WCDMA系统网络结构

摘要：WCDMA是3G三种主流标准的一种。WCDMA系统可以分为无线接入和网络结构两部分，本文介绍其网络结构部分。WCDMA网络结构可分为无线接入网和核心网两部分，本文首先重点阐述了无线接入网的结构，对Iu、Iur、Iub接口协议模型进行了分析；接着对R99的核心网和全IP的核心网结构和相关功能实体进行了概述。
　　关键词：WCDMA 无线接入网 R99核心网 全IP核心网
引言
　　WCDMA是目前全球三种主要的第三代移动通信体制之一，是未来移动通信的发展趋势。WCDMA系统是IMT-2000家族的一员，它由CN（核心网）、UTRAN（UMTS陆地无线接入网）和UE（用户装置）组成。UTRAN 和UE采用WCDMA无线接入技术。WCDMA网络在设计时遵循以下原则：无线接入网与核心网功能尽量分离。即对无线资源的管理功能集中在无线接入网完成，而与业务和应用相关功能在核心网执行。无线接入网是连接移动用户和核心网的桥梁和纽带。其满足以下目标：
-允许用户广泛访问电信业务，包括一些现在还没定义的业务，象多媒体和高速率数据业务。
-方便的提供与固定网络相似的高质量的业务（特别是话音质量）。
-方便的提供小的、容易使用的、低价的终端，它要有长的通话和待机时间。
- 提供网络资源有效的使用方法（特别是无线频谱）。
　　目前，WCDMA系统标准的R99版本已经基本稳定，其R4、R5和R6版本还在紧锣密鼓的制订中。WCDMA系统的网络结构如图1所示。

图1 WCDMA系统结构
　　WCDMA系统由三部分CN（核心网）、UTRAN（无线接入网）和UE（用户装置）组成。CN与UTRAN的接口定义为Iu接口，UTRAN与UE的接口定义为Uu接口。
　　本文将重点阐述WCDMA系统的网络结构。其网络结构的基本特点是核心网从GSM的核心网逐步演进和过渡；而无线接入网则是革命性的变化，完全不同于GSM的无线接入网；而业务是完全兼容GSM的业务，体现了业务的连续性。
无线接入网
　　UTRAN包括许多通过Iu接口连接到CN的RNS。一个RNS包括一个RNC和一个或多个Node B。Node B通过Iub接口连接到RNC上，它支持FDD模式、TDD模式或双模。Node B包括一个或多个小区。
　　UTRAN内部，RNSs中的RNCs能通过Iur接口交互信息, Iu接口和Iur接口是逻辑接口。Iur接口可以是RNC之间物理的直接相连或通过适当的传输网络实现。
UTRAN结构如图2所示。

图2 UTRAN结构
　　Iu、Iur、Iub接口分别为CN与RNC、RNC与RNC、RNC与Node B之间的接口。图3所示为ＵＴＲＡＮ接口通用协议模型。此结构依据层间和平面间相互独立原则而建立。

