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1 目录 第一章概述 移动通信的发展 G 向 3G 的演进 标准组织 G 演进策略 G 的体制种类及区别 多种体制的由来 RTT 技术提案 技术融合 三种主要技术体制比较 G 频谱情况 i

2 第一章概述 第一章概述 1.1 移动通信的发展 当今的社会已经进入了一个信息化的社会没有信息的传递和交流人们就无法适应现代化的快节奏的生活和工作人们期望随时随地及时可靠不受时空限制地进行信息交流提高工作的效率和经济效益 移动通信可以说从无线电发明之日就产生了 1897 年马可尼所完成的无线 通信实验就是在固定站与一艘拖船之间进行的 而蜂窝移动通信的发展是二 十世纪七十年代中期以后的事 移动通信综合利用了有线无线的传输方式为人们提供了一种快速便捷的通讯手段由于电子技术尤其是半导体集成电路及计算机技术的发展以及市场的推动使物美价廉轻便可靠性能优越的移动通信设备成为可能现代的移动通信发展至今主要走过了两代而第三代现在正处于紧张的研制阶段部分厂家已经推出实验产品 第一代移动通信系统是模拟制式的蜂窝移动通信系统时间是本世纪七十年代中期至八十年代中期 1978 年美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统 AMPS 建成了蜂窝式移动通信系统其它工业化国家也相继开发出蜂窝式移动通信网这一阶段相对于以前的移动通信系统最重要的突破是贝尔实验室在七十年代提出的蜂窝网的概念蜂窝网即小区制由于实现了频率复用大大提高了系统容量 第一代移动通信系统的典型代表是美国的 AMPS 系统先进移动电话系统和后来的改进型系统 TACS 总接入通信系统等 AMPS 使用 800MHz 频带在北美南美和部分环太平洋国家广泛使用 TACS 使用 900MHz 频带分 ETACS 欧洲和 NTACS 日本两种版本英国日本和部分亚洲国家广泛使用此标准 第一代移动通信系统的主要特点是采用频分复用 FDMA 模拟制式语音信号为模拟调制每隔 30kHz/25kHz 一个模拟用户信道第一代系统在商业上取得了巨大的成功但是其弊端也日渐显露出来 (1) 频谱利用率低 (2) 业务种类有限 (3) 无高速数据业务 (4) 保密性差易被窃听和盗号 (5) 设备成本高 1-1

3 第一章概述 (6) 体积大重量大 为了解决模拟系统中存在的这些根本性技术缺陷数字移动通信技术应运而生这就是以 GSM 和 IS-95 为代表的第二代移动通信系统时间是从八十年代中期开始模拟蜂窝网虽然取得了很大的成功但其频谱利用率低业务种类受限通话易被窃听难以满足移动通信系统的发展到了八十年代中期欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网 GSM 的体系随后美国和日本也制订了各自的数字移动通信体制数字移动通信网相对于模拟移动通信网提高了频谱利用率支持多种业务服务并与 ISDN 等兼容第二代移动通信系统以传输话音和低速数据业务为目的因此又称为窄带数字通信系统 第二代数字蜂窝移动通信系统的典型代表是美国的 DAMPS 系统洲的 GSM 系统 IS-95 和欧 GSM 全球移动通信系统发源于欧洲它是作为全球数字蜂窝通信的 TDMA 标准而设计的支持 64kbi/s 的数据速率可与 ISDN 互连 GSM 使用 900MHz 频带使用 1800MHz 频带的称为 DCS1800 GSM 采用 FDD 双工方式和 TDMA 多址方式每载频支持 8 个信道信号带宽 200kHz GSM 标准体制较为完善技术相对成熟不足之处是相对于模拟系统其容量增加不多仅仅为模拟系统的两倍左右无法和模拟系统兼容 DAMPS 先进的数字移动电话系统 也称 IS-54 北美数字蜂窝 使用 800MHz 频带 是两种北美数字蜂窝标准中推出较早的一种 使用 TDMA 多 址方式 IS-95 是北美的另一种数字蜂窝标准使用 800MHz 或 1900MHz 频带使用 CDMA 多址方式已成为美国 PCS 个人通信系统网的首选技术 由于第二代移动通信以传输话音和低速数据业务为目的 从 1996 年开始 为 了解决中速数据传输问题 又出现了 2.5 代的移动通信系统 如 GPRS 和 IS-95B CDMA 系统容量大 相当于模拟系统的 倍 与模拟系统的兼容性好 美国 韩国 香港等地已经开通了窄带 CDMA 系统 对用户提供服务 由于 窄带 CDMA 技术比 GSM 成熟晚等原因 使得其在世界范围内的应用远不及 GSM 国内有北京 上海 广州 西安四地的窄带 CDMA 系统在运行 但从 发展前景看 由于自有的技术优势 CDMA 技术已经成为第三代移动通信的 核心技术 移动通信现在主要提供的服务仍然是语音服务以及低速率数据服务由于网络的发展数据和多媒体通信有了迅猛的发展势头所以第三代移动通信的目标就是宽带多媒体通信 第三代移动通信系统是一种能提供多种类型高质量的多媒体业务能实现全球无缝覆盖具有全球漫游能力与固定网络相兼容并以小型便携式终端在任何时候任何地点进行任何种类的通信系统由于其诸多优点全世界各个运营商生产厂家与广大用户对此产生浓厚的兴趣第三代移动通信系统的目标可以概括为 1-2

4 第一章概述 (1) 能实现全球漫游用户可以在整个系统甚至全球范围内漫游且可以在不同速率不同运动状态下获得有质量保证的服务 (2) 能提供多种业务 提供话音 可变速率的数据 活动视频会话等业务 特别是多媒体业务 (3) 能适应多种环境 可以综合现有的公众电话交换网 PSTN 综合业务 数字网 无绳系统 地面移动通信系统 卫星通信系统 来提供无缝隙的覆 盖 (4) 足够的系统容量强大的多种用户管理能力高保密性能和高质量的服务 为实现上述目标对其无线传输技术 RTT Radio Transmission Technology 提出了以下要求 (1) 高速传输以支持多媒体业务 室内环境至少 2Mbi/s 室内外步行环境至少 384kbi/s 室外车辆运动中至少 144kbi/s 卫星移动环境至少 9.6kbi/s (2) 传输速率能够按需分配 (3) 上下行链路能适应不对称需求 第三代移动通信系统最早由国际电信联盟 ITU 于 1985 年提出 当时称为 未来公众陆地移动通信系统 FPLMTS Fuure Public Land Mobile Telecommunicaion Sysem 1996 年更名为 IMT-2000 Inernaional Mobile Telecommunicaion-2000 国际移动通信 意即该系统工作在 2000MHz 频段 最高业务速率可达 2000kbi/s 预期在 2000 年左右得到商用 主要体制有 WCDMA cdma2000 和 UWC 年 11 月 5 日 国际电联 ITU-R TG8/1 第 18 次会议通过了 IMT-2000 无线接口技术规范 建议 其中 我国提出的 TD-SCDMA 技术写在了第三代无线接口规范建议的 IMT-2000 CDMA TDD 部分中 IMT-2000 无线接口技术规范 建议的通过表明 TG8/1 制定第三代移动通信系统无线接口技术规范方面的工作已经基本完成 第三代移动通信系统的开发和应用将进入实质阶段 与此同时 IMT-2000 许 可证的发放工作也在世界各国如火如荼地开展起来 1.2 2G 向 3G 的演进 标准组织 3G 的标准化工作实际上是由 3GPP 3h Generaion Parner Projec 第三代伙伴关系计划和 3GPP2 两个标准化组织来推动和实施的 1-3

5 第一章概述 3GPP 成立于 1998 年 12 月由欧洲的 ETSI 日本的 ARIB 韩国的 TTA 和美国的 T1 等组成采用欧洲和日本的 WCDMA 技术构筑新的无线接入网络在核心交换侧则在现有的 GSM 移动交换网络基础上平滑演进提供更加多样化的业务 UTRA Universal Terresrial Radio Access 为无线接口的标准 其后不久在 1999 年的 1 月 3GPP2 也正式成立由美国的 TIA 日本 ARIB 韩国 TTA 等组成无线接入技术采用 cdma2000 和 UWC-136 为标准 cdma2000 这一技术在很大程度上采用了高通公司的专利核心网采用 ANSI/IS-41 IMT-2000 的网络采用了家族概念受限于家族概念 ITU 无法制定详细的协议规范我国的无线通信标准研究组 CWTS 是这两个标准化组织的正式组织成员华为公司大唐集团也都是 3GPP 的独立成员 G 演进策略 3GPP 和 3GPP2 制定的演进策略总体上都是渐进式的 (1) 保证现有投资和运营商利益 (2) 有利于现有技术的平滑过渡 对于电信网络的运营商来说需要考虑如何充分利用现有第二代网络以使第三代的网络投资更加有效有效的投资就意味着更高的利润这也是衡量每一个公司运营状况的关键所在对于第二代移动用户来说随着生活方式的改变现有的话音和短信息 SMS 服务已经不能满足信息时代的要求从而成为 IMT-2000 的潜在用户现有网络的再使用使他们更加方便地在原有无线网上得到新业务同时减少花费 第二个问题也正是 1998 至 1999 年欧美兼并浪潮波及无线通信领域的又一个例子即采用 TDMA 方式的 GSM 和 DAMPS IS-136 在向第三代演进时有趋同 convergence 的倾向由于目前我国的第二代无线网络中 GSM 系统的主导地位加之 GSM 和 DAMPS 的趋同 DAMPS 向 GSM 靠近可以认为 GSM 向 UMTS/IMT-2000 的过渡将是第二代向第三代发展的主流 1. GSM 向 WCDMA 的演进策略 结合上面的论述 GSM 向 WCDMA 的演进策略应是目前的 GSM HSCSD 高速电路交换数据速率 kbi/s GPRS 通用分组无线业务速率 144kbi/s IMT-2000 WCDMA (1) 高速电路交换数据 HSCSD High Speed Circui Swiched Daa HSCSD 具有将多个全速率话音信道进行共同分配的特性 HSCSD 的目的是以单一的物理层结构提供不同空间接口用户速率的多种业务的混合 HSCSD 结构的有效容量是 TCH/F 容量的几倍使得空间接口数据传输速率明显提高 HSCSD 的好处在于更高的数据速率高达 64kbi/s 最大数据速率取决于生产厂家并仍使用现有 GSM 数据技术现有 GSM 系统稍加改动就可使用此 1-4

6 第一章概述 技术中较高的数据速率是以多信道数据传输实现的并且如果改动信道编码及协议每个信道的数据速率可到达 14.4kbi/s (2) 通用分组交换无线业务 GPRS General Packe Radio Service GPRS 的主要优点是 (a) 标准的无线分组交换 Inerne/Inrane 接入 适用于所有 GSM 覆盖的地方 (b) 可变的数据速率峰值 从每秒几个比特到 171.2kbi/s 最大数据速率取决 于生产厂家 (c) 由于按实际数据量计费费用 使用户可能全天在线而只需付实际传输数据量的 (d) 支持现有业务以及新的应用业务 (e) 无线接口上打包 优化无线资源共享 (f) 网络构成的分组交换技术 优化网络资源共享 (g) 可延伸到未来无线协议的能力 在现有 GSM 网络的基础上网络功能部分 以分组交换为基础的 GPRS 网络结构增加了新的 (a) SGSN Serving GPRS Suppor Node 服务 GPRS 支持节点 其主要的作 用就是为本 SGSN 服务区域的 MS 转发输入 / 输出的 IP 分组 其地位类似于 GSM 电路网中的 MSC/VLR 同 VLR 相似 SGSN 中的大部分用户信息是在位 置更新过程中从 HLR 获取的 (b) GGSN Gaeway GPRS Suppor Node 网关 GPRS 支持节点其主要的作用就是提供数据包在 GPRS 网和外部数据网之间的路由和封装 (3) 宽带码分多址 WCDMA Wideband Code Division Muli-Access WCDMA 成为以 UMTS/IMT-2000 为目标的成熟的新技术其能够满足 ITU 所列出的所有要求提供非常有效的高速数据以及具有高质量的语音和图象业务其具体特性将在 节中进行介绍 但是在 GSM 向 WCDMA 的演进过程中仅核心网部分是平滑的而由于空中接口的革命性变化无线接入网部分的演进也将是革命性的 2. IS-95 向 cdma2000 的演进策略 从 IS-95A 速率 9.6/14.4kbi/s IS-95B 速率 115.2kbi/s cdma2000 1X cdma2000 1X EV cdma2000 1X 能提供更大容量和高速数据速率 144k bi/s 支持突发模式并增加新的补充信道先进的 MAC 提供改进的 QoS 保证采用增强技术后的 cdma2000 1X EV 可以提供更高的性能 IS-95B 与 IS-95A 的主要区别在于可以捆绑多个信道当不使用辅助业务信道时 IS-95B 与 IS-95A 是基本相同的可以共存于同一载波中 cdma

7 第一章概述 1X 则有较大的改进 cdma2000 与 IS-95 是通过不同的无线配置 RC 来区别的 cdma2000 1X 系统设备可以通过设置 RC 同时支持 1X 终端和 IS-95A/B 终端因此 IS-95A/B/1X 可以同时存在于同一载波中对 cdma2000 系统来说从 2G 到 3G 过渡可以采用逐步替换的方式即压缩 2G 系统的 1 个载波转换为 3G 载波开始向用户提供中高速速率的业务这个操作对用户来说是完全透明的由于 IS-95 的用户仍然可以工作在 3G 载波中所以 2G 载波中的用户数并没有增加也不会因此增加呼损随着 3G 系统中用户量增加可以逐步减少 2G 系统使用的载波增加 3G 系统的载波通过这种方式可以很好地解决网络升级的问题网络运营商通过这种平滑升级不仅可以向用户提供各种最新的业务而且很好地保护了已有设备的投资 在向第三代演进的过程中需要注意的问题是 BTS 和 BSC 等无线设备的演进问题在制定 cdma2000 标准时已经充分考虑了保护运营商的投资很多无线指标在 2G 和 3G 中是相同的对 BTS 来说天线射频滤波器和功率放大器等射频部分是可以再利用的而基带信号处理部分则必须更换 对于 cdma2000 1X 的的演进思路 主要包括 (1) Qualcomm 提出的 HDR High Daa Rae (2) Moorola LSI Logic 和 Nokia 提出的 1X TREME (3) 中国提出的 LAS-CDMA 三种均作为 cdma2000 1X 的增强技术 在这种情况下 制定统一的标准将更 有利于 cdma2000 1X 系统及其增强系统的应用 为此 CDG 提出了 1X EV 来 统一协调 cdma2000 1X 的演进过程 CDG 指出相对于同时提供高速分组数据业务和实时业务如语音的空中接口工业组织可以更快地提供优化了的只支持高速分组数据业务的空中接口所以 CDG 建议将 cdma2000 1X EV 分成两个阶段 (1) Phase 1 亦称 1X EV-DO 支持非实时高速分组数据业务 (2) Phase 2 亦称 1X EV-DV 同时支持高速分组数据业务和实时业务 cdma2000 1X EV 演进的时间表如图 1-1 所示 1-6

8 第一章概述 1X EV Phase 1 非实时 高速分组业务 1X EV Phase 2 同时支持实时和非实时业务 cdma2000 1X sudy period Phase 1 BL Tex Done (2000.8) 图 1-1 cdma2000 1X EV 演进时间表 仅支持非实时高速分组数据业务的 cdma2000 1X Phase 1 以 Qualcomm 公司的 HDR 为基础其标准已经确定而同时支持高速分组数据业务和实时业务的 cdma2000 1X Phase 2 采用什么样的标准还在研究之中其标准计划在 2001 年确定目前已有好几种提案包括我国已经提交的 LAS-CDMA 3. DAMPS 向 UWC-136 的演进策略 IS-136 DAMPS 向 UWC-136 Universal Wireless Communicaions 的演进 的第一步是实现 GPRS-136 第二步是实现 UWC-136 UWCC 和 TIA TR-45.3 决定选用以 EDGE 为基础的技术 这同时意味着以 GPRS 网络结构来 支持 136+ 的高速数据传输 GPRS-136 是 136+ 分组交换数据业务 的官方 称呼 由于考虑到实现的经济性问题 高层协议 指第三层以上 与 GPRS 完全相同 它提供了与 GSM 的 GPRS 同样的容量 用户可接入 IP 和 X.25 两种格式的数据网 其主要目的是减少 TIA/EIA-136 与 GSM GPRS 之间的 技术差别 以便用户在 GPRS-136 和 GSM GPRS 网络间的漫游 GPRS-136 的 设计思路与 GPRS 十分相似 即在现有的电路交换网节点上并联分组交换网 节点 同时这两个网间也有链路相连 值得一提的是 1998 年到 1999 年 美国 TIA 发展第三代的策略之一是通过向第三代的演进实现与同样为 TDMA 接入 方式的 GSM 的趋同 convergence 提高话音 / 数据传输速率和与 GSM 的趋 同被定为 136+ 的两大目标 这对于全球性漫游和产品的经济性极有好处 也 实现了 UWCC 和 ETSI 的合作协议 更重要的是 这使 TDMA 在第三代系统中 的角色更为重要 1-7

9 第一章概述 1.3 3G 的体制种类及区别 多种体制的由来 对于 3G ITU 的目标是建立 ITM-2000 系统家族求同存异实现不同 3G 系统上的全球漫游 (1) 网络部分 在 1997 年 3 月 ITU-T SG11 的一次中间会议上 通过了欧洲提出的 ITM-2000 家族概念 此概念是基于现有网络已有至少两种主要标准 即 GSM MAP 和 IS-41 (2) 无线接口 在 1997 年 9 月 ITU-R TG8/1 会议上 开始讨论无线接口的家族概念 在 1998 年 1 月 TG8/1 特别会议上 提出并开始采用 套 的概念 不再使用 家族概念 其含义是无线接口标准可能多于一个 但并没有承认可以多于一个 而是希 望最终能统一成一个标准 造成技术不同的原因主要有下面两个 (1) 与第二代的关系 网络部分一定要与第二代兼容即第三代的网络是基于第二代的网络逐步发展演进第二代网络有两大核心网 GSM MAP 和 IS-41 无线接口美国的 IS-95 CDMA 和 IS-136 TDMA 运营者强调后向兼容演进型欧洲的 GSM 日本 PDC 运营者无线接口不后向兼容革命型 核心网与无线接口的对应关系如图 1-2 所示 1-8

10 第一章概述 核心网 无线接入网 2G/3G IS-136 UWC-136 IS-41 核心网 IS-95 CDMA cdma2000 GSM核心网 GSM W-CDMA TD-SCDMA PDC 核心网 PDC 图 1-2 核心网与无线接入网接口的对应关系 (2) 频谱对技术的选用起着重要的作用 在频谱方面其中关键的问题是 ITU 分配的 IMT-2000 频率在美国已用于 PCS 业务由于美国要与第二代共用频谱所以特别强调无线接口的后向兼容技术上强调逐步演进而其他大多数国家有新的 IMT-2000 频段新频段有很大的灵活性 (3) 知识产权和竞争 此外知识产权起着非常重要的作用 Qualcomm 等公司都有自己的专利声明还有就是竞争也是一个造成技术不同的主要因素 RTT 技术提案 ITU-R 第 8 研究组的 TG8/1 任务组负责推进 IMT-2000 无线电传输技术 RTT 的评估融合工作至 1998 年 9 月 RTT 提案包括对 MSS 移动卫星业务在内多达 16 个它们基本来自 IMT-2000 的 16 个 RTT 评估组成员包括 (1) UTRA WCDMA 欧洲 (2) DECT 欧洲 (3) cdma2000 美国 (4) UWC-136 美国 (5) WIMS WCDMA 美国 (6) WCDMA/NA 美国 1-9

11 第一章概述 (7) WCDMA 日本 (8) TD-SCDMA 中国 (9) Global CDMA 同步韩国 (10) Global CDMA 异步韩国 (11) LEO 卫星系统 SAT-CDMA (12) ESA 的宽带卫星系统 SW-CDMA (13) 混合宽带 CDMA/TDMA 卫星系统 SW-CTDMA (14) ICO 全球通信公司的 ICO RTT (15) INMARSAT 的卫星系统 Horizons (16) Iridium LLC 公司的卫星系统 INX 其中前 10 种为 IMT-2000 地面系统 RTT 提案后 6 种 RTT 反映了将 MSS 卫星移动通信业务纳入 IMT-2000 的努力 提案充分反映了很多国家对 IMT-2000 未来制式确定的关心与力争施加有效影 响的基本愿望 但从市场基础 后向兼容及总体特征看 欧洲 ETSI 的 UTRA WCDMA 及美国 cdma2000 这两个提案 最具竞争力 RTT 融合的关键即在于 这两个提案的融合能否取得有效的进展 技术融合 IMT-2000 既包括地面移动通信业务 TMS 又包括卫星移动通信业务 MSS 建议一个全球统一融合得更好的第三代移动通信标准对运营商制造商用户及政策规划管理部门均更有利也为世界各国所欢迎 目前 IMT-2000 的 RTT 标准的制定工作已进入最后的实质性阶段就 16 个 RTT 候选方案来看地面移动通信融合的最终结果对于 FDD 模式以欧洲 ETSI 的 WCDMA DS 与美国 TIA 的 cdma2000 最具竞争力而对于 TDD 模式欧洲的 ETSI UTRA 提出的 TD-CDMA 与中国 CWTS 提出的 TD-SCDMA 是进一步融合的主要对象 1999 年 3 月底爱立信和高通公司就 IPR 达成的一系列协议为推广全球 CDMA 标准扫除了知识产权方面的重大障碍 1999 年 5 月底运营者协调集团 OHG 全球 31 个主要操作运营者与 11 个重要制造商提出的涉及 IMT-2000 的融合提案对促进其主要参数码片速率导频结构及核心网协议以 GSM-MAP ANSI-41 为基础统一起了积极作用参与者一致统一码片速率对 FDD-DS-CDMA 取 3.84Mcps 对 FDD-MC-CDMA 即 FDD-cdma2000-(MC) 取 Mcps 1999 年 6 月于北京召开的 TG8/1 第 17 次会议就 IMT-2000 的无线接口技术规范建议 Rec IMT RSPC 达成了框架协议并鼓励 3GPP 3GPP2 及各标准开发组织 SDOS 支持上述 OHG 提案由工作组对 MSS 提案进行更细节化的工作 1999 年 11 月在芬兰赫尔辛基召开的第 18 次会议上通过了 IMT-2000 无线 1-10

12 第一章概述 接口技术规范建议该建议的通过表明 TG8/1 在制定第三代移动通信系统无线接口技术规范方面的工作已基本完成第三代移动通信系统的开发和应用将进入实质阶段 到目前 主要的技术体制有 UTRA FDD UTRA TDD 和 cdma2000 UTRA FDD 采用 WCDMA UTRA TDD 采用 TD-CDMA 而将 TD-SCDMA 和 UTRA 进行融合 分别将 TD-CDMA 和 TD-SCDMA 称为 3.84Mcps TDD 和 1.28Mcps TDD WCDMA cdma2000 和 TD-SCDMA 已经成为最主要的三种 技术体制 三种主要技术体制比较 1. WCDMA 技术体制 核心网基于 GSM/GPRS 网络的演进 保持与 GSM/GPRS 网络的兼容性 核心网络可以基于 TDM ATM 和 IP 技术并向全 IP 的网络结构演进 核心网络逻辑上分为电路域和分组域两部分业务 分别完成电路型业务和分组型 UTRAN 基于 ATM 技术统一处理语音和分组业务并向 IP 方向发展 MAP 技术和 GPRS 隧道技术是 WCDMA 体制移动性管理机制的核心 空中接口特性如下 (1) 空中接口采用 WCDMA (2) 信号带宽 5MHz (3) 码片速率 3.84Mcps (4) 语音编码 AMR 语音编码 (5) 同步方式支持同步 / 异步基站运营模式 (6) 功率控制上下行闭环加外环功率控制方式 (7) 发射分集方式下行包括开环发射分集和闭环发射分集提高 UE 的接收性能开环发射分集又包括空时发射分集 STTD Space Time Transmi Diversiy 和时分发射分集 TSTD Time Swiched Transmi Diversiy 而闭环发射分集也包括两种模式发射分集是可选项 (8) 解调方式导频辅助的相干解调方式提高解调性能 (9) 编码方式卷积码和 Turbo 码的编码方式 (10) 调制方式上行 BPSK 和下行 QPSK 调制方式 1-11

13 第一章概述 2. cdma2000 技术体制 cdma2000 体制是基于 IS-95 的标准基础上提出的 3G 标准由 3GPP2 来完成 目前其标准化工作 电路域继承 2G IS-95 CDMA 网络 引入以 WIN 为基本架构的业务平台 分组域是基于 Mobile IP 技术的分组网络 无线接入网以 ATM 交换机为平台 提供丰富的适配层接口 空中接口特性如下 (1) 空中接口采用 cdma2000 兼容 IS-95 (2) 信号带宽 N 1.25MHz N 1,3,6,9,12 (3) 码片速率 N Mcps (4) 语音编码 8k/13k QCELP 或 8k EVRC 语音编码 (5) 同步方式基站需要 GPS/GLONASS 同步方式运行 (6) 功率控制上下行闭环加外环功率控制方式 (7) 发射分集方式下行可以采用正交发射分集 OTD Orhogonal Transmi Diversiy 和空时扩展分集 STS Space Time Spreading 提高信道的抗衰落能力改善了下行信道的信号质量 (8) 解调方式上行采用导频辅助的相干解调方式提高了解调性能 (9) 编码方式采用卷积码和 Turbo 码的编码方式 (10) 调制方式上行 BPSK 和下行 QPSK 调制方式 3. TD-SCDMA 技术体制 TD-SCDMA 标准由中国无线通信标准组织 CWTS 提出 3GPP 关于 WCDMA-TDD 的相关规范中 目前已经融合到了 核心网基于 GSM/GPRS 网络的演进 保持与 GSM/GPRS 网络的兼容性 核心网络可以基于 TDM ATM 和 IP 技术并向全 IP 的网络结构演进 核心网络逻辑上分为电路域和分组域两部分业务 分别完成电路型业务和分组型 UTRAN 基于 ATM 技术统一处理语音和分组业务并向 IP 方向发展 MAP 技术和 GPRS 隧道技术是 WCDMA 体制移动性管理机制的核心 空中接口采用 TD-SCDMA 1-12

14 第一章概述 TD-SCDMA 具有 3S 特点即智能天线 Smar Anenna 同步 CDMA Synchronous CDMA 和软件无线电 Sofware Radio TD-SCDMA 采用的关键技术有智能天线联合检测多时隙 CDMA DS-CDMA 同步 CDMA 信道编译码和交织与 3GPP 相同接力切换等 三种主要技术体制的对比情况如表 1-1 所示 表 1-1 三种主要技术体制比较 制式 WCDMA cdma2000 TD-SCDMA 采用国家 欧洲 日本 美国 韩国 中国 继承基础 GSM 窄带 CDMA GSM 预计试用期 日本 2001 年 韩国 2000 年底 同步方式 异步 同步 异步 码片速率 3.84Mcps N Mcps 1.28Mcps 信号带宽 5MHz N 1.25MHz 1.6MHz 空中接口 WCDMA cdma2000 兼容 IS-95 TD-SCDMA 核心网 GSM MAP ANSI-41 GSM MAP 1.4 3G 频谱情况 国际电联对第三代移动通信系统 IMT-2000 划分了 230MHz 频率即上行 MHz 下行 MHz 共 230MHz 其中 MHz 地对空和 MHz 空对地用于移动卫星业务上下行频带不对称主要考虑可使用双频 FDD 方式和单频 TDD 方式此规划在 WRC92 上得到通过如图 1-3 所示 1-13

15 第一章概述 MHz ITU Allocaions IMT 2000 MSS IMT 2000 MSS 1880 Europe GSM 1800 DECT UMTS MSS UMTS MSS WLL WLL China GSM 1800 IMT 2000 MSS IMT 2000 MSS Japan Korea (w/o PHS) Norh America PHS PCS IMT 2000 A D B E F C A D B E F C MSS 1990 MSS IMT 2000 Reserve 2160 M D S MSS MSS MSS = Mobile Saellie Services MDS = Mulipoin Service/ Mobile Daa Service MHz 图 1-3 WRC-92 的频谱分配 欧盟对第三代移动通信的问题亦十分重视欧洲电信标准化协会早在十多年前就开始了第三代移动通信标准化的研究工作成立了一个由运营商设备制造商和电信管制机构的代表组成的通用移动通信系统即 UMTS 论坛 1995 年正式向 ITU 提交了频谱划分的建议方案 欧洲情况为陆地通信为 MHz MHz 和 MHz 共计 155MHz 北美情况比较复杂如图 1-3 所示在 3G 低频段的 MHz 处实际已经划给 PCS 使用且已划成 2 15MHz 和 2 5MHz 的多个频段 PCS 业务已经占用的 IMT-2000 的频谱虽然经过调整但调整后 IMT-2000 的上行与 PCS 的下行频段仍需共用这种安排不大符合一般基站发高收低的配置 日本 MHz 已用于 PHS 频段还可以提供 2 60MHz 15MHz 135MHz 的 3G 频段 MHz MHz MHz 目前日本正在致力于清除与第三代移动通信频率有冲突的问题 韩国和 ITU 建议一样 共计 170MHz WRC1992 划分的频谱已经得到各标准化组织的支持如 3GPP 和 3GPP2 分别在 WCDMA 和 cdma2000 的标准中给出了 IMT-2000 WRC1992 频谱的使用方法在 2000 年的 WRC2000 大会上在 WRC-92 基础上又批准了新的附加频段 MHz MHz MHz 如图 1-4 所示 1-14

16 第一章概述 ITU idenificaions IMT 2000 IMT 2000 IMT 2000 MSS IMT 2000MSS Europe GSM IMT 2000 GSM 1800 DECT MSS IMT 2000 MSS China Cellular GSM GSM 1800, PCS IMT 2000 MSS IMT 2000MSS Japan, Korea (w/o PHS) Norh America PDC Cellular PHS IMT 2000 MSS IMT 2000MSS P C S ADBEF C AD B EF C MSS Reserve MSS New IMT-2000 erresrial bands Previous IMT-2000 erresrial bands 图 1-4 WRC2000 对 IMT-2000 的频谱安排 WCDMA FDD 模式使用频谱为 3GPP 并不排斥使用其它频段上行 MHz 下行 MHz 而美洲地区上行 MHz 下行 MHz WCDMA TDD 包括 High bi rae 和 Low bi rae 模式使用频谱为 3GPP 并不排斥使用其它频段 (1) 上下行 MHz 和 MHz (2) 美洲地区上下行 MHz 和 MHz (3) 美洲地区上下行 MHz 特殊情况下如两国边界地区可能会出现 TDD 和 FDD 在同一个频带内共存的情况 3GPP TSG RAN WG4 正在进行这方面的研究 cdma2000 中只有 FDD 模式目前共有 7 个 Band class 其中 Band Class 6 为 IMT-2000 规定的 MHz/ MHz 的频段 在我国根据目前的无线电频率划分 MHz 频段有移动业务固定业务和空间业务该频段内有大量的微波通信系统和一定数量的无线电定位设备正在使用 1996 年 12 月国家无线电管理委员会为了发展蜂窝移动通信和无线接入的需要对 2GHz 的部分地面无线电业务频率进行重新规划和调整但还与第三代移动有冲突即公众蜂窝移动通信 1.9MHz 的频段和无线接入的频段均占用了 IMT 2000 的频段中的一部分 因此 第三代移动通信必须与现有的各种无线通信系统共享有限的频率资源 为了促使运营 科研 生产等部门积极发展第三代移动通信系统 满足我国 移动通信发展的近期频谱需求和长远频谱需求 必须随着技术 业务的发展 做好 IMT-2000 频段的规划调整工作 1-15

17 第一章概述 考虑到实际应用的业务 1-5 所示 我国 IMT-2000 频谱使用情况也可以画成如下图 IMT-2000 MSS MSS 我国占用情况 FDD/WLL 空闲 TDD/WLL FDD/WLL MSS 空闲 空闲 MSS 划分建议 3G/TDD 3G/FDD TDD/WLL MSS 3G/TDD 3G/FDD MSS 图 1-5 我国 IMT-2000 频谱占用情况 可以看到我国的 WLL 和部分公众移动电话占用了 IMT-2000 的低频段为了保证未来 IMT-2000 的频谱需要国家无线电管理委员会正在颁布法规逐步收回部分 FDD/WLL 和 TDD/WLL 的使用频率 1-16

18 目录 第二章 WCDMA 系统结构 概述 UMTS 系统网络构成 系统接口 UTRAN 的基本结构 RNC Node B UTRAN 各接口的基本协议结构 UTRAN 完成的功能 核心网络基本结构 R99 网络结构及接口 R4 网络结构及接口 R5 网络结构及接口 UTRAN 主要接口协议 Uu 接口 Iub 接口 Iur 接口 Iu 接口 图 2-1 UMTS 的系统结构... 图 2-2 UMTS 网络单元构成示意图... 图 2-3 UTRAN 的结构... 图 2-4 Node B 的逻辑组成框图... 图 2-5 UTRAN 接口的通用协议模型 图 2-6 R99 网络结构图... 表 2-1 R99 核心网的接口名称与含义... 图 2-7 CAMEL 相关结构图... 图 2-8 R4 的网络结构图... 表 2-2 R4 核心网外部接口名称与含义... 图 2-9 R5 的网络结构图... 图 2-10 R5 的 IMS 网络结构图... 图 2-11 HSS 的基本结构与接口... 图 2-12 HSS 的结构示意 i

19 图 2-13 无线接口协议结构... 图 2-14 Iub 接口协议图... 图 2-15 无线网络协议的区分和在 Iub 上的传送... 图 2-16 Iur 接口协议结构... 图 2-17 无线网络协议和 Iur 上传送的区分... 图 2-18 漂移 RNS 逻辑模型... 图 2-19 核心网和 UTRAN 之间的接口图... 图 2-20 Iu-CS 的协议结构 图 2-21 Iu-PS 的协议结构 表 2-3 Iu 接口的功能划分 ii

20 第二章 WCDMA 系统结构 第二章 WCDMA 系统结构 2.1 概述 UMTS Universal Mobile Telecommunicaions Sysem 通用移动通信系统 是采用 WCDMA 空中接口技术的第三代移动通信系统 通常也把 UMTS 系统 称为 WCDMA 通信系统 UMTS 系统采用了与第二代移动通信系统类似的结 构 包括无线接入网络 Radio Access Nework RAN 和核心网络 Core Nework CN 其中无线接入网络处理所有与无线有关的功能 而 CN 处理 UMTS 系统内所有的话音呼叫和数据连接 并实现与外部网络的交换和路由 功能 CN 从逻辑上分为电路交换域 Circui Swiched Domain, CS 和分组 交换域 Packe Swiched Domain, PS UTRAN CN 与用户设备 User Equipmen UE 一起构成了整个 UMTS 系统其系统结构如图 2-1 所示 终端 接入网 3G 核心网络外部网络 3G CS MSC VLR GMSC gsmssf PSTN UTRAN 业务应用域 HLR, SCP 3G PS SGSN,GGSN Inerne 图 2-1 UMTS 的系统结构 从 3GPP R99 标准的角度来看 UE 和 UTRAN UMTS 的陆地无线接入网络由全新的协议构成其设计基于 WCDMA 无线技术而 CN 则采用了 GSM/GPRS 的定义这样可以实现网络的平滑过渡此外在第三代网络建设的初期可以实现全球漫游 UMTS 系统网络构成 UMTS 网络单元构成如图 2-2 所示 2-1

21 第二章 WCDMA 系统结构 Uu lu USIM Node B Node B RNC MSC/ VLR GMSC PLMN PSTN ISDN,ec Cu lub lur HLR ME Node B Node B RNC SGSN GGSN INTERNET UE UTRAN CN Exernal Neworks 图 2-2 UMTS 网络单元构成示意图 从图 2-2 的 UMTS 系统网络构成示意图中可以看出括如下部分 UMTS 系统的网络单元包 1. UE User Equipmen UE 是用户终端设备它主要包括射频处理单元基带处理单元协议栈模块以及应用层软件模块等 UE 通过 Uu 接口与网络设备进行数据交互为用户提供电路域和分组域内的各种业务功能包括普通话音数据通信移动多媒体 Inerne 应用如 WWW 浏览 FTP 等 UE 包括两部分 ME Mobile Equipmen 提供应用和服务 USIM UMTS Subscriber Module 提供用户身份识别 2. UTRAN UMTS Terresrial Radio Access Nework UMTS UTRAN 即陆地无线接入网 分为基站 Node B 和无线网络控制器 RNC 两部分 Node B Node B 是 WCDMA 系统的基站即无线收发信机包括无线收发信机和基带处理部件通过标准的 Iub 接口和 RNC 互连主要完成 Uu 接口物理层协议的处理它的主要功能是扩频调制信道编码及解扩解调信道解码还包括基带信号和射频信号的相互转换等功能 Node B 由下列几个逻辑功能模块构成 RF 收发放大射频收发系统 TRX 基带部分 BB 传输接口单元基站控制部分 RNC Radio Nework Conroller 2-2

22 第二章 WCDMA 系统结构 RNC 是无线网络控制器 主要完成连接建立和断开 切换 宏分集合并 无 线资源管理控制等功能 具体如下 (1) 执行系统信息广播与系统接入控制功能 (2) 切换和 RNC 迁移等移动性管理功能 (3) 宏分集合并功率控制无线承载分配等无线资源管理和控制功能 3. CN Core Nework CN 即核心网络负责与其他网络的连接和对 UE 的通信和管理主要功能实体如下 (1) MSC/VLR MSC/VLR 是 WCDMA 核心网 CS 域功能节点它通过 Iu_CS 接口与 UTRAN 相连通过 PSTN/ISDN 接口与外部网络 PSTN ISDN 等相连通过 C/D 接口与 HLR/AUC 相连通过 E 接口与其它 MSC/VLR GMSC 或 SMC 相连通过 CAP 接口与 SCP 相连通过 Gs 接口与 SGSN 相连 MSC/VLR 的主要功能是提供 CS 域的呼叫控制移动性管理鉴权和加密等功能 (2) GMSC GMSC 是 WCDMA 移动网 CS 域与外部网络之间的网关节点是可选功能节点它通过 PSTN/ISDN 接口与外部网络 PSTN ISDN 其它 PLMN 相连通过 C 接口与 HLR 相连通过 CAP 接口与 SCP 相连 GMSC 的主要功能是充当移动网和固定网之间的移动关口局完成 PSTN 用户呼移动用户时呼入呼叫的路由功能承担路由分析网间接续网间结算等重要功能 (3) SGSN SGSN 服务 GPRS 支持节点是 WCDMA 核心网 PS 域功能节点它通过 Iu_PS 接口与 UTRAN 相连通过 Gn/Gp 接口与 GGSN 相连通过 Gr 接口与 HLR/AUC 相连通过 Gs 接口与 MSC/VLR 通过 Ge 接口与 SCP 相连通过 Gd 接口与 SMS-GMSC/SMS-IWMSC 相连通过 Ga 接口与 CG 相连通过 Gn/Gp 接口与 SGSN 相连 SGSN 的主要功能是提供 PS 域的路由转发移动性管理会话管理鉴权和加密等功能 (4) GGSN GGSN 网关 GPRS 支持节点是 WCDMA 核心网 PS 域功能节点通过 Gn /Gp 接口与 SGSN 相连通过 Gi 接口与外部数据网络 Inerne /Inrane 相连 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 (5) HLR 2-3

23 第二章 WCDMA 系统结构 HLR 归属位置寄存器是 WCDMA 核心网 CS 域和 PS 域共有的功能节点它通过 C 接口与 MSC/VLR 或 GMSC 相连通过 Gr 接口与 SGSN 相连通过 Gc 接口与 GGSN 相连 HLR 的主要功能是提供用户的签约信息存放新业务支持增强的鉴权等功能 4. Exernal Neworks Exernal Neworks 即外部网络可以分为两类 电路交换网络 CS Neworks 提供电路交换的连接服务象通话服务 ISDN 和 PSTN 均属于电路交换网络 分组交换网络 PS Neworks 提供数据包的连接服务 Inerne 属于分 组数据交换网络 系统接口 从图 2-2 的 UMTS 网络单元构成示意图中可以看出 3G WCDMA 系统与 2G GSM 网络相比 CN 部分的接口变化不大 UTRAN 部分主要有如下接口 1. Cu 接口 Cu 接口是 USIM 卡和 ME 之间的电气接口 Cu 接口采用标准接口 2. Uu 接口 Uu 接口是 WCDMA 的无线接口 UE 通过 Uu 接口接入到 UMTS 系统的固定网络部分可以说 Uu 接口是 UMTS 系统中最重要的开放接口 3. Iu 接口 Iu 接口是连接 UTRAN 和 CN 的接口类似于 GSM 系统的 A 接口和 Gb 接口 Iu 接口是一个开放的标准接口这也使通过 Iu 接口相连接的 UTRAN 与 CN 可以分别由不同的设备制造商提供 4. Iur 接口 Iur 接口是连接 RNC 之间的接口 Iur 接口是 UMTS 系统特有的接口用于对 RAN 中移动台的移动管理比如在不同的 RNC 之间进行软切换时移动台所有数据都是通过 Iur 接口从正在工作的 RNC 传到候选 RNC Iur 是开放的标准接口 5. Iub 接口 Iub 接口是连接 Node B 与 RNC 的接口 Iub 接口也是一个开放的标准接口这 2-4

24 第二章 WCDMA 系统结构 也使通过 Iub 接口相连接的 RNC 与 Node B 可以分别由不同的设备制造商提供 说明 只列出了与 RAN 相关的接口没有列出 CN 内部的接口 CN 内部接口与 GSM 网络相应部分的接口变化不大 2.2 UTRAN 的基本结构 UTRAN 的结构如图 2-3 中虚线框所示 UTRAN 包含一个或几个无线网络子系统 RNS 一个 RNS 由一个无线网络控制器 RNC 和一个或多个基站 Node B 组成 RNC 与 CN 之间的接口是 Iu 接口 Node B 和 RNC 通过 Iub 接口连接在 UTRAN 内部无线网络控制器 RNC 之间通过 Iur 互联 Iur 可以通过 RNC 之间的直接物理连接或通过传输网连接 RNC 用来分配和控制与之相连或相关的 Node B 的无线资源 Node B 则完成 Iub 接口和 Uu 接口之间的数据流的转换同时也参与一部分无线资源管理 CS 核心网 PS Iu Iu RNS RNS RNC Iur RNC Iub Iub Iub Iub Node B Node B Node B Node B 图 2-3 UTRAN 的结构 RNC RNC Radio Nework Conroller 无线网络控制器用于控制 UTRAN 的无线资源它通过 Iu 接口与电路域 MSC 和分组域 SGSN 以及广播域 BC 相连图 2-3 未标在移动台和 UTRAN 之间的无线资源控制 RRC 协议在此终止它在逻辑上对应 GSM 网络中的基站控制器 BSC 2-5

25 第二章 WCDMA 系统结构 控制 Node B 的 RNC 称为该 Node B 的控制 RNC CRNC CRNC 负责对其控 制的小区的无线资源进行管理 如果在一个移动台与 UTRAN 的连接中用到了超过一个 RNS 的无线资源么这些涉及的 RNS 可以分为 那 服务 RNS SRNS 管理 UE 和 UTRAN 之间的无线连接 它是对应于该 UE 的 Iu 接口 Uu 接口 的终止点 无线接入承载的参数映射到传输信道 的参数 是否进行越区切换 开环功率控制等基本的无线资源管理都是 由 SRNS 中的 SRNC 服务 RNC 来完成的 一个与 UTRAN 相连的 UE 有 且只能有一个 SRNC 漂移 RNS DRNS 除了 SRNS 以外 UE 所用到的 RNS 称为 DRNS 其 对应的 RNC 则是 DRNC 一个用户可以没有 也可以有一个或多个 DRNS 通常在实际的 RNC 中包含了所有 CRNC SRNC 和 DRNC 的功能 Node B Node B 是 WCDMA 系统的基站即无线收发信机通过标准的 Iub 接口和 RNC 互连主要完成 Uu 接口物理层协议的处理它的主要功能是扩频调制信道编码及解扩解调信道解码还包括基带信号和射频信号的相互转换等功能同时它还完成一些如内环功率控制等的无线资源管理功能它在逻辑上对应于 GSM 网络中基站 BTS Node B 由下列几个逻辑功能模块构成 RF 收发放大 射频收发系统 TRX 基带部分 Base Band 传输接口单元 基站控制部分 如图 2-4 所示 天线 RF 子系统 TRX 子系统基带处理子系统 Uu 接口 多载波功放 TRX 收发信机 基带处理 电源 主控制单元 传输接口单元 To RNC Iub 接口 电源部分 图 2-4 Node B 的逻辑组成框图 2-6

26 第二章 WCDMA 系统结构 UTRAN 各接口的基本协议结构 UTRAN 各个接口的协议结构是按照一个通用的协议模型设计的设计的原则是层和面在逻辑上是相互独立的如果需要可以修改协议结构的一部分而无需改变其他部分如图 2-5 所示 Radio Nework Layer Conrol Plane Applicaion Proocol User Plane Daa Sream(s) Transpor Nework Layer Transpor User Nework Plane Transpor Nework Conrol Plane ALCAP(s) Transpor User Nework Plane Signalling Bearer(s) Signalling Bearer(s) Daa Bearer(s) Physical Layer 图 2-5 UTRAN 接口的通用协议模型 从水平平面来看协议结构主要包含两层无线网络层和传输网络层所有与陆地无线接入网有关的协议都包含在无线网络层传输网络层是指被 UTRAN 所选用的标准的传输技术与 UTRAN 的特定的功能无关 从垂直平面来看 包括控制面和用户面 控制面包括应用协议 Iu 接口中的 RANAP Iur 接口中的 RNSAP Iub 接口中的 NBAP 及用于传输这些应用协议的信令承载应用协议用于建立到 UE 的承载例如在 Iu 中的无线接入承载及在 Iur Iub 中无线链路而这些应用协议的信令承载与接入链路控制协议 ALCAP 的信令承载可以一样也可以不一样它通过 O&M 操作建立 用户面包括数据流和用于承载这些数据流的数据承载用户发送和接收的所有信息例如话音和数据是通过用户面来进行传输的传输网络控制面在控制面和用户面之间只在传输层不包括任何无线网络控制平面的信息它包括 ALCAP 协议接入链路控制协议和 ALCAP 所需的信令承载 ALCAP 建立用于用户面的传输承载引入传输网络控制面使得在无线网络层控制面的应用协议的完成与用户面的数据承载所选用的技术无关 在传输网络中用户面中数据面的传输承载是这样建立的在控制面里的应 2-7

27 第二章 WCDMA 系统结构 用协议先进行信令处理这一信令处理通过 ALCAP 协议触发数据面的数据承载的建立并非所有类型的数据承载的建立都需通过 ALCAP 协议如果没有 ALCAP 协议的信令处理就无需传输网络控制面而应用预先设置好的数据承载 ALCAP 的信令承载与应用协议的信令承载可以一样也可以不一样 ALCAP 的信令承载通常是通过 O&M 操作建立的 在用户面里的数据承载和应用协议里的信令承载属于传输网络用户面在实时操作中传输网络用户面的数据承载是由传输网络控制面直接控制的而建立应用协议的信令承载所需的控制操作属于 O&M 操作 综上所述 UTRAN 遵循以下原则 (1) 信令面与数据面的分离 (2) UTRAN/CN 功能与传输层的分离即无线网络层不依赖于特定的传输技术 (3) 宏分集 FDD Only 完全由 UTRAN 处理 (4) RRC 连接的移动性管理完全由 UTRAN 处理 UTRAN 完成的功能 (1) 和总体系统接入控制有关的功能 准入控制 拥塞控制 系统信息广播 (2) 和安全与私有性有关的功能 无线信道加密 / 解密 消息完整性保护 (3) 和移动性有关的功能 切换 SRNS 迁移 (4) 和无线资源管理和控制有关的功能 无线资源配置和操作 无线环境勘测 宏分集控制 FDD 无线承载连接建立和释放 RB 控制 2-8

28 第二章 WCDMA 系统结构 无线承载的分配和回收 动态信道分配 DCA TDD 无线协议功能 RF 功率控制 RF 功率设置 (5) 时间提前量设置 TDD (6) 无线信道编码 (7) 无线信道解码 (8) 信道编码控制 (9) 初始随机接入检测和处理 (10) NAS 消息的 CN 分发功能 2.3 核心网络基本结构 核心网 CN 从逻辑上可划分为电路域 CS 域分组域 PS 域和广播域 BC 域 CS 域设备是指为用户提供电路型业务或提供相关信令连接的实体 CS 域特有的实体包括 MSC GMSC VLR IWF PS 域为用户提供分组型数据业务 PS 域特有的实体包括 SGSN 和 GGSN 其他设备如 HLR 或 HSS AuC EIR 等为 CS 域与 PS 域共用 WCDMA 的网络总体结构定义在 3GPP TS 中 目前具有三个版本 分 别为 R99 3GPP TS V3.4.0, R4 3GPP TS V4.2.0, R5 3GPP TS V5.2.0, 说明 R 表示 Release 3GPP 在 98 年底 99 年初开始制定 3G 的规范 R99 版本原计划在 1999 年底完成最后是在 2000 年 3 月完成后来意识到按年度命名版本会给实现带来困难因为年度版本不能保持一个相对稳定的规范集因此决定从 R99 后不再按年来命名版本同时把 R2000 的功能分成两个阶段实施 R4 和 R5 以后升级将按 R6 R7... 的方式命名版本原则上 R99 的规范是 R4 规范集的一个子集若在 R99 中增加新的特征就把它升级到 R4 同样 R4 规范集是 R5 规范集的子集 2-9

29 第二章 WCDMA 系统结构 若在 R4 中增加了新的特征就把它升级到 R5 R5 要在 2001 年 12 月完成 按计划 R4 要在 2001 年 3 月完成 对于以上三个版本 PS 域特有设备主体没有变化 只进行协议的升级和优化 CS 域设备变化也不是非常大 在 R4 网络中 根据需要 (G)MSC 可被 (G)MSC Server 和 MGW 替代 新增了一个 R-SGW HLR 也可被替换为 HSS 规范中没 有给出明确说明 在 R5 网络中 如果有 IMS IP 多媒体子系统 则网络 使用 HSS 以替代 HLR R99 网络结构及接口 为了确保运营商的投资利益在 R99 网络结构设计中充分考虑了 2G/3G 兼容性问题以支持 GSM/GPRS/3G 的平滑过渡因此在网络中 CS 域和 PS 域是并列的 R99 核心网设备包括 MSC/VLR IWF SGSN GGSN HLR/AuC EIR 等为支持 3G 业务有些设备增添了相应的接口协议另外对原有的接口协议进行了改进 图 2-6 是 PLMN 的基本网络结构 包括 CS 域和 PS 域 图中所有功能实体都 可作为独立的物理设备 2-10

30 第二章 WCDMA 系统结构 PSTN Gi Gp GMSC GGSN C AuC H Gc PSTN PSTN HLR Gn D EIR Gr MSC VLR B G E VLR B MSC F Gs Gf SGSN CN A Gb IuCS IuPS BSS BSC RNC RNS Iur RNC BTS Abis BTS Node B cell Iubis Node B Um Uu ME SIM-ME i/f or Cu SIM USIM MS 粗线表示支持用户业务的接口点划线表示支持信令的接口 图 2-6 R99 网络结构图 CS 域的接口 A 接口和 Abis 接口定义在 GSM08-series 技术规范中 Iu-CS 接口定义在 UMTS25.4xx-series 技术规范中 B C D E F 和 G 接口则是以 No.7 信令方 式实现相应的移动应用部分 MAP 用于完成数据交换 H 接口未提供标 准协议 PS 域的接口 Gb 接口定义在 GSM 和 技术规范中 Iu-PS 接口定义在 2-11

31 第二章 WCDMA 系统结构 UMTS25.4xx-series 技术规范中 Gc/Gr/Gf/Gd 接口则是基于 No.7 信令的 MAP 协议 Gs 实现 SGSN 与 MSC 之间的联合操作基于 SCCP/BSSAP+ 协议 Ge 基于 CAP 协议 Gn/Gp 协议由 GTP V0 升级到 V1 版本 Ga/Gi 协议没有太大改动 说明 在实际应用中一些功能可能会结合到同一个物理实体中 HLR/AuC SGSN/MSC/VLR 使某些接口成为内部接口 如 MSC/VLR R99 中 CS 域的功能实体包括有 MSC VLR 等其中运营商可以根据连接方式的不同将 MSC 设置为 GMSC SM-GMSC SM-IWMSC 等为实现网络互通在系统中配置 IWF 一般结合于 MSC 除上述功能实体之外 PS 域特有的功能实体包括 SGSN 和 GGSN 为用户提供分组数据业务 HLR AuC EIR 为 CS 域和 PS 域共用设备 R99 的主要功能实体包括 (1) 移动交换中心 MSC MSC 为电路域特有的设备 用于连接无线系统 包括 BSS RNS 和固定网 MSC 完成电路型呼叫所有功能 如控制呼叫接续 管理 MS 在本网络内或与 其他网络 如 PSTN/ISDN/PSPDN 其他移动网等 的通信业务 并提供计 费信息 (2) 拜访位置寄存器 VLR VLR 为电路域特有的设备存储着进入该控制区域内已登记用户的相关信息为移动用户提供呼叫接续的必要数据当 MS 漫游到一个新的 VLR 区域后该 VLR 向 HLR 发起位置登记并获取必要的用户数据当 MS 漫游出控制范围后需要删除该用户数据因此 VLR 可看作为一个动态数据库 一个 VLR 可管理多个 MSC 但在实现中通常都将 MSC 和 VLR 合为一体 (3) 归属位置寄存器 HLR HLR 为 CS 域和 PS 域共用设备是一个负责管理移动用户的数据库系统 PLMN 可以包含一个或多个 HLR 具体配置方式由用户数系统容量以及网络结构所决定 HLR 存储着本归属区的所有移动用户数据如识别标志位置信息签约业务等 当用户漫游时 HLR 接收新位置信息并要求前 VLR 删除用户所有数据当用户被叫时 HLR 提供路由信息 (4) 鉴权中心 AuC AuC 为 CS 域和 PS 域共用设备是存储用户鉴权算法和加密密钥的实体 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 关联只通过该 HLR 和外界通信通常 2-12

32 第二章 WCDMA 系统结构 AuC 和 HLR 结合在同一物理实体中 (5) 设备识别寄存器 EIR EIR 为 CS 域和 PS 域共用设备存储着系统中使用的移动设备的国际移动设备识别码 IMEI 其中移动设备被划分白灰黑三个等级并分别存储在相应的表格中目前中国没有用到该设备 一个最小化的 EIR 可以只包括最小白表设备属于白等级 (6) 网关 MSC GMSC GMSC 是电路域特有的设备 GMSC 作为系统与其它公用通信网之间的接口 同时还具有查询位置信息的功能 如 MS 被呼时 网络如不能查询该用户所 属的 HLR 则需要通过 GMSC 查询 然后将呼叫转接到 MS 目前登记的 MSC 中 具体由运营商决定那些 MSC 可作为 GMSC 如部分 MSC 或所有的 MSC (7) 服务 GPRS 支持节点 SGSN SGSN 为 PS 域特有的设备 SGSN 提供核心网与无线接入系统 BSS RNS 的连接在核心网内 SGSN 与 GGSN/GMSC/HLR/EIR/SCP 等均有接口 SGSN 完成分组型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 (8) 网关 GPRS 支持节点 GGSN GGSN 也是分组域特有的设备 GGSN 作为移动通信系统与其它公用数据网之间的接口同时还具有查询位置信息的功能如 MS 被呼时数据先到 GGSN 再由 GGSN 向 HLR 查询用户的当前位置信息然后将呼叫转接到目前登记的 SGSN 中 GGSN 也提供计费接口 R99 中核心网的接口协议如表 2-1 所示 表 2-1 R99 核心网的接口名称与含义 接口名 连接实体 信令与协议 A MSC BSC BSSAP Iu-CS MSC RNS RANAP B MSC VLR C MSC HLR MAP D VLR HLR MAP E MSC MSC MAP F MSC EIR MAP G VLR VLR MAP Gs MSC SGSN BSSAP+ 2-13

33 第二章 WCDMA 系统结构 接口名 连接实体 信令与协议 H HLR AuC MSC PSTN/ISDN/PSPDN TUP/ISUP Ga GSN CG GTP' Gb SGSN BSC BSSGP Gc GGSN HLR MAP Gd SGSN SMS-GMSC/IWMSC MAP Ge SGSN SCP CAP Gf SGSN EIR MAP Gi GGSN PDN TCP/IP Gp Gn GSN GSN Iner PLMN GSN GSN Inra PLMN GTP GTP Gr SGSN HLR MAP Iu-PS SGSN RNC RANAP R99 中核心网的各接口功能如下 (9) A 接口 A 接口指 MSC 与 BSC 之间的接口 BSS-MSC 接口用于传送如下信息 BSS 管理 呼叫处理 移动性管理 (10) Iu-CS 接口 Iu-CS 接口是 MSC 与 RNS 之间的接口具体定义在 UMTS 25.41x-series 技术规范中 RNS-MSC 接口用于传送如下信息 RNS 管理 呼叫处理 移动性管理 (11) B 接口 B 接口是 MSC 和 VLR 间的接口 其所依赖的信令方式没有具体规定 B 接口 实现的功能有 MSC 从 VLR 中获得用户信息 2-14

34 第二章 WCDMA 系统结构 当 MS 进行位置更新操作时 MSC 通知 VLR 记录位置信息 当 MS 激活一个特定补充业务或修改业务相关数据时 MSC 通过 VLR 通知 HLR 更新数据 (12) 接口 C 接口是 MSC 与 HLR 之间的接口 在此接口上 MSC 采用基于 No.7 信令方式 的 MAP 协议来实现以下功能 在 MS 被呼时 HLR 将路由信息传递到 GMSC 短消息业务 对于 CAMEL 应用本接口主要用于获取移动用户终呼时的路由信息用户状态签约信息等 (13) D 接口 D 接口是 VLR 与 HLR 之间的接口本接口用于交换有关 MS 位置信息及用户管理信息通过基于 No.7 信令系统中的 MAP 协议实现如下功能 鉴权 位置更新 在呼叫建立时检索用户数据 补充业务 VLR 恢复 为支持移动用户能够在整个服务区内发起或接收呼叫 HLR 和 VLR 间进行数据交换当 MS 发生位置更新时 VLR 通知 HLR 当前 MS 的位置以及漫游号码 HLR 则向 VLR 发送支持业务处理所需要的用户数据同时 HLR 指示 MS 以前所在的 VLR 删除该用户信息 HLR 与 VLR 间的数据交换还发生在用户更新签约业务或者管理者修改相关签约业务参数时 对于 CAMEL 应用 MSRN 本接口用以向拜访 PLMN 传送 CAMEL 用户数据以及提供 (14) E 接口 E 接口指 MSC 与 MSC 之间的接口 通过基于 No.7 信令的 MAP 协议 本接口主 要完成以下功能 切换 短消息业务 MSC 间切换后的呼叫控制 MAP 控制 MSC 间的切换如 MS 通话时从一个 MSC 区域移动到另一个 MSC 区域这时为保证正常通话需要进行切换 MSC 间通过 MAP 协议保证 2-15

35 第二章 WCDMA 系统结构 切换操作顺利进行在切换操作完成后 MSC 间传送一些 A 接口消息 (15) F 接口 F 接口是 MSC 与 EIR 之间的接口当 MSC 需要检查国际移动设备识别码 IMEI 的合法性时需要通过 F 接口与 EIR 交换与 IMEI 有关的信息本接口通过基于 No.7 信令的 MAP 协议实现以上功能 (16) G 接口 G 接口是 VLR 与 VLR 之间的接口能 通过基于 No.7 信令的 MAP 协议完成如下功 位置更新当 MS 漫游到一个新的 VLR 后向前 VLR 索取 IMSI 鉴权将鉴权参数由先前 VLR 传送给当前的 VLR (17) Gs 接口 Gs 接口是 MSC 与 SGSN 间的接口 Gs 接口采用基于 No.7 信令 使用无连接的 SCCP 没有 TCAP 的 BSSAP+ 协议来完成信令互通 SGSN 可通过 Gs 接口向 MSC/VLR 发送 MS 位置信息 SGSN 也可通过 Gs 接口接收到来自 MSC/VLR 的 寻呼信息 通过 Gs 接口 MSC/VLR 可向 SGSN 声明 MS 正执行由 MSC 处理 的业务 (18) H 接口 H 接口是 HLR 与 AuC 之间的接口 接口形式没有具体标准 主要完成的功能 是 当 HLR 接收到一个请求用户鉴权和加密数据的消息时 如 HLR 没有这些 信息 则向 AuC 请求这些数据 (19) MSC 与外部网络的接口 这里是指 MSC 与 PSTN/ISDN 等外部网络的接口由于 MSC 是基于普通的 ISDN 交换在呼叫控制方面具有和固定网交换一样的接口对于电路呼叫 GSM 技术规范中给出的信令接口是 SS7 的 TUP 和 ISUP (20) Ga 接口 Ga 接口是指 GSN 包括 SGSN/GGSN 与 CG 之间的接口接口协议 GTP' 基于 UDP/IP 或者 TCP/IP 协议栈主要完成计费信息的输出功能 (21) Gb 接口 Gb 接口是 2.5G GPRS 系统使用的接口 为兼容 GPRS 而保留的 (22) Gc 接口 Gc 接口是 GGSN 与 HLR 之间的接口实现 GGSN 与 HLR 之间的信息交互功能有两种实现方法一是基于 MAP 协议在 GGSN 上直接出七号接口另一种方法是 GGSN 借助 SGSN 提供与 HLR 之间的 MAP 接口这部分与 GPRS 相同 2-16

36 第二章 WCDMA 系统结构 (23) Gd 接口 Gd 接口在 SGSN 与 SMS-GMSC/IWMSC 之间的接口 基于 MAP 协议 实现短 消息的收发功能 (24) Ge 接口 Ge 接口是 SGSN 与 SCP 之间的接口基于 CAP 协议实现分组域的智能业务在 R99 中 MSC 与 SCF 之间的接口没有特定名称它们之间通信采用 CAP 方式如图 2-7 中所示 GMSC gsmssf C gsmsrf gsmscf HLR D Gr gsmssf VLR gprsssf MSC B SGSN 粗线表示支持用户业务的接口点划线表示支持信令的接口 图 2-7 CAMEL 相关结构图 说明 CAMEL 系列接口没有特定的名称 它们直接由两个互连实体名表示 如 gsmssf-gsmscf 接口 (25) Gf 接口 Gf 接口是 SGSN 与 EIR 之间的接口当 SGSN 需要检查国际移动设备识别码 IMEI 的合法性时需要通过 Gf 接口与 EIR 交换与 IMEI 有关的信息本接口通过基于 No.7 信令的 MAP 协议实现以上功能 (26) Gi 接口 Gi 接口是 GGSN 与外部数据网之间的接口 基于 TCP/IP 协议实现外部分组网 2-17

37 第二章 WCDMA 系统结构 络的互联功能 (27) Gn/Gp 接口 Gn/Gp 接口是 GSN 与 GSN 之间的接口基于 GTP 协议实现隧道传输功能包括信令面 GTP-C 和用户面 GTP-U GTP-C 完成隧道的管理和其它信令消息的传输功能 GTP-U 传输用户面的数据包 Gn 是 PLMN 内部 GSN 间接口 Gp 是不同 PLMN 的 GSN 间的接口 (28) Gr 接口 Gr 接口是 SGSN 与 HLR 之间的接口本接口用于交换有关 MS 位置信息及用户管理信息通过基于 No.7 信令系统中的 MAP 协议实现如下功能 鉴权 路由区更新 在会话建立时检索用户数据 SGSN 恢复 为支持移动用户能够在整个服务区内发起或接收呼叫 HLR 和 SGSN 间进行数据交换当 MS 发生路由区更新时 SGSN 通知 HLR 当前 MS 的位置以及漫游号码 HLR 则向 SGSN 发送支持业务处理所需要的用户数据同时 HLR 指示 MS 以前所在的 SGSN 删除该用户信息 HLR 与 SGSN 间的数据交换还发生在用户更新签约业务或者管理者修改相关签约业务参数时 (29) Iu-PS 接口 Iu-PS 接口是 SGSN 与 RNC 间的接口具体定义在 UMTS 25.41x-series 技术规范中 RNC-SGSN 接口用于传送如下信息 会话管理 移动性管理 R4 网络结构及接口 图 2-8 是 R4 版本的 PLMN 基本网络结构 图中所有功能实体都可作为独立的物 理设备 关于 Nb Mc 和 Nc 等接口的标准包括在 和 29- 系列的技术规范 中 在实际应用中一些功能可能会结合到同一个物理实体中 HLR/AuC 等使得某些接口成为内部接口 如 MSC/VLR 2-18

38 第二章 WCDMA 系统结构 PSTN PSTN PSTN T-SGW R-SGW Gi Gp CS- MGW Mc GMSC server GGSN C Mh Gc PSTN Nb Nc D HSS(HLR) EIR H AuC Gr Gn VLR B MSC server G E Nc VLR B MSC server F Gs Gf SGSN Mc CS-MGW Nb Mc CS-MGW CN A Gb IuCS IuPS BSS BSC RNC RNS Iur RNC BTS Abis BTS Node B cell Iub Node B Um Uu ME SIM-ME i/f or Cu SIM USIM MS 粗线支持用户业务的接口点划线支持信令的接口 图 2-8 R4 的网络结构图 说明 (G)MSC Server 和 MGW 可集成为单个物理实体 (G)MSC R4 版本中 PS 域的功能实体 SGSN 和 GGSN 没有改变 与外界的接口也没有改 2-19

39 第二章 WCDMA 系统结构 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 网发展需要 R4 版本中 CS 域实体有所变化如 (1) MSC 根据需要可分成两个不同的实体 MSC 服务器 MSC Server 仅用于处理信令和电路交换媒体网关 CS-MGW 用于处理用户数据 MSC Server 和 CS-MGW 共同完成 MSC 功能对应的 GMSC 也分成 GMSC Server 和 CS-MGW (a) MSC 服务器 MSC Server MSC Server 主要由 MSC 的呼叫控制和移动控制组成负责完成 CS 域的呼叫处理等功能 MSC Server 终接用户 - 网络信令并将其转换成网络 - 网络信令 MSC Server 也可包含 VLR 以处理移动用户的业务数据和 CAMEL 相关数据 MSC Server 可通过接口控制 CS-MGW 中媒体通道的关于连接控制的部分呼叫状态 (b) 电路交换媒体网关 CS-MGW CS-MGW 是 PSTN/PLMN 的传输终接点并且通过 Iu 接口连接核心网和 UTRAN CS-MGW 可以是从电路交换网络来的承载通道的终接点也可是分组网来的媒体流例如 IP 网中的 RTP 流的终接点在 Iu 上 CS-MGW 可支持媒体转换承载控制和有效载荷处理例如多媒体数字信号编解码器回音消除器会议桥等可支持 CS 业务的不同 Iu 选项基于 AAL2/ATM 或基于 RTP/UDP/IP CS-MGW 与 MSC 服务器和 GMSC 服务器相连进行资源控制 拥有并使用如回音消除器等资源 可具有多媒体数字信号编解码器 CS-MGW 可具有必要的资源以支持 UMTS/GSM 传输媒体进一步可要求 H248 裁剪器支持附加的多媒体数字信号编解码器和成帧协议等 CS-MGW 的承载控制和有效载荷处理能力也用于支持移动性功能如 SRNS 重分配 / 切换和定位目前期待 H.248 标准机制可运用于支持这些功能 (c) GMSC 服务器 GMSC Server GMSC Server 主要由 GMSC 的呼叫控制和移动控制组成 (2) HLR 可更新为归属位置服务器 HSS (3) R4 新增一个实体漫游信令网关 R-SGW 在基于 No.7 信令的 R4 之前的网络 和基于 IP 传输信令的 R99 之后网络之间 R-SGW 完成传输层信令的双向转换 Sigran SCTP/IP 对 No.7 MTP R-SGW 不对 MAP/CAP 消息进行翻译 但对 SCCP 层之下消息进行翻译 以保 2-20

40 第二章 WCDMA 系统结构 证信令能够正确传送 为支持 R4 版本之前的 CS 终端 R-SGW 实现不同版本网络中 MAP-E 和 MAP-G 消息的正确互通也就是保证 R4 网络实体中基于 IP 传输的 MAP 消息与 MSC/VLR R4 版本前中基于 No.7 传输的 MAP 消息能够互通 图 2-8 中 T-SGW 是在具有 HSS 时才有的 而 HSS 在 R4 中不是必需的 在 R4 网络中也新增一些接口协议 如表 2-2 所示 接口名 表 2-2 R4 核心网外部接口名称与含义 连接实体 信令与协议 A MSC BSC BSSAP Iu-CS MSC RNS RANAP B MSC VLR C MSC HLR MAP D VLR HLR MAP E MSC MSC MAP F MSC EIR MAP G VLR VLR MAP Gs MSC SGSN BSSAP+ H HLR AuC MSC PSTN/ISDN/PSPDN TUP/ISUP Ga SGSN CG GTP' Gb SGSN BSC BSSGP Gc GGSN HLR MAP Gd SGSN SM-GMSC/IWMSC MAP Ge SGSN SCP CAP Gf SGSN EIR MAP Gi GGSN PDN TCP/IP Gp Gn GSN GSN Iner PLMN GSN GSN Inra PLMN GTP GTP Gr SGSN HLR MAP Iu-PS SGSN RNC RANAP Mc Nc (G)MSC Server MSC Server CS-MGW GMSC Server Nb CS-MGW CS-MGW Mh HSS R-SGW 2-21

41 第二章 WCDMA 系统结构 R4 中核心网的各接口功能如下 (a) A 接口 A 接口指 MSC 与 BSC 之间的接口 实现方式和功能与 R99 相似 (b) Iu-CS 接口 Iu-CS 接口是 MSC 与 RNS 之间的接口 功能与 R99 相似 (c) B 接口 B 接口是 MSC Server 和 VLR 间的内部接口 实现方式和功能与 R99 类似 只 是由 MSC 中的 MSC Server 来完成相应的功能 (d) C 接口 C 接口是 MSC Server 与 HLR 之间的接口 实现方式和功能与 R99 类似 只是 由 MSC 中的 MSC Server 来完成 (e) D 接口 D 接口是 VLR 与 HLR 之间的接口 实现方式和功能与 R99 相似 (f) E 接口 E 接口是 MSC Server 与 MSC Server 之间的接口 实现方式和功能与 R99 相似 (g) F 接口 F 接口是 MSC Server 与 EIR 之间的接口实现方式和功能与 R99 相似 (h) G 接口 G 接口是 VLR 与 VLR 之间的接口实现方式和功能与 R99 相似 (i) Gs 接口 Gs 接口是 MSC/VLR 与 SGSN 间的接口 实现方式和功能与 R99 相似 (j) H 接口 H 接口是 HLR 与 AuC 之间的接口 实现方式和功能与 R99 相似 (k) MSC 与外部网络的接口 本接口实现方式和功能与 R99 相似 以下是 R4 版本中新增的接口 协议中称它们为参考点 但没有指出接口和参 考点的明确区别 可认为它们具有相同的含义 只是未制订出相应的标准协 议 (l) Mc 参考点 2-22

42 第二章 WCDMA 系统结构 本参考点是 (G)MSC Server 与 CS-MGW 间的接口 它具有如下特点 遵从 H.248 标准 能不受 H.323 限制支持不同呼叫模式和媒体处理方式的柔性连接 支持开放结构 动态共享 MGW 物理节点资源 动态共享不同域间的传输资源 (m) Nc 参考点 本参考点是 MSC Server 与 GMSC Server 间的接口通过该接口使不同网络间的通话能顺利进行如 Nc 可为 ISUP 或改进 ISUP 承载独立呼叫控制 bearer independen call conrol BICC Nc 的信令传输方式可以有很多种形式包括 IP (n) Nb 参考点 本参考点是 CS-MGW 与 CS-MGW 间的接口 用于执行承载控制和传输 用户 数据的传输方式可以是 RTP/UDP/IP 或 AAL2 在 R4 网络结构中 Nb 上的用户 数据传输和承载控制可以有不同的方式 如 AAL2/Q.AAL2 STM/none RTP/H.245 等 (o) Mh 参考点 本参考点是 HSS 和 R-SGW 间的接口间交换移动管理和签约数据等信息到低版本网络 本接口在 HSS 和 R99 及 R99 以前的网络之 Mh 用于支持 R4 或更高版本的用户漫游 (p) Gc/Gr 与 R99 的接口类似 只是 HLR 改为 HSS 其它分组域的接口与 R99 中相同 在此不再描述 R5 网络结构及接口 图 2-9 是 R5 版本的 PLMN 基本网络结构没有包括 IM 子系统部分主要表示的是 CS 域的功能实体和接口图中所有功能实体都可作为独立的物理设备 2-23

43 第二章 WCDMA 系统结构 PSTN PSTN PSTN T-SGW R-SGW Go Gi Gp CS- MGW Mc GMSC server GGSN C Mh Gc PSTN Nb Nc D HSS(HLR) EIR H AuC Gr Gn VLR B MSC server G E Nc VLR B MSC server F Gs Gf SGSN Mc CS-MGW Nb Mc CS-MGW CN BSS A Gb IuCS IuPS BSC IuCS IuPS RNC RNS Iur RNC BTS Abis BTS Node B cell Iub Node B Um Uu ME SIM-ME i/f or Cu SIM USIM MS 粗线支持用户业务的接口点划线支持信令的接口 图 2-9 R5 的网络结构图 说明 (G)MSC Server 和 MGW 可集成为单个物理实体 (G)MSC 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 所替代另外 BSS 和 CS-MSC MSC-Server 之 2-24

44 第二章 WCDMA 系统结构 间同时支持 A 接口及 Iu-CS 接口 BSC 和 SGSN 之间支持 Gb 及 Iu-PS 接口 为简洁起见 不再赘述 R5 的接口协议 图 2-10 是 R5 版本的 IMS 基本网络结构主要表示的是 IMS 域的功能实体和接口图中所有功能实体都可作为独立的物理设备 IP Mulimedia Neworkds Legacy mobile signalling Neworks PSTN CSCF T-SGW Mw Mm R-SGW Ms Mh IM- MGW Mc MGCF Mg CSCF Mr Mw Cx HSS MRF P-CSCF PCF IM Subsysem Gi Gi Gi Go Gi Gi 粗线支持用户业务的接口点划线支持信令的接口 图 2-10 R5 的 IMS 网络结构图 说明 CSCF 与 UE 之间的 Gm 接口 由于布局的原因没有在图中表示出来 但也是 IM 子系统的接口 2-25

45 第二章 WCDMA 系统结构 R5 新增的物理实体有 (1) 归属位置服务器 HSS 当网络具有 IM 子系统时 需要利用 HSS 替代 HLR HSS 是网络中移动用户的主数据库存储有支持网络实体完成呼叫 / 会话处理相关的业务信息例如 HSS 通过进行鉴权授权名称 / 地址解析位置依赖等以支持呼叫控制服务器能顺利完成漫游 / 路由等流程 和 HLR 一样 HSS 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基于这些信息 HSS 可支持不同控制系统 CS 域控制 PS 域控制 IM 控制等的 CC/SM 实体 HSS 的基本结构与接口如图 2-11 所示 HSS (HLR / UMS) Subscripion informaion Locaion informaion D C Gr Gc Mh Cx MSC Server GMSC Server SGSN GGSN R-SGW CSCF 图 2-11 HSS 的基本结构与接口 HSS 可集成不同类型的信息在增强核心网对应用和服务域的业务支持同时对上层屏蔽不同类型的网络结构 HSS 支持的功能包括 IM 子系统请求的用户控制功能 PS 域请求的有关 HLR 功能子集 CS 域部分的 HLR 功能如果容许用户接入 CS 域或漫游到传统网络 HSS 结构如图 2-12 所示 2-26

46 第二章 WCDMA 系统结构 HSS Common logic MAP erminaion Addressing proocol erminaion Auhenicaion Auhorizaion proocol erminaion IM Conrol proocol erminaion Ohers. MAP C,D, Gr, Gc Mh Cx 图 2-12 HSS 的结构示意 (2) 呼叫状态控制功能 CSCF CSCF 的功能形式有 Proxy CSCF P-CSCF Serving CSCF S-CSCF 或 Inerrogaing CSCF I-CSCF P-CSCF S-CSCF 是 UE 在 IM 子系统中的第一个接入点 处理网络中的会话状态 I-CSCF 主要是在运营网内的连接到该网内一个用户的所有连接点 CSCF 完成以下功能 ICGW 入呼网关在 I-CSCF 中实现 作为第一个接入点 入呼业务的触发 完成入呼的路由功能 如呼叫的显示 / 呼叫的无条件转发 地址的查询处理与 HSS 通信 CCF 呼叫控制功能在 S-CSCF 中实现呼叫的建立 / 终结与状态 / 事件的管理与 MRF 交互支持多方或其他业务用于计费审核监听等所有事件的上报接收与处理应用层的登记地址的查询处理向应用与业务网络 VHE/OSA 提供业务触发机制 service capabiliies 2-27

47 第二章 WCDMA 系统结构 feaures 可向服务网络触发位置业务检查呼出的权限 SPD 业务描述数据库 ) 与归属网络的 HSS 交互获取 IM 域的用户签约信息签定的 SLA 将签约数据存储 并可根据与归属网络 通知归属网络最初的用户接入 包括 CSCF 的信令传输地址 用户的 ID 等 缓存接入的相关信息 AH 寻址处理 分析转换修改映射地址 网络之间互联路由的地址处理 (3) 媒体网关控制功能 MGCF 控制 IM-MGW 中媒体信道中关于连接控制的部分呼叫状态 与 CSCF 通信 根据从传统网络来的呼叫路由号码选择 CSCF 进行 ISUP 与 IM 子系统的呼叫控制协议的转换 接收带外信息并转发到 CSCF/IM-MGW (4) IP 多媒体 - 媒体网关 IM-MGW IM-MGW 是来自电路交换网络来的承载通道和来自组网来的媒体流的终接点 IM-MGW 可支持媒体转换承载控制和有效载荷处理例如多媒体数字信号编解码器回音消除器会议桥等 IM-MGW 与 MGCF MSC 服务器和 GMSC 服务器相连进行资源控制 拥有并使用如回音消除器等资源 可能需要具有多媒体数字信号编解码器 CS-MGW 可具有必要的资源以支持 UMTS/GSM 传输媒体进一步可要求 H.248 裁剪器支持附加的多媒体数字信号编解码器和成帧协议等 (5) 信令传输网关功能 T-SGW T-SGW 完成以下功能 将来自或去向 PSTN/PLMN 的呼叫相关的信令映射为 IP 承载 并将它发送到 2-28

48 第二章 WCDMA 系统结构 MSGCF 或从 MGCF 接收 必须提供 PSTN/PLMN<->IP 的传输层的地址映射 (6) 多媒体资源功能 MRF MRF 完成的功能 完成多方呼叫与多媒体会议功能与 H.323 的 MCU 功能相同 在多方呼叫与多媒体会议中负责承载控制与 GGSN 和 IM-MGW 一起完成 与 CSCF 通信完成多方呼叫与多媒体会话中的业务确认功能 R5 中核心网的各参考点功能定义如下 (a) Cx 参考点 本参考点接口完成 CSCF 与 HSS 之间的信息传递 包括 与 S-CSCF 设置的相关流程 从 HSS 到 CSCF 获取路由信息的相关流程 UE-HSS 间信息经 CSCF 的隧道的相关流程 (b) Gm 参考点 本参考点接口完成 UE 与 CSCF 的通信 包括 向 CSCF 登记 呼叫的发起与终结 补充业务的控制 Gm 也支持 UE 与 S-CSCF 之间的信息传递 S-CSCF 登记的相关流程 向 S-CSCF 用户业务请求的相关流程 应用 / 业务鉴权的相关流程 在拜访网络中 CSCF 请求核心网资源的相关流程 (c) Mc 参考点 本参考点接口完成 MGCF 与 IM-MGW MSC Server 与 CS-MGW GMSC Server 与 CS-MGW 之间的信息传递包括 完全遵从 H.248 标准 不受 H.323 限制支持不同呼叫模式和媒体处理方式的柔性连接支持开放的结构 2-29

49 第二章 WCDMA 系统结构 支持对 MGW 的物理节点资源的动态共享一个物理上的 MGW 可以逻辑上分为多个虚拟的 MGWs/domains 在不同域之间动态共享传输资源 Mc 接口的功能还需要支持移动相关的特性如 SRNS 重新分配 / 切换 (d) Mg 参考点 本参考点接口完成 MGCF 与 CSCF 之间的信息传递 基于外部规范如 SIP (e) Mm 参考点 本参考点是 CSCF 与外部 IP 网络之间的接口叫控制服务器或终端的呼叫请求 用于如接收来自另一个 VoIP 呼 (f) Mr 参考点 本参考点是 CSCF 与 MRF 之间的接口 允许 CSCF 控制 MRF 中的资源 (g) Ms 参考点 本参考点是 CSCF 与 R-SGW 之间的接口 (h) Mw 参考点 本参考点是 CSCF 与 CSCF 之间的接口 S-CSCF 用于 I-CSCF 转发移动终端的呼叫到 (i) Go 参考点 本参考点是 PCF 到 GGSN 之间的接口 到 SCP 的参考点 本参考点是包括从 SGSN 到 SCP 从 S-CSCF 或 I-CSCF 到 SCP 从 MSC Server 到 SCP 从 GMSC Server 到 SCP 之间的接口 从 CSCF 到 SCP 的接口需要支持现有的基于 CAMEL 的业务 2-30

