WCDMA网络结构,接口协议与基本信令流程(储林波,20040318)

1、WCDMA系列培训教材(基础篇WCDMA网络结构、接口协议和基本流程中兴通讯移动事业部系统一部2004年3月WCDMA系列培训教材WCDMA网络结构、接口协议和基本流程本资料著作权属中兴通讯股份有限公司所有。未经著作权人书面许可,任何单位或个人不得以任何方式摘录、复制或翻译。侵权必究。Copyright 2003 by ZTE CorporationAll rights reserved.No part of this publication may be excerpted, reproduced, translated or utilized in any form or by any m

2、eans, electronic or mechanical, including photocopying and microfilm, without permission in writing from the ZTE Corporation.策划移动事业部编著储林波责任编辑XXX封面设计XXX* * * *中兴通讯股份有限公司上海研发中心地址:上海市浦东新区碧波路889号B座502电话:86-21-68895000传真:86-21-50800813邮编:201203* * * *版次:2003年12月第1.0版编号:V1.0第三代移动通信技术:协议与信令流程培训教材上海研发中心系统一部

3、目录第一章概述 (5第二章网络结构 (62. 1 R99网元和接口概述 (62.1.1移动交换中心MSC (82.1.2 拜访位置寄存器VLR (82.1.3 网关GMSC (82.1.4 GPRS业务支持节点SGSN (92.1.5 网关GPRS支持节点GGSN (92.1.6归属位置寄存器与鉴权中心HLR/AuC (92.1.7移动设备识别寄存器EIR (92.3 R4网络结构概述 (92.3.1 媒体网关MGW (112.3.2 传输信令网关T-SGW、漫游信令网关R-SGW (112.4 R5网络结构概述 (122.4.1 媒体网关控制器MGCF (142.4.2 呼叫控制网关CSCF

4、 (142.4.3 会议电话桥分MRF (142.4.4归属用户服务器HSS (15第三章UTRAN和UE (153.1 RNC (153.2 Node B (173.3 UE (18第四章接口与协议 (194.1 Iu接口与协议 (204.1.1 Iu-CS协议结构 (214.1.2 Iu-PS协议结构 (224.1.3 Iu-BC协议结构 (234.1.4 RANAP协议 (234.1.5 Iu UP协议 (244.2 Iur接口与协议 (264.2.1 RNSAP协议 (274.2.2 FP协议 (274.3 Iub接口与协议 (284.3.1 NBAP协议 (294.3.2 FP协议

5、(304.4 Uu接口与协议 (314.4.1 MAC协议 (334.4.2 RLC协议 (344.4.3 PDCP协议 (364.4.4 BMC协议 (374.4.5 RRC协议 (38第五章基本流程 (405.1 位置更新 (405.2 CS呼叫(无NBAP 和RRC Connection 信令流程 (425.3 CS呼叫释放(无NBAP信令流程 (445.4 CS 主叫(Mobile Original (455.5 CS 被叫(Mobile Terminal (465.6 CS 呼叫释放 (475.7 GMM_Attach (485.8 PDP_Context (495.9 PDP_Co

6、ntext Deactive (505.10 GMM_Detach (525.11 前向切换流程 (532.12 软切换流程 (552.13 硬切换流程 (585.14 系统间切换流程 (635.14.1 CS域系统间切换 (635.14.2 PS域系统间切换 (675.15 Iu口控制面重定位流程 (72附录1:缩略语 (79附录2:核心网网元接口 (85第三代移动通信技术:协议与信令流程培训教材 上海研发中心系统一部第一章 概述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,W

7、CDMA-FDD 模式采用直接序列码分复用多址接入方案,把数据信息扩展到5MHz 带宽,由此称为宽带-CDMA (WCDMA 。通常也把UMTS 系统称为WCDMA 通信系统。UMTS 同GSM 最基本的区别在于UMTS 可以通过协商业务量和QoS 特征的方式支持高比特率的承载业务,同时UMTS 可以有效地支持突发和不对称业务,所以UMTS 可以支持单一媒体和多媒体的N-ISDN 应用和单一媒体和多媒体的IP 应用。 图1-1 网络业务质量对比图UMTS 从功能上,网络单元可以分为无线接入网络(UMTS Radio Access Network ,UTRAN 和核心网(Core Network

8、 ,CN ,其中无线接入网络UTRAN 用于处理所有与无线有关的功能,包括一个或多个无线网络子系统(RNS ,一个RNS 由一个RNC 和一个或多个Node B 构成,每个RNS 负责管理所辖的小区等无线资源。RNC 和Node B 之间通过Iub 口相连,为了宏分集的需要,RNC 之间也可通过Iur 接口相连。UTRAN 内部网元通过IF1接口与OMC-R/B 网管中心连接;CN 处理UMTS 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,CN 内部网元通过IF1接口与OMC-C 网管中心连接。网管中心通过IF2接口与网络管理系统NMS 相连接。各个网元也可以通过直联接口IF4和网络

