅仅开环功率控制在起作用。因此，公共信道分组 传输限制为短分组，仅仅采用有限的容量。 较大的和频繁的分组在专用信道上传输。大的单个分组采用单分组方式发 送，而分组数据发送以后，专用信道立即释放。在多分组方案中，通过发送后 续分组之间的功率控制和同步信息来维持专用信道。 2 1 6 切换 w c d m a 中基站不需要同步，因此基站之间不需要外部的同步源如g p s 。当设 计软切换算法和实现定位业务时，需要考虑异步基站。 在进入软切换之前，移动台从两个基站测量下行链路s c h 的时间差别。移 动台将时间差别向服务基站报告。新的下行链路软切换连接的定时，按个符 号的分辨率来调整( 即来自两个基站的专用下行链路信号，同不到个符号的 精度) 。这样移动台r a k e 接收机能够从两个基站采集宏分集的能量。专用下行 链路信道的定时调整可以按一个符号的分辨率来进行，同时不失去下行链路码 的正交性。 2 2w c d i i a 系统核心网结构 i t u ( 国际电信联盟) 确认的w c d m a 核心网结构及协议共有3 g p pr 9 9 、3 g p p r 4 、3 g p pr 5 ，三个阶段的3 g 网络协议。本文将要研究的h l r 系统以及软件模 块，其核心网的结构属于r 9 9 版本，如图2 1 所示。r 9 9 、r 4 、r 5 阶段的协议 分别是在2 0 0 0 年上半年、2 0 0 1 年上半年、2 0 0 2 年上半年冻结功能。另外3 g p p 组织目前正在研究和规划r 6 阶段规范协议。 从协议发展的角度来看，3 g p p 协议的各个阶段点各有侧重。 r 9 9 阶段与2 gg s m 以及2 5 6g p r s 体系相比，主要是无线接入侧升级为 w c d m a 无线接入系统，核心网侧无根本性变化。 r 4 阶段在核心网电路域分离成m s cs e r v e r 和媒体网关m w g 两部分，实现 了控制和承载的分离，同时电路域采用了与分组域相同的分组传输网络，除了 继续使用g s m 或者r 9 9 阶段的t i ) m 传输介质承载话音和信令外，还实现了在i p 网络、a t m 上承载分组话音数据和信令的能力。实现了承载和控制面分离的体 系后，两个平面可以根据业务需求各自独立进行扩展，承载面专注于媒体流的 传输、不同承载类型之间媒体转换、各种编解码器以及回波抵消、语音等资源 的提供而控制面专注于进行承载无关的呼叫控制、业务流程处理，并且通过提 供标准a p i 接口连接外部应用服务器，方便地扩充和生成新的业务应用。 i o 硕士学位论文 w c d m a 核心网中h l r 软件模块设计 而在r 5 阶段主要是增加了i p 多媒体域i m s ，提供实施i p 多媒体业务。网 络结构基于i p v 6 ，增强了i p 网络上q o s 保证。在r 5 阶段i m s 域和p s 域成为 网络发展的重点。但r 5 阶段的部件及业务实现的思想也是基于控制承载分离的 机构基础之上。 图2 1 w 旺舢ar 9 9 系统基本结构 2 2 i w c d i i ir 9 9 系统网络设备功能描述 对于核心网设备： m s c v l r ：c s 域核心网节点，完成c s 域( c i r c u i ts w i t c h i n gd o m a i n ) 的移 动性管理、呼叫建立、鉴权和加密等功能。 g m s c ：p l m n 与外部网络之间的网关，完成呼叫路由功能。 s g s n ：提供p s 域( p a c k e ts w i t c h i n gd o m a i n ) 的移动性管理、会话建立、鉴 权和加密等功能。 g g s n ：提供会话建立、i p 地址分配、防火墙、外部代理等功能。 h l r ：存放用户的签约信息。 对于接入网设备： r n c ： r n c 主要完成无线资源管理和控制功能、移动性管理功能、连接控制 和管理功能； 硕士学位论文w c d m a 核心网中h l r 软件模块设计 n o d e b ：n o d e b 主要完成空中无线信号的发送、接收等功能 在r 9 9 核心网的网络结构以及内部的协议上，和g s m g p r s 非常相似，体现 了对g s m g p r s 网络的继承性和可演进的特点； 在接口与功能上，r 9 9 核心网和g s m g p r s 相比，最主要的差别体现在i u 和 a g b 接1 ：3 上：但是在核心网内部的接口上，两者非常相似，只是在部分接口与 功能上，r 9 9 网络有所增强，例如：增加了g s 、i u r 等接口； 在业务能力上，r 9 9 网络所提供的业务和g s m g p r s 相比要丰富得多，例如 在r 9 9 中，增加了对短消息业务的c a m e l 业务和g p r sc a m e l 业务的控制：另外 r 9 9 系统对业务的提供更加灵活，例如短消息业务既可以通过电路域实现，也 可以通过分组域实现，网络可根据实际情况灵活选择； 为了更好地支持各种业务的传输，r 9 9 网络采用宽带分组交换技术，如a t m ； 在传输方面，既可以采用t d m 这种传统的传输方式，也可以采用a t m 传输。 