50 第二章 WCDMA 系统结构 2.4 UTRAN 主要接口协议 WCDMA 网络 UTRAN 部分的标准接口主要包括 Uu Iub Iur Iu 等 WCDMA 的网络接口具有以下三个特点 所有接口具有开放性 将无线网络层与传输层分离 控制面和用户面分离 Uu 接口 1. Uu 接口协议 无线接口一般指用户设备 UE 和网络之间的 Uu 接口无线接口的协议结构如图 2-13 所示无线接口分为三个协议层 物理层 L1 数据链路层 L2 网络层 L3 L2 被进一步分成媒体接入层 MAC 无线链路控制层 RLC 分组数据会聚协议层 PDCP 和广播 / 多点传送控制层 BMC L3 和 RLC 被分成控制面和用户面 PDCP 和 BMC 仅在用户面存在 在控制面 L3 被分成几个子层处于最底的子层被称为无线资源控制层 RRC 它属于接入层终止于 UTRAN RRC 之上的子层提供复制避免 Duplicaion avoidance 功能它终止于 CN 向高层提供非接入层业务高层信令如移动管理 MM 和呼叫控制 CC 属于非接入层 RLC 子层提供与无线传输技术紧密相关的自动重复请求 ARQ 功能 RLC 在控制平面和用户平面上没有差别 图 2-13 中的方框代表对应协议的一个实体同层通信的业务接入点 (SAPs) 用圆圈在层与层之间的接口处标识位于 MAC 和物理层之间的业务接入点提供传输信道位于 RLC 和 MAC 之间的业务接入点提供逻辑信道在控制面里复制避免和高层移动管理呼叫管理之间的接口被定义为通用控制通知和专用控制业务接入点 从图 2-13 中可以看到在 RRC 和 RLC RRC 和 MAC RRC 和 L1 RRC 和 PDCP 以及 RRC 和 BMC 之间存在连接 RRC 通过这些接口控制低层的配置因此在 RRC 和每个低层 PDCP RLC MAC 和 L1 之间分别定义了一个独立的控制业务接入点 2-31

51 第二章 WCDMA 系统结构 C-plane signalling U-plane informaion GC N DC Duplicaion avoidance RRC GC N DC conrol L3 UuS boundary conrol conrol conrol conrol PDCP PDCP BMC L2/PDCP L2/ BMC RLC RLC RLC RLC RLC RLC RLC RLC L2/RLC Logical Channels MAC PHY Transpor Channels L2/MAC L1 GC 通用控制 BMC 广播 / 多点传送控制协议 N 通知 RLC 无线链路控制 DC 专用控制 MAC 媒体接入控制 RRC 无线资源控制 PHY 物理层 PDCP 分组数据会聚协议 图 2-13 无线接口协议结构 2. Uu 接口一般原则 Uu 接口是一个开放的接口实现不同厂商的 NodeB 和 UE 进行互连 物理层功能基本上在 NodeB 实现 MAC 层以上协议基本上在 RNC 终结无线资源由 RNC 集中管理 采用逻辑信道 / 传输信道 / 物理信道 3 层映射关系 测量根据 RRM 算法需要可配置 NodeB 对测量报告不做处理 3. Uu 接口功能 广播寻呼和 RRC 连接功能 切换和功率控制的判决和执行 无线资源的管理和控制 WCDMA 基带和射频处理 2-32

52 第二章 WCDMA 系统结构 Iub 接口 Iub 接口是 RNC 与 NodeB 之间的接口 1. Iub 接口协议 Iub 接口协议如图 2-14 所示 Radio Nework Conrol Plane Transpor Nework Conrol Plane User Plane Radio Nework Layer Node B Applicaion Par (NBAP) DCH FP RACH FP FACH FP PCH FP DSCH FP USCH FP CPCH FP ALCAP Q Transpor Layer SSCF-UNI SSCOP Q SSCF-UNI SSCOP AAL Type 5 AAL Type 5 AAL Type 2 ATM Physical Layer 图 2-14 Iub 接口协议图 Iub 接口协议结构由两个功能层组成 无线网络层规定与 Node B 操作相关的程序由无线网络控制平面和无线网络用户平面组成 传输层规定了在 Node B 和 RNC 之间建立网络连接的程序每个 RACH 每个 FACH 和每个 CPCH 传输信道都应有一个专用的 AAL2 连接 无线网络层和传送层有着明显的区分因此无线网络信令和 Iub 数据流与数据传送资源和业务的处理是区分开来的如图 2-15 所示资源和业务的处理由传送信令来控制传送信令由 Iub 接口上的信令承载来传递 2-33

53 第二章 WCDMA 系统结构 Radio Nework layer Radio Signaling Proocol IubDaa Sreams Transpor layer Signalling Bearer Transpor Signalling Daa Transpor 图 2-15 无线网络协议的区分和在 Iub 上的传送 2. Iub 接口的一般原则 Iub 接口开放实现不同厂家的 RNC 和 NodeB 的互连开放 Iub 接口后可以用不同厂商的 NodeB 设备建设 WCDMA 网络组网方式灵活 Iub 接口支持 NodeB 的逻辑 O&M Iub 接口无线网络功能和传输网络功能的分离以便未来引进新技术 3. Iub 接口能力 在 Iub 接口上传送的信息包括 与无线应用相关的信令 Iub 接口允许 RNC 和 Node B 之间协商无线资源如增加和删除 Node B 控制的小区控制广播信道和寻呼信道的信息和要在广播信道和寻呼信道上传输的信息也要通过 Iub 接口传输此外还包括 Node B 和 RNC 之间的 O&M 信息 DCH 数据流 Iub 接口提供上下行 DCH Iub 帧在 RNC 与 Node B 之间的传输方法 DCH 数据流对应于在 DCH 传送信道上传递的数据 RACH 数据流 Iub 接口提供上行 RACH 传输帧在 RNC 与 BTS 之间的传输方法对应于在 RACH 传送信道上传递的数据 RACH 数据流 FDD CPCH 数据流 2-34

54 第二章 WCDMA 系统结构 Iub 提供接口提供上行 CPCH 帧在 RNC 与 BTS 之间的传输方法 FACH 数据流 Iub 接口提供下行 FACH 传输帧在 RNC 与 BTS 之间的传输方法对应于在 FACH 传送信道上传递的数据 FACH 数据流 DSCH 数据流 Iub 接口提供下行共享信道 DSCH 数据帧在 RNC 与 BTS 之间的传输方法 DSCH 数据流对应于用于一个 UE 的 DSCH 传送信道上传递的数据一个 UE 可以有多个 DSCH 数据流 TDD USCH 数据流 Iub 接口提供上行共享信道 USCH 数据帧在 RNC 与 BTS 之间的传输方法 PCH 数据流 Iub 接口提供 PCH 传输帧在 RNC 与 BTS 之间的传输方法 PCH 数据流对应于在 PCH 传送信道上传递的数据 4. Iub 的功能 Iub 接口的功能有 (1) 传送资源的管理 是指对由传送信令控制的传送资源进行管理 即对信令承载进行管理 (2) NodeB 的操作与维护包括 Iub 链路管理 小区配置管理 无线网络性能管理 资源管理 公共传输信道管理 无线资源管理 系统信息升级 (3) 实现专用的 O&M 传送 (4) 公共信道的流量管理 管理控制 功率控制 2-35

55 第二章 WCDMA 系统结构 数据传送 (5) 专用信道的流量管理 无线链路建立 信道分配 / 取消分配 功率管理 测量报告 专用传输信道管理 数据传送 (6) 下行共享信道的流量管理 信道分配 / 取消分配 功率管理 传输信道管理 数据传送 (7) 上行共享信道的流量管理 信道分配 / 取消分配 功率管理 传输信道管理 数据传送 (8) 定时和同步管理 传输信道同步帧同步 基站 -RNC 同步 基站间同步 Iur 接口 UTRAN 内任何两个 RNC 之间的逻辑连接被称作 Iur 接口图 2-16 所示 Iur 接口协议结构如 1. Iur 接口协议结构 Iur 接口协议结构包括下面两个功能层 无线网络层定义了在 PLMN 内与两个 RNCs 的相互作用相关的程序无 2-36

56 第二章 WCDMA 系统结构 线网络层包括一个无线网络控制平面和一个无线网络用户平面 传送层定义了用于在 PLMN 内两个 RNCs 之间建立物理连接的程序 Radio Nework Layer Conrol Plane RNSAP User Plane Iur D aa Sream(s) Transpor Nework Layer Transpor User Nework Plane Transpor Nework Conrol Plane A LCAP(Q ) Transpor User Nework Plane SCCP S T C (Q ) MTP3-B M3UA MTP3-B M3UA SSCF-NNI SCTP SSCF-NNI SCTP SSCOP IP SSCOP IP AAL5 AAL5 AAL2 ATM Physical Layer 图 2-16 Iur 接口协议结构 在无线网络层和传送层之间存在着明显的区别因此无线网络信令和 Iur 数据流与数据传送资源和业务处理是分开的如图 2-17 所示数据传送资源和业务处理由传送信令控制传送信令由 Iur 接口的一个信令承载来传递 Radio Nework layer Radio Signalling Proocols User Plane Framing Proocols Transpor layer Signalling Bearer Transpor Signalling Daa Transpor 图 2-17 无线网络协议和 Iur 上传送的区分 2-37

57 第二章 WCDMA 系统结构 2. Iur 接口上 DRNS 逻辑模型 图 2-18 的模型显示了从 SRNC 看到的漂移无线网络子系统它做成一个黑箱模块在黑箱的 Uu 侧为无线链路集合在 Iur 一侧为用户平面接入端口集合无线链路与 Iur 用户端口通过 DRNS 的内部传送机制连接在一起在端口间的连接的控制操作是从 SRNC 通过 Iur 控制平面端口发送到 DRNC 的 Serving Radio Nework Sysem Iur Conrol Plane Iur Conrol Por Iur DCH Daa Por Iur DCH Daa Por Iur DSCH Daa Por Iur DSCH Daa Por Iur TDD USCH Daa Por Iur TDD USCH Daa Por Iur RACH/ CPCH[FDD]/ FACH Daa Por Iur RACH/ CPCH[FDD}/ FACH Daa Por Drif Radio Nework Sysem RACH/FACH Traffic Conexs Wih aribues Cell Cell Radio Link Radio Link Radio Link Radio Link Radio Link Radio Link Radio User Plane 图 2-18 漂移 RNS 逻辑模型 3. Iur 接口一般原则 Iur 接口是一个开放的接口实现不同厂商的 RNC 之间互连 实现接口上无线网络层与传输网络层的分离使得各自可以引入更新的技术 Iur 接口将支持两个 RNCs 之间的信令信息的交换另外该接口应能支持一个或多个 Iur 数据流 从逻辑的观点来看 Iur 是两个 RNCs 之间的一个点到点的接口即使在两个 RNCs 之间缺少物理上的直接连接时点到点的逻辑接口也应能实现 如果 RRC 连接是基于专用信道 Iur 标准允许增加 / 删除属于任何 RNS 同一 PLMN 内的小区的无线链路 Iur 接口规范允许一个 RNC 可以访问任何其它 RNC 同一 PLMN 内 以建 立 Iur 信令承载 2-38

58 第二章 WCDMA 系统结构 Iur 接口规范允许一个 RNC 可以访问任何其它 RNC 用一 PLMN 内 以建 立 Iur 数据承载 RNSAP 允许使用多种的访问机制作为信令承载 4. Iur 接口能力 (1) 在 Iur 接口上传输的信息可以分成如下几类 与无线应用相关的信令 Iur 接口应提供支持 RNSs 间无线接口的移动性的能力 它包括对切换 无线 资源的处理和 RNSs 间同步的支持 Iub/Iur DCH 数据流 Iur 接口提供上行和下行 Iub/Iur DCH 帧传输的方法 SRNC 和 Node B(DRNS) 之间的用户数据和控制信息 通过 DRNC 来传递 Iur RACH/CPCH FDD 数据流 Iur DSCH 数据流 Iur DSCH 数据流对应于用于一个 UE 的在一个 DSCH 传输信道上传递的数据 UE 可以有多个 Iur DSCH 数据流 Iur 接口提供上行和下行 MAC-c/sh SDUs 传输的方法另外它也能为 SRNC 提供报告排队情况的方法为 DRNC 提供到 SRNC 的容量分配的方法 TDD Iur USCH 数据流 Iur USCH 数据流对应于用于一个 UE 的在一个 USCH 传输信道上传递的数据 UE 可以有多个 Iur USCH 数据流 Iur RACH/CPCH FDD 数据流 Iur FACH 数据流 (2) Iur 接口特性 Iur 接口使用 SCCP 来支持 RNC 之间的信令消息同时定义了 RNSAP 为 SCCP 的一个用户功能对于每一对 DRNC 与 UE RNSAP 使用一条信令连接 SCCP 具有面向连接与面向无连接的过程 目前 SCCP 连接总是由 SRNC 发起典型情况是伴随着 RADIO LINK SETUP REQUEST 消息 SCCP 释放是由 SRNC 发起 RNSAP 可以使用 SSN SPCGT 或它们的组合作为 SCCP 访问机制 5. Iur 接口协议的功能 (1) 传送网络管理 2-39

59 第二章 WCDMA 系统结构 (2) 公共传送信道的业务管理 公共传送信道资源的准备 寻呼 (3) 专用传送信道的业务管理 无线链路的建立 / 增加 / 删除 测量的上报 (4) 下行共享传送信道和 TDD 上行共享传送信道的业务管理 无线链路的建立 / 增加 / 删除 容量的分配 (5) 公共和专用测量目标的测量报告 Iu 接口 1. 概述 UTRAN Node B RNC Node B Node B Core Nework (CN) CS Domain Iu-CS PS Domain Iu-PS Node B RNC BC Domain Iu-BC Iu Inerface 图 2-19 核心网和 UTRAN 之间的接口图 Iu 接口规定了核心网和 UTRAN 之间的接口如图 2-19 所示对于一个 RNC 最多存在 3 个不同的 Iu 接口与 CS 域核心网电路交换部分连接的 Iu-CS 面向电路交换域与 PS 域核心网分组交换部分连接的 Iu-PS 面向分组交换域与 BC 域连接的 Iu-BC 面向广播域 2-40

60 第二章 WCDMA 系统结构 对于 PS 与 CS 分开的核心网结构 CS 和 PS 两个域中存在各自的信令连接和用户数据连接对传输层和无线网络层均是如此 对于 PS 与 CS 组合在一起的核心网结构 CS 和 PS 两个域中存在各自的用户数据和 SCCP 连接对无线网络层和传输层均是如此 对于 CS 域 一个 RNC 至多能连接到一个 CN 接入点上 对于 PS 域 一个 RNC 连接到一个 CN 接入点上 对于 BC 域 一个 RNC 可连接到多个 CN 接入点 上 2. Iu 接口协议结构 同其他接口的协议栈类似 Iu 接口的协议栈在纵向分为两个平面控制平面和用户平面在横向分为两个层次无线网络层和传输网络层 RANAP 和 Iu UP 协议层分别为无线网络层上 Iu 接口上的控制面协议和用户面协议 Iu 接口的无线网络信令由无线接入网络应用部分 RANAP 和业务域广播协议 SABP 构成 RANAP 和 SABP 协议构成处理 CN 和 UTRAN 之间所有程序的机制 RANAP 可以透明地在 CN 和 UE 之间传送消息而不需要 UTRAN 解释和处理 根据 CN 节点所处的域不同 Iu 接口协议栈又分为面向电路交换域和面向分组交换域两种结构如图 2-20 和图 2-21 所示面向电路交换域在传输网络层是采用直接通过 AAL2 或 AAL5 映射到 ATM 的形式而面向分组交换域在传输网络层则是采取 IP over ATM 的形式 2-41

61 第二章 WCDMA 系统结构 Radio Nework Layer Conrol Plane RANAP User Plane Iu UP Proocol Layer Transpor Nework Layer Transpor User Nework Plane Transpor Nework Conrol Plane Q Transpor User Nework Plane SCCP Q MTP3b MTP3b SSCF-NNI SSCF-NNI SSCOP SSCOP AAL5 AAL5 AAL2 ATM Physical Layer 图 2-20 Iu-CS 的协议结构 注意 AAL5 只用于作信令适配 AAL2 可用于信令或用户数据的适配 2-42

62 第二章 WCDMA 系统结构 Radio Nework Layer Conrol Plane RANAP User Plane Iu UP Proocol Layer Transpor Nework Layer Transpor User Nework Plane Transpor Nework Conrol Plane Transpor User Nework Plane SCCP MTP3-B SSCF-NNI SSCOP M3UA SCTP IP GTP-U UDP IP AAL5 AAL5 ATM ATM Physical Layer Physical Layer 图 2-21 Iu-PS 的协议结构 (1) Iu 接口的协议分成两个平面 用户平面协议实现无线接入业务即通过接入层传送用户数据 控制平面协议 用于控制 UE 和网络之间的无线接入载体和连接 包括请 求的业务 控制不同的传输资源 切换和流量等 还包括 NAS 消息的 透明传输 (2) Iu 连接原则 Iu 接口具有分层结构 某个高层实体控制若干低层实体 每个 CN 接入点可以连接到多个 RNC 接入点 对每个 CN 域每个 RNC 接入点只能连接到一个 CN 接入点 3. Iu 接口一般原则 Iu 接口是一个开放的多厂商设备兼容的标准接口 Iu 支持在协议层的 UE 的分离 2-43

63 第二章 WCDMA 系统结构 Iu 支持 UE 与 CN 之间的透明非接入层信令的传输 对于控制面和用户面 Iu 规则必须支持无线网络层和传输网络层分离允许他们各自独立改变 4. Iu 接口能力 Iu 接口支持 建立维护和释放无线接入承载的程序 完成系统内切换系统间切换和 SRNS 重定位的程序 支持小区广播业务的程序 与特定 UE 无关的一系列程序 在协议等级上为用户特定信令管理分离每个用户 UE 和 CN 之间 NAS 信令消息的传送 从 CN 向 UTRAN 传送请求的位置业务和从 UTRAN 到 CN 的位置信息位置信息可以包括地理区识别符或与未定参数的坐标 为单个 UE 立即接入多个 CN 域 为分组数据流资源预留的机制 5. Iu 接口特性 (1) 信令承载 传送 CN 和 RNC 之间的信令消息使用 SCCP 为此规定一个 SCCP 的用户功能 模块 称为无线接入网应用部分 RANAP RANAP 使用 SCCP 的无连接和 面向连接业务 RANAP 可以用 SSN SPC 和 GT 以及它们的任何组合进行 SCCP 的寻址 (2) 用户数据承载 使用 AAL2 做为到 CS 的用户数据承载 AAL2 协议用于动态建立 Iu 接口到 CS 的 AAL-2 连接 使用 GTP-U 做为到 PS 的用户数据承载 RANAP 信令用于建立修改和释放到 PS 的 GTP-U 通道 6. Iu 接口协议的功能划分 Iu 接口功能 处理 CN 和 UTRAN 间的各种过程 2-44

64 第二章 WCDMA 系统结构 在 CN 和 UE 间透明地传输信息 本节定义了核心网和 UMTS 无线接入网络之间的功能无线接入网之间的功能 表 2-3 列出了核心网和 功能 表 2-3 Iu 接口的功能划分 UTRAN CN RAB 管理功能 RAB 建立 修改和释放 X X RAB 特性映射 Iu 传输承载 RAB 特性映射 Uu 承载 X X RAB 询问 占先和优先级 X X 无线资源管理功能 无线资源接纳控制广播信息 Iu 链路管理功能 Iu 信令链路管理 ATM VC 管理 AAL2 建立和释放 AAL5 管理 GTP-U 隧道管理 TCP 管理缓冲区管理 Iu 用户平面 RNL 管理 Iu 用户平面帧协议管理 Iu 用户平面帧协议初始化移动性管理功能位置信息报告切换和重定位 RNC 之间硬切换 Iur 未使用或不可用 X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X 服务 RNS 重定位 MSC 内 /MSC 间 X X 系统间硬切换 UMTS-GSM X X 寻呼触发 X 安全功能 数据保密 无线接口加密 X 密钥管理 X 2-45

65 第二章 WCDMA 系统结构 功能 UTRAN CN 用户识别保密数据完整性完整性检查完整性钥管理业务和网络接入功能 CN 信令数据数据量报告 UE 跟踪位置报告 Iu 协调功能寻呼协调 X X X X X X X X X X X X X 2-46

66 目录 第三章 WCDMA 关键技术 RAKE 接收机 CDMA 射频和中频设计原理 CDMA 射频和中频的总体结构 CDMA 的射频设计性能和考虑 数字中频技术 分集接收原理 信道编码 卷积码 Turbo 码 多用户检测技术 图 3-1 数字通信系统框图... 图 3-2 RAKE 接收机框图... 图 3-3 基于连续导频信号的信道估计方法... 图 3-4 使用判决反馈技术的间断导频条件的信道估计方法... 图 3-5 匹配滤波器的基本结构... 图 3-6 CDMA 射频和中频原理框图... 图 3-7 中频采样... 图 3-8 正交中频采样... 图 3-9 正交发射分集原理 图 3-10 不同合并方式的增益比较 表 3-1 BPSK 或 QPSK 编码增益 图 卷积编码器及其状态图... 图 3-12 卷积编码器的格状图 rellis... 图 3-13 候选路径的相加比较选择的抽取过程和分支度量的累加过程... 图 3-14 Turbo 编码器... 图 3-15 前向递归的图形表示... 图 3-16 反向递归的图形表示... 图 3-17 Turbo 码的 MAP 迭代解码方法... 图 3-18 多用户检测的效果... 图 3-19 多用户检测的系统模型 i

67 图 3-20 多用户检测算法分类 图 3-21 解相关器 图 3-22 并行干扰消除中的一级消除器 ii

68 第三章 WCDMA 关键技术 第三章 WCDMA 关键技术 本章主要从原理的角度介绍了 WCDMA 收发信机的各个组成部分的结构 包 括 RAKE 接收机的原理和结构 射频和中频处理技术 信道编解码技术和多 用户检测的基本原理 M Y 信源信源编码器信道编码器调制器 信道 M 信宿信源译码器信道译码器 R 解调器 图 3-1 数字通信系统框图 3.1 RAKE 接收机 如图 3-1 所示为一般意义上的数字通信系统 WCDMA 的收发信机就建立在这 个基本的框图上 其中信道编译码部分采用卷积码或者 Turbo 码 调制解调 部分采用码分多址的直接扩频通信技术 信源编码部分根据应用数据的不同 对语音采用 AMR 自适应多速率编码 对图象和多媒体业务采用 ITU Rec. H.324 系列协议 在 CDMA 扩频系统中 信道带宽远远大于信道的平坦衰落带宽 不同于传统 的调制技术需要用均衡算法来消除相邻符号间的码间干扰 CDMA 扩频码在 选择时就要求它有很好的自相关特性 这样 在无线信道中出现的时延扩展 就可以被看作只是被传信号的再次传送 如果这些多径信号相互间的延时超 过了一个码片的长度 那么它们将被 CDMA 接收机看作是非相关的噪声 而 不再需要均衡了 由于在多径信号中含有可以利用的信息 所以 CDMA 接收机可以通过合并多 径信号来改善接收信号的信噪比 其实 RAKE 接收机所作的就是 通过多个 相关检测器接收多径信号中的各路信号 并把它们合并在一起 图 3-2 所示为 一个 RAKE 接收机 它是专为 CDMA 系统设计的经典的分集接收器 其理论 基础就是 当传播时延超过一个码片周期时 多径信号实际上可被看作是互 不相关的 3-1

69 第三章 WCDMA 关键技术 基带输入信号 带 DLL的相关器 I Q 相位旋转 延迟均衡 I I 本地扩频码 信道估计 Q 第一径 合并相加 第二径 第三径 时间量径位置 延迟估计 图 3-2 RAKE 接收机框图 带 DLL 的相关器是一个迟早门的锁相环它由两个相关器早和晚组成和解调相关器分别相差 1/2 或 1/4 个码片迟早门的相关结果相减可以用于调整码相位延迟环路的性能取决于环路带宽 延迟估计的作用是通过匹配滤波器获取不同时间延迟位置上的信号能量分布如图 3-3 所示识别具有较大能量的多径位置并将它们的时间量分配到 RAKE 接收机的不同接收径上匹配滤波器的测量精度可以达到 1/4 1/2 码片而 RAKE 接收机的不同接收径的间隔是一个码片实际实现中如果延迟估计的更新速度很快比如几十 ms 一次就可以无须迟早门的锁相环 由于信道中快速衰落和噪声的影响实际接收的各径的相位与原来发射信号的相位有很大的变化因此在合并以前要按照信道估计的结果进行相位的旋转实际的 CDMA 系统中的信道估计是根据发射信号中携带的导频符号完成的根据发射信号中是否携带有连续导频可以分别采用基于连续导频的相位预测和基于判决反馈技术的相位预测方法如图 3-3 图 3-4 所示 基带 I/Q 信号 相关器 导频通道 LPF 预测的相位和幅度结果 I/Q 信号 图 3-3 基于连续导频信号的信道估计方法 3-2

70 第三章 WCDMA 关键技术 基带 I/Q 信号 数据符号 相关器 DMUX 符号判决 LPF 导频符号 LPF 并内插 预测的相位和幅 度结果 I/Q 信号 图 3-4 使用判决反馈技术的间断导频条件的信道估计方法 LPF 是一个低通滤波器滤除信道估计结果中的噪声其带宽一般要高于信道的衰落率使用间断导频时在导频的间隙要采用内插技术来进行信道估计采用判决反馈技术时先硬判决出信道中的数据符号在已判决结果作为先验信息类似导频进行完整的信道估计通过低通滤波得到比较好的信道估计结果这种方法的缺点是由于非线性和非因果预测技术使噪声比较大的时候信道估计的准确度大大降低而且还引入了较大的解码延迟 图 3-5 为匹配滤波器的基本结构 本地的扩频码和扰码 N N-1 0 串行输入的采样数据 N N-1 0 图 3-5 匹配滤波器的基本结构 延迟估计的主要部件是匹配滤波器 匹配滤波器的功能是用输入的数据和不 同相位的本地码字进行相关 取得不同码字相位的相关能量 当串行输入的 采样数据和本地的扩频码和扰码的相位一致时 其相关能力最大 在滤波器 输出端有一个最大值 根据相关能量 延迟估计器就可以得到多径的到达时 间量 从实现的角度而言 RAKE 接收机的处理包括码片级和符号级码片级的处理有相关器本地码产生器和匹配滤波器符号级的处理包括信道估计相位旋转和合并相加码片级的处理一般用 ASIC 器件实现而符号级的处理用 3-3

71 第三章 WCDMA 关键技术 DSP 实现移动台和基站间的 RAKE 接收机的实现方法和功能尽管有所不同但其原理是完全一样的 对于多个接收天线分集接收而言多个接收天线接收的多径可以用上面的方法同样处理 RAKE 接收机既可以接收来自同一天线的多径也可以接收来自不同天线的多径从 RAKE 接收的角度来看两种分集并没有本质的不同但是在实现上由于多个天线的数据要进行分路的控制处理增加了基带处理的复杂度 3.2 CDMA 射频和中频设计原理 CDMA 射频和中频的总体结构 Rx 滤波器 双工器 RF AGC 下变频器 IF 去混迭滤波器 ADC 数字下变频器 I Q 功放 本振 基带处 数据 I/O Tx 滤波器 理 本振 RF AGC 上变频器 IF 和平滑滤波器 DAC 数字上变频器 I Q 器 图 3-6 CDMA 射频和中频原理框图 图 3-6 给出了 CDMA 射频和中频部分的原理框图射频部分是传统的模拟结构有用信号在这里转化为中频信号射频下行通道部分主要包括自动增益控制 RF AGC 接收滤波器 Rx 滤波器和下变频器射频的上行通道部分主要包括自动增益控制 RF AGC 二次上变频宽带线性功放和射频发射滤波器中频部分主要包括下行的去混迭滤波器下变频器 ADC 和上行的中频和平滑滤波器上变频器和 DAC 对于 WCDMA 的数字下变频器而言由于其输出的基带信号的带宽已经大于中频信号的 10% 故与一般的 GSM 信号和第一代信号不同称为宽带信号 CDMA 的射频设计性能和考虑 前面已经提到 CDMA 的信号是宽带信号因此射频部分必须设计成适合于宽带低功率谱密度信号 CDMA 的高动态范围高峰值因数由于采用线性调制和多码传输精确的快速功率控制环路向功率放大器的线性和效率提 3-4

72 第三章 WCDMA 关键技术 出了挑战 CDMA 对 RF 前端提出了非常困难的线性和效率要求线性约束是由于要求了严格的输出频谱的掩模 Mask 同时输出的信号包络变化幅度很大当然为了保证功放有足够的效率功放的工作电平一般也保持在 1dB 压缩点附近 为了减少移动台的体积和功耗 要求在接收和发射端实现基带到射频或者相 反方向的一次直接变频 这种技术的困难在于混频器需要有良好的线性 避 免相邻信道的互调产物 同时混频器的输入隔离也必须足够高 以避免自混 频而可能出现的直流分量 射频部分的另外两个部件自动增益控制器 AGC 和低噪声放大器 LNA 的性能也非常关键 AGC 必须有很快的响应速度和很高的动态范围使输入模数变换的信号电平处于最佳范围 WCDMA 设计中 AGC 的要求在 80dB 左右而 LNA 的指标直接决定了接收机的总噪声指标 WCDMA 中要求 LNA 的噪声指标低于 4dB 模拟的射频器件使得射频部分的指标变化比较大同时个体的不一致性差异也比较大在设计射频部分的时候我们要按照最坏的情况对每个射频部件可能带来的整体接收机性能损失进行仿真从而得到一组较好而且稳定的射频设计参数 另外最新的设计方法也提出近可能的减少模拟器件的数量这也要求我们把模数变换 ADC 和数模变换 DAC 的位置近可能向射频部分前移鉴于目前器件信号处理能力的考虑数字中频技术是常用的设计方法 数字中频技术 现代的接收机结构一般是在中频部分实现模数变换和采样中频采样的基本技术 这里有必要介绍 1. 带通信号的采样 抽样定理表明一个频带限制在 0 f H 赫兹内的时间连续信号 m() 如果以 1/2f H 秒间隔对它进行等间隔采样则 m() 将被所得到的抽样值完全确定此时 2f H 被称为奈奎斯特频率 但对于一个频带限制在 f L 信号最低频率和 f H 信号最高频率之间的带通型连续信号 m() 此时信号的带宽为 B = f H f L 则采样频率 fs 有只要满足两种情况就可以保证 m() 将被所得到的抽样值完全确定 (1) 如果最高频率是带宽的整数倍即 f H nb n 为正整数则 fs 2B (2) 如果最高频率不是带宽的整数倍 即 f H nb B n 为正整数 0 1 则 fs 2B 1 n 这个要求就是中频采样的采样频率要求如图 3-7 所示带宽为 B 的中频信号 3-5

73 第三章 WCDMA 关键技术 M( ) 通过 fs 2B 1 n 的中频采样得到信号 M S( ) 再通过低通滤波器 H( ) 得到经过量化和采样的低中频信号 M S( ) 这个信号的频谱和原来信号的频谱是完全一样的 从这个过程可以看出中频采样可以用一个比信号频率最高低的频率进行采样而只要求这个频率满足上面的两个条件同时中频采样还可以完成频率的变换将信号变换到一个较低的中频频率上此时再经过和数字域的同频相乘就可以得到基带的 I Q 分量 2. 正交中频采样 如图 3-7 所示 M( ) T( ) f L M S ( ) f s 2f s H( ) 图 3-7 中频采样 实际上中频采样还有一种直接变换到基带 I Q 域的方法我们称为正交中频采样假设中频的窄带为如下式表示 M ( ) = M I ( )cosω 0 M Q ( ) sinω 0 其中 0 2 f 0 是信号的中频载波频率此时如果我们取采样频率 fs 4f 0 则可以得到采样结果 M ( 2kT ) = M (2KT )( 1) s s I M (( 2k + 1) T ) = M ((2K + 1) T )( 1) s q k s k 利用图 3-8 的原理就可以得到采样后的基带 I Q 信号 3-6

74 第三章 WCDMA 关键技术 M() 插值 M I (KT s ) 采样频率 f s (-1) k 插值 M Q (kt s ) -1 (-1) k 图 3-8 正交中频采样 这种采样方法由于严格要求 f s 4f 0 并且要进行相应的插值处理 因此实现 上存在一定的困难 3.3 分集接收原理 无线信道是随机时变信道其中的衰落特性会降低通信系统的性能为了对抗衰落可以采用多种措施比如信道编解码技术抗衰落接收技术或者扩频技术分集接收技术被认为是明显有效而且经济的抗衰落技术 我们知道无线信道中接收的信号是到达接收机的多径分量的合成如果在接收端同时获得几个不同路径的信号将这些信号适当合并成总的接收信号就能够大大减少衰落的影响这就是分集的基本思路分集的字面含义就是分散得到几个合成信号并集中合并这些信号只要几个信号之间是统计独立的那么经适当合并后就能是系统性能大为改善 互相独立或者基本独立的一些接收信号一般可以利用不同路径或者不同频率不同角度不同极化等接收手段来获取 (1) 空间分集在接收或者发射端架设几副天线各天线的位置间要求有足够的间距一般在 10 个信号波长以上以保证各天线上发射或者获得的信号基本相互独立如图 3-9 所示就是一个双天线发射分集的提高接收信号质量的例子通过双天线发射分集增加了接收机获得的独立接收路径取得了合并增益 (2) 频率分集用多个不同的载频传送同样的信息如果各载频的频差间隔比较远其频差超过信道相关带宽则各载频传输的信号也相互不相关 (3) 角度分集 利用天线波束指向不同使信号不相关的原理构成的一种分集方 法 例如 在微波面天线上设置若干个照射器 产生相关性很小的几个 波束 (4) 极化分集分别接收水平极化和垂直极化波形成的分集方法 3-7

75 第三章 WCDMA 关键技术 数据流 1 天线 1 路径 1 恢复数据流 数据流 发射分集发射分集处理处理 路径 2 数据流 2 天线 2 图 3-9 正交发射分集原理 如图 3-9 所示为正交发射分集的原理图中两个天线的发射数据是不同的天线 1 发射的偶数位置上的数据天线 2 发射的是奇数位置上的数据利用两个天线上发射数据的不相关性通过不同天线路径到达接收机天线的数据具备了相应的分集作用降低了数据传输的功率同时由于发射天线上单天线发射数据的比特率降低使得数据传输的可靠性增加因此发射天线分集可以提高系统的数据传输速率 其他的分集方法还有时间分集是利用不同时间上传播的信号的不相关性进行合并分集方法相互是不排斥的实际使用中可以组合 12 改善dB 10 r最大比值合并最佳选择 8 6 等增益合并 分集数量 k 图 3-10 不同合并方式的增益比较 分集信号的合并可以采用不同的方法 (1) 最佳选取从几个分散信号中选取信噪比最好的一个作为接收信号 (2) 等增益相加将几个分散信号以相同的支路增益进行直接相加相加后的信号作为接收信号 3-8

76 第三章 WCDMA 关键技术 3.4 信道编码 (3) 最大比值相加控制各合并支路增益使它们分别与本支路的信噪比成正比然后再相加获得接收信号 上面方法的对合并后的信噪比 r 的改善分集增益各不相同但总的说来分集接收方法对无线信道接收效果的改善非常明显的 图 3-10 中给出了不同合并方法的接收效果改善情况 可以看出当分集数 k 较大 时 选择合并的改善效果比较差 而等增益合并和最大比值合并的效果相差 不大 仅仅在 1dB 左右 信道编码的编码对象是信源编码器输出的数字序列信息序列信道编码按一定的规则给数字序列 M 增加一些多余的码元使不具有规律性的信息序列 M 变换为具有某种规律性的数字序列 Y 码序列也就是说码序列中信息序列的诸码元与多余码元之间是相关的在接收端信道译码器利用这种预知的编码规则来译码或者说检验接收到的数字序列 R 是否符合既定的规则从而发现 R 中是否有错进而纠正其中的差错根据相关性来检测发现和纠正传输过程中产生的差错就是信道编码的基本思想 通常数字序列 M 总是以 k 个码元为一组来进行传输的我们称这 k 个码元的码组为信息码组信道编码器按一定的规则对每个信息码组附加一些多余的码元构成了 n 个码元的的码组这 n 个码元之间是相关的即附加的 n-k 个码元称为该码组的监督码元从信息传输的角度来说监督码元不载有任何信息所以是多余的这种多余度使码字具有一定的纠错和检错能力提高了传输的可靠性降低了误码率另一方面如果我们要求信息传输的速率不变在附加了监督码元后就必须减少码组中每个码元符号的持续时间对二进制码而就是要减少脉冲宽度若编码前每个码脉冲的归一化宽度为 1 则编码后的归一化宽度为 k/n 因此信道带宽必须展宽 n/k 倍在这种情况下我们是以带宽的多余度换取了信道传输的可靠性如果信息传输速率允许降低则编码后每个码元的持续时间可以不变此时我们以信息传输速度的多余度或称时间的多余度换取了传输的可靠性 信道容量是信道能够传输的最大信息率如果噪声的单边功率谱密度为 n 0 W/Hz 信道的带宽为 B Hz 信号功率为 S W 则该信道的信道容量 C(Bi/s) 为 S C = B log 2 (1 + ) N B 0 此即 Shannon 公式在高斯信道下若信道的信息率为 R bi/s < C 令 S E 为每比特的信号能量则有 b = R 3-9

77 第三章 WCDMA 关键技术 R B < C B REb = log 2 (1 + ) BN R 令 r = bi/s Hz 是单位谱宽的信息传输速率即谱比特率则有 B 0 E N r b > r 当平均功率受限而带宽不受限时 B 此时 r 0 有 E N b 0 > r 2 1 ln 2 = 1.59dB r 即功率受限的高斯信道传输信息必须保证的信噪比 E b N 0 的下限通常称 为 Shannon 限是软判决译码所能够达到的最好结果实际的通信中往往无法得到这个最低的极限表 3-1 给出了不同的编码方法所能够得到的编码增益和理想的编码增益达到 Shannon 限之间有很大的差别 表 3-1 BPSK 或 QPSK 编码增益 采用编码 编码增益 db@ber=10-3 编码增益 db@ber=10-5 数据速率 理想编码 级联码 RS 与卷积码 Vierbi 译码 适中 卷积码序列译码 软判决 适中 分组码 软判决 适中 级联码 RS 与分组码 很高 卷积码 Vierbi 译码 高 卷积码序列译码 硬判决 高 分组码 硬判决 高 分组码门限译码 高 卷积码门限译码 很高 由此可以看出对于相同的调制方式不同的编码方案得到的解调信噪比是不同的即编码增益是不同的我们通常采用的编码方式有线性分组码卷积 3-10

78 第三章 WCDMA 关键技术 码 Reed-Solomon 码 BCH 码 Turbo 码等 WCDMA 选用的码字是语音和 低速信令采用卷积码 数据采用 Turbo 码 下面我们重点介绍卷积码和 Turbo 码的编解码技术 卷积码 卷积编码器在任何一段规定实际内产生的 n 个码元不仅取决于这段时间中的 k 个信息位而且还取决于前 N-1 段时间内的信息位此时监督码元监督着这 N 段时间内的信息这 N 段时间内的码元数目 nn 称为这种码字的约束长度 输入 b 1 z b 2 z b 3 b 1/11 1/01 c 1 0/00 a 1/00 0/10 1/10 d c 2 输出 0/11 0/01 c 图 卷积编码器及其状态图 我们以一个简单的例子来说明卷积码的编码原理 如图 3-11 所示为一个 的卷积编码器 这里编码器输入的信息位暂存于 2 级的移位寄存器中 每当进入编码器一个信息位 就立即计算出两个监督码元 因此这种编码器 的参量为 n=2 k=1 N=2 约束长度 nn=4 我们通常用 n k N 表 示卷积码 图 3-11 中两个移位寄存器的起始状态为零即 b 1b 2b 3 为 000 c 1 c 2 与 b 1 b 2 b 3 关系如下 c 1=b 1 b 2 b 3 c 2=b 1 b

79 第三章 WCDMA 关键技术 起点 a 00 a 00 a 00 a 00 a 00 a 00 a b b b b b b c c c c c d d d d d 图 3-12 卷积编码器的格状图 rellis 对于这种编码我们可以用图 3-12 的格状图来描述编码中的状态这里用 a b c d 来表示编码器中移位寄存器 b 2b 3 的四种状态此时数据的输入 b 1 会使得移位寄存器的状态发生迁移格状图中用实线表示输入为 0 的状态迁移情况而用虚线表示输入为 1 的状态牵引情况线上的数据表示对应状态迁移的输出信号图中的粗线表示了当输入为 时输出状态转移为 a b d c b 输出的码元序列为 卷积码的解码方法有门限解码硬判决 Vierbi 解码和软判决 Vierbi 解码其中软判决 Vierbi 解码的效果最好是通常采用的解码方法与硬判决方法相比复杂度增加不多但性能上却优于硬判决 1.5 2dB 下面我们主要介绍软判决的 Vierbi 解码方法 参考图 3-1 如果我们编码的序列为 M{ m 1 m 2 m M } 编码后的序列为 Y{ y 1 y 2 y L } 这里 M/k L/n 在一段时间内输入 k 个码元后编码器产生的 n 个输出码元通过信道后的接收序列为 R{ r 1 r 2 r L } 由于信道是非记忆性的其条件概率函数为 p( R M ) = p( R Y ) = Π= j L 1 p( r j y j ) 使上式取最大值的输入序列便是信道解码的输出序列为了方便计算 M 取对数得到对数似然函数为 Ω( R, M ) = Ω( R, Y ) = ln p( R Y ) = L j= 1 ln p( r j y j ) 该值在卷积解码中也称为路径度量假设输出序列是加性高斯白噪声 AWGN 信道的输出传输序列 Y 的取值分别为 +1 或者 -1 其符号能量为 Es 信道噪声的单边功率谱密度为 N0 按照高斯分布的概率密度函数公式可以得到 3-12

80 第三章 WCDMA 关键技术 u j 1 = N = ln p( r 0 n l= 1 r j 2 jl y j ne ) = ln exp s + 2 E n s l= 1 n l= 1 r jl ( r y jl jl E s y jl ) 2 nln( πn ) 2 0 N 0 n ( πn ) 0 / 2 式中 n 为每次编码器输入 k 个数据后输出的包括监督码元的码元总个数 旧分支度量和 旧状态共 2 N 种 第 j 次译码器的状态迁移 新状态共 2 N 种 新分支度量和 = 旧分支度量分支度量 a00 b01 c10 a00 计算分支度量和 16+10=26 输出 11 b01 计算分支度量和 45+6=51 输出 00 c10 51>26 保留输出 00 的路径保留新分支度量和为 d11 d11 图 3-13 候选路径的相加比较选择的抽取过程和分支度量的累加过程 如图 3-13 上面的 u j 实际上是编解码状态机第 j 次翻转时不同分支的概率大小 称为分支度量上面的公式中每个码符号能量 Es 以及接收数据的能量 rjl 和噪声能量 N0 都可以作为公共参量不同的分支度量中这些参量的贡献是完全一样的因此我们实际在软判决中采用的分支度量为 u ) j = n l= 1 r jl y jl 分支度量之和 即路径度量为 L u j j= 1 Ω ˆ ( R, M ) = Ωˆ ( R, Y ) = ) 如果网格图的分支不同在同样的接收信号 R 下其每个分支度量和分支度量的和都是不同的因此在寻找最大路径时实际是要寻找所有路径中其分支度量的和为最大的路径此时的编码输入 M 或者输出 Y 就是我们要译码的最优解但在这种情况下我们实际上需要验证的路径有 2L(N+1) 个之多 N 为编码器的移位寄存器个数在 Vierbi 算法中事实上我们对于任意一个可能的状态转移共有 2N 个计算它的两个状态来源即计算它所有的两个分支度量同时保留其中一个比较大的分支度量和它的路径情况这样将计算量减少到了 2NL 次在每次运算中它只涉及相加比较选择 ACS 运算即将前状态的分支度量和与当前分支度量进行相加所得到 3-13

81 第三章 WCDMA 关键技术 的值与另外一个相加和进行比较保留一个较大的分支度量和与相关的路径称为幸存路径并将此分支度量和作为新状态的分支度量和如此循环进行直到求出 L 次状态迁移的分支度量和比较剩余 2N 个状态中具有最大的分支度量和的状态作为最后的状态然后按照保存的路径进行回溯就可以得到所有的状态迁移过程即可以得到所有的编码器输入和输出比特 实际上在实现中并不是以一次编码完成的所有状态进行分支度量的累加一般一个卷积编码器一次编码的输入比特有几百个其编码器状态迁移也有几百次我们一般是进行 5 7 倍的约束长度的路径度量的计算就开始选取此时 2N 个状态中路径度量最大的作为假设的当前状态开始根据保留的路径迁移情况回溯 5 7 倍的约束长度以前的那个状态作为译码输出因此路径迁移中保留的路径迁移情况仅仅是 5 7 倍的约束长度的路径迁移情况这样做的好处是 3 5 倍的约束长度以后编码数据的相关性比较小实际上后面的数据已经不会影响此长度前面数据的译码输出更重要的是路径迁移情况只需保留 5 7 倍的约束长度减少的存储量另外在新的路径度量没有完全计算得到以前原来状态的路径度量需要进行保留因此实现上常用乒乓结构的两块存储器来分别保存新状态的路径度量以及原来状态的路径度量 实际上其他的 Vierbi 译码的基本原理也和上述是一样的比如硬判决的原理实际上是分支度量的求取方法不一样它是按照接收序列和编码器输出序列的汉明距离来度量的因此其分支度量越大证明选取当前的分支的概率越小因此在 ACS 的选择步骤中会选择较小的分支度量作为当前的路径硬判决比软判决的性能要差 1.5 2dB 左右 Turbo 码 逼近 Shannon 极限是编码领域的主要努力方向 Turbo 码是领域里具有里程杯意义的创新 Berrou Glavieux 和 Thiimajshima 在 1993 年首次提出了 Turbo 码这标志着继 1982 年 Ungerboeck 提出的格状编码后最重大的突破格状编码在带限信道情况下能够比较接近 Shannon 极限而 Turbo 码则在深空通信卫星通信等非带限信道上有突出的表现理论仿真表明在 Eb/N0 为 0.7dB 的 AWGN 信道上 1/2 码率的 Turbo 码的误比特率为 10 5 Turbo 编码由两个或以上的基本编码器通过一个或以上交织器并行级联构成 如图 3-14 所示 Turbo 码的原理是基于对传统级联码的算法和结构上的修正 内交织器的引入使得迭代解码的正反馈得到了很好的消除 Turbo 的迭代解 码算法包括 SOVA 软输出 Vierbi 算法 MAP 最大后验概率算法 等 由于 MAP 算法的每一次迭代性能的提高都优于 Vierbi 算法 因此 MAP 算法的 迭代译码器可以获得更大的编码增益 实际实现的 MAP 算法是 Log-MAP 算法 它将 MAP 算法置于对数域中进行计算 减少了计算量 下面我们从 MAP 算法 原理入手来介绍 Turbo 码的译码技术 3-14

82 打孔复用输入 m WCDMA 系统基本原理 第三章 WCDMA 关键技术 卷积编码器 1 输出 y 交织器 卷积编码器 2 图 3-14 Turbo 编码器 1. MAP 算法 MAP 算法是 Bahl Cocke Jelinek 和 Raviv 于 1974 年提出的该算法基于 Chang 和 Hancock 于 1966 年提出的去除码间干扰的算法是按符号来计算最大后验概率的算法该算法根据接收的整个序列 R 对每个传输符号计算它的软输出值该值用最大后验概率的形式表示其对数似然函数比表示为 Λ( m ) = log pr ( m p ( m r = 1 R) = 0 R) 其中 1 τ τ 是接收序列的长度如果对每个编码前符号计算得到这个 后验概率那么将它进行门限判决就可以得到 m 的硬判决值为 m 1 = if 0 Λ( m ) 0 oherwise 后验概率 Λ m ) 作为软信息可以用于下一级的解码过程中 ( 为简单起见假定图 3-1 所示的待编码序列为 M{ m1 m2 ml } 可表示 L τ 为编码后的序列为 Y{ y 1 y 2 y } 可表示为编码过程可以被 m 1 建模成一个离散时间有限状态的 Markov 过程其状态数为 Ts 2N N 为编码器中移位寄存器的个数我们假定该过程的初态为 S 0 0 最终状态为 Sτ =0 接收序列 R 1 是发射序列 Y 在信道中被一个零均值方差为 σ 的高 斯白噪声干扰所得 τ τ r 2 以图 3-12 为例编码器中的移位寄存器时刻 的内容为 S 接收到编码比特 m 1 状态迁移为 S 1 输出的编码后的比特块为 y 1 个数为 n 此时 k 1 这个编码器状态迁移也可以用状态图见图 3-12 表示 编码器的状态转移由转移概率确定 p ( l l') p( S = l S 1 = l'); 0 l, l' T 1 编码器输出由下面的概率确定 y 1 = s 3-15

83 第三章 WCDMA 关键技术 q ( y l', l) p( y S 1 = l', S = l); 0 l, l' T 1 = s 可以得到 ( l l') 要么为 0.5 要么为 0 当状态图中从状态 S = ' 到 p 1 l S = l 之间有连接时 p ( l l' ) 为 0.5 反之则为 0 而 q ( y l', l) 要么为 1 要么为 0 以图 3-11 为例有 p ( 1 0) = p(0) = 0.5 p ( 1 2) = p(1) = 0. 5 ( 2 0) = 0 p q ( 1, 1 0,0) = 1 q ( 1, + 1 0,0) = 0 ( 1, + 1 3,2) = 1 对于给定输入序列 M{ m1 m2 ml } 编码过程从 S0=0 开始到 Sτ τ =0 结束其输出序列为 y 这里 τ = L + γ 经过信道后的接收序列为 τ r 1 = ( r1, r2, L, 高斯信道的转移概率为 r τ 1 p( r R( r q τ τ τ 1 y1 ) = R( r j y j ) j= 1 j y ) = j n i= 0 p( r y j, i j, i ) 这里 n 为输入一个信息比特的时间内编码器输出的所有比特数 2 这里 σ 是高斯信道的噪声方差 p 2 ( r j, i + 1) 1 2 σ r ( rj, i y j, i = 1} = e p 2πσ 2 ( r j, i 1) 1 2 σ r ( rj, i y j, i = 1} = e 2πσ 假定 m 是状态从 S 1 转移到 S 的信息比特输入相关的输出是 y 通过接收 τ 信号 R r 1 解码器能够估计输入到编码器到数据 MAP 解码算法通过输 入序列 R 计算对数似然比 Λ( m 进一步计算后验概率 ) 解码器通过门限 0 来决定输入的比特 m p( m = 0 r τ 1 ) = p( S = l', S = l r ) = p( S = l', S τ τ 0 0 ( l ' l ) B ( ' ) ( 1 ) l l B p r = l, r τ 1 ) 0 B 这里表示如果输入比特 m=0 时由此产生的所有可能的从 S 1 = l' 向 3-16

84 第三章 WCDMA 关键技术 0 S = l 的状态转移例如在图 3-11 中为 0,0 2,0 3,2 1,2 同样 p( m = 1 r 0 B τ 1 ) = p( S = l', S B = l r ) = p( S = l', S τ τ 1 1 ( l' l) B ( ' ) ( 1 ) l l B p r = l, r 这里表示如果输入比特 m =0 时由此产生的所有可能的从 S 向 1 = l' 0 S = l 的状态转移例如在图 3-11 中为 0,1 2,1 3,3 1,3 因此解码数据 m 的后验概率 (APP) 可以由下面的联合概率得到 B σ ( l', l) p( S = l', S = l, r1 ), l', l = 0,1, L, T τ = 1 s 1 τ 1 ) 则有 p{ m p{ m = 0 r = 1 r τ 1 τ 1 ) = ) = σ ( l', l) τ 0 ( l ' l ) B p( r1 τ 1 ( l' l) B p( r1 ) σ ( l', l) ) 对数似然比 Λ ( m ) 为 Λ( m ) = log l 1 ', l B 0 l', l B σ ( l', l) σ ( l', l) 对数似然比 Λ m ) 表示 MAP 解码的软输出可以用作级联形式的其他解码器 ( 的输入或者用于迭代解码器的下一次迭代最后采用门限零对 Λ m ) 进 行硬判决就完成了解码下面我们介绍 Λ m ) 的计算方法 (1) 和的计算 为了计算 σ 用上式表达 ( l', l) σ 我们定义下面的概率 α ( l ) = p( S = l, r1 ) τ β ( l) p( r 1 S l) i γ = + = ( ( l', l) = p( m = i, S = l, r S 1 = l'}; i = 0,1 ( l', l) 为 ( 3-17

85 + + + = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = (0,1) ) ', ( ) ( ') ( '), ( ) ( ) ', ( ) ', ( ) ',, ( ) ( '),,, ( } ( '),,, ( '),,, ( '),,,, ( ), ', ( ) ', ( i i l l l l l S r l S p l r l S p r l S p r l S r l S p l l S l S r r p l S r p l S l S r r p l S l S r r r p l S l S r r r p r l S l S p l l γ β α β β σ τ τ τ τ 对数似然比表达为 = Λ 0 1 ) ', ( 0 1 ) ', ( 1 1 ) ', ( ) ( ') ( ) ', ( ) ( ') ( log ) ( B l l B l l l l l l l l l l m γ β α γ β α (2) 推导 α 对有 = 1,2,Lτ = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 1 0 ' ) (0, ' ) 0,1 ( ' ' ' ' ) ', ( ') ( '),, ( ') ( '), ( ') ( ) ',, ( ) ', ( ),, ', ( ), ', ( ), ( ) ( s s s s s s T l i i T l i T l T l T l T l l l l l S r i m l S p l l S r l S p l r l S r l S p r l S p r r l S l S p r l S l S p r l S p l γ α α α α 当 =0 时易知边界条件为和当时 1 (0) 0 = α 0 l 0 ) ( 0 = l α (3) 推导 β 对有,1,0, 1 L = τ 第三章 WCDMA 关键技术 WCDMA 系统基本原理 3-18

86 = + + = = = = = = = + + = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 1 0 ' ) 0,1 ( ' ) 0,1 ( ' ' ' ' ' ' ' '), ( ') ( ), ', ( ') ( ) ', ( ') ( ) ( ) ( ) ', ( ') ( ) ( ) ',, ( ') ( ) ( ) ',, ( ) ',, ( ) ( ) ',,, ( ) ( ), ', ( ) ', ( ) ( ) ( s s s s s s s s s T l i i T l i T l T l T l T l T l T l T l l l l l S r i m l S p l l S l S r p l l S p l S p l S l S r p l l S p l S l S r p l S r p l S p l S l S r p l S l S r r p l S p l S l S r r p l S p l S r l S p l S r l S p l S r p l γ β β β β β τ τ τ τ τ τ 易知边界条件为和当时 1 0) ( = τ β 0 l 0 ) ( = l β τ (4) 推导 γ ') ( '), ( ) ( ') ( '), ( '), ( ) ( ') ( '),, ( ) ( ') ( '),, ( '),, ( ') ( '),,, ( '),, ( ) ( ', i l S l p S l S l S p x y p r l p S l S l p S l S l S i p m y p r l p S l S l S i p m y p r l p S l S l S i p m l S l S i m p r l p S l S r l S i p m l S r l S i p m l l = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = γ 进一步我们计算为 ) ', ( l l i γ = = oherwise B l l l y r i p l l i n j i j i j i 0 '), ( 2 )) ( ( )exp ( ) ', ( ,, σ γ (i) 是的先验概率是在输入发生状态从到 p i m = ) (, l y i j i m = ' 1 l S = 第三章 WCDMA 关键技术 WCDMA 系统基本原理 3-19

87 第三章 WCDMA 关键技术 S = l 迁移时编码器输出这里 R r y ) 进行了乘以 ( 2πσ ) n 的归一化操 作 (5) MAP 算法总结 (a) 前向递归 ( 初始化 α ( ) l 0,1, L, T 1 α (0) 1和当 l 0 时 α ( l) 0 0 l = s 0 = 当 = 1,2,Lτ l 0,1, L, T 1对网格图中的所有分支计算 = s 2 i d ( r =, y ) γ ( l', l) p ( i)exp 当 i = 0, 1时 2 2σ 0 = 这里 p (i) 是每个信息比特的先验信息 d 2 ( r, y ) 是网格图编码符号 y 和接收符号 r 的欧氏距离的平方 i 对 i = 0,1 存储 ( l', l) γ 对 = 1,2,Lτ 和 l 0,1, L, T 1计算和存储 (l) = s α 图 3-15 是前向递归的图形表示 α ( l 1 ') l' 0 γ ( l', l) l (l) α α ( l 1 '') l'' 1 γ ( l'', l) 图 3-15 前向递归的图形表示 (b) 反向递归 初始化 βτ (l) l 0,1, L, T 1 β ( 0) = 1和当 l 0 时 = s 当 = τ 1, L1,0 l 0,1, L, T 1计算 (l) 这里 i γ + 1 l β ( l) = = s τ β T s 1 i β = + ( ') ) ' 0 1 ( 0,1) + 1(, ' l l γ i l l ( l, ') 是前向递归中计算得到 β τ ( l) =

88 第三章 WCDMA 关键技术 对 < τ 计算对数似然比 Λ m ) ( Ts l Ts 1 α = 0 1 Λ( m ) = log 1 α l= ( l') β ( l) γ ( l', l) ( l' ) β ( l) γ 0 ( l', l) 图 3-16 是反向递归的图形表示 (l) β l 0 γ + 1( l, l') l ' β +1 ( l' ) 1 γ + 1( l, l'') l '' β ( l +1 '') 图 3-16 反向递归的图形表示 由于 Λ m ) 是对数似然比值运算可以在任何结点进行 α (l) 和 (l) 的归 ( 一化操作 以避免溢出 上面讲述的 MAP 算法应用于有限长度 τ 的序列译码实际操作中可以采用滑窗的方法进行部分长度的序列译码避免过多的内存需求如果此时在滑窗的末端开始反向递归时概率 β (l) 未知可以设置为平均概率 1 β ( l) =, T MAP 解码算法需要大量的内存和大量的运算 包括指数和乘法运算 实现比 较复杂 i i 因此通常对 γ ( l', l) α (l) 和 β (l) 进行对数运算表示为 γ ( l', l) (l) 和 β (l) i i γ ( l', l) = logγ ( l', l) α ( l) = logα ( l) = log s T 1 l s e l' = 0 i (0,1 ) 1 ( i α l) + γ l ( l', l ) β α 初始条件为 α (0) 0 当 l 0 时 α ( l 0 ) = 0 = 类似 β ( l) = log β ( l) = log T 1 s e l' = 0 i (0,1 ) β + 1 ( i l) + γ l + 1( l, l') 3-21

89 第三章 WCDMA 关键技术 i 将 γ ( l', l) α (l) 和 β (l) 代入对数似然比为 Λ m ) Ts l= Ts 1 0 Λ( m ) = log 1 l= 0 e e ( 1 α 1 ( l ') + β ( l) + γ ( l', l) 0 α 1 ( l') + β ( l) + γ ( l ', l) 采用下面公式近似计算 δ1 δ 2 log( e + e + L + e δ N ) = max i (1,2, L, N ) δ i 称为 Max-Log-MAP 算法此时 Λ m ) 表示为 ( 1 0 Λ( m ) max{ α 1( l' ) + β ( l) + γ ( l', l)} max{ α 1( l' ) + β ( l) + γ ( l', l)} l i 计算 α (l) 和 β (l) 与 Vierbi 算法中计算路径度量一样而 ( l', l) 表示分支 l γ 度量 有 i α ( l) = max{ α 1 ( l) + γ ( l', l)}, for 0 l' T 1, i = 0,1 l s i β ( l) = max{ β+ ( l) + γ l+ 1( l, l' )}, for 0 l' Ts 1, i 1 = 此时计算 α (l) 和 (l) 和 Vierbi 算法中的 ACS 操作完全一样对每个比特 β Max-Log-MAP 计算两个度量并取最大的一个 Max-Log-MAP 算法计算量小但是不精确因此 Max-Log-MAP 算法是一种次优算法可以用下面的公式来改善性能 δ log( 1 δ 2 δ1 δ 2 e + e ) = max( δ1, δ 2 ) + log(1 + e ) = max( δ1, δ 2 ) + f ( δ δ c 1 2 ) ( ) 称为校正函数可以采用查找表的方法实现采用这种近似方法称为 f c Log-MAP 算法性能与 MAP 接近但复杂度比 Max-Log-MAP 要大得多 0,1 2. Turbo 码的迭代译码原理 如图 3-14Turbo 码对输入比特 m 编码编码器发送的比特为 y 其中 y 0 m 为系统比特而 y 1..n-1 为校验比特通过噪声信道后接收到的系统比特为 r,0 校验比特为 r,1..n-1 如图 3-17 所示 接收序列 R 0 信息序列 和 R 1 送入第一个解码器 表示为 R R' = { L ( r, 0, r,1), ( r + 1,0, r + 1, 1), L} ~ 解交织的信息序列 R 和序列 R 2 送入第二个解码器表示为 R 0 R' ' = { ( ~ r, ), ( ~ 0 r,2 r 1,0, r 1, 2 ), L, + + L } 3-22

90 第三章 WCDMA 关键技术 最优判决基于从整个 urbo 码的网格图 Λ( m ) 观察 R 和 R 序列计算对数似然函数 p( m Λ( m ) = log P( m = 1 R', R' = 0 R', R' ') ') = log M: m = 1 M: m = 0 p( R', R' ' M ) p( M ) p( R', R' ' M ) p( M ) p ( R', R' ' M ) = p( R' M ) p( R' ' M ) Λ( m ) = log M: m = 1 M: m = 0 p( R' M ) p( R' ' M ) p( M ) p( R' M ) p( R' ' M ) p( M ) 按照此式需要计算所有可能的发射序列的概率和才能得到 Λ m ) 如果应 用 MAP 算法计算量会减少到与编码网格图的状态以及信息序列长度成正比由于整个 Turbo 编码的网格图状态会随信息序列长度指数增加因此 MAP 算法仅仅适用比较短的信息序列 ( 解交织 R 0 MAP 解码器 1 Λ 1e 交织 R 1 Λ 2e 交织 ~ R0 MAP 解码器 1 Λ 2 解交织判决 M R 2 图 3-17 Turbo 码的 MAP 迭代解码方法 下面介绍采用 MAP 算法的 Turbo 迭代解码方法图 3-15 表示了 Turbo 码的解码方法第一个 MAP 解码器接收信息比特 R0 和校验比特 R1 产生的软输出进行交织作为对先验概率的改进估计输入第二个解码器中 第二个 MAP 解码器同时输入接收信息序列的交织序列 ~ R0 和校验比特序列 R2 解码产生的软输出作为第一个 MAP 解码器的先验概率这样反复进行成为迭代解码相对于串行级联码的单独解码而言这种迭代操作改善了解码器的性能反馈回路是这种解码的显著优点 Turbo 码的名字起源于它参考了涡轮发动机的原理 多次迭代以后软输出的结果产生了很大的性能提高最后可以在解交织后进行相应硬判决得到符号估计 M 按照前述的 MAP 解码原理第一个 MAP 解码码率为 1 n 的对数最大似然比 3-23

91 是 ) ( 2 )) ( ( (0) exp ) ' ( ) ( 2 )) ( ( (1) exp ) ' ( log ) ( 1 0 ' ,, ' ,, l l y r p l l l y r p l m T l l n j j j T l l n j j j s s β ς α β ς α = Λ = = = = 这里和分别是对第一个解码器输入的信息比特为 1 和 0 的先验概 (1) 1 p ) (0 1 p 率相应对于第二个解码器输入的信息比特为 1 和 0 先验概率分别表示为 (1) 和 2 p ) (0 2 p 在初始的第一个解码器的解码运算中我们假设 2 1 (0) (1) 1 1 = = p p 则有 ) ( 2 )) ( ( ) ( ) exp ' ( ) ( 2 )) ( ( ) ( ) exp ' ( log (0) (1) log ) ( 1 0 ' ,, 2 0,0, ' ,, 2 1,0, l l y r y r l l l y r y r l p p m T l l n j j j T l l n j j j s s β ς α β ς α = Λ = = = = 这里是每个编码块中校验比特的位数 ( 1) n 由于上式简化成 1 1, = j y 1 0, = j y ) ( 2 (0) (1) log ) ( 1, e m r p p m Λ + + = Λ σ 其中 ) ( 2 )) ( ( ) exp ' ( ) ( 2 )) ( ( ) exp ' ( log ) ( 1 0 ' ,, ' ,, 1 1 l l y r l l l y r l m T l l n j j j T l l n j j j e s s β ς α β ς α = Λ = = = = 称为外赋信息是由编码器引入的冗余信息它不包含解码器输入 ) ( 1 Λ e m 的信息这个信息可以用作下次解码改善先验信息估计 r,0 第三章 WCDMA 关键技术 WCDMA 系统基本原理 3-24

92 第三章 WCDMA 关键技术 对于第二个 MAP 解码器由于它已经被输入了信息的交织结果这个结 ~ 果 R 0 和第一个解码器的软输出 Λ ( m ) 是相关的因此 r, 0 对 Λ ( m ) 的贡 1 献必须从中减去这样对第二个解码器才不会造成重复的影响 R 0 1 ( m ) 不包含的影响因此它可以作为第二级解码的先验信息即交织 Λ 1e r, 0 后的第一个解码器的外赋信息是第二级解码的先验信息估计即 Λ 1e 2 p (1) ( m ) = log 2 p (0) 由于 p (1) = p (0) 得到 ~ Λ1e ( m ) 2 e p (1) = 1+ e 2 1 p (0) = ~ Λ1 1+ e ~ Λ1e ( m ) 第二次解码中 MAP 算法估计出对数似然比 Λ 到第二次解码的结果表示为 e ( m ) ( m ) 2 类似上面的算法可以得 2 p (1) 2 Λ ( m ) log ~ = + r 2 2,0 + Λ 2 p (0) σ ( m ) 2 e 带入先验概率得到 Λ ~ m ) = Λ 2 ( m ) + σ ~ r 2( 1e 2,0 + Λ 2e ( m ) Λ ( m ) 是第二次解码的外赋信息是第二级编码器提供的冗余信息第二 2e 级解码器的外赋信息可以作为第一级解码器的先验信息此时第一级解码器的对数似然比可以写成 Λ ~ m ) = Λ 2 ( m ) + σ ~ r 1( 2e 2,0 + Λ1 e 总结 Turbo 码的 MAP 迭代解码过程为 (1) 初始化 (0) Λ ( m ) 0 2 e = ( m ) (2) 对每次迭代 r = 1,2, L, I I 是总的迭代次数计算 ( r) ( r) 用 MAP 算法计算 Λ ( m ) 和 Λ ( m )

93 第三章 WCDMA 关键技术 ( r) ( r) 2 ~ ( r 1) 计算 Λ1 e ( m ) = Λ1 ( m ) r,0 2 ( ) 2 Λ e m σ ( r) ( r) 2 ~ ( r 1) 计算 Λ 2e ( m ) = Λ 2 ( m ) r,0 1 ( ) 2 Λ e m σ ~ ( ) 2 I (3) I 次迭代后基于 Λ ( m ) 进行硬判决得到 M 3.5 多用户检测技术 多用户检测技术 MUD 是通过去除小区内干扰来改进系统性能增加系统容量多用户检测技术还能有效缓解直扩 CDMA 系统中的远 / 近效应 由于信道的非正交性和不同用户的扩频码字的非正交性导致用户间存在相互干扰多用户检测的作用就是去除多用户之间的相互干扰一般而言对于上行的多用户检测只能去除小区内各用户之间的干扰而小区间的干扰由于缺乏必要的信息比如相邻小区的用户情况是难以消除的对于下行的多用户检测只能去除公共信道比如导频广播信道等的干扰 如图 3-18 所示以两用户的情况为例在信道和扩频码字完全正交的情况下两个 BPSK 用户 S1 和 S2 的星座图是左边的情况而经过非正交信道和非正交的扩频码字后的星座图是右边的情况此时多用户检测的作用就是去除两个用户信号间的相互干扰他们分别向坐标线 S1 和 S2 投影得到去除第二用户干扰后的信号向量此时通过多用户检测算法判决的分界线也重新定义了在这种新的分界线上显然可以到达更好的判决效果 S 1 分界线 φ 1 S 1 投影线 S 2 S 2 φ 2 图 3-18 多用户检测的效果 按照上面的解释多用户检测的系统模型可以用图 3-19 来表示每个用户发射数据比特 b1 b b 2 N 通过扩频码字进行频率扩展在空中经过非正交的衰落信道并加入噪声 n() 接收端接收的用户信号与同步的扩频码字相关相关由乘法器和积分清洗器组成解扩后的结果通过多用户检测的算法 3-26

94 第三章 WCDMA 关键技术 去除用户之间的干扰得到用户的信号估计值 ˆb ˆb 1 2 bˆ N 从上图可以看到 多用户检测的性能取决于相关器的同步扩频码字跟踪 各 个用户信号的检测性能 相对能量的大小 信道估计的准确性等传统接收机 的性能 b 1 b 2 扩频码字 1 扩频码字 2 噪声 n() 积分清洗扩频码字 1 积分清洗扩频码字 2 多用户检测算法 ˆb 1 ˆb 2 b k 积分 bˆk 清洗 扩频码字 k 扩频码字 k 图 3-19 多用户检测的系统模型 从上行多用户检测来看由于只能去除小区内干扰假定小区间干扰的能占据了小区内干扰能量的 f 倍那么去除小区内用户干扰容量的增加是 1+f /f 按照传播功率随距离 4 次幂线性衰减小区间的干扰是小区内干扰的 55% 因此在理想情况下多用户检测提高减少干扰 2.8 倍但是实际情况下多用户检测的有效性还不到 100% 多用户检测的有效性取决于检测方法和一些传统接收机估计精度同时还受到小区内用户业务模型的影响例如在小区内如果有一些高速数据用户那么采用干扰消除的多用户检测方法去掉这些高速数据用户对其他用户的较大的干扰功率显然能够比较有效的提高系统的容量 多用户检测的想法最早在 1979 年由 Schneider 提出 1983 年 Kohno e.al. 发表了 基于干扰消除算法的接收器的研究成果 1984 年 Verdu 提出和分析了最优多 用户检测器和最大序列检测器 但由于其实际实现的复杂性 大家转而研究 次优的多用户检测器 多用户检测算法如图 3-20 所示的分类 3-27

95 第三章 WCDMA 关键技术 多用户检测算法 最理想的 MLSE 次理想的 线性 干扰消除 解相关 MMSE PIC SIC 图 3-20 多用户检测算法分类 其中线性检测器包括 Lupas 和 Verdu 提议的解相关器通过求出多用户信号互相关矩阵的逆乘以解扩后的信号得到去除其他用户相互干扰后的信号估计这种方法的缺点是会扩大噪声的影响并且导致解调信号很大的延迟相关器如图 3-21 所示 干扰消除的想法是估计不同用户和多径引入的干扰然后从接收信号中减去干扰的估计串行干扰消除 SIC 是逐步减去最大用户的干扰并行干扰消除 PIC 是同时减去除自身外所有其他用户的干扰 S 1 S 2 H 1 () H 2 () 匹配滤波 匹配滤波 R -1 软判决 软判决 信道解码信道解码 S K H K () 匹配滤波 软判决 信道解码 多径延迟估计 互相关计算 1 ρ R = [ ρ 1 ] 图 3-21 解相关器 并行干扰消除是在每级如图 3-22 所示干扰消除中对每个用户减去其他用户的信号能量并进行解调重复进行这样的干扰消除 3-5 次就基本可以去除其他用户的干扰值得注意地是在每一级干扰消除中并不是完全消除其他用户的所有信号能量而是乘以一个相对小的系数这是做的原因是为了避免传统接收检测中的误差被不断放大 PIC 的好处在于比较简单地实现了多用户的干扰消除而又优于 SIC 的延迟 3-28

96 第三章 WCDMA 关键技术 基带信号 I,Q 匹配滤波 S 1 _ + 匹配滤波 S 1 匹配滤波 S 2 _ + 匹配滤波 S 2 匹配 S 3 滤波 匹配滤波 S k _ + 匹配滤波 S k 图 3-22 并行干扰消除中的一级消除器 就 WCDMA 上行多用户检测而言目前最有可能实用化的技术就是并行的干扰消除因为它需要的资源相对比较少仅仅是传统接收机的 3 5 倍而数据通路的延迟也相对比较小 WCDMA 下行的多用户检测技术则主要集中在消除下行公共导频和广播信道的干扰以及消除同频相邻基站的公共信道的干扰方面 共享信道 3-29

97 目录 第四章数据传送基本技术 概述 WCDMA 中的分组技术应用 ATM 的介绍 IP 的介绍 IP 与 ATM 技术的比较与结合 ATM 基本技术 ATM 参考模型 ATM 层 ATM 适配层 ATM 网络结构和接口 IP 基本技术 TCP/IP 协议集及参考模型 因特网协议 IP IP 地址及其转换 IP 数据报的格式 路由段与路由表 ICMP 协议 UDP 协议 TCP 协议 路由协议 图 4-1 接入网结构 图 4-2 电路域传输平面协议结构 图 4-3 信令平面协议结构 图 4-4 分组域传输平面协议结构 图 4-5 ATM 协议模型 图 4-6 (a)uni 中的 ATM 信元 (b)nni 中的 ATM 信 元 表 4-1 用于连接建立和连接释放的消息 表 4-2 各种 ATM 服务类型的特性表 表 4-3 一些服务质量参数表 图 4-7 AAL 支持的基本服务类 图 4-8 ATM 适配层结构图 i

98 图 4-9 AAL1 信元结构... 图 4-10 AAL2 CPS_Packe 结构... 图 4-11 CID 标识意义... 图 4-12 UUI 标识意义... 图 4-13 CPS-PDU 结构... 图 4-14 AAL2 拆封... 图 4-15 TCP/IP 协议模型... 图 4-16 TCP/IP 协议集及层次结构... 图 4-17 IP 协议簇组成... 图 4-18 IP 地址及分类... 表 4-4 IP 地址的使用范围... 图 4-19 子网与子网掩码... 图 4-20 主机名字 主机物理地址与 IP 地址的转换... 图 4-21 IP 数据报的格式... 图 4-22 任选代码的格式... 图 4-23 路由段的概念... 图 4-24 两个主机通过路由进行通信... 图 4-25 路由表举例... 图 4-26 ICMP 报文与 IP 数据报的关系... 图 4-27 ICMP 报文的格式... 表 4-5 类型字段的值与 ICMP 报文类型关系表... 图 4-28 ICMP 改变路由报文的使用举例 图 4-29 RIP 协议的层次位置 ii

99 第四章数据传送基本技术 第四章数据传送基本技术 4.1 概述 WCDMA 中的分组技术应用 WCDMA 作为新一代的无线通信技术 大量使用了分组传送技术 这一点在 核心网及接入网均有所体现 图 4-1 是 WCDMA 系统无线接入网络结构 Core Nework Iu Iu RNS RNS RNC Iur RNC Iub Iub Iub Iub Node B Node B Node B Node B 图 4-1 接入网结构 WCDMA 系统的协议层次如图 4-2 图 4-3 图 4-4 所示 4-3

100 第四章数据传送基本技术 Voice daa RLC MAC-d MAC-L PHY MAC-L PHY DCHFP AAL2 ATM PHY AAL2 AAL2 ATM ATM PHY PHY RLC MAC-d DCHFP AAL2 ATM PHY AAL2 ATM PHY Voice daa AAL2 ATM PHY MS Uu NodeB Iub DRNC Iur SRNC Iu CN 图 4-2 电路域传输平面协议结构 MM SM CM MM,SM, CM RRC RRC RANAP RANAP RLC RLC SCCP SCCP MAC-d MAC-c MAC-L PHY MAC-L PHY FP AAL2 ATM PHY FP AAL2 ATM PHY FP AAL2 ATM PHY MAC-d MAC-c FP AAL2 ATM PHY MTP-3b SSCF NNI SSCOP AAL5 ATM PHY MTP-3b SSCF NNI SSCOP AAL5 ATM PHY UE NodeB DRNC SRNC CN 图 4-3 信令平面协议结构 IP/X.25 RLC MAC-d MAC-L PHY MAC-L PHY DCHFP AAL2 ATM PHY AAL2 ATM PHY AAL2 ATM PHY RLC MAC-d DCHFP AAL2 ATM PHY GTP-U UDP IP AAL5 ATM PHY GTP-U UDP IP AAL5 ATM PHY MS Uu NodeB Iub DRNC Iur SRNC Iu CN 图 4-4 分组域传输平面协议结构 由图 4-2 图 4-3 图 4-4 中可以看到 WCDMA 系统无线接入网大量使用了 4-4

101 第四章数据传送基本技术 AAL2/AAL5/ATM 及 IPoA 分组技术 MSC 及 SGSN 从 Node B 到 RNC 及核心网 CN 节点 另外 WCDMA R99 虽然在核心网的电路域 CS 保持了传统的 TDM 组网结构但是它也内置了 GPRS 支持能力即它内置了对 IP 分组业务的支持能力并且在核心网分组域 PS 主要采用 IP 传送技术来组网 ATM 的介绍 1. ATM 技术简述 在 ATM 技术出现前通信网主要使用电路交换和分组交换两种方式 电路交换是在收发端之间建立起具有一定速率的信道且不论双方是否在传送信息此信道一直被双方占用直到双方拆除信道为止因为信道是按时隙周期分配的时隙的插入分解比较简单用高速的硬件可以实现更重要的是时延低处理速度快可提供高速的实时的信息连续传输的业务由于存在速率固定及网路资源利用率低的缺点即使技术上可以实现多速率高速的电路交换但难免造成处理控制的复杂性 分组交换的特点是采用统计复用技术 可变比特率传送的信息分成 组 以 信息组 为单位进行复用和交换 动态分配网路资源 因而网路资源利 用率高 适合于象 CAD 和 CAM 的中心计算机与远程工作站间非连续性 突发 性 低速信息的传送 但 X.25 协议复杂 处理时间长 时延大 传送速率受 到很大的限制 尽管帧中继简化了协议 提高了速率 但帧长度过长且可变 尽管带宽效率高 同时造成了装拆 传送长帧的时间长 因而又不适合于实 时性要求高的业务 ATM 是在分组交换技术上发展起来的快速分组交换它综合吸取了分组交换的高效率和电路交换的高速率的优点针对分组交换速率低的弱点用电路交换与协议处理无关的特点通过高性能 LSI 的硬件设备来提高处理速度以实现高速化因此也可以说 ATM 技术是在克服了分组交换和电路交换方式的局限性的基础上产生的 2. ATM 的发展现状 ATM 技术经过多年的发展已经逐步被许多通信网所采用但近年来 IP 协议的不断发展及基于 IP 的应用的激增都对 ATM 产生了极大的挑战其实就 ATM 本身而言是一种相当完美的技术且发展至今以信元交换为特征的的 ATM 网络也有了长足的发展在广域网方面满足了用户数据传输的要求灵活的带宽控制和 QoS 的保障也使为用户提供一些实时数据图象和语音结合的多媒体业务成为可能但同时它的弱点也暴露了出来比如 ATM 标准的尽善尽美使其设备价格不菲其协议体系的复杂性造成了 ATM 系统研制配置管理和故障定位的难度端到端的信元连接停留在理想状态使有些应用无法得到具体的实现 4-5

102 第四章数据传送基本技术 当然除了自身的问题 IP 技术的极速发展和成功使大量高层应用和低层链路技术向 IP 层汇集产生了诸如 IP over SDH 和 IP over WDM 等新技术使 ATM 的发展受到了阻力 IP 的介绍 1. IP 技术简述 TCP/IP 协议是由 70 年代的 ARPA Advanced Research Projec Agency 为了实现异种网之间的互连与互通研发出来的 Inerne 的前身就是 ARPANET 1983 年 ARPANET 向 TCP/IP 的转换全部结束美国国防部命令联入远程网的所有计算机都必须采用 TCP/IP 并资助 BBN Bol Beranek and Newman lnc 用于 UNIX 的 TCP/IP 协议并进行了大力推广 TCP/IP 的出现也是顺应了社会的需求而迅速发展起来的 经过这几十年的发展 TCP/IP 协议已相当成熟及完善 许多本地网都已经采 用了 IP 技术 且目前绝大多数的应用都是基于 IP 的 故 IP 技术已是当今最主 要的网络技术 IP 层作为通信子网的最高层 提供无连接的数据报传输机制 IP 数据报协议 非常简单 不能保证传输的可靠性且 IP 协议是点到点的协议 IP 层对等实体 间的通信不经过中间节点 对等实体所在主机位于同一物理网络 对等实体 之间拥有直接的物理连接 IP 层点到点通信的关键是寻径 根据信宿 IP 地址 如何确定通信的下一点 TCP/IP 技术是为包容物理网络技术的多样性而设计的而这种包容性主要体现在 IP 层中它通过 IP 数据报和 IP 地址将它们统一起来达到屏蔽低层细节提供一致性的目的即 IP 协议向上层主要是 TCP 层提供统一的 IP 数据报使得各种物理帧的差异性对上层协议不复存在 IP 协议采用无连接的数据报机制尽力对数据进行传递即只需将分组传往信宿主机无论传输正确与否不做验证不发确认消息也不保证分组的正确顺序其可靠性体现在传输层 TCP 提供面向连接的服务另一传输协议 UDP 则是无连接的故 TCP/IP 的可靠性被称为端到端的可靠性它具有协议简洁清晰和效率高的优点 2. IP 的发展现状 IP 发展的状况只要观察一下 Inerne 业务的发展就可知了进入 90 年代后 Inerne 网络规模用户数量及业务量呈指数增长电信运营公司的话音业务趋于饱和 IP 业务量成为未来网络承载的主要业务根据 Yankee Group 公司的调查 1997 年公网运营公司的利润为 1950 亿美元其中主要为话音业务收入而到 2001 年公网运营公司的利润将达 2600 亿美元其中主要的收入来自数据业务特别是 IP 业务在 Inerne 和企业网中 IP 协议也在应用中占据越来越大的比例 IP 协议将成为传输数据的主要协议 1996 年 Business Research Group 公司对全球具有 1000 到 4000 个网络节点的 450 家公司进行了调 4-6