9、管理系统相连。上述两个单元、用户设备(User Equipment ,UE 与网管中心一起构成了整个UMTS 系统。 E-mailWeb page 2G 2.5G 3GPictureMovie 图1-2 UMTS PLMN网络单元构成示意图第二章网络结构3GPP关于WCDMA系统的技术规范分为R99、R4、R5等多个版本。R99是基于GSM 和GPRS演进的系统,而R4、R5是基于全IP的网络架构。在R4/R5阶段的规范制定中,核心网的网元定义和接口发生了比较大变化。2. 1 R99网元和接口概述R99核心网基本结构如图2-1,图中粗线表示光纤,细线表示以太网线和E1线缆等,兰线表示含有业务数

10、据流。核心网分为电路域(CS和分组域(PS,电路域基于GSM Phase2+的电路核心网的基础上演进而来,分组域基于GPRS核心网的基础上演进而来,内部为传统的TDM网络。电路域包括的网络单元有:移动业务交换中心(MSC、访问位置寄存器(VLR、网关移动业务交换中心(GMSC;分组域包括的网络单元有:业务GPRS支持节点(SGSN、网关GPRS支持节点(GGSN;归属位置寄存器(HLR、鉴权中心(AuC和设备标识寄存器(EIR、短消息中心(SC为电路域和分组域共用的网元。从整个CN 子系统来看,UMTS R99核心网与GSM、GPRS核心网之间的差别主要体现在Iu接口与A 接口的差别、CAME

11、L的差别以及业务上的差别等。和原GPRS系统相比,WCDMA显著地提高了无线资源的利用率,并简化核心网部分的协议栈,将处理工作下推给RNC。核心网中的主要技术突破,是引进了具有AAL2和AAL5适配方式的ATM交换技术、IP技术, AMR编解码技术、TransCode技术和基于CS/PS域的Iu接口技术。同时,与第二代相比,核心网在CAMEL业务、LCS系统等方面都进行了功能增强性设计。无线接入网络的网络单元包括无线网络控制器(Radio Network Controller,RNC和WCDMA的收发信基站(Node B两部分。 * SGSN与EIR间为Gf接口;SGSN与HLR间为Gr接口,

12、与SC间为Gd接口;* MSC与EIR间为F接口;SGSN与HLR间为D接口;* G MSC与HLR间为C接口;* G GSN与HLR间为Gc接口;图2-1 R99网络结构图从网络结构图中可以看出,WCDMA系统主要有如下接口:USIM卡和ME之间的电气接口Cu口、WCDMA的无线接口Uu口、UTRAN和CN之间的接口Iu口、RNC之间的接口Iur口以及Node B和RNC的接口Iub口。R99版本用户面PS域的协议结构如下图,因Iuup为透传模式,在本图中未画出。 图2-2 R99网络用户数据协议(PS域结构图2.1.1移动交换中心MSC移动交换中心MSC是CS域网络的核心,为CS域特有的设

13、备,用于连接无线系统(包括BSS、RNS和固定网。它提供交换功能、负责完成移动用户寻呼接入、信道分配、呼叫接续、话务量控制、计费、基站管理等功能,并提供面向系统其它功能实体和面向固定网(PSTN、ISDN、PDN的接口功能。作为网络的核心,MSC与其他网络单元协同工作,完成移动用户位置登记、越区切换和自动漫游、合法性检验及频道转接等功能。MSC从VLR、HLR/AuC数据库获取处理移动用户的位置登记和呼叫请求所需的数据。反之,MSC也根据其最新获取的信息请求更新数据库的部分内容。2.1.2 拜访位置寄存器VLR拜访位置寄存器VLR为CS域特有的设备,是服务于其控制区域内的移动用户的,它存储着进

14、入其控制区域内已登记的移动用户的相关信息,为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要数据。VLR从该移动用户的归属位置寄存器(HLR获取并存储必要的数据。当MS漫游出该VLR的控制范围,则重新在另一个VLR登记,原VLR将取消临时记录的移动用户数据,因此,VLR可以看作为一个动态用户数据库。2.1.3 网关GMSC网关MSC(GMSC,即移动关口局,是WCDMA移动网CS域与外部网络之间的网关节点,GMSC是电路域特有的设备,是可选功能节点,是用于连接CS域与外部PSTN的实体。通过GMSC,可以完成CN的CS域与PSTN的互通。它主要功能是完成VMSC功能中的呼入、呼叫的路由功能。在业务量小时

15、物理上可与MSC合一。UE Node B DRNC SRNC SGSN GGSN Router Server2.1.4 GPRS业务支持节点SGSNSGSN是GPRS业务支持节点,SGSN为PS域特有的设备,是PS域的核心。SGSN提供核心网与无线接入系统BSS、RNS的连接,在核心网中与GGSN/GMSC/HLR/EIR/SCP等有接口。SGSN完成分组数据业务的移动性管理、会话管理等功能,管理MS在移动网络内的移动和通信业务,并提供计费信息。2.1.5 网关GPRS支持节点GGSNGGSN是网关GPRS支持节点,GGSN也是分组域特有的设备,可以将GGSN理解为连接GPRS网络与外部网络的