2 2 3w c d m ar 9 9 系统核心网结构 图2 2w c d 凇r 9 9 系统核心网结构 1 2 硕士学位论文 w c d ) d a 核心网中h l r 软件模块设计 2 2 4 w c d i 弧1 t 9 9 系统核心网主要接口 i u 接口：m s c s g s n 或u m s c 和r n c 之间的接口 b 接口：m s c 和v l r 之间的接口，内部接口 c 接口：( g ) m s c 和h l r 之间的接口 d 接口：v l r 和h l r 之间的接口 e 接口：m s c 和m s c 之间的接口 g a 接口：g s n 和c g 之间的接口 g c 接口：g g s n 和h l r 之间的接口，可选接口 g d 接口：s g s n 和s c 1 w g m s c 之间的接口 g n 接口：同一个p l m n 内s g s n 和g g s n 之间的接口 g p 接口：两个不同p l m n 内的s g s n 和g g s n 之间的接口 g s 接口：m s c 和s g s n 之间的接口 g i 接口：g g s n 和i n z e r n e t 之间的接口 2 2 5 舵d 姒r 4 系统网络结构 图2 3w c d 姒r 4 系统基本结构 1 3 硕士学位论文w c d m a 核心网中h l r 软件模块设计 2 2 6w c d m ar 4 系统特点 w c d m a 网络在向全i p 演进的过程中是逐步演进的，首先实现电路域的i p 传输，然后再考虑实现w c d m a 整个网络的i p 传输； r 4 网络和r 9 9 相比，主要的变化在c s 域，p s 域没有任何变化： r 4c s 域基于控制与承载分离的思想，将m s c 分为m g w 和m s cs e r v e r ； r 4 核心网内部的信令采用i p 传输；为了实现和p s t n 以及其它非i p 的 p l m n 之间的信令互通，增加了了一s g w ( 传输信令网关) 和r m g w ( 漫游信令 网关) ；t s g w 和r 枷册是逻辑的功能实体，在物理上，两者可能是含一 的； 为了实现控制和承载之间的关联，m s cs e r v e r 通过h 2 4 8 控制m g w 完成 媒体之间的转换。 2 2 7w c d m ar 5 系统网络结构 图2 4w c d m ar 5 系统基本结构 2 2 8w c d m ar 5 系统特点 r 5 网络和r 4 相比，增加了i m s ( 多媒体子系统： i pm u t i p e s u b s y s t e m ) ；i m s 主要完成基于i p 的移动多媒体业务，因此将其称之为i p 1 4 硕士学位论文 w c d m a 核心网中h l r 软件模块设计 多媒体域： 为了实现i p 多媒体子系统i m s 和其它网络如r 4 、r 9 9 以及p s t n 或其它 的p l m n 网络之间的互通，在i m s 中增加了m g w ，为了区别于r 4 的m g w ，通 常称之为i m s 一皤，雨将c s 域黼w 称之为c s 一黼w ： 在i m s 系统内部，采用s i p 协议支持i p 多媒体业务。 硕士学位论义w c d m 核心| 丙9 中h l r 软件模块设计 3 1 日l r 系统总体框架 3 1 系统原理 3 1 1 网元位置 图3 1h l r 在核心网中的位置 本章所介绍的h l r 系统结构以r 9 9 版本协议为参考，u m t s 网络结构r 9 9 版本相对于引进g p r s 的g s m 网络来说，其主要变化在无线侧，网络侧与无线侧 的接r 7 为i u 口，完全替换了g s m 网络中的a 口。对网元h l r a u c 来说，从2 5 代g s m 网络演进到3 gr 9 9 ，其在网络中的位置和与其他网元的接口没有变化， 具体结构如图3 1 所示。 h l r 与a u c 之间的接口h 为内部接口，与其他网元之间的接口c ，d ，l h ， g c ，g r 为标准接口，标准接口应用标准协议栈传递各网元之间的消息。 3 1 2 设计原理 h l r a u c 合为一个物理实体，a u c 的鉴权参数产生单元提供内部函数调用接 口，供h l r 在需要鉴权参数时调用。 