103 第四章数据传送基本技术 查结果表明在 1996 年 IP 协议占整个 ISP 网和企业网总业务量的 45% 21 世纪将更多从硬件上来看 Inerne 的低端设备以以太网设备居多以太网设备容易扩展成本低目前的速率范围从 l0mbi/s lgbi/s 且 LAN 协议容易管理并拥有被大多数网络管理员所熟悉的各种网络管理工具和技术在当前已安装的网络端口和网络接口卡 NIC 中以太网接口占 80% IP 与 ATM 技术的比较与结合 1. IP 与 ATM 的比较 (1) QoS ATM 最引人注目的特点是提供面向连接的 QoS 保障这也是为何电信级网络采用 ATM 的重要原因 ATM 对连接提供 QoS 分为两个方面建立连接时沿途传送资源预留信息的机制数据传输时沿途节点对质量承诺的保证机制这两者配合完成了对端到端的 QoS 的保证 IP 的 QoS 也是通过两步实现首先 RSVP 资源预留协议是 IP 协议中资源预约的机制基于流的而不是连接的提供了简洁迅速请求的资源预约能力其次路由器采用基于每个流的队列 WFQ 加权公正排队等机制来保障业务质量 (2) 带宽及容量 ATM 交换机是硬件实现的对带标记信息包的转发由于基于索引方式所以转发速度快容量大适合于骨干网随着 IP 的不断发展和改进许多大公司如 Cisco Lucen 等都有了 G 级甚至 T 级的路由器而且一些如 Juniper Nework Avici Sysems 和 NeCore Sysems 等新生力量也已经可以做到 2. IP 与 ATM 的结合 (1) IPOA IPOA IP Over ATM 是 IP 与 ATM 结合的一种技术是指利用 ATM 网络在 ATM 终端建立连接进行 IP 的数据通信 IPOA 的主要功能有两个地址解析和数据封装地址解析是完成地址绑定功能即完成 IP 地址和硬件地址 ATM 地址的映射过程数据封装分 VC 封装即一条 VC 用于传输一种特定的协议数据和多协议封装即使用同一条 VC 传输多种协议数据 IPOA 中使用缺省的 LLC/SNAP 封装标明数据类型信息 IPOA 系统的工作过程大致如下首先是 Clien 端的 IPOA 初始化过程即 Clien 加入 LIS Logical IP subne 的过程由 Clien 端的 IPOA 高层发出初始化命令向 Server 注册身份注册成功后 Clien 变为 Operaional 状态意味着现在的 Clien 可以接收 / 传输数据了当主机要发送数据时它使用通常的 IP 选路以便找到适当的下一跳地址然后把数据发送到相应的网络接口网络接口软件必须解析出对应目的端的 ATM 地址直接从 Clien 端的解 4-7

104 第四章数据传送基本技术 析表中查询到或通过发 ATMARP 请求获得 接着 假如有可利用的连接目 的端的 VCC 就直接将数据发至 AAL 层 进行 ALL5 的适配 再通过 VCC 传 送出去 假如没有 则通过信令建立合适的链路再传 当 Clien 接收到 AAL5 的数据时 只需解除封装 根据协议数据类型交给相应模块处理即可 当然 Clien 还要维护地址信息 包括定期更新 Server 上的地址信息和本地地址 信息 一旦 Clien 的地址信息不能被及时更新 那么这个 Clien 就变成非可用 状态 需重新初始化后才能用 在 Clien 传输数据时 它可能同时向许多不 同的目的端发送和接收数据 因此必须同时维护多条连接 连接的管理在 IP 下面的网络接口软件中实现 该系统可以采用一个链表来实现此功能 链 表中每一数据项包含链路的源 / 目的端地址 使用状态 更新标志 更新时间 QoS 信息和 VCC 等所必须的信息 在 OSI 模型中 IPOA 位于网络接口层其建立连接的工作通过 RFCl755 请求和 UNI3.1 处理信令消息完成 IPOA 的优点就是利用了 ATM 网络的 QoS 可以支持多媒体业务它在网络层上将局域网接入 ATM 网既提高了网络带宽也提升了网络的性能当然 IPOA 不支持广播和组播业务且在 ATM-LAN 中一台主机与其他所有成员建立 VC 连接一旦网络用户大量增加 VC 的连接数会呈平方级递增因此 IPOA 适用于企业网和校园网 (2) MPLS 在广域网上被看好的 IP 和 ATM 结合的技术是 MPLS 多协议标签交换 MPLS 是用一个固定长度的标签决定包的处理 MPLS 是一个前向转发策略由 Cisco 的标记路由发展而来在 OSI 的 7 层模型中它位于第二和第三层之间每个 MPLS 都有一个头这个头包括一个 20 比特的标签一个 3 比特的业务级别字段一个 1 比特的标签栈指示器和一个 8 比特的 TTL 字段 MPLS 头的封装是在链路层头和网络层头之间一个具有 MPLS 能力的路由器在转发包时只检查标签大致过程为 MPLS 需要一个分配标签建立标签交换通道的协议一个 LSP 与一个 ATM 虚链路相似从发送端到接收端是单向的 MPLS LSR 用此协议协商每个标签的涵义规定如何处理来自对等端的一个特定标签的包 LSP 的建立可以是控制驱动的即由象路由更新那样的控制流触发或者数据驱动的即由一个流请求或一个流量的中继触发在 MPLS 中一个流量交易是那些具有相同服务级别的能够放到一个 LSP 的流的聚集两个路由器之间的 LSP 可以与 L3 的逐跳路由一样或发送端 LSR 能够为 LSP 规定一个显式路由 Exphci Roue 用标签索引的转发表的构造是标签分配的结果每个转发表入口规定了如何处理运载索引标签的包分类和路由包是在一个 MPLS 的作用域的入口 LSR 处当一个 LSR 收到一个标记的包时它将用标签作为索引查找转发表这比 IP 路由时查找匹配解析路由表的处理速度快由转发表的入口决定处理包的方式包进入时的标签被离开时的标签所替代并且被交换到下一个 LSR 标记交换的过程与 ATM 的 VPI/VCI 处理类似在一个 MPLS 域的内部包转发分类和 QoS 服务均有标签和 CoS 域确定这使得核心 LSR 很简单在一个包离开 MPLS 域时删除它的标签 MPLS LSP 也能够当作隧道用当一个包进入一个隧道的起点时它的通道已经完全确定了包将顺利到达终点它的通道完全由入口处分配给它的标签决定没有必要列出隧道中所有的路由器故其效率要比其他隧 4-8

105 第四章数据传送基本技术 道机制高 可见 MPLS 提供了一种有效的隧道机制 同时使包转发速度高 扩展性好 无需地址解析 加入了 QoS 和负载均担的功能 所以兼容 MPLS 将 是高容量路由器和 ATM 交换机共同发展的方向 无论是 IP 有光明的前景 还 是 ATM 有好的发展 有一点可以很明确 结合 IP 和 ATM 长处的技术将是最 终的方向 4.2 ATM 基本技术 ATM 参考模型 在 ITU-T 的 I.321 建议中定义了 B-ISDN 协议参考模型如图 4-5 所示它包括三个面用户面控制面和管理面而在每个面中又是分层的分为物理层 ATM 层 AAL 层和高层 图 4-5 ATM 协议模型 协议参考模型中的三个面分别完成不同的功能 用户平面采用分层结构提供用户信息流的传送同时也具有一定的控制功能如流量控制差错控制等 控制平面采用分层结构完成呼叫控制和连接控制功能利用信令进行呼叫和连接的建立监视和释放 管理平面包括层管理和面管理其中层管理采用分层结构完成与各协议层实体的资源和参数相关的管理功能如元信令同时层管理还处理与各层相关的 OAM 信息流面管理不分层它完成与整个系统相关的管理功能并对所有平面起协调作用 4-9

106 第四章数据传送基本技术 ATM 层 1. ATM 中的网络层 ATM 层处理从源端到目的端移动着的信元 在 ATM 交换机中的确包含了路由 选择算法和协议 它也处理全局寻址问题 因此从功能上说 ATM 层发挥着 和网络层相同的功能 ATM 层并不能保证百分之百的可靠性 不过一个网络 层的协议也不需要如此 对于面向连接的协议来说 ATM 层是不同寻常的 因为它不提供任何确认 但 ATM 层仍然提供了强有力的保障 沿着一条虚电路发送的信元将永远不会 失去顺序 如果阻塞发生了 允许 ATM 子网丢弃信元 但是在任何情况下 它都不能对在一条单独的虚电路中传递的信元重新排序 然而 对于在不同 的虚电路中传递的信元并没有提供顺序上的保障 2. 信元格式 在 ATM 层 有两个接口是非常重要的 即用户 - 网络接口 UNI user-nework inerface 和网络 - 网络接口 NNI nework-nework inerface 前者定义了主 机和 ATM 网络之间的边界 在很多情况下是在客户和载体之间 后者应用 于两台 ATM 交换机 ATM 意义上的路由器 之间 两种格式的 ATM 信元头 部如图 4-6 所示 信元传输是最左边的字节优先 在一个字节内部是最左边的 比特优先 GFC (4) VPI (8) VPI VCI (16) HEC 48 字节负荷 PTI CLP GFC 一般流量控制 (4bi) 仅仅在 UNI 信元中 VPI/VCI 虚通道和虚通路标识 PTI 负荷类型标识 (3bi) 1. 用户 / 控制数据 2. 拥塞 3. 末尾 CLP 丢失优先级 (1bi) HEC 信元头差错校验 8 比特 CRC VPI (12) HEC PTI 48 字节负荷 VCI (16) CLP 图 4-6 (a)uni 中的 ATM 信元 (b)nni 中的 ATM 信元 3. 连接建立 从技术上讲连接建立并不是 ATM 层的一部分而是由控制平台使用的一个高度复杂的叫做 Q.2931 siller 1995 的 ITU 协议来处理的然而逻辑上处理建立网络层连接的地点是网络层并且类似的网络层协议都是在这里进 4-10

107 第四章数据传送基本技术 行连接建立的 因此我们在这里讨论它 表 4-1 用于连接建立和连接释放的消息 消息 由主机发送时的含义 由网络发送时的含义 SETUP CALL PROCEEDING CONNECT CONNECT ACK RELEASE RELEASE COMPLETE 请建立一条虚电路我看见了进入呼叫我接受进入呼叫谢谢接受请终止呼叫对 RELEASE 的确认 进入呼叫将尝试你的呼叫请求接受你的呼叫请求谢谢发出呼叫另一端已足够坏对 RELEASE 的确认 ATM 网络允许建立多点播送通道一个多点播送通道有一个发送者和多于一个的接收者它们是通过如下方法建立起来的用通常的方法在源端和目的端之间建立一条连接接着发送 ADD PARTY 消息把第二个目的端连接到前一个呼叫返回的虚电路上去接下来就可以发送其余的 ADD PARTY 来增加目的端的个数 ATM 有 3 种地址格式第 1 字节指明该地址是 3 种地址格式中的哪一种第 1 种有 20 字节长是基于 OSI 地址格式的第 2 和第 3 字节指明国家第 4 字节给出了基于地址部分的格式其他包括 3 字节指明权限 2 字节指明域 domain 1 字节指明区域还有 6 字节的地址以及其他一些信息项在第 2 种地址格式中第 2 和第 3 字节指定一个国际组织而不是国家地址的其余部分和格式与第 1 种相同另一种是旧的使用 15 位十进制数的 ISDN 电话号码 CCITT E.164 作为地址的格式 4. 路由选择和交换 当建立虚电路时 SETUP 消息沿着网络从源端走向目的端路由选择算法决定了消息要走的路径从而也就决定了虚电路的路径 ATM 标准中没有指定任何特定的路由选择算法所以人们就可以从多种路由选择算法中选择一种交换机的大部分工作量是花费在如何从一个信元里的虚电路信息里得到输出线路的选择上 5. 服务类型 恒定比特率 CBR consan bi rae 主要用来模仿铜线或者光导纤维没有差错校验没有流量控制也没有其余的处理这个类别在当前的电话系统和将来的 B-ISDN 系统中作了一个比较圆滑的过渡因为话音级的 PCM 通道 T1 电路以及其余的电话系统都使用恒定速率的同步数据传输 可变比特率 VBR variable bi rae 被划分为两个子组别分别是为实时传输和非实时传输而设立的 RT-VBR 主要用来描述具有可变数据流并且要求严 4-11

108 第四章数据传送基本技术 格实时的服务比如交互式的压缩视频例如电视会议 NRT-VBR 用于主要是定时发送的通信场合在这种场合下一定数量的延迟及其变化是可以被应用程序所忍受的如电子邮件 可用比特率 ABR available bi rae 是为带宽范围已大体知道的突发性信息传输而设计的 ABR 是唯一一种网络会向发送者提供速度反馈的服务类型当网络中拥塞发生时会要求发送者减小发送速率假设发送者遵守这些请求采用 ABR 通信的信元丢失就会很低运行着的 ABR 有点象等待机会的机动旅客如果有空余的座位空间机动的旅客就会无延迟地被送到空余座位处如果没有足够的容量他们就必须等待除非有些最低带宽是可用的 未指定比特率 UBR unspecified bi rae 不做任何承诺对拥塞也没有反馈这种类型很适合于发送 IP 数据报如果发生拥塞 UBR 信元也会被丢弃但是并不给发送者发送反馈也不给发送者希望放慢速度的期望 各种服务类型的特性比较见表

109 第四章数据传送基本技术 表 4-2 各种 ATM 服务类型的特性表 服务特性 CBR RT-VBR NRT-VBR ABR UBR 带宽保证 是 是 是 可选 不 适用于实时通信 是 是 不 不 不 适用于突发通信 不 不 是 是 是 有关于拥塞的反馈 不 不 不 是 不 6. 服务质量 服务质量在 ATM 网络中是一个重要的话题因为 ATM 网络都是用作实时传输的比如音频和视频当一条虚电路建立时传输层例如主机中的一个进程也即客户和 ATM 网络层例如一个网络操作者也即运载提供者都要遵守一个定义服务的协定 协定的第一部分是通信量描述符 raffic descripor 它描述要提供的载荷 协定的第二部分指定客户所要求的和通信提供者同意的服务质量 无论是载 荷还是服务 都是要以可度量的数量来描述的 这样约定就可以被客观的决 定 为了使具体的通信量协定成为可能 ATM 标准定义了一系列的服务质量 QoS Qualiy of Service 客户和通信提供者可以协商这些参数的值对于每一个服务质量参数其最差情况下的值被指定了要求通信提供者必须要达到或者超过该值在某些情况下参数是一个最小值而在另外一些情况下它是一个最大值也是在这里服务质量在每个方向上都是单独指定的其中一些比较重要的列在了下表中但它们并不是对所有的服务类型都适用 一些服务质量参数如表 4-3 所示 表 4-3 一些服务质量参数表 参数 缩写词 含义 峰值信元速率持续信元速率最小信元速率信元延迟变化极值信元丢失比率 PCR SCR MCR CDVT CLR 信元发送的最大速率长时间的平均信元传输速率最小的可接受的信元传输速率最大的可接受的信元抖动信元丢失或提交得太迟的比例 信元传送延迟 CTD 信元提交时拖延的时间 中间值和最大值 信元延迟变化 信元错误比率 严重错误信元块比率 CDV CER SECBR 信元提交时间的变化幅度 提交无错信元的比例 出错信元的比例 4-13

110 第四章数据传送基本技术 参数 信元错误目的地比率 缩写词 CMR 含义 信元提交至错误目的地的比例 7. 通信量整形和控制 使用和增强服务质量参数的机制是基于部分地一种特定的算法也即通用信元速率算法 GCRA generic cell rae algorihm 它的工作原理是检查每一个信元看是否遵从了虚电路的参数 GCRA 有两个参数它们指定了最大的允许到达率 PCR 和其中可以忍受的到达时间变化量 CDVT PCR 的倒数 T=1/PCR 是最小的信元到达间隔值 GCRA 算法被称为虚拟调度算法 virual scheduling algorihm 然而从另一种角度来看它等同于一个漏桶算法可把一个合乎协定的信元想象成是倒入一个漏桶的 T 单位的流体这个桶以 1 单位 /us 的速度漏液体因此 Tus 之后它就空了如果信元正好是以 1 信元 /Tus 的速度到达那么每一个到达的信元都会发现桶刚刚空出来该信元会把桶内重新装上 T 单位的液体因此当一个信元到达时液体水位升至 T 以后就线性递减直到为零当一个信元提前 Lus 到达时桶就应该溢出对于一给定的 T 如果我们把 L 设置得很小桶的容量将会很难超过 T 因此所有的信元必须以一种非常规范的间隔顺序发送然而如果我们现在增加 L 的值使它远远大于 T 桶将会容纳很多的信元因为 T+L>>T 这就意味着发送者可以以峰值速率一个接一个地发送一些突发性数据而它们仍然能够被正确地接收 GCRA 正常情况下是通过给定参数 T 和 L 来指定的 T 正好是 PCR 的倒数 L 就是 CDVT GCRA 也用来保证在任何一段较长时间内平均信元传输速率不会超过 SCR 除了提供了一条规则来看哪一个信元是合乎协定的哪一个是不合乎协定的之外 GCRA 也用于通信整形以消除某些突发性传输 CDVT 越小就意味着越好的平滑效果但也增大了因为不合乎协定而丢弃信元的机率在一些实现中把 GCRA 漏桶和一个令牌桶结合起来以提供进一步的平滑 8. 拥塞控制 ATM 网络必须既要处理由于大于系统处理能力的通信量而引起的长期拥塞又要处理由于通信中的突发性传输而引起的短期拥塞结果人们使用了几种不同的策略它们当中最重要的可分为 3 类 (1) 许可证控制 CAC 很多 ATM 网络中有以固定速率产生数据的实时通信源告诉这一类的通信源减慢发送速率是行不通的想象一种有一个红灯的新型数字电话当通知拥塞发生时红灯就会亮讲话者将被要求速率减慢 25% 因此 ATM 网络把防止拥塞发生放在第一的位置然而对于 CBR VBR 4-14

111 第四章数据传送基本技术 UBR 类通信量 根本就没有动态拥塞控制 因此在这里预防拥塞发生将远远 比拥塞发生后再去恢复强得多 预防拥塞的一个主要工具是许可证控制 当 一台主机需要一条新的虚电路时 它必须描述出希望被提供的通信和服务 网络便作出检查来看是否有可能 在不对已存在连接造成有害的影响的前提 下处理该连接 可能需要检查多条可能的线路 从而发现哪一条将可以做此 项工作 (2) 资源预订 同许可证控制密切相关的是事先预定资源的技巧这通常是在呼叫建立时进行因为通信量描述符给出了信元发送峰值速率网络就有可能沿通路预留足够的带宽来处理该峰值速率 (3) 基于速率的拥塞控制 在 CBR 和 VBR 通信中因为信息源固有的实时和半实时的特性所以即使在发生拥塞的情况下一般也不可能让发送者减慢发送速率在 VBR 服务中没有人会担心如果有太多的信元把多出来的丢弃掉就是 在 ABR 通信中 网络去通知一个或多个发送者并且请求它们暂时减慢发送速 率直到网络恢复 这是可能的也是合理的 怎样检测通知和控制 ABR 通信中的拥塞是 ATM 标准发展过程中的一个热门话题问题集中在以下两个方面一是基于信用的解决方案一种是基于速度的解决方案 交换机厂商们反对基于信用的解决方案 他们不想进行所有计算 以记住这 些信用 同时 也不想预先提供很多缓冲区 并认为所需要的开销总量太大 因此 采用了基于速度的拥塞控制系统 其基本模型是每个发送端在 k 信元 数据之后传送一个特殊的资源管理 RM resource managemen 信元 这个信 元的传输通路与 k 信元相同 但是它由交换机进行特殊处理 当 RM 信元到达 接收端时 对它进行检测 修改并且再将它发送回发送端 另外 还提供了 其他两种拥塞控制装置 第一种是超载荷交换机能够自发地产生 RM 信元 并将它们发送回发送端 第二种是超载荷交换机能够对从发送端传送到接收 端的信元数据设置其中间 PTI 位的值 当然这两种方法没有一个是完全可靠 的 ATM 适配层 1. ATM 中的传输层 很难说清 ATM 是否有传输层一方面 ATM 层具有网络层的功能并且其上还有一层 AAL 从分层角度看 AAL 便是传输层一些专家同意这一观点此处所使用的协议之一 AAL5 功能上类似于 UDP 而 UDP 无疑是传输层协议另一方面没有任何一个 AAL 协议像 TCP 那样提供可靠的端到端的连接尽管这些协议只需做很小的变化即可另外在多数应用中在 AAL 之上还使用了另一个传输层不再细究了就在这一章中讨论 AAL 层及 4-15

112 第四章数据传送基本技术 其协议 而不管它是不是真正的传输层 ATM 网络的 AAL 层与 TCP 具有本质区别其主要原因是设计者对传输音频和视频数据流更有兴趣为此迅速传送比精确地传送更重要 ATM 层连续输出 53 字节的信元信元中没有差错控制没有流量控制以及其他种类的控制所以它不能很好地满足多数应用的要求为了弥补这一不足在建议 I.363 中 ITU 在 ATM 层之上定义了一个端到端的层这一层称为 ATM 适配层 AAL ATM Adapaion Layer 它经历了一段曲折的历史充满了错误反复修订以及未完成的工作 AAL 的目标是向应用提供有用的服务并将它们与在发送端方将数据分割为信元在接收端方将信元重新组织为数据的机制隔离开来它按照 3 个坐标轴来组织服务空间 (1) 实时服务和非实时服务 (2) 恒定比特率服务和变化的比特率服务 (3) 面向连接的服务和非连接的服务 原则上用 3 个坐标轴和每个坐标轴上的 2 个值可以定义 8 种不同的服务如图 4-7 所示 ITU 觉得只有其中的 4 个有使用价值并分别命名为类 A B C D 其他几种则未得到支持从 ATM4.0 开始该图有些过时所以在这里提出它来主要是作为背景信息以帮助读者了解为什么 AAL 协议设计为目前这个样子目前主要的不同是传输类 ABR CBR nr-vbr r-vbr 和 UBR 之间而不是这些 AAL 支持的服务类之间 图 4-7 AAL 支持的基本服务类 为了处理这 4 类服务 ITU 定义了 4 个协议而后来发现对于类 C 和类 D 的技术要 求十分相似 从而将 AAL3 和 AAL4 合为 AAL3/4 计算机工业当时昏然不觉 后来才发现它们都不令人满意 后来暂且定义了另一种协议 AAL5 来解 决这个问题 4-16

113 SAR AAL CPCS CS SSCS WCDMA 系统基本原理 第四章数据传送基本技术 2. ATM 适配层的结构 AAL-SAP AAL-SDU 原语 业务特定会聚 SSCS AAL1 AAL2 AAL3/4 AAL5 适配用户信息形成 ATM 净荷 SSCS-PDU 原语 公共部分会聚 CPCS 会聚子层 CS 加入控制信息 为分割作准备 根据控制信息 恢复用户数据 业务特定部分 (SSCS): 时延处理 流量控制 公共部分 (CPCS) : 检测信元的丢失与误插 AAL-CP CPCS-PDU 原语 分段与重装 SAR 分割与重装 SAR : 将 CS-PDU 分割成 48 字节的净荷或者将 48 字节的净荷组装成 CS-PDU SAR-PDU 原语 ATM-SAP 图 4-8 ATM 适配层结构图 ATM 适配层结构如图 4-8 所示 ATM 适配层的上面部分称为会聚子层 convergence sublayer 其作用是向应用程序提供一个接口 它又是由两 个子部分组成 一个是对所有应用程序都通用的公共部分 相对于给定的 AAL 协议 另一个是与应用程序相关的子部分 其中每个部分的作用都是 与协议相关的 但是可以包括报文分帧和错误检测 在发送端会聚子层负责接收来自于应用程序的比特流数据或随机长度的报文并将它们分为 字节的单元以便传输确切的大小有赖于所用的协议因为一些协议要占用 48 字节 ATM 载荷中的一部分作为自己的头在接收端该子层将信元重组为原始的报文通常情况下报文分界如果存在是要保留的 AAL 下面的部分称为分割和重组 SAR segmenaion and reassembly 子层它将会聚子层交给它的数据单元加上头和尾从而构成信元有效载荷接着这些载荷被交给 ATM 层进行传送在接收端 SAR 子层将信元重组为报文 SAR 子层基本上只涉及信元而会聚子层则与报文打交道 SAR 子层对于某些但不是所有的服务类来说还有另外一些功能特别是它有时候可以进行错误检测和多路复用 SAR 子层对于所有服务类都是存在的但功能的强弱则依赖于其特定的协议 3. AAL1 AAL1 是用于 A 类传输的协议 A 类传输是指实时的恒定比特率的面向连接的传输例如非压缩的音频和视频数据输入的是比特流不存在报文分 4-17

114 第四章数据传送基本技术 界对于这种传输并没有使用像停 -- 等这样的错误检测协议因为由超时和重发机制引入的延迟是不能接受的但是丢失信元时会通知应用程序由它采取措施如果可能的话来进行弥补 AAL1 使用了一个会聚子层和 SAR 子层会聚子层检测丢失和误入的信元平缓输入的数据速率从而以恒定的速度发送信元最后会聚子层将输入的报文或比特流分解为 46 字节或 47 字节的单元然后交给 SAR 子层处理在另一端接收方它取出这些数据单元重组为原始的输入 AAL1 的会聚子层没有自己的协议头信息 相反 AAL1 的 SAR 子层有自己的协议其信元格式如图 4-9 所示以 1 字节的头开始其中包含 3 位的信元序号 SN 用于检测是否丢失或误入了信元该字段之后是 3 位的序号保护字段 SNP 即校验和可以改正信元序号字段中的单个错误并检测出现两个错误的情况 4 位 4 位 47 字节 SAR_PDU SN SNP Payload CSI 序列编号 CRC 偶校验 ATM 信元 Cell Header Cell Payload 图 4-9 AAL1 信元结构 当必须保留报文分界时使用 P 信元 指针 Poiner 字段用于给出下一段报 文起始位置的偏移量 4. AAL2 AAL1 是针对简单的面向连接的实时数据流而设计的除了具有对丢失和误入信元的检测机制外它没有错误检测功能对于单纯的未经压缩的音频或视频数据或者其中偶尔有一些较重要的位的其他任何数据流都没有什么问题 AAL1 就已经足够了 对于压缩的音频或视频数据数据传输速率随时间会有很大的变化例如很多压缩方案在传送视频数据时先周期性地发送完整的视频数据然后只发送相邻顺序帧之间的差别最后再发送完整的一帧当镜头静止不动并且没有东西发生移动时则差别帧很小其次必须要保留报文分界以便能区分出下一个满帧的开始位置甚至在出现丢失信元或坏数据时也是如此由于这些原因需要一种更完善的协议 AAL2 就是针对这一目的而设计的 像在 AAL1 中一样 AAL2 的会聚子层没有本身协议而 SAR 子层有本身协议 4-18

115 第四章数据传送基本技术 AAL2 的 CPS 部分定义了组建微信元 I 中的 CPS_Packe 以及将微信 元封装在 ATM 标准信元中传送 接收时识别和回复出对应微信元的一套机制 CPS 中有两种数据结构单元 CPS_Packe 即微信元 和 CPS_PDU 指针结 构 (1) 微信元 CPS_Packe 的结构如图 4-10 所示 图 4-10 AAL2 CPS_Packe 结构 微信元不一定有相等的长度 可以是在最大长度限制下的任意字节 缺省长 度为 45 字节 CID 通道标识号用于标识用户的话音通道一个 CID 标识一路话音可用于标识话音的 CID 取值范围为 见图 4-11 CID 值 功能 0 不能使用 1 用于层管理 2~7 保留 8~255 标识 SSCS 实体 图 4-11 CID 标识意义 LI 长度指示为二进制值等于微信元载荷域长度减 1 缺省长度为 45 字节可以通过协商定为 64 字节载荷最大长度依信道而异具有相同 CID 值的所有分组最大长度值相同 UUI 标识是否为最后的微信元最后一个微信元到达后才能进行组装 UUI 标识意义如图 4-12 所示 4-19

116 第四章数据传送基本技术 UUI 值 功能 0~27 SSCS 实体使用 28~29 保留 30~31 用于层管理 图 4-12 UUI 标识意义 HEC 用于对 AAL2 头进行差错校验和检错 (2) CPS-PDU 由于一个微信元可能跨越某个 ATM 信元的边界在下一个信元中传输 CPS_PDU 通过标识 ATM 信元净荷域中第一个微信元的位置可以帮助接收端识别和恢复出微信元结构如图 4-13 所示 信元头 OSF SN P PAD 开始域 CPS 协议数据单元载荷域 CPS 协议数据单元 OSF 偏移量 6 比特 SN 序号 1 比特 P 奇偶位 1 比特 PAD 填充域 0-47 字节 图 4-13 CPS-PDU 结构 载荷域由 1 个或多个微信元 CPS_Packe 复合而成 OSF 标识第一个微信元的起始位置 SN 顺序号 P 奇偶校验位将微信元适配到 ATM 信元的整个过程见图

117 第四章数据传送基本技术 图 4-14 AAL2 拆封 高层送给 CPS 四个数据单元分别为 字节长加上 CPS- 分组头成为微信元装入 3 个 ATM 信元的净荷域中并设置好指针进行传送由图也可以看出装入的微信元的长度不相等且微信元的个数在上限值限制的范围内也可变这样 ATM 网络上建立的一个或多个 VC 不再是按固定的速率来分配带宽可以用 VBR-r 为话音服务因为话音业务特别是经压缩后的压缩语音对时延与时延抖动更敏感 公共部分 CPS 主要任务是构建微信元能接受的数据单元最大长度为 64 字节而且 CPS 只定义检错传送机制即检查出某信息单元有错时就丢弃没有定 4-21

118 第四章数据传送基本技术 义数据的可靠传送机制由于 CPS 的这些工作特点无法满足诸如 IWF 到 IWF 间的信令以及较长的用户分组数据它们超过 CPS 数据单元长度限制且又要高可靠性通过 CPS 传送的要求有必要增加一个业务特定子层来满足这些应用要求 I.SEG/I 另外定义了三个可选子层用于提供这些功能这里就不再详细介绍了 5. AAL3/4 开始时 ITU 为服务类 C 和 D 制订了不同的协议服务类 C 和 D 分别是对数据丢失或出错敏感但不具有实时性的面向连接和非连接的数据传输服务类后来 ITU 发现没有必要指定两套协议于是便将它们合二为一形成了一个单独的协议即 AAL3/4 AAL3/4 可以按两种模式进行操作即流和报文在流模式中不保留报文分界信息以下将集中讨论流模式在每种模式中都可能出现可靠的传输和不可靠的即不保证可靠性的传输 AAL3/4 具有一个其他协议中没有的性能支持多路复用 AAL3/4 的这一功能允许来自于一台主机的多个会话如远程登录沿着同一条虚电路传输并在目的端分离出来使用一条虚电路的所有会话得到相同质量的服务因为这是由虚电路本身性质所决定的 和 AAL1 AAL2 不一样 AAL3/4 具有会聚子层协议和 SAR 子层协议 从应用 程序到达会聚子层的报文最大可达 字节 首先将其填充为 4 的整数倍字 节 接着加上头和尾信息 在会聚子层对保温进行了重构 并加上了头和尾 信息后 便将报文传送给 SAR 子层 由 SAR 子层将报文分为最大 44 字节的数 据片 AAL3/4 具有两层协议开销每个报文需要增加 8 字节每个信元增加 4 字节总之它是一种开销极大的机制尤其是对短的报文 6. AAL5 从 AAL1 到 AAL3/4 协议主要是由电信工业设计的并被 ITU 标准化 它没有太 多地考虑计算机工业的要求 由于两个协议层所导致的复杂性及低效性 再 加上校验和字段十分短 仅 10 位 使一些研究人员萌生了一个制订新的适 配层协议的念头 该协议被称为简单有效的适配层 SEAL simple efficien adapaion layer 经过论证 ATM 论坛接受了 SEAL 并为它起名叫 AAL5 AAL5 向其应用程序提供了几种服务一种选择是可靠服务即采用流控机制来保证传输以防过载另一种选择是不可靠服务即不提供数据传输保证措施通过选项使校验错的信元或者丢失或者传送给应用程序但被标识为坏信元 AAL5 支持点到点方式和多点播送方式的传输但多点播送方式未提供数据传输的保证措施 像 AAL3/4 一样 AAL5 支持报文模式和流模式在报文模式中应用程序可 4-22

119 第四章数据传送基本技术 以将长度从 1 字节 字节的数据报传送到 AAL 层当到达会聚子层时将报文填充至有效载荷字段并加上尾部信息选择填充数据 0 字节 47 字节以使整个报文包括填补的数据和尾部信息为 48 字一节的整数倍 AAL5 没有会聚子层头只有一个 8 字节的尾 用户到用户 UU User o User 字段不用于 AAL 层本身而是为了自己的目的供更高一层可能是会聚子层的特定服务子部分使用例如排序或者多路复用长度 Lengh 字段指出真正的有效载荷是多少以字节为单位不包括填充的字节数 0 值用于终止未传送完毕的报文 CRC 字段是基于整个报文的标准 32 位校验和包括填充数据和尾部信息 CRC 字段设置为 0 尾部的一个 8 位的字段留作将来使用 报文交给 SAR 子层 然后发送出去 在 SAR 子层不增加任何头 尾信息 而 是将报文分成 48 字节的单元 并将每个单元送到 ATM 层进行传输 它还通知 ATM 层将最后信元的 PTI 字段置为 1 以便保留报文分界 这时出现了一个 问题 这是一种不正确的协议层混合体 因为 AAL 层不该使用 ATM 层的头部 信息 AAL5 较 AAL3/4 的主要优点是更加高效 虽然 AAL3/4 对每个报文只增加 4 字 节的头信息 但它还要为每个信元增加 4 字节的头信息 因而使有效载荷的 容量减少到 44 字节 对于长的报文 无效数据占 8% AAL5 的每个报文有一 个稍大的尾部 8 字节 但每个信元无额外开销 信元中没有顺序号 可 以通过长的校验和来弥补 从而可以检测丢失的 误插的或错误的信元 而 不需要使用顺序号 在因特网中与 ATM 网接口的一般方法是使用 AAL5 的有效载荷字段来传输 IP 分组与这种方法相关的各种问题在 RFC 1483 和 RFC 1577 中进行了讨论 7. AAL 协议的比较 各种 AAL 协议似乎不必要地相似并且考虑得很不周到把会聚子层和 SAR 子层区分开也是有疑问的尤其是因为 AAL5 的 SAR 子层并无任何自己的特点用稍微增强一些的 ATM 层头部信息来提供像排序多路复用和数据分帧的功能便足够了 AAL 给人的整体印象是变体很多 变体之间存在很多细微的差别 而且尚未 完工 原来的 4 个服务类 A B C D 实际上已被废除 AAL1 可能确实没有 必要存在 AAL2 不完整 AAL3 和 AAL4 永无出头之日 AAL3/4 效率低而且 校验和字段位数太少 将来的一切都依赖于 AAL5 但到目前为止 AAL5 尚 有很多改进的余地 AAL5 报文应该有一个顺序号和一位用于区分数据还是 控制报文的标志位 从而可以成为一种可靠的传输协议 可以用尾部的未用 空间来实现上述功能 8. SSCOP-- 特定服务的面向连接协议 尽管有这么多不相同的 AAL 协议但没有一种支持简单可靠的点到点的传输连接需要这种服务的应用程序可以使用另一种协议 -- 特定服务的面向连接 4-23

120 第四章数据传送基本技术 协议 SSCOP Service specific connecion oriened proocol 但是 SSCOP 只 是用于控制 不能用于数据传输 SSCOP 用户发送报文每个报文都被赋予一个 24 位的顺序号报文最大可达 64KB 而且不能分开它们必须按顺序传送不像某些可靠的传输协议它丢失报文时总是有选择性地进行重传而不是回到序号 n 重传 n 以后的所有的报文 SSCOP 从根本上说是一种动态滑动窗口协议对于每个连接接收方保留准备接收报文序号的窗口及标明该报文是否已经存在的位图 Bi map 这个窗口在协议操作期间可以改变大小 SSCOP 的不寻常之处是对确认的处理方法它没有捎带机制取而代之的是发送方定期地查询接收方要求它发送回表明窗口状态的位图据此发送方丢弃已被对方接收的报文并更新其窗口 ATM 网络结构和接口 1. ATM 网络结构 ATM 网可分为三大部分公用 ATM 网专用 ATM 网和 ATM 接入网 公用 ATM 网是由电信管理部门经营和管理的 ATM 网 它通过公用用户网络接 口连接各专用 ATM 网和 ATM 终端 作为骨干网 公用 ATM 网应能保证与现 有各种网络的互通 应能支持包括普通电话在内的各种现有业务 另外还必 须有一整套维护 管理和记费等功能 有关公用 ATM 网的协议也正在不断地 完善之中 专用 ATM 网是指一个单位或部门范围内的 ATM 网由于它的网络规模比公用网要小而且不需要记费等管理规程因此专用 ATM 网是首先进入实用的 ATM 网络新的 ATM 设备和技术也往往先在 ATM 专用网中使用目前专用网主要用于局域网互连或直接构成 ATM LAN 以在局域网上提供高质量的多媒体业务和高速数据传送 接入 ATM 网主要指在各种接入网中使用 ATM 技术传送 ATM 信元如基于 ATM 的无源光纤网络 APON 混合光纤同轴 HFC 非对称数字环路 ADSL 以及利用 ATM 的无线接入技术等 2. ATM 主要接口 (1) UNI User-Nework Inerface UNI 为 ATM 网中的用户网络接口它是用户设备与网络之间的接口直接面向用户 UNI 接口定义了物理传输线路的接口标准即用户可以通过怎样的物理线路和接口与 ATM 网相连还定义了 ATM 层标准 UNI 信令 OAM 功能和管理功能等按 UNI 接口所在的位置不同又可分为公用网的 UNI 和专用网的 UNI PUNI 这两种 UNI 接口的定义基本上是相同的只是 PUNI 由 4-24

121 第四章数据传送基本技术 于不必象公网的接口那样过多地考虑严格的一致性多更灵活发展也更快一些 所以 PUNI 的接口形式更 (2) NNI Nework o Nework/Nework Node Inerface NNI 可理解为网络节点接口或网络 / 网络之间的接口 一般为两个交换机之间 的接口 与 UNI 一样 NNI 接口也定义了物理层 ATM 层等各层的规范 以 及信令等功能 但由于 NNI 接口关系到连接在网络中的路由选择问题 所以 特别对路由选择方法做了说明 同样 NNI 接口也分为公网 NNI 和专用网中 的 NNI PNNI 公网 NNI 和 PNNI 的差别还是相当大的 如公网 NNI 的信令 为 3 号信令 7 号信令体系的宽带 ISDN 用户部分 B-ISUP 而 PNNI 则完全基于 UNI 接口 仍采用 UNI 的信令结构 (3) B-ICI BISDN Iner-Carrier Inerface B-ICI 定义为两个公用 ATM 网之间的接口为分别属于两个运营者的 UNI 接口提供了连接它的定义基于 NNI 接口其特点是支持不同网络间的多种业务传送包括基于信元的 PVC 方式业务 PVC 方式的帧中继业务电路仿真业务 SMDS 以及 SVC 业务等 (4) DXI Daa Exchange Inerface DXI 定义在数字终端设备 DTE 和数字连接设备 DCE 之间 DTE 通过 DXI 与 DCE 相连再通过 ATM UNI 接口接入 ATM 网中 DCE 完成了不符合 ATM 标准的数据终端到 ATM 的适配过程相当于终端适配器 (5) FUNI Frame Based UNI Inerface FUNI 的意义与 DXI 相似 FUNI 将 ATM 适配功能完全移入了交换机内部终端和 ATM 交换机之间传送 FUNI 帧所以与基于信元的 DXI 接口相比 FUNI 在接入线上有更高的效率 4.3 IP 基本技术 TCP/IP 协议集及参考模型 TCP/IP 协议不同于 OSI 的七层模型 TCP/IP 使用更为简单的五层模型 如图 4-15 所示 4-25

122 第四章数据传送基本技术 图 4-15 TCP/IP 协议模型 TCP/IP 五层模型中的下两层构成了子网访问层 它主要为网络设备提供数据 通路的作用 TCP/IP 对传输子网的支持是很广泛的 从传统的以太网 令牌 环网到当今的 ATM SDH SONET 等无所不包 几乎所有可以利用的网络介 质都可以支持 TCP/IP 由于传输子网的种类繁多 一般 TCP/IP 教科书大多仅 介绍它的高三层的协议 如图 4-16 所示 图 4-16 TCP/IP 协议集及层次结构 因特网协议 IP 因特网协议 IP 是 TCP/IP 体系中两个最重要的协议之一 IP 协议作为通信子网的最高层提供无连接的数据报传输机制 IP 协议是点到点的核心问题是寻径它向上层提供统一的 IP 数据报使得各种物理帧的差异性对上层协议不复存在 4-26

123 第四章数据传送基本技术 实用中 与 IP 协议配套的还有三个协议 地址转换协议 ARP Address Resoluion Proocol 反向地址转换协议 RARP Reverse Address Resoluion Proocol Inerne 控制报文协议 ICMP Inerne Conrol Message Proocol 这三个协议和 IP 协议的关系如图 4-17 所示 图 4-17 IP 协议簇组成 在网络层中 ARP 和 RARP 画在最下面因为 IP 经常要使用这两个协议 ICMP 在这一层的上部因为它要使用 IP 协议这三个协议将在后面陆续介绍 IP 地址及其转换 1. IP 地址的表示方法 我们把 Inerne 看成为一个网络 Inerne 协议地址简称 IP 地址就是给每一个连接在 Inerne 上的主机分配一个唯一的 32bi 地址 IP 地址的结构使我们可以在 Inerne 上很方便地进行寻址这就是先按 IP 地址中的网络号码 ne-id 找到目的网络再按主机号码 hos-id 找到目的主机所以 IP 地址并不只是一个计算机的号码而是指出了连接到某个网络上的某个计算机 IP 地址由美国国防数据网 DDN 的网络信息中心 NIC 进行分配 为了便于对 IP 地址进行管理 IP 地址就分成为五类即 A 类 B 类 C 类 D 类和 E 类 IP 地址由三个字段组成如图 4-18 所示 类别字段又称为类别比特用来区分 IP 地址的类型 网络号码字段 ne-id 主机号码字段 hos-id D 类地址是一种组播地址 主要是留给 Inerne 体系结构委员会 IAB Inerne Archiecure Board 使用 E 类地址保留在今后使用 目前大量 IP 地址仅 A 类 至 C 类三种 4-27

124 第四章数据传送基本技术 图 4-18 IP 地址及分类 A 类 IP 地址的网络号码数不多目前几乎没有多余的可供分配现在能够申请到的 IP 地址只有 B 类和 C 类两种当某个单位向 IAB 申请到 IP 地址时实际上只是拿到了一个网络号码 ne-id 具体的各个主机号码 hos-id 则由该单位自行分配只要做到在该单位管辖的范围内无重复的主机号码即可为方便起见一般将 32bi 的 IP 地址中的每 8 个比特用它的等效十进制数字表示并且在这些数字之间加上一个点例如有下面这样的 IP 地址 这是一个 B 类 IP 地址可记为 这显然更方便得多 在使用 IP 地址时还要知道下列地址是保留作为特殊用途的一般不使用 全 0 的网络号码这表示本网络或我不知道号码的这个网络 全 1 的网络号码 全 0 的主机号码这表示该 IP 地址就是网络的地址 全 1 的主机号码表示广播地址即对该网络上所有的主机进行广播 全 0 的 IP 地址即 网络号码为 127.X.X.X 这里 X.X.X 为任何数这样的网络号码用作本地软件回送测试 Loopback es 之用 全 1 地址 这表示 向我的网络上的所有主机广播 原 先是使用 这样我们就可得出表 4-4 所示的 IP 地址的使用范围 4-28

125 第四章数据传送基本技术 表 4-4 IP 地址的使用范围 网络类别 最大网络数 第一个可用的网络号码 最后一个可用的网络号码 每个网络中的最大主机数 A B C IP 地址有一些重要的特点 (1) IP 地址有一些是一种非等级的地址结构这就是说和电话号码的结构不一样 IP 地址不能反映任何有关主机位置的地理信息 (2) 当一个主机同时连接到两个网络上时作路由器用的主机即为这种情况该主机就必须同时具有两个相应的 IP 地址其网络号码 ne-id 是不同的这种主机成为多地址主机 mulihomed hos (3) 按照 Inerne 的观点用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络因此这些局域网都具有同样的网络号码 ne-id (4) 在 IP 地址中所有分配到网络号码 ne-id 的网络不管是小的局域网还是很大的广域网都是平等的 2. 子网的划分 IP 地址的设计有不够合理的地方例如 IP 地址中的 A 至 C 类地址可供分配的网络号码超过 211 万个而这些网络上的主机号码的总数则超过 37.2 亿个初看起来似乎 IP 地址足够全世界来使用在 70 年代初期设计 IP 地址是就是这样认为的其实不然第一当初没有预计到微机会普及得如此之快各种局域网和局域网上的主机数目急剧增长第二 IP 地址在使用时有很大的浪费例如某个单位申请到了一个 B 类地址但该单位只有 1 万台主机于是在一个 B 类地址中的其余 5 万 5 千多个主机号码就白白地浪费了因为其他单位的主机无法使用这些号码 从 1985 年起为了使 IP 地址的使用更加灵活在 IP 地址的网络号码 ne-id 后面的主机号码 hos-id 受本单位控制由本单位进行分配本单位所有的主机都使用同一个网络号码当一个单位的主机很多而且分布在很大的地理范围是往往需要用一些网桥将这些主机互连起来网桥的缺点较多例如容易引起广播风暴同时当网络出现故障时也不太容易隔离和管理为了使本单位的各子网之间使用路由器来互连便进行子网的划分因而便于管理需要注意的是子网的划分纯属本单位内部的是在本单位以外是看不见这样的划分从外部看这个单位只有一个网络号码只有当外面的分组进入到本单位范围后本单位的路由器再根据子网号码进行选路最后找到目的主机若本单位按照主机所在的地理位置划分子网那么在管理方面就会方便得多 4-29

126 第四章数据传送基本技术 图 4-19 是在划分子网时要用到的子网掩码 subne mask 的意义 (1) 举了一个 B 类 IP 地址作为例子 (2) 表示将本地控制部分再增加一个子网字段子网号字段究竟选为多长由本单位根据情况确定 TCP/IP 体系规定用一个 32bi 的子网掩码来表示子网号字段的长度具体的做法是子网掩码由一连串的 1 和一连串的 0 组成 1 对应于网络号码和子网号码字段而 0 对应于主机号码字段 (3) 多划分出一个子网号码字段是要付出代价的例如对于上述的例子本来一个 B 类 IP 地址可以容纳 个主机号码但划分出 6bi 长的子网字段后最多可有 62 个子网去掉全 1 和全 0 的子网号码每个子网有 10bi 的主机号码即每个子网最多可有 1022 个主机号码因此主机号码的总数是 =63364 个比不划分子网时要少了一些 若一个单位不进行子网的划分则其子网掩码即为默认值此时子网掩码中 1 的长度就是网络号码的长度因此对于 A B 和 C 类 IP 地址其对应的子网掩码默认值分别为 和 图 4-19 子网与子网掩码 4-30

127 第四章数据传送基本技术 3. 地址的转换 图 4-20 主机名字 主机物理地址与 IP 地址的转换 上面讲的 IP 地址还不能直接用来进行通信这是因为 (1) IP 地址中的主机地址只是主机在网络层中的地址相当与前面讲过的 NSAP 若要将网络层中传送的数据报交给目的主机必须知道该主机的物理地址因此必须在 IP 地址和主机的物理地址之间进行转换 (2) 用户平时不愿意使用难于记忆的主机号码而是愿意使用易于记忆的主机名字因此也需要在主机名字和 IP 地址之间进行转换 在 TCP/IP 体系中都有这两种转换的机制 对于较小的网络 可以使用 TCP/IP 体系提供的叫做 hoss 的文件来进行从主机 名字到 IP 地址的转换 文件 hoss 上有许多主机名字到 IP 地址的映射 供主叫 主机使用 对于较大的网络则在网络中的几个地方放有域名系统 DNS Domain Name Sysem 的名字服务器 nameserver 上面分层次放有许多主机名字到 IP 地址转换的映射表主叫主机中的名字转换软件 resolver 自动找到 DNS 的 nameserver 来完成这种转换域名系统 DNS 属于应用层软件 图 4-20 中设名字为 hos-a 的主机要与名字为 hos-b 的主机通信通过 DNS 从目的主机 hos-b 名得出其 IP 地址为 IP 地址到物理地址的转换由地址转换协议 ARP 来完成上图还表示出从 IP 地址 通过 ARP 得出了目的主机 48bi 的物理地址 08002B00EE0A 由于 IP 地址有 32bi 而局域网的物理地址即 MAC 地址是 48bi 因此它们之间不是一个简单的转换关系此外在一个网络上可能经常会有新的计算机假加进来或撤走一些计算机更换计算机的网卡也会使其物理地址改变可见在计算机中应当存放一个从 IP 地址到物理地址的转换表并且能够经常 4-31

128 第四章数据传送基本技术 动态更新地址转换协议 ARP 很好地解决了这些问题 每一个主机都有一个 ARP 高速缓存 ARP cache 里面有 IP 地址到物理地址的映射表这些都是该主机目前知道的一些地址当主机 A 欲向本局域网上的主机 B 发送一个 IP 数据报时就先在其 ARP 高速缓存中查看有无主机 B 的 IP 地址如有就可查出其对应的物理地址然后将该数据报发往此物理地址也有可能查不到主机 B 的 IP 地址的项目这可能是主机 B 才入网也可能是主机 A 刚刚加电其高速缓存还是空的在这种情况下主机 A 就自动运行 ARP 按以下步骤找出主机 B 的物理地址 (1) ARP 进程在本局域网上广播发送一个 ARP 请求分组上面有主机 B 的 IP 地址 (2) 在本局域网上的所有主机上运行的 ARP 进程都收到此 ARP 请求分组 (3) 主机 B 在 ARP 请求分组中见到自己的 IP 地址就向主机 A 发送一个 ARP 响应分组上面写入自己的物理映射 (4) 主机 A 收到主机 B 的 ARP 响应分组后就在其 ARP 高速缓存中写入主机 B 的 IP 地址到物理地址的映射 在很多情况下当主机 A 向主机 B 发送数据报时很可能以后不久主机 B 还要向主机 A 发送数据报因而主机 B 也可能要向主机 A 发送 ARP 请求分组为了减少网络上的通信量主机 A 在发送其 ARP 请求分组时就将自己的 IP 地址到物理地址的映射写入 ARP 请求分组当主机 B 收到主机 A 的 ARP 请求分组时主机 B 就将主机 A 的这一地址映射写入自己的 ARP 高速缓存中这对主机 B 以后向主机 A 发送数据报时就更方便了 在进行地址转换时有时还要用到反向地址转换协议 RARP RARP 使只知道自己物理地址的主机能够知道其 IP 地址这种主机往往是无盘工作站这种无盘工作站一般只要运行其 ROM 中的文件传送代码就可用下行装载方法从局域网上其他主机得到所需的操作系统和 TCP/IP 通信软件但这些软件中并没有 IP 地址无盘工作站要运行 ROM 中的 RARP 来获得其 IP 地址 RARP 的工作过程大致如下 (1) 为了使 RARP 能工作在局域网上至少有一个主机要充当 RARP 服务器无盘工作站先向局域网发出 RARP 请求分组在格式上与 ARP 请求分组相似并在此分组中给出自己的物理地址 (2) RARP 服务器有一个事先做好的从无盘工作站的物理地址到 IP 地址的映射表当收到 RARP 请求分组后 RARP 服务器就从这映射表查出该无盘工作站的 IP 地址然后写入 RARP 响应分组发回给无盘工作站无盘工作站用这样的方法获得自己的 IP 地址 IP 数据报的格式 在 TCP/IP 的标准中各种数据格式常常以 32bi 即 4 字节为单位来描述 4-32

129 第四章数据传送基本技术 IP 数据报的格式如图 4-21 所示 图 4-21 IP 数据报的格式 从图 4-21 中可看出 一个 IP 数据报由首部和数据两部分组成 首部的前一部 分长度是固定的 20 个字节 后面部分的长度则是可变长度 下面介绍首部各 字段的意义 1. IP 数据报首部的固定部分 (1) 版本 版本字段占 4 bi 指 IP 协议的版本通信双方使用的 IP 协议的版本必须一致目前使用的 IP 协议版本为 IP V4 (2) 首部长度 首部长度字段占 4bi 可表示的最大数值是 15 个单位 一个单位为 4 字节 因此 IP 的首部长度的最大值是 60 字节 当 IP 分组的首部长度不是 4 字节的整数 倍时 必须利用最后一个填充字段加以填充 这样 数据部分永远在 4 字节 的整数倍时开始 这样在实现起来会比较方便 首部长度限制为 60 字节的缺 点是有时 如采用源站选路时 不够用 但这样做的用意是要用户尽量减少 额外的开销 (3) 服务类型 服务类型字段共 8bi 长 用来获得更好的服务 其意义见上图 4-11 上面部分所 示 (a) 服务类型字段的前三个比特表示优先级的一个 它可使数据报具有 8 个优先级中 4-33

130 第四章数据传送基本技术 (b) 第 4 个比特是 D 比特表示要求有更低的时延 (c) 第 5 个比特是 T 比特表示要求有更高的吞吐量 (d) 第 6 个比特是 R 比特表示要求有更高的可靠性即在数据报传的过程中被结点交换机丢弃的概率要更小些 (e) 第 7 个比特是 C 比特是新增加的表示要求选择价格更低廉的路由 (f) 最后一个比特目前尚未使用 (4) 总长度 总长度指首部和数据之和的长度单位为字节总长度字段为 16bi 因此数据报的最大长度为 字节这在当前是够用的当很长的数据报要分段进行传送时总长度不是指未分段前的数据报长度而是指分段后每个段的首部长度与数据长度的总和 (5) 标识 标识字段的意义和 OSI 的 IPDU 中的数据单元标识符的意义一样段后的各数据报段最后能准确地重装成为原来的数据报 是为了使分 注意 这里的标识并没有顺序号的意思因为 IP 是无连接服务数据报不存在按序接收的问题 (6) 标志 标志字段占 3bi 目前只有前两个比特有意义标志字段中的最低位记为 MF More Fragmen MF=1 即表示后面还有分段的数据报 MF=0 表示这已是若干数据报段中的最后一个标志字段中间的一位记为 DF Don Fragmen 只有当 DF=0 时才允许分段 (7) 段偏移 段偏移字段的意义和 OSI 的 IPDU 中规定的相似只是表示的单位不同这里是以 8 个字节为偏移单位可见 IP 数据报的段偏移字段 13bi 长和 OSI 的 IPDU 的段偏移字段 16bi 长是相当的 (8) 寿命 寿命字段记为 TTL Time To Live 其单位为秒寿命的建议值是 32 秒但也可设定为 3 4 秒或 255 秒 (9) 协议 协议字段占 8bi 它指出此数据携带的运输层数据是使用何种协议以便目的主机的 IP 层知道应将此数据报上交给哪个进程常用的一些协议和响应的协议字段值写在协议后面的括弧中是 UDP 17 TCP

131 第四章数据传送基本技术 ICMP 1 GGP 3 EGP 8 IGP 9 OSPF 89 以及 ISO 的 TP4 29 (10) 首部检验和 此字段只检验数据报的首部不包括数据部分不检验数据部分是因为数据报每经过一个结点节点处理机就要重新计算一下首部检验和一些字段如寿命标志段偏移等都可能发生变化如将数据部分一起检验计算的工作量就太大了 (11) 地址 源站 IP 地址字段和目的站 IP 地址字段都各占 4 字节 2. IP 首部的可变部分 图 4-22 任选代码的格式 IP 首部的可变部分就是一个任选字段任选字段用来支持排错测量以及安全等措施内容很丰富此字段的长度可变从一个字节到 40 个字节不等取决于所选择的项目某些任选项目只需要一个字节它只包括一个字节的任选代码图 4-22 是任选代码的格式还有些任选项目需要多个字节但其第一个字节的格式仍如图 4-22 所示的那样这些任选项一个个拼接起来中间不需要有分隔符最后用全 0 的填充字段补齐成为 4 字节的整数倍 任选代码共有三个字段 (1) 第一个字段是复制字段占 1bi 它的作用是控制网络中的路由器在将数据报进行分段时所作的选择当复制字段为 1 时必须将此任选字段复制到每一个数据报段而当复制字段为 0 时就只复制到第一个数据报段上 (2) 第二个字段是任选类别字段占 2bi 但目前只有两种可供选用 4-35

132 第四章数据传送基本技术 (3) 第三个字段是任选编号占 5 个 bi 它指出任选是做什么用的包括结束标志填充字节安全作用源站选路时间戳等 路由段与路由表 在因特网中进行路由选择要使用路由器它平等地看待每一个网络不论是较大的广域网还是较小的局域网在路由器看来都只是一个网络因此在图中将每一个网络画成为一片云表示路由器不知道在每一个网络中一个分组是如何选择具体的路由路由器只是根据所收到的数据报上的目的主机地址选择一个合适的路由器通过某一个网络将数据报传送到下一个路由器通路上最后的路由器负责将数据报送到目的主机 路由器将分组在某一个网络中走过的通路从进入网络算起到离开网络为止逻辑上看成是一个路由单位并将此路由单位称为一个路由段 hop 或简称为段例如在图 4-23 中主机 A 到主机 C 共经过了 3 个网络和 2 个路由器因此共经过 3 个路由段而从主机 A 到主机 B 则经过了 5 个网络和 4 个路由器即经过 5 个路由段由此可见若一个节点通过一个网络与另一个节点相连接则此二节点相隔一个路由段因而在因特网中是相邻的同理相邻的路由器是指这两个路由器都连接在同一个网络上一个路由器到本网络中的某个主机路由段数算作零在图中用粗的箭头表示这些路由段至于每一具路由段又由哪几条链路构成路由器并不关心 图 4-23 路由段的概念 在因特网的情况下只能计算各条通路所包含的路由段数由于网络大小可能相差很大而每个路由段的实际长度并不相同因此对不同的网络可以将其路由段乘以一个加权系数用加权后的路由段数来衡量通路的长短因此如果把因特网中的路由器看成是网络中的节点把因特网中的一个路由段看成是网络中的一条链路那么因特网中的路由选择就与简单网络中的路由选择相似了采用路由段数最小的路由有时也不一定是理想的例如经过三个局域网路由段的路由可能比经过两个广域网络路由段的路由快得多 4-36

133 第四章数据传送基本技术 IP 地址与物理地址 下面通过一个最简单的例子说明 IP 地址和物理地址在选路过程中的作用 设主机 A 要向主机 B 发送一个数据报 两个主机分别连接在两个网络上 这两 个网络通过一个路由器相连 主机 A 的 IP 层收到欲发送的数据报后 就比较 目的主机的源主机的网络号码是否相同 这就是从数据报首部的 IP 地址中抽 出网络号码 ne-id 部分进行比较 如相同 则表明这两个主机在同一个网络 内 这样就只需要用目的主机的物理地址进行通信 如果不知道目的主机的 物理地址 则可向 ARP 进行查询 但当主机 A 和 B 的网络号码不一样时 就表 明它们连接在不同的网络上 因此必须将数据报发给路由器进行转发 源主 机从配置中读出路由器的 IP 地址 然后从 ARP 得到路由器的物理地址 随后 将数据报发送给这个路由器 这里要强调指出 在数据报的首部写上的源 IP 地址和目的 IP 地址是指正在通信的两个主机的 IP 地址 路由器的 IP 地址并 没有出现在数据报的首部中 当然 路由器的 IP 地址是很有用的 但它是用 来使源主机得知路由器的物理地址 总之 数据报在一个路由段上传送时 要用物理地址才能找到路由器 图 4-24 是上述概念的示意图 这就是 MAC 地址 设物理地址就是局域网的 MAC 地址 用于主机到路由器之间的通信 即在一个路由段上通信 而 IP 地址则用于两个主机之间的通信 并用来决定找哪一个路由器 符号 到 表示数据报传送的先后顺序 图 4-24 两个主机通过路由进行通信 我们应当注意到 路由器由于连接在两个网络上 因此具有两个 IP 地址和两 个物理地址 MAC 地址 主机 A 发送的数据报经过路由器后 数据报中的 两个 IP 地址都没有发生变化 但数据帧中的 MAC 地址 源地址和目的地址 却都改变了 最后发回来的信息是主机 B 向主机 A 的应答 和 4-37

134 第四章数据传送基本技术 上面的简单例子只有一个路由器 在更加复杂的例子中 两个通信的主机要 经过多个网络和路由器 这时 通信的通路上紧后的路由器负责将数据报交 付给目的主机 通过路由表进行选路 当源主机发送数据报时 IP 层先检查目的主机 IP 地址中的网络号码 如发现 与源主机处在同一个网络内 则不经过路由器 只要按照目的主机的物理地 址传送即可 如目的主机不是和源主机在同一个网络中 那么就查一下是否对此特定的目 的主机规定了一个特定的路由 如有 则按此路由进行传送 这种情况有时 很有用 因为在某些情况下 需要对到达某一个目的主机的特定路由进行性 能测试 如不属于以上情况则应查找路由表路由表中写明找某某网络上的主机应通过路由器的哪个物理端口然后就可找到某某路由器再查找这个路由器的路由表或者不再经过别的路由器而只要在同一个网络中直接传送这个数据报 为了不使路由表过于庞大可以在网络中设置一个默认路由器 defaul rouer 凡遇到在路由表中查不到要找的网络就将此数据报交给网络中的默认路由器默认路由器继续负责下一步的选路这对只用一个路由器与 Inerne 相连的的小网特别方便因为只要不是发送给本网络的主机的数据报统统送交给默认路由器 图 4-25 的例子说明其中一个路由器 路由器 R8 的路由表的主要内容 这里 有 7 个网络通过 8 个路由器互连在一起 我们应注意到 每一个路由器具有不 止一个 IP 地址 图中各网络中的数字是该网络的网络地址 前面讲过 主机 号码为全零的 IP 地址就是网络地址 路由器 R8 由于与三个网络相连 因此 有三个 IP 地址和三个物理端口 4-38

135 第四章数据传送基本技术 图 4-25 路由表举例 各路由表的数据可以是人工输入 也可能通过各种路由选择协议来生成 ICMP 协议 IP 数据报的传送不保证不丢失但因特网层对数据报的传送还有一定的质量保证功能这就是使用 Inerne 控制报文协议 ICMP Inerne Conrol Message Proocol ICMP 允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告但 ICMP 不是高层协议它仍是因特网层中的协议 ICMP 报文作为因特网层数据报的数据加上数据报的首部组成 IP 数据报发送出去 ICMP 报文与 IP 数据报的关系如图 4-26 所示 ICMP 报文的格式如图 4-27 所示 图 4-26 ICMP 报文与 IP 数据报的关系 图 4-27 ICMP 报文的格式 4-39

136 第四章数据传送基本技术 ICMP 报文的前四个字节是统一的格式共有三个字段但后面是长度可变部分其长度取决于 ICMP 的类型 ICMP 报文的类型字段占一个字节表 4-5 类型字段的值与 ICMP 报文的类型关系见 表 4-5 类型字段的值与 ICMP 报文类型关系表 类型字段的值 ICMP 报文的类型 0 Echo 回送 ) 回答 目的站不可达源站抑制 (Source Quench) 改变路由 (Redirec) Echo 请求数据报的时间超过数据报的参数有问题时间戳 (Timesamp) 请求时间戳回答地址掩码 (Address Mask) 请求地址掩码回答 ICMP 报文的代码字段也占用一个字节为的是进一步区分某种类型中的几种不同的情况后面的检验和占两个字节它检验整个 ICMP 报文数据报首部的检验和不检验数据报的内容因此不能保证 ICMP 报文是否正确 ICMP 报文的类型很多但可分为两种类型 ICMP 差错报文和 ICMP 询问报文 在 ICMP 差错报文中 改变路由报文用得最多 我们以图 4-28 为例来说明改变 路由报文的用法 图 4-28 ICMP 改变路由报文的使用举例 从上图可看出主机 A 向主机 B 发送 IP 数据报应经过路由器 R1 而向主机 C 发送数据报则应经过路由 R2 现在假定主机 A 启动后其路由表中只有一个默认路由器 R1 当主机 A 向主机 C 发送数据报时数据报就被送到路由器 R1 从路由器 R1 的路由表可查出发往主机 C 的数据报应经过路由器 R2 于是数 4-40

137 第四章数据传送基本技术 据报从路由器 R1 再转到路由器 R2 最后传到主机 C 显然 这个路由不好 应改变 于是 路由器 R1 向主机 A 发送一个 ICMP 改变路由报文 指出此数据 报应经过的下一个路由器 R2 的 IP 地址 主机 A 根据收到的信息更新其路由表 以后主机 A 再向主 C 发送数据报时 根据路由表就知道应将数据报传到路由 器 R2 而不再传到默认路由器 R1 了 当某个速率较高的源主机向另一个速率较慢的目的主机或路由器发送一连串的数据报时就有可能使速率较慢的目的主机产生拥塞因而不得不丢弃一些数据报通过高层协议源主机得知丢失了一些数据报就不断地重发这些数据报这就使得本来就已经拥塞的目的主机更加拥塞在这种情况下目的主机就要向源主机发送 ICMP 源站抑制报文使源站暂停发送数据报过一段时间再逐渐恢复正常 下面介绍几个常用的 ICMP 询问报文 ICMP Echo 请求报文是由主机或路由器向一个特定的目的主机发出的询问收到此报文的机器必须给主机发送 ICMP Echo 回答报文这种询问报文用来测试目的站是否可达以及了解其有关状态在应用层有一个服务叫做 PING Packe InerNe Groper 用来测试两个主机之间的连通性 PING 使用了 ICMP Echo 请求与 Echo 回答报文 ICMP 时间戳请求报文是请某个主机或路由器回答当前的日期和时间在 ICMP 时间戳回答报文中有一个 32bi 的字段其中写入的整数代表从 1900 年 1 月 1 日起到当前时刻一共有多少秒时间戳请求与回答可用来进行时钟同步和测量时间 ICMP 地址掩码请求与回答可使主机向子网掩码服务器得到某个接口的地址掩码 UDP 协议 UDP User Daagram Proocol 协议相对于 TCP 来说要简单得多 它没有状 态机 也没有确认 重传机制 它提供和 IP 一样的不可靠的无连接数据报传 输服务 但增加了对给定主机上的多个目标进行区别的能力 通常来说 UDP 的传输效率较高 UDP 协议核心部分是报文格式 UDP 报文包括以下成 员 两字节源端口号 source por number 两字节目的端口号 desinaion por number 两字节报文长度 UDP lengh 单位是字节 两字节校验和 UDP checksum UDP 对报文的校验是任选的 收到的报文 中若校验和为 0 则不进行校验 否则校验 4-41

138 第四章数据传送基本技术 TCP 协议 TCP 利用无连接的 IP 服务向用户提供面向连接的服务为此 TCP 需要有校验功能确认重传机制还要有自己的接收队列 TCP 连接建立后收到数据序列 其处理过程将是 1 和 2 马上提交给用户并向发送方确认 4 和 5 在接收队列中等待直到 3 到达在等待过程中不对 4 和 5 进行确认发送端在一定时间内得不到对端的确认就重传这就是 TCP 的确认重传机制也是 TCP 传输可靠性的保证 TCP 协议的主要组成有三部分报文格式状态机定时器 TCP 报文包括 20 字节的 IP 伪头 IP overlay TCP 头 TCP header 用户数据 daa 三部分提供 TCP 报文格式示意图 IP 伪头共 20 个字节有效部分包括协议号 proocol TCP 长度 TCP packe lengh 原地址目的地址伪头中的阴影部分这些成员都由 IP 上交报文时填写他们都参与 TCP 校验和的计算在计算校验和及进行校验时无效部分伪头中的非阴影部分都填 0 无效部分中的前 8 个字节用于 TCP 接收队列双向链表的两个指针第 9 个字节不用 TCP 头包括 两个字节的源端口号 source por number 报文发送者的端口 两个字节的目的端口号 desinaion por number 报文接收者的端口 4 字节的数据序列号 sequence number TCP 提供的是流式服务 sequence number 所表示的不是报文号而是本报文的第一个数据字节的序号 4 字节确认序列号 acknowledge number 主机发送 acknowledge number 为 ack 的报文是确认序号为 ack-1 及之前的字节都已收到希望对端发送序号为 ack 的数据 4 比特 TCP 头长单位为 4 字节注意 TCP 头包括选项该字段仅 4bi 可知 TCP 头最大长度为 = 60 个字节 FIN 声明以后不再发送数据 SYN 同步请求请求建立连接 FIN 和 SYN 都占用一个序号因此都需要确认 RST 复位 PSH 推进数据所谓推进是指不管对端接收窗口的情况将发送缓冲区中的所有数据发出我们 socke 没有给用户提供推进功能 PSH 位是 TCP 在清空发送缓冲区时设置的而收到的报文中的 PSH 则不起作用 ACK acknowledge number 有效实际上除了 SYN 报文中 ACK 不置位外其余报文一般都置位 4-42

139 第四章数据传送基本技术 URG 报文携带了紧急数据 urgen offse 有效 2 字节接收窗口尺寸 window size 以字节为单位 Window size 是指发送该报文时接收缓冲区的空闲空间大小因此是动态的 2 字节校验和 TCP 的校验方法与 IP 相同 算数和求补 不同的是 TCP 校 验包括数据 IP 则只校验报文头 2 字节紧急数据指针 urgen offse 紧急数据的另一个名称是带外 ou of band 数据顾名思义带外数据不参加排对而是直接提交给用户 路由协议 1. 路由协议简介 路由器的关键作用是用于网络的互连 每个路由器与两个以上的实际网络相 连 负责在这些网络之间转发数据报 在讨论 IP 进行选路和对报文进行转发 时 我们总是假设路由器包含了正确的路由 而且路由器可以利用 ICMP 重定 向机制来要求与之相连的主机更改路由 具体请看 IP 部分的相应章节 但 在实际情况下 IP 进行选路之前必须先通过某种方法获取正确的路由表 在 小型的 变化缓慢的因特网络中 管理者可以用手工方式来建立和更改路由 表 而在大型的 迅速变化的环境下 人工更新的办法慢得不能接受 这就 需要自动更新路由表方法 即所谓的动态路由协议 RIP 是其中最简单的一 种 由于历史的原因 当前的 INTERNET 网被组成一系列的自治系统 各自治系 统通过一个核心路由器连到主干网上 而一个自治系统往往对应一个组织实 体 比如一个公司或大学 内部的网络与路由器集合 每个自治系统都有自 己的路由技术 对不同的自治系统路由技术是不相同的 用于自治系统间接 口上的单独的协议称为外部路由器协议 简称 EGP Exerior Gaeway Proocol 用于自治系统内部的路由协议称为内部路由器协议 简称 IGP Inerior Gaeway Proocol 内部路由器协议 IGP 与外部路由器协议 EGP 不 同 外部路由协议只有一个 而内部路由器协议则是一族 各内部路由器协 议的区别在于距离制式 disance meric 即距离度量标准 不同 和路由刷 新算法不同 内部路由协议主要是基于以下两个路由算法距离向量算法和链路状态算法 IETF(Inerne Engineering Task Force) 于 1988 年提出的 OSPF 就是一个基于链路状态的动态路由协议它的基本思路如下在自治系统中每一台运行 OSPF 的路由器收集各自的接口 / 邻接信息称为链路状态通过 Flooding 算法在整个系统广播自己的链路状态使得在整个系统内部维护一个同步的链路状态数据库根据这一数据库路由器计算出以自己为根其它网络节点为叶的一根最短的路径树从而计算出自己到达系统内部可达的最佳路由而 RIP roue informaion proocol 协议是基于距离向量算法又称为 Bellman-Ford 算法的路由协议代表由于距离向量算法在 ARPARNET 早期就用于计算机网络的路由的计算 RIP 协议在目前已成为路由器主机路由 4-43

140 第四章数据传送基本技术 信息传递的标准之一被大多数 IP 路由器商业卖主广泛使用在下节我们将较为详细地介绍一下距离向量算法和 RIP 协议 2. RIP 协议 RIP Rouing Informaion Proocol) 协议是最广泛使用的 IGP 之一 著名的路径 刷新程序 Roued 便是根据 RIP 实现的 图 4-29 所示是 RIP 协议的层次位置 RIP 协议被设计用于使用同种技术的中型网络 因此适应于大多数的校园网 和使用速率变化不是很大的连续线的地区性网络 对于更复杂的环境 一般 不使用 RIP 协议 在实现时 RIP 作为一个系统长驻进程 daemon 而存在于路由器中它负责从网络系统的其它路由器接收路由信息从而对本地 IP 层路由表作动态的维护保证 IP 层发送报文时选择正确的路由同时广播本路由器的路由信息通知相邻路由器作相应的修改 RIP 协议处于 UDP 协议的上层如图 4-29 所示 RIP 所接收的路由信息都封装在 UDP 的数据报中 RIP 在 520 号端口上接收来自远程路由器的路由修改信息并对本地的路由表做相应的修改同时通知其它路由器通过这种方式达到全局路由的有效 图 4-29 RIP 协议的层次位置 3. 路由表的建立 IP 路由表需要一个建立过程它的建立过程指的是它的初始化过程任何路由器启动时都必须首先获取一个初始路由表不同的网络操作系统获取初始路由表的方式不同总的来说有三种方式 第一种 路由器系统启动时 从外存读入一个完整的寻径表 长驻内存 使用 系统关闭时再将当前路由表 可能经过刷新 写回外存 供下 次使用 第二种系统启动时只提供一个空表通过执行显式命令比如批处理文件中的命令来填充 第三种系统启动时从与本路由器直接相连的各网络地址中推导出一组初始路由当然通过初始路由只能访问相连网上的主机 可见无论哪种情况初始路由表总是不完善的需要不断地运行过程中加以补充这就是路由表的刷新 RIP 正是用于路由表的维护和刷新 RIP 协议 4-44

141 第四章数据传送基本技术 中的路由刷新算法是距离向量算法种中的最后一种 它采取的路由表的初始化方式是上述三 距离向量算法的思想很简单所有参加 RIP 协议的路由器周期性地向外广播路由刷新报文主要内容是由很多路由项 enry 组成的路由刷新报文对路由来说最主要的内容是目的地址和下一跳地址 nex hop 对动态路由协议来说为了找到本协议概念中的最佳路由还必须注意路由的开销 meric 所以路由项主要包括了目的地址下一跳地址和路由开销其他的还有如路由标记 ag 等 在设计时每个路由器的另外 RIP 管理了一个路由数据库该路由数据库为系统中所有可能的信宿包含一个路由项并为每个信宿保留如下信息 (1) 目的地址在算法的 IP 实现中这指的是主机或网络的 IP 地址 (2) 下一跳地址到信宿的路由中的第一个路由器 (3) 接口用于到下一跳物理网络 (4) meric 值一个数指明本路由器到信宿的开销 (5) 定时器路由项最后一次被修改的时间 (6) 路由标记区分路由为内部路由协议的路由还是外部路由协议的路由的标记 数据库由与系统直接相连的实体的描述初始化文修改维护 通过从相邻路由器受到的报 路由器间交换的最重要的信息是修改报文参加路由维护计划的路由器发送当前存在于实体的描述路由数据库的路由修改报文仅通过相邻路由器间交换路由信息是可以维护整个系统的最佳路由的这在接下来的讨论中会逐步得到证明 距离向量算法总是基于一个这样的事实 路由数据库中的路由已是目前通过 报文交换而得到的最佳路由 同时 报文交换仅限于相邻的实体间 也就是 说 实体共享同一个网络 当然 要定义路由是最佳的 就必须有衡量的办 法 这就用到前面所说的 meric RIP 简单的网络中 通常用可行路由所 经的路由器数简单地计算 meric 值 在复杂的网络中 meric 一般代表该路由 传输数据报的延迟或其它发送开销 令 D(i j) 代表从实体 i 到实体 j 的最佳路由的 meric 值 d(i j) 代表从 i 直接到 j 的开销因为开销是可加的算法中最佳路由如此获取表示 D(i i)=0 对所有的 i D(i j)=min d(i j)+d(k j) 当 i 不等于 k 时 4-45

142 第四章数据传送基本技术 实体 i 从相邻路由器 k 收到 k 到 j 的开销的估计 D(i j) i 将 D(i j) 加上 i 到 k 的开销估计 d(i j) i 比较从所有相邻路由器得到的数值取得最小数就得到了它到 j 的最佳路由 4-46

143 目录 第五章 WCDMA 无线接口 概述 无线接口模型 无线接口协议结构 层间通信原语 各层实现功能 无线资源控制层 RRC 层结构 RRC 基本过程 RRC 层协议状态 数据链路层 MAC 子层协议 RLC 子层协议 PDCP 子层协议 BMC 子层协议 物理层 物理层概述 物理层信道特性 信道编译码 扩频与调制 物理层过程 图 5-1 无线接口模型... 图 5-2 无线接口协议结构... 图 5-3 UTRAN 侧 RRC 模型 DS-MAP 系统 图 5-4 RRC 状态及状态转移... 图 5-5 UTRAN 侧 MAC 结构... 图 5-6 UTRAN 侧 MAC-c/sh 控制结构... 图 5-7 UTRAN 侧 MAC-d 控制结构... 图 5-8 逻辑信道与传输信道的映射... 图 5-9 RLC 层总体模型... 图 5-10 两个透明模式对等实体的模型... 图 5-11 两个非确认模式对等实体的模型 i

144 图 5-12 确认模式实体的模型... 图 5-13 PDCP 层结构... 图 5-14 MBC 结构图... 图 5-15 物理层接口... 图 5-16 上行 DPDCH/DPCCH 的帧结构... 图 5-17 随机接入发射的结构... 图 5-18 CPCH 随机接入传输的结构... 图 5-19 下行 DPCH 的帧结构... 图 5-20 下行物理信道的帧定时和接入时隙定时... 图 5-21 MAC 与 L1 之间的数据交换... 表 5-1 FDD 上行链路... 表 5-2 FDD 下行链路... 图 5-22 UE 侧上行传输信道复用结构... 图 5-23 UTRAN 下行传输信道复用结构... 图 5-24 卷积编码器结构... 图 5-25 码率 1/3 的 Turbo 编码器结构... 图 5-26 信道复用到物理信道映射过程的例子... 图 5-27 扩频与扰码... 图 5-28 用于产生正交可变扩频因子码 OVSF 的码树... 图 5-29 上行扰码序列产生器结构图... 图 5-30 下行链路扰码产生器... 图 5-31 上行链路扩频... 图 5-32 下行物理信道的扩频... 图 5-33 上下行链路调制... 图 5-34 FDD 模式下无线接口同步时序框图... 图 5-35 Node B 无线链路集合的状态和相互转换... 图 5-36 RACH 接入流程... 图 5-37 CPCH 接入流程... 表 5-3 各种下行物理信道采用的发射分集模式... 图 5-38 STTD 编码器的通用模块框图... 图 5-39 用 TSTD 方案进行发射的 SCH 结构 图 5-40 支持 DPCH 闭环模式发射分集的下行发射机的大概结构 ii

145 第五章 WCDMA 无线接口 第五章 WCDMA 无线接口 5.1 概述 无线接口模型 在 UMTS 系统中移动用户终端 UE 与系统固定网络之间通过无线接口上的无线信道相连无线接口定义无线信道的信号特点性能在第三代移动通信 WCDMA 系统中无线接口称为 Uu 接口该接口在 WCDMA 系统中是最重要的接口 无线接口从纵向分为接入层 AS 和非接入层 NAS 接入层通过如下业务接入点 SAP 向非接入层提供服务一般控制 GC SAPs 通知控制 N SAPs 专用控制 DC SAPs 等本章对 Uu 接口的介绍主要是接入层的内容如图 5-1 无线接口模型定义 Uu 接口特性主要为接入方式信道结构通信协议性能特性业务特性等 GC N DC GC N DC bearers RRC RRC RLC/MAC/PHY RLC/MAC/PHY UE Radio (Uu) UTRAN 图 5-1 无线接口模型 无线接口协议结构 无线接口协议分层结构如图 5-2 所示它分为物理层 L1 数据链路层 L2-MAC/ RLC/PDCP/BMC 网络层 L3-RRC/MM/CM 物理层通过业务接入点 SAPs 与层二的 MAC 子层和层三的 RRC 子层连接物理层提供不 5-1

146 第五章 WCDMA 无线接口 同的传输信道到 MAC 层 MAC 层通过不同逻辑信道给高层提供服务传输信道特性由无线接口上传输信道物理特性进行描述逻辑信道特性由传输消息的不同类型描述物理信道特性在 FDD 制式中由码域频率域确定上行还有 IQ 相位 L3 和 RLC 分为控制面和用户面 PDCP 和 BMC 仅仅在用户面 L3 中的 RRC 子层处于接入层而其余子层如移动管理 MM 连接管理 CM 处于非接入层所以无线接口层三描述仅仅限于 RAN 部分的 RRC 子层 控制面信令 GC N DC 用户面信息 避免重复功能 GC N DC 控制 L3 UuS 边界 RRC 控制控制控制控制 PDCP PDCP L2/PDCP BMC L2/BMC RLC RLC RLC RLC RLC RLC RLC RLC L2/RLC 逻辑信道 MAC 传输信道 L2/MAC PHY L1 图 5-2 无线接口协议结构 层间通信原语 在图 5-2 中 各子层间通过业务接入点 SAPs 连接 RRC 与 MAC 之间 RRC 与 L1 之间的连接是控制服务 在 RRC 与 RLC 之间 RRC 与 PDCP 之间 RRC 与 BMC 之间也都分别存在控制 SAPs 每层都通过服务原语向高层提供服务 无 线接口协议栈各层之间原语包括 MAC 与 RLC 层之间原语 MAC 与 RRC 层之间原语 MAC- 通用名 - 类型 CMAC- 通用名 - 类型 RLC 与 RRC 层数据传输之间原语 RLC- 通用名 - 类型 5-2

147 第五章 WCDMA 无线接口 RLC 与 PDCP 层之间原语 RLC- 通用名 - 类型 RLC 与 RRC 层控制之间原语 CRLC- 通用名 - 类型 Uu 接入层以上的原语 UUS- 通用名 - 类型 PDCP 与非接入层之间的原语 PDCP 与 RRC 层之间的原语 PDCP- 通用名 - 类型 CPDCP- 通用名 - 类型 BMC 与高层之间的原语 BMC- 通用名 - 类型 BMC 与 RRC 层之间 BMC 控制的原语 CBMC- 通用名 - 类型 物理层 PHY 与 MAC 层之间原语 物理层 PHY 与 RRC 层之间原语 PHY- 通用名 - 类型 CPHY- 通用名 - 类型 各层实现功能 1. RRC 层实现功能 RRC 层实现功能包括 广播由非接入层提供的信息广播与接入层相关的信息建立维持及释放 UE 和 UTRAN 之间的一个 RRC 连接建立重配置及释放无线承载分配重配置及释放用于 RRC 连接的无线资源 RRC 连接移动功能管理为高层 PDU 选路由请求 QoS 的控制 UE 测量上报和报告控制外环功率控制加密控制慢速动态信道分配寻呼空闲模式下初始小区选择和重选上行链路 DCH 上无线资源的仲裁 RRC 消息完整性保护和 CBS 控制 2. 层二实现功能 层 2 包括 MAC RLC PDCP BMC 等四个子层各部分实现功能不同 MAC 子层的功能包括逻辑信道和传输信道之间的映射为每个传输信道选择适当的传送格式 UE 数据流之间的优先级处理 UE 之间采用动态预调度方法的优先级处理 DSCH 和 FACH 上几个用户的数据流之间的优先级处理公共传输信道上 UE 的标识将高层 PDU 复接为通过传输信道传送给物理层的传送块并将通过传输信道来自物理层的传送块复接为高层 PDU 业务量检测动态传输信道类型切换透明 RLC 加密接入业务级别选择 RLC 子层功能分割和重组串联填充用户数据的传送错误检测按序发送高层 PDU 副本检测流控非证实数据传送模式序号检查协议错误检测和恢复加密挂起和恢复功能 PDCP 子层功能在发送与接收实体中分别执行 IP 数据流的头部压缩与解压缩头部压缩方法对应与特定的网络层传输层或上层协议的组合传输用户数据将非接入层送来的 PDCP-SDU 转发到 RLC 层将多个不同的 RB 复用到 5-3

