3G03第三代移动通信系统的移动性管理

第三代移动通信系统的移动性管理摘要：移动通信网和固定网的最大区别是移动通信网必须对用户进行移动性管理和位置管理，也是移动通信网能否取得成功的关键，第三代移动通信系统提供多种业务和容纳大量的用户将产生大量处理用户移动性的信令。本文综述了第三代移动通信系统UMTS的移动性管理和位置管理的概念，实现的方式，不同区域的划分，GPRS/UMTS切换时用户数据检索的原理，最后提出有待于进一步研究的问题关键词：移动性管理，位置管理，位置区域，寻找路由区域，登记区域，蜂窝区域一、UMTS的移动性管理（UMM）和位置管理概述从逻辑观点看，核心网（CN）由两个业务域组成，CS业务域（即PSTN/ISDN域）和PS业务域（即IP域）。UTRAN既可以同时和这两个域连接，也可以和其中的一个域连接。一个RRC连接就可以在UTRAN与UE间传送所有用户数据流和信令流。从漫游和切换的观点看，UMTS将兼容GSM网络。从LM（LocationManagement）/MM的功能看，这意味着：在两个CN域中将使用IMSI作为公共用户身份；对GSM和UMTS将使用公共的MAP信令；在UTRAN中，应将无线网络参数和无线资源管理分开。UMTS中使用的LM/MM技术应尽量少的使用UTRA的无线资源。每个业务域有自己的业务状态机，一个支持CS业务以及PS业务的UE有一个CS业务状态机和一个PS业务状态机，两个对等的业务状态机互相独立地工作。UE-CN信令的目的是保持对等实体间同步。主要的PS业务状态有PS脱离状态（PS-DETACHED）、PS空闲状态（PS-IDLE）和PS连接状态（PS-CONNECTED）。主要的CS业务状态有CS脱离状态（CS-DETACHED）、CS空闲状态（CS-IDLE）和CS连接状态（CS-CONNECTED）。UTRAN的目标是提供一组统一的无线承载，它可以用于突发的分组业务，也可以用于传统的电话业务。这意味着对所有种类的业务只能使用一种逻辑控制信道结构。无线资源处理是UTRAN的内部功能，CN不定义分配的无线资源类型。无线资源控制（RRC）有两种模式，RRC连接模式和RRC空闲模式。RRC的模式描述了识别UE身份的方式。在RRC空闲模式，通过和CN有关的身份识别UE。在RRC连接模式，通过在公共传输信道上分配给UE的无线网络临时身份来识别UE。对移动性功能，使用四个不同的区域概念。位置区域（LA）和寻找路由区域（RA）用于核心网。UTRAN登记区域和蜂窝区域用于UTRAN。位置区域与CS业务有关，寻找路由区域与PS业务有关。一个位置区域由一个CN节点处理。一UE在一个位置区域中登记，也就意味着UE在处理此位置区域的CN节点中登记。一个寻找路由区域由一个CN节点处理。一UE在一个寻找路由区域中登记，也就意味着UE在处理此寻找路由区域的CN节点中登记。3G-MSC/VLR使用位置区域来寻呼UE，3G-SGSN使用寻找路由区域来寻呼UE。UTRAN登记区域和蜂窝区域只在UTRAN中可见并用于RRC连接模式。在RRC空闲模式，由广播的MM系统信息（即有关现在的位置区域和寻找路由区域的信息）来决定何时向CN开始一位置登记过程。一在CS/PS空闲状态的UE，当它经过LA/RA边缘时即开始向CN进行位置区域/寻找路由区域更新。在RRC连接模式，UE接收已建立的RRC连接上的MM系统信息。一在CS/PS空闲状态的UE，当接收到指示新的位置区域/寻找路由区域时即开始向CN进行位置区域/寻找路由区域更新。一在CS/PS连接状态的UE，不向CN进行位置区域/寻找路由区域更新。