现代交换技术-03章-移动交换技术

第三章移动交换技术第三章移动交换技术本章内容：移动交换系统概述移动交换控制原理移动交换的相关接口

移动交换技术演进本章重点：移动交换控制原理3.1移动交换系统概述3.1.1系统组成移动通信网都是由无线接入网和核心网两部分组成。无线接入网（RAN）为移动终端提供接入网络服务，其关键组件是基站，2G时代的基站是BTS，3G的是NodeB，4G的是eNB，5G的是gNB。核心网为各种业务提供交换服务，4G核心网称为EPC；5G核心网（5GC）称为NG-Core。一、基站4G网络中，一个基站通常包括BBU、RRU、馈线和天线。BBU（室内基带处理单元）主要负责UU接口的基带处理（编码、复用、调制和扩频等）、信令处理、本地和远程操作维护、NodeB系统的工作状态监控和告警信息上报等功能；RRU（射频拉远单元）主要是在远端进行基带光信号与射频信号之间的处理转换，包括收发信机、中频、功放和滤波四大模块；天线主要负责线缆上导行波和空气中间波之间的转换（射频信号的收发）；馈线用于连接RRU和天线。3.1.1系统组成一、基站在5G网络中，基站包括CU、DU和AAU三个功能实体。CU是将原BBU的非实时部分分割出来之后的重新定义，负责处理非实时协议和服务；AAU是BBU的部分物理层处理功能与原RRU及无源天线合并而成；DU是BBU的剩余功能重新定义，负责处理物理层协议和实施服务。简而言之，CU和DU是以处理内容的实时性进行区分的。3.1.1系统组成二、核心网核心网完成对本控制区域内的移动用户进行通信控制与管理，其功能主要包括：移动用户各种类型的呼叫接续控制；通过标准接口与基站和其他核心网相连，完成越区切换、漫游及计费功能；用户位置登记与管理；用户号码和移动设备号码的登记与管理；服务类型的控制；对用户实施鉴权；提供连接维护管理中心接口，完成无线信道管理功能等。3.1.1系统组成二、核心网5G核心网（5GC）：基于服务化架构（网络功能服务解耦）和SDN/NFV框架（网络云化），结合网络切片（端到端逻辑专用网络）、边缘计算、5G非公共网络（NPN）、5G局域网等行业专网使能技术，实现网络架构开放性、网元虚拟化、资源灵活调度及定制化场景应用。3.1.1系统组成5G网元及其功能：

AMF（接入和移动性管理功能）、SMF（会话管理功能）

UPF（用户平面功能）

、UDM（统一数据管理）

AUSF（鉴权服务功能）

、PCF（策略控制功能）

NEF（网络开放功能）

、NRF（网络存储功能）

NSSF（网络切片选择功能）

、AF（应用功能）二、核心网3.1.1系统组成接入和移动性管理功能（AMF）：注册管理（连接管理、移动性管理、接入鉴权、可达性管理），与SMF间的SM消息转发，安全锚点功能（SEA），安全上下文管理功能（SCM）等。二、核心网3.1.1系统组成会话管理功能（SMF）：会话管理（建立、修改、释放等）、用户面（UP）选择和控制；IP地址分配；配置UPF的QoS策略等。二、核心网3.1.1系统组成用户平面功能（UPF）：用户平面的业务处理功能，包括用户数据包的路由和转发、与外部数据网DN的数据交互、用户平面的QoS处理、保证业务/会话连续性（5G到4G切换）、流控规则实施（例如门控、重定向、流量转向）等。二、核心网3.1.1系统组成统一数据管理（UDM）：产生AKA过程需要的数据；签约数据管理、用户鉴权处理、短消息管理；支持ARPF等。二、核心网3.1.1系统组成鉴权服务功能（AUSF）：为鉴权服务器，生成鉴权向量，实现对用户的鉴权和认证等。二、核心网3.1.1系统组成策略控制管理（PCF）：应用和业务数据流检测及分流管理；UE策略配置；QoS控制；背景数据传送策略协商；对通过NEF和PFDF从第三方AS配置进行的PDF进行管理；具备UDR前端功能以提供用户签约信息；提供网络选择和移动性管理相关的策略等。二、核心网3.1.1系统组成网络开放功能（NEF）：负责管理对外开放网络数据的，所有的外部应用，想要访问5G核心网内部数据，都必须要通过NEF。NEF提供相应的安全保障来保证外部应用到3gpp网络的安全，提供外部应用Qos定制能力开放、移动性状态事件订阅、AF请求分发等功能。二、核心网3.1.1系统组成网络存储功能（NRF）：用来进行NF登记、管理、状态检测，实现所有NF的自动化管理，每个NF启动时，必须要到NRF进行注册登记才能提供服务，登记信息包括NF类型、地址、服务列表等。二、核心网3.1.1系统组成网络切片选择功能（NSSF）：根据接入网的UE提供哪个网络切片服务，进而决定由哪个AMF为该UE提供接入服务，包括选择服务UE的网络切片和AMF集合，确定允许的NSSAI以及（若需要的话）映射到签约的S-NSSAI等。二、核心网3.1.1系统组成应用功能（AF）：指应用层的各种服务，可以是运营商内部的应用如VolteAF(类似4G的VolteAs）、也可以是第三方的AF（如视频服务器、游戏服务器），如果是运营商内部的AF，与其他NF在一个可信域内，可以直接与其他NF如PCF交互访问，而第三方的AF则不在可信域内，必须通过NEF访问其他NF。3.1.1系统组成二、核心网5G提出了非独立组网（NSA）和独立组网（SA）两种组网方案。