16、网关。GGSN提供数据包在WCDMA移动网和外部数据网之间的路由和封装。GGSN主要功能是同外部IP分组网络的接口功能,GGSN需要提供UE 接入外部分组网络的关口功能,从外部网的观点来看,GGSN就好象是可寻址WCDMA移动网络中所有用户IP的路由器,需要同外部网络交换路由信息。GGSN通过Gn接口与SGSN 相连,通过Gi接口与外部数据网络(Internet/Intranet相连。2.1.6归属位置寄存器与鉴权中心HLR/AuC归属位置寄存器(HLR为CS域和PS域共用的设备,是一个负责管理移动用户的数据库系统。它存储着所有在该HLR签约的移动用户的位置信息、业务数据、帐户管理等信息,从而

17、完成移动用户的数据管理(MSISDN、IMSI、PDP ADDRESS、签约的电信业务和补充业务及其业务的使用范围,并可实时提供对用户位置信息的查询和修改,及实现各类业务操作,包括位置更新、呼叫处理、鉴权、补充业务等,完成移动通信网中用户移动性管理(MSRN、MSC号码、VLR号码、SGSN号码、GMLC等。鉴权中心(AuC也是CS域和PS域的共用设备,用于系统的安全性管理,是存储用户鉴权算法和加密密钥的实体。用来防止无权用户接入系统和保证通过无线接口的移动用户通信的安全。AuC将鉴权和加密数据通过HLR发往VLR、MSC以及SGSN,以保证通信的合法和安全。每个AuC和对应的HLR关联,只通

18、过该HLR和外界通信。2.1.7移动设备识别寄存器EIR移动设备识别寄存器(EIR存储着移动设备的国际移动设备识别码(IMEI,通过核查白色清单、黑色清单或灰色清单这三种表格,在表格中分别列出准许使用的、出现故障需监视的、失窃不准使用的移动设备的IMEI号码,使得运营部门对于不管是失窃还是由于技术故障或误操作而危及网络正常运行的UE设备,都能采取及时的预防措施,以确保网络内所使用的移动设备的唯一性和安全性。2.3 R4网络结构概述图2-3所示为R4版本的PLMN基本网络结构,图中所有功能实体都可以作为独立的物理设备。 * SGSN与EIR间为Gf接口;SGSN与HLC间为Gr接口,与SC间为G

19、d接口;* MSC与EIR间为F接口;SGSN与HLC间为D接口;* G MSC与HLC间为C接口;* G GSN与HLC间为Gc接口;图2-3 R4网络结构图R4版本中核心网结构的改变都发生在电路域中(即话音,电路域发生了革命性的变化,引入叫控制和媒体交换/承载的分离的软交换机构架,而对于分组数据的处理改变很小。PS 域的功能实体SGSN和GGSN没有改变,与外界的接口也没有改变。CS域的功能实体仍然包括有:MSC、VLR、HLR、AuC、EIR等设备,相互间关系也没有改变,但为了支持全IP 网发展的需要,R4版本CS域实体变化为:MSC分成两个不同的实体实现业务与控制的分离,两者之间以媒体

20、网关控制协议H.248交互,Server与Server之间都采用承载无关的呼叫控制(BICC协议:MSC服务器(MSC Server,仅用以处理信令,和媒体网关(MGW,用于处理用户数据。对应的GMSC也分成GMSC Server和MGW。新增漫游信令网关(R-SGW和传输信令网关(T-SGW。整体上信令网关数量远少于媒体网关数量。核心网内部即可源用原来的TCM承载,也可采用IP/ATM相结合承载的网络结构。在接入网侧R4的主要变化为:1引入IP传输,与原A TM传输共存;2引入对TD-SCDMA(TDD支持。2.3.1 媒体网关MGW媒体网关MGW(Media Gateway Functio

21、n实现媒体路径层上与外部网络的互联,是2G电路交换网络与3G全IP网络的接口,应具有承载资源控制、回声抑制以及编码器的功能。MGW与MSC SERVER间的Mc接口协议结构如下图。 图2-4 MGW与MSC SERVER接口(Mc接口协议结构图 ATM承载控制协议结构IP承载控制协议结构图2-5 网关控制协议与承载控制协议结构图2.3.2 传输信令网关T-SGW、漫游信令网关R-SGW传输信令网关T-SWG (Transport Signaling Gateway Function是连接3G核心网络与标准外部网络(如传统PSTN/PLMN的信令SS7网关,用于转换与呼叫有关的信令,完成IP地址

22、与PSTN/PLMN地址的映射转换,支持“Sigtran”协议,处理SCCP协议,不处理CAP、MAP协议。漫游信令网关R-SGW(Roaming Signalling Gateway Function的作用是实现与使用SS7标准的旧移动网络(如2G移动网GSM PLMN互联的节点,需要完成IP信令与NO.7,一般与T-SWG共存于一个平台内。2.4 R5网络结构概述 图2-6 R5网络IPM结构图R5网络随ALL IP网络的出现,不但在核心网络实现IP,在无线接入部分也引入IP。为适应IP多媒体业务的出现,除原有的CS、PS域之外,在核心网内部新增IP多媒体域IPM (如图2-6所示,IPM