在CS/PS脱离状态，UE不进行任何位置区域/寻找路由区域更新并独立于RRC的模式。另外对当改变登记区域时的正常位置登记，在CS/PS空闲状态，UE可以进行CS/PS周期性登记。在移动性管理级，IMSI及与CS/PS有关的TMSI用作CS/PS业务域的UE身份，IMSI是这两个业务的公共业务身份。UE和CN间的信令连接可看作由UE与UTRAN间的RRC连接和UTRAN与CN节点间的Iu信令连接组成的逻辑连接。与CS业务域有关的信令和与PS业务域有关的信令使用一个公共的RRC连接和两个Iu信令连接，即一个Iu信令连接用于CS业务域，另一个Iu信令连接用于PS业务域。在UE和CN内使用分离的PS和CS移动性机制可能导致不能最优地利用无线资源。UMTS将优化无线资源的使用，可以使用组合的更新方式（类似于现在GSM/GPRSGs的组合更新机制）来达到此目的。为了在UMTS中提供灵活的移动性管理，对位置管理和连接/脱离过程可以使用组合的机制。UE可以执行组合的更新机制（运营商选择）。UMTSPhase1R99的终端将支持组合的机制和分离的机制。在UMTS技术规范中，RAN将不协调逻辑上在核心网与MS间的移动性管理过程，它包括：位置管理，验证，临时身份管理和设备身份检查。二、位置管理和移动性管理概念的描述对移动性功能，使用四个不同的区域概念。位置区域和寻找路由区域用于核心网。UTRAN登记区域和蜂窝区域用于UTRAN。对CS/PS业务，CN使用位置区域（LA）/寻找路由区域（RA）。CN在开始寻呼和CS/PS业务有关的UE时，使用LA/RA。可以分配给UE一个和CS/RS业务有关的临时身份，CS-TMSI/RS-TMSI。这个临时身份在一个LA/RA内是唯一的。当终端处于RRC连接模式时，使用UTRAN内部区域。在UTRAN开始寻呼时使用这些区域。UTRAN内部区域更新是无线网络过程，并且在UTRAN外应看不见UTRAN内部区域结构。在RRC连接模式时，可以是蜂窝级或UTRAN登记区域（URA）级知道UE位置。在UTRAN内使用RNTI作为临时的UE标志符，它在RRC连接建立时分配给UE。可能URA与LA及URA与RA间无任何关系。URA在TS25.331中定义。一个RA由属于连接到同一CN节点的RNCs的多个蜂窝组成。一个LA由属于连接到同一CN节点的RNCs的多个蜂窝组成。一个RA/LA只由一个CN服务节点处理，即一个UMSC或一个3G-SGSN/3G-MSC/VLR。可以应用GSM定义的LA与RA间的关系，即RA与LA相等或一个RA是一个，且只能是一个LA的子集，也就是一个RA不会超过一个LA。一LA与RNCs间的映射由拥有此LA的MSC/VLR处理，一RA与RNCs间的映射由拥有此RA的SGSN处理。LA与蜂窝间及RA与蜂窝间的映射在RNC內处理。在寻呼UE时，采用分层追踪的概念。在RRC连接模式，在激活连接期间，RNC在蜂窝级追踪一分组UE；当没有数据在传输，但有数据传输的概率非常高时，RNC在URA级追踪一分组UE。在PS空闲状态，当没有数据在传输且数据传输的概率非常低时，SGSN在寻找路由区域级追踪一分组UE。运营商能够通过控制不同区域的大小和数据传输的概率来优化寻呼和更新负载。例如运营商可以确定URA很小，且在相当短的不活动时间后就释放RRC连接，因此大多数连接的分组UE在寻找路由区域级被追踪（对主要使用客户/服务器业务的分组UE是最优的）。运营商也可以确定URA很大，且只有在RRC连接丢失才释放RRC连接，因此大多数连接的分组UE在URA级被追踪。对URA更新定时器和RRC连接释放定时器需要不同的定时值。