148 第五章 WCDMA 无线接口 同一个 RLC 实体 BMC 子层功能小区广播消息的存储业务量监测和为 CBS 请求无线资源 BMC 消息的调度向 UE 发送 BMC 消息向高层 NAS 传递小区广播消息 3. 物理层实现功能 在 OSI 参考模型中物理层 L1 处于最底层它提供物理介质中比特流传输所需要的所有功能物理层功能包括通过传输信道提供数据传输到 MAC 分集合并传输信道错误指示传输信道 FEC 编译码传输信道到 CCTrCHs 映射编码后的传输信道速率匹配到物理信道 CCTrCHs 映射到物理信道物理信道的加权合并扩频与调制 / 解扩与解调频率同步时间同步码片比特时隙帧无线特性测量 FER SIR 功率干扰闭环功率控制射频处理等 5.2 无线资源控制层 RRC 层结构 无线资源控制层 L3-RRC 层包括路由功能实体 RFE 广播控制功能实体 BCFE 寻呼及通告功能实体 PNFE 专用控制功能实体 DCFE 共享控制功能实体 SCFE 传输模式实体 TME 等各实体描述如下 路由功能实体 RFE 处理高层消息到不同的移动管理 / 连接管理实体 UE 侧或不同的核心网络域 UTRAN 侧的路由选择 广播控制功能实体 BCFE 处理广播功能该实体用于发送一般控制接入点 GC-SAP 所需要的 RRC 业务 BCFE 能使用低层透明模式接入点 Tr-SAP 和非确认模式接入点 UM-SAP 提供的服务 寻呼及通告功能实体 PNFE 控制寻呼处于空闲模式的 UE 该实体用于发送通知接入点 N-SAP 所需要的 RRC 业务能使用低层 Tr -SAP 和 UM-SAP 提供的服务 专用控制功能实体 DCFE 处理特定的某个 UE 的所有功能该实体用于发送专用控制 DC-SAP 所需要的 RRC 业务根据发送的消息和当前 UE 服务状态 DCFE 可使用低层 Tr-SAP 和 UM/AM-SAP 提供的服务 共享控制功能实体 SCFE 控制 PDSCH 和 PUSCH 的分配 该实体使 用低层 Tr-SAP 和 UM-SAP 提供的服务 SCFE 用于 TDD 模式下 协助专用 控制功能实体 传输模式实体 TME 处理 RRC 层内不同实体和 RLC 提供的接入点之 间的映射 如图 5-3 所示的 UTRAN 端的 RRC 模型 DC-SAP 可能由一个专用信道提供 GC-SAP 和 N-SAP 分别由 BCCH 和 PCH 提供这些信道使用 RLC 提供的接入点 5-4

149 第五章 WCDMA 无线接口 Tr-SAP,UM-SAP,AM-SAP 实际上它们使用的接入点不同 仅仅是类型 相同 Access Sraum RRC SAPs RFE RFE RFE RRC BCFE PNFE DCFE SCFE TME RLCcrl Tr-SAP UM SAP AM SAP MAC crl L1-crl RLC MAC L1 图 5-3 UTRAN 侧 RRC 模型 DS-MAP 系统 RRC 基本过程 1. RRC 连接管理过程 RRC 连接管理过程包括系统信息的广播寻呼 RRC 连接建立 RRC 连接释放 RRC 连接重建立 UE 性能信息的传输 UE 性能询问初始直接传输下行链路直接传输上行链路直接传输 UE 专用寻呼安全模式控制信令连接释放过程信令连接释放请求过程计数器检查等 系统信息的广播用于在一个小区内从 UTRAN 向空闲模式和连接模式下的 UE 广播系统信息 UTRAN 侧完成系统信息块的分段和链接段的重组系统信息的调度 UE 应在空闲模式及 CELL_FACH CELL_PCH 和 URA_PCH 状态下接收 BCH 传输信道上广播的 SYSTEM INFORMATION 消息 UE 应在 CELL_FACH 状态下接收 FACH 传输信道上广播的 SYSTEM INFORMATION 消息支持同时接收 SCCPCH 和 DPCH 信息的 UE 可在 CELL_DCH 状态下接收 FACH 传输信道上广播的 SYSTEM INFORMATION 消息空闲模式和连接模式的 UE 可能获得系统信息块的不同组合在每次获取前 UE 应识别它所需要的系统信息块 UE 能存贮不同小区和不同 PLMN 的系统信息块包括它们的值标记以便 UE 返回到这些小区时使用这一信息 5-5

150 第五章 WCDMA 无线接口 的有效时间为从接收开始 6 小时所有存贮的系统信息当 UE 关机后无效 寻呼过程用于在寻呼控制信道 PCCH 上给选定的处于空闲模式 CELL_PCH 或 URA_PCH 状态下的 UE 传输寻呼信息 UTRAN 能对处于 CELL_PCH 或 URA_PCH 状态下的 UE 启动寻呼以触发 UE 状态变化另外 UTRAN 能对处于空闲模式 CELL_PCH 或 URA_PCH 状态下的 UE 启动寻呼来触发 UE 读取更新后的系统信息 UTRAN 通过在 PCCH 上适当的寻呼时段广播寻呼消息启动寻呼过程可能在几个寻呼时段重复寻呼一个 UE 以提高寻呼可靠接收的概率 UE 在空闲模式 CELL_PCH 和 URA_PCH 状态接收它所监听的寻呼时段内的寻呼信息 RRC 连接建立由 UE 的非接入层请求建立在上行链路 CCCH 上发送一个 RRC CONNECTION REQUEST 消息重置计数器 V300 和启动计时器 T300 要求 UE 从接入类到接入业务类的映射并在接入 RACH 时使用给定的接入业务类 UTRAN 对 RRC CONNECTION REQUEST 消息的接收并在下行链路 CCCH 上发送 RRC CONNECTION SETUP 消息或 RRC CONNECTION REJECT 消息如果 UE 接收到正确的 RRC CONNECTION SETUP 消息 UTRAN 收到 RRC CONNECTION SETUP COMPLETE 消息则完成 RRC 连接建立过程 RRC 连接释放过程用于释放 RRC 连接包括 UE 和 UTRAN 之间的信令链路和全部无线承载当 UE 处于 CELL_DCH 或 CELL_FACH 状态 UTRAN 能够通过发送一个使用非确认模式的 RRC CONNECTION RELEASE 消息在任何时间启动一个 RRC 连接释放 RRC 连接重建立是为重建立一个丢失的 RRC 连接 UE 可能通过转移状态启动一个新的小区选择 当一个 UE 丢失无线连接 UE 性能信息的传输使用 UE 性能更新过程向 UTRAN 传递 UE 特殊的性能信息 UE 性能询问用于请求 UE 发送与它所支持的任何无线接入网相关的性能信息 UE 性能询问过程由 UTRAN 通过在 DCCH 上使用确认模式或非确认模式发送 初始直接传输过程用于在上行链路上建立信令连接和信令流也用于在无线接口上传送初始的高层消息一个信令连接由一个或几个信令流组成该过程要求建立一个新的流并且若该流所选路由不存在信令连接则依据路由选择触发一个信令连接的建立 下行链路直接传输过程用于在下行链路无线接口传输 NAS 消息 上行链路直 接传输用于在上行链路无线接口传输全部随后的高层 NAS 消息 在 UTRAN 中 当高层在初始信令连接建立后要求传输 NAS 消息时 启动下行链 路直接传输过程 在 UE 中 当高层要求传输 NAS 消息时 启动上行链路直 接传输过程 安全模式控制用于触发信令链路和无线承载的加密或支配新加密配置的重启也可用于对上行链路和下行链路信令启动完整性保护 信令连接释放过程用于通知 UE 释放与 CN 域之间的一个正在进行的信令连接注意信令连接释放不启动 RRC 连接的释放 UE 使用信令连接释放请求过程请 5-6

151 第五章 WCDMA 无线接口 求 UTRAN 释放一个或多个流标识 RRC 连接释放过程 该过程可能启动信令连接释放过程或 2. 无线承载控制过程 无线承载控制过程包括无线承载的建立 重配置和释放 传输信道重配置 传输格式组合控制 物理信道的重配置 下行链路外环控制 上行链路物理 信道控制等 无线承载的建立用于建立新的无线承载无线承载分为用于控制平面信令无线承载和用于用户平面的一个无线接入承载 RAB 或 RAB 子流当建立无线承载时可能执行一个硬切换或透明传输建立一个传输信道在建立无线承载启动过程中 UTRAN 应在新的物理信道配置上配置新的无线链路并开始在新的无线链路上发送和接收在下行链路 DCCH 上使用确认或非确认模式发送 RADIO BEARER SETUP 消息 UE 当收到 RADIO BEARER SETUP 消息后进行处理并在上行链路 DCCH 上使用确认模式 RLC 发送 RADIO BEARER SETUP COMPLETE 消息 无线承载重配置用于重配置无线承载或信令链路的参数以反映 QoS 的变化当过程进行时可能执行硬切换在上行或下行链路上增加重配置或删除一个传输信道无线承载的释放用于释放已有的无线承载 传输信道重配置用于重配置传输信道参数传输格式组合控制用于控制在传输格式组合集中允许的上行链路传输格式组合 UTRAN 应在下行 DCCH 上使用 AM UM 或 TM RLC 发送传输信道配置消息在等待无线承载的建立无线承载的释放无线承载的重配置传输信道的重配置物理信道的重配置等过程完成时 UTRAN 不应启动传输格式组合控制过程物理信道重配置用于建立重配置及释放物理信道 3. RRC 连接移动性过程 RRC 连接移动性过程包括小区更新 URA 更新 UTRAN 移动性信息 激活 集更新 硬切换 UTRAN 与其它系统间相互切换 UTRAN 与其它系统间小 区重选等 小区更新过程主要用于在 CELL_FACH 或 CELL_DCH 状态下进行小区重选后使用 UE 的当前小区更新 UTRAN 即使没有小区重选发生也可用于监测 RRC 连接小区更新过程还可以用来重置用于信令链路和用户平面链路的 AM RLC 实体 UE 可以使用一个 CELL UPDATE 消息指示恢复用于信令链路的 AM RLC 实体中不可恢复的错误 RESET PDU 重发数量达到 MAX DAT 并且接收无响应 URA 更新过程用于在 URA_PCH 状态下进行 URA 重选后使用 UE 当前 URA 更新 UTRAN 也可在没有 URA 重选时用于监测 RRC 连接为避免过量的信令 UTRAN 登记区域 URA 可能分等级也就是说一个小区内可能广播几个 URA 标识并且一个小区内不同的 UE 可能属于不同的 URA 处于 URA_PCH 状态下的 UE 应总有且只有一个有效 URA URA UPDATE 5-7

152 第五章 WCDMA 无线接口 CONFIRM 消息可能包含新的 NAS 系统信息 UTRAN 移动性信息用于为一个处于连接模式的 UE 分配一个新的 C-RNTI 和 / 或 U-RNTI 软切换中激活集更新用于更新 UE 与 UTRAN 之间连接的激活集该过程应在 CELL_DCH 状态下使用 UE 在分配新的无线链路时一直使用旧的无线链路也应在重分配进程中一直使用发送器 硬切换的目的是改变 UE 与 UTRAN 之间连接的频率网络中的小区或在 TDD 和 FDD 之间改变模式 或改变不支持宏分集的 系统间切换分为其它系统切换至 UTRAN 和 UTRAN 切换至其它系统用于在网络控制下将 UE 与另一无线接入系统如 GSM 的连接移交到 UTRAN 或将 UE 与 UTRAN 之间的连接转移到另一无线接入系统 系统间小区重选包括小区重选到 UTRAN 或小区重选来自 UTRAN 用于在 UE 以及一定程度其他无线接入系统的控制下将 UE 与另一无线接入系统如 GSM/GPRS 的连接转移到 UTRAN 或者从 UREAN 系统转移到另一无线接入系统如 GSM/GPRS 4. RRC 测量过程 对于 RRC 层中的测量在 UTRAN 和 UE 中的要求有所不同 UE 测量分为 6 个不同类型的测量频率内测量频率间测量系统间测量业务量测量质量测量内部测量等其中频率内测量是测量与激活集同频率的下行物理信道频率间测量是测量与激活集不同频率的下行物理信道系统间测量是测量属于其他无线接入系统的下行接入信道业务量测量是测量上行业务量质量测量是测量质量参数内部测量是测量 UE 的发射功率和 UE 接收的信号电平 同类测量可以作为 UTRAN 不同功能的输入 UE 应能支持一定数量的测量并行处理和每个测量对立控制及报告 UE 监测的小区分为属于激活集或不在激活集中的小区属于激活集的小区时用户信息从这些小区发送它们同时进行解调后合并这些小区涉及到软切换不在激活集中但根据 UTRAN 分配的相邻节点列表而被监测的小区属于监测集不在激活集中也不属于 UTRAN 相邻节点列表但被 UE 检测到的属于检测集非列表集频率内测量只能由 UE 在 CELL_DCH 状态提出请求 UTRAN 通过发送 MEASUREMENT CONTROL 消息启动一个 UE 的测量该消息中包括以下测量控制信息测量类型测量标识号测量命令建立修改释放测量对象测量量报告量测量报告准则报告模式等 5. RRC 一般过程 RRC 一般过程包括最初 UE 标识的选择从连接模式进入空闲模式的行为 DPCCH 建立时的开环功率控制物理信道建立准则无线链路失败准则开环功率控制进入服务区检测超帧号完整性保护测量时段的计算接入业务等级的建立接入级别到接入业务级别的映射 PLMN 类型选择 5-8

153 第五章 WCDMA 无线接口 CFN 的计算等 UE 标识的选择是从信息元素中选择在 RRC 连接建立时提供一个唯一的 UE 标识 UE 根据 TMSI P-TMSI IMSI IMEI 的优先级在信息元素中选择 UE id ype 当从连接模式进入空闲模式时 UE 应选择一个驻留的合适小区当建立第一个 DPCCH 时 UE 应开始 UL 内环功率控制 接入业务等级的建立是对 PRACH 资源接入时隙和前缀信号可能划分为不同的接入业务类以便提供不同 RACH 使用优先级接入级别到接入业务级别的映射接入类仅在初始接入时使用接入类 AC 和接入业务类 ASC 之间的映射由 SIB5 的信息元素 AC-o-ASC mapping 指示 RRC 层协议状态 如图 5-4 所示 RRC 层状态包括连接模式和空闲模式 在连接模式下 RRC 状态 包括对于 PSTN/ISDN 业务的 UTRAN 连接模式和 GSM 连接模式之间的状态转 移 以及对于 IP 业务的 UTRAN 连接模式和 GSM/GPRS 连接模式之间的状态转 移 同时也包括空闲模式和 UTRAN 连接模式之间的转移及 UTRAN 连接模式 内的状态转移 Release RRC Connecion URA_PCH ou of service UTRA Conneced Mode in service CELL_DCH Esablish RRC Connecion Release RRC Connecion CELL_PCH ou of service ou of service in service CELL_FACH in service Esablish RRC Connecion UTRA: Iner-RAT Handover Cell reselecion Release of emporary block flow GPRS Packe Transfer Mode Iniiaion of emporary block flow GSM: Handover Release RR Connecion GSM Conneced Mode Esablish RR Connecion GPRS Packe Idle Mode 1 Camping on a UTRAN cell 1 Camping on a GSM / GPRS cell 1 Idle Mode 图 5-4 RRC 状态及状态转移 从空闲模式到 UTRAN 连接模式的转移是仅当 UE 发送一个建立 RRC 连接的请求状态由空闲模式转移到 UTRAN 连接模式此事件可由网络发送的寻呼请求或 UE 的高层请求来触发当 UE 从网络收到 RRC 连接建立的证实 UE 进入 UTRAN 连接模式的 CELL_DCH 状态或 CELL_FACH 状态当 RRC 连接建立失败时 UE 回到空闲模式 UTRAN 连接模式状态及转移包括 5-9

154 第五章 WCDMA 无线接口 UE 从 CELL_DCH 状态到空闲模式从 CELL_DCH 状态到 CELL_FACH 状态和从 CELL_DCH 状态到 CELL_PCH 状态的转移在 CELL_DCH 状态的无线资源分配任务 RRC 连接移动性任务 UE 测量系统信息的捕获 从 CELL_FACH 状态到 CELL_DCH 状态从 CELL_FACH 状态到 CELL_PCH 状态从 CELL_FACH 状态到空闲模式和从 CELL_FACH 状态到 URA_PCH 状态的转移在 CELL_FACH 状态的无线资源分配 RRC 连接移动性任务 UE 测量发送和更新系统信息 从 CELL_PCH 状态到 CELL_FACH 状态的转移在 CELL_PCH 状态的无线资源分配任务 RRC 连接移动性任务 UE 测量传输和更新系统信息 从 URA_PCH 状态到 CELL_FACH 状态的转移在 URA_PCH 的无线资源分配任务 RRC 连接移动性任务 UE 测量发送和更新系统信息 支持 PSTN/ISDN 业务的系统间切换当使用 PSTN/ISDN 业务时从 UTRAN 连接模式转移到 GSM 连接模式 UTRAN 使用无线接入系统间的切换过程 GSM 使用切换过程 支持 IP 域业务的系统间切换当使用 IP 业务 UE 发起从 GSM/GPRS 小区转移到 UTRAN 小区的小区重选然后使用 RRC 连接建立过程完成到 UTRAN 连接模式的转移 同时支持 IP 和 PSTN/ISDN 域业务的 UE 从 UTRAN 到 GSM/BSS 的系统间切换 一个处于 CELL_DCH 状态下同时使用 PSTN/ISDN 和 IP 域业务的 UE 系统间的切换过程基于 UE 的测量报告但由 UTRAN 启动 UE 首先执行从 UTRAN 连接模式到 GSM 连接模式的系统间切换当 UE 发送切换完成消息给 GSM/BSS 后 UE 启动一个暂时块流并发送 RA 更新请求若 UE 成功执行从 UTRAN 连接模式到 GSM 连接模式的系统间切换无论 UE 是否能建立一个暂时块流都认为切换成功若系统间切换失败 UE 可能回到 UTRAN 连接模式并在原状态重新建立连接并不试图建立一个暂时块流 同时支持 IP 和 PSTN/ISDN 域业务的 UE 从 GSM/BSS 到 UTRAN 的系统间切换对一个处于 GSM 连接模式状态下同时使用 PSTN/ISDN 和 IP 域业务的 UE 系统间切换过程基于 UE 的测量报告但由 GSM/BSS 启动 UE 执行从 GSM 连接模式到 UTRAN 连接模式的系统间切换在 UTRAN 连接模式下两种服务的建立是平行的若 UE 成功执行从 GSM 连接模式到 UTRAN 连接模式的系统间切换则认为切换成功若系统间切换失败 UE 可能回到 GSM 连接模式并在原状态重新建立连接 5.3 数据链路层 数据链路层包括 MAC RLC PDCP BMC 四个子层 5-10

155 第五章 WCDMA 无线接口 MAC 子层协议 1. MAC 层结构 图 5-5 所示为 MAC 结构由 MAC-b MAC-c/sh MAC-d 实体组成 其中 MAC-b 实体负责处理控制 BCH 广播信道 MAC-c/sh 控制公共传输信道 负责 处理的传输信道包括寻呼信道 PCH 前向接入信道 FACH 随机接 入信道 RACH 公共分组信道 UL CPCH 下行链路共享信道 DSCH MAC-d 实体负责处理 DCH 专用传输信道 MAC-d 实体在承载间 动态地共享资源并负责在每个传输时间间隔内选择所使用的 TFI/TFCI 如果 专用类型的逻辑信道映射到公共信道上 则 MAC-d 通过图中所示的功能实体 间的连接将数据传送给 MAC-c/sh 逻辑信道到传输信道的映射取决于复用 复用是由 RRC 配置的 在 UTRAN 的每个小区中有一个 MAC-d 同时与特定小 区相关的每个 UE 对应 MAC-d 可以与该小区的 MAC-c/sh 实体相关联 MAC-c/sh 位于控制 RNC 内而 MAC-d 位于服务 RNC 中 BCCH MAC PCCH BCCH CCCH CTCH MAC Conrol MAC Conrol DCCH DTCH DTCH 逻辑信道 MAC-d MAC-b MAC-c/sh BCH 传输信道 PCH FACH FACH RACH CPCH DSCH DSCH Iur or local DCH DCH 图 5-5 UTRAN 侧 MAC 结构 如图 5-6 所示 MAC-c/sh 实体 其功能如下 TCTF MUX 表示 MAC 报头中的 TCTF 字段的处理在上行链路信道中插入在下行链路信道中去除以及逻辑信道和传送信道之间的映射 TCTF 字段指明公共逻辑信道的类型或是否使用了专用逻辑信道 加上或读取 UE Id 对于 CPCH 和 RACH 传输加上 UE Id 当 UE Id 出现时表明数据传送给该用户 TFC 选择上行链路存在传送格式选择的可能性对 RACH MAC 向物理层指明与 PDU 相关的 ASC 对 CPCH MAC 可以向物理层指明与 5-11

156 第五章 WCDMA 无线接口 PDU 相关的 ASC 下行链路对 FACH PCH 和 DSCH 要进行传送格式组合 选择 调度 / 优先级处理对于上行链路用来依据逻辑信道的优先级在 RACH 和 CPCH 上传送从 MAC-d 上接收到的信息该功能与 TF 选择有关对于下行链路根据优先权的高低来管理 UE 间及数据流间的 FACH 和 DSCH 资源 传输格式组合的选择 执行依据 RRC 配置的传送格式组合集 或传输格 式组合子集 的传送格式和传送格式组合选择 用于区别传输信道的优 先级 下行码分配用来指示 DSCH 上使用的编码 PCCH BCCH SHCCH (T DD o nly ) CCCH CTCH MAC Conrol MAC-c/sh Flow Conrol MAC-c/sh / MAC-d o MAC d TCTF MUX / UE Id MUX Scheduling / Prioriy Handling/ Demux TFC selecion TFC selecion DL: code allocaion PCH FACH FACH DSCH DSCH USCH TDD only USCH TDD only RACH CPCH (FDD only ) DL TF TFC Downlink Transpor Forma Transpor Forma Combinaion UE UL User Equipmen Uplink 图 5-6 UTRAN 侧 MAC-c/sh 控制结构 如图 5-7 所示 MAC-d 实体 其功能如下 信道切换基于 RRC 的决定该实体执行动态传输信道类型的切换通常与无线资源改变有关 C/T MUX 当几个专用逻辑信道复用为一个传送信道时使用 C/T MUX 包含一明确的逻辑信道标识 加解密透明模式数据的加解密在 MAC-d 中完成 UL TFC 选择执行根据 RRC 配置的传送格式组合集或传送格式组合子集的传送格式和传送格式组合集的选择 DL 调度 / 优先级处理在下行链路上在 RRC 指定的 TFCS 允许的传输格式组合中进行传输信道的调度 / 优先级处理 优先级设置该功能负责对从 DCCH 和 DTCH 上接收到的数据进行优先级 5-12

157 第五章 WCDMA 无线接口 设置 流量控制到 MAC-c/sh 方向有一个流量控制功能用于限制在 MAC-d 和 MAC-c/sh 间的缓存此功能是为了限制层 2 的信令延时以及在 FACH 和 DSCH 拥塞时减少丢弃和重发的数据 MAC-d 实体与 MAC-c/sh 之间存在着连接在下行链路上通过该连接将数据传送给 MAC-c/sh 以便在由 MAC-c/sh 处理的传输信道上传送数据在上行链路上通过该连接接收来自由 MAC-c/sh 处理的传输信道上的数据 MAC-Conrol UE DCCH DTCH DTCH Channel swiching C/T MUX / Prioriy seing Deciphering o MAC-c/sh Flow Conrol MAC c/sh / MAC-d C/T MUX MAC-d DL scheduling/ prioriy handling Ciphering FAUSCH Handling DCH DCH FAUSCH DL TF TFC Downlink Transpor Forma Transpor Forma Combinaion RNTI UE UL Radio Nework Temporary Ideniy User Equipmen Uplink 图 5-7 UTRAN 侧 MAC-d 控制结构 2. 信道结构 传输信道介于 MAC 和层一之间 逻辑信道介于 MAC 和 RLC 之间 MAC 层完 成逻辑信道与传输信道的映射 传输信道分为公共传输信道和专用传输信道两种类型公共传输信道类型包括随机接入信道 RACH 前向接入信道 FACH 下行共享信道 DSCH 公共分组信道 CPCH 广播信道 BCH 寻呼信道 PCH 专用传输信道类型只有一种为专用信道 DCH MAC 层在逻辑信道上提供数据传送业务对于由 MAC 提供的不同的数据传送业务定义了一整套逻辑信道类型每个逻辑信道类型由其所传送的信息类型所定义 控制信道只用于控制平面信息的传送包括广播控制信道 BCCH 寻呼控制信道 PCCH 公共控制信道 CCCH 专用控制信道 DCCH 5-13

158 第五章 WCDMA 无线接口 共享信道控制信道 SHCCH 业务信道只用于用户平面信息的传送包括专用业务信道 DTCH 公共业务信道 CTCH 如图 5-8 所示逻辑信道和传输信道之间的映射关系 BCCH 映射到 BCH 上也可以映射到 FACH 上 PCCH 映射到 PCH 上 CCCH 映射到 RACH 和 FACH 上 DCCH 和 DTCH 可以映射到 RACH 和 FACH 或 CPCH 和 FACH 或 RACH 和 DSCH 或一个 DCH 上 USCH 和 DCCH 可以映射到 FAUSCH 上 CTCH 映射到 FACH SHCCH 映射到 RACH FACH 和 DSCH 上 BCCH- SAP PCCH- SAP DCCH- SAP CCCH- SAP SHCCH- CTCH- SAP SAP (TDD only) DTCH- SAP MAC SAPs BCH PCH CPCH FAUSCH RACH FACH USCH DSCH (FDD only) (TDD only) 图 5-8 逻辑信道与传输信道的映射 DCH Transpor Channels 3. MAC 层基本过程 MAC 层基本过程包括动态无线接入承载控制的业务量测量 RACH 发送控制 接入业务类的选择 RACH/CPCH 的传输控制 传输格式组合 TFC 的选 择等 动态无线接入承载控制的业务量测量 基于 MAC 所报告的业务量测量 RRC 执行动态无线接入承载控制 业务量信息的收集和测量在 MAC 层中进行 并由 MAC 层将结果报告给 RRC 层 MAC 接收 RLC PDU 和 RLC 传输缓存器的 信息 每个 TTI MAC 将把对应于一个传输信道的数据量与 RRC 设置的阈值 进行比较 如果值超出范围 MAC 向 RRC 报告业务量状态的测量结果 因此 RRC 可以获悉每个传输信道的业务量状态 RRC 可以采取适当的行动进行新 的无线接入承载配置 RACH 发送控制 MAC 子层负责按传输时间间隔等级控制 RACH 传输定时 RACH 传输控制和 CPCH 传输控制请参考物理层过程一节 接入业务类的选择为了提供不同的 RACH 使用权的优先级 RACH 物理资源即接入时隙和前缀信号可以区分为不同的接入业务类 ASC 有可能不只一个 ASC 或所有 ASC 被分配到同一接入时隙接入业务等级在 0 i NumASC 范围中编号一个 ASC 用一个标识 i 定义 i 定义了 PRACH 资源的某一个部分和一个相关的定值 Pi 一个 ASC 参数集由 NumASC+1 个这样的参数 i, Pi i=0... NumASC 组成 RRC 协议 PRACH 部分和定值是由 5-14

159 第五章 WCDMA 无线接口 RRC 从系统信息中导出的 ASC 参数集是用 CMAC-Config-REQ 原语提供给 MAC 的 ASC 的枚举对应优先级的顺序 ASC0= 最高优先级 ASC7= 最低优先级 ASC0 用于紧急呼叫或同等优先级的情况 在无线承载建立 / 重新配置时给每个相关的逻辑信道指配一个 MAC 逻辑信道优先级 MLP 当 MAC 子层在 UE 侧配置 RACH 传输时这些 MLP 将用于 MAC 上的 ASC 选择 UE 侧传输格式组合 TFC 的选择 RRC 可以根据所给的逻辑信道的优先权值来控制上行链路数据的调度每一个逻辑信道对应于 1 8 之间的一个值其中 1 是最高优先级 8 是最低优先级 UE 中的 TFC 的选择将根据 RRC 所指明的逻辑信道之间的优先级进行逻辑信道具有相对的优先级一条逻辑信道上的传送块的一部分可以被停止传输以便传送来自一条逻辑信道上下一个优先级较低的数据如果该部分设置为 0 则说明优先级安排将是绝对的优先级在一条逻辑信道上为利于下一个低优先级数据的传输而可能被停止传输的传送块的最大部分是由 RRC 信令给出的将采用周期的方式选择被停止的传送块周期为最小可能的周期如果可以通过多种方法获取最小周期则两个被停止的传送块之间的距离将尽可能大以确保被停止的帧是均匀分布的当使用 RACH 或 CPCH 时 TFC 选择原则将适用于 TF 选择 当 UE 输出功率接近 UE 最大传送功率同时由于覆盖原因用于功率控制的内环不再保持则 UE 选择下一个较低比特率的 TFC 即不再使用当前的全比特率的 TFC 如果一条逻辑信道的比特率受到影响则将采用编译码器数据速率 UE 将不断地评估最大发射机功率是否可以有效地支持临时停止 TFC 当最大发射机功率有效时将在 TFC 选择中再次考虑临时停止 TFC RLC 子层协议 1. RLC 层结构 图 5-9 给出了 RLC 层的总体模型图中表示了不同的 RLC 对等层实体对透明模式业务和非确认模式业务有一个发送实体和一个接收实体对于确认模式业务有一个综合的传送和接收实体 AM- 实体之间的虚线表示可能在各自的逻辑信道上发送 RLC PDU 例如控制 PDU 在一个逻辑信道上发送同时数据 PDU 在另一个逻辑信道上发送 5-15

160 第五章 WCDMA 无线接口 UE 无线接口 UTRAN 高层 传送 Tr 实体 传送 UM 实体 AM 实体 接收 UM 实体 接收 Tr 实体 传送 Tr 实体 传送 UM 实体 AM 实体 接收 UM 实体 接收 Tr 实体 RLC 发送方 接收方 发送方 接收方 MAC 图 5-9 RLC 层总体模型 2. 透明模式实体 图 5-10 给出了透明模式实体模型发送 Tr- 实体通过 Tr-SAP 从高层接收 SDU RLC 可以将 SDU 划分成适当的 RLC PDU 无须附加任何开销如何执行分段是在业务建立时确定的通过 BCCH PCCH SHCCH SCCH 或 DTCH RLC 将 RLC PDU 传送给 MAC CCCH 也使用透明模式但只对上行链路逻辑信道的类型取决于高层是处于控制平面还是处于用户平面 Tr- 实体通过一条逻辑信道从 MAC 子层接收 PDU RLC 将 PDU 重新组合成 RLC SDU 如何进行重新组合是在业务建立时确定的 RLC 通过 Tr-SAP 将 RLC SDU 传送给高层 无线接口 Tr-SAP T r-s A P 传送 Tr- 实体 分段 传输缓存器 接收 Tr- 实体 重组 接收缓存器 BCCH/PCCH/DCCH CCCH/DTCH/SHCCH BCCH/PCCH/DCCH CCCH/DTCH/SHCCH 图 5-10 两个透明模式对等实体的模型 5-16

161 第五章 WCDMA 无线接口 3. 非确认模式实体 如图 5-11 给出了非确认模式实体模型发送 UM- 实体从高层接收 SDU RLC 可以把 SDU 分段成适当大小的 RLC PDU SDU 还可以和其它 SDU 进行连接 RLC 附加上一个 RLC 头并将 PDU 放入传送缓存器中通过 DCCH SHCCH 只对下行链路或 DTCH RLC 将 RLC PDU 传送给 MAC CCCH 也可使用非非确认模式但只对于下行链路 接收 UM- 实体通过一条逻辑信道从 MAC 子层接收 PDU PDU 重新组成 RLC SDU 随后将 SDU 传送给高层 RLC 去除 PDU 头并将 无线接口 UM -SAP UM -SAP 分段 & 级联 加密 增加 RLC 头 传输缓存器 传送. UM - 实体 接收 UM - 实体 重组 解密 去除 RLC 头 接收缓存器 CCCH/DCCH/ DTCH/SHCCH CCCH/DCCH/D TCH/ SHCCH 图 5-11 两个非确认模式对等实体的模型 4. 确认模式实体 如图 5-12 给出了确认模式实体模型在上行链路上使用两个逻辑信道的情况时 UTRAN 可以指示第一个逻辑信道用于数据 PDU 第二个逻辑信道用于控制 PDU 传送侧的 AM- 实体从高层接收 SDU SDU 被分段和 / 或连接成固定长度的 PDU PDU 长度是一个准静态值该值是在承载建立时确定的并且只能通过 RRC 对承载的重新配置来改变对于连接或填充长度和扩展上的信息比特被插到最后一个 PDU 的开始这个 PDU 包含一个 SDU 的数据填充可以被捎带状态信息来代替包括设置轮询比特如果几个 SDU 可放入一个 PDU 则将它们连接起来并在 PDU 的开始处插入适当长度的指示器随后 PDU 被放入重传缓存器和传输缓存器 MUX 决定何时向 MAC 发送哪个 PDU 通过一个功能体来传送 PDU 该功能体生成 RLC-PDU 头固定为 2 字节的 AMD PDU 报头不加密当应用捎带机制时用控制信息取代填充其目的是提高传输效率并使得对等 RLC 实体之间的快速消息交换成为可能捎带控制信息不在任 5-17

162 第五章 WCDMA 无线接口 何重传缓存器中保存捎带控制信息包含在捎带状态 PDU 中捎带状态 PDU 依次包含在 AMD-PDU 中为了与 AMD-PDU 中的空闲空间总数相匹配捎带状态 PDU 将是可变大小的重传缓存器也可从接收侧接收确认该确认是用来指示 PDU 的重传及何时从重传缓存器中删除一个 PDU AM-SAP AM- 实体 分段 / 串联 RLC 控制单元加上 RLC 报头 Piggybacked 状态 可选的 重新传输缓存 器 & 管理重组 去除 RLC 报头 & 析取 Piggybacked 信息 MUX 解密 加密证实接收缓存器 & 重 传输缓存器传管理 在 RLC 报头中设置字段 ( 例如, 解复接 / 路由设置轮询比特 ). 发送方接收方 接收的证实 DCCH/ DTCH ** DCCH/ DTCH * DCCH/ DTCH ** DCCH/ DTCH ** DCCH/ DTCH * DCCH/ DTCH ** 图 5-12 确认模式实体的模型 AM- 实体的接收侧通过一条逻辑信道从 MAC 子层接收 PDU 潜在的捎带状态信息被提取出来 PDU 被放在接收机缓存器中一直到收到一个完整的 SDU 接收机缓存器通过向对等实体发送拒绝确认来请求 PDU 的重传随后将 RLC 头从 PDU 中删除并将 PDU 重新组合成一个 SDU 最后将 SDU 发送给高层接收侧也接收来自对等实体的确认确认被传递给发送侧的重传缓存器 PDCP 子层协议 1. PDCP 层结构 图 5-13 显示了 UTRAN 协议结构中的 PDCP 模型每个 PDCP-SAP 使用一个 PDCP 实体每一个 PDCP 实体使用若干种头部压缩算法网络层协议应能够运行于多种子网和数据链路上 UMTS 支持多种网络层协议为用户提供协议透明性目前可支持的协议有 IPv4 和 IPv6 在 UTRAN 上引入新的网络层协议应当能够不改变 UTRAN 原有协议所有与上层报文的传送相关的功能应 5-18

163 第五章 WCDMA 无线接口 当被 UTRAN 的网络层实体以透明方式执行 对 UTRAN PDCP 的另一个要求是提高信道效率这个要求是通过采用多种优化方法来完成的当前知道的方法是标准化的 IETF 报头压缩算法 将多个 RB 复用到同一 RLC 实体将包含在以后的版本中 在目前每一个 RB 连 到一个 PDCP 实体 每一个 PDCP 实体都连到一个 RLC 实体 PDCP 实体位于 PDCP 子层 每个 PDCP 实体可以不使用或使用一种或多种带有某些参数的头部压缩算法多个 PDCP 实体可能使用相同的算法算法类型及其参数由 RRC 协商并通过 PDCP-C-SAP 来告知 PDCP 实体 无线承载者 PDCP-SDU PDCP-SAPs... C-SAP 协议压缩实体算法类型 1 PDCP 实体 协议压缩实体算法类型 2 协议压缩实体算法类型 1 PDU 编号 协议压缩实体算法类型 2 PDU 编号 PDCP 实体 协议压缩实体算法类型 1 PDCP- 子层 RLC-SDU... UM-SAP AM-SAP Tr-SAP RLC 图 5-13 PDCP 层结构 2. PDCP 层功能 分组数据集中协议应当执行下列功能在发送与接收实体中分别执行 IP 数据流的头部压缩与解压缩如 TCP/IP 和 RTP/UDP/IP 头部头部压缩方法对应特定的网络层传输层或上层协议的组合传输用户数据是将非接入层送来的 PDCP-SDU 转发到 RLC 层若支持非丢失的 SRNS 重定位功能则前转 PDCP-SDU 及相应的顺序号将多个不同的 RB 复用到同一个 RLC 实体 头部压缩的方法特定于具体的网络层协议每个 PDCP 实体使用的头部压缩算法及参数由 RRC 协商并通过 PDCP-C-SAP 告知 PDCP 实体在操作期间对等 PDCP 实体的压缩和解压缩初始化的信令在用户平面执行 PDCP 层应当能够支持多种头部压缩算法并且在将来还可以扩展支持的算法 PDCP 层可以有一个或多个 PDCP 实体每个 PDCP 实体使用若干种头部压缩算法在一 5-19

164 第五章 WCDMA 无线接口 个 PDCP 内 PDCP 层可能建立多种不同类型的头部压缩算法不同的 PDCP 实体可能包含相同的头部压缩算法 BMC 子层协议 广播 / 多播控制 BMC 是仅存在于用户平面的层二的一个子层它位于 RLC 层之上 L2-BMC 子层对于除广播 / 多点传送之外的所有业务均被认为是透明的图 5-14 显示 L2-BMC 子层在 UTRAN 无线接口协议结构中的模型 在 UTRAN 端 BMC 子层在每一个小区应该包含一个 BMC 协议实体每一个 BMC 实体需要一个单独的 CTCH 信道这个信道是由 MAC 子层通过 RLC 子层提供的 BMC 需要 RLC 提供的非证实模式服务 假定在 RNC 中的 BMC 之上有一个功能体去分解从小区广播中心 CBC 收到的小区广播消息的地理区域信息一个 BMC 协议实体仅服务于来自 BMC-SAP 的消息这些消息将广播到指定小区 用户面 RRC BMC-SAP L2/BMC 子层 CBMC- SAP BMC UM L2/RLC 子层 RLC CTCH-SAP 图 5-14 MBC 结构图 5.4 物理层 物理层概述 1. 物理层接口 物理层处于无线接口协议模型的最底层它提供物理介质中比特流传输所需要的所有功能物理层与媒体接入控制层 MAC 及无线资源控制层 RRC 的接口如图 5-15 所示物理层与 MAC 层实体相连相互之间的通信 5-20

165 第五章 WCDMA 无线接口 是由物理层 PHY 原语来完成的 CPHY 原语 与 RRC 层的接口相互间的通信是用原语 第三层 无线资源控制 (RRC) 第二层 媒体接入控制 (MAC) 第一层 CPHY 原语 PHY 原语 物理层 图 5-15 物理层接口 2. 物理层向上层提供服务 物理层通过 MAC 子层的传输信道实现向上层提供数据传输服务传输信道特性由传输格式定义传输格式同时也指明物理层对这些传输信道的处理过程物理层的操作严格按照无线帧的定时进行传输块定义为能被物理层联合编码的数据传输块的定时与无线帧严格对应每 10ms 或 10ms 的整数倍产生一个传输块一个 UE 可同时建立多个传输信道每个传输信道都有其特征每个传输信道都可为一个无线承载提供信息比特流的传输也可用于 L2 和高层的信令消息传输物理层实现传输信道到相同或不同物理信道的复用在当前无线帧中传送格式组合指示 TFCI 字段用于唯一标识编码复合传输信道中每个传输信道的传输格式 3. 物理层功能 物理层主要功能包括传输信道的 FEC 编 / 解码向上层提供测量及指示如 FER SIR 干扰功率发送功率等宏分集分布 / 组合及软切换执行传输信道的错误检测传输信道的复用编码复合传输信道的解复用速率匹配编码复合传输信道到物理信道的映射物理信道的调制 / 扩频与解调 / 解扩频率和时间码片比特时隙帧的同步闭环功率控制物理信道的功率加权与组合射频处理等 4. 物理层原语 物理层与 MAC 层和 RRC 层的交互是通过原语参数定义包括 错误码 硬件错误 事件值达到最大传输功率达到允许传输功率平均传输功率在允许传输功率之下 DL DPCCH 丢失 CPCH 紧急停止的完成收到消息指示的 CPCH 开始未收到消息指示的 CPCH 开始已到达的 CPCH 传输的最大帧数已到达的 CPCH 传输的帧结束 5-21

166 第五章 WCDMA 无线接口 接入信息 RACH 数据传输就绪 AICH 或 AP-AICH 上的 NACK 已经收到 当最大数量的接入前缀已经发送完成但 AICH 或 AP-AICH 上仍未收到响应的 超时 CPCH 数据发送就绪 CD-ICH 或 CD/CA-ICH 上分别收到 CD 或 CD/CA 信息 CD-ICH 或 CD/CA-ICH 符号不匹配 CD-ICH 或 CD/CA-ICH 上未收到响应 未收到 CD/CA-ICH 的超时 传输格式子集 传输格式集合的一个子集 物理信道描述参数 主同步信道 P-SCH 发送分集模式 从同步信道 S-SCH 发送分集模式 主公共控制物理信道 P-CCPCH 频率信息 下行链路扰码 发送分 集模式 从公共控制物理信道 S-CCPCH 下行链路扰码 信道码 发送分集 模式 物理随机接入信道 PRACH 接入时隙前缀扩频码前缀符号数据部分扩频因子功率控制信息上行链路目标 SIR 基本 CCPCH 下行链路发送功率上行链干扰功率增量接入服务等级选择前缀符号分类信息 AICH 传输定时参数 上行链路专用物理数据信道 + 专用物理控制信道 UL DPDCH+DPCCH 传 输时间偏移值 上行链路扰码 DPCCH 速率 DPCCH 时隙结构 Npolo, Npc, Nfci, Nfbi 下行链路专用物理信道 DL DPCH 传输时间偏移值 DPCCH 速率 下行 链路扰码 下行链路信道码 传输分集模式 FB 模式 时隙结构 Npolo Npc Nfci Nfbi 只用于 CPCH 的特殊时隙结构 Npilo NTPC NTFCI NCCC 物理公共分组信道 PCPCH 所属于 CPCH 集的 ID 与接入前缀 AP 有关的参数接入前缀 AP 扰码接入请求可用的 AP 符号 / 子信道与冲突检测 CD 前缀有关的参数 CD 前缀扰码可用的 CD 符号 / 子信道与 PCPCH 消息部分有关的参数 PCPCH 扰码 PCPCH 信道码数据速率即扩频因子无线帧中 CPCH 消息的最大长度 N_Frames_Max 寻呼指示信道 PICH 扰码信道码 捕获指示信道 AICH 扰码 信道码 传输分集模式 要求与相应的 PRACH 相一致 AP-AICH CPCH 集的 ID 扰码信道码发送分集模式 CD-ICH CPCH 集的 ID 扰码信道码发送分集模式 CD/CA-ICH CPCH 集的 ID 扰码信道码发送分集模式 5-22

167 第五章 WCDMA 无线接口 CSICH CPCH 集的 ID 扰码信道码发送分集模式 物理下行共享信道 PDSCH 扰码信道码传输分集模式 FB 模式 物理层信道特性 1. 传输信道 传输信道是指由层一提供给高层的服务传输信道定义无线接口数据传输的方式和特性传输信道分为专用信道公共信道 专用传输信道仅存在一种即专用信道 DCH 是一个上行或下行传输信道 DCH 在整个小区或小区内的某一部分使用波束赋形的天线进行发射 共有六类公共传输信道 BCH FACH PCH RACH CPCH 和 DSCH 广播信道广播信道 BCH 是一个下行传输信道用于广播系统或小区特定的信息 BCH 总是在整个小区内发射并且有一个单独的传送格式 前向接入信道前向接入信道 FACH 是一个下行传输信道 FACH 在整个小区或小区内某一部分使用波束赋形的天线进行发射 FACH 使用慢速功控 寻呼信道寻呼信道 PCH 是一个下行传输信道 PCH 总是在整个小区内进行发送 PCH 的发射与物理层产生的寻呼指示的发射是相随的以支持有效的睡眠模式 随机接入信道随机接入信道 RACH 是一个上行传输信道 RACH 总是在整个小区内进行接收 RACH 的特性是带有碰撞冒险使用开环功率控制 公共分组信道公共分组信道 CPCH 是一个上行传输信道 CPCH 与一个下行链路的专用信道相随该专用信道用于提供上行链路 CPCH 的功率控制和 CPCH 控制命令 CPCH 的特性是带有初始的碰撞冒险和使用内环功率控制 下行共享信道下行共享信道 DSCH 是一个被一些 UE 共享的下行传输信道 DSCH 与一个或几个下行 DCH 相随路 DSCH 使用波束赋形天线在整个小区内发射或在一部分小区内发射 指示符是一种快速的低层的信令实体它在传输信道上发射却没有使用任何信息块指示符有捕获指示 AI 接入前缀指示 API 信道分配指示 CAI 冲突检测指示 CDI 寻呼指示 PI 和状态指示 SI 它们到指示信道的映射是由信道决定的发射指示符的物理信道叫做指示信道 ICH 物理信道是由一个特定的载频扰码信道化码开始和结束的时间持续时间段上行链路中相对的相位定义 持续时间由开始和结束时刻定义 用 chip 的整数倍来测量 在规范中使用的 chip 的倍数有 无线帧是一个包括 15 个时隙的处理单元一个无线帧的长度是 5-23

168 第五章 WCDMA 无线接口 38400chips 10ms 时隙是由包含一定比特的字段组成的一个单元时隙的长度是 2560chips 一个物理信道缺省的持续时间是从它的开始时刻到结束时刻这一段连续的时间不连续的物理信道将会明确说明 传输信道被描述比物理层更抽象的高层为可以映射到物理信道上在物理层看来映射是从一个编码组合传输信道 CCTrCH 到物理信道的数据部分除了数据部分还有信道控制部分和物理信令物理信令和物理信道一样是有着相同的基于空中特性的实体但是没有传输信道或指示符映射到物理信令物理信令可以和物理信道一起支持物理信道的功能 2. 物理信道 (1) 上行专用物理信道 上行专用物理信道分为上行专用物理数据信道上行 DPDCH 和上行专用物理控制信道上行 DPCCH DPDCH 和 DPCCH 在每个无线帧内是 I/Q 码复用上行 DPDCH 用于传输专用传输信道 DCH 在每个无线链路中可以有 0 个 1 个或几个上行 DPDCHs 上行 DPCCH 用于传输层一产生的控制信息层一的控制信息包括支持信道估计以进行相干检测的已知导频比特发射功率控制指令 TPC 反馈信息 FBI 以及一个可选的传输格式组合指示 TFCI TFCI 将复用在上行 DPDCH 上的不同传输信道的瞬时参数通知给接收机并与同一帧中要发射的数据相对应在每个层一连接中有且仅有一个上行 DPCCH 图 5-16 中表示了上行专用物理信道的帧结构每个帧长为 10ms 分成 15 个时隙每个时隙的长度为 Tslo=2560chips 对应于一个功率控制周期及一个功率控制周期为 10/15ms DPDCH Daa N daa bis T slo = 2560 chips, N daa = 10*2 k bis (k=0..6) DPCCH Pilo N pilo bis TFCI N TFCI bis FBI N FBI bis TPC N TPC bis T slo = 2560 chips, 10 bis Slo #0 Slo #1 Slo #i Slo #14 1 radio frame: T f = 10 ms 图 5-16 上行 DPDCH/DPCCH 的帧结构 图 5-16 中的参数 k 决定每个上行 DPDCH/DPCCH 时隙的比特数它与物理信道的扩频因子 SF 有关 SF=256/2k DPDCH 的扩频因子的变化范围为 和 4 上行 DPCCH 的扩频因子固定为 256 即每个上行 5-24

169 第五章 WCDMA 无线接口 DPCCH 时隙有 10 个比特 上行 DPDCH 确切的比特数和上行 DPCCH 各个字段 Npilo, NTFCI, NFBI 和 NTPC 的比特数由高层按照业务类型不同配置不同时隙格式 FBI 比特用于支持在 UE 和 UTRAN 接入点之间即小区收发信机需要反馈的技术它包括闭环模式发射分集和地点选择分集 SSDT 由 S 字段和 D 字段组成其中 S 字段用于 SSDT 信令 D 字段用于闭环模式发射分集信令 S 字段由 0 1 或 2 个比特组成 D 字段由 0 或 1 个比特组成总的 FBI 字段的大小 NFBI 在不同时隙格式情况下不同如果 FBI 中 S 字段 D 字段填不满总比特数则在 FBI 中添 1 FBI 为 2bis S 为 0bis D 为 1bis 则在 FBI 的左边填 1 右边为 D 字段如果同时使用 SSDT 功率控制和闭环模式发射分集则要求 S 字段由 1 个比特组成 FBI 字段的使用请参见物理层过程中功率控制部分 有两种类型的上行专用物理信道包括 TFCI 的如几个同时发生的业务和不包括 TFCI 的如固定速率业务 UTRAN 决定是否需要发射 TFCI 和是否要求所有的 UEs 在上行链路中支持 TFCI 导频比特 Npilo = 和 8 其中的 FSWs 可以用于帧同步的确认 TPC 比特与发射机功率控制指令对应 上行专用物理信道可以进行多码操作当使用多码传输时几个并行的 DPDCH 使用不同的信道化码进行发射值得注意的是每个连接只有一个 DPCCH 可以用一个功率控制前缀来初始化一个 DCH 在功率控制前缀期功率控制前缀的长度是高层参数 Npcp 由网络通过信令方式给出在功率控制前缀期及以后 DPCCH 都应该使用相同的时隙格式功率控制前缀的时序见物理层过程中同步过程部分 TFCI 字段被填充 DTX (2) 上行公共物理信道 (a) 物理随机接入信道 PRACH 随机接入信道的传输是基于带有快速捕获指示的时隙 ALOHA 方式 UE 可以在一个预先定义的时间偏置开始传输表示为接入时隙每两帧有 15 个接入时隙间隔为 5120 码片当前小区中哪个接入时隙的信息可用是由高层信息给出的 PRACH 分为前缀部分和消息部分随机接入发射的结构如图 5-17 所示随机接入发射包括一个或多个长为 4096 码片的前缀和一个长为 10ms 或 20ms 的消息部分 前缀 前缀 前缀 消息部分 4096 chips 10 ms 一个无线幀 前缀 前缀 前缀 消息部分 4096 chips 20 ms 一个无线幀 图 5-17 随机接入发射的结构 5-25

170 第五章 WCDMA 无线接口 随机接入的前缀部分长度为 4096chips 是对长度为 16chips 的一个特征码 signaure 的 256 次重复总共有 16 个不同的特征码 PRACH 消息部分 10ms 被分作 15 个时隙 每个时隙的长度为 Tslo=2560chips 每个时隙包括两部分 一个是数据部分 RACH 传输信道映射到这部分 另 一个是控制部分 用来传送层一控制信息 数据和控制部分是并行发射传输 的 一个 10ms 消息部分由一个无线帧组成 而一个 20ms 的消息部分是由两个 连续的 10ms 无线帧组成 消息部分的长度可以由使用的特征码和 / 或接入时隙 决定 这是由高层配置的 数据部分包括 10 2k 个比特 其中 k= 对消息数据部分来说分别对应着扩频因子为 和 32 控制部 分包括 8 个已知的导频比特 用来支持用于相干检测的信道估计 以及 2 个 TFCI 比特 对消息控制部分来说这对应于扩频因子为 256 在随机接入消息 中 TFCI 比特的总数为 15 2=30 比特 TFCI 值对应于当前随机接入消息的一个 特定的传送格式 在 PRACH 消息部分长度为 20ms 的情况下 TFCI 将在第 2 个 无线帧中重复 (b) 物理公共分组信道 PCPCH CPCH 的传输是基于带有快速捕获指示的 DSMA-CD Digial Sense Muliple Access-Collision Deecion 方法 UE 可在一些预先定义的与当前小区接收到的 BCH 的帧边界相对的时间偏置处开始传输接入时隙的定时和结构与 RACH 相同 CPCH 随机接入传输的结构如图 5-18 所示 CPCH 随机接入传输包括一个或多个长为 4096chips 的接入前缀 A-P 一个长为 4096chips 的冲突检测前缀 CD-P 一个长度为 0 时隙或 8 时隙的 DPCCH 功率控制前缀 PC-P 和一个可变长度为 Nx10ms 的消息部分 P1 Pj Pj 消息部分 P chips 0 or 8 slos N*10 msec 接入前缀控制部分 碰撞检测前缀 数据部分 图 5-18 CPCH 随机接入传输的结构 CPCH 接入前缀部分与 RACH 前缀部分类似使用 RACH 前缀的特征序列但使用的数量要比 RACH 前缀少扰码的选择为组成 RACH 前缀扰码的 Gold 码中一个不同的码段也可在共享特征码的情况下使用相同的扰码 CPCH 冲突检测前缀部分与 RACH 前缀部分类似使用 RACH 前缀特征序列扰码的选择为组成 RACH 和 CPCH 前缀扰码的 Gold 码中一个不同的码段 CPCH 功率控制前缀部分功率控制前缀长度是一个高层参数以是 0 或 8 时隙 Lpc-preamble 可 CPCH 消息部分的结构与上行专用信道过程相同每个消息包括最多 N_Max_frames 个 10ms 的帧每个 10ms 帧分成 15 个时隙每个时隙长度为 5-26

171 第五章 WCDMA 无线接口 Tslo=2560 chips 每个时隙包括两个部分 用来传送高层信息的数据部分和 层一控制信息的控制部分 数据和控制部分是并行发射的 CPCH 消息部分 的控制部分扩频因子为 256 (3) 下行专用物理信道 下行专用物理信道只有一种类型即下行 DPCH 在一个下行 DPCH 内由层二或更高层产生的专用传输信道 DCH 与层一产生的控制信息包括已知的导频比特 TPC 指令和一个可选的 TFCI 以时间分段复用的方式进行传输发射图 5-19 显示下行 DPCH 的帧结构每个长 10ms 的帧被分成 15 个时隙每个时隙长为 Tslo=2560 chips 对应于一个功率控制周期 Daa1 N daa1 bis TPC N TPC bis TFCI N TFCI bis T slo = 2560 chips, 10*2 k bis (k=0..7) DPDCH Daa2 N daa2 bis DPDCH DPCCH DPCCH Pilo N pilo bis Slo #0 Slo #1 Slo #i Slo #14 One radio frame, T f = 10 ms 图 5-19 下行 DPCH 的帧结构 图 5-19 中的参数 k 确定了每个下行 DPCH 时隙的总的比特数它与物理信道的扩频因子有关即 SF= 512/2k 因此扩频因子的变化范围为 512 到 4 不同下行 DPCH 的实际比特数 N pilo N TPC N TFCI N daa1 和 N daa2 由高层配置不同时隙格式确定支持 17 种不同时隙格式 有两种类型的下行专用物理信道包括 TFCI 如用于一些同时发生的业务和那些不包括 TFCI 的如用于固定速率业务的由 UTRAN 决定 TFCI 是否应该被发射对所有 UEs 而言必须在下行链路上支持 TFCI 的使用 下行 DPCCH 的导频比特模式 Npilo = 和 16 TPC 符号与发射功率控制命令 0 或 1 的关系对应 下行链路可以使用多码发射 即一个 CCTrCH 可以映射到几个并行的使用相 同的扩频因子的下行 DPCHs 上 在这种情况下 层一的控制信息仅放在第一 个下行 DPCH 上 在对应的时间段内 属于此 CCTrCH 的其它的下行 DPCHs 发 射 DTX 比特 当映射到不同的 DPCHs 的几个 CCTrCHs 发射给同一个 UE 时 不同 CCTrCH 映射的 DPCHs 可使用不同的扩频因子 在这种情况下 层一的 控制信息仅放在第一个下行 DPCH 上 在对应的时间段内 属于此 CCTrCH 的 其它下行 DPCHs 发射 DTX 比特 (4) 下行公共物理信道 公共导频信道 CPICH 为固定速率 30 kbps SF=256 的下行物理信道用于传送预定义的比特 / 符号序列有两种类型的公共导频信道主和从 5-27

172 第五章 WCDMA 无线接口 CPICH 主公共导频信道 P-CPICH 总是使用同一个信道化码用主扰码进行扰码每个小区有且仅有一个 CPICH 在整个小区内进行广播主 CPICH 是 SCH 主 CCPCH AICH PICH AP-AICH CD/CA-ICH CSICH 和 PCH 映射的 S-CCPCH 信道的相位基准 P-CPICH 也可以是 FACH 映射的 S-CCPCH 和下行 DPCH 缺省相位基准如果 P-CPICH 不是 FACH 映射的 S-CCPCH 和下行 DPCH 的相位基准需要高层通知 UE 从公共导频信道 S-CPICH 可使用 SF 256 的信道化码中的任一个可用主或从扰码进行扰码每个小区可有 0 1 或多个从 CPICH 可以在全小区或在小区的一部分进行发射从 CPICH 可以是从 CCPCH 和下行 DPCH 的基准 公共控制物理信道分为主公共控制物理信道 P-CCPCH 和从公共控制物理信道 S-CCPCH P-CCPCH 为一个固定速率 30kbps SF=256 的下行物理信道用于传输 BCH 与下行 DPCH 的帧结构的不同之处在于没有 TPC 指令 TFCI 导频比特在每个时隙的第一个 256 chips 内主 CCPCH 不进行发射在此段时间内将发射主 SCH 和从 SCH S-CCPCH 用于传送 FACH 和 PCH 有两种类型的从 CCPCH 包括 TFCI 的和不 包括 TFCI 的 是否传输 TFCI 是由 UTRAN 来确定的 因此对所有的 UEs 来说 支持 TFCI 的使用是必须的 可能的速率集与下行 DPCH 相同 每个下行从 CCPCH 时隙的总比特数与其物理信道的扩频因子 SF 有关 SF= 256/2k 扩频 因子 SF 的范围为 256 至 4 FACH 和 PCH 可以映射到相同的或不同的从 CCPCHs 如果 FACH 和 PCH 映射到相同的从 CCPCH 它们可以映射到同一 帧 CCPCH 和一个下行专用物理信道的主要区别在于 CCPCH 不是内环功率 控制 主和从 CCPCH 的主要的区别在于主 CCPCH 是一个预先定义的固定速 率而从 CCPCH 可以通过包含 TFCI 来支持可变速率 更进一步讲 主 CCPCH 是在整个小区内连续发射的而对传送 FACH 的从 CCPCH 采用与专用物 理信道相同的方式以一个窄瓣波束的形式来发射 对于传送 PCH 的 S-CCPCH 是整个小区发射 同步信道 SCH 是一个用于小区搜索的下行链路信号两个子信道主和从 SCH 主和从 SCH 的 10ms 无线帧分成 15 个时隙每个长为 2560 码片主 SCH 包括一个长为 256 码片的调制码主同步码 PSC 每个时隙发射一次系统中每个小区的 PSC 是相同的从 SCH 重复发射一个有 15 个序列的调制码每个调制码长为 256chips 从同步码 SSC 与主 SCH 并行进行传输 SSC 用 csi k 来表示其中 i= 为扰码码组的序号 k= 为时隙号每个 SSC 是从长为 256 的 16 个不同码中挑选出来的一个码在从 SCH 上的序列表示小区的下行扰码属于哪个码组 物理下行共享信道 PDSCH 用于传送下行共享信道 DSCH 一个 PDSCH 对应于一个 PDSCH 根信道码或下面的一个信道码 PDSCH 的分配是在一个无线帧内基于一个单独的 UE 在一个无线帧内 UTRAN 可以在相同的 PDSCH 根信道码下基于码复用给不同的 UEs 分配不同的 PDSCHs 在同 5-28

173 第五章 WCDMA 无线接口 一个无线帧中 具有相同扩频因子的多个并行的 PDSCHs 可以被分配给一 个单独的 UE 在相同的 PDSCH 根信道码下的所有的 PDSCHs 都是帧同步的 在不同的无线帧中 分配给同一个 UE 的 PDSCHs 可以有不同的扩频因子 对 于每一个无线帧 每一个 PDSCH 总是与一个下行 DPCH 随路 PDSCH 与随路 的 DPCH 并不需要有相同的扩频因子 也不需要帧对齐 在随路的 DPCH 的 DPCCH 部分发射所有与层一相关的控制信息 即 PDSCH 不携带任何层一信 息 为了告知 UE 在 DSCH 上有数据需要解码 将使用两种可能的信令方法 或者使用 TFCI 字段 或使用在随路的 DPCH 上携带的高层信令 使用基于 TFCI 的信令方法时 TFCI 除了告知 UE PDSCH 的信道码外 还告知 UE 与 PDSCH 相关的瞬时的传输格式参数 对 PDSCH 来说 允许的扩频因子的范围 为 256 到 4 RACH 接入捕获指示信道 AICH 捕获指示信道 AICH 是一个用于传输捕获指示 AI 的物理信道捕获指示 AIs 对应于 PRACH 上的特征码 AICH 的结构由重复的 15 个连续的接入时隙 AS 的序列组成每个长为 5120chips 每个接入时隙由两部分组成一个是接入指示 AI 部分由 32 个实数值符号 a 0... a 31 组成后面是持续 1024 比特的空闲部分 AICH 信道化的扩频因子是 256 AICH 的相位参考是主 CPICH CPCH 接入前缀捕获指示信道 AP-AICH 是一个固定速率 SF=256 的用来传送 CPCH 的 AP 捕获指示 API 的物理信道 AP 捕获指示 API 对应于 UE 发射的 AP 特征码 S AP-AICH 和 AICH 可以使用相同的或不同的信道码 AP-AICH 的相位参考是主 CPICH AP-AICH 用一个长为 4096chips 的部分来发射 AP 捕获指示 API 后面 1024chips 为空闲部分 CPCH 冲突检测 / 信道分配指示信道 CD/CA-ICH 冲突检测信道分配指示信道 CD/CA-ICH 是一个固定速率 SF=256 的物理信道当 CA 不活跃时用来传送 CD 指示 CDI 当 CA 活跃时用来同时传送 CD 指示 /CA 指示 CDI/CAI CD/CA-ICH 和 AP-AICH 可以使用相同的或不同的信道码 CD/CA-ICH 用一个长为 4096chips 的部分来发射 CDI/CAI 后面是一个长为 1024chips 的空闲部分时隙的这个空闲部分是为 CSICH 或其它物理信道将来可能会使用而保留的 寻呼指示信道 PICH 是一个固定速率 SF=256 的物理信道 用于传输 寻呼指示 PI PICH 总是与一个 S-CCPCH 随路 S-CCPCH 为一个 PCH 传输 信道的映射 PICH 的帧结构长为 10ms 包括 300 个比特 b0 b1 b299 其中 288 个比特 b0 b1 b287 用于传输寻呼指示余下的 12 个比特未用这部分是为将来可能的使用而保留的 N 寻呼指示 {PI0 PIN-1} 是在每个 PICH 帧内进行传输的其中 N= 或 144 高层为特定的 UE 而计算的 PI 映射到某个寻呼指示 PIp p 是按照一个函数式计算的此函数式是由高层计算的 PI PICH 无线帧开始时 P-CCPCH 无线帧的 SFN 每帧内寻呼指示的个数 N 构成的 5-29

174 第五章 WCDMA 无线接口 N p = PI (( ( SFN+ SFN/8 + SFN/64 + SFN/512 ) mod144) modn 从 {PI0 PIN-1} 到 PICH 比特 {b0 b287} 的映射 如果在一个特定帧 内的一个寻呼指示设为 1 它表示与此寻呼指示相关的 UEs 将读取相关联 的 S-CCPCH 的对应帧 CPCH 状态指示信道 CSICH CPCH 状态指示信道 CSICH 是一个用于 传送 CPCH 状态信息的固定速率 SF 256 的物理信道 CSICH 总是和一个 用于发射 CPCH AP-AICH 的物理信道相关联 并和此信道使用相同的信道 码和扰码 CSICH 帧由 15 个连续的接入时隙 AS 组成 每个 AS 长度为 40 比特 3. 物理信道之间的时序关系 小区发射 SFN 的 P-CCPCH 将被作为所有物理信道的定时基准直接用于下行链路但是非直接用于上行链路图 5-20 下行物理信道的帧定时用于上行链路物理信道的发射时刻将由下行链路的接收时刻给出 Primary SCH Secondary SCH Any CPICH P-CCPCH 无线幀 (SFN 模 2)=0 无线幀 (SFN 模 2)=1 k:h -CCPCH S τ S-CCPCH,k PICH for k:h S-CCPCH τ PICH AICH access slos #0 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11 #12 #13 #14 Any PDSCH n:h DPCH τ DPCH,n 10 ms 10 ms 图 5-20 下行物理信道的帧定时和接入时隙定时 SCH 主和从 CPICH 主和从 P-CCPCH 和 PDSCH 有相同的帧定时对不同的 S-CCPCHs 可以有不同的 S-CCPCH 定时但其与 P-CCPCH 帧定时的偏置将是 256 码片的整数倍即有 S-CCPCH,k = Tk 256 码片其中 Tk 属于 { } 5-30

175 第五章 WCDMA 无线接口 PICH 帧中寻呼指示意味着该寻呼消息将在相关的 S-CCPCH 帧上进行传输要求 PICH 的发射完成定时超前于对应的 S-CCPCH 帧定时 PICH =7680 码片对应的 S-CCPCH 帧定时即是携带相应的寻呼信息的 PCH 传输信道的 S-CCPCH AICH 接入时隙 #0 开始于 P-CCPCH 帧的起始处 SFN 模 2=0 下行接入时隙与 P-CCPCH 在时间上对齐第 n 个上行接入时隙是在 UE 接收到第 n 个下行接入时隙其中 n= 之前 p-a 个码片时开始传输的下行捕获指示的发射仅在下行接入时隙的开始处进行上行 RACH 前缀码和 RACH 消息部分的发射仅在一个上行接入时隙开始处进行 不同的 DPCHs 的定时可以不同但其与 P-CCPCH 的帧定时的偏置将是 256 码片的整数倍即有 DPCH,n=Tn 256 码片其中 Tn 属于 { } 在上行链路 DPCCH 和来自一个 UE 的所有 DPDCHs 有相同的帧定时在下行链路 DPCCH 和传送一个 UE 的专用类型的 CCTrCHs 的所有 DPDCHs 有相同的帧定时在 UE 侧上行链路 DPCCH/DPDCH 帧发射大概发生在接收到对应的下行 DPCCH/DPDCH 帧的第一个明显的路径分量后 T0 码片处 T0 为 1024 码片的常量 PDSCH 帧的开始用 TPDSCH 任一与 PDSCH 相随路的 DPCH 帧可以从 DPCH 帧结束后 3 个时隙到 18 个时隙之间任何一个时刻开始 4. 物理层信道模型 (1) 上行链路各种信道模型 DCH 模型表明一个或多个 DCH 信道可在同一编码复用单元中处理与复用输出一个数据流并定义为编码复合传输信道 CCTrCH 一个 CCTrCH 上的数据比特流可映射到同样的物理信道且有同样的 C/I 需求在下行链路上一个 UE 可同时使用多个 CCTrCH 在 FDD 模式下这些不同的 CCTrCH 只需要一个快速功控环但不同的 CCTrCH 可能要求有不同的 C/I 以保证这些被映射的传输信道能提供不同的 QoS 一个物理信道的比特流必须来自同一 CCTrCH 当一个 UE 使用多个 CCTrCH 时 可使用一个或多个 TFCI 但每个 CCTrCH 对 应的 TFCI 不多于一个 在 FDD 模式下 这些不同的 TFCI 是映射到同一个 DPCCH CCTrCH 的数据流经过解复用 / 分割单元后被分割成一个或几个物理信道数据流对每一个 10ms 无线帧来说当前编码复用单元的配置信息可以是通过信令通知给网络也可以是被网络盲检测出来的可选方式如果配置信息是通知给网络的将使用传输格式组合指示符 TFCI 比特来指示 TFCI 只是在已配置好的传输格式组合集内指明当前的传输格式组合在上行链路中只需用一个 TFCI 来指示 CCTrCH 中所有 DCH 的传输格式携带 TFCI 的物理信道数据流映射到具有功控比特与导频比特的物理信道上 RACH 模型表明在上行链路中它是一个公共类型的传输信道 RACH 总是 5-31

176 第五章 WCDMA 无线接口 一一映射到物理信道上物理层没有 RACH 复用业务的复用由 MAC 层来完成另一种公共类型传输信道 CPCH 总是单独映射到 PCPCH 物理信道上及 CPCH TFI 与 PCPCH 上的 TFCI 之间是一一对应的解复用 / 分割功能单元用于多码 PCPCH 物理信道一个 CPCH 传输信道属于一个 CPCH 传输信道集而此 CPCH 传输信道集是由其特定的扰码接入前缀扰码碰撞检测扰码和多个 PCPCH 物理信道来标识的一个 PCPCH 将使用和 CPCH 传输格式集相对应的传输格式组合的一个子集当业务被配置为 CPCH 传输时一个 UE 可以请求接入一个 CPCH 传输信道集中的多个 CPCH 传输信道 (2) 下行链路各种信道模型 下行专用信道对于 DCH 而言它与物理层数据流间映射的方式同上行链路一样但编码 / 复用功能单元在上下行链路有区别区别主要体现在软切换和更软切换其一导频功控比特 TFCI 等同 DCH 一起复用到同一物理信道上其二物理层数据流的定义与上行链路稍微有些区别 在小区的激活集内从逻辑上说存在一个相同的物理数据流而从物理上说每个小区都有一个数据流在每一个小区内处理与复用的操作是一样的区别只是在小区实际所用到的码这些码对应相同的扩频因子 在 UE 侧除了导频和某些情况下的 TPC 比特携带着相同物理信道数据流的物理信道将被组合在一起如果 UTRAN 通知 UE 这些传输信道上的 TPC 相同那么物理信道上收到的 TPC 比特也将被合并 下行公用信道一个 PCH 可以和一个或几个 FACH 经过编码复用形成 CCTrCH 每个 CCTrCH 只有一个 TFCI 用来标识 PCH 及每个 FACH 的传输格式 PCH 同一种携带 PI 的独立物理信道相关 PI 用于指示 UE 对承载 PCH 的物理信道的接收 FACH 或 PCH 可单独映射到不同的物理信道 BCH 则总是映射到一个物理信道而不和其它传输信道复用 5. L1 层与 MAC 层之间数据传送的格式 MAC 层与物理层之间的数据交换是根据传输块集 TBS 来定义的在传输信道上一个传输块集可以在每一个传输时间间隙 TTI 内传送一个 TBS 可能包括一个或几个传输块一个传输块等同于一个 MAC PDU 一个传输块 MAC PDU 是一个比特串 传输信道的一些基本概念 传输块 Transpor Block 定义为 L1 与 MAC 间的基本交换单元 L1 为每个传输块添加一个 CRC 传输块集 Transpor Block Se 定义为多个传输块的集合这些传输块是在 L1 与 MAC 间的同一传输信道上同时交换 传输块大小 Transpor Block Size 定义为一个传输块内的比特数在一个给定的传输块集合内所有的传输块大小固定一致 5-32

177 第五章 WCDMA 无线接口 传输块集大小 Transpor Block Se Size 定义为一个传输块集合的比特数 传输时间间隔 TTI Transmission Time Inerval 定义为一个传输块集合到达的时间间隔等于在无线接口上物理层传送一个传输块集所需的时间它总是最小交织周期 10ms 无线帧长度的倍数在每一个 TTI 内 MAC 传送一个传输块集到物理层 如图 5-21 所示表示在某个时间传输块集通过三个并行传输信道在 L1 与 MAC 间交换数据每个传输块集包含一定数量的传输块同时图中也列出了传输时间间隔 TTI 即在 L1 和 MAC 间连续两次传送数据的时间间隔 DCH1 传输块 TB 传输块 TB 传输时间间隔 TTI 传输块 TB DCH2 传输块 TB 传输块 TB 传输块 TB 传输块 TB 传输块 TB 传输块 TB 传输时间间隔 TTI 传输块 TB DCH3 传输块 TB 传输块 TB 传输块 TB 传输块 TB 传输块 TB 传输块 TB 传输块 TB 传输块 TB 传输时间间隔 TTI 图 5-21 MAC 与 L1 之间的数据交换 传输格式 Transpor Forma 定义为在一个 TTI 内一个传输信道上传送传输块集的格式这些格式是由 L1 提供给 MAC 层或 MAC 提供给 L1 的传输格式由动态部分如传输块大小传输块集大小和准静态部分如传输时间间隔 TTI 采用的错误保护机制错误保护类型 TURBO 码卷积码或无信道编码码速率组成 传输格式集合 Transpor Forma Se 定义为一个传输信道上传输格式的集合在同一传输格式集合内传输格式准静态部分是相同的动态部分的前两个属性决定了传输信道的瞬时比特率传输信道的可变比特率依赖于映射到传输信道上的服务类型其实现是通过在每个 TTI 内改变传输块大小和传输块集大小 传输格式组合 Transpor Forma Combinaion 一个或多个传输信道复用到 L1 对于每一个传输信道都有一系列传输格式传输格式集可使用对于给定的时间点不是所有的组合都可应用于 L1 而只是它的一个子集这就是传输格式组合它定义为当前有效传输格式的指定组合这些传输格式能够被同时提供给层一用于 UE 侧编码复用传输信道 CCTrCH 的传输即每一个传输信道包含一个传输格式 传输格式组合集 Transpor Forma Combinaion Se 定义为编码复用传输 5-33

178 第五章 WCDMA 无线接口 信道 CCTrCH 上传输格式组合的集合用于 MAC 的控制而其值设置则由层三完成当向 L1 映射数据时 MAC 在给定的传输格式组合集中选择合适的传输格式组合传输格式组合只有动态部分不一致事实上 MAC 也只是控制动态部分准静态部分与 L1 闭环功控的目标值一起对应于下面服务属性质量如 BER 传输时延 传输格式组合集并不需要包含由相应传输信道的传输格式集所形成的所有可能组合它只包含被允许的组合因而编码复合传输信道 CCTrCH 中所有传输信道的最大比特率能够被合理设置而不必将传输格式组合中的传输格式同时对应较高速率传输格式组合的选择问题可以看成是无线资源控制的快速处理部分这种快速处理的功能对于 MAC 靠近 L1 层来说是利用了 L1 提供的灵活可变速率机制这部分的无线资源控制应该同那些由 L3 控制的慢速部分区别开来因而比特率的改变可快速完成而不需要 L3 信令的参与 传输格式标识符 TFI Transpor Foram Indicaor TFI 是传输格式集合内特定传输格式的标签当每次 L1 和 MAC 在一个传输信道上交换一个传输块集时它用于这两层间的通信当 DSCH 与一个 DCH 相关时 TFI 将标识 DSCH 映射的物理信道即信道码且 UE 必须监听此 DSCH 传输格式组合标识符 TFCI Transpor Forma Combinaion Indicaor 它是 当前传输格式组合的一种表示 TFCI 的值和传输格式组合间是一一对应的 TFCI 用于通知接收侧当前有效的传输格式组合 即如何解码 解复用以及在 适当的传输信道上递交接收到的数据 在传输信道上每一次传递传输块集时 MAC 都要向 L1 指示 TFI L1 将 UE 所有并行传输信道上的 TFI 组合成 TFCI 对传输块进行适当的处理将 TFCI 加到物理控制信令中接收侧利用对 TFCI 的检测来识别传输格式组合 FDD 模式下在限定传输格式组合集时 TFCI 信令可忽略并代之为盲检测无论如何通过赋予的传输格式组合接收侧有了足够的信息进行解码并通过相应的传输信道将信息传送到 MAC 层 速率匹配 Rae Maching 在无线接口上存在两个等级的速率匹配传输信道的静态速率匹配 CCTrCH 的动态速率匹配动态速率匹配是 RRC 层调整物理层数据净荷的长度静态速率匹配和动态速率匹配的使用是由 RRC 层向 L1 层通知的 6. 同一时刻 UE 侧物理信道组合 (1) 上行链路表 5-1 描述了 FDD 模式下 UE 在上行链路上支持的物理信道的可能组合 表 5-1 FDD 上行链路 序号 物理信道组合 传输信道组合 基本功能还是依赖于业务 注释 1 PRACH RACH 基本功能 PRACH 物理信道包括前缀部分和消息部分 2 PCPCH 的消息段包含一个控制部分和一个数 CPCH 依赖于业务 PRACH 物理信道包括前缀部分和消息部分信道最大比 5-34

179 第五章 WCDMA 无线接口 序号 据部分 物理信道组合 PCPCH 的消息段包含一个控制部分和几个数据部分 DPCCH+DPDCH DPCCH+ 几个 DPDCH 传输信道组合 CPCH 一个或几个 DCH 编码复合成单个 CCTrCH 一个或几个 DCH 编码复合成单个 CCTrCH 基本功能还是依赖于业务 依赖于业务 依赖于业务 依赖于业务 注释 特率由 UE 业务能力决定 PRACH 物理信道包括前缀部分和消息部分信道最大比特率由 UE 业务能力决定 DCH 信道的最大数目及信道最大比特率由 UE 业务能力决定 DCH 信道的最大数目及信道最大比特率由 UE 业务能力决定 (2) 下行链路下表 5-2 描述了 FDD 模式下 UE 在下行链路上支持的物理信道的可能组合 表 5-2 FDD 下行链路 序物理信道组合号 1 PCCPCH SCCPCH SCCPCH + AICH SCCPCH + DPCCH 几个 SCCPCH PICH DPCCH + DPDCH DPCCH + 几个 DPDCH PDSCH + DPCCH + 一个或几个 DPDCH SCCPCH + DPCCH + 一个或几个 DPDCH BCH 传输信道组合 FACH + PCH FACH + PCH + 上行链路 RACH 或 FACH + PCH + 上行链路 CPCH FACH + PCH + CPCH 在上行链路几个 FACH + PCH N/A 一个或几个 DCH 编码复合成单个 CCTrCH 一个或几个 DCH 编码复合成单个 CCTrCH DSCH + 一个或几个 DCH 编码复合成单个 CCTrCH FACH + 一个或几个 DCH 编码复合成单个 CCTrCH 基本功能还是依注释赖于业务基本功能信道最大比特率由 UE 业基本功能务能力决定信道最大比特率由 UE 业务能力决定此物理信基本功能道组合有利于上行链路的前缀部分 依赖于业务 依赖于业务基本功能 依赖于业务 依赖于业务 依赖于业务 依赖于业务 此物理信道组合有利于上行链路的前缀部分 DCH 信道的最大数目及信道最大比特率由 UE 业务能力决定 DCH 信道的最大数目及信道最大比特率由 UE 业务能力决定物理信道的这种组合用于 DSCH 和 DRAC 共同控制上行链路 DCH DCH 信道的最大数目及信道最大比特率由 UE 业务能力决定 DCH 信道的最大数目及信道最大比特率由 UE 业务能力决定物理信道的这种组合用于 DRAC 控制上行链路 DCH 及各种接收业务如连接模式下的广播 5-35

180 第五章 WCDMA 无线接口 序号 物理信道组合 传输信道组合 基本功能还是依赖于业务 注释 11 SCCPCH + PDSCH + DPCCH + 一个或几个 DPDCH FACH + DSCH + 一个或几个 DCH 编码复合成单个 CCTrCH 依赖于业务 12 一个 DPCCH + 几个 DPDCH 几个 DCH 编码复合成一个或几个 CCTrCH 依赖于业务 信道编译码 1. 信道编码概述 信道编码分为上行链路和下行链路信道编码在网络侧完成下行链路编码和上行链路译码在终端侧完成上行链路编码和下行链路译码 上行链路信道编码和复用包括 CRC 校验传输块级联与分割信道纠错编码无线帧尺寸均衡第一次交织无线帧分段速率匹配传输信道复用并映射到物理信道物理信道分割第二次交织物理信道映射到无线帧上行链路信道复用结构流程如图 5-22 所示 5-36

181 第五章 WCDMA 无线接口 a, a im 1, a im 2, a im 3, K ima i b, b im 1, b im 2, b im 3, K o, o ir 1, o ir 2, o ir 3, K CRC aachmen imb irk i i TrBk concaenaion / Code block segm enaion c, c i 1, c i 2, c i 3, K ie i C hannel coding, i 1, i 2, i 3, K it Radio fram e equalisaion i d, d i 1, d i 2, d i 3, K it i 1 s in erleav in g R ad io fram e seg m en aio n e, e i 1, e i 2, e i 3, K in i R ae m ach in g Rae m a c h in g f, i 1, f i 2, f i 3, K f iv i T rc H M u lip lex in g s s, s,, 1, 2 3 K s S u, u p 1, u p 2, u p 3, K CCTrCH Physical channel seg m en aio n pu 2 nd in erleav in g v, v p 1, v p 2, v p 3, K pu Physical channel m apping PhCH# PhCH# 图 5-22 UE 侧上行传输信道复用结构 5-37

182 第五章 WCDMA 无线接口 a, a im1, aim2, aim3, K b, b im1, bim2, bim3, K o, o ir1, oir 2, oir3, K ima i CRC aachmen imb i TrBk concaenaion / Code block segmenaion irk i c, c i1, ci2, ci3, K g, g i1, gi2, gi3, K ie i ig i h, h i 1, h i 2, h i 3, K Channel coding Rae maching 1 s inserion of DTX indicaion id i Rae maching q, q i1, qi 2, qi3, K iq i 1 s inerleaving Radio frame segmenaion f, f i1, fi2, fi3, K s, 1, s2, s3, K s S w, iv i 1, w2, w3, K w pr u u u, u p1, p2, p3, K v v v, v p1, p2, p3, K TrCH Muliplexing 2 nd inserion of DTX indicaion pu pu Physical channel segmenaion 2 nd inerleaving CCTrCH Physical channel mapping PhCH#2 PhCH#1 图 5-23 UTRAN 下行传输信道复用结构 5-38