NSASA业务能力仅支持大带宽业务较优，支持大带宽和低时延业务，便于拓展垂直行业4G/5G组网灵活度较差：option3x同厂商，option3a可能不同厂商较优，可以不同厂商基本性能终端吞吐量下行峰值速率（4G/5G双连接，NSA比SA优7%），上行边缘速率高上行峰值速率（终端5G双发，SA比NSA优87%），上行边缘速率低覆盖性能同4G初期5G连续覆盖挑战大业务连续性较优，不涉及4G/5G系统间的切换略差，初期未连续覆盖时，4G/5G系统间切换多对4G现网改造无线网改造较大：4G软件升级支持Xn接口，硬件基本无需更换，但需与5G基站连接改造较小，4G升级支持与5G互操作，配置5G邻区3.1.2移动交换控制的特征1、移动用户在服务区内随时移动，必须要有本地位置信息和变更位置信息，即应具有位置登记功能、跟踪接续功能、基站对用户寻呼的功能。2、必须具有信道切换功能。移动用户从一个小区转移到其他小区时，能随时发现移动用户的位置变化，及时进行局间通信线路切换。3、具有远地交换机注册访问的功能。当移动用户在远离本地区域时，相关用户数据应能进行远地注册访问，完成收发信的呼叫控制。4、能与公网进行相互接续，实现跟踪接续功能，并具有与固定网相同的业务控制、信号处理、计费及维护试验等。3.2移动交换控制原理3.2.1移动呼叫处理一、移动台初始化当移动用户首次进行移动通信系统时，必须进行位置登记。当移动用户开机时，自动扫描捕获所在移动网号、基站号、位置区域等信息。当移动用户漫游到新的位置时，必须向访问位置寄存器申请位置登记，得到临时性漫游号码。3.2.1移动呼叫处理二、呼叫接续控制市话用户呼叫移动用户的控制过程来自市话用户呼叫呼叫识别码交换机移动台基站寻呼信息寻呼响应寻呼响应选择空闲信道信道指定发送检测音环回检测音启动发射机送回铃音通知振铃振铃成功应答信息断回铃音监测通话振铃讲话调谐信道信息相符应答二、呼叫接续控制移动台基站/交换机内部存储器固定网发信请求移动台呼叫市话用户的接续控制顺序询问用户呼叫进行认证参数认证请求认证应答应答确认固定网侧线路设定呼叫（被叫号码）被叫应答呼叫应答业务请求被叫空闲3.2.1移动呼叫处理三、5G网络的RRC状态说明3.2.1移动呼叫处理空闲态的用户终端（UE）需要发起业务时（语音或数据业务），将执行RRC建立过程：空闲态UE首先需要向网络发起RRC连接建立请求，然后双方进行连接设置并确认，则空闲态转移到连接态。连接态UE若持续一段时间没有数据传输，则会进入非活动态。非活动态UE需要发起数据传输时，通过RRC恢复过程迁移到连接态。非活动态UE持续一段时间仍没有数据传输，则进入空闲态。三、5G网络的RRC状态说明3.2.1移动呼叫处理3.2.2移动交换的基本技术一．漫游技术漫游：移动用户由归属交换局（或归属局）控制区进入被访交换局控制区后，仍能获得移动业务服务的网络功能。►人工漫游：两地运营部门预先定有协议，为对方预留一定数量的漫游号，用户漫游前必须提出申请。►半自动漫游：漫游用户至访问区发起呼叫时由访问区人工台辅助完成。用户不必事先申请。（因漫游号回收困难，很少使用）►自动漫游：网络可自动检索漫游用户的数据，并自动分配漫游号，对于用户来说没有任何感觉。二．切换技术切换：当用户终端（UE）处于业务连接状态并保持业务服务时，从一个小区移动到另一个小区，原来的服务小区不可能再给UE继续提供服务，为了不中断业务，无线承载系统将寻找最合适的小区或网络为UE提供继续服务，实现无线网络无缝覆盖的移动性管理。3.2.2移动交换的基本技术切换是移动通信系统中一项非常重要的技术，切换的成功率是无线蜂窝通信系统移动性管理性能的重要考量指标；切换失败会导致掉话，影响网络的运行质量。当5G网络与TD-LTE、2G、3G、WLAN等不同制式网络并存时，小区间发生的切换将更复杂、更频繁，造成切换失败的概率也更大，查找引发切换失败的原因会更困难。二．切换技术切换分类：从无线空口资源的分配角度看，小区切换大致可分为以下几种：硬切换、软切换、接力切换。先断开、后切换硬切换先切换、后断开软切换二．切换技术切换分类：从无线空口资源的分配角度看，小区切换大致可分为以下几种：硬切换、软切换、接力切换。接力切换接力切换是一种改进的硬切换技术，可提高切换成功率，与软切换相比，可以克服切换时对邻近基站信道资源的占用。接力切换过程：UE需要对本小区基站和相邻小区基站的参考信号强度进行测量，并上报给基站；基站对测量信号进行判决，如果判决的结果是需要切换，基站就会先与邻小区通信，请求邻小区预先准备好无线资源以及终端的上行文；等邻小区准备好资源和终端的上下文后，就切断当前小区的资源，由邻小区接管对该终端的控制。二．切换技术切换分类：从无线空口资源的分配角度看，小区切换大致可分为以下几种：硬切换、软切换、接力切换。优缺点比较接力切换和软切换与硬切换相比，都具有较高的切换成功率、较低的掉话率以及较小的上行干扰等优点。接力切换不需要同时有多个基站为一个移动用户提供服务，因而克服了软切换需要占用的信道资源多、信令复杂、增加下行链路干扰等缺点。接力切换断开原基站和与目标基站建立通信链路几乎同时进行，克服了传统硬切换掉话率高、切换成功率低的缺点。接力切换精确知道UE位置，只需对与UE移动方向一致或者靠近UE一侧少量小区进行测量，大大减少了UE测量时间和工作量，减少了信令交互和网络负荷，减少了切换时延。二．切换技术（1）多元信任模式下的认证管理在4G网络中，网络对用户入网认证，并作为管道承载用户与服务间的业务认证，用户与网络、用户与服务分别构成二元信任模型。在5G网络中，将融合传统二元信任模型，构建多元信任模型。三．网络安全技术（2）(U)SIM卡的单一身份管理过渡到灵活多样的身份管理在4G等传统蜂窝网络是以实体(U)SIM卡为基础来管理用户的身份和密钥。在5G网络中，引入新的终端身份管理方式，可以包含设备物理标识和业务标识，一个物理标识可以对应一个或者多个业务标识。也可以采用以用户为单位的管理方式。三．网络安全技术3.3移动交换的相关接口3.3.15GC接口NG1、NG2、NG3、NG4、NG6、NG9是基于参考点设置的接口，不是服务化的接口。其余的接口均为服务化的接口。3.3移动交换的相关接口3.3.15GC接口一、服务化的接口服务化接口包含以下接口：NGamf、NGsmf、NGudm、NGnrf、NGnssf、NGausf、NGnef、NGsmf、NGudr、NGpcf、NGlmf、NG5g-eir，采用HTTP/2协议。3.3移动交换的相关接口3.3.15GC接口二、基于参考点的NG接口1.NG1接口NG1接口是一个NAS的接口，它用于发送移动性管理、会话管理的NAS消息。移动性管理用于终端与AMF进行交互的消息。会话管理用于UE与SMF、SMSF、otherNF交互的消息。注意：会话管理的NAS消息，承载于移动管理消息之上；