RRC连接释放定时器是根据每个UE设定还是对所有UE设定为同一个值需要进一步研究。在RRC连接模式，主要的状态是蜂窝连接状态和URA连接状态。在此模式下只有一个RNC作为服务RNC，在UE和此SRNC间建立了RRC连接。当蜂窝级知道UE位置时，UE就在蜂窝连接状态。在此连接状态时，RRC连接的移动性由切换过程处理。当URA级知道UE位置时，UE就在URA连接状态。URA包括一组蜂窝。URA更新过程提供此状态的移动性功能。在URA连接状态，不使用专用的无线资源。三、业务登记和位置更新一开始在CN的各自业务域进行业务登记。当登记区域改变时，就进行位置更新。另外可以进行周期性登记。位置区域更新/寻找路由区域更新由UE发起，它通知核心网的CS/PS服务域UE已进入一新的位置区域/寻找路由区域。如果新的位置区域/寻找路由区域由另一个CN节点服务，位置区域/寻找路由区域更新也触发了订户在新的CN节点登记及CS/PS业务在HLR中的位置区域更新。当UE在CS/PS空闲状态时，位置区域更新只能由UE发起，且独立于PS/CS状态。如果UE在CS/PS空闲状态但处于RRC连接模式，则意味着UE在PS/CS连接状态，当接收到指示新的位置区域信息/寻找路由区域信息时，UE就发起位置区域更新。当UE处于PS连接状态且MM系统信息中的RAI发生变化时，UE发起RA更新。为了优化网络内的信令负载，减少运行和维护费用及增加合并CS和PS切换的可能性，允许使用合并的3G-（MSC/VLR+SGSN）方式很重要。对此方式需要区分下列四种情况：1）在同一RA内改变URA；2）LA内改变URA和RA；3）在同一节点内改变URA，RA或LA；4）改变URA，RA或LA，节点对合并的3G-（MSC/VLR+SGSN）节点，只有在4）情况下必须更新UE的HLR。如果UE处于空闲模式，对于分组和电路交换业务，合并的3G-（MSC/VLR+SGSN）节点，将对UE的CS和PS域引起的一个组合位置更新信息运行位置更新过程。对于分离的节点，两个域中任一个引起的位置更新信息，可能必须运行一特定的位置更新过程。四、CN发起的寻呼和信令连接的建立下面是UTRAN内一种协调寻呼方式，也可以使用其它方式。只有UE处于CS空闲状态或PS空闲状态时，CN节点才请求寻呼。若是分离的CN结构，CN节点的寻呼独立于其它CN业务域中UE的业务状态。在此方式中，在RRC连接模式UE不需要监听寻呼信道（PCH）。每从CN节点接收到一个寻呼请求，RNC都控制UE是否建立一RRC连接。在RRC连接模式，为UE在SRNC中建立的上下文（context）必须包含IMSI，即两个CN域中共同UE身份。如果没有发现UE的上下文，就进行“正常的PCH寻呼”，即在寻呼信道上传输从CN接收的UE寻呼身份的寻呼信息和CN业务域类型标记。如果发现UE的上下文，就使用现有的RRC连接传送“CN寻呼信息”。此信息指示从CN接收的UE寻呼身份和CN业务域类型标记。在只有一个CN单元时，可以在CN中协调寻呼。RNC可以使用其它身份，如TMSI，P-TMSI或其它相关的身份，来寻呼移动台。UE和CN节点间的信令连接是指由UE与UTRAN间的RRC连接和UTRAN与CN节点间的Iu信令连接组成的逻辑连接。信令连接用于在UE和CN节点间传送高层（MM，CM）信息。在CM业务请求一个CN业务域，若没有指向此业务域的连接存在，UE将只请求建立新的信令连接。如果没有现成的RRC连接，它将和信令建立请求的传送一起建立。RRC连接建立后，在SRNC中生成UE的上下文。