183 第五章 WCDMA 无线接口 下行链路信道编码和复用基本上与上行类似包括 CRC 校验传输块级联与分割信道编码速率匹配第一次 DTX 插入第一次交织无线帧分割传输信道复用第二次 DTX 插入物理信道分割第二次交织物理信道映射下行信道复用结构流程如图 5-23 所示 2. 信道编码步骤 (1) CRC 校验 CRC 校验有 或者 0 个比特五种情况产生的 CRC 校验比特添加在传输块的尾部没有传输块输入时不产生 CRC 校验字 (2) 传输块级联与分割 传输块级联如果一个 TTI 中有多个传输块 TB 则将它们级联起来 传输块分割 由于对编码器输入序列长度有大小限制 其中卷积码输入范围 要求 0 K 504 对于 Turbo 码 40 K 5114 不编码时则无限制 所以对传 输块总比特数进行分割处理 如果要进行分割处理 通过总比特数和编码限 制获得应该分割的编码块数 再把总比特数按块数进行均分 不足的在第一 块前添 0 (3) 信道纠错编码 信道纠错编码方式有三种卷积编码 Turbo 编码不编码其中卷积编码的编码率是 1/2 或者 1/3 Turbo 编码的编码率是 1/3 卷积编码 当开始编码时 编码器 如图 5-24 所示 中移位寄存器的初始值 应该全部为 0 Inpu D D D D D D D D Oupu 0 G 0 = 561 ocal) ( Oupu 1 G 1 = 753 ocal) ( (a) 码率 1/2 的卷积编码器 Inpu D D D D D D D D Oupu 0 G 0 = 557 ocal) ( Oupu 1 G 1 = 663 ocal) ( (b) 码率 1/3 的卷积编码器 Oupu 2 G 2 = 711 ocal) ( 图 5-24 卷积编码器结构 Turbo 编码 Turbo 码编码器是由两个 8 状态编码器构成的一个并行的级联卷积编码 PCCC 和一个 Turbo 码内交织器组成 Turbo 编码器的编码速率为 1/3 编码器的结构如图 5-25 所示对输入比特开始编码时 8 状态组合编码 5-39

184 第五章 WCDMA 无线接口 器的转移寄存器的初始值应该全为 0 格形终止 Trellis erminaion 的操作 是在所有的信息比特编码后 从移位寄存器反馈中得到尾比特而实现的 尾 比特加在信息比特编码之后 x k 1s consiuen encoder z k Inpu x k D D D Inpu Turbo code inernal inerleaver Oupu 2nd consiuen encoder z k Oupu x k D D D x k 图 5-25 码率 1/3 的 Turbo 编码器结构 如果一个传输信道中进行编码的数据块不只一个则要将所有的编码后的数据比特流进行串行连接作为无线帧尺寸均衡处理的输入 (4) 无线帧尺寸均衡 当比特流经过编码器编码处理后应该进行无线帧尺寸均衡以保证比特流可以被分为多个无线帧例如一个 TTI 可以有 10ms 20ms 40ms 80ms 四种对于 TTI 为 80ms 的传输信道其比特流经过编码后应将其比特均衡为 8 块填充的比特可以为 0 或者 1 放在比特流的末尾 (5) 第一次交织 经过无线帧尺寸均衡处理的比特流应该进行第一次交织 在正常模式下 将 比特流按行输入到一个矩阵中 然后根据一定规则进行列间置换 最后按列 读出形成一个比特流 (6) 无线帧分段 经过第一次交织的比特流需要进行无线帧的分段如果 TTI 是 10ms 则不要分段对于 TTI ={20ms 40ms 80ms } 则要进行分段处理比特流分段块数以 TTI 为 10ms 的倍数 (7) 速率匹配 对于比特流块分别对它们进行速率匹配处理速率匹配处理过程对一个传输信道上的比特进行重发或者打孔根据分配的速率匹配特性 RM 来计算需重发或者打孔的比特个数速率匹配处理的目的是通过对比特进行重发或者打孔这些方法来确保 TrCH 复用后的总比特速率与被分配的专用物理信道的总信道比特速率相同速率匹配处理的步骤分为如下几步确定扩频因子和所需物理信道数量确定计算速率匹配模式所需参数上行链路中速率 5-40

185 第五章 WCDMA 无线接口 匹配的比特分离和比特合并 (8) 传输信道复用并映射到物理信道 经过速率匹配后每个传输信道输出若干块比特流对于 N 个传输信道各取它们的一块比特流进行串行连接形成一个新的比特流 CCTrCH 例如图 5-26 中有两个传输信道 TrCH 每个信道经过无线帧分割后各有四个块将 TrCH1 和 TrCH2 的第一块组合将 TrCH1 和 TrCH2 的第二块组合依此类推形成了四个 CCTrCH 帧参考下图中的例子 TrCH1 TrCH2 #1 #2 #3 #4 #1 #2 #3 #4 传输信道复用 #1 #1 #2 #2 #3 #3 #4 #4 第二次交织 物理信道映射 D P D C H CFN=4N CFN=4N+1 CFN=4N+2 CFN=4N+3 图 5-26 信道复用到物理信道映射过程的例子 (9) DTX 指示位插入 在下行链路中利用 DTX 比特填充无线帧 DTX 指示比特的插入位置取决于无线帧中 TrCH 的位置是否固定在连接时 UTRAN 决定每个编码组合传输信道 CCTrCH 是否使用固定位置当传输被关闭时使用 DTX 指示比特而且这些指示比特不被发送第一次插入 DTX 比特采用固定位置第二次 DTX 指示比特的插入为不固定位置 (10) 物理信道分割 如果一个 CCTrCH 帧在一个物理信道中无法放下时 则将其等分为 P 个块 分 别使用 P 个物理信道 P 个取值为 1 到 6 它们将在同一帧中使用不同的信道码 发送 (11) 第二次交织 对于每个 CCTrCH 帧形成的一个或者 P 个块其每块的大小为 X 比特将比特流按行输入到一个矩阵中该矩阵的列数为 C2=30 行数为 R=X/30 然后根据列间置换方式进行置换最后按列读出形成一个比特流 (12) 物理信道映射到无线帧 经过第二次交织处理的比特流一一映射到无线帧中如图 5 23 中所示两个传输信道形成了 4 个无线帧分别在连续的 4 个无限帧上发送其发送必须保持与 CFN 的对齐即第一个无线帧必须在 CFN 是 4 的整数倍的帧中发送如 5-41

186 第五章 WCDMA 无线接口 果在物理信道过程中 P 不等于 1 则一个 CCTrCH 形成的 P 个块在同一个无线 帧中发送 扩频与调制 1. 扩频与扰码概述 扩频与扰码应用在物理信道上它包括两个操作如图 5-27 所示第一个是信道化操作通过与信道化码相乘将每一个数据符号转换为若干码片因此增加了信号的带宽每一个数据符号转换的码片数称为扩频因子扩频因子可以取值 第二个是扰码操作将扰码与扩频后的码片符号相乘 数据 比特率码片率码片率 信道化码 扰码 图 5-27 扩频与扰码 2. 信道化码与扰码介绍 信道化码是正交可变扩频因子 OVSF 码用于保持用户不同物理信道之间的正交性正交可变扩频因子 OVSF 码可以用如图 5-28 所示的码树定义 C ch,4,0 =(1,1,1,1) C ch,2,0 = (1,1) C ch,4,1 = (1,1,-1,-1) C ch,1,0 = (1) C ch,4,2 = (1,-1,1,-1) C ch,2,1 = (1,-1) C ch,4,3 = (1,-1,-1,1) SF = 1 SF = 2 SF = 4 图 5-28 用于产生正交可变扩频因子码 OVSF 的码树 信道化码定义为 C ch,sf,k 其中 SF 是码的扩频因子 k 是码的序号 0 k SF-1 码树的每一级定义长度为 SF 的信道化码每一个信道化码字的最左边的值对应于最早发射的码片 扰码扰码序列具有伪随机性对于上行物理信道可用的扰码分为长扰码和 5-42

187 第五章 WCDMA 无线接口 短扰码 共有 2 24 个上行长扰码和 2 24 上行短扰码 上行扰码由高层分配 其中 长扰码产生方法如图 5-29 所示 长扰码 c long,1,n 和 c long,2,n 是由两个二进制 m 序列 的 个码片的模 2 加产生的 二进制 m 序列是由 25 阶生成多项式产生的 x 和 y 代表两个 m 序列 x 序列是由生成多项式 X 25 +X 3 +1 产生 y 序列是由生成多项式 X 25 +X 3 +X 2 +X+1 产生两个序列共同构成 Gold 序列 c long,1,n MSB LSB c long,2,n 图 5-29 上行扰码序列产生器结构图 对于下行物理信道扰码产生方法如图 5-30 所示通过将两个实数序列合并成一个复数序列构成一个扰码序列两个 18 阶的生成多项式产生两个二进制的 m 序列 m 序列的 个码片模 2 加构成两个实数序列两个实数序列构成了一个 Gold 序列扰码每 10 ms 重复一次共有 = 个扰码编号为 但 k = 的扰码可以用 I Q 图 5-30 下行链路扰码产生器 3. 上行链路扩频与扰码 上行链路扩频包括 DPDCH/DPCCH PRACH PCPCH 三种 上行 DPDCH/DPCCH 的扩频原理如图 5-31 描述用于扩频的二进制 DPCCH 和 DPDCH 信道用实数序列表示也就是说二进制的 0 映射为实数 +1 二进制的 1 映射为实数 -1 DPCCH 信道通过信道码 cc 扩频到指定的码片速率信道化之后实数值的扩频信号进行加权处理对 DPCCH 5-43

188 第五章 WCDMA 无线接口 信道用增益因子 β C 进行加权处理 对 DPDCH 信道用增益因子 β d 进行加权处理 加权处理后 I 路和 Q 路的实数值码流相加成为复数值的码流 复数值的信号 再通过复数值的 Sdpch n 码进行扰码 扰码和无线帧对应 也就是说第一个 扰码对应无线帧的开始 PRACH 消息部分和 PCPCH 消息部分扩频和扰码原理与专用信道相同包括数据和控制部分对应专用信道的 DPDCH 和 DPCCH 对于专用信道一个 DPCCH 信道可以和六个并行的 DPDCH 信道同时发射此时 I 路为三个 DPDCH 信道 Q 路为一个 DPCCH 加三个 DPDCH 信道 c d β d DPDCH 数据部分 I I+jQ S msg,n DPCCH 控制部分 Q c c β c j 图 5-31 上行链路扩频 信道码分配原则 DPCCH/DPDCH 的码分配遵照以下原则 DPCCH 信道总是用码 C c = C ch,256,0 扩频当只发送一个 DPDCH 信道时用码 C ch,sf,k, 扩频其中 SF 是扩频因子 k= SF/4 当发送多个 DPDCH 信道时所有 DPDCH 信道的扩频因子等于 4 L=4 DPDCHn 用码 C ch,n= C ch,4,k 扩频其中如果 n 为 {1 2} 时 k = 1 如果 n 为 {3 4} 时 k = 3 如果 n 为 {5 6} 时 k = 2 PRACH 消息部分码分配前缀的标记 s 0 s 15 指向码树的 16 个节点之一节点对应信道码长度为 16 在这个节点以下的树枝用于消息部分的扩频控制部分的扩频用信道化码 cc 扩频信道化码 cc 位于树的最低段扩频因子为 256 C c = C ch,256,m 其中 m = 16s + 15 数据部分的扩频用位于树枝顶段的信道化码扩频因子为 中的任意一个用信道化码 C d= C ch,sf,k 扩频 SF 是数据部分的扩频因子 k = SF s/16 PCPCH 消息控制部分与数据部分的码分配规则控制部分总是用码 C c = C ch,256,0 扩频数据部分使用码 C d= C ch,sf,k 扩频其中 SF 时数据部分的扩频因子且 K=SF/4 数据部分可以使用扩频因子为 4 到 256 中的任意一个 PCPCH 功率控制前缀的信道化码和消息部分的控制部分相同 扰码分配原则所有上行物理信道都和复数值的扰码进行扰码处理 DPCCH/DPDCH 信道既可以用长码又可以用短码扰码 PRACH 信道消息部分用长码扰码 PCPCH 信道消息部分的扰码既可以用长码也可以用短码上行 DPCCH/DPDCH 信道第 n 阶长扰码 S long,n 定义为 S long,n(i) = C long,n(i) i = 上行 DPCCH/DPDCH 信道第 n 阶短扰码 S shor,n 定义为 S shor,n(i) = 5-44

189 第五章 WCDMA 无线接口 C shor,n(i) i = 对应与最先发送的码片的最低阶指数用于 PRACH 信道消息部分的扰码是 10ms 长总共定义了 8192 个不同的扰码 用于 PCPCH 信道消息部分的扰码是 10ms 长 在特定的小区 每一个扰码都 有一个与之一一对应的特征码以及接入前缀部分使用的接入子信道 每个小 区有 64 个上行链路扰码 整个系统中有 个 PCPCH 扰码 分成 512 组 每 组有 64 个 随机接入 PRACH 前缀码随机接入前缀码 Cpre n 是一个复数值序列它由前缀扰码 Sr-pre,n 和前缀 Csig,s 构成 PRACH 前缀部分扰码由长扰码序列产生共有 8192 个 PRACH 前缀扰码 8192 个 PRACH 扰码分成 512 组每组有 16 个小区内 PRACH 前缀扰码组与用于小区内下行链路的主扰码有一一对应的关系如在小区内下行链路的主扰码为 m 的第 k 阶 PCPCH 扰码为 Sr-pre,n i 当 k = 和 m = 时 Sr-pre,n i 中的 n = 16 m + k 前缀特征码前缀特征码是由长度为 16 的 Ps n n=0 15 码的 256 次重复构成的定义如下 Csig,s i = Ps i 模 16 i = 特征序列 Ps n 是从 16 组码长为 16 的 Hadamard 码构成 公共分组信道 PCPCH 前缀码类似于 PRACH 信道接入前缀码 PCPCH 信道接入前缀码 Cc-acc n,s 是复数值序列 PCPCH 前缀部分扰码由长扰码序列产生共有 个 PCPCH 接入前缀扰码前 8192 个 PCPCH 接入前缀使用的扰码与 PRACH 使用的相同则下标仅为 k = 0 15 PCPCH 接入前缀部分扰码中下标为 k = 的这些扰码并没有与 PRACH 共享这就导致了 PCPCH 的 个特有的前缀扰码被分为 512 组每组 64 个 CPCH 接入脉冲接入前缀部分携带 16 种不同的正交复数特征码之一这个码和用于随机接入脉冲前缀部分的码一致 CD 前缀码的构造类似于 PRACH 信道接入前缀码 CD 前缀扰码总共有 个 PCPCH-CD 前缀扰码 个 PCPCH 扰码分成 512 组每组有 80 个如果 PCPCH CD 前缀部分使用的扰码与 PRACH 使用的相同则下标仅为 k = 0 15 PCPCH CD 前缀部分扰码中下标为 k = 的这些扰码并没有与 PRACH 共享就导致了 PCPCH 的 个特有的前缀扰码被分为 512 组每组 64 个 CD 前缀特征码 CPCH 信道接入脉冲接入前缀部分携带 16 种不同的正交复数特征码之一这个码和用于随机接入脉冲前缀部分的码一致 4. 下行链路扩频与扰码 下行物理信道除 SCH 比较特殊其它物理信道 P-CCPCH S-CCPCH CPICH AICH PICH PDSCH 和下行 DPCH 信道相同如图 5-32 所示未扩频前为一个实数值符号序列符号可以取值 +1-1 和 0 这里 0 代表 DTX 对 AICH 信道符号的取值依赖于要发射的符号的精确组合每一对连续的两个符号串并转换偶数编号的符号分到 I 路和奇数编号的符号分到 Q 路符号为 0 的定义为每一帧的第一个对 AICH 信道符号为 0 的定义为每一接入时 5-45

190 第五章 WCDMA 无线接口 隙的第一个 I 路和 Q 路用相同的实数值的信道码 C ch,sf,m 扩频到指定的码片速率实数值的 I 路和 Q 路序列就变为复数值的序列这个序列经过复数值的扰码 S dl,n 进行扰码处理对于 P-CCPCH 信道扩频的 P-CCPCH 帧的第一个复数码片和扰码的 0 相乘扰码于 P-CCPCH 信道的帧边缘对齐对于其它的下行物理信道扰码不必与进行扰码的物理信道的帧边缘对齐 不同的下行链路要进行组合每一个复数制的扩频输出 A 用加权因子 G 进行加权复数制的 P-SCH 和 S-SCH 信道分别用加权因子 Gp 和 Gs 进行加权最后所有下行链路物理信道进行复数加组合在一起 I 串 S dl,n 下行物理信道 并 C ch,sf,m I+jQ A (SCH 信道除外 转换 Q G 1 j G 2 Σ P-SCH Σ 扩频输出 G P S-SCH G S 图 5-32 下行物理信道的扩频 码分配对 CPICH 主信道信道化码固定为 C ch,256,0 对 CCPCH 主信道信道化码固定为 C ch,256,1 对其它物理信道信道化码由 UTRAN 指定 扰码共有 = 个扰码可以产生编号为 但并不是所有的扰码都可以用所有的扰码分成两组一组是 512 个的主扰码另一组是 个的从扰码主扰码包括 n=16 i 的扰码 i=0 511 第 i 阶从扰码包括 16 i+k 的扰码 k=1 15 在主扰码和 15 个从扰码之间有一一对应的关系第 i 个主扰码对应于第 i 个从扰码 主扰码又可以分成 64 个扰码组每个扰码组中有 8 个主扰码第 j 个扰码组包括的扰码为 16 8 j+16 k 这里 j= 和 k=0...7 每一个小区只分配一个主扰码主 CCPCH 和主 CPICH 信道总是用主扰码来发射其余的下行物理信道既可以用主扰码也可以用和小区相关的从扰码 同步码主同步码 PSC 是一个格雷码 Golay 序列主同步码 PSC 具有好的非周期性的自相关性 定义 a = <x1 x2 x3 x16> = < > 通过重复用格雷码序列调制的序列 a 产生主同步码 PSC 并产生实部和虚部相 5-46

191 第五章 WCDMA 无线接口 同的复数值序列主同步码 PSC 定义为 Cpsc = 1 + j <a, a, a, -a, -a, a, -a, -a, a, a, a, -a, a, -a, a, a> 16 个从同步码 SSCs {Cssc,1,,C ssc,16}, 是实部和虚部相同的复数值序列是由哈达玛 Hadamard 序列产生的定义 z 序列为 z = <b, b, b, -b, b, b, -b, -b, b, -b, b, -b, -b, -b, -b, -b>, 其中 b = <x 1, x 2, x 3, x 4, x 5, x 6, x 7, x 8, -x 9, -x 10, -x 11, -x 12, -x 13, -x 14, -x 15, -x 16> 且 x 1, x 2,..., x 15, x 16, 与 a 序列定义一样 Hadamard 序列是由矩阵 H8 的行产生的 H k H = H H k 1 k 1 0 = (1) H H k 1 k 1, k 1 将 n 阶哈达玛 Hadamard 序列记为矩阵 H8 的一行 从顶部开始编号 n = 0, 1, 2,, 255 将序列 hn 和 z 的第 i 个符号记为 hn i 和 z i i = 0, 1, 2,, 255 i = 0 对应最左边的符号 第 k 个 SSC 码,, Cssc,k k = 1, 2, 3,, 16 定义为 C ssc,k = (1 + j) <h m(0) z(0), h m(1) z(1), h m(2) z(2),, h m(255) z(255)>, SSC 码的分配 64 个从的 SCH 码序列的构成使它们的循环移位是唯一的也就是说 64 个码序列中任一个非 0 的小于 15 的循环移位不等于其它 64 个序列的循环移位并且任一个非 0 的小于 15 的循环移位不等于它自己的其它小于 15 的循环移位 5. 调制 WCDMA 系统的调制码片速率是 3.84Mcps 通过扩频产生的复数值码片用 QPSK 方式进行调制如图 5-33 所示上下行链路调制相同 cos( ω) S 扩频后码片复序列 复序列变为虚部和实部 Re{S} Im{S} 脉冲形成 脉冲形成 -sin(ω) 图 5-33 上下行链路调制 5-47

192 第五章 WCDMA 无线接口 物理层过程 1. 同步过程 物理层同步过程包括小区搜索公共信道同步专用信道同步等 (1) 小区搜索 在小区搜索过程中 UE 将搜索小区并确定该小区的下行链路扰码和该小区的帧同步小区搜索一般分为三步 第一步为时隙同步基于 SCH 信道 UE 使用 SCH 的主同步码 PSC 去获得该小区的时隙同步典型方法是使用匹配滤波器来匹配 PSC 为所有小区公共小区的时隙定时可由检测匹配滤波器输出的峰值得到 第二步为帧同步和码组识别 UE 使用 SCH 的从同步码 SSC 去找到帧同步并对第一步中找到的小区的码组进行识别这是通过对收到的信号与所有可能的从同步码序列进行相关得到的并标识出最大相关值由于序列的周期移位是唯一的因此码组与帧同步一样可以被确定下来 第三步为扰码识别 UE 确定找到的小区所使用的主扰码 主扰码是通过在 CPICH 上对识别的码组内的所有的码按符号相关而得到的 在主扰码被识别 后 则可检测到主 CCPCH 系统和小区特定的 BCH 信息也就可以读取出来 了 (2) 公共物理信道同步 所有公共物理信道的无线帧定时都可以在小区搜索完成之后确定在小区搜索过程中可以得到 P-CCPCH 的无线帧定时将被作为所有物理信道的定时基准直接用于下行链路但是非直接用于上行链路从其它公共物理信道与 P-CCPCH 的相对定时关系确定公共物理信道同步 (3) 专用物理信道同步 不同下行专用信道 DPCH 同步定时可以不同但其与 P-CCPCH 的帧定时的偏置将是 256 码片的整数倍即有 S-CCPCH,k = Tk 256 码片其中 Tk 属于 { } 如图 5-34 所示 5-48

193 第五章 WCDMA 无线接口 NB UE DL BFN Tcell SFN is delayed Tcell relaive BFN DL SFN (Cell 1) DL SFN mod 256 frames Rounded (Frame_offse+Chip_offse) DL DPCH (CFN) DL DPCH 1 = (SFN 1 - Rounded (Frame_offse + Chip_offse)) mod 256 frames Tp1 Ex: Frame_offse =2, Chip_offse =10240 chips DL DPCH UL DPCH (T UETx ) T o +/-α DL DPCH nom (T UETx -T o ) T o Ex: OFF +Tm = frames Š OFF =3, Tm=12672 chips. DL DPCHnom (TUETx -To) used as ref. a UE. 图 5-34 FDD 模式下无线接口同步时序框图 Tcell 相对 DL DPCHnom 接收到的第一径 DPCH SFN 相对于 BFN 的时延 Tm UE 中测量值范围为 0 到 38399chips T0 固定大小 1024chips 为 TUETx 与第一径之差 TpX TUETx UE 到第 x 小区传播延迟 UE 发送上行专用物理信道时刻 在 UE 侧上行链路 DPCCH/DPDCH 帧发射大概在接收到对应的下行 DPCCH/DPDCH 帧的第一个检测径后 T 码片处同一 UE 的所有 UL DPCCH/DPDCHs 有相同的帧定时 DL DPCCH 和同一 UE 的专用类型的 CCTrCHs 的所有 DPDCHs 有相同的帧定时 SFN 是 Node B 的小区系统帧号 SFN 在 Node B 的 BFN 参考基准 Tcell 后发送 CFN 是 DL 和 UL 专用物理信道 DPCH 相关的帧记号 UL DPCH 从 UE 发送到小区 DL DPCH 在 UE 的定时比 T UETX 提前 T o 对专用物理信道采用同步原语指示上下行无线链路的同步状态一般采用基于接收到的 DPCCH 质量或 CRC 校验确定下行同步原语是 UE 的层一将测量下行专用信道的每一物理帧的同步状态并向高层报告上行同步原语是 Node B 的层一将测量所有无线链路集合的每一物理帧的同步状态并向 RL 失败 / 恢复触发函数报告因此在每一个链路集中只有一个同步状态指示 Node B 每一个无线链路可以存在 3 种不同的状态初始状态非同步状态和同步状态无线链路集合的两个不同状态之间的转换如图 5-35 所示 5-49

194 第五章 WCDMA 无线接口 初始状态 RL 重建 RL 失败 同步状态 非同步状态 RL 恢复 图 5-35 Node B 无线链路集合的状态和相互转换 无线链路不存在情况下的无线链路建立 Node B 把将要建立的无线链路设置为初始状态 UTRAN 开始发送下行 DPCCH/DPDCH UE 根据 CPICH 的定时信息和来自 UTRAN 的定时偏置信息建立下行链路码片同步和帧同步 UE 在每一个无线帧都要向高层报告下行同步状态如果没有告知 UE 发送上行 DPCCH/DPDCH 的时刻则认为下行物理信道建立后马上发送上行物理信道 UTRAN 建立上行码片同步和帧同步无线链路集一直保持初始状态直到从层一收到 N_INSYNC_IND 个连续的同步标志后 Node B 触发 RL 重建过程无线链路的重建标志着这个链路已经得到了同步 存在一个或几个无线链路情况下的无线链路建立 Node B 认为将要建立的无线链路集处于初始状态已经存在的链路集的状态要优于新链路的状态即如果当前链路集处于同步状态则新链路也被认为处于同步状态 UTRAN 在某时刻开始发射下行 DPCCH/DPDCH 该时刻要使得 UE 能在上行 DPCCH/DPDCH 帧定时前 T0 148 个码片内收到下行 DPCCH/DPDCH 同时 UTRAN 建立新无线链路的码片同步和帧同步 UE 建立新无线链路的码片和帧同步其中帧同步用 FSW 确认 无线链路监测无线链路失败条件是基于分别标志同步和非同步的同步状态原语 UE 监测下行无线链路并决定是否触发无线链路失败过程 Node B 监测上行无线链路并触发无线链路的失败 / 重建过程无线链路一旦建立就将处于同步或非同步状态每一个无线链路集只有一种同步状态标志 传输时间的调整在连接状态 UE 可以调整一个连接的 DPDCH/DPCCH 的传输时刻如果当前激活集中的任何下行 DPCCH/DPDCH 的接收定时发生了偏移造成该下行 DPCCH/DPDCH 的接收时刻与上行 DPCCH/DPDCH 的发射时刻之间的差别超出了正确范围可以调整下行发射定时对上行 TX 的时间调整的最大调整速率及下行 DPCCH/DPDCH 的接收时刻与上行 DPCCH/DPDCH 的发射时刻之间的差别范围有限制 2. 功率控制 功率控制分为开环功率控制和闭环功率控制对于开环功率控制主要是在 RACH 的接入过程和 CPCH 的接入过程的初始化阶段前缀部分的发射过程采 5-50

195 第五章 WCDMA 无线接口 用的功率控制方法对于闭环功率控制又分为快速和慢速闭环功率控制系统中主要是采用快速闭环功率控制 对于 UE 侧下行闭环功率控制调整网络的发射功率使接收到的下行链路的 SIR 保持在一个给定的目标值 SIRarge 附近而每一个连接的 SIRarge 则由高层外环功率控制分别调整 UE 同时估计下行 DPCCH/DPDCH 的接收功率和干扰功率得到信噪比估计值 SIRes 然后根据以下规则产生 TPC 命令如果 SIRes>SIRarge 则 TPC 命令为 0 要求增加发射功率如果 SIRes < SIRarge 则 TPC 命令为 1 要求降低发射功率 (1) 上行信道的发射功率控制 PRACH 消息部分的功率控制将采用增益因子去控制 控制 / 数据部分 的相对功率以使其与上行专用物理信道的功率相近 PCPCH 消息控制部分和数据部分的功率同时控制控制部分和数据部分功率的差别由网络侧利用增益因子计算确定通知 UE PCPCH 的功率控制前缀用于初始化控制部分和对应的 DL DPCCH 都可以在上行功率控制前缀部分发送而数据部分只能在功率控制前缀结束之后才能发送 上行 DPCCH/DPDCH 功率控制高层确定初始发射功率 DPCCH/DPDCH 发射功率的偏差由网络侧利用增益因子计算确定上行 DPCCH 发射功率的变化在其导频区域开始前发生变化由 UE 推导得出 UE 的发射功率不能超过一个最大的允许值其大小要低于该终端所属的功率等级中的最大输出功率 上行 DPCCH/DPDCH 正常发射功率控制上行闭环功率控制调节 UE 的发射功率使得 UTRAN 接收到的上行链路的信干比 SIR 保持在一个给定的目标值 SIRarge 附近服务小区对接收到的上行 DPCH 的信干比进行估计再根据估计得到的 SIRes 和以下规则产生 TPC 命令如果 SIRes > SIRarge TPC 命令 = 0 如果 SIRes < SIRarge TPC 命令 = 1 TPC 命令每时隙发送一次 UE 根据 TPC 命令得出 TPC-cmd 值如果 UE 在一个时隙内收到多个 TPC 命令则对多个命令进行合并得到一个单一的 TPC 命令 UE 支持两种 TPC 命令合并算法 TPC 命令合并算法 1 是合并相同的 TPC 命令处于同一个无线链路集合并不同的 TPC 命令采用软判决加权 TPC 命令合并算法 2 比算法 1 采用最小步长更小的调整步长采用硬判决合并 上行 DPCCH/DPDCH 压缩模式下的功率控制 一些帧被压缩 形成传输间隙 此时 UTRAN 支持的上行功率控制参数和步长与非压缩模式相同 另外有附 加特征 使每个传输间隙之后的信干比 SIR 能尽快恢复并接近目标 SIR 在上行压缩帧的传输间隙中 停止发送上行 DPDCH 和 DPCCH 在上下行压 缩帧中 下行链路中可能会缺少 TPC 命令 这时对应的 TPC_cmd 将设为 0 压缩和非压缩模式下的上行 DPCCH 的导频个数可能不同 在每个时隙的开 始 UE 计算功率调整量 改变上行 DPCCH 的发射功率 补偿导频符号总功率 的变化 功率控制前缀可用于 DCH 的初始化上下行 DPCCH 都可以在上行功率控制前缀部分发送而上行 DPDCH 只能在功率控制前缀结束之后才能发送功率控制前缀部分的长度是 UE 的一个特定参数由网络通过信令通知其值 5-51

196 第五章 WCDMA 无线接口 为 0 到 8 个帧上行 DPCCH/DPDCH 功率差设置 DPCCH 和 DPDCH 采用不同码进行发送不同的输格式组合 TFC 对应的增益因子不同正常帧的 TFC 对应的 DPCCH 和 DPDCH 的增益因子可以通过网络侧配置或高层信令配置 (2) 下行信道的发射功率控制 下行信道的发射功率由网络决定高层提供的功率设置是对发射总功率的设置在发射分集时是两个天线的发射功率和 下行 DPCCH/DPDCH 功率控制 DPCCH 和其对应的 DPDCHs 的功率同时控制 功率控制环路以相同的步长调节 DPCCH 和 DPDCH 的功率 DPCCH 和 DPDCH 的相对发射功率偏置由网络决定 DPCCH 中 TFCI TPC 和导频字段 相对于 DPDCH 的功率偏置分别为 PO1 PO2 和 PO3 db CPCH 对应的 DL DPCCH 中的 CCC 区域的功率和导频区域的功率相同 下行 DPCCH/DPDCH 正常发射功率控制 UE 产生 TPC 命令来控制网络的发射功率并在上行 DPCCH 的 TPC 字段发送 UTRAN 对接收到的 TPC 命令作出反应调节下行 DPCCH/DPDCH 的发射功率一个时隙中发射的所有 DPDCH 符号的平均功率在一个功率门限范围内功率调整步长为最小步长 1dB 或 0.5dB 的整数倍当失去同步 UE 不能产生 TPC 命令时 TPC 命令在非同步状态为 1 UTRAN 按照命令调整下行 DPCCH/DPDCH 的发射功率可以每个时隙或每三个时隙估计 TPC 命令更新一次发射功率 下行 DPCCH/DPDCH 压缩模式下的功率控制压缩模式下的下行功率控制的目的是为了尽快将发射间隙之后的 SIR 恢复到与目标 SIR 接近在压缩帧的传输间隙下行 DPDCH 和 DPCCH 停止发送 DPCCH 传输间隙后的第一个时隙的发射功率等于传输间隙之前的那个时隙的功率 PDSCH 的功率控制由网络层决定是基于 UE 在上行 DPCCH 上发送的功率控制 指令进行闭环功率控制或慢功率控制 AICH 功控相对于主 CPICH 的 AICH 的 发射功率 测量每个发送的捕获标志得到 由高层通知 UE PICH 功控相对 于主 CPICH 的 PICH 的发射功率 测量发送的寻呼指示得到 由高层通知 UE S-CCPCH 相对于数据部分的发射功率 TFCI 和导频部分有一个偏移量 CSICH 相对于主 CPICH 的发射功率 由每一个发射状态指示测量得到 由高 层通知 UE 3. 随机接入过程 随机接入过程分为 RACH 接入和 CPCH 接入 (1) RACH 随机接入过程 随机接入初始化前层一将从 RRC 层接收信息前缀的扰码参数 AICH_Transmission_Timing 0 或 1 接入业务种类 ASC 可用的特征码 RACH 子信道集功率倾斜因子 Power_Ramp_Sep 大于 0 的整数参数 Preamble_Rerans_Max 大于 0 的整数前缀的初始功率 Preamble_Iniial_Power 上次发射的前缀和随机接入消息控制部分之间的频率偏移 DPp-m = Pmessage-conrol - Ppreamble 传送格式参数集包括每个传 5-52

197 第五章 WCDMA 无线接口 送格式的数据和控制部分之间的功率偏移 DPp-m 随机接入初始化阶段层一将从 MAC 层接收信息用于 PRACH 消息部分的传送格式 PRACH 传输的 ASC 发射的数据传送数据块的集合 物理随机接入过程如图 5-36 所示 (1) 在选择的 RACH 子信道组中导出可用上行接入时隙如果在被选择的集合中没有接入时隙可用则在下一个接入时隙集合中随机选择一个与 RACH 子信道组相关的上行接入时隙 (2) 为规定的 ASC 从可用的识别 Signaure 标识中随机选择一个 (3) 设置前缀重传计数 Preamble_Rerans_Max (4) 设置前缀传输功率 Preamble_Iniial_Power (5) 利用选择的上行接入时隙 识别 Signaure 标识 前缀传输功率参数传送一 个前缀 (6) 在与选择的上行链路接入时隙相对应的下行链路接入时隙中如果没有检测到与选择的识别 Signaure 标识相关的捕获指示正负值 AI 的取值非 1 即 -1 情况下选择一个新的上行链路接入时隙作为下一个可用的接入时隙选择 Signaure 标识增加前缀传输功率前缀重传计数减 1 如果前缀重传计数大于 0 则重复步骤 6 否则退出物理层随机接入过程 (7) 如果检测到与选择的识别 Signaure 标识相关的捕获指示为否定值退出物理层随机接入过程 (8) 如果检测到与选择的识别 Signaure 标识相关的捕获指示为肯定值则在 AICH 对应上次前缀发射后 3 或 4 个上行接入时隙发射接入消息 (9) 结束物理层随机接入过程 5-53

198 第五章 WCDMA 无线接口 开始 从可用 RACH 子信道组中随机选择一个导出可用上行接入时隙 随机选择 SIGNATURE 一个 设置 Preamble_Rerans_Max 设置前缀重传功率 传送一个前缀 在对应的下行链路接入时隙中检测 AI 指示 没有相关的捕获指示 捕获肯定指示 捕获否定指示 重新选择一个接入时隙 在对应时间发送随机接入 Message 物理层状态为 Nack on AICH received 随机选择一个 SIGNATURE 标识增加前缀传输功率 DP0 前缀重传计数减 1 前缀重传计数大于 0 物理层状态为 RACH message ransmied 物理层状态为 Nack on AICH received 通过 L1 状态消息上报 MAC 层 结束物理层随机接入过程 图 5-36 RACH 接入流程 接入时隙与 RACH 子信道选择方法 RACH 子信道规定有 12 个 RACH 子信道集 RACH 子信道号从 0~11 编号上下行接入时隙时间间隔通过 P-CCPCH 帧在 SFN mod 8 = 0 或 SFN mod 8 = 1 进行时间安排 PRACH 包括两个集合集合 1 包括 PRACH 时隙 0 7 初始时刻比 SFN mod 2 = 0 的下行 P-CCPCH 帧提前 p-a chips 集合 2 包括 PRACH 时隙 8 14 初始时刻比 SFN mod 2 = 1 的下行 P-CCPCH 帧提前 p-a-2560 chips (2) CPCH 随机接入过程 CPCH 接入初始化前获得系统消息配置参数接入前缀 AP 的扰码特征码集合时隙子信道组等参数 AP-AICH 前缀信道码碰撞检测 CD 前缀的扰码特征码集合时隙子信道组等参数 CD-AICH 前缀信道码 5-54

199 第五章 WCDMA 无线接口 CPCH 上行扰码 DPCCH 上行信道码 512 个码片 物理层从 RRC 层接收参数允许 UE 重发接入前缀最大次数 N_AP_rerans_max 第一次发送接入前缀的初始开环功率电平每个连续的 CPCH 接入前缀的功率增加步长 P0 接收到 AICH 负值时每个连续接入前缀的功率增加步长 P1 CD 前缀发送功率和 CPCH 功率控制前缀的初始发送功率之间的差值在功率控制前缀长度为 0 时 CD 前缀发送功率和消息控制部分的发送功率之间的差值 CPCH 发送时序参数 Tcpch 与 PRACH/AICH 的参数相同功率控制前缀长度 0 或者 8 个时隙 Lpc-preamble DL-DPCCH 中用来发送用于 CPCH 的消息指示开始所占用的帧数 NSar_Message 传输格式参数集一个传输格式到 PCPCH 的映射表 物理层从 MAC 层接收信息消息部分的传输格式每个 TTI 传输的数据 CPCH 接入过程处理如图 5-37 所示 (1) 接入传输格式确定接收 MAC 层传送来的 Saus-REQ 消息监控 CSICH 信道决定 Saus-REQ 消息中传输格式是否可用在 CA 模式激活情况下 UTRAN 在 CSICH 上传送每个 PCPCH 的可用性或者最大的可用数据速率上层为 UE 提供消息将传输格式映射到 PCPCH 上 UE 将发送 Saus-CNF 消息到 MAC 层其中包括传输格式子集中可用的传输格式 (2) 从 MAC 层接收 Access-REQ 消息获得一个可用 PCPCH 信道的传输格式根据 PCPCH 的可用性或最大可用数据速率执行下面步骤之一在 CA 没有激活的情况下接入资源组合 AP signaures 和接入子信道组映射到每个 PCPCH 资源上 UE 测试最新传送的 CSICH 信道的状态指示在 CA 激活的情况下 CSICH 状态指示中指出了最大的可用数据速率和每个 PCPCH 的可用性 UE 检查 SI 值 (3) 设置接入前缀第一次接入尝试的发送功率 (4) 根据 N_AP_Rerans_Max 的数值设置 AP 的重发计数器 (5) 选择 CPCH-AP 所使用的上行接入时隙和 signaure 在 CA 没有激活的情况下根据传输格式从 CSICH 所指示的可用 PCPCH 集中随机选择一个根据 PCPCH 可用 signaure 集中随机选择一个 CPCH-AP signaure 根据 PCPCH 接入时隙子信道组确定 CPCH- AP 接入时隙在 CA 激活情况下 Access-REQ 消息中确定了传输格式根据传输格式对应的 signaure 集中随机选择一个 CPCH-AP signaure 根据传输格式得到其使用的接入时隙子信道组再确定上行接入时隙 (6) UE 在选择的上行接入时隙中发送 AP 使用选择的 signaure 和 MAC 提供的初始发射功率 CA 未激活的情况 UE 检测最新接收到的 SI 值如果 SI 不可用则 UE 放弃接入同时发送一个失败消息给 MAC 层否则 UE 在选择的上行时隙使用 MAC 层提供的 signaure 和在 sep 3 中选择的初始发送功率发送 AP CA 激活的情况 SI 指示每个 PCPCH 的可用性和最大可用数据速率 UE 检测 SI 值如果 SI 的最大可用数据速率小于 MAC 层要求的数据速率 UE 放弃接入同时发送一个失败消息给 MAC 5-55

200 第五章 WCDMA 无线接口 层否则 UE 使用选择的上行接入时隙 MAC 层提供的 signaure 和 sep 3 中选择的初始发射功率发送 AP (7) 检测捕获指示如果 UE 在所选的下行接入时隙中使用所选的 signaure 没有检测到捕获指示则 UE 将重新检测 CSICH 上最新发送的 SI 的值如果 SI 指示不可用则 UE 放弃接入尝试否则执行下面步骤从可用的接入时隙中选择一个新的上行接入时隙增加接入前缀的发射功率将 AP 重发计数器的数值减一如果 AP 重发计数器的数值小于 0 了则 UE 放弃接入尝试同时发送失败消息给 MAC 层 (8) 检测捕获指示如果 UE 检测到负的捕获指示信息 AP-AICH_nak 则 UE 放弃接入尝试同时发送失败消息给 MAC 层 UE 设置负的 AICH 定时器用 P1 代替 P0 直到定时器到期为止 (9) 当 UE 接收到捕获指示正确信息 AP-AICH_ack UE 结束 AP 接入过程开始冲突检测过程在该过程 UE 从 CD signaure 集中随机选择一个 CD signaure 以及从 CD 子信道组中随机选择一个 CD 接入时隙子信道然后使用与最后一个 AP 前缀相同的功率发送 CD 前缀之后等待从 Node B 发送过来的 CD/CA-ICH 以及 CA 在 CA 激活的情况下消息 (10) 如果 UE 没有在预定的时隙中接收到 CD/CA-ICH UE 则放弃接入尝试同时发送失败消息给 MAC 层 (11) 如果 UE 在预定的时隙中用不是 CD 前缀使用的 signaure 检测到 CD/CA-ICH 则 UE 放弃接入尝试同时发送失败消息个 MAC 层 CA 未激活的情况如果 UE 使用预定的 signaure 从 CD/CA-ICH 中接收到了 CDI UE 在 CD 前缀开始的时刻 cd-p-pc-pms 之后发送功率控制前缀功率控制前缀的初始发送功率比 CD 前缀的功率高 DPp-m db 消息部分紧接在功率控制前缀之后传输 CA 激活的情况如果 UE 使用预定的 signaure 在 CD/CA-ICH 上接收到一个 CDI 消息 CA 消息指出 PCPCH 信道中的一个是空闲的则 UE 在 CD 前缀开始的时刻 cd-p-pc-p ms 之后发送功率控制前缀功率控制前缀的初始发送功率比 CD 前缀的功率高 DPp-m db 消息部分紧接在功率控制前缀之后传输如果接收到的 CA 消息指出信道状态为忙则 UE 将放弃接入尝试同时发送失败消息给 MAC 层 (12) 在功率控制前缀之后的第一个 NSar_Message 帧中 UE 从 CPCH 对应的下行 DPCCH 中检测消息开始指示 (13) 如果 UE 没有检测到消息开始指示则 UE 放弃接入尝试同时发送失败消息给 MAC 层否则继续发送分组数据 (14) 在 CPCH 分组数据传输的过程中 UE 和 UTRAN 在 CPCH 上行链路上和 DPCCH 下行链路上进行闭环功率控制 (15) 在功率控制前缀之后的第一个 NSar_Message 帧之后接收到一个 UTRAN 发送的紧急停止命令则 UE 停止 CPCH 的上行传输放弃接入尝试同时发送失败消息给 MAC 层 5-56

201 第五章 WCDMA 无线接口 (16) 如果在功率控制前缀或者分组数据传输的过程中 UE 检测到 DPCCH 下行链路损耗则 UE 放弃接入尝试同时发送失败消息给 MAC 层 (17) 当分组包指示传输结束后 UE 开始发送空帧空帧的个数由高层设置 开始 从 MAC 接收 Saus-REQ 命令 检查 CSICH 得到可用 PCPCH 信息 从给 MAC 返回 Saus-CNF 命令 设置 N_AP_Rerans_Max 设置前缀初始发射功率 随机选择一个 Signaure 和接入子时隙 发送一个 AP 接入前缀 在对应的下行链路接入时隙中检测 AI 指示 没有相关的捕获指示 捕获肯定指示 捕获否定指示 重新选择一个接入时隙 重新选择一个接入子时隙增加前缀传输功率 随机选择一个 CDSignaure 在选择的时隙中发送 CD 前缀 在预定的时隙中接收指示 物理层状态为 Nack on AICH received 没有相关的捕获指示 前缀重传计数减 1 前缀重传计数大于 0 捕获肯定指示 物理层状态为 Nack on AICH received 根据高层配置发送功率控制前缀在对应时间发送消息 将物理层状态上报 MAC 层 结束物理层 CPCH 接入过程 图 5-37 CPCH 接入流程 5-57

202 第五章 WCDMA 无线接口 4. 发射分集过程 (1) 发射分集概述 发射分集种类分为开环发射分集模式和闭环发射分集模式一个物理信道上同时只能使用一种模式如果在任何一个下行物理信道上使用了发射分集则在 P-CCPCH 和 SCH 也将使用发射分集 CPICH 发射分集时两路正交 PDSCH 帧的发射分集模式与其随路的 DPCH 上使用的发射分集模式相同各种下行物理信道采用的发射分集模式如表 5-3 所示 表 5-3 各种下行物理信道采用的发射分集模式 物理信道类型 开环模式 闭环模式 TSTD STTD Mode P-CCPCH 不可应用 可以应用 不可应用 SCH 可以应用 不可应用 不可应用 S-CCPCH 不可应用 可以应用 不可应用 DPCH 不可应用 可以应用 可以应用 PICH 不可应用 可以应用 不可应用 PDSCH 不可应用 可以应用 可以应用 AICH 不可应用 可以应用 不可应用 CSICH 不可应用 可以应用 不可应用 (2) 开环发射分集 下行开环发射分集采用了基于空间时间块编码的发射分集 STTD 在 4 个连续的信道比特块中使用 STTD 编码信道比特 b0 b1 b2 b3 通用 STTD 编码器的框图如图 5-38 所示信道编码速率匹配和交织是在非分集模式下进行的对 DTX 比特 bi 表示实数值 0 对其它所有的信道比特而言则表示 1-1 b 0 b 1 b 2 b 3 天线 1 b 0 b 1 b 2 b 3 两信道比特 -b 2 b 3 b 0 -b 1 天线 2 两天线 STTD 编码后信道比特 图 5-38 STTD 编码器的通用模块框图 (3) 时间切换的发射分集 TSTD TSTD 发射分集仅用于 SCH 图 3-39 表示使用 TSTD 方案进行发射的 SCH 的结构在偶数时隙 PSC 和 SSC 都在天线 1 上进行发射而在奇数时隙 PSC 和 5-58

203 第五章 WCDMA 无线接口 SSC 在天线 2 上进行发射 Slo #0 Slo #1 Slo #2 Slo #14 天线 1 ac p ac p ac p ac s i,0 ac s i,2 ac s i,14 天线 2 ac p ac s i,1 图 5-39 用 TSTD 方案进行发射的 SCH 结构 (4) 闭环模式发射分集 闭环模式发射分集的信道编码交织和扩频与非分集模式相同扩频后的复信号送到两个发射天线并被加权因子 w1 和 w2 加权加权因子由 UE 决定并利用上行 DPCCH 的 FBI 字段的 D 段比特通知 UTRAN 闭环模式发射分集关键是加权因子的计算 按加权因子计算方法不同分为两 种模式 模式 1 采用相位调整量 两个天线发射 DPCCH 的专用导频符号不同 正交 模式 2 采用相位 / 幅度调整量 两个天线发射 DPCCH 的专用导频符 号相同 支持 DPCH 闭环模式发射分集的发射机的大概结构如图 5-40 所示信道编码交织和扩频与非分集模式相同扩频后的复信号送到两个发射天线并被天线的特定加权因子 w1 和 w2 加权通常情况下加权因子为复数即 wi = ai + jbi 加权因子其实就是对应的闭环模式 1 下的相位调整量和闭环模式 2 下的相位 / 幅度调整量由 UE 决定并利用上行 DPCCH 的 FBI 字段的 D 个比特通知 UTRAN 接入点即小区收发信机 对闭环模式 1 两个不同的天线发射的 DPCCH 的专用导频符号不同正交对闭环模式 2 在两个不同的天线上发射的 DPCCH 上的专用导频符号相同 5-59

204 第五章 WCDMA 无线接口 CPICH 1 An 1 扩频与扰码 w 1 Tx DPCCH DPDCH DPCH Tx An 2 w 2 CPICH 2 Rx w 1 w 2 权重产生 Rx 根据上行 DPCCH 决定 FBI 图 5-40 支持 DPCH 闭环模式发射分集的下行发射机的大概结构 反馈信息的确定 UE 利用 CPICH 估计来自每个天线的信道在每一个时隙 UE 计算相位调整量在模式 2 还要计算幅度调整量这些调整量用于 UTRAN 控制 UE 的接收功率达到最大 UE 向 UTRAN 反馈相位 / 功率设置信息反馈通知信息 FSM 比特利用分配给闭环模式发射分集的上行 DPCCH 中的 FBI 的 D 区域发送 UTRAN 在下行 DPCCH 导频区域开始处进行相位和幅度调整 UE 利用天线 1 和 2 的 CPICH 计算相位调整量 在每个时隙 UE 计算天线 2 的最优的相位调 整量 帧尾调整在接收到下一帧的第 0 个时隙的 FB 指令时则对上一帧的第 13 个时隙和下一帧的第 0 个时隙的指令作平均即第 14 个时隙的没用 正常初始化 UE 按正常方式确定反馈指令并向 UTRAN 发送 UTRAN 接收到第一个 FB 指令后通过第一帧的第 0 个时隙的相位调整量计算 w2 5. 物理层测量过程 网络系统要执行的一些关键功能如切换功控等网络优化等都需要物理层提供精确测量在系统中 UE 和 UTRAN 物理层分别执行不同测量 (1) UE 侧的测量 CFN-SFN 观测时间差 CFN-SFN 观测时间差指的是 UE 中 CFN 与目标相邻小 区 SFN 之间的时间差 此测量只用于 FDD 模式下的小区 GSM 小区的观测时间差如果 UE 支持到 GSM 服务的切换特定 UTRA 和 GSM 小区定时之间的时间差 CPICH Ec/N0 CPICH 上接收到的每个码片能量与频带功率密度的比值它 5-60

205 第五章 WCDMA 无线接口 等于 RSCP/RSSI CPICH SIR 此测量为 CPICH 接收信号码功率 RSCP 与干扰信号码功率 ISCP 的比值 CPICH RSCP 接收信号码功率是 CPICH 信道解扩后收到的功率 CPICH ISCP 干扰信号码功率是解扩后在接收信号上的干扰因此仅包括干扰的非正交部分 SIR 信噪比定义为 RSCP/ISCP SF/2 对于 FDD 模式此值是在 DPCCH 上测量 UTRA 载波的 RSSI 接收信号强度指示 即在整个信道频带内的宽带接收功 率 GSM 载波的 RSSI 如果 UE 支持到 GSM 服务的切换则此测量必须执行接收信号强度指示即在相应信道频带内的宽带接收功率 传输信道 BLER 传输信道误块率 BLER 的估计 UE 的传输功率 UE 在天线连接器上测得的总发射功率 UE 接收 - 发送的时间差 UE 上行 DPCCH/DPDCH 帧发送与来自被测无线链路 下行 DPCH 帧的主径之间的时间差 包括激活小区在内 此测量将在每个小 区中进行 SFN-SFN 观测时间差对单个 Node-B 到达时间 TOA 的测量能够估计出信号在 UE 和 Node-B 间往返的时间从而可进一步计算到 UE 的距离 (2) UTRAN 侧的测量 RSSI 接收信号强度指示即在 UTRAN 接入点测得的其上行信道带宽内的宽带接收功率 发射载波功率发射载波功率是来自一个 UTRAN 接入点的下行载波总发射功率与此时其所能达到的最大功率之比 发射码功率发射码功率是一个载波一个扰码和一个信道码的发射功率 传输信道的 BLER 传输信道误块率 BLER 的估计 物理信道的 BER 传输信道的 BER 物理信道的 BER 是无线链路组合后在控制部分上的测量 传输信道的 BER 是无线链路组合后在数据部分上的测量 回返时间回返时间是从 UE 的下行帧开始发送时间到 UE 响应上行帧开始接收时间之间的差 频率偏移频率偏移用来测量相对时间差 RTD 的变化速率也用于估计 UE 位置测量时的 RTD 是定位业务所依赖的方法之一频率偏移 FO 测量的是两个 Node-B 发送相对时间差的变化漂移率 5-61

206 第五章 WCDMA 无线接口 SIR 信噪比定义为 RSCP/ISCP SF 对 FDD 模式 它在 DPCCH 上测 量 传播时延传播时延测量单程传播时延在 PRACH 或 PCPCH 接入期间测量传播时延测量可用于 DPCH 建立因为它在建立上行链路 CPCH 时允许搜索窗 5-62

207 目录 第六章基本信令流程 UE 的状态与寻呼流程 UE 状态 寻呼流程 空闲模式下的 UE 概述 PLMN 选择和重选 小区选择和重选 位置登记 无线资源管理流程 RRC 连接建立流程 信令建立流程 RAB 建立流程 呼叫释放流程 切换流程 RNC 迁移 电路域移动性管理 位置更新 去活 鉴权流程 安全模式控制 TMSI 重分配 联合位置更新 分组域移动性管理流程 MM 功能概述 移动性管理状态 GMM 的定时器功能 SGSN 和 MSC/VLR 之间的联系 MM 过程 GPRS 附着功能 分离功能 安全流程 位置管理功能 重定位 i

208 用户管理功能 服务请求 系统间切换 类标处理 呼叫控制 移动起始呼叫建立 移动终止呼叫的建立 RAB 流程 寻呼流程 呼叫释放过程 分组域会话管理流程 SM 基本概念 PDP Conex 激活功能 PDP Conex 修改功能 PDP Conex 去激活功能 保留过程和 RAB 重建 Mobile IP 支持 图 6-1 寻呼空闲模式和 PCH 状态下的 UE 图 6-2 寻呼 CELL_DCH 或 CELL_FACH 状态下的 UE 图 6-3 空闲模式下的 UE 图 6-4 PLMN 选择状态图 自动模式... 图 6-5 PLMN 选择状态图 人工模式... 图 6-6 位置登记任务状态图... 图 6-7 空闲模式下的小区选择与重选在任何状态下 新 PLMN 的选择将导致状 态的退出 从开始点 1 重新开始... 图 6-8 RRC 连接建立在专用信道上 图 6-9 RRC 连接建立在公共信道 图 6-10 信令建立过程 图 6-11 RAB 建立流程 DCH-DCH 同步 图 6-12 RAB 建立流程 DCH-DCH 异步 图 6-13 RAB 建立流程 RACH/FACH-DCH 图 6-14 RAB 建立流程 RACH/FACH-RACH/FACH 图 6-15 释放建立在专用信道上的 RRC 连接 图 6-16 释放建立在公共信道上的 RRC 连接 图 6-17 Node B 内部的软切换 图 6-18 不同 Node B 之间的软切换 ii

209 图 6-19 不同 RNC 之间的软切换 图 6-20 压缩模式原理图 图 6-21 硬切换流程图 图 6-22 小区更新过程 图 6-23 小区更新过程 伴随有物理信道重配置 图 6-24 小区更新过程 伴随有传输信道重配置 图 6-25 小区更新过程 伴随有 RNTI 重分配 图 6-26 URA 更新过程 没有分配新的 CRNTI 或 URNTI 图 6-27 URA 更新过程 分配了新的 CRNTI 或 URNTI 图 6-28 迁入 UTRAN 流程图 图 6-29 迁出 UTRAN 流程图 图 6-30 小区重选出 UTRAN 流程图 图 6-31 静态迁移过程 图 6-32 静态迁移信令流程图 图 6-33 伴随迁移过程 图 6-34 伴随迁移信令流程图 图 6-35 位置更新流程图 图 6-36 关机流程图 图 6-37 鉴权成功 图 6-38 鉴权失败 失败原因为 MAC Failure 图 6-39 鉴权失败 原因值为 Synch failure 图 6-40 安全模式控制 图 6-41 位置更新时的 TMSI 重分配 图 6-42 联合位置更新 图 6-43 UMTS 系统分组域手机和网络侧的控制面协议 图 6-44 UMTS 系统分组域移动性管理与相关单元的关系图 图 6-45 UMTS 系统分组域移动性管理的状态迁移图 图 6-46 附着流程 图 6-47 MS 发起的分离 图 6-48 GSGN 发起的分离过程 图 6-49 HLR 发起的分离过程 图 6-50 鉴权加密 图 6-51 PTMSI 重分配 图 6-52 加密范围 iii

210 图 6-53 用户标识检查 图 6-54 路由区更新 图 6-55 SGSN 之间软切换 图 6-56 SGSN 之间硬切换 图 6-57 联合 Cell / URA Updae 重定位 图 6-58 插入用户数据示意图 图 6-59 删除用户数据示意图 图 6-60 手机发起的服务请求 图 6-61 网络侧发起的服务请求 图 6-62 UMTS 到 GSM 的 SGSN 内的系统间切换 图 6-63 GSM 到 UMTS 的 SGSN 内的系统间切换 图 6-64 UMTS 到 GSM 的 SGSN 间的系统间切换 图 6-65 GSM 到 UMTS 的 SGSN 间的系统间切换 图 6-66 移动起始呼叫建立过程 图 6-67 移动终止建立过程 图 6-68 Iu 接口 RAB Assignmen 过程 图 6-69 无线接入承载建立 - DCH-DCH 同步建立流程 图 6-70 无线接入承载释放 - DCH - DCH- 同步释放流程 图 6-71 无线接入承载修改 DCH-DCH 同步修改 图 6-72 成功寻呼流程 图 6-73 RRC 空闲状态下寻呼过程 图 6-74 在 RRC 连接状态 CELL_DCH 和 CELL_FACH 下寻呼 UE 过程 图 6-75 移动发起呼叫释放的成功情况 图 6-76 UMTS MS-SGSN 的控制面协议 图 6-77 SM 与各协议单元的关系 图 6-78 RAB 管理流程图 图 6-79 PDP 状态机模型 图 6-80 MS 发起的 PDP Conex 激活过程 图 6-81 二次激活流程 图 6-82 网络侧发起的 PDP Conex 激活过程 图 6-83 SGSN 发起的 PDP Conex 修改过程 图 6-84 MS 发起的 PDP Conex 修改过程 图 6-85 GGSN 发起的 PDP Conex 修改 图 6-86 MS 发起的 PDP Conex 去激活过程 iv

211 图 6-87 SGSN 发起的 PDP Conex 去激活... 图 6-88 GGSN 发起的 PDP Conex 去激活过程... 图 6-89 MS 发起 Service reques 进行 RAB 重建... 图 6-90 SGSN 发起 Service Reques 过程进行 RAB 重建... 图 6-91 支持 Mobile IP 的核心网络体系结构... 图 6-92 注册 MIP 的流程图 v

212 第六章基本信令流程 第六章基本信令流程 6.1 UE 的状态与寻呼流程 UE 状态 UE 有两种基本的运行模式空闲模式和连接模式上电开始 UE 就停留在空闲模式下通过非接入层标识如 IMSI TMSI 或 P-TMSI 等标志来区分 UTRAN 不保存空闲模式 UE 的信息仅能够寻呼一个小区中的所有 UE 或同一个寻呼时刻的所有 UE 当 UE 完成 RRC 连接建立时 UE 才从空闲模式转移到连接模式 CELL_FACH 或 CELL_DCH 状态 UE 的连接模式也叫 UE 的 RRC 状态反映了 UE 连接的级别以及 UE 可以使用哪一种传输信道当 RRC 连接释放时 UE 从连接模式转移到空闲模式 UE 在连接模式下 一共有如下 4 种状态 1. CELL_DCH 状态 CELL_DCH 状态有如下特征 在上行和下行给 UE 分配了一个专用物理信道 根据 UE 当前的活动集可以知道 UE 所在的小区 UE 可以使用专用传输信道下行 / 上行共享传输信道或这些传输信道的组合 UE 进入 CELL_DCH 状态有如下 2 种方法 (1) UE 在空闲模式下 RRC 连接建立在专用行道上 因此 UE 从空闲模式进入 CELL_DCH 状态 (2) UE 处于 CELL_FACH 状态下使用公共传输信道通过信道切换后使用专用传输信道 UE 从 CELL_FACH 状态进入到 CELL_DCH 状态 2. CELL_FACH 状态 CELL_FACH 状态具有如下特征 没有给 UE 分配专用传输信道 UE 连续监听一个下行 FACH 信道 6-1

213 第六章基本信令流程 为 UE 分配了一个默认的上行公共信道或上行共享传输信道例如 RACH 使之能够在接入过程中的任何时间内使用 UE 的位置在小区级为 UTRAN 所知具体为 UE 最近一次发起小区更新时报告的小区 在 CELL_FACH 子状态 UE 执行下面的动作 监听一个 FACH 监听当前服务小区的 BCH 传输信道解码系统信息消息 在小区变为另一个 UTRA 小区时发起一个小区更新过程 除非选择了一个新小区否则使用在当前小区中分配的 C-RNTI 作为公共传输信道上的 UE 标识 在 RACH 上传送上行控制信令和小数据包 在 CELL_FACH 状态下 如果数据业务在一段时间里未被激活 UE 将进入 CELL_PCH 状态 以减少功率的损耗 并且 当 UE 暂时脱离 CELL_PCH 状态 执行小区更新 更新完成后 如果 UE 和网络侧均无数据传输需求 它将返 回 CELL_PCH 3. CELL_PCH 状态 CELL_PCH 状态具有如下特征 没有为 UE 分配专用信道 UE 使用非连续接收 DRX 技术 在某个特定的寻呼时刻监听 PCH 传输 信道上的信息 不能有任何上行的活动 UE 的位置在小区级为 UTRAN 所知具体为 UE 在 CELL_FACH 状态时最近一次发起小区更新时所报告的小区 在 CELL_PCH 状态 UE 进行以下活动 根据 DRX 周期监听寻呼时刻并接收 PCH 上的寻呼消息 监听当前服务小区的 BCH 传输信道以解码系统信息 当小区改变时发起小区更新过程 在该状态下不能使用 DCCH 逻辑信道如果网络试图发起任何活动它需要在 UE 所在小区的 PCCH 逻辑信道上发送一个寻呼请求 UE 转换到 CELL_FACH 状态的方式有两个 一是通过 UTRAN 寻呼 二是通 过任何上行接入 6-2

214 第六章基本信令流程 4. URA_PCH 状态 URA_PCH 状态具有如下特征 没有为 UE 分配专用信道 UE 使用 DRX 技术在某个特定的寻呼时刻监听 PCH 传输信道上的信息 不能有任何上行的活动 UE 的位置在 URA 级为 UTRAN 所知具体为 UE 在 CELL_FACH 状态时最近一次发起 URA 更新时所报告的 URA 在 URA_PCH 状态 UE 进行以下活动 根据 DRX 周期监听寻呼时刻并接收 PCH 上的寻呼消息 监听当前服务小区的 BCH 传输信道以解码系统信息 当 URA 改变时发起 URA 更新过程 在该状态下不能使用 DCCH 逻辑信道如果网络试图发起任何活动它需要在 UE 所在 URA 的 PCCH 逻辑信道上发送寻呼请求 在 URA_PCH 状态没有资源分配给数据传输用因此如果 UE 有数据要传送需要首先转换到 CELL_FACH 状态 寻呼流程 与固定通信不同移动通信中的通信终端的位置不是固定的为了建立一次呼叫核心网 CN 通过 Iu 接口向 UTRAN 发送寻呼消息 UTRAN 则将 CN 寻呼消息通过 Uu 接口上的寻呼过程发送给 UE 使得被寻呼的 UE 发起与 CN 的信令连接建立过程 当 UTRAN 收到某个 CN 域 CS 域或 PS 域的寻呼消息时首先需要判断 UE 是否已经与另一个 CN 域建立了信令连接如果没有建立信令连接那么 UTRAN 只能知道 UE 当前所在的服务区并通过寻呼控制信道将寻呼消息发送给 UE 这就是 PAGING TYPE 1 消息如果已经建立信令连接在 CELL_DCH 或 CELL_FACH 状态下 UTRAN 就可以知道 UE 当前活动于哪种信道上并通过专用控制信道将寻呼消息发送给 UE 这就是 PAGING TYPE 2 消息因此针对 UE 所处的模式和状态寻呼可以分为以下两种类型 1. 寻呼类型 (1) 寻呼空闲模式或 PCH 状态下的 UE 如图 6-1 所示这一类型的寻呼过程使用 PCCH 寻呼控制信道寻呼处于空闲模式 CELL_PCH 或 URA_PCH 状态的 UE 用于向被选择的 UE 发送寻呼信息其作用有如下三点 6-3

215 第六章基本信令流程 为了建立一次呼叫或一条信令连接网络侧的高层发起寻呼过程 为了将 UE 的状态从 CELL_PCH 或 URA_PCH 状态迁移到 CELL_FACH 状态 UTRAN 发起寻呼以触发 UE 状态的迁移 当系统消息发生改变时 UTRAN 发起空闲模式 CELL_PCH 和 URA_PCH 状态下的寻呼以触发 UE 读取更新后的系统信息 UE UTRAN PAGING TYPE 1 图 6-1 寻呼空闲模式和 PCH 状态下的 UE UTRAN 通过在 PCCH 上一个适当的寻呼时刻发送一条 PAGING TYPE 1 消息来启动寻呼过程该寻呼时刻和 UE 的 IMSI 有关 UTRAN 可以选择在几个寻呼时机重复寻呼一个 UE 以增加 UE 正确接收寻呼消息的可能 (2) 寻呼 CELL_DCH 或 CELL_FACH 状态下的 UE 如图 6-2 所示这一类型的寻呼过程用于向处于连接模式 CELL_DCH 或 CELL_FACH 状态的某个 UE 发送专用寻呼信息 UE UTRAN PAGING TYPE 2 图 6-2 寻呼 CELL_DCH 或 CELL_FACH 状态下的 UE 对于处于连接模式 CELL_DCH 或 CELL_FACH 状态的 UE UTRAN 通过在 DCCH 专用控制信道上发送一条 PAGING TYPE 2 消息来发起专用寻呼过程这种寻呼也叫做专用寻呼过程 2. 寻呼过程举例 (1) CN 发起寻呼 UE 处于空闲模式 在这种情况下 UTRAN 通过发送 PAGING TYPE 1 消息来寻呼 UE 6-4

216 第六章基本信令流程 (2) CN 发起寻呼 UE 处于连接模式的 CELL_DCH 或 CELL_FACH 状态 在这种情况下 UTRAN 通过发送 PAGING TYPE 2 消息来寻呼 UE (3) CN 发起寻呼 UE 处于连接模式的 CELL_PCH 或 URA_PCH 状态 在这种情况下 UTRAN 首先通过发送 PAGING TYPE 1 消息将 UE 的状态从 CELL_PCH 或 URA_PCH 状态迁移到 CELL_FACH 状态然后再发送 PAGING TYPE 2 消息来寻呼 UE (4) UTRAN 发起寻呼 UE 处于连接模式的 CELL_PCH 或 URA_PCH 状态 在这种情况下 UTRAN 通过发送 PAGING TYPE 1 消息来寻呼 UE 使得 UE 迁移到 CELL_FACH 状态 6.2 空闲模式下的 UE 概述 当 UE 开机后或在漫游中它的首要任务就是找到网络并和网络取得联系只有这样才能获得网络的服务因此空闲模式下 UE 的行为对于 UE 是至关重要的那么 UE 是如何完成这个功能的呢本节就来讲解这个过程 UE 在空闲模式下的行为可以细分为 PLMN 选择和重选位置登记这三个过程之间的关系如图 6-3 所示 小区的选择和重选和 User selecion of PLMN Indicaion o user Locaion Regisraion response PLMN Selecion and Reselecion PLMNs available Auomaic/ Manual selecion PLMN seleced Cell Selecion and Reselecion NAS Conrol Radio measuremens Regisraion Area changes CM requess Locaion Regisraion 图 6-3 空闲模式下的 UE 当 UE 开机后首先应该选择一个 PLMN 当选中了一个 PLMN 后就开始选 6-5

217 第六章基本信令流程 择属于这个 PLMN 的小区当找到这样的一个小区后从系统信息广播中就可以知道临近小区 neighboring cell 的信息这样 UE 就可以在所有这些小区中选择一个信号最好的小区驻留下来紧接着 UE 就会发起位置登记过程 aach or locaion updae 成功后 UE 就成功的驻留在这个小区中了驻留的作用有 4 个 使 UE 可以接收 PLMN 广播的系统信息 可以在小区内发起随机接入过程 可以接收网络的寻呼 可以接收小区广播业务 当 UE 驻留在小区中并登记成功后随着 UE 的移动当前小区和临近小区的信号强度都在不断变化 UE 就要选择一个最合适的小区这就是小区重选过程这个最合适的小区不一定是当前信号最好的小区为什么呢因为比如 UE 处在一个小区的边缘又在这两个小区之间来回走恰好这两个小区又是属于不同的 LA 或者 RA 这样 UE 就要不停的发起位置更新即浪费了网络资源又浪费的 UE 的能量因此在所有小区中重选哪个小区是有一定规则的这个规则会在后面详细描述 当 UE 重选小区选择了另外一个小区后发现这个小区属于另外一个 LA 或者 RA UE 就要发起位置更新过程使网络获得最新的 UE 的位置信息 UE 是如何知道 LA 或者 RA 变化了呢在系统广播信息中的 SIB1 中有 CN common GSM-MAP NAS sysem informaion 和 PS domain sysem informaion CN common GSM-MAP NAS sysem informaion 中的内容是 LAC oce 1 oce 2 PS domain sysem informaion 中的内容是 RAC oce 1 Spare NMO oce 2 因此 UE 是知道 LAC/RAC 是否改变的 如果位置登记或者更新不成功比如当网络拒绝 UE 时或者当前的 PLMN 出了覆盖区 UE 可以进行 PLMN 重选以选择另外一个可用的 PLMN PLMN 选择和重选 PLMN 选择和重选的目的是选择一个可用的就是能提供正常业务的最好的 PLMN UE 通过什么来达到这一目的呢 UE 会维护一个 PLMN 列表这些列表将 PLMN 按照优先级排列然后从高优先级向下搜索找到的自然是最高优先级的 PLMN 另外 PLMN 选择和重选的模式有两种自动和手动简而言之自动选网就是 UE 按照 PLMN 的优先级顺序自动的选择一个 6-6

218 第六章基本信令流程 PLMN 手动选网呢将当前的所有可用网络呈现给用户将权利给用户由用户选择一个 PLMN 在这个列表中 RPLMN regisered PLMN 优先级最高 RPLMN 就是上次注册成功的 PLMN 当 UE 关机后怎么才能知道上次登记的是哪个 PLMN 在 USIM 卡中有两个文件 EFLOCI 和 EFPSLOCI EFLOCI 的内容是 Byes Descripion M/O Lengh 1 o 4 TMSI M 4 byes 5 o 9 LAI M 5 byes 10 RFU M 1 bye 11 Locaion updae saus M 1 bye EF PSLOCI 的内容是 Byes Descripion M/O Lengh 1 o 4 P-TMSI M 4 byes 5 o 7 P-TMSI signaure value M 3 byes 8 o13 RAI M 6 byes 14 Rouing Area updae saus M 1 bye 在这两个文件中 LAI =MCC+MNC+LAC 和 / 或 RAI =LAI+RAC 就记录了 MCC 和 MNC 就是 RPLMN 无论自动选网还是手动选网 UE 开机后首先就会尝试 RPLMN 成功后就不会有后续过程如果不成功 UE 就会生成一个 PLMN 列表按照优先级 (1) HPLMN (2) 在 USIM 文件 User Conrolled PLMN Selecor wih Access Technology 中 的 PLMN 这些 PLMN 在 USIM 中是按照优先级排列的 (3) 在 USIM 文件 Operaor Conrolled PLMN Selecor wih Access Technology 中的 PLMN 这些 PLMN 在 USIM 中是按照优先级排列的 (4) 信号质量较好的 PLMN 这些 PLMN 的排列是随机的 (5) 其他的 PLMN 以信号质量从高到低的顺序排列 在 USIM 卡中文件 EF IMSI 记录了 IMSI MCC+MNC+MSIN UE 从这个文件就可以获取 HPLMN (2) 和 (3) 分别是 USIM 中的文件 EF PLMNwAcT 和 EF OPLMNwACT (4) 和 (5) 是由 UE 一个频率一个频率搜索得到的 UE 就按照上述有优先级的 PLMN 列表一个一个的搜索并尝试位置登记 6-7

219 第六章基本信令流程 由于 UMTS 是从 GSM 演进过来的但两者的接入技术截然不同 GERAN vs. UTRAN 因此对于每一个 PLMN 需要指明优先选用的接入技术接入技术的优先级就在 wih Access Technology 文件中指出如果没有指出那么一般而言优先选用的是 GERAN 当 UE 尝试与网络进行接触时网络由于种种原因有时会拒绝 UE 的请求根据拒绝原因的不同 UE 的行为也会截然不同罗列如下 #3 Illegal MS #6 Illegal ME #8 GPRS services and non-gprs services no allowed 此时 ME 将 SIM 视为非法直到 SIM 拔出或者关机这种状态和没有 SIM 的状态基本上是一样的此时 UE 仅能提供限制服务在这种状态下 UE 仍然需要进行小区重选并且当失去覆盖时进行 PLMN 重选 #2 IMSI unknown in HLR 此时 ME 的电路域部分将 SIM 视为非法分组域仍然有可能提供正常的业务根据分组域的状态 UE 可能进行或不进行 PLMN 重选 #7 GPRS services no allowed 此时 ME 的分组域部分将 SIM 视为非法电路域仍然有可能提供正常的业务根据电路域的状态 UE 可能进行或不进行 PLMN 重选 #11 PLMN no allowed 比如中国移动的用户如果尝试注册到中国联通的网络中时就会收到这个原因当 UE 收到这个原因的拒绝时会将此 PLMN 加到 forbidden PLMN 列表中这个列表同时存在于 ME 的 RAM 和 SIM 卡的 EF FPLMN 中在自动模式下 如果不得不选中这个 PLMN 比如当前只有这个 PLMN 的情况 UE 发现这个 PLMN 在 forbidden PLMN 列表中就不会再尝试登记节省了网络资源但限制业务 limied service 还是可以获得的为什么要将此列表保存在 SIM 中呢这样当手机下一次开机时仍然可以获得这个列表并不会再尝试登记自动模式下如果一旦中国移动和中国联通实现了漫游如何将这个 PLMN 从 forbidden PLMN lis 中去掉呢这就需要使用手动模式 在手动模式下 UE 会将当前有覆盖的所有的 PLMN 都呈现给用户 无论它是 否是被禁止的 这样用户就可以选一个被禁止的 PLMN 而一个被禁止的 PLMN 一旦登记成功 将会从 forbidden PLMN 列表中删除 包括 SIM 中 的 当收到这个原因时 UE 就可能发起 PLMN 重选以选一个可用的 PLMN #12 Locaion area no allowed #13 Roaming no allowed in his locaion area 6-8

220 第六章基本信令流程 收到这个原因时 UE 会将这个 LA 分别加到 forbidden locaion areas for regional provision of service 和 forbidden locaion areas for roaming 列表中这两个列表和 forbidden PLMN 列表处理有些不同就是这两个列表在 USIM 中是不存在的当 UE 关机后这两个列表就会失去还有一点需要注意的是这两个原因都是针对整个 LA 的包含所有的 RA 当 UE 收到这个原因的拒绝时一般可以不进行 PLMN 重选而是等待用户移动进入一个可以提供服务的 LA 还有其他情况需要进行 PLMN 重选吗有的下面就是两种典型的情况 1. 用户重选 无论是在自动模式还是在手动模式 用户都可以请求网络重选 网络重选时 UE 也要生成一个 PLMN 列表 这个列表和上述列表有一些不同 具体内容如 下 在自动模式下 列表是 (1) HPLMN (2) 在 USIM 文件 User Conrolled PLMN Selecor wih Access Technology 中的 PLMN 这些 PLMN 在 USIM 中是按照优先级排列的 (3) 在 USIM 文件 Operaor Conrolled PLMN Selecor wih Access Technology 中的 PLMN 这些 PLMN 在 USIM 中是按照优先级排列的 (4) 信号质量较好的 PLMN 这些 PLMN 的排列是随机的 (5) 其他的 PLMN 以信号质量从高到低的顺序排列 (6) 先前选择的 PLMN 而在手动模式下 PLMN 列表和前面的列表是相同的 2. 用户登记到归属国家的 VPLMN 这种情况就是比如中国联通的用户登记到中国移动的网络上如果可以的话由于这些网络的 MCC 是相同的只是 MNC 不同 UE 是可以判断出这种情况的在这种情况下用户的通信一般而言要付出更多的代价因此 UE 会尽量回到归属网络中采取的措施是 UE 周期性的查找归属网络这个周期是有 SIM 规定的在文件 EF HPLMN 中定义当然如果运营商愿意也可以禁止这个功能此时文件 EF HPLMN 中的值就是 0 这两个过程其实是比较复杂的因为在进行用户重选或者 HPLMN 搜索时原有的服务还要正常进行还要可以发起呼叫或接收寻呼这就要求 UE 在不是 Paging Occasion 的无线帧上进行搜索 PLMN 的过程当用户发起呼叫或者需要接收寻呼时要立刻切换回原来的频率提供服务 6-9

221 第六章基本信令流程 图 6-4 图 6-5 图 6-6 概要的说明了 PLMN 选择与重选和位置登记过程为了理解下面的图一些解释如下 Allowable PLMN 一个不在 forbidden PLMN 列表中的 PLMN Available PLMN 一个满足小区选择准则的 PLMN 小节中描述 这个准则将在后面 Trying RPLMN On PLMN Trying PLMN UE 正在尝试在 RPLMN 上进行位置登记 UE 已经成功的在一个 PLMN 上注册 UE 正在尝试在一个 PLMN 上进行位置登记 Wai for PLMNs o appear 目前没有可用 PLMN 现 UE 正在等待一个新的 PLMN 出 HPLMN search in progress No SIM No on PLMN Updaed Idle, No IMSI UE 正在尝试发现 HPLMN 是否存在 SIM 不存在或者 ME 认为 SIM 不存在收到特定的位置登记拒绝原因后 UE 在选中的 PLMN 上注册失败 位置登记成功 UE 在收到上述的拒绝原因 #3 #6 和 #8 时两个域 CS 和 PS 都进入在收到 #2 和 #7 时只有相应的域进入此状态此时其他域的状态可能是 updaed no updaed or roaming no allowed Roaming no allowed 收到拒绝原因 #11 #12 和 #13 后进入 No updaed 不是由于上述两种情况的位置登记失败比如其他拒绝原因或者 UE 无法判断网络是否收到位置登记请求等 6-10

222 第六章基本信令流程 Swich Off Null Swich on, no SIM Swich on wih SIM Selec regisered PLMN Yes SIM insered Is here a RPLMN? No No SIM User reselecion SIM removed or invalid SIM C Regisraion success Trying RPLMN Regisraion failure A B E Indicae seleced PLMN On PLMN LU response "Roaming no allowed" On VPLMN of home counry Loss of radio and imeou coverage of occurs seleced PLMN ** D A User C re-selecion Selec firs * PLMN in lis Regisraion successful F Trying PLMN Selec nex * PLMN in lis Regisraion failure, more in lis Regisraion failure, no more in lis B D A Yes Any allowable PLMNs available? Move las seleced PLMN emporarily ino (d) on lis Any PLMNs available & Allowable? No Selec RPLMN or HPLMN if none Iniiae HPLMN search No Yes G Wai for PLMNs o appear Regisered PLMN available and allowable E A A PLMN available and allowable, which is no RPLMN Selec firs available and allowable PLMN in lis C G HPLMN search in progress HPLMN no found E Selec HPLMN HPLMN found F * "Lis" consiss of poins i) o v) excep in case of a user re-selecion in which case lis consiss of poins i) o vi) ** Includes effecive loss of coverage due o LAs being forbidden in all poenially suiable cells 图 6-4 PLMN 选择状态图 自动模式 6-11

223 第六章基本信令流程 Swich Off Null Swich on (wih SIM) Swich on (no SIM) SIM insered No SIM SIM removed Selec regisered PLMN D E Trying seleced PLMN Regisraion success Regisraion failure Invalid SIM Indicae seleced PLMN D Display PLMNs C A B previously seleced PLMN becomes available again On PLMN No on PLMN E LU response "Roaming no allowed" Invalid SIM User reselecion user chooses PLMN C D C Selec user chosen PLMN Trying PLMN Regisraion success Invalid SIM Regisraion failure A D B 图 6-5 PLMN 选择状态图 人工模式 6-12

224 第六章基本信令流程 Null Swich on No SIM Idle, no IMSI Swich on wih SIM no LR needed Swich on wih SIM, LR needed SIM insered LR pending LR Reques LR failure, anoher aemp required 1 LR acceped LR Rejec: 'PLMN no allowed', 'Locaion area no allowed', 'Roaming no allowed in his locaion area' Roaming no allowed LR Rejec: 'IMSI unknown in HLR', 'illegal ME', 'Illegal MS', 'GPRS no allowed Updaed Oher LR failure LR rejec: 'PLMN no allowed' SIM Removed Timer for periodic regisraion expires New LR enered New PLMN seleced 1 LR rejec 'LA no allowed' LR rejec: 'Roaming no allowed in his locaion area' 1 1 New PLMN seleced or New LA enered HPLMN seleced 1 1 Cell Change No updaed LA changes CM reques made Timer for periodic regisraion expires 图 6-6 位置登记任务状态图 小区选择和重选 当 PLMN 选定之后 就要进行小区选择 目的是选择一个属于这个 PLMN 的 信号最好的小区 首先如果 UE 存有这个 PLMN 的一些相关信息比如频率扰码等 UE 就会首先使用这些信息进行小区搜索 Sored informaion cell selecion 这样就可以较快的找到网络因为大多数情况 UE 都是在同一个地点关机和开机比如晚上关机早晨开机等等这些信息保存在 SIM 卡中或者在手机的 non-volaile memory 中 6-13