23、对应IMS系统,使用IPV6协议作为基本的IP承载协议,引入大量新的功能实体,可连接多种无线接入技术(UTRAN、ERAN。智能业务的控制更加灵活, CAMEL4完成。R5版本的网络结构和接口形式和R4版本基本一致,差别主要是:当PLMN包括IM子系统时,HLR被HSS所替代,接入网与核心网间没有Iu-CS接口。呼叫控制网络实体包括的媒体网关与信令网关,除R4网络已有的R-SGW、MGW、T-SGW,新增CSCF、MGCF、MRF,一起完成呼叫控制与信令功能,实现各种实时移动业务。在接入网无线接口,采用HSDPA技术,数据速率达到10.8Mbps。同时接入网提供多种无线接入技术(UTRAN、E

24、RAN,且为多核心网共享,可以被多个核心网管理。UE性能大大提升,支持会话发起协议SIP进行V oIP通话,实际变为SIP用户代理,具有比以前更强的业务控制能力。 图2-7 R5网络结构图2(核心网和接入网统一 图2-8 R5网络用户数据协议(PS结构图 UE Node B DRNC SRNC SGSN GGSN Router Server 图2-9 网络控制面传输承载协议演进图R5中对SGSN、GGSN节点的功能进行了增强,表现为:不仅能支持数据业务,而且能支持传统上属于电路交换的业务(如话音业务,即支持合适的QOS功能。2.4.1 媒体网关控制器MGCF媒体网关控制器MGCF(Media

25、Gateway Control Function用于控制MGW媒体通道的连接,选择入呼叫所使用的CSCF,以及3G全IP网络与2G网络的呼叫接续控制。2.4.2 呼叫控制网关CSCF呼叫控制网关CSCF (Call State Control Function功能类似MSC,用于在全IP网络中完成呼叫接续与控制,对来自或发往用户的多媒体会话(Multimedia Session的建立、保持和释放进行管理,充当代理服务器或登记服务器作用。CSCF从功能上来划分可以划分为:入呼叫控制网关ICGW (Incoming call gateway,用于完成入呼叫的路由、地址转化等控制功能;呼叫控制CCF

26、 (Call Control Function,用于完成呼叫控制、资源分配以及计费等功能;控制配置器SPD(Serving Profile Database,通过与HSS交互,可以得到与控制配置信息;地址处理器AH(Address Handling,完成地址解析与转换功能。以CSCF为核心形成IP多媒体子系统,实现在IP网络上传输语音、数据、图象等各种媒体流。2.4.3 会议电话桥分MRFMRF(Multimedia Resource Function会议电话桥分功能,用于完成多方通话以及多方会议的功能。2.4.4归属用户服务器HSS归属用户服务器HSS是网络中移动用户的主数据库,存储有支持网

27、络实体完成呼叫/会话处理相关的业务信息。HSS和HLR一样,负责维护管理有关用户识别码、地址信息、安全信息、位置信息、签约服务等用户信息,区别是其接口采用基于类似IP的分组传输方式,而HLR使用基于7号信令系统的标准接口格式,同时HSS功能更强大,可处理更多的用户信息。第三章UTRAN和UEUTRAN(UMTS Terrestrial Radio Access Network,UMTS陆地无线接入网通过无线接口(Uu直接与移动台相接,负责无线信号的发送接收和无线资源管理。另一方面,UTRAN 与MSC、SGSN相连,实现移动用户之间或移动用户与固定网用户之间的通信连接,传递系统信号和用户信息等

28、。UTRAN包括RNC和Node B两部分。3.1 RNCRNC无线网络控制器主要负责无线资源的管理。它一面通过Iu接口同电路域和分组域核心网相连;一面负责管理和控制Node B,并负责空中接口与UE之间的L1以上的协议处理。在无线接入网络中,它处于承上启下的关键地位。在逻辑上,它和GSM中的BSC相对应。对于RNC来说,它可以具有以下几种角色:CRNC:对于某个Node B来说,直接控制它的RNC就是控制RNC(CRNC,CRNC 负责所管理Node B和小区的无线资源(码资源等的分配,负责它们的接纳控制、负载控制和拥塞控制。SRNC(服务RNC:对于一个用户UE来说,当它与UTRAN之间处

29、于连接状态时,负责Iu接口直接与CN连接的RNC即SRNC,SRNC保留有UE的上下文信息,同时负责与UE之间空中接口L1以上包括MAC、RLC、RRC等协议的处理,负责UE的切换决策、外环功率控制、无线接入承载参数到空中接口传输信道参数的映射等功能。一个UE有且只有一个SRNC。DRNC(Drift RNC:当一个处于连接状态的UE,需要使用非SRNC控制的Node B的小区资源以接入一个新的无线链路时,SRNC需要向控制该Node B的RNC协商请求为UE分配无线链路资源。这个RNC即DRNC,它帮助SRNC为连接中的UE分配和管理无线资源。在网络结构中,它就好像提供了一个Iub口的延伸,

30、在具体处理中,它不处理任何L2以上的协议,只是在所控制的Node B和SRNC之间进行透明的数据转发。这也是DRNC与SRNC之间相互区别的一个鲜明特征。对于一个连接中的UE来说,它可以有零个,一个或多个DRNC,一个DRNC也可以向SRNC提供多条无线链路,一般来讲,为了节省地面传输资源,此时这些无线链路的分集和合并由DRNC负责。RNC在整个WCDMA网络结构中处于无线接入网的边缘,与核心网相连。它的核心功能是无线资源管理,具体包括以下功能:1 系统信息广播;2 NodeB逻辑操作维护,包括小区建立、重配置、删除,公共传输信道建立、重配置、删除,资源闭塞、解闭,资源状态指示,资源验证等;3