如果RRC连接已建立，UE将使用RRC连接发送信令建立请求。接收到信令建立请求后，SRNC将建立和CN节点的Iu信令连接，用从UE接收的CN业务域类型来标识。五、对UMTS和GSM标识符的要求UMTS位置区域标识符的格式和UMTSTMSI应不会影响双模式GSM-UMTS移动台—最后一次位置更新是在GSM/UMTS无线接口（即有GSM/UMTSLAI和GSM/UMTSTMSI），在UMTS/GSM无线接口上进行位置更新到UMTS/GSMMSC。UMTS寻找路由区域标识符的格式和UMTSP-TMSI应不会影响双模式GSM-UMTS移动台—最后一次寻找路由更新是在GSM/UMTS无线接口（即有GSM/UMTSRAI和GSM/UMTSP-TMSI），在UMTS/GSM无线接口上进行寻找路由区域更新到UMTS/GSMSGSN。标准将支持运营者可以构造相同登记区域的GSM和UMTS蜂窝（即移动台可从它所在的任一蜂窝接收寻呼信息而不需位置更新，因为移动台从UMTS蜂窝移动到GSM蜂窝）。标准将支持运营者可以分配GSM和UMTSLAIs/RAIs，使GSMMSCs/SGSNs与UMTSMSCs/SGSNs能够互相联系。标准将支持这种方式，即当移动台在GSM蜂窝和UMTS蜂窝间移动或当USIM/GSMSIM在GSM移动台和UMTS移动台上互相使用时，运营者可以保证不需要在无线接口上发送IMSI。六、MM系统信息和SRNS重新定位移动管理功能需要系统信息，它包括如下参数：MCC、MNC、LAC、RAC、周期位置区域更新定时器和周期寻找路由区域更新定时器。在每个UMTS蜂窝（UTRAN蜂窝），网络在广播信道上广播MM系统信息。在RRC空闲模式，当UE处于一蜂窝内，它就从蜂窝的广播信道上接收此蜂窝所有的有效MM系统信息。接受到的MM系统信息就是“当前MM系统信息”。在RRC连接模式，SRNS控制UE的有效当前MM系统信息。若有任何变化，就使用已建立的RRC连接传送新的MM系统信息到UE。例如在SRNS重新定位，新的SRNS将发送可用的MM系统信息到UE。此信息由各自CN节点控制的位置区域和寻找路由区域来确定，SRNS可以和它们建立Iu信令连接。在已建立的RRC连接上接收到来自SRNC的新的MM系统信息时，UE把此新的信息作为“当前MM系统信息”。在RRC连接建立时，UE使用所在蜂窝广播的MM系统信息作为“当前MM系统信息”。当UE离开RRC连接模式进入RRC空闲模式时，UE使用所选蜂窝广播的MM系统信息作为“当前MM系统信息”，此蜂窝由UE空闲模式蜂窝选择/重新选择过程确定。为了执行SRNS重新定位，源SRNC必须发起SRNS重新定位过程。因为只有源SRNC知道用户现在的业务，所以只有当此过程对用户业务影响最小时才执行此过程。SRNS重新定位过程应保证每个用户只有一个服务RNC，即使此用户的业务要经过多个业务域。SRNS重新定位过程分为两个阶段。在第一阶段，在新的Iu接口和CN内保留所需资源。对现在有业务的用户，只有当第一阶段对所有域都成功地完成后，源SRNC才发起第二阶段，即将SRNC的作用切换到目的RNC。在SRNS重新定位时，源和目的SGSN交换CN级信息（CN类型标志，已建立的PDP上下文列表），源和目的SRNC交换UTRAN级信息（UTRAN类型标志，……）和在SRNS重新定位过程期间保证用户的数据包即不丢失，也不重复的信息。对PSTN/ISDN域，UMTSMM的概念在原理上等同于GSMMM。对IP域，UMTSMM的概念和GSMGMM有很大区别，主要有：在“蜂窝更新”中的GSMGMM准备就绪状态被UMTS中的PS连接状态所代替，SGSN保持和UTRAN的连接，并且UTRAN追踪UE的位置。