225 第六章基本信令流程 1. 小区选择 小区选择的过程大致如下 (1) 小区搜索 小区搜索的目的是找到一个小区尽管它可能不属于选择的 PLMN 的小区搜索的步骤如下当然首先要锁定一个频率 (a) 时隙同步由于在 UTRAN 中所有的 primary SCH 的同步码都是相同的并且在每个 slo 的前 256chips 中发送每个 slo 中都是相同的 UE 使用一个 mached filer 或者类似的技术就可以很容易获得时隙同步 (b) 时隙同步后就要进行帧同步帧同步是使用 secondary SCH 的同步码实现的 Secondary SCH 的同步码一共有 16 个在每个时隙中是不同的按照在每个时隙中码字的不同形成 64 组码序列这 64 组码序列有一个特性他们的循环移位后的结果是唯一的因此 UE 就使用这 64 组码序列一个一个的和接收到的信号相关相关值最大的那个就是这个小区所用的 secondary 同步序列同时也确定了这个小区的扰码组和帧同步 (c) 获得这个小区的 primary scrambling code 主扰码 获取这个码字后 由于 CPICH 和 PCCPCH 都使用这个扰码而且他们的信道码是固定的 UE 就可以读广播信道了 在上一步骤中 UE 获得了本小区的扰码组 这 个扰码组中有 8 个主扰码 UE 如何知道系统到底使用了那个 通常 UE 就一个一个在 CPICH 上试 直到找到相关结果最大的一个 这就确定 了主扰码 显然如果 UE 已经知道这个小区的一些信息比如使用那个频率甚至主扰码上述 (b) (c) 步骤就可以大大加速 (2) 读广播信道 UE 从上述 (1) 的步骤 (c) 中获得了 PCCPCH 的扰码而 PCCPCH 的信道码是已知的在整个 UTRAN 中是唯一的 UE 就可以读广播信道的信息了 (a) MIB 的调度信息 scheduling informaion 是已知的 即为 SIB_POS=0 SIB_REP =8 UE 在 SFN=0,8,16,... 的无线帧 radio frame 中就可以读到 MIB UE 是如何知道 SFN 的呢 在 SYSTEM INFORMATION 消息中 如 果此消息是发送在 BCH PCCPCH 上的 消息的第一个域就是 SFNprime 它的值就是这个传输块 ranspor block 对应的起始 SFN 取值是 PER 编码后它的值是 这样可以节省一个 bi 为什么 SFN 的值是 因为 BCH 的 TTI 是 20ms 包含两个无线帧 radio frame 因此 SFNprime 只能以 2 为 步长 (b) 读到 MIB 后 UE 就可以判断当前找到的 PLMN 是否就是要找的 PLMN 因为在 MIB 中有 PLMN ideniy 域如果是 UE 就根据 MIB 中包含的其他 SIB 的调度信息 scheduling informaion 找到其他的 SIB 并获得其内容 6-14

226 第六章基本信令流程 如果不是 UE 只好再找下一个频率 又要从头开始这个过程 从小区搜 索开始 (c) 如果当前 PLMN 是 UE 要找的 PLMN UE 读 SIB3 取得 Cell selecion and re-selecion info 在这个 IE Cell selecion and re-selecion info for SIB3/4 中读 Qqualmin Qrxlevmin 和 Maximum allowed UL TX power UE_TXPWR_MAX_RACH 然后按照下列公式计算 Squal = Q qualmeas - Qqualmin Srxlev = Q rxlevmeas - Qrxlevmin - Pcompensaion 其中 Squal Srxlev Q qualmeas Q rxlevmeas Qqualmin Qrxlevmin Pcompensaion UE_TXPWR_MAX_RACH P_MAX Cell Selecion qualiy value, (db) No applicable for TDD cells or GSM cells. Cell Selecion RX level value (db) Measured cell qualiy value. The qualiy of he received signal expressed in CPICH E c /N 0 (db) for FDD cells. No applicable for TDD cells or GSM cells. Measured cell RX level value. This is received signal, CPICH RSCP for FDD cells (dbm), P-CCPCH RSCP for TDD cells (dbm) and RXLEV for GSM cells (dbm). Minimum required qualiy level in he cell (db). No applicable for TDD cells or GSM cells. Minimum required RX level in he cell. (dbm) Max(UE_TXPWR_MAX_RACH P_MAX, 0) (db) Maximum TX power level an UE may use when accessing he cell on RACH (read in sysem informaion), (dbm) Maximum RF oupu power of he UE, (dbm) 如果 Squal > 0 Srxlev > 0 则 UE 认为此小区即为一个 suiable cell 驻留下来并读其他所需要的系统信息随后 UE 将发起位置登记过程 如果不满足上述条件 UE 读 SIB11 Measuremen conrol sysem informaion Inra-frequency measuremen sysem informaion Inra-frequency cell info lis cell info Primary CPICH info Reference ime difference o cell 和 Cell Selecion and Re-selecion info for SIB11/12 在 CPICH info 中 UE 可以得到 primary scrambling code UE 根据临区的 primary scrambling code 由于 CPICH 的信道码在整个 UTRAN 是唯一的又根据 Reference ime difference o cell 可以很容易测得临区的 Q qualmeas 和 Q rxlevmeas 在 IE Cell Selecion and Re-selecion info for SIB11/12 中 UE 可以知道临区的 Maximum 6-15

227 第六章基本信令流程 allowed UL TX power Qqualmin 和 Qrxlevmin 这样 UE 就可以算出临区的 Squal 和 Srxlev 并判断临区是否满足上述 selecion crieria UE 又可以读 Iner-frequency measuremen sysem informaion Iner-frequency cell info lis requency info and cell info ell info ell info 和上面是一样的 Frequency info 中包含了 UARFCN uplink Nu 和 UARFCN downlink Nd 由这些信息 UE 就可以算出临区的 Squal 和 Srxlev 并判断临区是否满足上述 selecion crieria 如果 UE 发现了任何一个临区满足 selecion crieria UE 就驻留在此小区中并读其他所需要的系统信息随后 UE 将发起位置登记过程 如果 UE 发现没有一个小区满足 selecion crieria UE 就认为没有覆盖 就会 继续 PLMN 选择和重选过程 2. 小区重选 UE 在空闲模式下要随时监测当前小区和临区的信号质量以选择一个最好的小区提供服务这就是小区重选过程 cell reselecion 小区重选过程分为有 HCS hierachical cell srucure 和没有 HCS 两种情况有没有 HCS 在 SIB11 Measuremen conrol sysem informaion Use of HCS 指出有 HCS 的情况比较复杂这里就不作介绍了在没有 HCS 的情况下 在下面的规则中 UE 使用 Squal for FDD cells 和 Srxlev for TDD 作为 Sx (1) If Sx S inrasearch, UE need no perform inra-frequency measuremens. If Sx S inrasearch, UE shall perform inra-frequency measuremens. If S inrasearch, is no sen for serving cell, UE shall perform inra-frequency measuremens. (2) If Sx S inersearch, UE need no perform iner-frequency measuremens. If Sx S inersearch, UE shall perform iner-frequency measuremens. If S inersearch, is no sen for serving cell, UE shall perform iner-frequency measuremens. (3) If Sx Ssearch RAT n, UE need no perform measuremens on cells of RAT n. If Sx Ssearch RAT n, UE shall perform measuremens on cells of RAT n. If Ssearch RATm, is no sen for serving cell, UE shall perform measuremens on cells of RAT m. S inrasearch S inersearch 和 Ssearch RAT n 在 SIB3 Cell selecion and re-selecion info 中指 出 当满足上述条件后 UE 就要测量临区首先要根据 1. 小区选择所述的方法计算所有小区包括当前小区和临近小区的 S 在所有 S>0 的小区中 6-16

228 第六章基本信令流程 再按照下面的公式计算 R R s = Q map, s + Qhys s R n = Q map, n - Qoffse s,n - TO n * (1 - L n ) 其中 TOn=0 下标 s 表示 serving cell n 表示 neighbouring cell Cell_selecion_and_reseleci on_qualiy_measure (FDD only) Q map,n Q map,s Q meas_lev Qoffse1 s,n Qoffse2 s,n, Qhys1 s Qhys2 s Treselecion s Choice of measuremen (CPICH Ec/N0 or CPICH RSCP) ha is used o derive qualiy measures Q map,n and Q map,s, (read in sysem informaion). Qualiy of he neighbouring cell, afer mapping funcion is applied, derived from CPICH E c /N 0 or CPICH RSCP for FDD cells, from P-CCPCH RSCP for TDD cells and from RXLEV for GSM cells. For FDD cells, he measuremen ha is used o derive he qualiy value is se by he Cell_selecion_and_reselecion_qualiy_measure informaion elemen. Qualiy of he serving cell, afer mapping funcion is applied, derived from CPICH E c /N 0 or CPICH RSCP for FDD cells and from P-CCPCH RSCP for TDD cells. For FDD cells, he measuremen ha is used o derive he qualiy value is se by he Cell_selecion_and_reselecion_qualiy_measure informaion elemen. Qualiy value. The qualiy value of he received signal expressed in CPICH_Ec/No or CPICH_RSCP_LEV for FDD cells as se by he Cell_selecion_and_reselecion_qualiy_measure informaion elemen, P-CCPCH_RSCP_LEV for TDD cells and RXLEV for GSM cells. Offse value 1beween he wo cells considered in he evaluaion (read in sysem informaion). Offse value 2 beween he wo cells considered in he evaluaion (read in sysem informaion). Hyseresis value of he serving cell. Hyseresis value of he serving cell. Time-o-rigger for cell reselecion, (s) UE 首先测量当前小区的 RSCP 结果记录在 Q meas_lev 中如果 SIB3 Cell selecion and re-selecion info Mapping info 存在 UE 需要根据 mapping info 将 Q meas_lev 映射到 Q map 中为什么要映射呢因为对于既有 FDD 又有 TDD GSM 的覆盖区域不同无线接入技术 radio access echnology 之间的信号强度无法直接比较就需要将他们映射到统一的标准上来如果一个小区和临区都是同一种接入技术比如都是 FDD 映射功能就不需要了此时 Mapping info 不存在 Q map = Q meas_lev 根据上述方法测得的 Q map 就是 Q map,s Q map,n 的测量方法和上面是一样的 Qhys1 s 在 SIB3 Cell selecion and reselecion info 中 Qoffse1 s,n 在 SIB11 Measuremen conrol sysem informaion Inra-frequency measuremen sysem informaion Inra-frequency cell info lisàcell info Cell Selecion and Re-selecion info 等中 6-17

229 第六章基本信令流程 UE 根据上述公式计算出 Rs 和 Rn 选一个值最大的小区如果这个小区是 TDD 的或者是 GSM 的 UE 就直接重选这个小区 如果这个小区是 FDD 的还要麻烦一些 UE 要读当前小区的 Cell_selecion_and_reselecion_qualiy_measure 在 SIB3 Cell selecion and re-selecion info 中如果 Cell_selecion_and_reselecion_qualiy_measure 指定的是 RSCP 那么这个小区就被选择如果 Cell_selecion_and_reselecion _qualiy_measure 指定的是 Ec/N0 UE 需要重新计算 R 此时 Q meas_lev 是 Ec/N0 的测量值不再是 RSCP 的测量值同时由于只是在所有 FDD 小区中重选 Q map = Q meas_lev Qhys2 s 和 Qoffse2 s,n 被使用而不是 Qhys1 s 和 Qoffse1 s,n 被使用他们在系统信息的位置和 Qhys1 s Qoffse1 s,n 是一样的 如果在 Treselecion 时间内上述 crieria 仍然得到满足 UE 就选择这个小区驻留下来读它的广播消息小区重选结束 3. 离开连接模式的小区选择 当 UE 从连接模式回到空闲模式时要做小区选择以找一个合适的小区 suiable cell 这个选择过程和普通的小区选择过程是一样的不过此时候选小区就是连接模式时用到的小区如果在这些小区中找不到合适的小区应该使用 sored informaion cell selecion 4. 任意小区选择 任意小区选择的意思就是随便选择一个小区只要它满足 crieria S 即可在这种情况下 UE 进入 limied service 状态 图 6-7 表明了小区选择和重选的大致过程 为了理解这些过程 一些名词解释如下 Suiable Cell 是一个 UE 可以在其中获得正常服务 normal service 的小区 Accepable Cell 满足 cell selecion 的 crieria S 但只能获得受限服务 limied service 的小区 Camped normally UE 驻留在小区中可以获得 normal service 这个小区一定是 suiable cell Camped on any cell UE 驻留在小区中可以获得 limied service 这个小区一定是 accepable cell 6-18

230 第六章基本信令流程 go here whenever a new PLMN is seleced cell informaion sored for he PLMN 1 no cell informaion sored for he PLMN no suiable cell found Sored Informaion Cell Selecion no suiable cell found Iniial Cell Selecion Cell Selecion when leaving conneced mode suiable cell found suiable cell found Camped normally suiable cell found NAS regisraion rejeced no suiable cell found reurn o idle mode leave idle mode rigger suiable cell seleced Conneced Mode Cell Reselecion Evaluaion Process no suiable cell found 1 go here when no USIM in he UE USIM insered Any Cell Selecion no accepable cell found an accepable cell found Cell Selecion when leaving conneced mode accepable cell found Camped on Any Cell suiable cell found 1 reurn o idle mode leave idle mode rigger accepable cell seleced Conneced Mode (Emergency calls only) Cell Reselecion Evaluaion Process no accepable cell found 图 6-7 空闲模式下的小区选择与重选在任何状态下新 PLMN 的选择将导致状态的退出从开始点 1 重新开始 位置登记 这些过程请参见 MM GMM 的过程 6-19

231 第六章基本信令流程 6.3 无线资源管理流程 RRC 连接建立流程 UE 处于空闲模式下 当 UE 的非接入层请求建立信令连接时 UE 将发起 RRC 连接建立过程 每个 UE 最多只有一个 RRC 连接 当 SRNC 接收到 UE 的 RRC CONNECTION REQUEST 消息由其无线资源管理模块 RRM 根据特定的算法确定是接受还是拒绝该 RRC 连接建立请求如果接受则再判决是建立在专用信道还是公共信道对于 RRC 连接建立使用不同的信道则 RRC 连接建立流程也不一样 1. RRC 连接建立在专用信道上 如图 6-8 所示 UE NodeB SRNC 1. RRC CONNECTION REQUEST 3. RL SESETUP REQUEST 2. 分配 RNTI, L1,L2 参数 4. RL SETUP RESPONSE 5. ALCAP 建立并同步 6. RRC CONNECTION SETUP 7. RRC CONNECTION SETUP COMPLETE 图 6-8 RRC 连接建立在专用信道上 信令流程说明 (1) UE 在上行 CCCH 上发送一个 RRC Connecion Reques 消息请求建立一条 RRC 连接 (2) SRNC 根据 RRC 连接请求的原因以及系统资源状态决定 UE 建立在专用信道上并分配 RNTI 和 L1 L2 资源 (3) SRNC 向 Node B 发送 Radio Link Seup Reques 消息请求 Node B 分配 RRC 连接所需的特定无线链路资源 (4) Node B 资源准备成功后向 SRNC 应答 Radio Link Seup Response 消息 6-20

232 第六章基本信令流程 (5) SRNC 使用 ALCAP 协议发起 Iub 接口用户面传输承载的建立并完成 RNC 于 Node B 之间的同步过程 (6) SRNC 在下行 CCCH 向 UE 发送 RRC Connecion Seup 消息 (7) UE 在上行 DCCH 向 SRNC 发送 RRC Connecion Seup Complee 消息 至此 RRC 连接建立过程结束 2. RRC 连接建立在公共信道上 如图 6-9 所示当 RRC 连接建立在公共信道上时因为用的是已经建立好的小区公共资源所以这里无需建立无线链路和用户面的数据传输承载其余过程与 RRC 连接建立在专用信道相似 UE NodeB 1. RRC CONNECTION REQUEST SRNC 2. 分配 RNTI, L1,L2 参数 3. RRC CONNECTION SETUP 4. RRC CONNECTION SETUP COMPLETE 图 6-9 RRC 连接建立在公共信道 信令建立流程 信令建立流程是在 UE 与 UTRAN 之间的 RRC 连接建立成功后 UE 通过 RNC 建立与 CN 的信令连接也叫 NAS 信令建立流程用于 UE 与 CN 的信令交互 NAS 信息如鉴权业务请求连接建立等 UE 与 CN 的交互的信令对于 RNC 而言都是直传消息 RNC 在收到第一条直传消息时即初始直传消息 Iniial Direc Transfer 将建立与 CN 之间的信令连接该连接建立 SCCP 之上流程如图 6-10 所示 6-21

233 第六章基本信令流程 UE SRNC CN 1.RRC INITIAL DIRECT TRANSFER 2.RANAP: INITIAL UE MESSAGE(CR) 3.SCCP CC (Success) 3.SCCP CC (Failure) 图 6-10 信令建立过程 具体流程如下 (1) RRC 连接建立后 UE 通过 RRC 连接向 RNC 发送初始直传消息 Iniial Direc Transfer 消息中携带 UE 发送到 CN 的 NAS 信息内容 (2) RNC 接收到 UE 的初始直传消息通过 Iu 接口向 CN 发送 SCCP 连接请求消息 CR 消息数据为 RNC 向 CN 发送的初始 UE 消息 Iniial UE Message 该消息带有 UE 发送到 CN 的消息内容 (3) 如果 CN 准备接受连接请求则向 RNC 回 SCCP 连接证实消息 CC SCCP 连接建立成功 RNC 接收到该消息确认信令连接建立成功 (4) 如果 CN 不能接受连接请求 则向 RNC 回 SCCP 连接拒绝消息 CJ SCCP 连接建立失败 RNC 接收到该消息 确认信令连接建立失败 则发 起 RRC 释放过程 信令连接建立成功后 UE 发送到 CN 的消息 通过上行直传消息 Uplink Direc Transfer 发送到 RNC RNC 将其转换为直传消息 Direc Transfer 发送到 CN CN 发送到 UE 的消息 通过直传消息 Direc Transfer 发送到 RNC RNC 将其转换为下行直传消息 Downlink Direc Transfer 发送到 UE RAB 建立流程 RAB 是指用户平面的承载用于 UE 和 CN 之间传送语音数据及多媒体业务 UE 首先要完成 RRC 连接建立然后才能建立 RAB RAB 建立是由 CN 发起 UTRAN 执行的功能基本流程为 首先由 CN 向 UTRAN 发送 RAB 指配请求消息请求 UTRAN 建立 RAB UTRAN 中的 SRNC 发起建立 Iu 接口与 Iub 接口 Iur 接口的数据传输承载 SRNC 向 UE 发起 RB 建立请求 6-22

234 第六章基本信令流程 UE 完成 RB 建立向 SRNC 回应 RB 建立完成消息 SRNC 向 CN 应答 RAB 指配响应消息结束 RAB 建立流程当 RAB 建立成功以后一个基本的呼叫即建立 UE 进入通话过程根据无线资源使用情况 RRC 连接建立时的无线资源状态与 RAB 建立时的无线资源状态可以将 RAB 的建立流程分成以下三种情况 (1) DCH-DCH RRC 使用 DCH RAB 准备使用 DCH (2) RACH/FACH-RACH/FACH RRC 使用 CCH RAB 准备使用 CCH (3) RACH/FACH-DCH RRC 使用 CCH 而 RAB 准备使用 DCH 下面给出以上不同情况下的 RAB 建立流程的具体过程描述 1. DCH-DCH UE 当前的 RRC 状态为专用传输信道 DCH 时指配的 RAB 只能建立在专用传输信道上根据无线链路 RL 重配置情况 RAB 建立流程可分为同步重配置 RL DCH-DCH 与异步重配置 RL DCH-DCH 两种情况二者的区别在于 Node B 与 UE 接收到 SRNC 下发的配置消息后能否立即启用新的配置参数 同步情况下 Node B 与 UE 在接收到 SRNC 下发的配置消息后不能立即启用新的配置参数而是从消息中获取 SRNC 规定的同步时间在同步时刻同时启用新的配置参数 异步情况下 Node B 与 UE 在接收到 SRNC 下发的配置消息后将立即启用新的配置参数 (1) 同步重配置 RL 在 DCH-DCH 同步情况下需要 SRNC Node B 与 UE 之间同步重配置 RL Node B 在接收到 SRNC 下发的重配置 RL 消息后不能立即启用新的配置参数而是准备好相应的无线资源等待接收到 SRNC 下发的重配置执行消息从消息中获取 SRNC 规定的同步时间 UE 在接收到 SRNC 下发的配置消息后也不能立即启用新的配置参数而是从消息中获取 SRNC 规定的同步时间 在 SRNC 规定的同步时刻 Node B 与 UE 同时启用新的配置参数 下面给出 RAB 建立流程中 DCH-DCH 同步重配置 RL 的过程图

235 第六章基本信令流程 UE NodeB SRNC CN 1.RANAP: RAB ASSIGNMENT REQUEST 3.RL RECONFIG PRE 2. ALCAP 建立 4.RL RECONFIG READY 5.ALCAP 建立同步 6.RL RECONFIG COMMIT 7.RRC: RB SETUP 8.RRC: RB SETUP COMPLETE 9.RANAP: RAB ASSIGNMENT RESPONSE 图 6-11 RAB 建立流程 DCH-DCH 同步 信令流程说明 (1) CN 向 UTRAN 发送 RANAP 协议的 RAB 指配消息 Radio Access Bearer Assignmen Reques 发起 RAB 建立请求 (2) SRNC 接收到 RAB 建立请求后将 RAB 的 QoS 参数映射为 AAL2 链路特性参数与无线资源特性参数 Iu 接口的 ALCAP 根据其中的 AAL2 链路特性参数发起 Iu 接口的用户面传输承载建立过程 (3) SRNC 向属下的 Node B 发送 NBAP 协议的无线链路重配置准备 Radio Link Reconfiguraion Prepare 消息请求属下的 Node B 准备在已有的无线链路上增加一条或多条承载 RAB 的专用传输信道 DCH (4) Node B 分配相应的资源 然后向所属的 SRNC 发送 Radio Link Reconfiguraion Ready 消息 通知 SRNC 无线链路重配置准备完成 (5) SRNC 中 Iub 接口的 ALCAP 发起 Iub 接口的用户面传输承载建立过程 Node B 与 SRNC 通过交换 DCH 帧协议的上下行同步帧建立同步 (6) SRNC 向属下的 Node B 发送无线链路重配置执行消息 Radio Link Reconfiguraion Commi (7) SRNC 向 UE 发送 RRC 协议的 RB 建立消息 Radio Bearer Seup (8) UE 执行 RB 建立后向 SRNC 发送无线承载建立完成消息 Radio Bearer Seup Complee (9) SRNC 接收到无线承载建立完成的消息后 向 CN 回应 RAB 指配响应消息 Radio Access Bearer Assignmen Response 结束 RAB 建立流程 (2) 异步重配置 RL 在 DCH-DCH 异步情况下不要求 SRNC Node B 与 UE 之间同步重配置 RL Node B 与 UE 在接收到 SRNC 下发的配置消息后将立即起用新的配置参数 6-24

236 第六章基本信令流程 下面给出 RAB 建立流程中 DCH-DCH 异步重配置 RL 的例子图 6-12 UE NodeB SRNC CN 1. RANAP: RAB ASSIGNMENT REQUEST 3.RL RECONFIG REQ 2. ALCAP 建立 4.RL RECONFIG RESP 5. ALCAP 建立同步 6.RRC: RB SETUP 7. RRC: RB SETUP COMPLETE 8. RANAP: RAB ASSIGNMENT RESPONSE 图 6-12 RAB 建立流程 DCH-DCH 异步 信令流程说明 (1) CN 向 UTRAN 发送 RANAP 协议的 RAB 指配消息 Radio Access Bearer Assignmen Reques 发起 RAB 建立请求 (2) SRNC 接收到 RAB 建立请求后将 RAB 的 QoS 参数映射为 AAL2 链路特性参数与无线资源特性参数 Iu 接口的 ALCAP 根据其中的 AAL2 链路特性参数发起 Iu 接口的用户面传输承载建立过程 (3) 在异步情况下无线重配置无需同步 SRNC 向属下的 Node B 发送 NBAP 协议的无线链路重配置请求 Radio Link Reconfiguraion Reques 消息请求属下的 Node B 在已有的无线链路上建立新的专用传输信道 DCH (4) Node B 接收到无线链路重配置请求消息后即分配相应的资源然后向所属的 SRNC 发送 Radio Link Reconfiguraion Response 消息通知 SRNC 无线链路重配置完成 (5) SRNC 中 Iub 接口的 ALCAP 发起 Iub 接口的用户面传输承载建立过程 Node B 与 SRNC 通过交换 DCH 帧协议的上下行同步帧建立同步 (6) SRNC 向 UE 发送 RRC 协议的无线承载建立消息 Radio Bearer Seup (7) UE 执行 RB 建立后向 SRNC 发送无线承载建立完成消息 Radio Bearer Seup Complee (8) SRNC 接收到无线承载建立完成的消息后 向 CN 回应 RAB 指配响应消息 Radio Access Bearer Assignmen Response 结束 RAB 建立流程 2. RACH/FACH-DCH 当 UE 的 RRC 状态在公共信道时 RNC 根据 RAB 指配消息中的 QoS 参数可以将指配的 RAB 建立在公共信道 RACH/FACH 或专用信道 DCH 上下 6-25

237 第六章基本信令流程 面的例子是将指配的 RAB 建立在专用信道上图 6-13 UE NodeB 3. RL SETUP REQ 4. RL SETUP RESP 5. ALCAP 建立同步 SRNC CN 1. RANAP: RAB ASSIGNMENT REQUEST 2. ALCAP 建立 6. RRC: RB SETUP 7. RRC:RB SETUP COMPLETE 8. RANAP: RAB ASSIGNMENT RESPONSE 图 6-13 RAB 建立流程 RACH/FACH-DCH 信令流程说明 (1) CN 向 UTRAN 发送 RANAP 协议的 RAB 指配消息 Radio Access Bearer Assignmen Reques 发起 RAB 建立请求 (2) SRNC 接收到 RAB 建立请求后将 RAB 的 QoS 参数映射为 AAL2 链路特性参数与无线资源特性参数 Iu 接口的 ALCAP 根据其中的 AAL2 链路特性参数发起 Iu 接口的用户面传输承载建立过程 (3) SRNC 向属下的 Node B 发送无线链路建立请求消息 Radio Link Seup Reques 建立新的无线链路 (4) Node B 分配相应的资源后 向所属的 SRNC 发送无线链路建立响应消息 Radio Link Seup Response 通知 SRNC 无线链路建立完成 (5) SRNC 中 Iub 接口的 ALCAP 发起 Iub 接口的用户面传输承载建立过程 Node B 与 SRNC 通过交换 DCH 帧协议的上下行同步帧建立同步 (6) SRNC 向 UE 发送 RRC 协议的无线承载建立消息 Radio Bearer Seup (7) UE 执行 RB 建立后向 SRNC 发送无线承载建立完成消息 Radio Bearer Seup Complee (8) SRNC 接收到无线承载建立完成的消息后 向 CN 回应 RAB 指配响应消息 Radio Access Bearer Assignmen Response 结束 RAB 建立流程 3. RACH/FACH-RACH/FACH 下面给出了指配的 RAB 建立在公共信道上的例子图

238 第六章基本信令流程 UE NodeB SRNC CN 1. RANAP: RAB ASSIGNMENT REQUEST 2. ALCAP 建立 3. RRC RB SETUP 4. RRC RB SETUP COMPLETE 5. RANAP RAB ASSIGNMENT RESPONSE 图 6-14 RAB 建立流程 RACH/FACH-RACH/FACH 信令流程说明 (1) CN 向 UTRAN 发送 RANAP 协议的 RAB 指配消息 Radio Access Bearer Assignmen Reques 发起 RAB 建立请求 (2) SRNC 接收到 RAB 建立请求后将 RAB 的 QoS 参数映射为 AAL2 链路特性参数与无线资源特性参数 Iu 接口的 ALCAP 根据其中的 AAL2 链路特性参数发起 Iu 接口的用户面传输承载建立过程 (3) SRNC 向 UE 发送 RRC 协议的无线承载建立消息 Radio Bearer Seup (4) UE 执行 RB 建立后向 SRNC 发送无线承载建立完成消息 Radio Bearer Seup Complee (5) SRNC 接收到无线承载建立完成的消息后 向 CN 回应 RAB 指配响应消息 Radio Access Bearer Assignmen Response 结束 RAB 建立流程 呼叫释放流程呼叫释放流程也就是 RRC 连接释放流程 RRC 连接释放流程分为两种类型 UE 发起的释放和 CN 发起的释放两种释放类型的区别主要在于高层的呼叫释放请求消息由谁先发出但最终的资源释放都是由 CN 发起的 当 CN 决定释放呼叫后 SRNC 收到该释放命令后 将向 SRNC 发送 IU RELEASE COMMAND 消息有如下操作步骤 (1) 向 CN 返回 IU RELEASE COMPLETE 消息 (2) 发起 IU 接口用户面传输承载的释放 (3) 释放 RRC 连接 RRC 释放就是释放 UE 和 UTRAN 之间的信令链路以及全部无线承载根据 RRC 连接所占用的资源情况可进一步划分为两类释放建立在专用信道上 6-27

239 第六章基本信令流程 的 RRC 连接和释放建立在公共信道上的 RRC 连接 1. 释放建立在专用信道上的 RRC 连接 如图 6-15 所示 UE NodeB SRNC 1. RRC RRC CONNECTION RELEASE 2. RRC RRC CONNECTION RELEASE COMPLETE 3. RL DELETION 4. RL DELETION RESPONSE 5. ALCAP 释放 图 6-15 释放建立在专用信道上的 RRC 连接 流程描述 (1) RNC 向 UE 发送 RRC 连接释放消息 RRC Connecion Release (2) UE 向 RNC 返回释放完成消息 RRC Connecion Release Complee (3) RNC 向 Node B 发送无线链路删除消息 Radio Link Deleion 删除 Node B 中的无线链路资源 (4) Node B 资源释放完成后向 RNC 返回释放完成消息 Radio Link Deleion Response (5) RNC 使用 ALCAP 协议发起 IUB 接口用户面传输承载的释放 最后 RNC 再发起本端 L2 资源的释放至此 RRC 释放过程结束 2. 释放建立在公共信道上的 RRC 连接 如图 6-16 所示释放建立在公共信道上的 RRC 连接时因为此时用的是小区公共资源所以直接释放 UE 就可以了无需释放 Node B 的资源当然也没有数据传输承载的释放过程 6-28

240 第六章基本信令流程 UE NodeB SRN C 1. RRC RRC CONNECTION RELEASE 2. RRC RRC CONNECTION RELEASE COMPLETE 图 6-16 释放建立在公共信道上的 RRC 连接 切换流程 切换过程是移动通信区别于固定通信的一个显著特征之一当 UE 使用的小区或制式 FDD TDD 发生变化时我们就说 UE 发生了切换 WCDMA 支持的切换包括软切换硬切换前向切换和系统间切换软切换和硬切换主要是由网络侧发起前向切换主要是 UE 发起而系统间切换既有网络侧发起的情况又有 UE 发起的情况发生切换的原因包括 UE 的移动资源的优化配置人为干预等 1. 软切换 在 WCDMA 中由于相邻小区存在同频的情况 UE 可以通过多条无线链路与网络进行通信在多条无线链路进行合并的时候通过比较选取信号较好的一条从而达到优化通信质量的目的只有 FDD 制式才能进行软切换根据小区之间位置的不同软切换可以分为以下几种情况 (1) Node B 内不同小区之间 CN SRNC CELL NODEB CELL UE 图 6-17 Node B 内部的软切换 这种情况见图 6-17 无线链路可以在 Node B 内也可以到 SRNC 再进行 6-29

241 第六章基本信令流程 合并如果在 Node B 内部就完成了合并我们称之为更软切换 (2) 同一 RNC 内不同 Node B 之间 其流程图如图 6-18 所示 CN SRNC CELL NODEB CELL CELL NODEB CELL UE 图 6-18 不同 Node B 之间的软切换 (3) 不同 RNC 之间 其软切换流程图如图 6-19 所示 CN SRNC DRNC CELL NODEB CELL CELL NODEB CELL UE 图 6-19 不同 RNC 之间的软切换 软切换中一个重要问题就是多条无线链路的合并 WCDMA 中使用宏分集 MACRO DIVERSITY 技术对无线链路进行合并 就是根据一定的标准 如误码率 对来自不同无线链路的数据进行比较 选取质量较好的数据发 给上层 6-30

242 第六章基本信令流程 在软切换中 关于邻近小区有几个重要的概念 (1) 活动集指的是 UE 当前正在使用的小区的集合软切换的执行结果就表现在活动集中小区增加或减少 (2) 观察集 UE 根据 UTRAN 给的邻近小区信息正在观察但不在活动集中的小区 UE 对观察集中的小区进行测量当测量结果符合一定的条件时这些小区可能被加入活动集所以有时也称为候选集 (3) 已检测集 UE 已检测到但既不属于活动集也不属于观察集的小区 UTRAN 可以要求 UE 报告已检测集的测量结果由于它们不属于邻近小区列表所以有时也称之为未列出集 软切换的过程可以分为以下几个步骤 (1) UE 根据 RNC 给的测量控制信息对同频的邻近小区进行测量测量结果经过处理后上报给 RNC (2) RNC 对上报的测量结果和设定的阈值进行比较确定哪些小区应该增加哪些应该删除 (3) 如果有小区需要增加先通知 Node B 准备好 (4) RNC 通过活动集更新消息通知 UE 增加和 / 或删除小区 (5) 在 UE 成功进行了活动集更新后 如果删除了小区 则通知 Node B 释放相 应的资源 在进行软切换的过程中 原来的通信不受影响 所以能够完成从一个小区到 另一个小区的平滑切换 2. 硬切换 当邻近小区属于异频小区时不能进行软切换这时可以进行硬切换硬切换过程就是先中断跟原来小区的通信然后再从新的小区接进来因此它的性能不如软切换所以一般在不能进行软切换的时候才会考虑硬切换 硬切换的目标小区可以没有经过测量适合于紧急情况下的硬切换失败率较高更常见的硬切换同样也要对目标小区先进行测量但一般 UE 只配一个解码器不能同时对两个频点的信号进行解码所以为了 UE 能进行异频测量在 WCDMA 中引入了压缩模式技术其原理图如图 6-20 所示 6-31

243 第六章基本信令流程 One frame (10 ms) Idle period available for iner-frequency measuremens 图 6-20 压缩模式原理图 压缩模式技术的基本原理就是 Node B 在发送某些帧每 10ms 发送的数据为一帧的时候加大发送速率用少于 10ms 的时间发送完原来需要 10ms 的数据那么空出来的时间就让 UE 进行异频测量具体采用什么方式和什么时间来加大发送速率由 RNC 进行控制 跟软切换类似硬切换根据原小区和目标小区的位置关系分为以下几种 (1) 同一个小区内 FDD 和 TDD 方式之间的硬切换 (2) Node B 内的小区之间 (3) 同一 RNC 内不同 Node B 的小区之间 (4) 不同 RNC 的小区之间 通常不同 RNC 之间发生硬切换时两个 RNC 之间都存在 IUR 接口否则就需要通过伴随迁移 RELOCATION 来完成硬切换 Uu 接口有 5 个信令过程都能够完成硬切换 (1) 物理信道重配置 PHYSICAL CHANNEL RECONFIGURATION (2) 传输信道重配置 TRANSPORT CHANNEL RECONFIGURATION (3) RB 建立过程 RADIO BEAR SETUP (4) RB 释放过程 RADIO BEAR RELEASE (5) RB 重配置过程 RADIO BEAR RECONFIGURATION 图 6-21 以物理信道重配置为例给出不同 Node B 之间小区硬切换的信令过程 6-32

244 第六章基本信令流程 UE 目标 NODEB 原 NODEB SRNC 1.RADIO LINK SETUP REQUEST 2. RADIO LINK SETUP RESPONSE 3.ALCAP 建立 4. PHYSICAL CHANNEL RECONFIGURATION 5. RADIO LINK FAILURE INDICATION 6. PHYSICAL CHANNEL RECONFIGURATION COMPLETE 7. RADIO LINK DELETION REQUEST 8. RADIO LINK DELETION RESPONSE 9.ALCAP 释放 图 6-21 硬切换流程图 信令流程描述 (1) SRNC 向目标小区所在的 Node B 发送消息 Radio Link Seup Reques 要求其建立一条无线链路 (2) 目标小区所在的 Node B 向 SRNC 应答消息 Radio Link Seup Response 表明无线链路建立成功 (3) SRNC 采用 ALCAP 协议建立 SRNC 和目标 Node B 的 IUB 接口传输承载并且进行 FP 同步 (4) SRNC 通过下行 DCCH 信道向 UE 发送消息 Physical Channel Reconfiguraion 消息中给出目标小区的信息 (5) 在 UE 从原小区切换到目标小区后 原小区 Node B 会检测到无线链路失去 联系 于是向 SRNC 发消息 Radio Link Failure Indicaion 指示无线链路失 败 (6) UE 在成功切换到目标小区后 通过 DCCH 向 SRNC 发送消息 Physical Channel Reconfiguraion Complee 通知 SRNC 物理信道重配置完成 (7) SRNC 向原小区所在的 Node B 发送消息 Radio Link Deleion Reques 删除原小区的无线链路 (8) 原小区所在的 Node B 完成无线链路资源删除后向 SRNC 应答消息 Radio Link Deleion Response (9) SRNC 采用 ALCAP 协议释放 SRNC 和原小区所在 Node B 的 IUB 接口的传输承载 6-33

245 第六章基本信令流程 3. 前向切换 RRC 连接移动性管理中 前向切换是其中的一部分 前向切换分为小区更新 和 URA 更新 主要用于当 UE 位置发生改变时及时更新 UTRAN 侧关于 UE 的信 息 还可以监视 RRC 的连接 切换 RRC 的连接状态 另外还有错误通报和传 递信息的作用 不管是小区更新还是 URA 更新 更新过程均是由 UE 主动发 起的 小区更新 处于 CELL_FACH CELL_PCH 或 URA_PCH 状态的 UE 都可能发起小区更新过程对不同的连接状态会有不同的小区更新原因小区更新流程也不同 (1) 如果小区更新原因是周期性小区更新且 UTRAN 侧不给 UE 分配新的 CRNTI 或 URNTI 其流程如图 6-22 所示 UE UTRAN 1. CELL UPDATE 2. CELL UPDATE CONFIRM 图 6-22 小区更新过程 具体流程如下 (a) UE 从 CCCH 向 UTRAN 发送 CELL UPDATE 消息 (b) UTRAN 收到 UE 的 CELL UPDATE 消息处理完成后给 UE 发应答消息 CELL UPDATE CONFIRM UTRAN 侧结束本次小区更新 UE 收到 CELL UPDATE CONFIRM 消息后结束本次小区更新 (2) 如果小区更新的原因是因为有上行数据传输或者是对寻呼的响应 UTRAN 侧没有给 UE 分配 CRNTI 或 URNTI 也没有指示相关物理信道信息并且 UE 中保存的 TFS/TFCS 与系统信息中广播的 PRACH/SCCPCH 的 TFS/TFCS 相同如果小区更新的原因是因为有上行数据或者是对寻呼的响应或者是小区重选 UTRAN 侧给 UE 分配了 CRNTI 或 URNTI 但没有指示相关物理信道信息并且 UE 中保存的 TFS/TFCS 与系统信息中广播的 PRACH/SCCPCH 的 TFS/TFCS 相同其流程如图 6-23 所示 6-34

246 第六章基本信令流程 UE UTRAN 1. CELL UPDATE 2. CELL UPDATE CONFIRM 3. PHYSICAL CHANNEL RECONFIGURATION COMPLETE 图 6-23 小区更新过程 伴随有物理信道重配置 具体流程如下 (a) UE 从 CCCH 向 UTRAN 发送 CELL UPDATE 消息 (b) UTRAN 收到 UE 的 CELL UPDATE 消息处理完成后给 UE 发应答消息 CELL UPDATE CONFIRM 并等待 UE 的应答消息 (c) UE 收到 CELL UPDATE CONFIRM 消息后向 UTRAN 发 PHYSICAL CHANNEL RECONFIGURATION COMPLETE 消息 UE 侧结束本次小区更新 UTRAN 侧收到 UE 的 PHYSICAL CHANNEL RECONFIGURATION COMPLETE 消息后结束本次小区更新 (3) 如果小区更新的原因是因为有上行数据传输或者是对寻呼的响应 UTRAN 侧没有给 UE 分配 CRNTI 或 URNTI 也没有指示相关物理信道信息并且 UE 中保存的 TFS/TFCS 与系统信息中广播的 PRACH/SCCPCH 的 TFS/TFCS 不同如果小区更新的原因是因为有上行数据或者是对寻呼的响应或者是小区重选 UTRAN 侧给 UE 分配了 CRNTI 或 URNTI 但没有指示相关物理信道信息并且 UE 中保存的 TFS/TFCS 与系统信息中广播的 PRACH/SCCPCH 的 TFS/TFCS 不同其流程如图 6-24 所示 6-35

247 第六章基本信令流程 UE UTRAN 1. CELL UPDATE 2. CELL UPDATE CONFIRM 3.TRANSPORT CHANNEL RECONFIGURATION COMPLETE 图 6-24 小区更新过程 伴随有传输信道重配置 具体流程如下 (a) UE 从 CCCH 向 UTRAN 发送 CELL UPDATE 消息 (b) UTRAN 收到 UE 的 CELL UPDATE 消息处理完成后给 UE 发应答消息 CELL UPDATE CONFIRM 并等待 UE 的应答消息 (c) UE 收到 CELL UPDATE CONFIRM 消息后向 UTRAN 发 TRANSPORT CHANNEL RECONFIGURATION COMPLETE 消息 UE 侧结束本次小区更新 UTRAN 侧收到 UE 的 TRANSPORT CHANNEL RECONFIGURATION COMPLETE 消息后结束本次小区更新 (4) 如果小区更新原因是周期性 UTRAN 侧给 UE 分配了 CRNTI 或 URNTI 但没有指示相关物理信道信息 UE 将更新其标识其流程如图 6-25 所示 UE UTRAN 1. CELL UPDATE 2. CELL UPDATE CONFIRM 3.RNTI REALLOCATION COMPLETE 图 6-25 小区更新过程 伴随有 RNTI 重分配 具体流程如下 (a) UE 从 CCCH 向 UTRAN 发送 CELL UPDATE 消息 (b) UTRAN 收到 UE 的 CELL UPDATE 消息处理完成后给 UE 发应答消息 CELL 6-36

248 第六章基本信令流程 UPDATE CONFIRM 并等待 UE 的应答消息 (c) UE 收到 CELL UPDATE CONFIRM 消息后向 RNTI REALLOCTION COMPLETE 消息 UE 侧结束本次小区更新 UTRAN 侧收到 UE 的 RNTI REALLOCTION COMPLETE 消息后结束本次小区更新 URA 更新 URA 更新过程的目的是处于 URA_PCH 状态下的 UE 经过 URA 再选择后用现在的 URA 更新 UTRAN 在没有 URA 再选择发生时该过程也可以用来监视 RRC 连接一个小区中可以广播几个不同的 URA ID 在一个小区中不同的 UE 可以属于不同的 URA 当 UE 处于 URA_PCH 状态时有且仅有一个有效的 URA 处于 URA_PCH 状态时如果分配给 UE 的 URA 不在小区中广播的 URA ID 列表中则 UE 将发起 URA 更新过程或者 UE 在服务区内但 T306 超时则 UE 将发起 URA 更新过程 (1) 如果 URA 更新过程中 UTRAN 没有给 UE 分配新的 CRNTI 或 URNTI 其流程如图 6-26 所示 UE UTRAN 1. URA UPDATE 2. URA UPDATE CONFIRM 图 6-26 URA 更新过程 没有分配新的 CRNTI 或 URNTI 具体流程如下 (a) UE 从 CCCH 向 UTRAN 发起 URA UPDATE 消息 (b) UTRAN 收到 UE 的 URA UPDATE 消息处理完成后给 UE 发应答消息 URA UPDATE CONFIRM 并结束 UTRAN 侧本次 URA 更新 UE 收到 URA UPDATE CONFIRM 消息后结束本次 URA 更新 (2) 如果 URA 更新过程中 UTRAN 给 UE 分配了新的 CRNTI 或 URNTI 其流程如图 6-27 所示 6-37

249 第六章基本信令流程 UE UTRAN 1. URA UPDATE 2. URA UPDATE CONFIRM 3.RNTI REALLOCATION COMPLETE 图 6-27 URA 更新过程 分配了新的 CRNTI 或 URNTI 具体流程如下 (a) UE 从 CCCH 向 UTRAN 发起 URA UPDATE 消息 (b) UTRAN 收到 UE 的 URA UPDATE 消息处理完成后给 UE 发应答消息 URA UPDATE CONFIRM 并等待 UE 的消息应答 (c) UE 收到 URA UPDATE CONFIRM 消息后更新 CRNTI 或 URNTI 并向 UTRAN 发 RNTI REALLOCTION COMPLETE 消息并结束本次 URA 更新 UTRAN 侧收到 UE 的 RNTI REALLOCTION COMPLETE 消息后结束本次 URA 更新 4. 系统间切换 WCDMA 支持 UE 在 UTRAN 和现存系统如 GSM/GPRS 之间进行切换可以分为网络控制下的切换如 GSM 和 UE 的小区重选如 GPRS 二种情况它们各自又可分为入 UTRAN 和出 UTRAN 两种情况下面我们分为四种情况对系统间切换的信令过程进行介绍这里只介绍 UTRAN 中的信令 迁入 UTRAN 其流程图如图 6-28 所示 6-38

250 第六章基本信令流程 UE UTRAN CN 1.RELOCATION REQUEST 2. RELOCATION REQUEST ACKNOWLEDGE 3. HANDOVER TO UTRAN COMPLETE 图 6-28 迁入 UTRAN 流程图 具体流程如下 (1) CN 用 Relocaion Reques 消息通知 UTRAN 有 UE 需要迁入 (2) UTRAN 在准备好资源之后向 CN 发送 Relocaion Reques Acknowledge 消息在这条消息中又带着 Handover To UTRAN Command 消息由对方系统把 Handover To UTRAN Command 消息发送给 UE (3) UE 在成功接入 UTRAN 之后向 UTRAN 发送 Handover To UTRAN Complee 消息 迁出 UTRAN 其流程图如图 6-29 所示 当 RNC 认为有必要时可以首先进行前面提到的压缩模式控制让 UE 进行异系统测量在信号比较好的时候进行系统间切换 UE UTRAN CN 1.RELOCATION REQUIRED 2. RELOCATION COMMAND 3.INTER-SYSTEM HANDOVER COMMAND 图 6-29 迁出 UTRAN 流程图 信令流程描述 (1) UTRAN 向 CN 发 Relocaion Required 消息要求对方系统为系统间切换做好准备 6-39

251 第六章基本信令流程 (2) CN 向 UTRAN 发 Relocaion Command 消息表示对方已准备好 (3) UTRAN 向 UE 发送 Iner-Sysem Handover Command 消息要求 UE 进行系统间切换 在 UE 进行系统间切换失败的时候 Failure 消息继续使用原来的信道 会向 UTRAN 发送 Iner-Sysem Handover UE 小区重选出 UTRAN 如图 6-30 所示对于电路域 UE 的小区重选在 UTRAN 中没有什么特殊的信令但是对于支持无损迁移的分组域 RAB 有一组信令来处理缓存的分组数组的转发 UTRAN CN 1. SRNS CONTEXT REQUEST 2. SRNS CONTEXT RESPONSE 3. SRNS DATA FORWARD COMMAND 图 6-30 小区重选出 UTRAN 流程图 信令流程描述 (1) CN 向 UTRAN 发送消息 SRNS Conex Reques 要求其给出数据转发所需的 GTP-U 和 PDCP 序列号信息 (2) UTRAN 向 CN 返回消息 SRNS Conex Response 其中包含为每条 RAB 准备的转发数据的起始序列号 (3) CN 向 UTRAN 发送消息 SRNS Daa Forward Command 要求 UTRAN 开始启动缓存的分组数据的转发 5. UE 小区重选入 UTRAN 开始的接入和正常的连接没什么区别但在 RAB 指配消息中 CN 会给出 PDCP 和 GTP-U 的序列号 UTRAN 用这些序列号来配置用户面以使用户面能够接收从其它系统如 GPRS 转发过来的分组数据 RNC 迁移 RNC 迁移指 UE 的服务 RNC 从一个 RNC 变成另一个 RNC 的过程 根据发生迁 6-40

252 第六章基本信令流程 移时 UE 所处位置的不同可以分为静态迁移和伴随迁移两种情况 UE 不涉及的 UE No Involved 和 UE 涉及的 UE Involved 或者说 1. 静态迁移 发生静态迁移的条件是 UE 从一个 DRNC 而且只从一个 DRNC 中接入 由于 迁移过程不需要 UE 的参与 所以也称之为 UE 不涉及的 UE No Involved 迁移 下面给出一个存在两条无线链路的例子 发生迁移之后 原来的 DRNC 变成了 SRNC IUR 接口的连接被释放 IU 接口发生迁移 如图 6-31 所 示 CN CN SRNC DRNC 原来的 SRNC SRNC CELL NODEB CELL CELL NODEB CELL CELL NODEB CELL CELL NODEB CELL UE UE 图 6-31 静态迁移过程 在 WCDMA 中由于存在两个 CN 域 如果在发生迁移的时候 UE 和两个域都 有连接 那么这两个域必须同时迁移 下面给出静态迁移的信令流程图如图 6-32 所示 6-41

253 第六章基本信令流程 UE SRNC DRNC MSC SGSN 1. RELOCATION REQUIRED 2. RELOCATION REQUIRED 3. RELOCATION REQUEST 4. RELOCATION REQUEST 13. RNTI REALLOCATION 5. ALCAP 建立 6. RELOCATION REQUEST ACK 7. RELOCATION REQUEST ACK 9. RELOCATION COMMAND 8. RELOCATION COMMAND 10. RELOCATION COMMIT 11. RELOCATION DETECT 12. RELOCATION DETECT 14. RNTI REALLOCATION COMPLETE 15. RELOCATION COMPLETE 16. RELOCATION COMPLETE 17. IU RELEASE COMMAND 18. IU RELEASE COMMAND 19. ALCAP 释放 图 6-32 静态迁移信令流程图 信令流图描述 (1) SRNC 向 SGSN PS 域的 CN 发送迁移请求消息 Relocaion Required (2) SRNC 向 MSC CS 域的 CN 发送迁移请求 Relocaion Required (3) SGSN 向 DRNC 发送消息 Relocaion Reques 要求 DRNC 做好迁移准备即准备所需资源 (4) MSC 向 DRNC 发送消息 Relocaion Reques 要求 DRNC 做好迁移准备 即 准备所需资源 (5) DRNC 采用 ALCAP 协议发起电路域 IU 接口用户面承载的建立 (6) DRNC 向 SGSN 发送消息 Relocaion Reques Acknowledge 通知 SGSN 迁移所需的资源已经准备好 (7) DRNC 向 MSC 发送消息 Relocaion Reques Acknowledge 通知 MSC 迁移所 6-42

254 第六章基本信令流程 需的资源已经准备好 (8) SGSN 向 SRNC 发送消息 Relocaion Command 通知 SRNC 可以进行迁移了 (9) MSC 向 SRNC 发送消息 Relocaion Command 通知 SRNC 可以进行迁移了 (10) SRNC 通过 IUR 接口向 DRNC 发送迁移触发消息 Relocaion Commi 如果存在支持无损迁移的 RAB 那么数据转发所需的 PDCP 和 GTP-U 的序列号从这条消息带过去然后 SRNC 就启动数据转发 (11) DRNC 向 SGSN 发送消息 Relocaion Deec 通知 SGSN 检测到迁移触发 (12) DRNC 向 MSC 发送消息 Relocaion Deec 通知 MSC 检测到迁移触发 (13) DRNC 向 UE 发送消息 URNTI Reallocaion 要求 UE 修改 U-RNTI 值 (14) UE 向 DRNC 发送消息 URNTI Reallocaion Complee 通知 DRNC 修改完成至此 DRNC 转换成 SRNC 的角色 (15) DRNC 向 SGSN 发送消息 Relocaion Complee 通知 SGSN 迁移已成功结束 (16) DRNC 向 MSC 发送消息 Relocaion Complee 通知 MSC 迁移已成功结束 (17) SGSN 向原来的 SRNC 发送消息 Iu Release Command 通知其释放 PS 域的 Iu 连接 (18) MSC 向原来的 SRNC 发送消息 Iu Release Command 通知其释放 CS 域的 Iu 连接 (19) 原来的 SRNC 采用 ALCAP 协议发起 IU 接口用户面承载的释放 2. 伴随迁移 伴随迁移指 UE 从 SRNC 硬切换到目标 RNC 同时 IU 接口发生变化的过程由于迁移过程需要 UE 的参与所以也称之为 UE 涉及的 UE Involved 迁移其连接变化情况如图 6-33 所示 CN CN SRNC 目标 RNC 原来的 SRNC SRNC CELL NODEB CELL CELL NODEB CELL CELL NODEB CELL CELL NODEB CELL UE UE 图 6-33 伴随迁移过程 6-43

255 第六章基本信令流程 能够完成硬切换的 5 个信令过程都可以用来完成伴随迁移下面只给出用物理信道重配置来完成的伴随迁移信令流程图如图 6-34 所示 UE SRNC Targe RNC MSC SGSN 1. RELOCATION REQUIRED 2. RELOCATION REQUIRED 3. RELOCATION REQUEST 4. RELOCATION REQUEST 5. ALCAP 建立 6. RELOCATION REQUEST ACK 7. RELOCATION REQUEST ACK 9. RELOCATION COMMAND 8. RELOCATION COMMAND 10*. FORWARD SRNS CONTEXT 11*. FORWARD SRNS CONTEXT 12. PHYSICAL CHANNEL RECONFIGURATION 13.PHYSICAL CHANNEL RECONFIGURATION COMPLETE 14. RELOCATION COMPLETE 15. RELOCATION COMPLETE 17. IU RELEASE COMMAND 16. IU RELEASE COMMAND 18. ALCAP 释放 图 6-34 伴随迁移信令流程图 信令流图描述 (1) SRNC 向 SGSN PS 域的 CN 发送迁移请求消息 Relocaion Required (2) SRNC 向 MSC CS 域的 CN 发送迁移请求 Relocaion Required (3) SGSN 向 DRNC 发送消息 Relocaion Reques 要求 DRNC 做好迁移准备即准备所需资源 (4) MSC 向 DRNC 发送消息 Relocaion Reques 要求 DRNC 做好迁移准备 即 准备所需资源 6-44

256 第六章基本信令流程 (5) DRNC 采用 ALCAP 协议发起电路域 IU 接口用户面承载的建立 (6) DRNC 向 SGSN 发送消息 Relocaion Reques Acknowledge 通知 SGSN 迁移 所需的资源已经准备好 并且告知用具体用 RB 建立 RB 释放 RB 重配 置 传输信道重配置 物理信道重配置过程中的哪一个过程来完成伴随 迁移 (7) DRNC 向 MSC 发送消息 Relocaion Reques Acknowledge 通知 MSC 迁移所需的资源已经准备好并且告知用具体用 RB 建立 RB 释放 RB 重配置传输信道重配置物理信道重配置过程中的哪一个过程来完成伴随迁移 (8) SGSN 向 SRNC 发送消息 Relocaion Command 通知 SRNC 可以进行迁移了 (9) MSC 向 SRNC 发送消息 Relocaion Command 通知 SRNC 可以进行迁移了 (10) 如果存在支持无损迁移的 RAB 则 SRNC 向 SGSN 发送消息 Forward SRNS Conex 希望 SGSN 把数据转发所需的 GTP-U 和 PDCP 序列号送给目标 RNC 否则直接至步骤 (12) (11) 如果 SGSN 收到来自 SRNC 的 Forward SRNS Conex 消息则向目标 RNC 发送消息 Forward SRNS Conex 其中包含来自 SRNC 的数据转发所需的 GTP-U 和 PDCP 序列号 (12) 这里具体发送什么消息是由目标 RNC 在准备资源时就决定好的 目标通 过消息 Relocaion Reques Acknowledge 告知 SGSN SGSN 再通过消息 Relocaion Command 告知 SRNC 这里假设是物理信道重配置 Physical Channel Reconfiguraion (13) UE 成功地接入到目标 RNC 后给目标 RNC 发送消息 Physical Channel Reconfiguraion Complee 目标 RNC 成为 UE 的 SRNC (14) 目标 RNC 向 SGSN 发送消息 Relocaion Complee 通知 SGSN 迁移已成功结束 (15) 目标 RNC 向 MSC 发送消息 Relocaion Complee 通知 MSC 迁移已成功结束 (16) SGSN 向原来的 SRNC 发送消息 Iu Release Command 通知其释放 PS 域的 Iu 连接 (17) MSC 向原来的 SRNC 发送消息 Iu Release Command 通知其释放 CS 域的 Iu 连接 (18) 原来的 SRNC 采用 ALCAP 协议发起 IU 接口用户面承载的释放 6-45

257 第六章基本信令流程 6.4 电路域移动性管理 位置更新 位置更新过程是由 HLR MSC/VLR 等实体之间逻辑配合完成 HLR 记录移动用户当前位置信息和所有用户数据 VLR 记录漫游到由该 VLR 控制位置区的移动用户的相关用户数据 MSC 处理移动用户的位置登记进程与移动用户对话并与 HLR VLR 交互信息 位置更新包括位置登记周期性位置登记用户数据删除等 位置登记 引起移动用户发生正常位置登记的条件是生漫游引起位置改变 移动设备开机时以及移动用户发 周期性位置登记 通过周期性位置登记位置更新 PLMN 可以保持追踪移动用户当前的状态特别是保持长时间没有操作的用户与网络的联系位置更新时间周期和保护时间可以由 PLMN 运营商根据具体话务和用户习惯来设定调整 用户数据删除 指将用户记录从 VLR 中删除包括用户漫游产生的用户数据删除用户长时间无操作引起的用户数据删除以及系统管理员对无效用户记录所进行的删除 图 6-35 是一个典型的位置更新流程图 基本包含了上述三个过程 6-46

258 第六章基本信令流程 Iu D UE - RNS MSC/VLR HLR G D PVLR A_LU_REQUEST > MAP_SEND_IDENTIFICATION > MAP_SEND_IDENTIFICATION ack < MAP_UPDATE_LOCATION > MAP_CANCEL_LOCATION < MAP_CANCEL_LOCATION ack > MAP_INSERT_SUBSCRIBER_DATA < MAP_INSERT_SUBSCR._DATA ack > MAP_UPDATE_LOCATION ack < A_LU_CONFIRM < 图 6-35 位置更新流程图 (1) MSC/VLR 接收到用户用 TMSI 发起的位置更新请求后如果 TMSI 不认识若携带的前位置信息为临近 VLR 的位置区则发起向 PVLR 取识别的流程若前位置区为非临近 VLR 的位置区或者到 PVLR 取识别失败则发起要求手机提供 IMSI 的流程要求手机提供 IMSI 的流程在图中没有画出 (2) 如果用户在本 VLR 首次位置登记则发起到 HLR 的位置更新请求 (3) HLR 接收到 MSC/VLR 的位置更新请求后发现如果用户漫游的 MSC/VLR 号码发生改变向 PVLR 发起位置删除流程删除 PVLR 中的用 6-47

259 第六章基本信令流程 户信息 (4) 如果漫游拒绝 HLR 直接向 MSC/VLR 发出携带拒绝信息的位置更新响应否则首先向 MSC/VLR 插入用户数据然后根据插入用户数据的结果判断是下发位置更新接受还是位置更新拒绝 去活 去活过程即移动用户关机 MS 发起 DETACH 的流程 MSC/VLR 置用户状态为 IMSI 分离该流程一般不通知 HLR 若该 MS 被拨打 MSC 会将用户关机情况直接通知主叫方其流程图相当简单如图 6-36 所示 Iu UE - RNS MSC/VLR IMSI_DETACH_IND > 图 6-36 关机流程图 当 MS 关机时向网络发出关机信号 MSC/VLR 记录用户已经关机另有些型号的移动终端在通话期间直接关电源时也可以发起 DETACH 流程 鉴权流程 一个成功的鉴权过程可以用流程图来表示如图 6-37 所示 MS AUTHENTICATION REQUEST AUTHENTICATION RESPONSE Nework sar T3360 图 6-37 鉴权成功 鉴权流程由网络侧发起其目的是由网络来检查是否允许终端接入网络提供鉴权参数五元组中的随机数数组供终端计算出加密密钥 CK 同时供终端计算出与网络侧进行一致性检查的密钥 IK 最后一个目的是可以提供终端对网络的鉴权 与 GSM 的鉴权流程相比 3G 的鉴权流程增加了一致性检查的功能及终端对 6-48

260 第六章基本信令流程 网络的鉴权功能 这些功能使 3G 的安全特性有了进一步的增强 网络侧在发起鉴权前 如果 VLR 内还没有鉴权参数五元组 此时将首先发起 到 HLR 取鉴权集的过程 并等待鉴权参数五元组的返回 鉴权参数五元组的 信息包含 RAND XRES AUTN CK 和 IK 在检测到鉴权参数五元组的存在后 网络侧下发鉴权请求消息 此消息中将 包含某个五元组的 RAND 和 AUTN 用户终端在接收到此消息后 由其 USIM 验证 AUTN 即终端对网络进行鉴权 如果接受 USIM 卡将利用 RAND 来计算出 CK 与 IK 和签名 XRES 如果 USIM 认为鉴权成功 在鉴权响 应消息中将返回 XRES 网络侧在收到鉴权响应消息之后比较此鉴权响应消息中的 XRES 与存储在 VLR 数据库中的鉴权参数五元组的 XRES 确定鉴权是否成功成功则继续后面的正常流程不成功则会发起异常处理流程释放网络侧与此终端间的连接并释放被占用的网络资源无线资源 在成功的鉴权之后 终端将会把 CK 加密密钥 与 IK 一致性检查密钥 存放到 USIM 卡中 有些情况下终端会在收到鉴权请求消息后上报鉴权失败典型的鉴权失败的原因有下面两种 手机终端在对网络鉴权时检查由网络侧下发的鉴权请求消息中的 AUTN 参数如果其中的 MAC 信息错误终端会上报鉴权失败消息原因值为 MAC Failure 如图 6-38 所示 Sar T3214 Sop T3214 Sar T3215 Sop T3215 MS AUTHENTICATION REQUEST AUTH FAILURE (cause= MAC failure ) IDENTITY REQUEST IDENTITY RESPONSE (IMSI) AUTHENTICATION REQUEST AUTHENTICATION RESPONSE Nework Sar T3360 Sop T3360 图 6-38 鉴权失败 失败原因为 MAC Failure 此时网络侧将根据手机终端上报的用户标识来决定是否发起识别过程如果当前的标识为 TMSI 或 P-TMSI 则发起识别流程要求手机终端上报 6-49

261 第六章基本信令流程 IMSI 信息 然后再次发起鉴权流程 另外一种鉴权失败的情况是手机终端检测到 AUTN 消息中的 SQN 的序列号错误引起鉴权失败原因值为 Synch failure! 同步失败如图 6-39 所示 MS AUTHENTICATION REQUEST Nework Sar T3360 Sar T3216 Sop T3216 AUTH FAILURE (cause= Synch failure ) AUTHENTICATION REQUEST AUTHENTICATION RESPONSE Sop T3360 Perform Re-synch wih HLR 图 6-39 鉴权失败 原因值为 Synch failure 此时网络侧的 VLR 将删除所有鉴权参数 5 元组并发起到 HLR 的同步过程要求 HLR 重新插入鉴权参数五元组然后再开始鉴权过程 安全模式控制 安全模式控制过程是由网络侧用来向无线接入网侧发送加密信息的在此过程中核心网的网络侧将与无线接入网协商对用户终端进行加密的算法使得用户在后续的业务传递过程中使用此加密算法并且在终端用户发生切换后尽可能的仍使用此加密算法即用于加密的有关参数会送到切换的目的 RNC 如图 6-40 所示 RNC Securiy Mode Conrol Nework Securiy Mode Complee 图 6-40 安全模式控制 TMSI 重分配 TMSI 即临时移动用户识别码是由 LAI 位置区号和临时分配给指定用户的一串数字组成 TMSI 由 MSC/VLR 管理当 MS 首次在一个位置区注册时分配给它并在 MS 离开该位置区时注销 TMSI 被用来唯一识别一个位置区的 MS 取代 IMSI 在无线信道中传输从而防止第三方通过窃听无线信道上 6-50

262 第六章基本信令流程 的信号而识别并跟踪移动用户 TMSI 与 IMSI 国际移动用户标识的对应关系存放在管理 MS 当前访问位置区的 VLR 中最新分配的 TMSI 也将存放于 MS 的 SIM 卡中 TMSI 重分配的实现在用户位置更新和呼叫建立及补充业务等过程都可以执行 在位置更新时进行的 TMSI 重分配流程如图 6-41 所示 是与位置更新接受融合在一起的 MS Loc Updae Accep (wih TMSI) Nework TMSC Realloc complee 图 6-41 位置更新时的 TMSI 重分配 说明 在移动性管理过程中鉴权安全模式控制 TMSI 重分配等几项流程属于选做流程这些过程可以由网络运营商来决定是否激活或提供 联合位置更新 当用户终端所处的位置区与路由区都发生改变时将发起联合位置更新过程同时在 CS 域 PS 域发起位置更新网络侧的 CS 域与 PS 域通过 Gs 接口相连核心网的电路域分组域分离组网时下面的描述中将用 MSC 来代表 CS 域 SGSN 来代表 PS 域 Gs 接口采用 No.7 信令上中的 BSSAP+ 协议借助 Gs 接口 CS 域和 PS 域可互相更新数据库里保存的移动台的位置信息这样可减少空中信令而且有助于 MSC 通过 Gs 接口寻呼到正在进行 GPRS 业务的 B 类手机 图 6-42 是一个典型的联合位置更新的流程图 (1) SGSN 接收到手机的路由区更新请求后如果需要则发起到 HLR 的位置更新 (2) 如果 SGSN 和 MSC/VLR 之间配置有 Gs 接口则 SGSN 发起到 MSC/VLR 的联合位置更新否则直接下发路由区更新接受 (3) MSC/VLR 接收到 SGSN 的位置更新请求后执行 MSC/VLR 的位置更新处理并记录关联数据 (4) MSC/VLR 接收到 HLR 的位置更新接受后通过 Gs 接收向 SGSN 发出位置 6-51

263 第六章基本信令流程 更新接受消息 (5) SGSN 接收到 MSC/VLR 的位置更新接受消息后置关联数据下发路由区更新接受如果进行了 TMSI 重分配则 SGSN 把手机上报的 TMSI 重分配完成转发给 MSC/VLR 完成联合位置更新流程 6-52

264 第六章基本信令流程 Iu Gr UE - RNS SGSN HLR D +-+- VLR Gs Gr PSGSN Gb_ATTACH/RA_UPDATE_REQUEST > MAP_UPDATE_GPRS_LOCATION > MAP_CANCEL_ LOCATION < MAP_CANCEL_ LOCATION ack > MAP_INSERT_SUBSCRIBER_DATA < MAP_INSERT_SUBSCR._DATA ack > MAP_UPDATE_GPRS LOCATION ack < Gs_GPRS_LOCATION > UPDATING MAP_UPDATE_LOCATION > MAP_INSERT < SUBSCRIBER_DATA MAP_INSERT > SUBSCRIBER_DATA ack MAP_UPDATE_LOCATION < Gs_GPRS_LOCATION ack < UPDATING Ack Gb_ATTACH/RA_UPDATE_ < REQUEST ack > Gs_GPRS_TMSI_REALLOCATION > COMPLETE 图 6-42 联合位置更新 6-53

265 第六章基本信令流程 6.5 分组域移动性管理流程 MM 功能概述 移动性管理 MOBILITY MANAGEMENT 和会话管理 SESSION MAMAGEMENT 以及短消息 SHORT MESSAGE SERVICES 共同组成 3GPP 协议中的连接层在 UMTS 系统中 MM 处于 RANAP 层之上为 SM 和 SMS 提供信令传送实现了用户在网络中的移动性管理移动性管理主要完成用户的附着分离安全流程路由区更新位置更新等功能 1. 术语介绍 GMM/PMM GSM 和 UMTS 系统分组业务的移动性管理组域的移动性管理特性 本文主要介绍 UMTS 系统中的分 MM CONTEXT GMM 的用户上下文包括了用户签约数据鉴权集 GMM 在协议栈中的位置如图 6-43 所示与 SM SMS 的关系如图 6-44 所示 GMM / SM / SMS GMM / SM / SMS Relay RRC RRC RANAP RANAP RLC RLC SCCP SCCP MAC L1 MS Uu MAC Signalling Bearer AAL5 L1 ATM RNS Iu-Ps Signalling Bearer AAL5 ATM 3G SGSN 图 6-43 UMTS 系统分组域手机和网络侧的控制面协议 6-54

266 第六章基本信令流程 SM SM SM SMS MM 子层 GMM PD 图 6-44 UMTS 系统分组域移动性管理与相关单元的关系图 GMM 与 SM 之间的原语 GMMSM-RELEASE-IND GMMSM-UNITDATA-REQ GMMSM-UNITDATA-IND GMM 和 SMS 之间的原语 PMMSMS_REL_REQ PMMSMS_ERROR_IND PMMSMS_UNITDATA_REQ PMMSMS_UNITDATA_IND 移动性管理状态 UMTS 系统中的分组移动性管理的状态可以分为 PMM-DETACHED PMM-IDLE PMM-CONNECTED 在手机侧和网络侧状态信息通过 MM 移动性管理上下文进行管理 如图 6-45 所示 图中明确的表示移动性管理的状态与会话管理的状态是无关 的 也就是移动性管理处在连接态 会话管理可以处在激活态或者非激活态 移动性管理处在空闲态 会话管理可以处在激活态或者非激活态 状态迁移 关系描述如下 (1) PMM-DETACHED 到 PMM-CONNECTED 通过分组域的附着 移动性管理的状态由分离态迁移到连接态 6-55

267 第六章基本信令流程 (2) PMM-CONNECTED 到 PMM-IDLE 通过分组域的信令连接释放 移动性管理的状态由连接态迁移到空闲态 (3) PMM-IDLE 到 PMM-CONNECTED 通过分组域信令连接的建立 移动性管理的状态由空闲态迁移到连接态 (4) PMM-CONNECTED 到 PMM-DETACHED 通过分组域的分离或者附着拒绝 路由区更新拒绝 移动性管理的状态由连 接态迁移到分离态 (5) PMM-IDLE 到 PMM-DETACHED 通过隐式的分组域的分离 移动性管理的状态由空闲态迁移到分离态 (6) PMM-CONNECTED 到 PMM-CONNECTED 在重定位过程中 移动性管理的状态保持在连接态 注意 在某种错误影响下 可能出现 MS 和网络侧的状态不同步 通过路由更新过 程就可以实现同步 图 6-45 UMTS 系统分组域移动性管理的状态迁移图 6-56

268 第六章基本信令流程 GMM 的定时器功能 (1) Ready Timer Ready Timer 定时器的概念在 UMTS 系统中不再存在 如果用户消息中带有协 商的 Ready Timer 定时器 网络侧将其保存 等到发生系统间改变的时候 启 用 (2) Mobile Reachable Timer 网络侧监视手机周期更新的定时器比手机保存的周期更新定时器略长一些如果移动性管理的状态进入连接态 PMM-CONNECTED 则该定时器立刻停止直至移动性管理的状态进入空闲态 PMM-IDLE 重新启动移动台可及定时器如果 Mobile Reachable Timer 定时器超时用户的寻呼允许标志 PPF 被清除 SGSN 和 MSC/VLR 之间的联系 (1) SGSN 和 MSC/VLR 之间的联系会通过以下的过程建立 联合 GPRS/IMSI 附着 / 分离 已经 IMSI 附着的用户的 GPRS 附着 已经 GPRS 附着的用户的 IMSI 附着发生的是联合路由区更新 (2) 电路域寻呼 CS Paging 对于一个联合附着的用户 MSC/VLR 可以通过 SGSN 发送电路域寻呼 (3) 非 GPRS 业务提醒 Non-GPRS Aler MSC/VLR 要求 SGSN 通知 MSC/VLR 手机的活动情况会将非 GPRS 业务提醒标志 NGAF 置位 SGSN 移动性管理一旦发现该用户活动立刻通知 MSC/VLR 然后清除 NGAF (4) MS 信息过程 MS Informaion Procedure MSC/VLR 需要用户的身份信息和位置信息时可以通过 Gs 接口从 SGSN 本地获得或通过 SGSN 下发信息请求取得 MSC/VLR 所需信息 (5) MM 信息过程 MM Informaion Procedure MSC/VLR 可以通过 SGSN 将网络信息发送给用户 SGSN 会将信息下传 MM 过程 在 UMTS 系统中 MM 过程是指利用各个接口实现消息的传递具体的有通过 Iu 接口 Gr 接口 Gs 接口实现消息的传递等 6-57

269 第六章基本信令流程 GPRS 附着功能 附着流程图如图 6-46 所示 new MS UTRAN new SGSN old SGSN GGSN EIR MSC/VLR HLR old MSC/VLR 1. Aach Reques 3. Ideniy Reques 2. Idenificaion Reques 2. Idenificaion Response 3. Ideniy Response 4. Auhenicaion 5. IMEI Check 6a. Updae Locaion 6b. Cancel Locaion 6c. Cancel Locaion Ack 6d. Inser Subscriber Daa 6e. Inser Subscriber Daa Ack 6f. Updae Locaion Ack 7a. Locaion Updae Reques 7b. Updae Locaion 7c. Cancel Locaion 7d. Cancel Locaion Ack 7e. Inser Subscriber Daa 7f. Inser Subscriber Daa Ack 7h. Locaion Updae Accep 7g. Updae Locaion Ack 8. Aach Accep 9. Aach Complee C1 10. TMSI Reallocaion Complee 图 6-46 附着流程 (1) 用户通过发送附着请求消息发起附着流程用户在附着请求消息中携带有 IMSI or P-TMSI and old RAI Core Nework Classmark KSI Aach Type old P-TMSI Signaure Follow On Reques DRX Parameers 如果用户没有合法的 P-TMSI 用户会带上 IMSI 如果用户有合法的 P-TMSI 用户应该使用 P-TMSI 和配对的路由区标识同时如果具有 P-TMSI 签名的话也应该带上附着类型指示用户请求执行何种附着过 6-58

270 第六章基本信令流程 程 即 GPRS 附着 联合附着以及已经 IMSI 附着的 GPRS 附着 DRX 参数 指示用户是否使用非连续接收和 DRX 循环周期长度 SGSN 可以根据 Follow On Reques 指示 决定在附着结束后 是否释放同用户的分组业 务信令连接 (2) 如果用户使用 P-TMSI 附着 并且自上次附着改变了 SGSN 新 SGSN 应该 发送身份识别请求给老的 SGSN 带上用户的 P-TMSI 和相应的路由区标 识以及老的 P-TMSI 签名 如果有的话 老 SGSN 回应身份识别响应消息 包含用户的 IMSI 和鉴权集 如果用户在老 SGSN 未知 老 SGSN 回应消息 带上相应的原因值 如果用户的 P-TMSI 和签名不匹配 老 SGSN 回应消 息带上相应的原因值 (3) 如果用户在老 SGSN 为未知新 SGSN 应该发起身份识别请求给用户身份类型指示 IMSI 用户应该报告自己的 IMSI 给 SGSN (4) 如果用户的移动性管理上下文在网络侧不存在鉴权过程是必须的如果将要重分配 P-TMSI 并且网络支持加密加密模式应该被设置 (5) 移动台设备检查功能定义在身份检查流程中此功能现均不实现 (6) 如果 SGSN 号码自从上次分离后发生改变或者是用户的第一次附着 SGSN 应该通知 HLR (a) SGSN 发送一条 UpdaeLocaion 消息带有 SGSN 号码 SGSN 地址 IMSI 给 HLR (b) HLR 发送 Cancel Locaion 带有 IMSI 取消类型消息给老的 SGSN 同时置取消类型为 Updae Procedure (c) 老 SGSN 以 Cancel Locaion Ack 带有 IMSI 消息确认收到 HLR 的 Cancel Locaion 如果该用户有任何正在进行中的流程老 SGSN 应该等待这些流程结束然后才能删除用户的 MM 上下文和 PDP 上下文 (d) HLR 发送插入用户签约数据消息 带有 IMSI GPRS 签约数据 给新 SGSN (e) 新 SGSN 证实用户存在于新的路由区中 如果用户签约数据限制用户 在此路由区附着 SGSN 应该拒绝用户的附着请求 带以恰当的原因 值 同时可以回应插入签约数据确认消息给 HLR 如果签约数据检查 由于其他原因失败 SGSN 应该拒绝用户附着请求 带上合适的原因 值 同时回应 HLR 插入签约数据确认消息 带有 IMSI 原因值 如 果所有签约数据检查通过 SGSN 为用户构造 MM 上下文 同时回应 HLR 插入签约数据确认消息 带有 IMSI (f) HLR 在删除旧的 MM 上下文和插入新的 MM 上下文完成后发送 Updae Locaion Ack 消息给 SGSN 确认 SGSN 的 Updae Locaion 消息如果 Updae Locaion 被 HLR 拒绝 SGSN 带上合适的原因值拒绝用户的附着请求 (7) 如果在步骤 1 中的附着类型指示已经 IMSI 附着的用户进行 GPRS 附着或 6-59

271 第六章基本信令流程 者联合附着那么 VLR 应该被更新如果配置了 Gs 接口的话 VLR 号码可以从路由区信息导出 SGSN 在上面的步骤 6d 即收到 HLR 的第一次插入用户签约数据消息时就可以开始 Locaion Updae 流程这将导致用户在 VLR 中被标记上 GPRS 附着 (a) SGSN 发送 Locaion Updae 消息带有新的位置区标识 LAI IMSI SGSN 号码 Locaion Updae Type Locaion Updae Type 指示 IMSI 附着如果用户附着类型是联合附着的话否则 Locaion Updae Type 应该指示正常 Locaion Updae VLR 通过储存 SGSN 的号码创建和 SGSN 的关联 (b) 如果位置区更新发生在 MSC 之间 IMSI 新的 VLR 号码给 HLR 新的 VLR 发送 Updae Locaion 消息 (c) 如果位置区更新发生于 MSC 之间 HLR 发送 Cancel Locaion 带有 IMSI 消息给老 VLR (d) 老 VLR 以 Cancel Locaion Ack 消息确认 带有 IMSI (e) 如果位置区更新发生在 MSC 之间新的 VLR HLR 发送插入用户签约数据消息给 (f) VLR 以插入签约数据确认消息带有 IMSI 确认 (g) 在完成 MSC 间的 Locaion Updae 流程后 Ack 消息带有 IMSI 给新的 VLR HLR 以 Updae Locaion (h) VLR 回应 Locaion Updae Accep 带有 VLR 号码 TMSI 消息给 SGSN (8) SGSN 选择 Radio Prioriy SMS 发送附着接受消息带有 P-TMSI VLR 号码 TMSI P-TMSI 签名 Radio Prioriy SMS 给用户如果重新分配了 P-TMSI 应该在消息中带上 (9) 如果 P-TMSI 或者 TMSI 改变用户以附着完成消息给 SGSN 确认新分配的 TMSI (10) 如果 TMSI 发生改变 SGSN 发生 TMSI 重分配完成消息给 VLR 以确认重分配的 TMSI 如果附着请求不能被接受 SGSN 回送附着拒绝消息 带有 IMSI Cause 给 用户 分离功能 1. MS 发起的分离 其流程图如图 6-47 所示 6-60

272 第六章基本信令流程 MS BSS/UTRAN SGSN GGSN MSC/VLR 1. Deach Reques 2. Delee PDP Conex Reques 2. Delee PDP Conex Response 3. IMSI Deach Indicaion 4. GPRS Deach Indicaion 5. Deach Accep C1 6. PS Signalling Connecion Release 图 6-47 MS 发起的分离 (1) 用户发送分离请求消息带有 Deach Type P-TMSI P-TMSI Signaure Swich Off 给 SGSN 从而发起分离流程 Deach Type 指示将要进行何种类型的分离流程即 GPRS 分离 IMSI 分离联合分离 Swich Off 指示用户的分离是否是因为关机分离请求消息带有用户的 P-TMSI 和 P-TMSI 签名签名是用来检查用户分离消息的合法性的如果用户的签名不合法或者没有带 SGSN 应该发起鉴权 (2) 如果是 GPRS 分离存在于 GGSN 中属于该用户的激活的 PDP 上下文的去活是通过 SGSN 向 GGSN 发送删除 PDP 上下文请求消息带有 TEID 来实现的 GGSN 以删除 PDP 上下文响应消息予以确认 (3) 如果是 IMSI 分离 SGSN 应该发送 IMSI 分离指示消息给 VLR (4) 如果用户需要在 GPRS 分离同时保留 IMSI 附着 SGSN 应该发送 GPRS 分离指示消息给 VLR VLR 删除和 SGSN 的关联并且不再通过 SGSN 发起寻呼和 Locaion Updae (5) 如用户不是因为关机发起分离 SGSN 应该回应分离接受消息给用户 (6) 如果用户发起 GPRS 分离 SGSN 释放 PS 域信令连接 2. GSGN 发起的分离 其过程流程图如图 6-48 所示 6-61

273 第六章基本信令流程 MS BSS/UTRAN SGSN GGSN MSC/VLR 1. Deach Reques C1 2. Delee PDP Conex Reques 2. Delee PDP Conex Response 4. Deach Accep 3. GPRS Deach Indicaion 5. PS Signalling Connecion Release 图 6-48 GSGN 发起的分离过程 (1) SGSN 以分离请求消息带有分离类型通知用户已经被分离分离类型指示用户是否被要求重新附着和重新激活原先分离前激活的 PDP 上下文如果是在分离完成后附着流程将会发起 (2) SGSN 通知 GGSN 删除 PDP 上下文请求消息带有 TEID 以通知 GGSN 去活该用户激活的 PDP 上下文 GGSN 以删除 PDP 上下文响应消息确认 SGSN 的删除请求 (3) 如果用户是联合附着 SGSN 应该发送 GPRS 分离指示消息带有用户 IMSI 通知 VLR VLR 去除和 SGSN 的关联不再通过 SGSN 进行寻呼和位置区更新 (4) 用户可能在收到 SGSN 的分离请求后的任何时候发送分离接受消息给 SGSN (5) 在收到用户的分离接受消息后如果分离类型不要求用户重新附着那么 SGSN 将释放分组域的信令连接 3. HLR 发起的分离过程 其流程图如图 6-49 所示 6-62