软硬件设计都基于模块化设计思想。纵向，根据协议结构和功能划分模块， 模块之间的接口力求简洁，争取达到最小的模块间耦合性。横向，各节点之间 1 6 硕十学位论直= 虻d m 核心嘲中8 l r 软件模块设计 相互独立，单独处理部分用户业务信令，通过扩展节点，平滑提升系统容量。 系统架构：硬件采用3 gc n 的硬件结构，用户数据库采用内存数据库，每个 业务模块处理一定号段( i m s i ) 的用户，称为一个节点。每节点双机保护，物 理数据库只是用户数据的可靠备份，业务模块上电时，从物理数据库加载数据。 物理数据库到内存数据库的用户数据需实时同步，这些数据主要是用户的静态 数据；内存数据库到物理数据库的用户数据定时同步，这些数据主要是用户动 态数据。正常的业务处理过程中，直接在内存数据库查询和更新用户数据。 3 1 3 系统结构 h l r a u c 的系统结构，如下图3 ，2 所示。 幽3 2h l r a u c 的系统结构 h l r a u c 整个系统由业务处理部件( s h m ) ，数据库部件( d b m ) ，共路信令部 件( c s m ) ，操作维护部件( o m m ) 四大部分组成，各部件之间用百兆以太网经 h u b 相连，通过t c p i p 进行通信。为提高系统整体可靠性，内部以太网采用双 网保护机制。 s h m ( s e r v i c eh a n d l i n gm o d u l e ) ：业务处理部件，处理m a p 信令以及各种业 务，采用内存数据库，内存数据库位于业务处理部件，并完成与物理数据库部 件的交互。s h m 部件采用多节点分布式负荷分担方式，每一业务处理部件处理 一定号段用户的业务，每节点采用主备机热备用，以增强系统的可靠性，采用 多节点，以满足大容量的要求。 o b m ( o a t ab a s em o d u l e ) ：数据库部件，完成用户数据管理以及与s h f 和o 删 的交互。数据库部件采用多节点负荷分担方式，按用户号码段分担负荷。 硕士学位论文w s t p ) ：1 8 ，8 0 7 字节秒： 1 h l r 的参考负荷根据第三代移动通信技术试验设备规范w c d m a 核心网子系统( 2 0 0 1 年8 月版) 得到g p r s 业务负荷根据p s 域话务摸型得到；驰负荷考虑到s m 的广泛使用并参考呼叫话务模型得到。 受主堂垡堡皇 坚型! 壁：堂堕生! 坚塾堡堕堡塑盐 1 万c a m e l 用户，仅预约部分c a m e l 业务消息流量( 单向h l r 一 s t p ) ：5 ， 3 0 8 字节秒： 1 万非c a m e l 用户且只预约常用补充业务消息流量( 单向h l r 一 s t p ) ：2 ， 2 0 8 字节秒。 1 0 万c a m e l 用户信令流量：1 8 ，8 0 7 1 0 8 = 1 ，5 0 4 ，5 6 0 b i t 秒： 所需2 ml i n k ：1 ，5 0 4 ，5 6 0 2 0 9 7 1 5 2 0 4 = 1 8 = 2 条；所需6 4l i n k ： 1 ，5 0 4 ，5 6 0 6 5 5 3 6 0 4 = 5 7 4 = 5 8 条；1 0 0 0 0 0 5 8 = 1 7 2 4 2 0 0 0 用户条。 l o 万c a m e l 用户，仅预约部分c 灿t e l 业务：5 3 0 8 1 0 8 = 4 2 4 ，6 4 0 b i t 秒： 所需2 m1 i n k ：4 2 4 ，6 4 0 2 0 9 7 1 5 2 0 4 = 0 5 = 1 条： 所需6 4 kl i n k ：4 2 4 ，6 4 0 6 5 5 3 6 0 4 = 1 6 2 = 1 7 条； 1 0 0 ，0 0 0 1 7 = 6 0 0 0 用户条一5 0 0 0 用户条； 1 0 万非c a m e l ，且只预约常用补充业务的用户的信令流量：2 ，2 0 8 1 0 8 = 1 7 6 ，6 4 0b i t 秒；所需2 ml i n k ：1 7 6 ，6 4 0 2 ，0 9 7 ，1 5 2 o 4 = 0 2 = l 条；所需6 4 k1 i n k ：1 7 6 ，6 4 0 6 5 5 3 6 o 4 = 6 7 = 8 条；1 0 0 ，0 0 0 8 = 1 2 5 0 0 用户条1 0 ，0 0 0 用户条。 1 0 0 万c a m e l 用户信令流量：1 8 ，8 0 7 1 0 0 8 = 1 5 ，0 4 5 ，6 0 0 b i t 秒；所需2 m1 i n k ：1 5 ，0 4 5 ，6 0 0 2 0 9 7 1 5 2 0 4 =