31、 切换,包括不同小区之间、不同NodeB之间、不同RNC之间等各种情况的软、硬切换,以及SRNS重定位功能;4 移动性管理,包括寻呼、小区更新、URA更新等;NAS消息直传和路由功能;5 无线信道管理,包括信道分配、信道切换、逻辑信道到传输信道的映射、信道传输格式设置;6 码资源管理,包括对上下行扰码和信道码的分配和管理;7 功率控制,包括开环功率控制、上行外环功率控制、下行外环功率控制、下行功率平衡;8 无线测量控制;安全保密功能,包括加密和完整性检查;9 负荷控制。 图3-1 RNCV2的整体系统构架图3.2 Node BNode B是WCDMA系统的基站,受RNC控制,它主要由接口电路、

32、基带处理单元、射频前端和控制单元部分组成,并通过Iub接口和基站控制器RNC互连,其中基带处理为核心功能,为小区内的移动用户提供无线收发服务,实现RNC和无线信道之间信息传输格式的变换,如信道编码/解码、信道复用/去复用、速率匹配、扩频/解扩,调制/解调和构成物理帧。另外,Node B还负责完成更软切换、定位测量和执行无线资源分配与管理控制指令的功能。接收方和发送方的基带处理流程如下图,图中红线表示控制信息,兰线表示业务数据信息。 图3-2 WCDMA物理层基带处理流程3.3 UEUE是用户设备,它主要包括射频处理单元、基带处理单元、协议栈模型以及应用层软件模块等。UE通过标准的Uu无线接口和

33、WCDMA系统进行信息交互,可为用户提供电路交换业务、分组数据业务、移动多媒体业务、无线上网业务等应用功能。移动台的类型有车载型、便携型和手持型。物理设备与移动用户可以是完全独立的,与用户有关的全部信息都存储在SIM卡中,该卡可在任何移动台上使用。在2G的MS中,MS由ME和SIM卡组成;在3G的UE中,UE由ME、SIM以及USIM组成。其中,ME是裸终端,通过它可以完成与基站子系统之间的空中接口的交互,SIM存储的是2G用户的签约数据,USIM是3G用户的签约数据。3G通过多模UE,可以使UE在3G与2G网络之间漫游与切换。第四章接口与协议UTRAN接口的协议模型如图4-1、4-2所示,主

34、要体现区分无线层和传输层,区分用户面和控制面思想。 图4-1 UTRAN接口模型1 图4-2 UTRAN接口模型2协议接口模型结构基于层面分离的思想,水平上它分为传输网络层和无线网络层两层。UTRAN协议中主要规定了无线网络层的标准和功能,而传输网络层主要使用其它标准的传输技术,在R99中传输网络层使用ATM技术,在R4、R5中,IP传输将被引入。垂直面上,UTRAN的协议接口模型又可以分为控制面、用户面、传输网络控制面以及传输网络用户面。控制面包含了UTRAN有关的控制信令,例如Iu口的RANAP,Iur口的RNSAP以及Iub口的NBAP这些应用部分协议,另外还有承载这些应用协议的信令承载

35、, R99中一般使用A TM宽带信令,以后也可采用IP信令。这些应用层协议主要用来为UE创建无线接入承载、无线承载、无线链路等用户数据传输所必须的资源。用户面主要用于在UE和核心网之间转发话音、数据等用户数据,它主要包括各个接口上的帧协议处理,以及媒体访问控制、链路控制等工作。传输网络控制面主要负责传输层的控制信令。它不包含任何无线网络层的信息,它包含ALCAP协议以及承载它的信令承载协议。传输网络控制面是联系控制面和用户面的纽带,它可以使控制面不关心用户面所使用的具体的传输协议,帮助保持无线网络层和传输网络层的独立性和无关性。用户面的数据承载、应用协议的信令承载等也都属于传输网络用户面,都使

36、用ATM承载。一般来讲,用户面的数据承载直接由传输网络控制面实时控制,而信令承载的控制则主要通过O&M的配置。传输网络层协议结构总体如下图,A TM适配层分为业务特定部分SSCS 和公共子层CPS两部分,完成把应用数据映射到ATM层48字节的信元有效载荷功能。4.1 Iu接口与协议 图4-3 Iu接口示意图Iu接口是UTRAN与CN之间的接口,Iu口可以分为三类:Iu-PS、Iu-CS以及Iu-BC。Iu-PS是与分组域(PS核心网之间的接口;Iu-CS是与电路域(CS核心网之间的接口; Iu-BC是与广播域核心网之间的接口。其中CN侧Iu-CS和Iu-PS既可以独立在不同的设备中,也可以组合

37、在一个设备中。无论CN是分离式还是组合式结构,RNC面向PS和CS域,在用户面有各自独立的用户数据连接,在控制面有各自独立的SCCP连接。对于PS和CS 域,每个RNC最多只能连接到一个CN接入点;而对于BC域,每个RNC可以连接到多个接入点。 图4-4 Iu-CS接口协议栈示意图Iu-CS整个接口协议栈的结构如图4-4所示。它的控制面、用户面、传输网络控制面共享ATM传输。根据规范有关要求,Iu 的物理层接口一般采用STM1,STM4和E1。Iu-CS的控制面协议栈包括RANAP,它构筑在宽带七号信令之上。各个协议层次依次为信令连接控制部分SCCP,消息传递部分MTP3B,信令ATM适配层。