274 第六章基本信令流程 MS BSS/UTRAN SGSN GGSN 1. Cancel Locaion HLR MSC/VLR 2. Deach Reques C1 3. Delee PDP Conex Reques 3. Delee PDP Conex Response 4. GPRS Deach Indicaion 5. Deach Accep 6. Cancel Locaion Ack 7. PS Signalling Connecion Release 图 6-49 HLR 发起的分离过程 (1) 如果 HLR 要立即从 SGSN 删除签约用户的 MM 上下文和 PDP 上下文 HLR 应该发送 Cancel Locaion 带有 IMSI Cancellaion Type 消息给 SGSN 同时置 Cancellaion Type 为 Subscripion Wihdrawn (2) SGSN 以分离请求消息带有分离类型通知用户已经被分离分离类型指示用户是否被要求重新附着和重新激活分离前原激活的 PDP 上下文 (3) SGSN 通知 GGSN 删除 PDP 上下文请求消息带有 TEID 以通知 GGSN 去活该用户激活的 PDP 上下文 GGSN 以删除 PDP 上下文响应消息确认 SGSN 的删除请求 (4) 如果用户是联合附着 SGSN 应该发送 GPRS 分离指示消息带有用户 IMSI 通知 VLR VLR 去除和 SGSN 的关联不再通过 SGSN 进行寻呼和位置区更新 (5) 用户可能在收到 SGSN 的分离请求后的任何时候发送分离接受消息给 SGSN (6) SGSN 应该以 Cancel Locaion Ack 消息 带有 IMSI 确认 MM 上下文和 PDP 上下文的删除 (7) 在收到用户的分离接受消息后如果分离类型不要求用户重新附着那么 SGSN 将释放分组域的信令连接 安全流程 1. 鉴权加密 如图 6-50 所示 6-63

275 第六章基本信令流程 MS BSS/UTRAN SGSN HLR 1. Send Auhenicaion Info 1. Send Auhenicaion Info Ack 2. Auhenicaion and Ciphering Reques 2. Auhenicaion and Ciphering Response 图 6-50 鉴权加密 (1) 如果 SGSN 没有以前存储的 UMTS 五元鉴权组向 HLR 发出一条发送鉴权信息 IMSI 消息收到此消息 HLR/AUC 以鉴权信息确认消息给予回应包含顺序排放的五元组每一个五元组包含 RAND XRES AUTN CK 和 IK 五元鉴权组的产生见 3G TS (2) 在对 UMTS 用户进行鉴权时 SGSN 选择下一组五元组并且包含属于这个五元组的 RAND 和 AUTN 于鉴权和加密请求消息中给用户 SGSN 还选择一个 CKSN 包含于消息中 (3) 在收到这个消息时 用户手机中的 USIM 验证 AUTN 如果接受 根据协 议 计算出 RAND 的签名 RES 如果 USIM 认为鉴权成功 用户返回 鉴权和加密响应消息 RES 给 SGSN 同时 手机中的 USIM 也计算出 CK IK 这些密钥同 CKSN 一起保存 直到 CKSN 在下一次鉴权后被更 新 如果 USIM 认为鉴权不成功 例如鉴权同步错误 用户返回鉴权和加密失败 消息给 SGSN 2. 用户标识保密 网络通常不直接使用用户的标识 IMSI 在 SGSN 和 MS 之间使用由 SGSN 给 MS 分配的 P-TMSI 作为用户的临时标识在 MS 和 UTRAN 之间使用 RNTI 临时标识可以通过重分配保证随机性避免泄漏用户标识如图 6-51 所示 MS BSS/UTRAN SGSN 1. P-TMSI Reallocaion Command 2. P-TMSI Reallocaion Complee 图 6-51 PTMSI 重分配 (1) SGSN 发送 P-TMSI 重分配命令带有新的 P-TMSI P-TMSI 签名 RAI 给用户 P-TMSI 签名是一个可选参数如果用户收到应该在下一次附着或路由更新流程中使用 (2) 用户返回 P-TMSI 重分配完成消息给 SGSN 6-64

276 第六章基本信令流程 3. 用户数据和信令的保密 MS BSS/UTRAN SGSN Scope of GPRS ciphering Scope of UMTS ciphering 图 6-52 加密范围 从图 6-52 中可以看出 UMTS 的加密范围比 GPRS 减少 仅仅在 MS 和 UTRAN 之间实现 4. 用户标识检查 如图 6-53 所示 MS BSS/UTRAN SGSN EIR 1. Ideniy Reques 1. Ideniy Response 2. Check IMEI 2. Check IMEI Ack 图 6-53 用户标识检查 (1) SGSN 发送身份识别请求消息身份类型给用户用户回应身份识别响应消息用户的身份标识在 UMTS 系统中用户可以选择发送他的加密的 IMSI 即 FFS (2) 如果 SGSN 决定检查 IMEI 它发送检查 IMEI 消息带有用户的 IMEI 给 EIR EIR 回应检查 IMEI 确认消息带有用户的 IMEI 5. 数据完整性算法 完整性算法在 UTRAN 和 MS 之间实现 通过加密模式的指定开始执行 位置管理功能 1. 路由区更新 其流程如图 6-54 所示 6-65

277 第六章基本信令流程 new old MS UTRAN 3G-SGSN 3G-SGSN GGSN new MSC/VLR HLR old MSC/VLR 1. Roueing Area Updae Reques 2. SGSN Conex Reques 3. Securiy Funcions 2. SGSN Conex Response 4. SGSN Conex Ack C1 5. Updae PDP Conex Reques 5. Updae PDP Conex Response 6. Updae Locaion 7. Cancel Locaion 7. Cancel Locaion Ack 8. Inser Subscriber Daa 8. Inser Subscriber Daa Ack 9. Updae Locaion Ack 10. Locaion Updae Reques 11a. Updae Locaion 11b. Cancel Locaion 11c. Cancel Locaion Ack 11d. Inser Subscriber Daa 11e. Inser Subscriber Daa Ack 12. Locaion Updae Accep 11f. Updae Locaion Ack C2 13. Roueing Area Updae Accep C3 14. Roueing Area Updae Complee 15. TMSI Reallocaion Complee 图 6-54 路由区更新 (1) 如果没有 RRC 连接先建立 RRC 连接用户发送路由区更新请求消息带有 P-TMSI 老 RAI 老 P-TMSI 签名路由更新类型跟随请求 classmark DRX 参数给新的 SGSN 如果用户有上传的信令或数据跟随请求应该被置上作为实现上的选择 SGSN 可以根据跟随请求标志决定在路由更新流程结束后是否释放 Iu 连接路由区更新类型应该指示 路由区更新 如果流程因为路由区改变引起 6-66

278 第六章基本信令流程 周期性路由区更新 如果流程因为周期性路由区更新定时器超时引起 联合路由区更新如果用户是 IMSI 附着的并且位置区更新应该在网络操作模式 I 情况下进行 联合路由区更新伴随 IMSI 附着 IMSI 附着 如果用户想要在网络操作模式 I 下进行 服务 RNC 应该在将消息转发给 SGSN 前加上用户所在位置所属的路由区标识包括路由区编码和位置区编码路由区标识对应于服务 RNC 发给用户的 MM 系统信息中的 RAI. ClassMark 见类标处理章节的描述 DRX 指示用户是否使用非连续接收模式和 DRX 循环周期长度 (2) 如果路由区更新是跨越 SGSN 间的并且用户处于 PMM-IDLE 状态新 SGSN 发送 SGSN 上下文请求消息带有用户老的 P-TMSI 老的 RAI 老的 P-TMSI 签名给老的 SGSN 以得到用户的 MM 上下文和 PDP 上下文老 SGSN 检验用户的 P-TMSI 和签名如果不匹配回应合适的原因值这将导致新 SGSN 发起安全流程如果安全流程鉴权用户通过新 SGSN 应该发送 SGSN 上下文请求消息带有 IMSI 老的 RAI 用户已经验证标志给老的 SGSN 用户已经验证标志指示新 SGSN 已经对用户进行鉴权如果用户的签名合法或者经过新 SGSN 鉴权成功老 SGSN 回应 SGSN 上下文响应消息 Cause IMSI MM 上下文 PDP 上下文如果用户在老 SGSN 中为未知老 SGSN 回应以适当的原因值老 SGSN 启动定时器 (3) 安全流程可以在此处进行如果鉴权失败路由更新请求将被拒绝新 SGSN 应该发送拒绝指示给老 SGSN 老 SGSN 应该继续如同没有收到过 SGSN 上下文请求消息一样 (4) 如果是 SGSN 间的路由区更新新 SGSN 应该发送 SGSN 上下文确认消息给老的 SGSN 老的 SGSN 在它的上下文中标记 MSC/VLR 关联 GGSN 和 HLR 中的信息为非法如果在未完成正在进行的路由更新前用户发起路由更新回到老 SGSN 这将引起 MSC/VLR GGSN HLR 被刷新 (5) 如果是 SGSN 间的路由更新并且用户处于 PMM-IDLE 状态新 SGSN 发送修改 PDP 上下文请求消息新 SGSN 地址协商的 QoS TEID 给相关的 GGSN GGSN 更新它的 PDP 上下文回应修改 PDP 上下文响应消息 TEID 给 SGSN 如果发起 SGSN 间路由区更新的用户处于 PMM-CONNECTED 状态修改 PDP 上下文的消息见重定位章节描述 (6) 如果是 SGSN 间的路由区更新 SGSN 以 Updae Locaion 消息 SGSN 号码 SGSN 地址 IMSI 通知 HLR SGSN 的改变 (7) 如果是 SGSN 间的路由区更新 HLR 发送 Cancel Locaion 带有 IMSI 取消类型消息给老的 SGSN 同时置取消类型为 Updae Procedure 如果步骤 2 中的定时器没有运行老 SGSN 清除 MM 上下文否则上下文直到定时器超时才删除这是为了确保用户的上下文保留在老的 SGSN 中以防用户在完成路由区更新之前发起另一个 SGSN 间的路由区更新老的 SGSN 以 Cancel Locaion Ack 消息带有 IMSI 向 HLR 进行确认 6-67

279 第六章基本信令流程 (8) 如果是 SGSN 之间的路由区更新 HLR 发送插入签约数据消息带有 IMSI GPRS 签约数据给新 SGSN 新 SGSN 证实用户存在于新的路由区中如果签约数据限制用户在此路由区附着 SGSN 应该拒绝用户的附着请求带以恰当的原因值同时可以回应插入用户签约数据确认消息给 HLR 如果签约数据检查由于其他原因失败 SGSN 应该拒绝用户附着请求带上合适的原因值同时回应 HLR 插入用户签约数据确认消息带有 IMSI 原因值如果所有签约数据检查通过 SGSN 为用户构造 MM 上下文同时回应 HLR 插入用户签约数据确认消息带有 IMSI (9) 如果是 SGSN 间的路由区更新 HLR 在删除旧的 MM 上下文和插入新的 MM 上下文完成后发送 Updae Locaion Ack 消息给 SGSN 确认 SGSN 的 Updae Locaion 消息 (10) 如果路由更新类型是联合路由更新伴随 IMSI 附着 或者位置区发生改变 SGSN 和 VLR 之间的关联必须建立 新 SGSN 发送 Locaion Updae Reques 消息 带有新的位置区标识 IMSI SGSN 号码 位置区更新类 型 给 VLR 如果路由区更新类型是联合路由区更新伴随 IMSI 附着 位 置区更新类型应该指示 IMSI 附着 否则 位置区更新类型应该指示正常 位置区更新 VLR 的号码是通过以 RAI 查询 SGSN 中的表得到 SGSN 在 上面的步骤 8 即收到 HLR 的第一次插入用户签约数据消息时 就可以 开始 Locaion Updae 流程 通过存储 SGSN 号码 VLR 创建或者更新同 SGSN 的关联 (11) 如果在 VLR 中的用户签约数据被标记为未被 HLR 证实新 VLR 将通知 HLR HLR 删除老的 VLR 的数据插入用户签约数据到新的 VLR 这个信令同目前的 GSM 信令一样包含于此处用于注解 (a) 新 VLR 发送 Updae Locaion 消息带有新的 VLR 号码给 HLR (b) HLR 发送 Cancel Locaion 消息 IMSI 给老的 VLR 删除老 VLR 中的 数据 (c) 老 VLR 以 Cancel Locaion Ack 消息确认 带有 IMSI (d) HLR 发送插入用户签约数据消息 IMSI 用户签约数据 给新的 VLR (e) VLR 以插入用户签约数据确认消息带有 IMSI 确认 (f) HLR 以 Updae Locaion Ack 消息带有 IMSI 给新的 VLR (12) 新 VLR 分配新的 TMSI 回应 Locaion Updae Accep 带有 VLR 号码 TMSI 消息给 SGSN 如果 VLR 没有改变 TMSI 分配是可选的 (13) 新 SGSN 证实用户存在于新的路由区中如果签约数据限制用户在此路由区附着或者签约数据检查失败 SGSN 应该拒绝用户附着请求带上合适的原因值如果所有签约数据检查通过 SGSN 为用户构造 MM 上下文新 SGSN 回应用户路由更新接受消息带有 P-TMSI VLRTMSI P-TMSI 签名 6-68

280 第六章基本信令流程 (14) 用户以附着完成消息给 SGSN 确认新分配的 TMSI (15) 如果 TMSI 发生改变 SGSN 发生 TMSI 重分配完成消息给 VLR 以确认重分配的 TMSI 如果附着请求不能被接受 SGSN 回送附着拒绝消息 带有 IMSI Cause 给 用户 注意 步骤 (11) (12) 和 (15) 仅当步骤 (9) 发生时才发生 重定位 1. 软切换 SGSN 之间软切换流程如图 6-55 所示 6-69

281 第六章基本信令流程 MS Source RNC Targe RNC Old SGSN New SGSN GGSN 1. Decision o perform SRNS relocaion 2. Relocaion Required 4. Relocaion Reques 3. Forward Relocaion Reques Esablishmen of Radio Access Bearers 4. Relocaion Reques Acknowledge 5. Forward Relocaion Response 6. Relocaion Command C1 7. Relocaion Commi 8. Forwarding of daa 9. Relocaion Deec 10. RNTI Reallocaion 12. RNTI Reallocaion Complee 11. Updae PDP Conex Reques 11. Updae PDP Conex Response 13. Relocaion Complee 13. Forward Relocaion Complee 14. Iu Release Command 14. Iu Release Complee 13. Forward Relocaion Complee Acknowledge 15. Rouing Area Updae C2 图 6-55 SGSN 之间软切换 (1) 源 SRNC 决定发起一个 SRNS 重定位 (2) 源 SRNC 通过向旧 SGSN 发送一个 RELOCATION REQUIRED 消息 Relocaion Type Cause Source ID Targe ID Source RNC o arge RNC ransparen conainer 开始了重定位准备阶段源 RNC 将该重定位类型置为 UE NOT INVOLVED Source RNC o arge RNC ransparen conainer 包含了重定位所需的一些必要信息安全功能以及 RRC 协议上下文信息包含 UE 能力 (3) 旧 SGSN 根据目标 RNC 的 ID 来决定是 SGSN 之间的重定位还是 SGSN 内部的重定位如果是 SGSN 之间的重定位旧 SGSN 通过向新 SGSN 发送 Forward Relocaion Reques 消息 IMSI Tunnel Endpoin Idenifier Signalling MM Conex PDP Conex Targe Idenificaion UTRAN ransparen conainer RANAP Cause 开始重定位资源分配过程同时 6-70

282 第六章基本信令流程 在旧 SGSN 的 MM 上下文和 PDP 上下文中启动一个定时器 SGSN 之间重定位中才有 该消息仅在 (4) 新 SGSN 向目标 RNC 发送 Relocaion Reques 消息 Permanen NAS UE Ideniy Cause CN Domain Indicaor Source RNC o arge RNC ransparen conainer RABs o be seup 对于每个要建立的 RAB RABs o be seup 包含 RAB ID RAB parameers Transpor Layer Address and Iu Transpor Associaion 等信息 The RAB ID informaion elemen 包含 NSAPI value RAB parameers informaion elemen 则给出了 QoS 信息 Transpor Layer Address 是旧 SGSN 为数据传输提供的地址 Iu Transpor Associaion 对应着 TEID 在所有资源分配好之后 目标 RNC 将 向新 SGSN 发送 Relocaion Reques Acknowledge 消息 RABs seup RABs failed o seup (5) 当新 SGSN 和目标 RNC 之间的资源分配好之后新 SGSN 向旧 SGSN 发送重定位响应消息 Forward Relocaion Response 消息 Cause RANAP Cause and RAB Seup Informaion 该消息表明目标 RNC 已经准备好从源 RNC 接受未被 MS 确认的下行数据也就是重定位资源分配过程已经成功结束 RANAP Cause 是从目标 RNC 到源 RNC 的信息 RAB Seup Informaion 包含为数据转发所需要的 RNC 的 TEID 以及 IP 地址如果目标 RNC 或者新 SGSN 未能成功分配资源则 RAB Seup Informaion 只包含 NSAPI 意味着通知源 RNC 释放和 NSAPI 对应的资源该消息仅用于 SGSN 之间的重定位 (6) 旧 SGSN 向源 RNC 发送 Relocaion Command 消息 RABs o be released and RABs subjec o daa forwarding 消息旧 SGSN 根据 QoS 决定要转发数据的 RAB 对于每个要转发的 RAB IE 包含 conain RAB ID Transpor Layer Address 以及 Iu Transpor Associaion Transpor Layer Address 和 Iu Transpor Associaion 用来转发从源 RNC 到目标 RNC 的下行 N-PDU (7) 收到从 PS 域发送的 Relocaion Command 消息后源 RNC 将启动定时器当重定位准备阶段成功结束后源 SRNC 通过向目标 RNC 发送 Relocaion Commi 消息 SRNS Conexs 发起执行 relocaion of SRNS 该流程的目标是在源和目标 RNC 之间传送 SRNS 上下文 (8) 发送完 Relocaion Commi 消息后源 RNC 开始为每个要进行数据转发的 RAB 转发数据 SRNS 重定位的数据转发通过 Iu 接口这表明在源 SRNC 和目标 RNC 转发的数据在源 SRNC 备份通过 IP 层路由再到目标 RNC (9) 当接受到重定位触发消息后 目标 RNC 将向新 SGSN 发送 Relocaion Deec 消息 对于重定位类型为 UE no involved 来说 重定位触发是在从 Iur 接口收到重定位提交消息 当发送了 Relocaion Deec message 目标 RNC 将开始 SRNC 操作 (10) 发送完 Relocaion Deec 消息后目标 RNC 向 MS 发送 RNTI Reallocaion 6-71

283 第六章基本信令流程 消息消息中包含 UE 信息以及 CN 信息 UE 信息包含 new SRNC ideniy 和 S-RNTI CN 信息包含位置区标识和路由区标识 (11) CN 收到 Relocaion Deec 消息后 CN 把用户面从源 RNC 转移到目标 RNC 如果是 SGSN 之间的重定位新 SGSN 将向 GGSN 发送 Updae PDP Conex Reques 消息 new SGSN Address SGSN Tunnel Endpoin Idenifier QoS Negoiaed 消息 GGSN 更新 PDP 上下文返回 Updae PDP Conex Response 消息 GGSN Tunnel Endpoin Idenifier (12) 当 MS 重新组装后向目标 RNC 发送 RNTI Reallocaion Complee 消息然后开始交换数据 (13) 当目标 RNC 接收到 RNTI Reallocaion Complee 消息后向新 SGSN 发送重定位完成消息如果是 SGSN 之间重定位新 SGSN 向旧 SGSN 发送重定位完成消息旧 SGSN 收到后给新 SGSN 响应消息 (14) 当收到新 SGSN 的 Forword Relocaion Complee 消息后旧 SGSN 向新 SGSN 响应后则向源 RNC 发送 IU RELEASE COMMAND 消息当 RNC 的数据转发定时器超时源 RNC 向旧 SGSN 发送 IU RELEASE CMP 消息 (15) 如果新的路由区和旧路由区不一样 MS 将发起 RAU 过程 该重定位流 程仅仅是 RAU 的一个子集 2. 硬切换 SGSN 之间硬切换流程如图 6-56 所示 6-72

284 第六章基本信令流程 MS Source RNC Targe RNC Old SGSN New SGSN GGSN 1. Decision o perform SRNS Relocaion MS Involved 2. Relocaion Required 4. Relocaion Reques 3. Forward Relocaion Reques Esablishmen of Radio Access Bearers 4. Relocaion Reques Acknowledge 5. Forward Relocaion Response 6. Relocaion Command C1 7. Physical Channel Reconfiguraion 8. Forward SRNS Conex 8. Forward SRNS Conex 9. Forwarding of daa 8. Forward SRNS Conex 8. Forward SRNS Conex Acknowledge MS deeced by arge RNC 10. Relocaion Deec 12. Physical Channel Reconfiguraion Complee 11. Updae PDP Conex Reques 11. Updae PDP Conex Response 13. Relocaion Complee 13. Forward Relocaion Complee 14. Iu Release Command 13. Forward Relocaion Complee Acknowledge 14. Iu Release Complee 15. Rouing Area Updae C2 图 6-56 SGSN 之间硬切换 (1) 基于 UTRAN 拓扑信息和测量结果源 SRNC 决定发起一个联合硬切换以及 SRNS 重定位 (2) 源 SRNC 通过向旧 SGSN 发送一个 RELOCATION REQUIRED 消息 Relocaion Type Cause Source ID Targe ID Source RNC o arge RNC ransparen conainer 开始了重定位准备阶段源 RNC 将该重定位类型置为 UE INVOLVED Source RNC o arge RNC ransparen 6-73

285 第六章基本信令流程 conainer 包含了重定位所需的一些必要信息下文信息包含 UE 能力 安全功能以及 RRC 协议上 (3) 旧 SGSN 根据目标 RNC 的 ID 来决定是否是 SGSN 之间的重定位还是 SGSN 内部的重定位如果是 SGSN 之间的重定位旧 SGSN 通过向新 SGSN 发送 Forward Relocaion Reques 消息 IMSI Tunnel Endpoin Idenifier Signalling MM Conex PDP Conex Targe Idenificaion UTRAN ransparen conainer RANAP Cause 开始重定位资源分配过程同时在旧 SGSN 的 MM 和 PDP 上下文中启动一个定时器该消息仅在 SGSN 之间重定位中才有 (4) 新 SGSN 向目标 RNC 发送 Relocaion Reques 消息 Permanen NAS UE Ideniy Cause CN Domain Indicaor Source RNC o arge RNC ransparen conainer RABs o be seup 对于每个要建立的 RAB RABs o be seup 包含 RAB ID RAB parameers Transpor Layer Address and Iu Transpor Associaion 等信息 The RAB ID 信息单元包含 NSAPI value RAB parameers 信息单元则给出了 QoS 信息 Transpor Layer Address 是旧 SGSN 为数据传输提供的地址 Iu Transpor Associaion 对应着 TEID 在所有为接受 RAB 的资源包含 Iu 用户面分配好之后目标 RNC 将向新 SGSN 发送 Relocaion Reques Acknowledge 消息 RABs seup RABs failed o seup 目标 RNC 为每个要建立的 RAB 由 IP 地址和 TEID 组成既接受从源 SRNC 的下行 PDUs 也接受从新 SGSN 的下行 PDUs (5) 当新 SGSN 和目标 RNC 之间的资源分配好之后新 SGSN 准备开始进行 relocaion of SRNS 新 SGSN 向旧 SGSN 发送 Forward Relocaion Response 消息 Cause RANAP Cause and RAB Seup Informaion 该消息表明目标 RNC 已经准备好从源 RNC 接受未被 MS 确认的下行数据也就是重定位资源分配过程已经成功结束 RANAP Cause 是从目标 RNC 到源 RNC 的信息 RAB Seup Informaion 包含为数据转发所需要的 RNC 的 TEID 以及 IP 地址如果目标 RNC 或者新 SGSN 未能成功分配资源则 RAB Seup Informaion 只包含 NSAPI 意味着通知源 RNC 释放和 NSAPI 对应的资源该消息仅用于 SGSN 之间的重定位 (6) 旧 SGSN 向源 RNC 发送 Relocaion Command 消息 RABs o be released and RABs subjec o daa forwarding 旧 SGSN 根据 QoS 决定要转发数据的 RAB 对于每个要转发的 RAB IE 包含 conain RAB ID Transpor Layer Address 以及 Iu Transpor Associaion Transpor Layer Address 和 Iu Transpor Associaion 用来转发从源 RNC 到目标 RNC 的下行 N-PDU (7) 接收到 Relocaion Command 消息后源 RNC 开始启动数据转发定时器源 RNC 将通过发送 Physical Channel Reconfiguraion 消息 UE Informaion Elemens CN Informaion Elemens 来触发 relocaion of SRNS 的执行 (8) 发送完重定位提交消息后源 RNC 通过旧和新 SGSN 向目标 RNC 发送 Forward SRNS Conex RAB Conexs 消息目标 RNC 向其返回 6-74

286 第六章基本信令流程 Forward SRNS Conex Acknowledge message (9) 发送完 Forward SRNS Conex 消息 源 SRNC 开始为每个 RAB 转发数据 SRNS 重定位的数据转发通过 Iu 接口 这表明在源 SRNC 和目标 RNC 转发 的数据在源 SRNC 备份 通过 IP 层路由再到目标 RNC (10) 当接受到重定位触发消息后目标 RNC 将向新 SGSN 发送 Relocaion Deec 消息对于重定位类型 UE Involved 重定位触发通过 Uu 接口当发送了 Relocaion Deec 消息目标 RNC 将开始 SRNC 操作 (11) CN 收到 Relocaion Deec 消息后 CN 把用户面从源 RNC 转移到目标 RNC 如果是 SGSN 之间的重定位新 SGSN 将向 GGSN 发送 Updae PDP Conex Reques 消息 new SGSN Address SGSN Tunnel Endpoin Idenifier QoS Negoiaed GGSN 更新 PDP 上下文返回 Updae PDP Conex Response 消息 GGSN Tunnel Endpoin Idenifier (12) 当 MS 重新组装后向目标 RNC 发送 RNTI Reallocaion Complee 消息然后开始交换数据 (13) 当目标 RNC 接收到 RNTI Reallocaion Complee 消息后向新 SGSN 发送重定位完成消息如果是 SGSN 之间重定位新 SGSN 向旧 SGSN 发送重定位完成消息旧 SGSN 收到后给新 SGSN 响应消息 (14) 当收到新 SGSN 的 Forword Relocaion Complee 消息旧 SGSN 向新 SGSN 响应后向源 RNC 发送 IU RELEASE CMD 消息当 RNC 的数据转发定时器超时源 RNC 向旧 SGSN 发送 IU RELEASE CMP 消息 (15) 如果新的路由区和旧路由区不一样 MS 将发起 RAU 过程 该重定位流 程仅仅是 RAU 的一个子集 3. 重定位 联合 Cell / URA Updae 重定位流程图如图 6-57 所示 6-75

287 第六章基本信令流程 MS Source RNC Targe RNC Old SGSN New SGSN GGSN 1. Cell Updae/ URA Updae 1. Cell Updae/ URA Updae 2. Relocaion Required 4. Relocaion Reques 3. Forward Relocaion Reques Esablishmen of Radio Access Bearers 4. Relocaion Reques Acknowledge 5. Forward Relocaion Response 6. Relocaion Command C1 7. Relocaion Commi 8. Forwarding of daa 9. Relocaion Deec 10. Cell Updae Confirm/ URA Updae Confirm 12. RNTI Reallocaion Complee 11. Updae PDP Conex Reques 11. Updae PDP Conex Response 13. Relocaion Complee 13. Forward Relocaion Complee 14. Iu Release Command 14. Iu Release Complee 13. Forward Relocaion Complee Acknowledge 15. Rouing Area Updae C2 图 6-57 联合 Cell / URA Updae 重定位 (1) MS 在小区重选后向 UTRAN 发送一个 Cell Updae / URA Updae 消息收到该消息后源 RNC 决定向目标 RNC 执行 combined cell / URA updae and SRNS relocaion (2) 源 SRNC 通过向旧 SGSN 发送一个 RELOCATION REQUIRED 消息 Relocaion Type Cause Source ID Targe ID Source RNC o arge RNC ransparen conainer 开始了重定位准备阶段源 RNC 将该重定位类型置为 UE NOT INVOLVED Source RNC o arge RNC ransparen conainer 包含了重定位所需的一些必要信息安全功能以及 RRC 协议上下文信息包含 UE 能力 (3) 旧 SGSN 根据目标 RNC 的 ID 来决定是否是 SGSN 之间的重定位还是 SGSN 内部的重定位如果是 SGSN 之间的重定位旧 SGSN 通过向新 SGSN 发送 Forward Relocaion Reques 消息 IMSI Tunnel Endpoin Idenifier Signalling MM Conex PDP Conex Targe Idenificaion UTRAN 6-76

288 第六章基本信令流程 ransparen conainer RANAP Cause 开始重定位资源分配过程同时在旧 SGSN 的 MM 和 PDP 上下文中启动一个定时器该消息仅在 SGSN 之间重定位中才有 (4) 新 SGSN 向目标 RNC 发送 Relocaion Reques 消息 Permanen NAS UE Ideniy Cause CN Domain Indicaor Source RNC o arge RNC ransparen conainer RABs o be seup 对于每个要建立的 RAB RABs o be seup 包含 RAB ID RAB parameers Transpor Layer Address and Iu Transpor Associaion 等信息 The RAB ID informaion elemen 包含 NSAPI value RAB parameers 信息单元则给出了 QoS 信息 Transpor Layer Address 是旧 SGSN 为数据传输提供的地址 Iu Transpor Associaion 对应着 TEID 在所有为接受 RAB 的资源包含 Iu 用户面分配好之后目标 RNC 将向新 SGSN 发送 he Relocaion Reques Acknowledge 消息 RABs seup RABs failed o seup 目标 RNC 为每个要建立的 RAB 由 IP 地址和 TEID 组成既接受从源 SRNC 的下行 PDUs 也接受从新 SGSN 的下行 PDUs (5) 当新 SGSN 和目标 RNC 之间的资源分配好之后 新 SGSN 准备开始进行 relocaion of SRNS 新 SGSN 向旧 SGSN 发送重定位响应消息 Forward Relocaion Response 消息 Cause RANAP Cause and RAB Seup Informaion 该消息表明目标 RNC 已经准备好从源 RNC 接受未被 MS 确 认的下行数据 也就是 重定位资源分配过程已经成功结束 RANAP Cause 是从目标 RNC 到源 RNC 的信息 RAB Seup Informaion 包含为数据 转发所需要的 RNC 的 TEID 以及 IP 地址 如果目标 RNC 或者新 SGSN 未能 成功分配资源 则 RAB Seup Informaion 只包含 NSAPI 意味着通知源 RNC 释放和 NSAPI 对应的资源 该消息仅用于 SGSN 之间的重定位 (6) 旧 SGSN 向源 RNC 发送 Relocaion Command 消息 RABs o be released and RABs subjec o daa forwarding 旧 SGSN 根据 QoS 决定要转发数据的 RAB 对于每个要转发的 RAB IE 包含 conain RAB ID Transpor Layer Address 以及 Iu Transpor Associaion Transpor Layer Address 和 Iu Transpor Associaion 用来转发从源 RNC 到目标 RNC 的下行 N-PDU (7) 收到从 PS 域发送的 Relocaion Command 消息后源 RNC 将启动数据转发定时器当重定位准备阶段成功结束后源 SRNC 通过向目标 RNC 发送 Relocaion Commi 消息 SRNS Conexs 发起执行 relocaion of SRNS 该流程的目标是在源和目标 RNC 之间传送 SRNS 上下文 (8) 发送完重定位提交消息后源 RNC 开始为每个数据转发的 RAB 转发数据 SRNS 重定位的数据转发通过 Iu 接口这表明在源 SRNC 和目标 RNC 转发的数据在源 SRNC 备份通过 IP 层路由再到目标 RNC (9) 当接受到重定位触发消息后 目标 RNC 将向新 SGSN 发送 Relocaion Deec 消息 对于重定位类型为 "UE no involved" 来说 重定位触发是在从 Iur 接 口收到重定位提交消息 当发送了 Relocaion Deec 消息 目标 RNC 将开 始 SRNC 操作 6-77

289 第六章基本信令流程 (10) 发送完 Relocaion Deec 消息后 目标 RNC 向 MS 发送 Cell Updae Confirm / URA Updae Confirm 消息 消息中包含 UE 信息以及 CN 信息 UE 信息包含 new SRNC ideniy 和 S-RNTI CN 信息包含位置区标识和路 由区标识 (11) CN 收到 Relocaion Deec 后 CN 把用户面从源 RNC 转移到目标 RNC 如果是 SGSN 之间的重定位新 SGSN 将向 GGSN 发送 Updae PDP Conex Reques 消息 new SGSN Address SGSN Tunnel Endpoin Idenifier QoS Negoiaed GGSN 更新 PDP 上下文返回 Updae PDP Conex Response 消息 GGSN Tunnel Endpoin Idenifier (12) 当 MS 重新组装后向目标 RNC 发送 RNTI Reallocaion Complee 消息然后开始交换数据 (13) 当目标 RNC 接收到 RNTI Reallocaion Complee 消息后也就是和 UE 通过空口交换 SRNC-ID + S-RNTI 完成后向新 SGSN 发送重定位完成消息如果是 SGSN 之间重定位新 SGSN 向旧 SGSN 发送重定位完成消息旧 SGSN 收到后给新 SGSN 响应消息 (14) 旧 SGSN 向源 RNC 发送 Iu Release Command 消息当 RNC 的数据转发定时器超时时源 RNC 以 Iu Release Complee 消息响应 (15) MS 完成 Cell / URA updae and RNTI 重分配后如果新 RAI 和旧 RAI 不一样 MS 将发起 RAU 过程该重定位流程仅仅是 RAU 的一个子集因为 MS 处于 PMM-CONNECTED 状态 用户管理功能 1. 插入用户数据 其示意图如图 6-58 所示 SGSN HLR 1. Inser Subscriber Daa 2. Inser Subscriber Daa Ack 图 6-58 插入用户数据示意图 2. 删除用户数据 其示意图如图 6-59 所示 6-78

290 第六章基本信令流程 SGSN HLR 1. Delee Subscriber Daa 2. Delee Subscriber Daa Ack 图 6-59 删除用户数据示意图 HLR 分别通过 Inser Subscriber Daa 和 Delee Subscriber Daa 两条信令实现对 SGSN 保存的用户数据的管理 服务请求 1. 手机发起 手机发起的服务请求流程图如图 6-60 所示 MS RNC 1. RRC Connecion Reques SGSN HLR GGSN 1. RRC Connecion Seup 2. Service Reques 3. Securiy Funcions 4. Service Accep 5. Radio Bearer Seup 6. Radio Bearer Seup Complee 4. Radio Access Bearer Assignmen Reques 6. Radio Access Bearer Assignmen Response 7. SGSN-Iniiaed PDP Conex Modificaion 8. Uplink PDU 图 6-60 手机发起的服务请求 (1) 如果没有 CS 通路 MS 建立 RRC 连接 (2) MS 发送 Service Requse P-TMSI RAI CKSN Service Type 消息给 SGSN 服务类型定义了所需要的服务 服务类型是数据和信令中的一个 此时 SGSN 可能会发起一个鉴权过程 如果服务类型指明是数据 那么 MS 和 SGSN 之间的信令连接将被建立 同时 为激活的 PDP 预留资源 如果服务类型指明是信令 那么为上层信令传送的 MS 和 SGSN 之间的信令连 6-79

291 第六章基本信令流程 接将被建立 (3) 如果 MS 在 PMM-IDLE 状态发起服务请求 SGSN 将发起安全流程 (4) 如果网络侧在 PMM-CONNECTED 状态并且服务类型是数据如果 SGSN 接受服务请求 SGSN 将回应 Service Accep 消息给 MS 如果指明是数据类型 SGSN 发送 Radio Access Bearer Assignmen Reques NSAPIRAB ID(s) TEID(s) QoS Profile(s) SGSN IP Address(es) 消息重建无线接入承载给每一个激活的 PDP 上下文 (5) RNC 指示 MS 已经建立新的无线接入承载标识和相应的 RAB ID (6) SRNC 发送消息 Radio Access Bearer Assignmen Response RAB ID(s) TEID(s) QoS Profile(s) RNC IP Address(es) 消息响应 GTP 隧道已经在 Iu 接口上建立如果 RNC 回应 Radio Access Bearer Assignmen Response 消息其中的原因值指明无法提供要求的 QoS Requesed Maximum Bi Rae no Available 那么 SGSN 将会再发送一个 Radio Access Bearer Assignmen Reques 消息带有不同的 QoS 重试的次数和新 QoS 的值与实现相关 (7) 对每一个 RAB 重建修改了的 QoS SGSN 发起一个 PDP 上下文修改过程通知 MS 和 GGSN 新的协商过的 QoS (8) MS 发送上行包 如果服务类型为信令收到服务请求消息 MS 在收到 RRC 安全模式控制消息后认为 SGSN 成功的 如果服务类型为数据如果在 PMM-IDLE 状态 MS 在收到 RRC 安全模式控制消息后认为 SGSN 成功的收到服务请求消息如果在 PMM-CONNECTED 状态 MS 在收到服务接受消息后认为 SGSN 成功的收到服务请求 服务接受消息并不意味着 RAB(s) 重建成功 无论任何服务类型如果服务请求不能被接受网络侧将会回应一个服务拒绝消息并带上合适的原因给 MS 当服务类型为数据时 如果 SGSN 重建 RAB(s) 失败 SGSN 将会发起修改过 程或者将 PDP 去激活 具体情况根据 QoS 协商决定 2. 网络侧发起 网络侧发起的服务请求流程图如图 6-61 所示 6-80

292 第六章基本信令流程 MS RNC SGSN HLR GGSN 2. Paging 2. Paging 1. Downlink PDU 3. RRC Connecion Reques 3. RRC Connecion Seup 4. Service Reques 5. Securiy Funcions 6. Radio Bearer Seup 6. Radio Access Bearer Assignmen Reques 6. Radio Bearer Seup Complee 6. Radio Access Bearer Assignmen Response 7. SGSN-Iniiaed PDP Conex Modificaion Procedure 8. Downlink PDU 图 6-61 网络侧发起的服务请求 (1) SGSN 收到处在 PMM-IDLE 的 MS 的下行 PDP PDU (2) SGSN 发送寻呼消息给 RNC RNC 寻呼通过发送寻呼消息寻呼 MS (3) 如果没有 CS 通路 MS 建立 RRC 连接 (4) MS 发送 Service Reques P-TMSI RAI CKSN Service Type 消息给 SGSN 服务类型为寻呼响应此时 SGSN 可能发起一个鉴权 SGSN 知道下行包是否需要 RAB 重建 (5) SGSN 指定加密模式 (6) 如果 PDP 上下文的资源重建 SGSN 发送 Radio Access Bearer Assignmen Reques RAB ID(s) TEID(s) QoS Profile(s) SGSN IP Address(es) 消息给 RNC RNC 发送 Radio Bearer Seup RAB ID(s) 消息给 MS MS 发送 Radio Bearer Seup Complee 消息给 RNC RNC 发送 Radio Access Bearer Assignmen Response RAB ID(s) TEID(s) RNC IP Address(es) 消息给 SGSN 指明 GTP 隧道已经建立在 Iu 接口并且无线接入承载已经在 RNC 和 MS 之间建立如果 RNC 回应的 Radio Access Bearer Assignmen Response 消息中的原因值是要求的 QoS 无法提供 Requesed Maximum Bi Rae no Available 那么 SGSN 将发送新的 Radio Access Bearer Assignmen Reques 消息携带不同的 QoS 重试的次数与新的 QoS 参数和 6-81

293 第六章基本信令流程 产品实现相关 (7) 对于每一个 RAB 重建修改 QoS SGSN 会发起一个 PDP 上下文修改过程通知 MS 和 GGSN 新的 QoS (8) SGSN 发送下行包 如果服务类型为寻呼响应 MS 在收到 RRC 的安全模式控制消息后认为服务请求已经被 SGSN 成功的收到了 如果 SGSN 重建 RAB(s) 失败 SGSN 将会发起一个修改过程 系统间切换 1. UMTS 到 GSM 的 SGSN 内的系统间切换 其流程图如图 6-62 所示 6-82

294 第六章基本信令流程 MS BSS SRNS 2G+3G-SGSN new MSC/VLR HLR old MSC/VLR 1. Inersysem change decision 2. Roueing Area Updae Reques 3. SRNS Conex Reques 5. Securiy Funcions 4. SRNS Conex Response 6. SRNS Daa Forward Command 7. Forward Packes 8. Iu Release Command 8. Iu Release Complee 9. Locaion Updae Reques 10a. Updae Locaion 10b. Cancel Locaion 10c. Cancel Locaion Ac 10d. Inser Subscriber Daa 10e. Inser Subscriber Daa Ack 10f. Updae Locaion 11. Locaion Updae Accep 12. Roueing Area Updae Accep C1 13. Roueing Area Updae Complee 14. TMSI Reallocaion Complee 15. BSS Packe Flow Conex Procedure 图 6-62 UMTS 到 GSM 的 SGSN 内的系统间切换 (1) 当 MS 漫游到一个支持 GSM 的小区时 MS 或 BSS 或 UTRAN 决定执行系统间切换终止向网络的数据传输 (2) MS 发送路由区更新请求 Roueing Area Updae Reques old RAI old P-TMSI Signaure Updae Type 给 2G+3G-SGSN 请求类型可以是 RAU 或者联合 RA/LA 更新或如果 MS 进行 IMSI aach 则进行联合 RA/LA 更新和 IMSI 附着送往 2G 3G 的 SGSN 所经过的 BSS 将把全球小区标识 CGI 信息添加到收到用户消息的小区的 RAC 和 LAC 中 (3) 2G+3G-SGSN 发送 SRNS 内容请求消息 SRNS Conex Reques IMSI 6-83

295 第六章基本信令流程 (4) 当 SRNS 收到 SRNS CONTEXT REQ 消息后将立刻停止给 MS 发送下行 PDU 并开始缓存同时 SRNS 向 2G+3G-SGSN 发应答消息 SRNS Conex Response IMSI GTP-SNDs GTP-SNUs PDCP-SNUs 每一个 PDP 上下文将包括 GTP 的序列号用来指示序列中的下一个发送到 MS 的下行 PDU 以及序列中下一个将被管道送到 GGSN 的 GTP PDU 每个激活的 PDP 上下文使用确认模式 SRNS 也包括上行的 PDCP 序列号 PDCP SNU PDCP SNU 是在每一个无线承载中从 MS 以确认方式收到的下一个预期的序列中的上行包 PDCP 序列号在重组中要求不能损失以期将它们转换到各自的 2G 的 GPRS PDP 上下文中的 SNDCP N PDU (5) 安全功能将被执行 (6) 2G+3G-SGSN 向 SRNS 发送数据转发指令 SRNS Daa Forward Command RAB ID Transpor Layer Address Iu Transpor Associaion 通知 SRNS 2G+3G-SGSN 已经做好准备接受数据包 SRNS 接到 SRNS Daa Forward Command 消息后立刻启动数据转发定时器 (7) 发送了但未收到确认的 PDCP-PDUs 和他们的序号以及缓存的 GTP PDU 按隧道方式回传给 2G+3G-SGSN 随着收到 N-PDU 2G+3G-SGSN 将把相应的 PDCP 序号的前八位去掉转换成 SNDCP PDU 序号再发送给 MS (8) 当 SRNS 数据转发定时结束之后 2G+3G-SGSN 向 SRNS 发释放 Iu 命令 Iu Release Command SRNC 返回 Iu 释放完成消息 (9) 如果关联要被建立 i.e. 如果更新类型指明是联合 RA/LA 更新并且 IMSI 附着或者如果在路由更新中 LA 改变那么 2G+3G-SGSN 将向 VLR 发送位置更新请求 Locaion Updae Reques new LAI IMSI SGSN Number Locaion Updae Type Locaion Updae Type 是正常的位置更新 2G 3G SGSN 将通过 RAI 得到 VLR Number VLR 将通过保存 SGSN Number 来创建或者更新与 2G 3G SGSN 之间的关联 (10) 如果 VLR 中的用户数据没得到 HLR 的确认则新 VLR 通知 HLR HLR 取消旧 VLR 的用户数据插入用户数据到新 VLR (a) 新的 VLR 发送 Updae Locaion 给 HLR (b) HLR 通过向旧的 VLR 发送 Cancel Locaion IMSI 消息取消旧的 VLR 中的数据 (c) 旧的 VLR 以 Cancel Locaion IMSI 响应 (d) HLR 发送 Inser Subscriber Daa Ack IMSI GSM 用户数据 给新的 VLR (e) 新 VLR 以 Inser Subscriber Daa Ack IMSI 作为响应 (f) HLR 以 Updae Locaion Ack IMSI 作为响应给新的 VLR (11) 新 VLR 向 SGSN 返回应答 Locaion Updae Accep VLR TMSI 分配 6-84

296 第六章基本信令流程 TMSI 给 MS 如果 VLR 没有改变 VLR TMSI 是个可选项 (12) 2G+3G-SGSN 验证 MS 在新 RA 的存在 如果由于漫游限制使 MS 不能在该 RA 中执行附着功能 或者用户检查失败 SGSN 将以一个适当的原因拒 绝用户的路由更新 如果用户检查成功 2G+3G-SGSN 更新 MM and PDP Conexs 一个新的 PTMSI 将会被分配给 MS 通过 2G 3G SGSN 发 起的建立过程 SGSN 和 MS 之间的新的逻辑链路将被建立 路由区更新 接受 Roueing Area Updae Accep P-TMSI P-TMSI Signaure Receive N-PDU Number (= convered PDCP-SNU) 将会发给 MS Receive N-PDU Number 包含 MS 使用的每一确认模式的 NSAPI 上的确认信息 从而验证 所有的在更新发起之前 MS 发的 N PDUs 成功的传送 (13) MS 向 SGSN 返回路由区更新完成消息 Receive N-PDU Number 确认新 分配的 PTMSI Receive N-PDU Number = convered PDCP-SND 包含 每一 NSAPI 上 MS 接受的 PDCP PDU 成功的确认信息 因而确认了更新发 生之前 MS 所收成功的 N-PDU MS 将 PDCP-SND 的头八位去掉 转换成 Receive N-PDU Number (14) 如果得到 MS 的确认 2G+3G-SGSN 向 VLR 发送 TMSI 重分配完成消息 (15) 2G+3G-SGSN 和 BSS 执行 BSS Packe Flow Conex 过程 如果支持 CAMEL 将会在 C1 处发生 CAMEL-GPRS-Roueing-Area-Updae 6-85

297 第六章基本信令流程 2. GSM 到 UMTS 的 SGSN 内的系统间切换 MS BSS SRNS 2G+3G-SGSN new MSC/VLR HLR old MSC/VLR 1. Inersysem change decision 2. Rouing Area Updae Reques 3. Securiy Funcions 7. Rouing Area Updae Accep 8. Rouing Area Updae Complee C1 Se up Radio Resources 11. RAB Assignmen Reques 11. RAB Assignmen 12. Packe Transfer Resume 13. Packe Transfer Resume 图 6-63 GSM 到 UMTS 的 SGSN 内的系统间切换 (1) MS 或者 BSS 或者 UTRAN 决定了执行系统间切换使得 MS 切换到了支持 UMTS 无线技术的新小区 MS 终止向网络的数据传输 (2) MS 发起建立 RRC 连接过程然后发送 RAU Reques P-TMSI Old RA Old P-TMSI Signaure Updae Type CM 消息给 2G+3G-SGSN 更新类型表明是路由区更新或者联合 RA/LA 更新或者当 MS 想执行 IMSI 附着时执行的联合 RA/ LA 更新和 IMSI 附着并且 MS 可能带有 Follow On Reques 标志 i.e. 如果当时有上行流量数据或信令 SGSN 将会作为一个执行的可选项加以执行 Follow On Reques 将决定在更新完成之后保持还是释放 Iu 连接 SRNS 在转发这个消息时将增加一个位置标识 area idenifier 用来指明消息在哪里接收的 2G+3G-SGSN 停 6-86

298 第六章基本信令流程 止给 MS 转发 N-PDUS (3) 安全流程将被执行 (4) 如果关联将被建立 i.e. 如果更新类型 Updae Type 是联合的 RA/ LA 更新和 IMSI 附着或者 LA 在路由区中发生改变那么 2G+3G-SGSN 将会发送一个 Locaion Updae Reques new LAI IMSI SGSN Number Locaion Updae Type 给 VLR 如果在 RAU Reques 消息中指明是带 IMSI 附着的路由区更新此时位置更新类型将会指明 IMSI 附着否则位置更新类型将指明是正常的位置更新 2G+3G-SGSN 将从 RAI 得到 VLR VLR 通过储存 SGSN NUMBER 创建或更新与 2G+3G-SGSN 的关联 (5) 如果 VLR 中的签约数据没有得到 HLR 的确认新 VLR 则通知 HLR HLR 取消旧 VLR 中的数据将用户数据插入到新的 VLR (a) 新 VLR 发送 Updae Locaion new VLR 给 HLR (b) HLR 通过向旧的 VLR 发送 Cancel Locaion IMSI 消息取消旧的 VLR 中的数据 (c) 旧的 VLR 以 Cancel Locaion IMSI 响应 (d) HLR 发送 Inser Subscriber Daa Ack IMSI GSM 用户数据 给新的 VLR (e) 新 VLR 以 Inser Subscriber Daa Ack IMSI 作为响应 (f) HLR 以 Updae Locaion Ack IMSI 作为响应给新的 VLR (6) 新 VLR 分配了一个新 TMSI 发送一个 Locaion Updae Accep (VLR TMSI) 给 2G+3G-SGSN (7) 2G+3G-SGSN 验证 MS 在新路由区的存在 如果由于漫游限制使 MS 不能在 该路由区中执行附着功能 或者用户检查失败 SGSN 将以一个适当的原 因拒绝用户的路由更新 如果用户检查成功 2G+3G-SGSN 更新 MM and PDP Conexs 一个新的 PTMSI 将会被分配个 MS 路由区更新 PTSMI PTSMI Signaure 接受将会发送给 MS (8) Ms 将以 Roueing Area Updae Complee 消息确认新 PTMSI (9) 2G+3G-SGSN 如果得到 MS 对 TMSI 的确认将会发送 TMSI Reallocaion Complee 消息给 VLR (10) 如果 MS 有上行的数据或信令 MS 将会发送服务请求 Service Reques PTMSI RAI CKSN Service Type 消息给 SGSN 服务类型指明了要求的服务将会是信令或者数据 (11) 2G+3G-SGSN 向 SRNS 发送建立 RAB 请求 RAB Assignmen Reques RAB ID(s) QoS Profile(s) GTP-SNDs GTP-SNUs PDCP-SNUs PDCP-SNUs 从 PDP Conexs 中保存的 N-PDU(SNDCP PDU) 中获得 SRNS 向 MS 发送 Radio Bearer Seup Reques PDCP-SNUs 消息 MS 6-87

299 第六章基本信令流程 将以 Radio Bearer Seup Complee PDCP-SNDs 消息作为响应 SRNS 向 SGSN 返回应答 RAB Assignmen Response message (12) 流量在 SGSN 和 SRNS 之间重新恢复 SRNS 将会丢弃所有的 N-PDU 序号早于从 MS 收到的下行的 N-PDU 序号的 N-PDUs 其余的 N-PDUs 将被发送到 MS MS 将会丢弃序号早于从 SRNS 收到的 GTP-SNU 序号的数据包如果不是这种情况这些 N-PDU 将会被传送到 SRNS (13) SRNS 和 MS 之间开始数据传输 6-88

300 第六章基本信令流程 3. UMTS 到 GSM 的 SGSN 间的系统间切换 MS BSS SRNS new 2G-SGSN old 3G-SGSN GGSN new MSC/VLR HLR old MSC/VLR 1. Inersysem change decision 2. Rouing Area Updae Reques 3. SGSN Conex Reques 4. SRNS Conex Reques 4. SRNS Conex Response 6. Securiy Funcions 5. SGSN Conex Response 7. SGSN Conex Acknowledge C1 8. SRNS Daa Forward Command 8a. Forward Packes 9. Forward Packes 10. Updae PDP Conex Reques 10. Updae PDP Conex Response 11. Updae GPRS Locaion 12. Cancel Locaion 13. Iu Release Command 13. Iu Release Complee 12. Cancel Locaion Ack 14. Inser Subscriber Daa 14. Inser Subscriber Daa Ack 15. Updae GPRS Locaion Ack 16. Locaion Updae Reques 17a. Updae Locaion 17b. Cancel Locaion 17c. Cancel Locaion Ack 17d. Inser Subscriber Daa 17e. Inser Subscriber Daa Ack 18. Locaion Updae Accep 17f. Updae Locaion Ack C2 19. Rouing Area Updae Accep C3 20. Rouing Area Updae Complee 21. TMSI Reallocaion Complee 22. BSS Packe Flow Conex Procedure 图 6-64 UMTS 到 GSM 的 SGSN 间的系统间切换 6-89

301 第六章基本信令流程 (1) MS 或 BSS 或 UTRAN 决定执行系统间切换使得 MS 切换到一个支持 GSM 的新小区中同时停止 MS 与网络流量传输 (2) MS 向 2G-SGSN 发起路由区更新请求 old RAI old P-TMSI Signaure Updae Type 更新类型将指明路由区更新或者联合 RA/LA 更新或者带 IMSI 附着的联合 RA/LA 更新 BSS 将会在将消息送到 SGSN 之前将收到消息加入所在的小区的带有 RAC 和 LAC 的小区全球标识 CGI (3) 新 2G-SGSN 向老的 3G-SGSN 发送 SGSN Conex Reques 消息 old RAI TLLI old P-TMSI Signaure New SGSN Address 获取 MM and PDP Conexs 老的 3G-SGSN 验证 MS 的 PTMSI 签名 如果没有通过验证 则 以适当的原因通知新 SGSN 如果新 SGSN 收到原因是 PTMSI 签名不符 2G SGSN 将会发起安全流程 如果通过安全流程验证 MS 正确 则新 2G SGSN 将会发送 SGSN Conex Reques old RAI TLLI MS Validaed New SGSN Address 消息 其中 MS Validaed 将会指明 MS 已经经过鉴权 老的 SGSN 将会启动一个定时器 如果旧的 SGSN 不认识该 MS 则会回应 一个适当的错误原因 (4) 如果切换之前 MS 处在 PMM-CONNECTED 状态旧的 3G-SGSN 向 SRNS 发送 SRNS Conex Reques IMSI 消息 SRNS 收到此消息后开始缓存并且停止向 MS 发送 PDUs 向老的 3G-SGSN 返回 SRNS Conex Response IMSI GTP-SNDs GTP-SNUs PDCP-SNUs SRNS 将在每一个 PDP 上下文中包括将发送到 MS 的下一个 GTP 序列号以及下一个将被送到 GGSN 的上行 PDU 的序列号对每一个确认模式的激活的 PDP 上下文 SRNS 还包括了上行 PDCP-SNU PDCP-SNU 是预期从 MS 收到的每一个激活的无线承载的下一个按序接收的 PDCP 序列号 3G SGSN 将去掉 PDCP 序号的高 8 位将 PDCP 转换成为 SNDCP 的 N-PDU (5) 老的 3G-SGSN 向 2G-SGSN 发送 SGSN Conex Response MM Conex PDP Conexs 对每一个 PDP 上下文 3G SGSN 将会加入下一个上行发到 GGSN 的 GTP PDU 的 GTP 序列号以及下一个在序列中下行发到 MS 的 GTP 序列号每个 PDP 上下文也包括给下一个将被以确认模式发送给手机的序列中的下行 N-PDU 的 SNDCP 发送 N-PDU 序号值是 0 还包括给下一个将以确认模式从 MS 收到的序列中的上行 N-PDU 的 SNDCP 接收 N-PDU 序号通过 PDCP-SNU 转换新 3G SGSN 将会忽略在先前路由区更新流程中在 SGSN Conex Response 中的 MM Conex 中的 MS 的网络能力 Nework Capabiliy (6) 执行安全功能 (7) 新的 2G-SGSN 向 3G-SGSN 发送 SGSN Conex Acknowledge 消息通知 3G SGSN 现在 2G SGSN 可以接受激活的 PDP 上下文的相关的数据老的 3G-SGSN 将上下文中的 Gs 关联 GGSN HLR 的信息置为无效这使得如果切换没有完成 MS 返回老 SGSN 发起路由区更新时会更新 HLR (8) 如果手机处于 PMM CONNECTED 状态则老的 3G-SGSN 向 SRNS 发送数据转发命令 Daa Forward Command RAB ID Transpor Layer 6-90

302 第六章基本信令流程 Address Iu Transpor Associaion SRNS 发送带 PDCP 下行序列号高 8 位已经被去掉部分已经发送的以及发送但没有确认的 PDCP PDUs 并且开始复制和发送已缓存的 GTP PDU 到老的 3G SGSN SRNS 将会在收到 SRNS Daa Forward Command 后启动数据转发定时器 (9) 老 3G-SGSN 将 GTP PDUs 按隧道方式传送给 2G-SGSN GTP 头中的序列号从 PDCP 序号得到不应改变 (10) 新 2G-SGSN 向每一个相关的 GGSN 发送 Updae PDP Conex Reques new SGSN Address TEID QoS Negoiaed GGSN 更新 PDP Conex 返回应答 Updae PDP Conex Response TEID (11) 新 2G-SGSN 发送 Updae GPRS Locaion SGSN Number SGSN Address IMSI 消息通知 HLR 修改 SGSN 号 (12) HLR 发送 Cancel Locaion IMSI 通知老的 3G-SGSN 取消位置老的 3G SGSN 以 Cancel Locaion Ack 消息应答老的 3G-SGSN 的 MM 和 PDP Conex 必须在操作超时定时结束之后删除 (13) 如果 MS 处于 PMM-CONNECTED 时 3G-SGSN 将向 RNC 发出释放 Iu 命令 Iu Release Command 消息给 SRNS 直到数据转发定时结束之后 SRNS 会以 Iu Release Complee 消息回应 (14) HLR 发送 Inser Subscriber Daa IMSI GPRS Subscripion Daa 消息给新 2G-SGSN 2G SGSN 将用户签约数据插入 MM 上下文和 PDP 上下文并且回应 Inser Subscriber Daa Ack IMSI 消息 (15) HLR 确认修改完成发送 Updae GPRS Locaion 消息到 2G-SGSN (16) 如果关联将被建立 i.e. 如果更新类型指示联合 RA/LA 更新和 IMSI 附着或者如果 LA 在路由区更新中改变那么新 2G SGSN 发送 Locaion Updae Reques new LAI IMSI SGSN Number Locaion Updae Type 给 VLR 位置更新类型将指明是 IMSI 附着如果路由区更新类型是联合 RA/LA 更新和 IMSI 附着否则的话位置更新类型将会指明是普通位置更新 2G SGSN 从 RAI 中得到 VLR 号 2G SGSN 将会在收到 MAP 的插入签约数据后通知新的 MSC/VLR 发起位置更新 VLR 会通过保存 SGSN 号码来创建或更新关联 (17) 如果 MSC/VLR 的数据未经 HLR 证实新 VLR 将会通知 HLR 对老的 3G-SGSN 和新 2G-SGSN 的 MM 进行取消更新过程 (a) 新 VLR 发送 Updae Locaion new VLR 给 HLR (b) HLR 通过向旧的 VLR 发送 Cancel Locaion IMSI 消息取消旧的 VLR 中的数据 (c) 旧的 VLR 以 Cancel Locaion IMSI 响应 (d) HLR 发送 Inser Subscriber Daa Ack IMSI GSM 用户数据 给新的 VLR 6-91

303 第六章基本信令流程 (e) 新 VLR 以 Inser Subscriber Daa Ack IMSI 作为响应 (f) HLR 以 Updae Locaion Ack IMSI 作为响应给新的 VLR (18) 新的 VLR 为 MS 分配 TMSI 发送 Locaion Updae Accep 通知 2G-SGSN 如果 VLR 没有改变 TMSI 是可选的 (19) 新 2G-SGSN 验证 MS 在新路由区的合法性如果漫游限制导致不允许用户在本路由区内附着或者用户信息检查失败 2G SGSN 将会以一个适当的原因拒绝用户的路由更新请求如果所有的检查成功 2G SGSN 给用户组建 MM 上下文以及 PDP 上下文通过 2G SGSN 发起一条逻辑链路在 MS 和 2G SGSN 之间建立起来 2G SGSN 回应 MS 一个 Roueing Area Updae Accep P-TMSI P-TMSI Signaure Receive N-PDU Number(=convered PDCP-SNU) 消息 MS 在每一个确认模式的 NSAPI 的 Receive N-PDU Number 的确认保证确认了在路由区更新发起之前的 MS 起始的 N-PDUs 的成功发送 (20) MS 通过发送 Roueing Area Updae Complee Receive N-PDU Number (= convered PDCP-SND) 消息确认新分配的 PTMSI 包括了 MS 使用的确认模式的 NSAPI 的 Receive N-PDU Number 的确认因而确认了在路由区更新发起之前所有成功发送给 MS 的 N-PDUs MS 将会从 PDCP-SND 中取出高 8 位推出接收的 N-PDU 序号 PDCP-SND 是 MS 的每一个无线承载的下一个预期在序列中以确认模式将被收到的下行包的 PDCP 序列号 (21) 2G-SGSN 在得到 MS 确认后发送消息 TMSI Reallocaion Complee 通知 VLR TMSI 重新分配完成 (22) 2G-SGSN 和 BSS 执行 BSS Packe Flow Conex procedure 如果支持只能业务 将会有执行下面的步骤 (a) CAMEL-GPRS-SGSN-Conex-Acknowledge (b) CAMEL-GPRS-Roueing-Area-Updae-Session (c) CAMEL-GPRS-Roueing-Area-Updae-Conex 6-92

304 第六章基本信令流程 4. GSM 到 UMTS 的 SGSN 间的系统间切换 MS BSS SRNS new 3G-SGSN old 2G-SGSN GGSN new MSC/VLR HLR old MSC/VLR 1. Inersysem change decision 2. Roueing Area Updae Reques 5. Securiy Funcions 3. SGSN Conex Reques 4. SGSN Conex Response 6. SGSN Conex Acknowledge C1 7. Forward Packes 8. Updae PDP Conex Reques 8. Updae PDP Conex Response 9. Updae GPRS Locaion 10. Cancel Locaion 10. Cancel Locaion Ack 11. Inser Subscriber Daa 11. Inser Subscriber Daa Ack 12. Updae GPRS Locaion Ack 13. Locaion Updae Reques 14a. Updae Locaion 14b. Cancel Locaion 14c. Inser Subscriber Daa 14b. Cancel Locaion Ack 14d. Inser Subscriber Daa Ack 15. Locaion Updae Accep 14e. Updae Locaion Ack C2 16. Roueing Area Updae Accep C3 17. Roueing Area Updae Complee 18. TMSI Reallocaion Complee 19. Service Reques Se up Radio Resources 20. RAB Assignmen Reques 20. RAB Assignmen Response 图 6-65 GSM 到 UMTS 的 SGSN 间的系统间切换 6-93

305 第六章基本信令流程 (1) MS 或者 BSS 或者 UTRAN 决定进行系统间切换使得 MS 切入到一个支持 UMTS 无线技术的新小区并通知对网络的数据传送 (2) MS 发送 Roueing Area Updae Reques P-TMSI old RAI old P-TMSI Signaure Updae Type CM MS Nework Capabiliy 消息给新的 3G-SGSN Updae Type 将会指明路由区更新或者联合 RA / LA 更新或者如果手机需要进行 IMSI 附着发生一个联合 RA / LA 更新和 IMSI 附着 MS 可能还会带 follow-on reques 标志 i.e. 如果 MS 有上行流量 signalling or daa SGSN 会将其作为一个可选项进行使用 follow on reques 指明在路由更新完成之后保留或者释放 Iu 连接 SRNC 在发送用户消息给 SGSN 之前将会加入 MS 所在区域的 RAC 和 LAC 的路由区标识路由区标识符合 SRNC 发给 MS 的移动性系统信息中的路由区表示 (3) 3G-SGSN 会通过从手机处得到的老的路由区标识得到老的 2G-SGSN 地址然后发送 SGSN Conex Reques old RAI old P-TMSI New SGSN Address 消息给老的 2G-SGSN 以期得到该用户的 MM 上下文和 PDP 上下文老的 2G-SGSN 验证旧 P-TMSI 签名如果与 2G SGSN 所保存的 PTMSI 签名不符合则回应一个适当的错误原因如果收到不符合的原因 3G SGSN 将会发起鉴权流程如果通过鉴权 3G SGSN 将会发送 SGSN Conex Reques old RAI TLLI MS Validaed New SGSN Address 消息给老的 2G-SGSN 验证标志指明 3G-SGSN 已经对 MS 进行过鉴权如果旧 P-TMSI 签名是有效的或 3G-SGSN 指示已经对 MS 进行过鉴权 2G-SGSN 启动一个定时器通知对 MS 的 N-PDUs 的发送 (4) 旧的 2G-SGSN 以 SGSN Conex Response MM Conex PDP Conexs 消息响应每一个 PDP 上下文包括给下一个将被发往 MS 的下行的 N-PDU 的 GTP 序列号以及将被发往 GGSN 的下一个上行 N-PDU 的 GTP 序列号每一个 PDP 上下文同时也包括以确认模式将要发给 MS 的下一个下行 N-PDU 的 SNDCP 发送 N-PDU 号以及以确认模式将要从 MS 收到的下一个上行 N-PDU 的 SNDCP 收到的 N-PDU 号 3G-SGSN 将会使用 GTP 序列号通过 Iu 接口进行有序传送 3G-SGSN 将会忽略 MM 上下文中的通过路由区更新流程得到的 MS Nework Capabiliy (5) 发起一个安全流程 (6) 3G-SGSN 发送 SGSN Conex Acknowledge 消息给 2G-SGSN 使得 2G-SGSN 知道 3G-SGSN 可以接受已激活的 PDP 上下文的相关数据包 老 SGSN 标注上下文中的 MSC/VLR 关联和 GGSN 以及 HLR 信息无效 这使 得如果在此次路由区更新结束之前 MS 又回到老 SGSN 发生路由区更新 上述的信息必须更新 (7) 2G-SGSN 复制并且缓存 N-PDUs 并且开始将数据包发送到 3G-SGSN 在定时器超时之前从 GGSN 额外收到的 N-PDUs 将被复制并被发送到 3G-SGSN 在定时器超时后将不会有 N-PDUs 被发送到 3G-SGSN (8) 3G-SGSN 发送 Updae PDP Conex Reques new SGSN Address TEID QoS Negoiaed 消息给每一个相关的 GGSN 每个 GGSN 更新其 6-94

306 第六章基本信令流程 PDP 上下文并且回应 Updae PDP Conex Response TEID 消息 (9) 3G-SGSN 通过发送 Updae GPRS Locaion (SGSN Number SGSN Address IMSI) 消息通知 HLR 发生 SGSN 改变 (10) HLR 发送 Cancel Locaion IMSI Cancellaion Type 消息给旧的 2G-SGSN 如果定时器超时旧的 2G- SGSN 将会删除 MM 上下文和 PDP 上下文 2G-SGSN 发送 Cancel Locaion Ack IMSI 消息回应 (11) HLR 发送 Inser Subscriber Daa IMSI GPRS Subscripion Daa 消息给 3G-SGSN 3G-SGSN 建立 MM 上下文并且回应 Inser Subscriber Daa Ack IMSI 消息给 HLR (12) HLR 以 Updae GPRS Locaion by reurning an Updae GPRS Locaion Ack IMSI 消息响应 3G-SGSN (13) 如果要建立关联如果 Updae Type 指明联合 RA / LA 更新带 IMSI 附着或者如果 LA 在路由区更新中改变那么新 SGSN 发送位置更新类型 new LAI IMSI SGSN Number Locaion Updae Type 消息给 VLR 位置更新类型将会指明是 IMSI 附着如果前面的更新类型指示是联合 RA / LA 更新带 IMSI 附着否则位置更新类型将会指示普通位置更新 3G SGSN 会通过 RAI 得到 VLR 号 3G-SGSN 在收到 HLR 的插入用户数据时发起位置更新 VLR 通过保存 SGSN 号创建或更新关联 (14) 如果 VLR 中的用户数据标明没有经过 HLR 的确认 VLR 将会通知 HLR HLR 取消旧的 VLR 并且插入用户数据到新的 VLR (a) 新 VLR 发送 Updae Locaion new VLR 给 HLR (b) HLR 通过向旧的 VLR 发送 Cancel Locaion IMSI 消息取消旧的 VLR 中的数据 (c) 旧的 VLR 以 Cancel Locaion IMSI 响应 (d) HLR 发送 Inser Subscriber Daa Ack IMSI GSM 用户数据 给新的 VLR (e) 新 VLR 以 Inser Subscriber Daa Ack IMSI 作为响应 (f) HLR 以 Updae Locaion Ack IMSI 作为响应给新的 VLR (15) 新 VLR 分配一个新的 TMSI 以 Locaion Updae Accep VLR TMSI 消息通知 3G-SGSN VLR TMSI 分配在 VLR 没有发生改变时是可选的 (16) 3G-SGSN 在新的路由区中验证 MS 如果由于漫游限制导致 MS 不允许在本路由区附着或者用户检查失败 3G-SGSN 将会以一个适当的原因拒绝用户的路由区更新请求如果通过所有的检查 3G-SGSN 建立用户的 MM 上下文和 PDP 上下文 3G-SGSN 发送 Roueing Area Updae Accep P-TMSI P-TMSI signaure 消息给 MS (17) MS 通过发送 Roueing Area Updae Complee 消息确认新分配的 PTMSI 6-95

307 第六章基本信令流程 (18) 如果得到 MS 的确认 3G-SGSN 发送 TMSI Reallocaion Complee 消息给新 VLR (19) 如果 MS 有上行的数据或信令将会发送一个 Service Reques P-TMSI RAI CKSN Service Type 消息给 SGSN 服务类型指明要求的服务具体的有数据或者信令 (20) 如果 MS 已经发送了服务请求 3G-SGSN 发送 RAB Assignmen Reques RAB ID(s) QoS Profile(s) GTP-SNDs GTP-SNUs PDCP-SNUs 消息要求 SRNS 建立一个无线接入承载 PDCP 序列号从 PDP 上下文中的 N-PDU 序号得到 SRNS 发送 Radio Bearer Seup Reques PDCP-SNUs 消息给 MS MS 以 Radio Bearer Seup Complee PDCP-SNDs 响应 SRNS 发送 RAB Assignmen Response 消息给 SGSN SRNS 将会丢弃所有比从 MS 得到的 PDCP-SNDs 序号早的 N-PDUs 其他的 N-PDUs 将会发送到 MS MS 将会丢弃所有的序号早与从 SRNS 收到的 PDCP-SNUs 的 N-PDUs 如果支持只能业务 将会有执行下面的步骤 (a) CAMEL-GPRS-SGSN-Conex-Acknowledge (b) CAMEL-GPRS-Roueing-Area-Updae-Session (c) CAMEL-GPRS-Roueing-Area-Updae-Conex 5. 选择性路由更新 (1) 在有上行信令或数据传输时 在 STANDBY 或者 PMM-IDLE 状态 MS 发生系统间改变时将不会立即通过执行路由区更新过程来启动系统间改变直到有上行数据或信令需要发送 如果 MS 在与其最后一次发送数据或信令相同的接入网会首先发送 LLC PDU UMTS 的 MS 将会发送服务请求 那么 GPRS 的 MS 将 如果 MS 在与其最后一次发送数据或信令不同的接入网 那么在发送数据或 信令之前会先进行路由区更新过程 如果是关机的分离 则无需进行路由区 更新过程 (2) 在有下行信令或数据传输时 如果 2G+3G-SGSN 在 MS 处于 STANDBY 或 PMM-IDLE 状态收到用户的数据那么 SGSN 将会在当前 MS 所在的路由区内发起寻呼其中包括 2G 和 3G 的小区 如果 MS 在与其最后一次发送信令或数据相同的接入网收到寻呼 GSM 小区将会发送 LLC PDU 在 UMTS 小区将会发送服务请求消息 那么在 如果 MS 在与其最后一次发送信令或数据不同的接入网收到寻呼那么将会发生一次路由更新过程 2G+3G-SGSN 将认为路由更新请求是一个有效的响 6-96

308 第六章基本信令流程 应 类标处理 1. 无线接入类标 (1) MS 无线接入能力 GSM MS 无线接入能力包括了 MS 的全部的 GSM 无线能力包括 i.g. mulislo capabiliy power class (2) UE 能力 UMTS UE 能力包括了 UE 的全部的 UMTS 无线能力包括 power conrol code resource UE mode ciphering PDCP capabiliies ec. 2. MS 网络能力 MS 的网络能力包括了与无线无关的能力如 GSM GPRS 加密 UMTS 鉴权 和 TI 扩展能力等 6.6 呼叫控制 移动起始呼叫建立 当 MS 想发起一个呼叫时 MS 要使用无线接口信令与网络建立通信并发送一个包含有被叫用户号码的消息 CN 将建立一个到该 MS 的通信信道并使用被叫方地址创建一个 IAM 消息发送到被叫方 6-97

309 第六章基本信令流程 UE RNS CN CHANN REQ IMM ASS CM SERV REQ AUTH REQ AUTH RESP SECURITY MODE COMMAND SECURITY MODE COMPLETE INITIAL UE MESSAGE AUTH REQ AUTH RES SECURITY MODE COMMAND SECURITY MODE COMPLETE RB ASSIGNMENT REQ SETUP CALL PROC RAB ASSIGNMETN REQ rab o be seup) RB ASSIGNMENT COMP RAB ASSIGNMENT RESP ALERTING CONNECT CONNECT ACK 图 6-66 移动起始呼叫建立过程 (1) MS 在随机访问信道上发送 CHANNEL REQUEST 消息给网络 (2) 网络回应 IMMEDIATE ASSIGNMENT 消息使得 MS 可占用指定的专用信道 (3) MS 向 CN 发初始服务请求消息 CM SERVICE REQUEST (4) 网络将发起鉴权和加密过程 (5) 在发送 SECURITY MODE COMPLETE 消息之后 MS 通过发送 SETUP 消息给移动台而发起呼叫的建立过程 (6) 网络将回 CALL PROCEEDING 消息 (7) 对于早指配在网络发起固定网络的呼叫建立之前要为 MS 分配一个通信信道 (8) 当被叫振铃时网络则要向主叫 MS 发一个 ALERTING 消息 (9) 当被叫方应答后 将发送一个 CONNECT 消息给网络 网络再将其传给主 叫侧 (10) 当从主叫 MS 回 CONNECT ACKNOWLEDGE 消息之后即完成了呼叫建立的过程 移动终止呼叫的建立 若 CN 收到 IAM 消息后若允许该到来的呼叫建立则 CN 要使用无线接口信 6-98

310 第六章基本信令流程 令寻呼 MS 当 MS 以 PAGE ACK 消息回应 CN 收到后即建立一个到 MS 的通 信信道 移动终止呼叫用于移动用户做被叫时的情况程 此时由网络发起呼叫的建立过 MS RNS CN PAGE PAGE CHANN REQ IMM ASS PAGE RESP INITIAL UE MESSAGE AUTH REQ AUTH RES SECURITY MODE COMMAND SECURITY MODE COMPLETE SECURITY MODE COMMAND SECURITY MODE COMPLETE SETUP CALL CONF RB ASSIGNMENT REQ RB ASSIGNMENT RESP RAB ASSIGNMENT REQ(rab o be seup) RAB ASSIGNMENT RESP ALERTING CONNECT CONNECT ACK 图 6-67 移动终止建立过程 (1) CN 向 RNS 发送一个 PAGE 消息 RNS 在寻呼信道上广播该寻呼消息 (2) 被叫 MS 监测到该寻呼将向 RNS 发送一个信道请求 RNS 回应立即指配命令指示 MS 使用指定的信令信道 (3) 然后 MS 将在该信令信道上发送一个寻呼响应消息 CN 收到 MS 的寻呼响应消息后将发起鉴权和加密过程 (4) CN 将发送 SETUP 消息给 RNS 该消息中包含有该呼叫的承载能力 (5) 当 MS 从 RNS 接收到 SETUP 消息 它将回应一个 CALL CONFIRMED 消息 如果协商的承载能力参数有变化 则该消息中要包含有承载能力信息 (6) 当 CN 从 RNS 接收到 CALL CONFIRMED 消息时 CN 将向 RNS 发送 RAB ASSIGNMENT REQ 消息要求进行无线信道的指配 RNS 将通过向 MS 发指配消息命令 MS 调节到一个指定的通信信道上 MS 调到指定的信道上之后将向 RNS 发送指配完成消息 6-99

311 第六章基本信令流程 (7) RNS 向 CN 发 RAB ASSIGNMENT RESP 消息 (8) MS 发送 ALERTING 消息指示被叫用户振铃 (9) 当被叫用户应答时被叫 MS 将发送一个 CONNECT 消息经过 RNS 到 CN (10) CN 将给 MS 回应 CONNECT ACK 消息呼叫建立过程结束 RAB 流程 1. RAB 管理功能 RAB Radio Access Bearer 定义在 UE 和 CN 之间建立根据签约用户数据 CN 业务能力和 UE 业务请求的 QoS 的不同而使用不同的 RAB RAB ID 与 NAS 绑定信息有关 例如 在电路域 RANAP 层的 RAB ID 与 CC 子层的 SI 在数值上相同 SI 由 UE 来分配 CN 在分配 RAB ID 时把 SI 和 RAB ID 一一对应起来 对一个 UE 来说 RAB ID 在 RB Radio Bearer 和 Iu 承载上 是全局的 而且一个 RAB ID 对应一个唯一的用户面连接的实例 一个 Iu UP 实例 CN 控制 RAB 的建立修改和释放 RAB 建立修改和释放是 CN 发起的功能 RAB 建立修改和释放是 UTRAN 执行的功能 RAB 释放请求是 UTRAN 发起的功能当 UTRAN 不能与 UE 保持 RAB 时触发该功能 在 RAB 建立时 CN 把 RAB 映射到 Uu 接口承载上口传输承载和 Iu 接口传输承载上 UTRAN 把 RAB 映射到 Uu 接 在 CS 域如果使用 AAL2 承载 UTRAN 负责发起 AAL2 连接建立和释放 RAB 的优先级由 CN 根据签约信息 QoS 信息等内容决定 CN 在请求 RAB 建立修改消息中指定优先级预占能力和排队特性 UTRAN 执行 RAB 排队和资源预占 2. RAB 接入控制 当 CN 接收到请求建立或修改 RAB 时在 R99 电路域规范中 RAB QoS 用 BC IE 来映射 CN 验证是否该用户允许使用请求参数的 RAB 根据验证 CN 将接受或拒绝该请求 当 UTRAN 从 CN 接收到建立或修改 RAB 的请求时无线资源条件的分析判断是否接受或拒绝 准入控制实体根据当时的 6-100

312 第六章基本信令流程 3. RAB 建立释放修改控制流程 RNC CN RAB ASSIGNMENT REQUEST RAB ASSIGNMENT RESPONSE. 图 6-68 Iu 接口 RAB Assignmen 过程 RAB Assignmen 过程的目的是修改和 / 或释放已经建立的 RAB 的 RAB 本过程是面向连接的 和 / 或建立新 CN 首先发送 RAB Assignmen Reques 消息给 RNC 然后 CN 启动定时器 TRABAssg 在一条 RAB Assignmen Reques 消息中 CN 可以要求 UTRAN 建立 / 修改 / 释放一个或几个 RABs 本消息包含以下信息主要是 带有承载特性的需建立 / 修改的 RAB 列表 需释放的 RAB 列表 RAB ID 在每一个 Iu 连接内是唯一的如果 RNC 收到的消息中包括已经存在的 RAB ID 那么 RNC 认为是修改该 RAB 释放除外 RNC 随时接收释放 RAB 的消息并总是响应如果 RNC 正在建立 / 修改某 RAB 然后又收到释放该 RAB 的消息那么 RNC 将停止 RAB 配置过程释放与该 RAB 有关的所有资源并返回响应 UTRAN 侧收到消息后将执行请求的 RAB 配置 Assignmen Response 消息给 CN 报告请求结果 Response 消息中可以包含一个或几个 RAB 的信息 然后 UTRAN 发送 RAB 在一条 RAB Assignmen 主要是 成功建立 / 修改 / 释放的 RABs 不成功建立 / 修改 / 释放的 RABs 排队的 RABs 如果没有 RABs 被排队 则 CN 就停止 TRABAssg 然后 RAB Assignmen 过程 就结束于 UTRAN 侧 当请求建立 / 修改的 RABs 被排队后 UTRAN 就启动定时器 TQUEUING 该定 时器指定排队等候建立 / 修改的最大时间 且监督所有排队的 RABs 排队的 RABs 有如下可能的结果 建立或修改成功 6-101

313 第六章基本信令流程 建立或修改失败 由于定时器 TQUEUING 超时而失败 在第一条 RAB Assignmen Response 响应消息中 UTRAN 报告所有在 RAB ASSIGNMENT Reques 消息中涉及的 RAB 的状态 UTRAN 接着在随后的 RAB Assignmen Response 响应消息中报告排队的 RAB 状态 除了 TQUEUING 超时的 RAB 当知道所有排队的 RAB 建立 / 修改已经成功 / 失败后 UTRAN 停止 TQUEUING RAB Assignmen 过程同时结束于 CN 与 UTRAN 当 CN 接收到 RAB 被排队的响应 CN 期望在 TRABAssg 超时前 UTRAN 提供排队 RAB 的结果否则 CN 认为 RAB Assignmen 过程结束并且认为没有报告的 RAB 配置失败 在定时器 TQUEUING 超时的情况下在 UTRAN 所有的排队 RABs 都结束排队 UTRAN 在一条 RAB Assignmen Response 消息中报告所有的排队 RAB 状态同时在 CN 侧停止该过程 4. RAB 建立流程 图 6-68 简要的描述了在 CN 和 UE 之间经过 UTRAN 而建立 RAB 的流程 6-102