其他的会话管理消息同样需要通过AMF来转发和透传。3.3移动交换的相关接口3.3.15GC接口二、基于参考点的NG接口2.NG2接口在4G中，NG2接口用于E-NodeB与MME之间连接。在5G中，NG2接口用于对接5G基站与核心网的AMF之间的连接，采用NG-AP协议。3.3移动交换的相关接口3.3.15GC接口二、基于参考点的NG接口3.NG4接口NG4接口是用于SMF与UPF之间的参考点。此接口中间会传输一些控制面的消息，同时也会传输一些用户面的消息。其控制面协议由GTP-C替换为了PFCP，而用户面协议与4G相同，依旧是采用GTP-U的协议。3.3移动交换的相关接口3.3.15GC接口二、基于参考点的NG接口4.NG3、NG6、NG9接口它们用于用户面协议栈的接口。NG3位于5G接入网与UPF之间，用GTP-U的协议；NG6是内部网络侧与外部网络侧的协议，采用GTP-U协议；NG9位于两个UPF之间，是一个5G封装的用户面接口，支持3GPP和非3GPP的接入，当使用3GPP接入时使用GTP-U协议，当使用非3GPP的接入则会使用其他的隧道协议。说明：NG1/2/8/11等接口与AMF有关，NG3/6/9/4等接口与UPF有关，NG4/7/10/11等接口与SMF有关。3.3移动交换的相关接口3.3.2gNB接口接口功能协议NG1.gNB与核心网的接口。2.NG-C(NG2)：NG接口管理、UE上下文管理、UE移动性管理、NAS消息传输、PDU会话管理、配置转换、告警信息传输、寻呼。3.NG-U(NG3)：提供NG-RAN和UPF间的用户面会话（userplanePUDs）非保证传递。控制面：Xn-C、NG-C、F1-C接口信令连接基于SCTP协议（可靠性高）；数据面：Xn-U、NG-U、F1-U用户面传输基于GTP-U协议Xn1.gNB与gNB间的接口，支持数据和信令传输。2.Xn-C：Xn接口管理、UE移动性管理（跨栈切换、上下文转移和RAN寻呼）、双连接（DC）。3.Xn-U：提供用户面PDUs非保证传递，主要功能包括数据转发和流控制。F11.gNB-CU和gNB-DU之间的接口。2.F1-C：F1接口管理、gNB-DU管理、系统消息管理、负载管理、寻呼、F1UE上下文管理……。3.F1-U：用户数据转发、流控制功能。其它gNB和UE之间（UU接口）使用NR控制面和用户面协议。