38、信令ATM适配层又可进一步分为SSCF、SSCOP以及AAL5等几层。其中SSCF除将SCCP映射到SSCOP外,还提供SAAL连接管理、链路状态以及远端处理器状态监视等功能;SSCOP负责建立和释放连接,保证信令消息的可靠传输;AAL5则将上层协议适配到底层ATM信元。Iu-CS的传输网络控制面协议栈包括AAL2连接建立的信令协议Q.2630.1和Q.2150.1,它们也承载在宽带七号信令之上。Iu-CS用户面协议栈包括Iu用户面协议和AAL2。 图4-5 Iu-PS接口协议示意图Iu-PS的接口协议与Iu口的类似,它包括控制面和用户面两个面,也都承载在ATM之上,物理层要求和Iu-CS相同

39、。Iu-PS的控制面协议栈与Iu-CS不同的是,将IP信令作为一种可以替换宽带七号信令的选择,IP信令包括M3UA,SCTP以及IP。其中SCTP(Stream Control Transmission Protocol是IETF制定的用于在IP网上传递各种信令的协议栈,M3UA则提供了SCCP到SCTP的适配功能。Iu-PS用户面协议栈包括一个透明的Iu UP协议栈以及GTP-U加上IPOA。GTP-U提供了在IP地址上复用多个用户的隧道功能。对于Iu-PS来说,它不包括传输网络控制面,建立GTP隧道所需的IP地址等信息包含在RANAP的RAB指派消息中。 图4-6 Iu-BC接口协议示意图

40、Iu-BC接口只有一个面,它主要包括SABP协议,承载在TCP之上。SABP协议与GSM 中BSC与CBC之间的接口协议基本相当,主要功能包括小区广播短消息的添加、删除以及状态查询等。4.1.4 RANAP协议RANAP的主要功能包括全局控制和非全局控制两部分:全局控制:1过载控制:该项功能主要在CN和UTRAN之间互相传递相互之间的过载信息,以便对端控制流量,它主要用于控制信令过多引起的过载,例如控制面信令处理器过载、Iu接口信令链路过载等。2复位:该项功能被CN和UTRAN用于在发生异常时,通知对方复位Iu接口相关的所有资源。非全局控制:1RAB管理功能:这项功能包括RAB建立、更改、删除

41、。在RAB建立的同时有可能因为无线接入资源紧张而需要进行排队和强拆。2重定位:该项功能主要处理SRNS重定位、硬切换以及与GSM间的系统间切换等。SRNS重定位指SRNS功能从SRNC到DRNC的转移,在转移前,所有的无线链路已经转移到了DRNC中,因此在SRNS重定位后,并不改变无线资源,也不中断用户的业务。RNS之间的硬切换主要用于在SRNS功能向DRNS转移的同时,改变无线资源,并发生短暂的业务中断,这种切换和GSM的BSC间切换基本一致。3Iu接口信令管理:包括Iu接口信令连接的建立和释放。Iu接口信令连接的建立实际上借助于SCCP实现,因此在RANAP中并没有显示信令,但一些初始直传

42、消息可能借助于SCCP的连接建立请求消息发送给CN。4数据流量报告:出于计费的需要,在CN主动要求下或者在Iu接口连接释放的时候,RNC需要向CN报告没有成功发送的数据流量。5COMMON ID功能:该项功能用于CN通知UTRAN有关UE的IMSI等永久标识信息,以便UTRAN在组合寻呼时使用。6寻呼功能:该功能用于CN寻呼一个处于空闲状态的UE,也就是寻呼被叫。如果到该UE已经有其它CN域的连接存在,UTRAN可以使用组合寻呼功能,从专用信道寻呼该UE。组合寻呼可以由CN进行控制使用还是不使用。7调用跟踪功能:出于安全性等原因,CN可以使用这项功能要求UTRAN记录一个指定用户的所有活动。8

43、信令直传功能:该项功能用于透明传输UE和CN之间的非接入层NAS消息。9安全控制功能:这项功能用于控制UTRAN是否进行消息完整性检查、信息加密,以及完整性检查和信息加密所使用的密钥和加密算法。10位置报告功能:该项功能是位置服务所需要的功能,可以用于CN向UTRAN要求报告UE当前所处的位置。4.1.5 Iu UP协议Iu UP协议的主要用途是在Iu接口传递RAB相关的数据,一个Iu UP实例对应一个RAB,二者同时建立、重配置和删除。Iu UP协议的设计独立于具体的CN域。Iu UP协议包括以下两种模式:1 透明模式对时延不作特殊要求,协议不作任何处理。一般用于分组域类似于Interact

