第三代移动通信系统UMTS的网络结构

    摘要：采用什么样的网络结构是第三代移动通信系统的一个重要问题，本文对第三代移动通信系统中UMTS的网络结构，包括接入网、标准Iu接口和核心网的结构、功能进行了深入的探讨，并提出了一些有待进一步研究的问题。

    关键词：UMTS 无线接入网 核心网 Iu接口 IP

第三代移动通信系统的研究工作正在世界范围内进行。如未来公共陆地移动通信系统（FPLMTS）；国际电信联盟（ITU）的国际移动通信2000年（IMT2000）；欧洲的通用移动通信系统（UMTS）。第三代移动通信系统的目标是支持多种业务。这将适应各种无线环境，从城区到郊区，从丘陵地区到山区；微蜂窝，微微蜂窝和室内环境向任何人，在任何时间，任何地方提供业务。这就要求它能够全球温游。各种通信网络能够互连互通，是第三代移动通信系统的网络结构要解决的主要问题。UMTS的网络结构如图1所示。它主要由三部分组成，无线接入网、Iu接口和核心网。

UMTS网络的目标是提供一个单一综合的系统，用户在各种环境下以标准的方式接入此系统，并可方便地使用业务。允许各种服务网络和归属环境提供各种通信业务。可通过手持、便携式、车载可移动及固定终端在各种环境下提供业务。对漫游用户，提供和它归属环境一样的业务。可灵活地引入新的业务。

1 无线接入网（RAN）

在UMTS结构中包括通用无线接入网，UMTS无线接入网（URAN）。URAN可以有多种不同的实现方式。根据不同的条件和环境，既可以利用已有的接入网通过进化来实现，也可利用先进的技术实际全新的接入网。UMTS陆地无线接入网（UTRAN）是一种全新的接入网，是UMTS最重要的一种接入方式，适用范围最广。它由一组通过Iu接口连接到核心网的无线网络子系统（RNS）组成。一个RNS由一个无线网络控制器（RNC）和一个或多个节点B组成。节点B通过Iub接口连接到RNC。节点B可以支持FDD模式、TDD模式或双模式。RNC包含支持不同节点B之间宏分集的合并/拆分功能，对需要和UE有信令连接的切换作出决定。支持FDD模式的B节点可以包含一任选的支持节点B内宏分集的合并/拆分功能。

在UTRAN内，无线网络子系统内的RNCs可通过Iur进行连接。Iu和Iur接口是逻辑接口。可通过RNCs间的物理的直接连接或通过任一适合的传输网络来传送Iur。

RNS负责它范围内的蜂窝所需资源。对于用户设备和UTRAN间的每个连接，有一个RNS为服务RNS。若需要，漂移（Drift）RNSs可提供无线资源来支持服务RNS。

UTRAN的功能包括：和整个系统接入控制有关的功能——允许控制；拥塞控制；系统信息广播；无线信道的加密和解密。和移动性有关的功能——切换；SRNS重新定位。与无线资源管理和控制有关的功能——无线资源的配置和运行；无线环境的测量；FDD模式的宏分集控制；无线承载连接的建立和释放；无线承载的分配和释放；TDD模式的动态信道分配（DCA）；无线协议功能；RF功率控制与设置；无线信道编/译码；信道编码控制；初始（随机）接入检测和处理；对非接入层信息的CN分配功能。

2 Iu接口

Iu接口是一个开放的、标准化的、多厂商支持的接口。通过此接口，任意的接入网可以和任意的核心网相连。

Iu接口是分层的结构，如图2所示，每个高层实体控制多个低层实体。每个CN接入点可以连接到一个或多个UTRAN接入点。一个UTRAN接入点只能连接到每个CN域的一个CN接入点。从UTRAN的观点来看，Iu接口上的各种协议需要有最大公共性，即不管核心网的类型（3G-MSC或3G-SGSN），UTRAN将提供给核心网一组通用的无线接入承载业务，UTRAN和核心网节点间有通用的功能分割。无线网络控制平面的信令不依赖于传输层的选择。