3.3移动交换的相关接口3.3.2gNB接口gNB接口协议栈包括NG-C协议栈、NG-U协议栈、Xn-C协议栈、Xn-U协议栈、F1-C协议栈和F1-U协议栈。3.4移动交换技术演进3.4.1移动通信系统发展1.第一代蜂窝移动通信系统（1G时代）1978年贝尔实验室在芝加哥试验成功世界上第一个真正意义上的大容量蜂窝移动通信系统，并于1983年正式投入商用。20世纪80年代中期，欧洲和日本纷纷建立了自己的蜂窝移动通信网络，主要包括英国的ETACS系统、北欧的NMT-450系统、日本的NTT/JTACS/NTACS系统等。我国于1987年正式引入蜂窝通信系统。3.4移动交换技术演进3.4.1移动通信系统发展2.第二代蜂窝移动通信系统（2G时代）20世纪90年代，采用数字调制技术的第二代蜂窝移动通信系统（又称2G系统）顺势出现，提供话音和数据业务。GSM：主要利用工作在900/1800MHz频段，无线接口采用TDMA技术，核心网移动性管理协议采用MAP协议。IS-95：工作在800/1900MHz频段，采用CDMA技术，在提高系统容量和抗干扰及无线衰落等方面存在明显优势。2G系统涵盖了全速率完全兼容的增强型话音编解码、半速率编解码器、密集的频率复用/多复用/多重复用结构、智能天线、双频段、自适应语音编码（AMR）以及GPRs/EDGE等多项技术。3.4移动交换技术演进3.4.1移动通信系统发展3.第三代蜂窝移动通信系统（3G时代）1985年国际电信联盟（ITU）提出了未来公共陆地移动通信系统（FPLMTS）的概念，FPLMTS是第三代移动通信系统的前身，其目的是实现任何人在任何时间、任何地点能向任何人传送任何信息。1995年ITU将FPLMTS更名为国际移动电信2000（IMT-2000），即第三代移动通信系统或3G系统。1998年国际电联推出WCDMA和CDMA2000两商用标准（中国2000年推出TD-SCDMA标准，2001年3月被3GPP接纳）。此后，各国通信领域陆续实现由2G系统向3G系统升级。3.4移动交换技术演进3.4.1移动通信系统发展4.第四代蜂窝移动通信系统（4G时代）它是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像的技术产品4G时代的核心技术是OFDM，它具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力，能够以l00Mb/s的速度传输，是移动电话数据传输速率的1万倍，是拨号上网的200倍，是3G移动电话速率的50倍。4G系统能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求，同时4G的计费方式也更加灵活机动，用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。但随着需求的不断变化，4