44、ive和Background等实时性不强,延迟不作要求的业务;2 支持模式支持模式需要某些特定的控制功能支持,对等Iu UP协议实体间有Iu UP帧的交换,用于业务数据单元SDU传输组合格式的协商、预定义大小的SDU的数据成帧、CRC校验、速率控制、传输时间调整等功能。这些功能主要是为了应付实时业务的需要,目前一般被用于Iu-CS的AMR语音数据的传输。支持模式则主要用于Conversational以及Streaming类的业务。 图4-7 支持模式下的IuUP功能图如上图预定义SDU大小支持模式Iu UP主要包括NAS特定功能、帧处理功能和过程控制功能。1NAS特定功能(1帧编号的一致性检查

45、和负载的“有限操作”。例如当帧号与时间无关时(此时TafficClass为Background 或Interactive,如果检测到帧丢失,即在收到的按顺序排列的帧编号序列中发现了间隔,就应当报告给过程控制功能。(2Iu UP帧有效负载部分的CRC计算、校验。(3Iu UP帧质量分类处理。(4通过交换Iu UP帧有效负载的Iu数据流块和上层交互。需要时也做Iu UP帧有效负载的填充和去除填充工作。(5为过程控制功能提供访问上层的服务。2过程控制功能(1初始化:控制在预定义SDU长度的支持模式下需要的初始化信息交换的过程。初始化信息包括RAB子流组合标识RFCI集合(RFCI是Iuup用来装帧和

46、解帧的重要依据,RAB sub Flow Combination Indicator,且持续到连接终止或下一次初始化过程开始。这个过程也用来协商相关RAB请求的Iu UP模式版本。(2速率控制:Iu UP在可控速率范围内控制速率的过程。许可速率集被RFCI指示符和在(适用时下行链路上的发送间隔表示。(3时间校准:通知CN侧提前或者延迟发送数据帧,控制穿越Iu、去RNC的下行数据链路时机的过程,减少数据在SRNC侧不必要的缓冲(逻辑信道。(4错误事件处理:控制在Iu上的、和错误状况检测有关的信息交换的过程。3帧处理功能(1负责对Iu UP协议帧的不同部分执行装帧和拆帧。Iu-UP得到来自RLC的

47、数据后,填上本数据包的相应的RAB子流组合标识(RFCI,加上CRC校验,形成Iu-UP数据帧。(2处理Iu UP协议帧的不同部分,将控制域置上正确的值,包括对帧序号的处理等。(3确保帧的控制部分是语义正确的,负责和传输层交互,负责Iu UP帧头的CRC检查,抛弃掉Iu UP帧头部有CRC检查错误的帧。关于WCDMA语音业务:WCDMA语音编码方案为AMR(自适应可变速率编码,可提供8种编解码模式(即对应4.75-12.2kbit/s编码速率。AMR编解码器分别位于UE和CN 侧,但解码模式的控制功能位于RNC的RRM(Radio Resource Management中。AMR模式的调整完全

48、由无线网络侧的因素决定,与CN侧的网络运行状况无关。AMR编解码器输出AMR帧到IU UP层。4.2 Iur接口与协议 图4-8 Iur接口示意图Iur接口的接口协议栈如图4-8所示。它的接口协议栈同Iu口基本相同,它的主要作用是支持RNC之间的软切换。RNSAP主要包括四种主要的功能,RNC之间的移动性管理功能、专用信道数据传输功能、公共信道数据传输功能以及全局资源管理功能。1RNC之间的移动性管理主要包括SRNC重定位、RNC之间的小区和UTRAN注册区的更新、RNC之间的寻呼、协议错误报告等功能。2专用信道数据传输用于在两个RNC之间传输专用信道数据。它主要使用和Iub口一样的数据帧协议

49、进行数据传输,并通过AAL2控制信令建立数据传输所需要的地面承载。它的具体功能包括在DCH状态下为软硬切换建立更改和释放专用信道、建立和释放Iur 口专用传输信道的建立和释放、SRNC和DRNC之间的DCH传输信道块的传输、DRNS 的无线链路管理等。3公共信道数据传输包括建立和释放Iur口公共信道数据流传输所需的传输连接、MAC-d(SRNC和MAC-c(DRNC功能的分离(由DRNC负责下行数据传输的调度、MAC-d (SRNC和MAC-c(DRNC之间的流量控制。4全局资源管理功能包括RNC间小区测量信息的传递、RNC间的Node B定时信息的传递等。4.2.1 RNSAP协议RNSAP

50、协议主要提供一个SRNC控制和管理CRNC及管辖下各Node B控制通道的接口规范,其基本相当于NBAP协议在Iur口的延伸。RNSAP协议的主要功能如下:1.上下行信令传递。2.无线链路建立、增加、删除、强拆等。3.无线链路的同步和异步重配置。4.跨Iur口的下行功率控制。5.公共信道资源建立、删除。6.跨Iur口的专用测量、报告等。4.2.2 FP协议Iur FP协议主要实现在Iur口上公共和共享信道数据和流控信息以及专用信道数据和控制帧的数据传输,它主要包括以下功能:1.Iur口RACH信道数据的成帧与解帧。2.Iur口FACH信道数据的成帧与解帧。3.Iur口DSCH信道数据的成帧与解