Iu接口支持：（1）所有UMTS业务；（2）无线接入承载的建立、维持和释放过程；（3）执行系统内/系统间切换和SRNS重定位过程；（4）与UE无关的一组通用过程，如在过程级流量控制或初始化阶段出现故障情况；（5）一系列通用的UTRAN过程，如寻呼-通告；（6）对每个UE在协议级分离和用户有关的信令管理；（7）在UE和CN间透明地传送NAS信令信息；（8）UMTS信令和后向兼容GSM信令方式；（9）CN请求UTRAN提供位置业务；（10）一个UE同时接入多个CN；（11）对分组数据流的资源预定机制。

Iu接口允许核心网、无线接入网和传输网内独立的支持进化，O&M设备的进化。Iu接口的规范应方便一些CS城业务转移到PS域。Iu接口用户平台协议应独立于核心网域。对Iu接口的控制平台和用户平台，无线网络层和传输层应是独立的。为了使电路/分组交换域根据自己的特点来进化，Iu接口允许不同的协议栈及PSTN/ISDN域和IP域进行转换。

3 核心网（CN）

核心网也有不同的实现方式。根据不同的条件和环境，既可以利用已有的核心网通过进化来实现，也可建设一全新的、先进的核心网。无论以何种方式，何种技术实现核心网，都要满足第三代移动通信系统对核心网的要求。

对UMTS核心网的传输要求是：支持电路交换业务、分组交换业务、实时/非实时及自适应流量控制业务；支持各种QoS需求和业务描述；可以使用户获得各种通信业务，包括许多现在未定义的多媒体和高速率业务；UMTS业务能力应考虑大多数终端业务和应用应用的非连续和非对称的特性，以便更有效的使用网络资源；当一个应用所需的承载业务需要多个连接时，承载业务的属性可以映射为多个值；所有承载业务的属性可以在呼叫建立时进行协商，且在呼叫（移动台或网络发起）期间重新协商；具有允许控制功能。

UMTS支持四种业务类型：恒定比特速率，可变比特速率，可用比特速率和未指定比特速率。UMTS系统允许在服务网络中对连接到此服务网络的不同移动站的业务进行有效的统计复用。另外还希望UMTS将其于统一的传输网。下面介绍一种全IP核心网。

使用IP网络的优点有：通过使用IP能够提供无缝的业务，而和使用的接入方式无关；最佳地利用通用的IP技术，综合OA&M，减少了业务的所需开销；是解决同时支持包括话音、数据、实时业务等多媒体业务的有效方法；要高级别的业务控制；通过支持作为IP客户的终端来利用internet应用的优点，通过分组传输减少网络开销。

在全IP网中，对无线方面问题的要求有：在此结构内，对业务和信令都要优化无线资源的使用。在核心网和无线接入网间要将和无线有关的功能与和无线无关的功能分开。在无线接和网中，将协议栈的用户平面和控制平面分开。在上行和下行链路，使用快速上行链路接入和快速资源分配过程，在相同的无线链路上复用不同类型的业务。对某些实时应用优化端到端IP传输。使用由网络控制的、有短暂中断的切换过程来支持实时应用。无线接入网中的协议栈支持多种有不同QoS要求的业务。分组核心网中，使用用于无线接入网的QoS机制的互操作方式QoS机制。在接入网的空中接口复用不同类型业务的不同承载能力，都要获得最大的频谱利用率。对某些应用，如话音，使用优化的编码和交织方式。支持每个IP地址中有多个不同QoS的数据流。频谱效率应最大化（如利用统计复用）。

全IP网络有两种参考结构。图3是一种参考结构，它允许运营者利用基于分组技术和IP电话技术的结构来传输第三代无线/移动业务，支持实时和非实时业务。此结构具有灵活性和可扩展性来支持与外部网络的全球温游和互操作，如PLMN，2G网络，PDN和其它多媒体VOIP网。此结构由下列关键部分组成：无线接入网、GPRS网、呼叫控制、与外部网络相连的网关和业务结构。

全IP网络还有许多问题需要进一步研究，标准化。例如：（1）切换问题，和其它网络的互操作；（2）网络的安全问题；（3）如何保证所要求的QoS。

第三代移动通信系统的网络结构问题是它的一个关键问题，非常复杂。接入网与核心网是采用种实现方式还是采用多种实现方式还没有最后确定。两种方式各有优缺点。笔者认为采用多种实现方式更好些。