在此状态下，指向CN的UE的移动性由UTRAN-CN过程来处理，即不在MM级上。GSMGMM准备状态相应于UMTSPS空闲状态。在两种情况下都进行“寻找路由区域更新”，且SGSN在寻找路由区域中寻呼。七、PS域GPRS/UMTS切换时用户数据检索的原理在GPRS与UMTS切换时，必须提供与2G-SGSNRA更新同样的可靠性。因此2G-GSGN与SRNC间的数据检索应保证和两个2G-SGSNs间的数据检索一样。在两个2G-SGSNs间，数据检索由Gn接口执行，即通过GTP-u/UDP/IP。为了不改动2G-SGSN与SRNC间的数据检索，2G-SGSN应保持相同的协议栈。在GPRS/UMTS切换时对数据检索所采用的解决办法对控制平面：由于通过GTP-c传输的一些参数只与CN有关，因此在3G-SGSN内需要终止GTP-c与2G-SGSN间的信令交换，在3G-SGSN与SRNC间使用Iu接口的RANAP信令。对用户平面：由于数据检索的计费由3G-SGSN执行，所以SRNC与2G-SGSN间的数据交换也由3G-SGSN处理（两个GTP通道：SRNC与3G-SGSN及3G-SGSN与2G-SGSN）。这将保证：在2G-SGSN向SRNC发送用户数据时3G-SGSN能增加计费计数；在SRNC向2G-SGSN发送用户数据时3G-SGSN能减少计费计数，以避免此数据两次计费。对于SRNS重新定位和UMTS硬切换,因为在3G-SGSN中没有存储器,在服务RNC(RLC层),类似于2G-SGSN的LLC层,中有一个ARQ机制,数据的可靠性通过从源RNC传送非确认用户数据到目的RNC来保证。此传送可利用类似于GPRS中2G-SGSN间使用的机制来完成。在SRNS重新定位过程中，对非实时数据业务，需要在属于同一UTRAN的两个RNCs间进行数据检索。对SRNS重新定位过程的控制平面，SRNS重新定位过程使用Iu接口上的RANAP信令和Iur接口上的RNSAP信令。对用户平面，有如下要求：同步：因为3G-SGSN不存储下行数据，源RNC必须存储所有未传输或RLC层未确认的GTP帧，还必须存储所有来自GGSN（如果SGSN不更新PDP上下文,GGSN继续将它们发送到源RNC。此外GGSN发送的数据要经过一段时间到达源RNC）而要继续发送的GTP帧。这意味着目的RNC在从源RNC接收到SRNS重新定位提交信息后，甚至并没有收到所有的下行数据，就要开始作为服务RNC。用户数据的接收可能持续相当长的一段时间。在数据传输阶段的开始就启动源SRNC中的定时器。当定时器终止时，源SRNC中和UE有关的上下文将被释放，即认为来自GGSN的下行数据已结束。数据可靠性：根据所需的可靠性来决定是否需要2层协议。在GPRS中，如果用户到用户的数据是基于IP的，就通过GTP/UDP/IP来传送用户数据，如果用户到用户的数据是基于X.25的，就通过GTP/TCP/IP来传送用户数据。这里只考虑GTP/UDP/IP。在数据取回期间PDP上下文的复用：对于不同用户和不同承载，多个SRNS重新定位过程可以同时独立地进行。使用GTP来区分数据取回上下文。相关的信令：有两类信令。一类是和CN参数的传输相链接的信令。它相应于在SRNS重新定位的资源阶段，在3G-SGSNs间Gn上交换的信令。另一类是和SRNC与UE间确认协议（RLC）的序列号传输相链接的信令。当源SRNC实际上切换SRNC的任务时，它可在Iur上完成。在SRNS重新定位时数据取回的过程将通过Iu接口完成：源S