图3 UTRAN接口通用协议模型
　　协议结构包括三层，无线网络层、传输网络层和物理层。所有UTRAN相关问题只与无线网络层有关，传输网络层只是UTRAN采用的标准化的传输技术，与UTRAN的特定的功能无关。物理层可用E1、T1、STM-1等数十种标准接口。
　　控制平面包括无线网络层的应用协议以及用于传输应用协议消息的信令承载。
　　在Iu接口的无线网络层是无线接入网应用协议（RANAP），它负责CN和RNS之间的信令交互。在Iur接口的无线网络层是无线网络子系统应用协议（RNSAP），它负责两个RNS之间的信令交互。在Iur接口的无线网络层是Ｂ节点协议（NBAP），它负责RNS内部的RNC与Node B之间的信令交互。
　　在传输网络层三个接口统一应用ATM传输技术，3GPP还建议了可支持七号信令的SCCP、MTP及IP等技术。
　　应用协议在无线网络层建立承载。信令承载与ALCAP的信令承载可同可不同。信令承载由操作维护（Ｏ&M）建立。
　　用户平面包括数据流和用于传输数据流的数据承载。数据流是各个接口规定的帧协议。
　　传输网络控制平面只在传输层，它不包括任何无线网络控制平面的信息。它包括用户平面传输承载（数据承载）所需的ALCAP协议，还包括ALCAP所需的信令承载。传输网络控制平面的引入使得无线网络控制平面的应用协议完全独立于用户平面数据承载技术。
　　用户平面的数据承载和应用协议的数据承载属于传输网络用户平面。
R99核心网
　　为了第二代向第三代的平滑过渡和演进，目前R99核心网包括三个域，CS（电路交换）域、PS（分组交换）域和BC（广播）域，分别处理电路交换业务、分组交换业务和广播组播业务。R99核心网的CS域指GSM的核心网，PS域指GPRS的支持节点。CS域处理传统的电路交换业务，每次通信需占用占用的一些资源建立专用的一条链路，如语音业务；PS域处理分组交换业务，不需要建立专用链路，每个分组都自己找路由。R99核心网主要有以下一些设备：
●移动业务交换中心(MSC)：对位于它管辖区域中的移动台进行控制、交换的功能实体。
●服务GPRS支持节点（SGSN）：执行移动性管理、安全管理和接入控制和路由选择等功能。
●网关GPRS支持节点（GGSN）：负责提供GPRS PLMN与外部分组数据网的接口，并提供必要的网间安全机制（如防火墙）。
●拜访位置寄存器(VLR)：MSC为所管辖区域中MS呼叫接续所需检索信息的数据库。VLR存储与呼叫处理有关的一些数据，例如用户的号码，所处区域的识别，向用户提供的业务等参数。
●归属位置寄存器(HLR)：管理部门用于移动用户管理的数据库。每个移动用户都应在其归属位置寄存器中注册登记。
●鉴权中心(AUC)：为认证移动用户的身份和产生相应鉴权参数的功能实体。
　　另外，R99核心网还包括一些智能网设备和短消息中心等设备。

图4 R99核心网结构
　　R99核心网只是为2G向3G系统过渡而引入的解决方案，真正的WCDMA系统核心网是全IP核心网，目前在R4和R5标准中已制定了大致方案。
全IP核心网
　　全IP核心网体系结构基于分组技术和IP电话，用于同时支持实时和非实时的业务。此核心网体系结构可以灵活的支持全球漫游和与其它网络的互操作，诸如：PLMN、2G网络、PDN和其它多媒体VOIP网络。此核心网主要包括三部分：GPRS网络、呼叫控制和网关。
　　GPRS网络部分同R99 GPRS PS网络，而GPRS网络中HLR功能由归属用户服务器提供（HSS）。
　　网络结构中呼叫控制部分是最重要的功能。CSCF（呼叫状态控制功能）、MGCF（媒体网关控制功能）、R-SGW（漫游信令网关）、T-SGW（传输信令网关）、MGW（媒体网关）和MRF（多媒体资源功能）组成了呼叫控制和信令功能。CSCF与H.323网守或SIP服务器相似。此体系结构是一个通用结构而不是基于一个具体的H.323或SIP的呼叫控制解决方案。
　　用户特征文件被保存在HSS中。与多媒体IP网络通信的信令只能通过CSCF，而业务则直接通过GGSN就可。MRF与所有业务承载实体协调业务承载事宜，而与CSCF协商信令承载事宜。MRF提供媒体混合、复用以及其它处理和产生功能。
　　与其它网络（诸如PLMN、其它PDN、其它多媒体VOIP网络和2G继承网络GSM）的互联由GGSN、MGCF、MGW、R-SGW和T-SGW支持。其它PLMN网络与本网的信令和业务接口是它们的GPRS实体。CSCF作为一个新的实体通过信令也参与此过程。到继承网络的信令通过R-SGW、CSCF、MGCF、T-SGW和HSS，而和PSTN网络的业务承载接口通过MGW。

图5 全IP核心网结构
总结
　　WCDMA系统的网络结构包括核心网和无线接入网两部分。对于核心网采取由GSM的核心网逐步演进的思路，即由最初的GSM的电路交换的一些实体，然后加入GPRS的分组交换的实体，在到最终演变成全IP的核心网。这样可以保证业务的连续性和核心网络建设投资的节约化。而对于无线接入网，由于WCDMA方式是完全不同与GSM的TDMA的无线接入方式，所以无线接入网是全新的，完全不同于GSM的基战子系统。所以WCDMA系统的无线接入网需要重新进行无线网络规划和布站。
　　WCDMA网络的设计遵循了网络承载和业务应用相分离、承载和控制相分离、控制和用户平面相分离的原则，这样使得整个网络结构清晰，实体功能独立，便于模块化的实现。