51、帧。4. Iur 口CPCH 信道数据的成帧与解帧。5. Iur 口FACH 信道流控信息的成帧与解帧。6. Iur 口DSCH 信道流控信息的成帧与解帧。7. Iur 口DCH 信道数据和控制帧的数据传输。8. Iur 口DCH 信道数据的宏分集处理。4.3 Iub 接口与协议Radio Network Control PlaneTransport NetworkControl PlaneUser Plane 图4-9 Iub 接口示意图Iub 口的接口协议栈如上图所示。它与其它接口协议栈的主要区别在于控制面信令承载以及传输网络控制面所用的信令承载采用ATM 的UNI 信令代替复杂的SS7栈

52、,且没有SCTP/IP 选项。这里Node B 代表了ATM 协议中的用户概念。4.3.1 NBAP协议 图4-10 Iub接口逻辑模型图为了使运营商能够通过开放接口降低运营成本,UMTS协议中将Iub口也定义为了开放式接口。由于一般情况下,基站的操作维护是由RNC或者BSC所控制,而操作维护往往和基站的具体物理实现相关,因此在GSM时代,Abis口基本上是不开放的,UMTS为了达到Iub口开放的目标,于是将与实现相关的操作维护和逻辑操作维护分开,并建立了如上图所示的Iub口控制面逻辑模型。在图4-10中,每个Node B控制着若干个cell,保存着Node B下有关的各个公共传输信道的属性信

53、息以及呼叫状态下的通信上下文信息(一般对应着一个UE。在与RNC的接口上,它由控制端口NCP、通信端口CCP以及各种公共和专用传输信道传输端口。一般通过某个通信端口控制的若干个Node B的通信上下文相关的DCH,DSCH数据传输端口一起组成一个业务终结点。控制端口可以和GSM的操作维护时隙相类比;通信端口可以和GSM 的LAPD时隙相对比;其它信道端口则和GSM的其它业务时隙相类比。NBAP协议的功能主要包括公共NBAP(C-NBAP和专用NBAP(D-NBAP功能。公共NBAP完成Node B逻辑操作维护功能,与特定的UE无关,主要包括公用过程和全局过程,公用过程指小区、公共信道的建立、重

54、配置和释放以及小区和Node B相关的一些测量控制、无线链路建立;全局过程指故障管理功能,包括资源状况指示、资源的闭塞、解闭塞、复位等。当RNC通过C-NBAP的无线链路建立过程为UE建立第一次无线链路时, NodeB将分配一个业务终结点来进行相应的处理,且所有后续信令将通过此业务终结点的专用控制口与D-NBAP过程进行交互。专用NBAP功能主要包括无线链路的增加、删除和重配置、无线链路相关测量(专用测量的初始化和报告、无线链路故障管理(无线链路失败指示、恢复指示、压缩模式控制和功率漂移纠正(功率平衡功能。4.3.2 FP协议FP协议是应用于Iub口用户面的帧协议,分为对应公共传输信道的CFP

55、和对应专用传输信道的DFP两部分,主要实现以下功能:1.用户数据传输:在CFP、DFP进行,处理在FP上传输的用户数据和信令,处理数据的装帧、拆帧、发送、接收、CRC计算与校验,宏分集的处理等。2.节点同步:在CFP、DFP进行,由于RNC和Node B分别采用自己的时钟源,所以在无线链路建立之初,节点同步的工作主要是为了获得RNC和Node B公共的时序参考,得到从RNC到Node B之间的传输延迟而进行的操作。3.传输信道同步:在CFP、DFP进行,该机制定义了在RNC和Node B之间的帧传输同步。提供了UTRAN和UE间的一个L2层公共帧编号(CFN。在无线链路建立之初,需要得到RNC

56、上的时间和Node B上CFN之间的对照关系,需要由RNC主动对Node B进行同步,根据Node B的返回帧确定定时关系。4.时间调整:在CFP、DFP进行,由于RNC和Node B分别采用自己的时钟源,以及在处理时由于不同业务的耗时不同导致RNC发出的数据不能落在Node B的接收窗口内,导致RNC和Node B之间要重新进行对CFN的调整,以及对RNC发送FP帧的发送时间的调整。5.DSCH TFCI信令:在CFP、DFP进行,因为PDSCH信道并不携带物理层的控制信息,而是由相对应的DPCCH携带,以指示PDSCH的传输格式;所以其的TFCI要通过DSCH TFCI信令发送给Node

57、B。6.上行外环功控:只在DFP进行,在WCDMA中,由于所有的用户都使用相同的频率同时发送信息,彼此之间相互干扰。因为传播路径的不同,基站接收到靠近基站的用户发送的信号比远离基站的用户发射的信号强,因此远端的用户信号被近端的用户所覆盖。为了消除这种远近效应,则必须进行功率控制。上行外环功控是通过监控传输信道质量来控制物理信道质量,具体实现是FP通过计算收到的FP帧中指示传输信道TB 块的错误率BLER,调用控制面提供的外环功控算法,得到物理信道质量目标SIRtarget,通过FP外环功控帧(Outer Loop PC发送给Node B,触发Node B上行内环功控,使其调整UE的发射功率,从而使RNC中收到的FP帧中的TB块的错误率达到要求。7.无线接口参数更新:只在DFP进行,无线接口参数更新主要用于根据具体物理信道上映射的传输信道TFC引起的速率变化,动态更新DPDCH与DPCCH上的TPCbit之间的P