314 第六章基本信令流程 UE Node B Serving RNS Serving RNC CN 1. RAB Assignmen RANAP Reques [Esablishmen] Selec L1, L2 and Iu Daa Transpor Bearer parameers 2. ALCAP Iu Daa Transpor Bearer Seup No required owards PS domain 2.1 Esablish Reques Q.aal2 Q.aal2 2.1 Esablish Confirm RANAP Q.aal2 Q.aal2 NBAP Radio Link Reconfiguraion Prepare [DCH Addiion] NBAP NBAP Radio Link Reconfiguraion Ready NBAP ALCAP Iub Daa Transpor Bearer Seup DCH-FP Downlink Synchronisaion DCH-FP DCH-FP Uplink Synchronisaion DCH-FP NBAP Radio Link econfiguraion Commi NBAP RRC 3 DCCH : Radio Bearer Seup RRC Apply new ranspor forma se RRC DCCH : Radio Bearer Seup Complee RRC RANAP 4. RAB Assignmen Response RANAP 5. Iniializaion Iu UP Iu UP (RFCI, 0..N + sub- flow size informaion) 图 6-69 无线接入承载建立 - DCH-DCH 同步建立流程 这个例子说明了当 RRC 连接已经建立好以后在专用传输信道 DCH RRC 状态下建立无线接入承载 RAB DCH 的过程 时机 在电路域在 CN 接受 UE 的业务请求主叫 SETUP 被叫的 CALL CONFIRM CONNECT 等消息后指示需要一条新的 AS 的承载通道来承载 NAS 用户数据时发送 RAB Assignmen Reques 消息启动这一过程 过程描述 (1) CN 根据签约用户数据 CN 业务能力和 UE 业务请求的 QoS 决定采用什末样的 RAB 通过 RANAP 消息 Radio Access Bearer Assignmen Reques Seup 请求建立 RAB 其中的 RAB ID 根据 SI 的值来填充在电路域重 6-103

315 第六章基本信令流程 要参数有 RAB 参数 用户面模式 本端用户面 ATM 地址 IU 传输标识 BINDING ID (2) 服务 RNC 使用 ALCAP 协议初始化 Iu 接口数据传输承载的建立 在电路域使用 AAL2 承载的情况下在 PS 域这一过程不需要在 AAL2 的连接建立请求中使用 SUGR 参数将 BINDING ID 透传给 CN 用它完成 RAB 和数据传输承载的绑定这一消息中的重要参数还有 对端 ATM 地址 通路识别 PATH ID 通道识别 CID 通路特性 通 道特性等 (3) 服务 RNC 在和 Node B 等重配置好无线链路完成上下行链路同步后通过 RRC 消息 Radio Access Bearer Seup 把 RAB 参数中的子流和子流组合参数和 RAB ID 等传给 UE (4) 服务 RNC 在收到 UE 的成功证实 RRC 消息 Radio Bearer Seup Complee 和 ALCAP 过程的成功建立后向 CN 证实 RAB 成功建立发 RANAP 消息 Radio Bearer Assignmen Response 到 CN (5) 如果用户面是支持模式报告结果后 UTRAN 再通过初始化 Iu 接口用户面 说明 对于其中和 Drfi RNC Drif Node B 的交互的流程图中没有描述 对于 RACH/FACH - DCH 方式过程类似 RACH/FACH - RACH/FACH 以及分组域的非同步 6-104

316 第六章基本信令流程 5. RAB 释放流程 UE Node B Serving RNS Serving RNC CN RANAP 1 RAB Assignmen Reques [Release] RANAP RANAP 2. RAB Assignmen Response RANAP 3. ALCAP Iu Daa Transpor Bearer Release no required owards PS domain Q.aal2 Q.aal2 3.1 Release Reques 3.2 Release Confirm Q.aal2 Q.aal2 NBAP Radio Link Reconfiguraion Prepare [DCH Deleion] NBAP NBAP Radio Link Reconfiguraion Ready NBAP Radio Link Reconfiguraion Commi NBAP NBAP RRC DCCH : Radio Bearer Release RRC RRC Apply new DCCH ranspor forma se DCCH : Radio Bearer Release Complee Iub Daa Transpor Bearer Release ALCAP RRC 图 6-70 无线接入承载释放 - DCH - DCH- 同步释放流程 启动时机 在电路域动此过程 在 CC 层使用该 RAB 的事物全部结束或 RNC 请求释放该 RAB 时启 过程描述 (1) CN 通过发送 RANAP 消息 Radio Access Bearer Assignmen Reques Release 启动 RAB 释放过程其中指明是哪一个 RAB ID (2) 业务 RNC 以 RANAP 消息 Radio Access Bearer Assignmen Response 来证实 (3) 业务 RNC 使用 ALCAP 协议如果是 AAL2 承载使用 AAL2 释放消息来启动和 CN 之间的 Iu 数据传输承载的释放在 PS 域这一过程不需要 (4) 业务 RNC 在释放了和 Node B 等的链路后发送 RRC 消息 Radio Bearer Release 给 UE 启动承载释放过程 (5) 业务 RNC 在收到 UE 的证实 RRC 消息 Radio Bearer Release Complee 后整个释放过程结束 6-105

317 第六章基本信令流程 6. RAB 修改流程 UE Node B Serving RNS Serving RNC CN RANAP 1. RAB Assignmen Reques [Modify] 2. Selec L1, L2 and Iu Daa Transpor Bearer parameers e.g. for Radio Bearer reconfiguraion.) RANAP 3. ALCAP Iu Daa Transpor Bearer Modify ( Q.aal2 3.1 Modify Reques Q.aal2 Q.aal2 3.2 Modify Confirm Q.aal2 NBAP Radio Link Reconfiguraion Prepare NBAP NBAP Radio Link Reconfiguraion Ready NBAP ALCAP Iub Daa Transpor Bearer Modify NBAP Radio Link econfiguraion Commi NBAP RRC RRC 4 Radio Bearer Reconfiguraion ( DCCH Acualizing Radio Bearer modificaion (e.g. Apply new ranspor forma se) 5 Radio Bearer Reconfiguraion Complee DCCH RRC RRC RANAP 6 RAB Assignmen Response RANAP 7. Iniializaion Iu UP Iu UP (RFCI, 0..N + sub- flow size informaion) 图 6-71 无线接入承载修改 DCH-DCH 同步修改 (1) 启动条件 UE 业务切换或速率调整时 CN 重配置业务信道以支持业务属性的改变 (2) 过程描述 (a) CN 通过 RANAP 消息 Radio Access Bearer Assignmen Reques Modify 请 求修改 RAB 其中的 RAB ID 根据指明 RAB 标识 在电路域重要参数有 RAB 参数 (b) 服务 RNC 选择哪种参数应该被修改 哪种程序应该被启动 (c) 服务 RNC 使用 ALCAP 协议修改 Iu 接口数据传输承载的通道特性 如果使用 AAL2 承载 有相应的修改过程 6-106

318 第六章基本信令流程 (d) 等到 Iu 接口传输控制面的修改过程成功后服务 RNC 在和 Node B 等修改好无线链路后通过 RRC 消息 Radio Bearer Reconfiguraion 把 RAB 参数中的子流和子流组合参数和 RAB ID 等传给 UE (e) 服务 RNC 在收到 UE 的成功证实 RRC 消息 Radio Bearer Seup Complee 后向 CN 证实 RAB 成功建立发 RANAP 消息 Radio Bearer Assignmen Response 到 CN (f) 如果用户面是支持模式 报告结果后 UTRAN 再通过初始化 Iu 接口用户面 寻呼流程 寻呼过程是 CN 向被叫发起的寻呼过程当 CN 需要向和被叫用户建立连接时首先需要通过寻呼过程找到被叫寻呼过程的作用就是使 CN 能够寻呼到被叫用户寻呼过程通过无连接信令方式建立 CN 通过向被叫发起 PAGING 消息来开始寻呼程 PAGING 消息应该包含足够的信息以使 RNC 能够找到被叫如果一次寻呼不可及 CN 负责通过 lu 接口重复发寻呼的过程如图 6-72 所示 RNC CN PAGING 图 6-72 成功寻呼流程 1. 寻呼过程 来自主叫的呼叫请求信息 CN 经过处理后如果成功的得到了有关被叫用户的信息寻呼过程就可以开始 CN 需要知道被叫所在的位置区信息并且取得足够的寻呼信息参数这样 CN 就可以向被叫发起寻呼 如果 CN 没有得到被叫用户的位置区信息 RNC 发起寻呼消息 需要通过广播过程向 CN 下的所有 CN 下发 PAGING 消息是通过 RANAP 接口进行的 RANAP 接口处理来自 CN 的 PAGING 消息 PAGING 包含的参数包括寻呼是来自 CS 域还是 PS 域的是何种原因引发的寻呼以及被叫用户的位置区信息等由 RANAP 向被叫所属位置区下 RNC 发寻呼消息 当 PAGING 消息到达 RNC 后 RNC 通过分析寻呼消息的参数取得被叫所在的位置区信 RNC 通过 PCCH 传送寻呼信息给位置区的 UE 如果被叫 UE 检测到 RNC 来的寻呼消息开始执行 NAS 信令过程 如果寻呼成功 CN 会得到寻呼响应消息否则 CN 需要通过 lu 接口重复发 6-107

319 第六章基本信令流程 送寻呼消息 以下就两个例子 UE 在 RRC 空闲状态和 RRC 连接状态下的寻呼过程 2. UE 在 RRC 空闲状态的寻呼过程 当 RRC 处于空闲状态时候 UE 可能会收到来自 CS 或者 PS 的寻呼因为此时 UE 处于空闲状态 CN 可以知道该 UE 的位置区 LA) 信息因此寻呼会通过该位置区来下发这里图 6-73 列出了 LA 跨越两个 RNC 的情况 UE Node B 1.1 Node B 2.1 RNC 1 RNC 2 CN RANAP 1. Paging RANAP RANAP 1. Paging RANAP 2. PCCH : Paging Type 1 3. PCCH : Paging Type 1 图 6-73 RRC 空闲状态下寻呼过程 (1) CN 通过发起的寻呼消息跨过两个 RNC 到达被寻呼 UE (2) 小区 1 用 Paing Type1 发起寻呼 (3) 小区 2 用 paging Type 发起寻呼 PAGING 消息通过 RANAP 的到达 RNC1 RNC2 RNC 通过 PCCH 传送寻呼信 息给位置区的 UE 如果被叫 UE 检测到 RNC1 或者 RNC2 来的寻呼消息 开始 执行 NAS 信令过程 3. UE 在 RRC RRC 连接状态下的寻呼过程 当 RRC 处于连接状态时候这种情况在 CN 为 CS 域或者 PS 域两种情况由于移动性管理的独立性有两种可能的解决方案 (1) UTRAN 来协调在已存在 RRC 连接上寻呼请求 (2) UE 来协调已存在 RRC 连接上的寻呼请求 以下例子图 6-74 说明在 RRC 连接状态 CELL_DCH 和 CELL_FACH 状态 ) 执行寻呼 UE 过程的由 UTRAN 在 RRC 连接的状态下用 DCCH 协调寻呼请求的情况 6-108

320 第六章基本信令流程 UE Serving RNC CN RANAP 1. Paging RANAP RRC 2. DCCH : Paging Type 2 RRC 图 6-74 在 RRC 连接状态 CELL_DCH 和 CELL_FACH 下寻呼 UE 过程 (1) CN 通过 RANAP 发送 PAGING 消息来对 UE 寻呼 (2) SRNC 对 RRC 发送消息 Paging Type 呼叫释放过程 当移动用户通话完毕主叫方或被叫方挂机的消息要通知到网络侧进行呼叫的释放过程网络侧通过终止 GSM PLMN 之间或 GSM PLMN 与别的网络之间的电路交换连接而释放呼叫移动发起呼叫释放的成功情况如图 6-75 所示 MS RNS CN DISCONNECT RELEASE RELEASE COMPLETE CHANN REL DISCONNECT RELEASE RELEASE COMPLETE IU RELEASE COMMAND IU RELEASE COMPLETE 图 6-75 移动发起呼叫释放的成功情况 (1) 移动方挂机之后移动台通过向网络发送 DISCONNECT 消息而发起呼叫清除 (2) 网络接收到该消息之后发送一个 RELEASE 消息给移动台 (3) MS 发 RELEASE COMPLETE 消息给网络如果此时不再需要通信信道则要执行信道的释放过程 (4) 如果该呼叫是整个 Iu 连接上的唯一的一个呼叫则要释放 Iu 连接 CN 向 RNS 发送 IU RELEASE COMMAND 消息请求释放 Iu 连接 6-109

321 第六章基本信令流程 6.7 分组域会话管理流程 SM 基本概念 1. SM 功能概述 会话管理是 3GPP 协议中连接管理层 Connecion Managemen 的一个主要的组成部分位于移动性管理 Mobile Managemen 和用户面之间使用 GMM 子层提供的无应答数据传送服务向高层 用户面提供连接管理服务它一方面完成核心网络 SGSN 到 GGSN 之间的隧道建立修改和释放的控制功能另一方面完成 SGSN 和 RNC/MS 之间无线接入承载 Radio Access Bearer 建立修改和释放的控制 2. 术语 (1) PDP Conex PDP 上下文保存了用户面进行隧道转发的所有信息面 IP 地址隧道标识和 QoS 等 包括 RNC/GGSN 的用户 (2) NSAPI 在 MS 中 NSAPI 用于标识一个 PDP 服务访问点个会话 在 SGSN/GGSN 中用于标识一 (3) RAB ID 在接入层标识用户的一个 RAB 它的取值等于 NSAPI (4) APN 解析 Access Poin Name 采用标准域名格式 APN 包括两部分网络名和运营商名在 GGSN 中用于标识一个指定的外部网和一种服务的 ISP 在 SGSN 中可根据 APN 通过 DNS 解析得到与此 APN 对应的 GGSN 地址 (5) PDP 地址匹配和 APN 选择 一个用户可以使用多个 PDP 地址和 APN 在激活一个会话时用户请求的 PDP 地址和 APN 必须满足签约数据的要求根据请求的地址和 APN 找到满足此要求的签约 PDP Conex 数据的过程称为 PDP 地址匹配和 APN 选择 (6) QoS 协商 会话管理在建立分组传输路由的同时也必须指定此路由满足的 QoS 会话管理过程在 MS RNC SGSN GGSN 之间进行 QoS 协商使各节点提供的服务质量保持一致 QoS 协商的算法是在签约的 QoS SGSN 能提供的最大 QoS 和其它节点满足的 QoS 之间取最小值 6-110

322 第六章基本信令流程 3. SM 在协议栈中的位置 UMTS MS-SGSN 的控制面协议如图 6-76 所示 6-77 所示 SM 与各协议单元的关系如图 GMM / SM / SMS GMM / SM / SMS Relay RRC RRC RANAP RANAP RLC RLC SCCP SCCP MAC L1 MS Uu MAC Signalling Bearer AAL5 L1 ATM RNS Iu-Ps Signalling Bearer AAL5 ATM 3G SGSN 图 6-76 UMTS MS-SGSN 的控制面协议 RAB ENTITY 1 RABM RAB ENTITY 2 RAB ENTITY n RAB Conrol RABMSM-SAP SM SMREG-SAP GMMSM-SAP GTMSM-SAP MM GPRS Tunnel Managemen GMMRABM-SAP 图 6-77 SM 与各协议单元的关系 SM 与其他协议单元的服务访问点说明 (1) RABMSM-SAP 完成 RAB 激活修改去激活的控制功能接口原语有 RABMSM-ACTIVATE-IND RABMSM-ACTIVATE-RSP RABMSM-DEACTIVATE-IND RABMSM-DEACTIVATE-RSP RABMSM-DEACTIVATE-REQ SM 指示 RABM 指定 NSAPI 的会话已激活 RABM 完成创建 RAB 后向 SM 返回响应 SM 指示 RABM 指定 NSAPI 的会话已去激活 RABM 完成去激活 RAB 后向 SM 返回响应 RABM 在指配失败后向 SM 发起去激活请求 6-111

323 第六章基本信令流程 RABMSM-MODIFY-IND RABMSM-MODIFY-RSP RABMSM-STATUS-REQ SM 指示 RABM 指定 NSAPI 的会话已修改 RABM 完成修改 RAB 后向 SM 返回响应 RABM 通知 SM 出错 (2) GMMRABM-SAP Service Reques 过程通知 RABM 有上行数据传送 RABM 进行 RAB 重建 UL-DATA-IND 上行数据传送指示 (3) GMMSM-SAP GMM 在此 SAP 向 SM 提供无应答数据透传服务接口原语有 另外在 Deach 时通知 SM 释放 GMMSM-RELEASE-IND GMMSM-UNITDATA-REQ GMMSM-UNITDATA-IND MS Deach 时通知 SM 的释放指示 SM 的无确认数据传送请求 GMM 向 SM 发送无确认的数据指示 (4) GTMSM-SAP SM 与隧道管理之间的接口 完成 SGSN-GGSN 之间的隧道创建 修改 删除 的控制功能 GTMSM-CRT-REQ GTMSM-CRT-RSP GTMSM-MDF-REQ GTMSM-MDF-RSP GTMSM-DEL-REQ GTMSM-DEL-RSP GTMSM-PDU-NTF-IND GTMSM-PDU-NTF-RSP GTMSM-PDU-NTF-REJ-REQ GTMSM-PDU-NTF-REJ-RSP GTMSM-ERR-IND SM 请求 GTP 隧道管理创建隧道隧道管理创建 GTP 隧道之后向 SM 返回响应 SM 请求 GTP 隧道管理修改隧道 GTP 隧道管理修改隧道之后的响应 SM 请求 GTP 隧道管理删除隧道 GTP 隧道管理删除隧道之后向 SM 返回响应 GTP 隧道管理通知 SM 有下传数据 SM 向 GTP 隧道管理返回数据通知响应 SM 向 GTP 隧道管理返回数据通知拒绝请求 GTP 隧道管理向 SM 返回数据通知拒绝响应 GTP 隧道管理通知 SM 用户面出错 4. 与 SM 相关的功能实体 (1) RAB 管理 RABM RAB Managemen 完成 RAB 的创建修改释放和重建的管理功 6-112

324 第六章基本信令流程 能 RAB 由两部分组成 RNC 和 SGSN 之间的 GTP 隧道以及 RNC 与 MS 之间的无线承载 Radio Bearer RAB ID 唯一标识用户的一个 RAB RAB 的建立修改释放和重建都是通过 RAB ASSIGNMENT 过程完成的 RAB 管理流程图如图 6-78 所示 MS RNC SGSN 1. RAB Assignmen Reques 2. RRC: Esablish/Release/Modify Radio Bearers 3. RAB Assignmen Response... * * i can be several responses 图 6-78 RAB 管理流程图 流程说明 (a) SGSN 向 RNC 发送 RAB Assignmen Reques SGSN ADDR TEIDs QoS 消息请求建立修改或释放 RAB(s) 在指配参数中可指定 RAB 的无线优先级是否允许抢占和排队 (b) RNC 建立 修改或释放无线承载 (c) RNC 向 SGSN 发送 RAB Assignmen Response 败则要降低 QoS 重发指配请求 如果因为 QoS 的原因指配失 如果 RAB 重建时发生 QoS 改变将 QoS 通知 MS 和 GGSN 则执行 SGSN 发起的 PDP Conex 修改流程 (2) 隧道管理 隧道管理的主要任务是创建 SGSN 到 GGSN 之间的 GTP 隧道隧道管理包括创建隧道修改隧道删除隧道和网络侧发起 PDP Conex 激活的管理 PDP Conex 的激活修改去激活和保留过程 SM 通过 PDP Conex 的激活修改去激活信令流程实现会话管理 PDP Conex 激活流程建立用户面的分组传输路由 PDP Conex 修改流程修改激活的 PDP Conex 的 QoS 和 TFT 在发生 RAU 改变时也需要修改 SGSN 到 GGSN 之间的隧道路由 PDP Conex 去激活流程用于拆除激活的 PDP Conex SM 的状态机模型如图 6-79 所示 6-113

325 第六章基本信令流程 INACTIVE Acivae PDP Conex Deacivae PDP Conex or MM sae change o IDLE or PMM-DETACHED ACTIVE 图 6-79 PDP 状态机模型 在用户进行激活流程之前态 SGSN 上的 SM 必须先进入 PMM-CONNECTED 状 一个用户可以有多个签约的 PDP 地址每一个 PDP 地址可能包含一个或多个会话每个对话有两种状态激活态和非激活态 ACTIVE/INACTIVE 非激活的会话不包含路由信息不能进行数据的转发 二次激活使用和一次激活相同的 PDP ADDRESS APN 但使用不同的 QoS 在激活之后 二次激活的 PDP Conex 和一次激活的 PDP Conex 是完全 对等的 发生 R99 到 R98/97 的路由区更新时 对共享地址和 APN 的激活的 PDP Conex(s) 保存 QoS 最高的 PDP Conex 其它的 PDP Conex 将被去激 活 RNC 发起 RAB 或 IU 释放之后 SGSN 可以保留这些激活的 PDP Conex 而不 进行去激活 当用户发起 SERVICE REQUEST 过程时进行 RAB 的重建 恢复 数据传送 下面将分节讨论各个会话管理流程 PDP Conex 激活功能 PDP Conex 激活包括 MS 发起的 网络发起的 PDP Conex 激活和二次激活 1. MS 发起的 PDP Conex 激活 MS 发起的 PDP Conex 激活过程如图 6-80 所示 6-114

326 第六章基本信令流程 MS UTRAN 3G-SGSN 3G-GGSN 1. Acivae PDP Conex Reques 3. Radio Access Bearer Seup 4. Invoke Trace C1 5. Creae PDP Conex Reques 5. Creae PDP Conex Response 7. Acivae PDP Conex Accep C2 图 6-80 MS 发起的 PDP Conex 激活过程 (1) MS 向 SGSN 发送激活请求 Acivae PDP Conex Reques NSAPI TI PDP Type PDP Address Access Poin Name QoS Requesed PDP Address 指出是动态地址还是静态地址如是动态地址则设为空 (2) 执行 RAB 指配过程 (3) SGSN 通过使用 PDP Type opional PDP Address opional Access Poin Name opional 和 PDP Conex 签约数据来验证 Acivae PDP Conex Reques 的有效性 SGSN 给 PDP Conex 分配 TEID 如果使用动态地址则要求 GGSN 分配一个动态地址 SGSN 根据一定的算法选择一个 APN SGSN 向 GGSN 发创建 PDP Conex 请求 PDP Type PDP Address Access Poin Name QoS Negoiaed TEID NSAPI MSISDN Selecion Mode Charging Characerisics Trace Reference Trace Type Trigger Id OMC Ideniy PDP Configuraion Opions GGSN 为 PDP Conex 分配动态地址计费 ID 协商 QoS 如果 MS 要求外部网分配 IP 地址则设为 在以后外部网分配地址后执行 GGSN 发起的 PDP Conex 修改过程 (4) 收到 GGSN 的 CREATE PDP Conex RESPONSE NSAPI PDP ADDR GGSN ADDR TEID QoS SGSN 将地址 QoS 等信息通过 Acivae PDP Conex Accep 发送给 MS 2. 二次激活 二次激活流程如图 6-81 所示 一个 PDP 地址可对应多个 PDP Conex 二次激 活仅在相同的 PDP 地址和 APN 上有激活的 PDP Conex 时才发起 二次激活 的 PDP Conex 与已激活的 PDP Conex 只有 QoS profile 不同 每个 PDP Conex 使用唯一的 TI 和 NSAPI 二次激活执行过程 APN 选择和地址协商不必 6-115

327 第六章基本信令流程 执行 流程与 PDP Conex Acivaion 过程类似 在许多 PDP Conex 中 只允许一个 PDP Conex 没有 TFT 传输下行 N-PDU 时 GGSN 按 TFT 匹配选择合适的 PDP Conex MS 发送数据时按 QoS 选择不同的 PDP Conex MS UTRAN 3G-SGSN 3G-GGSN 1. Acivae Secondary PDP Conex Reques 3. Radio Access Bearer Seup C1 4. Creae PDP Conex Reques 4. Creae PDP Conex Response 6. Acivae PDP Conex Accep C2 图 6-81 二次激活流程 3. 网络发起的 PDP Conex 激活 网络侧发起的 PDP Conex 激活过程如图 6-82 所示 MS SGSN HLR GGSN 1. PDP PDU 2. Send Roueing Info for GPRS 2. Send Roueing Info for GPRS Ack 3. PDU Noificaion Reques 3. PDU Noificaion Response 4. Reques PDP Conex Acivaion 5. PDP Conex Acivaion procedure 图 6-82 网络侧发起的 PDP Conex 激活过程 (1) GGSN 收到 PDP PDU 向 HLR 发送 Send Roueing Informaion for GPRS IMSI 取 SGSN 的地址 (2) 如果 MS 可达则 HLR 发送 Send Roueing Informaion for GPRS Ack IMSI SGSN Address Mobile Saion No Reachable Reason 返回 SGSN 的地址否则返回错误如果错误不是 No Paging Response HLR 将此 GGSN 添加到该用户的 GGSN-Lis (3) 如 SGSN 存在或错误是 No Paging Response 则发送 PDU Noificaion 6-116

328 第六章基本信令流程 Reques IMSI PDP Type PDP Address APN 通知给 SGSN (4) SGSN 返回应答 PDU Noificaion Response Cause 确认将要请求 MS 激 活 PDP Conex 过程 (5) SGSN 向 MS 发送 Reques PDP Conex Acivaion TI PDP Type PDP Address APN 要求 MS 发起激活 PDP Conex 请求 (6) MS 发起 PDP Conex 激活过程 PDP Conex 修改功能 PDP Conex 修改过程包括 MS 发起的 PDP Conex 修改过程 SGSN 发起的 PDP Conex 修改过程 GGSN 发起的 PDP Conex 修改过程 RAB/IU 释放 SGSN 发起 PDP Conex 修改流程 修改参数包括 QoS Negoiaed Radio Prioriy Packe Flow Id PDP Address GGSN 发起的修改过程 in case of he GGSN-iniiaed modificaion procedure and TFT MS 发起的修改过程 1. SGSN 发起的 PDP Conex 修改 SGSN 发起的 PDP Conex 修改过程包括 HLR 向 SGSN 插入用户数据而且会话处于激活状态 SGSN 发起 PDP Conex 修改过程 RAB 重建发生 QoS 改变 SGSN 发起 PDP Conex 修改流程 SGSN 之间的路由区更新过程 如果会话处于激活状态 SGSN 发起 PDP Conex 修改流程 MS SGSN GGSN 发起的 PDP Conex 修改最主要的过程就是 QoS 协商和路由的重新建立 SGSN 发起的 PDP Conex 修改过程如图 6-83 所示 6-117

329 第六章基本信令流程 MS UTRAN SGSN GGSN 1. Updae PDP Conex Reques 2. Updae PDP Conex Response 3. Modify PDP Conex Reques 4. Modify PDP Conex Accep 5. Radio Access Bearer Modificaion C1 6. Invoke Trace 图 6-83 SGSN 发起的 PDP Conex 修改过程 流程说明如下 (1) SGSN 发送更新请求 Updae PDP Conex Reques TEID NSAPI QoS Negoiaed Trace Reference Trace Type Trigger Id OMC Ideniy 与 GGSN 协商 QoS (2) GGSN 进行 QoS 协商向 SGSN 发送 Updae PDP Conex Response TEID QoS Negoiaed Cause (3) SGSN 按 QoS 选择无线优先级和 Packe Flow Id 向 MS 发送修改请求 Modify PDP Conex Reques TI QoS Negoiaed Radio Prioriy Packe Flow Id (4) MS 接受 QoS 则向 SGSN 发送 Modify PDP Conex Accep 如 MS 不接受 QoS 则发起去活 PDP Conex 过程 (5) 执行 RAB 指配过程修改 RAB (6) 如果启动 BSS 跟踪则要发引用跟踪消息 Invoke Trace Trace Reference Trace Type Trigger Id OMC Ideniy 2. MS 发起的 PDP Conex 修改 MS 发起的 PDP Conex 修改过程如图 6-84 所示 6-118

330 第六章基本信令流程 MS UTRAN SGSN GGSN 1. Modify PDP Conex Reques 2. Updae PDP Conex Reques 4. Radio Access Bearer Modificaion 3. Updae PDP Conex Response 5. Modify PDP Conex Accep C1 图 6-84 MS 发起的 PDP Conex 修改过程 MS 发起修改流程的目的是为了改变 PDP Conex 的 QoS 或 TFT (1) MS 向 SGSN 发送 Modify PDP Conex Reques TI QoS Requesed TFT 消息请求修改 PDP Conex (2) SGSN 进行 QoS 协商发送更新请求 Updae PDP Conex Reques TEID NSAPI QoS Negoiaed Trace Reference Trace Type Trigger Id OMC Ideniy 与 GGSN 协商 QoS (3) GGSN 进行 QoS 协商向 SGSN 发送 Updae PDP Conex Response TEID QoS Negoiaed Cause (4) 执行 RAB 指配过程修改 RAB (5) SGSN 向 MS 发送 Modify PDP Conex Accep 3. GGSN 发起的 PDP Conex 修改 如图 6-85 所示 GGSN 的修改流程的目的是改变传输路由的 QoS 或用户的 PDP ADDRESS 有两种情况 GGSN 作为 DHCP 中继代理收到外部网给 MS 分配的 IP 地址 GGSN 中会话的 QoS 发生改变 6-119

331 第六章基本信令流程 MS UTRAN SGSN GGSN 2. Modify PDP Conex Reques 1. Updae PDP Conex Reques 3. Modify PDP Conex Accep 4. Radio Access Bearer Modificaion 5. Updae PDP Conex Response C1 图 6-85 GGSN 发起的 PDP Conex 修改 流程说明 (1) GGSN 向 SGSN 发送 Updae PDP Conex Reques TEID NSAPI PDP Address QoS Requesed (2) SGSN 进行 QoS 协商 向 MS 发送修改 PDP Conex 的请求 Modify PDP Conex Reques TI PDP Address QoS Negoiaed Radio Prioriy Packe Flow Id (3) 如果 MS 接受指定的 QoS 向 SGSN 返回修改接受 Modify PDP Conex Accep 消息如果拒绝接受发起 PDP Conex 的去激活过程 (4) 执行 RAB 修改过程 (5) 如果 SGSN 收到 Modify PDP Conex Accep 则向 GGSN 发送 Updae PDP Conex Response TEID QoS Negoiaed 如果收到 Deacivae PDP Conex Reques 则执行 MS 发起的去激活过程 4. IU/RAB 释放引起的 PDP Conex 修改 RNC 向 SGSN 发送 IU RELEASE REQUEST 或 RAB RELEASE REQUEST 放 Iu/RAB 成功之后 释 SGSN 对背景级和交互级的通信 PDP Conex 不改变 SGSN 对流级和实时会话级的通信 PDP Conex 不改变但将最大通信速率降到 0 同时通知 GGSN 也将最大传输速率降到 0 对 MS 失去无线覆盖之后 对背景级和交互级的通信 PDP Conex 不改变 对流级和实时会话级的通信当 RRC 重建失败后 PDP Conex 保留但将最大通信速率降到 0 在重新获得覆盖后利用 PDP Conex 修改过程 6-120

332 第六章基本信令流程 重建 PDP Conex 和 RAB PDP Conex 去激活功能 PDP Conex 去激活流程包括 MS 发起的 Conex 去激活过程 SGSN 发起的和 GGSN 发起的 PDP 1. MS 发起的 PDP Conex 去激活 MS 发起的 PDP Conex 去激活过程如图 6-86 所示 MS UTRAN 3G-SGSN 3G-GGSN 1. Deacivae PDP Conex Reques C1 3. Delee PDP Conex Reques 4. Deacivae PDP Conex Accep 3. Delee PDP Conex Response 5. Radio Access Bearer Release 图 6-86 MS 发起的 PDP Conex 去激活过程 (1) MS 向 SGSN 发送去激活请求 Deacivae PDP Conex Reques TI Teardown Ind Teardown Ind 指示是否去激活和指定 TI 共享地址的激活的 PDP Conex (2) SGSN 收到 MS 的去激活请求向 GGSN 发送 Delee PDP Conex Reques TEID NSAPI Teardown Ind 删除 GGSN PDP Conex (3) GGSN 向 SGSN 发送 Delee PDP Conex Response TEID (4) 收到 Delee PDP Conex Response 后然后向 MS 发送去激活接受应答 (5) SGSN 调用 RAB 指配过程释放 RAB 2. SGSN 发起的 PDP Conex 去激活 如图 6-87 所示 SGSN 发起的去激活通常由于 MM 释放或各种异常情况引起 例如 MS SGSN GGSN 之间 PDP Conex 不一致 RAB 重建失败 资源不足 等 6-121

333 第六章基本信令流程 MS UTRAN SGSN GGSN C1 1. Delee PDP Conex Reques 2. Deacivae PDP Conex Reques 1. Delee PDP Conex Response 2. Deacivae PDP Conex Accep 3. Radio Access Bearer Release 图 6-87 SGSN 发起的 PDP Conex 去激活 (1) SGSN 向 GGSN 删除 PDP Conex 请求 Delee PDP Conex Reques TEID NSAPI Teardown Ind Teardown Ind 指示是否去激活和指定 TI 共享地址的激活的 PDP Conex (2) GGSN 向 SGSN 发送 Delee PDP Conex Response TEID (3) 得到 GGSN 的删除应答后 向 MS 发送 Deacivae PDP Conex Reques 删除 MS PDP Conex 如果是 DETACH 引起的 PDP Conex 去激活 不发此消 息 (4) 收到 MS 发来 Deacivae PDP Conex Accep (5) SGSN 发起 RAB assignmen procedure 释放 RAB 3. GGSN 发起的 PDP Conex 去激活 GGSN 发起的 PDP Conex 去激活过程如图 6-88 所示 MS UTRAN SGSN GGSN C1 1. Delee PDP Conex Reques 2. Deacivae PDP Conex Reques 2. Deacivae PDP Conex Accep 4. Radio Access Bearer Release 3. Delee PDP Conex Response 图 6-88 GGSN 发起的 PDP Conex 去激活过程 过程说明 6-122

334 第六章基本信令流程 (1) GGSN 向 SGSN 发送删除 PDP Conex 的请求消息 Delee PDP Conex Reques TEID NSAPI Teardown Ind Teardown Ind 指示是否去激活和指定 TI 共享地址的激活的 PDP Conex (2) SGSN 向 MS 发送去激活请求消息 Deacivae PDP Conex Reques TI Teardown Ind (3) MS 删除本地的 PDP Conex 向 SGSN 返回去激活接受消息 Deacivae PDP Conex Accep TI Teardown Ind (4) SGSN 向 GGSN 发送删除 PDP Conex 的响应消息 Delee PDP Conex Response TEID GGSN 收到此消息后如果为 MS 分配了动态地址可以释放此动态地址给其他的 MS 使用 SGSN 发送删除 PDP Conex 响应不必等待收到 MS 的去激活接受消息 (5) 调用 RAB 支配过程释放 RAB 保留过程和 RAB 重建 在 RNC 发起的 RAB 释放和 IU 释放时 可以不释放 PDP Conex 而是把 PDP Conex 保留下来 不做任何更改 RAB 将在以后的 Sevice Reques 过程中重 建 1. MS 发起 Service reques 进行 RAB 重建 当 MS 有上行的数据传输需求 PDP Conex 处于激活状态而 RAB 不存在时 MS 发起 Sevice Reques 过程为激活的 PDP Conex 重建 RAB 过程描述如图 6-89 所示 MS RNC 1. RRC Connecion Reques SGSN HLR GGSN 1. RRC Connecion Seup 2. Service Reques 3. Securiy Funcions 4. Service Accep 5. Radio Bearer Seup 6. Radio Bearer Seup Complee 4. Radio Access Bearer Assignmen Reques 6. Radio Access Bearer Assignmen Response 7. SGSN-Iniiaed PDP Conex Modificaion 8. Uplink PDU 图 6-89 MS 发起 Service reques 进行 RAB 重建 6-123

335 第六章基本信令流程 (1) 如果没有 RRC 连接建立 RRC 连接 (2) MS 向 SGSN 发送 Service Reques P-TMSI RAI CKSN Service Type 消息 Service Type=daa (3) 执行安全流程 (4) SGSN 向 MS 发送 Service Accep 对用户每个处于激活状态但 RAB 已释放的 PDP Conex 进行 RAB 的重新建立 (5) 如果建立的 RAB 的 QoS 发生改变执行 SGSN 发起的 PDP Conex 修改流程将 QoS 通知 MS 和 GGSN (6) MS 进行上行数据传送 2. SGSN 发起 Service Reques 过程进行 RAB 重建 如图 6-90 所示当 SGSN 收到下行的信令或数据包后发现用户处于 PMM-IDLE 状态则要发起寻呼 MS 在收到寻呼后发送 Sevice Reques 请求 sevice ype= paging response 如果是由于 SGSN 收到数据包引起的 Service Reques 过程则要调用 RAB Assignmen 过程进行 RAB 重建 MS RNC SGSN HLR GGSN 2. Paging 2. Paging 1. Downlink PDU 3. RRC Connecion Reques 3. RRC Connecion Seup 4. Service Reques 5. Securiy Funcions 6. Radio Bearer Seup 6. Radio Access Bearer Assignmen Reques 6. Radio Bearer Seup Complee 6. Radio Access Bearer Assignmen Response 7. SGSN-Iniiaed PDP Conex Modificaion Procedure 8. Downlink PDU 图 6-90 SGSN 发起 Service Reques 过程进行 RAB 重建 Mobile IP 支持 目的支持在不同的子网固定网和移动网不同的 PLMN 之间的移动通信 6-124

336 支持 Mobile IP 的核心网络体系结构如图 6-91 所示 Iu CN UTRAN HA UTRAN RNS RNS RNS IP nework HLR ec. Iur filer Inerne MAP HA HA R Gp SGSN GGSN GGSN FA SGSN PLMN backbone GGSN SGSN BG BG Border Gaeway R Rouer HA Home Agen FA Foreign Agen FA FA 图 6-91 支持 Mobile IP 的核心网络体系结构使用 MIP 通信过程如图 6-92 所示 (1) 移动台接受 FA 的代理广播信息确定它在外部网上可向接入网发代理请求信息 (2) 移动台向 FA 申请一个转交地址向 HA 注册 (3) 发往移动节点的数据被 HA 截取发往转交地址再由转交地址发送给 MS 对反向传输以标准路由方式处理第六章基本信令流程 WCDMA 系统基本原理 6-125

337 第六章基本信令流程 IPv4 - Regisraion UMTS/GPRS + MIP, FA care-of address TE MT SGSN GGSN/FA Home Nework 1. AT Command (APN) 2. Acivae PDP Conex Reques ( APN=MIPv4FA ) A. Selec suiable GGSN 5. Acivae PDP Conex Accep (no PDP address) 3. Creae PDP Conex Reques ( APN=MIPv4FA ) 4. Creae PDP Conex Response (no PDP address) 6. Agen Adverisemen 7. MIP Regisraion Reques 10. MIP Regisraion Reply 8. MIP Regisraion Reques 9. MIP Regisraion Reply 图 6-92 注册 MIP 的流程图 注册 MIP 的流程 (1) AT Command 带有建立 PDP Conex 的参数 APN TE 与 MT 建立 PPP 连接 (2) MT 向 SGSN 发送激活 PDP Conex 请求请求包含两个重要参数 APN 和 Requesed PDP Address APN=MIPv4FA 地址为空 (3) SGSN 根据配置数据或通过 DNS 解析得到支持 MIP 的 GGSN 的 IP 地址然后请求 GGSN 创建 PDP Conex (4) GGSN 返回创建应答 PDP 地址设为 MS 的 PDP 地址将在 MS 和 HA 协商之后确定 (5) SGSN 向 MS 返回创建 PDP Conex 应答消息 (6) FA 发送代理广播它是一个具有移动代理广播扩展的 ICMP 路由广播报文移动代理广播消息包括移动节点需要的一个或多个转交地址此消息在用户平面上发送发送的目的地址为 仅仅对刚到达的 MS 通过 TID 标识的隧道传送避免广播 (7) MS 选择一个转交地址向 GGSN 发 MIP 注册请求参数包括它的永久 IP 地址或包含归属网分配的 NAI 的临时地址 (8) GGSN/FA 存储 MS 传来的地址和 TID 等参数向 HA 转发 MIP 注册请求 (9) HA 向 FA 返回注册应答 FA 取出 HA 分配给 MS 的地址 (10) FA/GGSN 向 MS 转发注册应答 FA/GGSN 根据 MS 的 TID 和 NAI 或归属地 6-126

338 第六章基本信令流程 址向 MS 转发注册应答 GGSN 发起 PDP Conex 修改过程修改 IP 地址 NOTE 1. FA 广播信息在返回创建 Creae PDP Conex 应答后发出 NOTE 2. FA/GGSN 与 MS 在用户面交换 MIP 信令消息 6-127

339 目录 第七章 WCDMA 系统网络规划 概述 UMTS 网络规划比较 G 网络规划内容 G 无线网络天线 引言 G 网络结构 G 无线网络典型天线 G 切换规划 切换原理 测量控制 切换判决 切换规划 WCDMA 功控规划 引言 功控实现原理 功控参数的规划 WCDMA 无线网络结构和资源规划 基本的网络结构 分层网络结构 移动性管理 影响网络结构的因素 无线资源规划 G 网络容量估计 引言 下行正交码 上行负荷 下行负荷 软容量 WCDMA 规划举例 结论 G 网络链路预算及覆盖距离 引言 小区链路预算 i

340 7.7.3 小区覆盖 图 7-1 3G 网络规划阶段示意图... 图 7-2 3G 网络结构图 图 7-3 3G 网络状态转移切换图... 图 7-4 Time-o-rigger limis he amoun of measuremen repors... 图 7-5 Time-o-rigger limis he amoun of measuremen repors... 图 7-6 Time-o-rigger limis he amoun of measuremen repors... 图 7-7 Hyseresis limis he amoun of measuremen repors... 图 7-8 Hyseresis limis he amoun of measuremen repors... 图 7-9 Hyseresis limis he amoun of measuremen repors... 图 7-10 Periodic reporing riggered by even 1A... 图 7-11 压缩模式示意图... 图 7-12 压缩模式帧结构示意图... 图 7-13 互补压缩模式示意图... 图 7-14 切换判决示意图... 图 7-15 切换算法流程示意图... 图 7-16 上行 DPCH 复用图... 表 7-1 三种不同情况下慢速功控和快速功控变化情况表... 图 7-17 外环功率控制的基本结构... 图 7-18 内环功率控制的基本结构... 图 7-19 闭环功率控制的基本结构... 表 7-2 恢复期内的两种功控算法模式... 图 7-20 网络组织结构图... 图 7-21 名种区域间的关系图... 图 7-22 全向小区扇区图... 图 7-23 WCDMA 信道映射图... 表 7-3 WCDMA 中的业务映射... 图 7-24 准入控制的过程示意图... 图 7-25 SNRS 迁移图... 图 7-26 性能分析仿真曲线图... 图 7-27 网络的吞吐量曲线图... 表 7-4 计算下行负荷因子参数表... 图 7-28 宏蜂窝中覆盖与容量上下行关系... 图 7-29 下行基站输出功率对容量与覆盖影响图 ii

341 图 7-30 WCDMA 中干绕共享示意图... 图 7-31 负荷增加与干扰增加关系曲线... 表 7-5 用户分部... 表 7-6 仿真用到参数... 表 7-7 小区吞吐量负荷及软切换开销... 表 7-8 覆盖率... 图 7-32 话音业务下行覆盖分析例图 图 7-33 WCDMA 组网举例示意图 表 7-9 NodeB2 覆盖范围结果表 表 7-10 NodeB3 覆盖范围结果表 iii

342 第七章 WCDMA 系统网络规划 第七章 WCDMA 系统网络规划 7.1 概述 随着第三代移动通信技术的兴起 UMTS 网络的建立将带来一场深刻的革命这对网络规划也提出了更高的要求目前引起了公众对这一新技术的极大兴趣第三代移动通信网络的建设正方兴未艾这一全新的移动通信技术与传统的 GSM 网络规划有着本质的不同在全球范围内人们正紧锣密鼓地开发和研制新的规划工具和计算方法设计新的工作流程 UMTS 网络规划比较 1. GSM 网络规划 GSM 网络规划基于基站的传播分析根据基站的发射功率和天线配置计算其覆盖区域通常只对下行链路进行计算因为 GSM 技术不考虑上行链路的情况下一步是由网络规划工程师分析所需的小区容量根据计算得到的小区面积就可借助电子地图估算各个小区的业务量再通过话务量模型如 Erlang-B 或 Erlang-C 算出所需的信道数目接下来就是给基站分配频率要做到相同的频率只能在具有足够间距的小区内重复使用以免产生干扰 如果将来网络必须扩容 网络规划工程师只需给相应的小区分配新的信道 只要在总体频率规划中还有合适的频率 并且扩容量不超出基站的最大容量 就没有必要对网络作其它改动 否则 就必须增加新的基站或扇区 还要重 新进行频率计算和信道分配 2. UMTS 网络规划 CDMA 网络与 GSM 网络完全不同由于不再把信道和用户分开考虑也就没有了传统的覆盖和容量之间的区别一个小区的业务量越大小区面积就越小因为在 CDMA 网络中业务量增多就意味着干扰的增大 这种小区面积动态变化的效应称为小区呼吸可以通过下面这个形象的例子加以说明在一次朋友的生日派对上来了许多客人同时讲话的人愈多就愈难清对话方的声音如果开始是您还能同位于房间另一头的熟人进行交谈那么当房间内的嘈杂声达到一定程度后您就根本无法听明白对方的话这说明谈话区的小区半径缩小了 UMTS 网络规划工程师面对的是一个动态变化的网络 在规划 UMTS 网络时首先必须考虑网络的扩容性网络规划工程师不可能象规划 GSM 网络那样简单地给相关的小区增配频率网络规划初期就必须 7-1

343 第七章 WCDMA 系统网络规划 考虑一个确定的信号余量在计算小区面积时作为因业务量增多而产生干扰的补偿这表明从一开始就需要用较小的小区或者更多的基站建网这也意外着投资成本的提高如果业务量信号余量定得太小那就只有一条出路即建造更多的基站 网络规划工程师必须注意到上述问题 因为单一地提高发射功率并不能消除 因业务量增多而引起的接受信号的恶化 发射功率的提高只能改善某一小区 的接受信号 其付出的代价是增加了对所有相邻小区的干扰 从而影响了整 个网络的通信质量 提高发射功率不能无限期地扩大 CDMA 小区的有效范围或容量对 CDMA 网络来说两者是同义词当 UMTS 网的发射功率提高一倍时小区的容量只增加百分之十发射功率的提高虽然增大了小区的有效范围但是为满足远程手机用户的需要必须超比例地增加发射功率这必然影响到其他手机用户的通话质量我们回到上述派对的例子您可以通过提高嗓音同位于房间另一头的熟人继续交谈下去而其他客人为了听清对方的声音也必须同时大声说话这样一来整个房间只能淹没在一片嘈杂声中 发射功率和小区容量之间的对应关系是渐近式的 UMTS 网络规划工程师必 须减少网络的满载率 因为 UMTS 小区的负载很容易达到饱和 具体参数取 决于各种不同的业务 当然也与网络运营商愿意承担的风险有关 一般来说 设计网络时满载因子预设为百分之六十 在此 小区呼吸 效应得到了应 用 相邻小区之间可以相互补偿负载容量 人们称之为软负荷 由于成本原 因 不能大规模地增加网络的容量 对数据传输量很高的 UMTS 业务所作的 数学论证表明 服务小区从相邻小区借用负载容量的概率随数据传输量的增 大而增加 这是一个令人满意的结果 远近效应问题 CDMA 网络的另一典型问题是所谓的远近效应问题 因为同一小区的所有用 户分享相同的频率 所以对整个系统来说 每个用户都以最小的功率发射信 号显得极其重要 我们还是举上述派对的例子 房间里只要有一个人高声叫 嚷 就会妨碍所有其他在座客人的交流 在 CDMA 网络中 可以通过调整功 率来解决这一问题 例如 UMTS 网络使用的是一个闭环控制电路 其频率为 1500Hz 而 GSM 网络用于调整功率的控制电路频率为 2Hz 并且只针对上行 链路 这种所谓的快速功率控制机制已经在 UMTS 硬件得到了实现 尽管如此 网 络规划工程师还会遇到这一问题的另一种情况 当某一用户远离基站时 必 须得到很大一部分发射功率 以至供给其他用户的功率发生紧缺 这意味着 小区容量与用户的实际分布情况有关 当用户密度很大时 可以用统计平均 值解决这个问题 而当用户数量很小时 则必须通过模拟方法对网络进行动 态分析 上行链路和下行链路 UMTS 网络的业务量是非对称的也就是说网络上行链路和下行链路的数据传输量有所不同网络规划工程师首先必须分别计算两个方向的值然后把 7-2

344 第七章 WCDMA 系统网络规划 两者适当地结合起来这样网络规划工作就会非常复杂上行链路是 UMTS 小区有效范围一个典型的限制因素或者说上行链路是受覆盖范围限制的 coverage limied 而下行链路是受容量限制的 capaciy limied) 在上行链路发射功率由用户手机提供而在下行链路发射功率由基站供给因此小区容量在下行链路和下行链路的小区半径相等 在已经建立的 CDMA 网络中也会出现前面所述的一些问题对 UMTS 网络来说其复杂程度更高 UMTS 网络能同时满足对通信质量和业务量具有不同要求的各种业务包括简单的话音业务和传输率达 2Mbi/s 的分组数据业务 综合业务 实际上 UMTS 网络必须同时满足各种不同业务的需求所以网络规划工程师要综合考虑各种业务对通信质量要求不高的业务 UMTS 小区有着较大的覆盖范围反之对一些通信质量要求很高的业务其小区覆盖范围就很小这样网络规划工程师在实际工作中不可能只考虑单一的 UMTS 小区半径因为不同的业务对应于不同的小区半径如果把最小小区半径也就是说把通信质量要求最高的业务作为网络规划的标准那么建网成本是极其昂贵的也是不现实的未来的 UMTS 网络规划工程师中级业务的小区半径着手这样小区实际有效范围只能部分满足高级业务的需求目前各大网络规划软件公司已经着手开发和研制针对这种新的 UMTS 网络综合业务的有效算法 其它不同之处 UMTS 网络与 GSM 网络相比还有其它一系列不同之处 GSM 网络用分区的方法解决容量问题当一个小区的业务量过大时该小区将分成多个扇区并增加相应的天线这种方法虽然也可用于 UMTS 网络但效果不大一方面小区覆盖范围的改变会导致前面所述的远近效应问题另一方面相互重叠的扇区因为使用同一频率而彼此产生干扰 UMTS 网络中天线的下倾角 机械或电子的 起到了很重要的作用 它能减 少相邻小区的干扰 并能隐含扩大小区的容量 在实际应用中 可选择下倾 角大而带来的不足 在 WCDMA 系统中多径传播已不再成为消极因素而是理想的结果因为接收机能将时延至少为 1Chip (UMTS 网络数据传输率为 3.84Mbi/s 即 1Chip=0.26 微秒相当于 78 米的信号组合成有效信号 此外 UMTS 网络还使用所谓的软切换在这种情况下一个手机用户可以同时分派给多个基站这种方式解决了网络信号的波动但加大了网络的业务量因为每个软传统的 Erlang 模型已不再适用 与第二代传统的 CDMA 网络相比 UMTS 网络有许多不同之处尤其值得一提的是 UMTS 网络能异步运行这就导致了传输信道的非正交性让我们再回到前面派对的例子即使理论上能作完满的安排一确定谁在什么时间才能发言但实际上这中理想的目标是不能达到的因为所有客人的手表是不可能精确到同步的 7-3

345 第七章 WCDMA 系统网络规划 通过上面的分析 可以清楚地看到 UMTS 网络规划与当前的移动通信网络 规划相比 其代价要大得多 UMTS 网络规划是极其复杂的 因为许许多多 的系统参数紧密相关 必须同时计算 而当前的移动通信网络规划则把这些 参数分开计算 UMTS 网络规划的复杂性要求我们在各个层面都具备新技术和新知识第一是受过专业培训的网络规划工程师他们精通系统技术第二是谙熟业务并富有远见的管理者他们在建网初期就能洞悉 UMTS 网络的扩容条件和成本最后就是出类拔萃的规划软件工具这对 UMTS 网络规划是必不可少的 CDMA 网络规划的经验虽然能给我们一启示但这是有限的单单由于业务范围的变化目前所使用的 CDMA 规划工具已不能满足 UMTS 网络规划的需要因为无论在运算速度还是在精确度以及适用性方面都远远达不到要求 UMTS 对网络运营商系统制造商以及网络规划软件公司来说还是一片尚未开垦的处女地 G 网络规划内容 数字移动通信的发展进入到第三代阶段在网络运营过程中所遇到的问题有的具有共性的问题用户移动发生掉话要通话时无信道通话时质量差等用户所享受到的业务服务取决于无线网络规划的质量对于运营商而言从客户的满意度中获得利益网络规划是关键竞争因素 与第二代移动通信相比第三代系统网络引入大量各种比特大量业务预测不同业务的模型是困难的对于无线网络规划包括在各种情况下计算链路预算容量和小区基站数目同时要对基站覆盖进行预测参数进行规划除此之外还需要整个网络进行策划 计算基站中信道单元的数目 传输线路容量 基站控制器 交换机等其他单 元的数目 在规划中需引入性能测量如掉话率和闭塞等指标衡量网络性能在小区中均匀覆盖区域提供高比特业务在小区边缘提供低比特业务覆盖区域设计成连续覆盖也可以是热点地区覆盖不同业务不同实施策略需要进行仔细估计无线网络规划可以分成几个阶段如图 7-1 所示 准备 阶段 估算 预测 阶段 7-4

346 第七章 WCDMA 系统网络规划 规划 调整 阶段 无线覆盖优化调整图 7-1 3G 网络规划阶段示意图 经过一些列工作得到无线网络环境特性确定控制信道分配规划切换参数后可以进行详细覆盖分析小区内干扰与总干扰之比对于某小区而言是唯一的在规划的过程中不断对网络进行分析并对干扰比例因子进行评估在用这些因子来预测不同小区的覆盖重复进行这迭代过程直至达到收敛用规划工具来使过程自动化同时可以检测覆盖中的缝隙通常情况下 3G 网络业务是不均匀的带来的问题是使性能下降一方面业务密集区域干扰增加使质量变差另一方面质量可能过剩造成浪费系统效率可以通过自适应控制小区半径天线方向和上行链路接收功率门限得到改善小区半径通过调节导频功率来控制考察到 SIR 高于所需的值小区半径可以扩大反之小区半径就减少分别改变增加或减少上行链路所需接收功率门限可以平衡上下行链路的小区半径在分扇区的配置中改变各扇区的中心角可以均衡该基站的通信质量 7.2 3G 无线网络天线 引言 3G 系统包括 WCDMA 和 CDMA2000 作为新一代移动通信系统多址方式发生变化变 TDMA/FDMA 为 CDMA/FDMA 方式但就无线信号而言仍然面临有效利用频率资源减少网络干扰最大效率完成电波信号的转化 基站天线是用户终端与基站控制设备间通信系统的桥梁 广泛应用于蜂窝移 动通信系统中 通信技术的发展必将带动天线概念的发展 在七十年代的移 动通信系统中 由于用户少 较少的载频和少量的基站即可覆盖一个城市的 移动通信需求 采用了全向天线或角形反射器天线 随着经济发展 移动终 端需求量的急剧增加 旧的基站已不能满足需求 尤其数字蜂窝技术的发展 基站配置需要新型天线 以改善市区的多路径衰落 区域分配和多信道网络 组织 平板式天线由于其剖面低结构轻巧便于安装电性能优越等优点被广泛应用于 2G 数字蜂窝系统在 80 年代中期至 90 年代中后期大多采用单极化 (VP) 天线而一个扇区需用 3 副天线一个小区通常划分为三个扇区因此一个小区要用 9 副天线天线数目太多给基站建设安装带来困难安装费用居高不下有的站点根本无法安装分集接收天线即使安装了也无法得到最佳分集接收增益因此双极化天线技术应运而生 7-5

347 第七章 WCDMA 系统网络规划 3G 阶段 随着无线技术的改变 信号检测方式的改变 蜂窝网络必须调整和 优化 需要更新型的基站天线满足这一要求 如自适应控制天线 智能化天 线 G 网络结构 3G 系统是一种宽带 CDMA 系统 其网络组织 继承窄带 CDMA 的特点 由于 采用码分多址方式 频率复用不是一个重要的方面 网络干扰来自自身系统 与一时间通话用户数量有关 在城市市区 一般配置三扇区站型 在郊区 县城和公路 根据需要配置三扇区站型或全向站 交通干线覆盖一般配置为 两扇区站型 如图 7-2 所示 定向小区 全向小区 图 7-2 3G 网络结构图 一般情况下窄带 IS95 单载频全向基站的话务信道数可达 23 个支持 15.76Er1 2% 呼损单载频三扇区基站每扇区的话务信道数可达 20 个每基站支持 39.54Er1 2% 呼损 对于 3G WCDMA 单载频提供信道由 OVSF 码与扰码共同决定容量比较大目前阶段提供 33 个信道工程设计时应根据实际话务分布需求合理设置载频数量及合理配置各基站的话务信道数 实施多载频时无线网的设计应注意以下问题 (1) 要优化硬切换以减少发生掉话的危险 (2) 避免多载波基站孤立应在一群小区中实施多载波以减少硬切换 (3) 避免使高话务小区成为硬切换发生的边界小区 G 无线网络典型天线 3G 典型天线的选择需考虑几个方面 基站天线的选择应依据以下原则 (1) 根据基站扇区数量 话务密度 覆盖要求合理选择定向天线的半功率角及 增益 7-6

348 第七章 WCDMA 系统网络规划 (2) 为节省天线位置宜采用双工器 (3) 在城市密集区宜采用双极化天线 天线指向调整和 2G 工程应用相同 在实际工程中 可以根据话务分布情况和 通信质量要求对定向天线的主瓣方向 下倾角进行适当的调整 天线隔离度 在工程中需注意 天线的安装要满足水平与垂直隔离度的要求 以避免干扰 天线挂高取决于覆盖要求 施工时应根据覆盖 干扰 隔离度及远期发展发 求合理设置天线挂高 3G 网络用的天线与 2G 类似 天线基本要求如下 定向天线增益 13 16dBd 全向天线增益 9 10dBd 定向天线半功率角 度或者 90 度 全向天线不圆度 <+/-1dB 驻波比 <1.5 阻抗 50 欧不平衡式 最大输入功率 >500W 天线分集方式或者采用空间分集或者极化分集接收为标准配置为了配合工程选用以及华为已经有的供应商目前 ANDEW 和 ALLGON 天线如下 ALLGON 目前可提供用于 3G 网络天线情况 (1) 供应商情况 (a) 室外定向天线种类较多 度 /63 度 18dBi, Kahrein/Allgon 度 18dBi Andrew/Kahrein/Allgon 度 14dBi/16.5dBi Allgon 度 14.5dBi Kahrein (b) 室内定向天线 / 度 7dBi Kahrein (c) 室外全向天线 度 11dBi Kahrein (d) 室内全向天线 / 度 2.2dBi Andrew 7-7

349 第七章 WCDMA 系统网络规划 (2) 申购情况 该天线已经申购 20pcs 度 18dBi Andrew (3) 请问选型和采购哪一些天线? UMTS 65 高性能 65 度单频带双极化天线有 1.3m 和 0.7m 两种长度有固定和可变的下倾角 A high performing singleband dual polarized anenna wih 65* horizonal beamwidh, available in wo lenghs, 0.7m and 1.3m wih or wihou adjusable elecrical il. 65* HBW, XPOL, fixed EDT, UMTS, 0.7m, 15.5 dbi 65* HBW, XPOL, fixed EDT, UMTS, 1.3m, 18 dbi 65* HBW, XPOL, MAEDT, UMTS, 1.3m, 18 dbi UMTS 90 高性能 65 度单频带双极化天线有 1.3m 和 0.7m 两种长度有固定和可变的下倾角 A high performing singleband dual polarized anenna wih 90* horizonal beamwidh, available in wo lenghs 0.7m and 1.3m wih or wihou adjusable elecrical il 90* HBW, XPOL, fixed EDT, UMTS, 0.7m, 14 dbi 90* HBW, XPOL, fixed EDT, UMTS, 1.3m, 16.5 dbi 90* HBW, XPOL, MAEDT, UMTS, 1.3m, 16.5 dbi Dualband 1800/UMTS 65 度 高性能 65 度双频带双极化天线用于解决特定场合只有 1.3m 长度有固定和可变的下倾角 A dualband dual polarized anenna wih 65* horizonal beamwidh, mainly o provide a soluion for sies where consrains are pu on anenna insallaion, available in one lengh 1.3m wih or wihou adjusable elecrical il 65* HBW, XPOL, fixed EDT, DUAL 1800/UMTS, 1.3m, 17.5/17.5 dbi 65* HBW, XPOL, MAEDT, DUAL 1800/UMTS, 1.3m, 17.5/17.5 dbi Muliband indoor anenna 多频段室内天线 Omni, hemispherical paern Typical 3 dbi , MHz 7-8

350 第七章 WCDMA 系统网络规划 7.3 3G 切换规划 切换原理 1. 概述 当移动台慢慢走出原先的服务小区将要进入另一个服务小区时原基站与移动台之间的链路将由新基站与移动台之间的链路来取代这就是切换的含义 切换是移动性管理的内容 在 3G 中主要由 RRC 层协议负责完成此项功能 (1) 协议状态 UE 的状态可以分成两个大类 IDLE 状态和 CONNECTED 状态 IDLE 状态可以分成 UTRAN IDLE GPRS IDLE GSM IDLE 同样有三个系统的 CONNECTED 状态在 UTRAN CONNECTED 状态里又细分成 URA-PCH CELL-PCH CELL-FACH CELL-DCH 四种状态切换从广义上讲是 UE 处于 CONNECTED 状态下从一个通信连接转移到另一个通信连接的过程在本文如果不加说明指的是 UE 处于 CELL-DCH 状态的切换如图 7-3 所示 UTRAN Conneced Mode URA_PCH CELL_PCH UTRAN: Iner-Sysem Handover GSM: Handover GSM Conneced Mode CELL_DCH CELL_FACH Cell reselecion GPRS Packe Transfer Mode Release RRC Connecion Esablish RRC Connecion Release RRC Connecion Esablish RRC Connecion Release of emporary block flow Iniiaion of emporary block flow Release RR Connecion Esablish RR Connecion GPRS Packe Idle Mode 1 Camping on a UTRAN cell 1 Camping on a GSM / GPRS cell 1 Idle Mode 图 7-3 3G 网络状态转移切换图 进行系统间切换时如果 UE 只有 PSTN/ISDN 业务在进行只要 UTRAN 执行系统间切换规程 GSM 执行切换规程就能实现 GSM CONNECTED MODE 7-9

351 第七章 WCDMA 系统网络规划 到 UTRAN Conneced Mode 之间的状态转移 进行系统间切换时 如果 UE 只有 IP 业务在进行 这里要分两种情况 如果是 从 GSM/GPRS 系统切换到 UTRAN UE 首先要进行小区重选 小区重选由 UE 发起 从 GSM/GPRS 小区重选到 UTRAN 小区 然后执行 RRC 建立流程 进入 UTRAN Conneced mode 这种情况下 消息 RRC CONNECTION REQUEST 里必须包含一个指示 说明 UTRAN 需要继续使用 UE 在 GPRS 里使 用的 CONTEXT 如果是从 UTRAN 切到 GSM/GPRS 系统 UE 首先要进行小区 重选 小区重选可以由 UE 发起 也可以由 UTRAN 发起 从 UTRAN 小区重选 到 GSM/GPRS 小区 然后发送 packe channel reques 消息 执行 TBF 建立流程 进入 GPRS Packe Transfer Mode 然后 UE 发送 RA Updae reques 消息 执行 RA 更新流程 在消息 RA Updae reques 里要包含一个指示 说明 UE 需要继续 使用在 UTRAN 里用的 CONTEXT 也就是说不管 RA 是不是真的改变 都需 要执行这个流程 进行系统间切换时如果 UE 同时在进行 PSTN/ISDN 业务和 IP 业务这里要分两种情况如果是从 UTRAN 切到 GSM/BSS 系统切换基于 UE 的测量报告由 UTRAN 发起 UE 首先执行从 UTRAN Conneced Mode 到 GSM CONNECTED MODE 的系统间切换 UE 在向 GSM/BSS 发送 handover complee 消息后执行 TBF 建立流程然后 UE 发送 RA Updae reques 消息执行 RA 更新流程值得注意的是不管 TBF 能不能成功建立只要 UE 向 GSM/BSS 发送 handover complee 了消息就认为切换成功了如果切换失败就不执行 TBF 建立流程如果是从 GSM/BSS 切到 UTRAN 系统切换基于 UE 的测量报告由 GSM/BSS 发起 UE 执行从 GSM Conneced Mode 到 UTRAN Conneced Mode 的切换 (2) 切换分类 切换的种类按照 MS 与网络之间连接建立释放的情况可以分为更软切换软切换硬切换 软切换指当移动台开始与一个新的基站联系时并不立即中断与原来基站之间的通信软切换仅仅能运用于具有相同频率的 CDMA 信道之间 软切换和更软切换的区别在于 更软切换发生在同一 NodeB 里 分集信号在 NodeB 做最大增益比合并 而软切换发生在两个 NodeB 之间 分集信号在 RNC 做选择合并 硬切换包括同频异频和异系统间切换三种情况要注意的是软切换是同频之间的切换但同频之间的切换不都是软切换如果目标小区与原小区同频但是属于不同 RNC 而且 RNC 之间不存在 Iur 接口就会发生同频硬切换另外同一小区内部码字切换也是硬切换 异系统硬切换包括 FDD mode 和 TDD mode 之间的切换 在 R99 里 还包括 WCDMA 系统和 GSM 系统间的切换 在 R2000 里 还包括 WCDMA 和 cdma2000 之间的切换 异频硬切换和异系统硬切换需要启动压缩模式进行异频测量和异系统测量 7-10

352 第七章 WCDMA 系统网络规划 切换的种类按照切换的目的可以分为边缘切换质量差紧急切换快速电平下降紧急切换干扰切换速度敏感性切换负荷切换分层分级切换等有部分功能我司还不具备会在后期版本中逐渐提供 切换典型过程测量控制测量报告切换判决切换执行新的测量控制 在测量控制阶段 网络通过发送测量控制消息告诉 UE 进行测量的参数 在测 量报告阶段 UE 给网络发送测量报告消息 在切换判决阶段 网络根据测量 报告做出切换的判断 在切换执行阶段 UE 和网络走信令流程 并根据信令 做出响应动作 测量控制 1. 概述 UE 所做的测量可以分为 6 种类型 同频测量测量与导频集内频率相同的下行物理信道 异频测量测量与导频集内频率不同的下行物理信道 异系统测量测量另一个系统的下行物理信道 业务量测量测量上行业务量 QOS 测量测量质量参数如下行传输块误块率 UE 内部测量测量 UE 发射功率和 RSSI UTRAN 的不同功能或过程 如小区重选 切换 功控等可能会使用相同类型 的测量 UE 必须可以支持多个测量同时进行 但每个测量是单独控制和报告 的 在 UE 中 将测量小区分为三类 Acive se 中的小区这些小区与 UE 同时进行通信在 UE 处被同时解调和相关合并在 FDD 模式就是软切换和更软切换中与 UE 同时通信的小区 Moniored se 中的小区除了 Acive se 外 UE 需要监测的邻区 Deeced se 中的小区 UE 检测到的所有小区 在 IDLE 模式 UE 根据 BCCH 上的系统信息块类型 11 里包含的测量控制信息来执行测量在 CELL-FACH CELL-PCH URA-PCH 状态下 UE 根据 BCCH 上的系统信息块类型 12 里包含的测量控制信息来执行测量在 CELL-DCH 状态下 UE 根据 UTRAN 下发测量控制消息来执行测量网络在 MEASUREMENT CONTROL 消息中说明 UE 进行测量时需要的参数 测量类型说明 UE 应该进行 6 种类型中的哪一种测量 测量识别号网络在建立一个测量时要给这个测量一个识别号 UE 在测 7-11

353 第七章 WCDMA 系统网络规划 量报告中要使用这个识别号 在释放测量时 要释放这个测量对应的识 别号 测量命令测量命令有三种建立测量修改测量释放测量 测量对象以及测量对象的相关信息 测量量说明测量哪些内容 报告量在测量报告中报告哪些内容 测量报告机制说明采用周期报告机制还是事件报告机制 报告模式说明采用 RLC 确认模式还是 RLC 非确认模式传测量报告 测量结果会经过两次平滑性处理 第一次处理在物理层 目的是滤除快衰落 的影响 然后物理层向高层上报测量结果 第二次是在事件评估前由高层对 物理层报上来的测量结果进行处理 根据时间远近确定滤波器的系数 对测 量结果进行加权平均处理 在同频测量类型 下行 Ec/I0 下行路径损耗 下行 RSCP 下行 ISCP 需要 UE 测量的内容是 CPICH 上的 根据这些测量量 UE 可以知道什么事件发生了 在测量控制消息中的测量报告机制域里 网络要告诉 UE 哪些事件需要报告 同频测量的事件都用 1X 表示 异频测量的事件都用 2X 表示 异系统测量事件 都用 3X 表示 2. 同频测量 事件 1A 一个主导频信道进入报告范围 如果网络在测量报告机制域里要求 UE 报告事件 1A 进入报告范围时 UE 就要发测量报告 那么当一个主导频信道 当满足下面两个公式时 UE 认为一个主导频信道进入报告范围 (1) 路径损耗 N A 10 LogM New W 10 Log M i + (1 W ) 10 LogM Bes + ( R + H1 a), i= 1 1a

354 第七章 WCDMA 系统网络规划 (2) 其他测量量 N A 10 LogMNew W 10 Log Mi + (1 W) 10 LogMBes ( R + H1 a), i= 1 1a-2 这里 MNew 是进入报告范围的小区的测量结果 Mi 是 acive se 内小区的测量结果 NA 是当前 acive se 内小区数 MBes 当前 acive se 内最好小区的测量结果 W 是加权系数 R 是报告范围 以信号强度为例 等于当前 acive se 内最好小区的信号强度减 去一个值 H1a 是事件 1A 的磁滞值 为了减少测量报告的信令流量使用了 TIME-TO-TRIGGER 参数这个在其他事件中也同样被用到如图 7-4 所示 Measuremen quaniy P CPICH 1 Reporing range P CPICH 2 P CPICH 3 Time-o-rigger Reporing even 1A Time 图 7-4 Time-o-rigger limis he amoun of measuremen repors 事件 1B 一个主导频信道离开报告范围 当满足下面两个公式时 UE 认为一个主导频信道离开报告范围 (1) 路径损耗 7-13

355 第七章 WCDMA 系统网络规划 N A 10 LogM New W 10 Log M i + (1 W ) 10 LogM Bes + ( R + H1 a), i= 1 1b-1 (2) 其他测量量 N A 10 LogMOld W 10 Log M i + (1 W ) 10 LogM Bes ( R + H1 b), i= 1 1b-2 事件 1C 一个不在 Acive se 里的主导频信道的导频信号强度超过一个在 Acive se 里的主导频信道的导频信号强度如图 7-5 所示 Measuremen quaniy P CPICH 1 P CPICH 2 P CPICH 3 P CPICH 4 Reporing even 1C Reporing even 1C Time 图 7-5 Time-o-rigger limis he amoun of measuremen repors 事件 1D 最好小区发生变化如图 7-6 所示 7-14

356 第七章 WCDMA 系统网络规划 Measuremen quaniy P CPICH 1 P CPICH 2 P CPICH3 Reporing even 1D Time 图 7-6 Time-o-rigger limis he amoun of measuremen repors 值得注意的是由于信号电平的起伏 CPICH1 和 CPICH2 可能相差不大的情况下交替成为 BEST CELL 每一次都会触发 1D 事件的报告导致了空口信令流量的无谓增加有点类似于乒乓效应可以利用磁滞值来避免这种情形的出现如图 7-7 所示 Measuremen quaniy P CCPCH 1 Hyseresis P CCPCH 2 Hyseresis Reporing even 1D Time 图 7-7 Hyseresis limis he amoun of measuremen repors 事件 1E 一个主导频信道的导频信号强度超过绝对门限值如图 7-8 所示 7-15

357 第七章 WCDMA 系统网络规划 Measuremen quaniy P CPICH 1 Absolue hreshold P CPICH 2 P CPICH 3 Reporing even 1E Time 图 7-8 Hyseresis limis he amoun of measuremen repors 事件 1F 一个主导频信道的导频信号强度低于绝对门限值如图 7-9 所示 Measuremen quaniy P CPICH 1 Absolue hreshold P CPICH 2 P CPICH 3 Reporing even 1F Time 图 7-9 Hyseresis limis he amoun of measuremen repors 一般情况下 如果 1A 事件被触发 UE 将发送一个测量报告给 UTRAN UTRAN 将下发一个 ACTIVE SET UPDATE 信令 但是有可能 UE 发送测量报 告后 由于容量的缘故 UTRAN 没有任何回应 此时 UE 从事件报告转向周期 报告机制 测量报告的内容包含直到 ACTIVE SET 内小区的信息和进入 REPORTING RANGE 的 MONITORED SET 内小区的信息 只有当此小区被成 功加入 ACTIVE SET 或者离开 REPORTING RANGE 时 UE 才停止周期性发送 测量报告 其他事件如 1C 也有类似周期性发送测量报告的情况 如图 7-10 所 示 7-16

358 第七章 WCDMA 系统网络规划 PCCPCH 1 PCCPCH 2 Reporing range Reporing erminaed Even-riggered repor Periodic repor Periodic repor PCCPCH 3 图 7-10 Periodic reporing riggered by even 1A 3. 压缩模式 引入压缩模式是为了 FDD 下进行异频测量或异系统测量 因为一套收发信机 只能同时工作在一组收发频率上 若要对其它频率的信号进行测量 接收机 需停止工作 将频率切换到目标频率进行测量 为了保证下行信号的正常发 送 需将原来信号在剩余发送时间内发送 此即下行压缩模式 当测量频率 与上行发送频率较近时 为保证测量效果 需同时停止上行信号的发送 此 即上行压缩模式 图 7-11 图 7-12 分别为压缩模式示意图和压缩模式帧结构示意图 One frame (10 ms) Transmission gap available for iner-frequency measuremens 图 7-11 压缩模式示意图 7-17

359 第七章 WCDMA 系统网络规划 #1 #2 #3 #4 #5 TG paern 1 TG paern 2 TG paern 1 TG paern 2 TG paern 1 #TGPRC TG paern 2 TG paern 1 TG paern 2 Transmission gap 1 Transmission Transmission Transmission gap 2 gap 2 gap 1 TGSN TGSN TGL1 TGL2 TGL1 TGL2 TGD TGD TGPL1 TGPL2 图 7-12 压缩模式帧结构示意图 压缩模式参数设置原则 单帧中 TGL 一般在 3 7 时隙 TGL 大于 7 时采用双帧模式最大可到 14 时隙 尽量使用互补模式图 7-13 是互补模式的示意图 Frame#1 Frame#2 Frame#3 Frame#4 Slo#1 #7 #15 #1 #9 Frame#1 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #15 Frame#3 #1 #9 #10 #11 #12#13 #14#15 图 7-13 互补压缩模式示意图 压缩模式实现方法 扩频因子减半这种方法实现简单能够提供较大的 TGL 但是会增大 7-18

360 第七章 WCDMA 系统网络规划 系统干扰降低码资源的利用率不能适用于 SF 4 打孔方式这种方法对高层较为简单 SF 4 可用不影响码资源分配但是受限于信道编码特性增大系统干扰降低编码冗余度 高层安排这种方法对底层简单不影响物理层的现有配置 SF 4 可用但是高层调整较为复杂 4. 异频测量 异频测量时 会用到下面的公式 Q carrier j N A j = 10 LogMcarrier j = W j 10 Log M i= 1 i j + (1 W j ) 10 LogM Bes j H, 这里 Qfrequency j 是对频率 j 的质量估计值的对数形式 Mfrequency j 是对频率 j 的质量估计值 Mi j 是对 acive se 内频率为 j 的小区 i 的测量结果 NA j 是 acive se 内频率为 j 的小区数 MBes j 是 acive se 内频率为 j 的信号最强小区的测量结果 Wj 是加权系数 H 是磁滞值 在描述 2x 事件前 要先讲两个概念 non-used frequency 是 UE 需要测量但 是不在 acive se 里的频率 used frequency 是 UE 需要测量而且在 acive se 里的频率 事件 2A 最好频率发生变化 如果 non-used frequency 的质量估计值要好于 used frequency 里最好小区的质量 估计值 而且满足磁滞值条件和触发时间 ime o rigger 条件 就会触发 事件 2A 事件 2B used frequency 的质量估计值低于某一门限而且 non-used frequency 的质量估计值高于某一门限 如果 used frequency 的质量估计值低于在测量控制消息中下发的 IE Threshold used frequency 确定的门限值而且 non-used frequency 的质量估计值高于在测量控制消息中下发的 IE Threshold non-used frequency 确定的门限值而且满足而且满足磁滞值条件和触发时间条件就会触发事件 2B 7-19

361 第七章 WCDMA 系统网络规划 事件 2C non-used frequency 的质量估计值高于某一门限 此门限由 IE Threshold non-used frequency 确定 事件 2D used frequency 的质量估计值低于某一门限 此门限由 IE Threshold used frequency 确定 事件 2E non-used frequency 的质量估计值低于于某一门限 此门限由 IE Threshold non-used frequency 确定 事件 2F used frequency 的质量估计值高于某一门限 此门限由 IE Threshold used frequency 确定 5. 异系统测量 异系统测量时 会用到下面的公式 Q UTRAN N A = 10 LogM UTRAN = W 10 Log M i= 1 i + (1 W ) 10 LogM 这里 QUTRAN 是当前使用的 UTRAN 频率的质量估计值的对数形式 MUTRAN 是当前使用的 UTRAN 频率的质量估计值 Mi 是 acive se 内小区 i 的测量结果 NA 是 acive se 内的小区数 MBes 是 acive se 内的最强小区的测量结果 W 是加权系数 在描述 3x 事件前要先讲两个概念 used UTRAN frequency 是 UE 需要测量而且当前正在使用的 uran 的频率 Oher sysem 可以以 GSM 为例 事件 3A used UTRAN frequency 的质量估计值低于某一门限而且 Oher sysem 的质量估计值高于某一门限 如果 used UTRAN frequency 的质量估计值低于在测量控制消息中下发的 IE Threshold own sysem 确定的门限值而且 Oher sysem 的质量估计值高于在测量控制消息中下发的 IE Threshold oher sysem 确定的门限值而且满足而且满足磁滞值条件和触发时间条件就会触发事件 3A 事件 3B Oher sysem 的质量估计值低于某一门限 此门限由 IE Threshold oher sysem 确定 7-20

362 第七章 WCDMA 系统网络规划 事件 3C used frequency 的质量估计值高于某一门限 此门限由 IE Threshold oher sysem 确定 事件 3D 异系统的小区成为质量最好小区 切换判决 切换判决算法就是根据测量报告的类型组合和内容决定切换类型切换时机切换目标小区 Signal Srengh A T T T As_Th + As_Th_Hys AS_Th AS_Th_Hys As_Rep_Hys B C Time A Conneced Add B Replace A wih C Remove C 图 7-14 切换判决示意图 在上图 7-14 中 B 小区的信号强度逐渐增强 当 B 小区的 CPICH 的 Meas_Sign 大于 (Bes_Ss - As_Th - As_Th_Hys) 并且持续时间超过 DT 而且 Acive Se 不满 就把 B 小 区加入 Acive Se 这个动作就是 RADIO LINK ADDITION 这里的 Meas_Sign 等于 Ec/Io C 小区的信号强度逐渐增强并开始超过 A 小区的信号强度当 C 小区的 Meas_Sign 大于 Wors_Old_Ss + As_Rep_Hys 并且持续时间超过 DT 如果此时 Acive Se 已满假设此时系统设置的 Acive Se 的最大数目是两个那么 C 小区就取代 A 小区实际上是 MONITORED SET 里的最强小区取代 Acive Se 里的最弱小区 UE 先删除 A 小区的 RADIO LINK 再增加 C 小区的 RADIO LINK 这个过程就是 Combined Radio Link Addiion and Removal 7-21

363 第七章 WCDMA 系统网络规划 C 小区的信号强度继续减弱当 C 小区的 Meas_Sign 小于 Bes_Ss - As_Th - As_Th_Hys 并且持续时间超过 DT C 小区被移出 Acive Se 这个过程就是 Radio Link Removal FDD sof-drop 对上面过程加以总结就是 如果 Acive Se 里的某个小区的 Meas_Sign 低于 Bes_Ss - As_Th - As_Th_Hys 并且持续时间超过 DT 就从 Acive Se 中移去这个小区这个小区已经是 Acive Se 的最差小区 如果 MONITORED SET 里的某个小区的 Meas_Sign 大于 Bes_Ss - As_Th + As_Th_Hys 并且持续时间超过 DT 而且 Acive Se 不满 就把这个小区加 入 Acive Se 如果 MONITORED SET 里的最好小区 Bes_Cand_Ss 的 Meas_Sign 大于 Wors_Old_Ss + As_Rep_Hys 并且持续时间超过 DT 而且 Acive Se 已满就用这个小区取代 Acive Se 中最差小区 这里 AS_Th 相对门限 AS_Th_Hys 相对门限的磁滞报告范围就是 AS_Th-AS_Th_Hys AS_Rep_Hys 取代磁滞 DT 触发时间 AS_Max_Size Acive Se 内小区最大数目 Bes_Ss 是 Acive Se 内的最好小区 Wors_Old_Ss Bes_Cand_Se 是 Acive Se 内的最差小区 是 moniored se 内的最好小区 Meas_Sign 测量值这里目前仅指 Ec/Io 下面是切换算法流程图图

364 第七章 WCDMA 系统网络规划 Begin Meas_Sign > Bes_Ss As_Th as_th_hys for a period of T Yes No (Even 1B) Remove Wors_Bs in he Acive Se Meas_Sign > Bes_Ss As_Th + as_th_hys for a period of T No Yes (Even 1A) Acive Se Full Yes No Bes_Cand_Ss > Wors_Old_Ss + As_Rep_Hys for a period of T No Yes (Even 1C) Add Bes BS in Acive Se and Remove Wors Bs from h Acive Se Add Bes_Bs in he Acive Se 图 7-15 切换算法流程示意图 IS-95 和 WCDMA 的软切换过程的最大区别就是采用的门限方式不同 IS-95 使用绝对门限 T-ADD T-DROP WCDMA 采用相对门限就是说在不同的小区或不同的噪声环境中加入或删除 Acive Se 中的小区导频的绝对门限是与当前 Acive Se 中最好和最弱导频的信号强度相关的而不是事先规定好的如果当时 Acive Se 里的导频信号强度都很强其他导频要加入 Acive Se 的要求也相对提高而如果 Acive Se 里的导频信号强度都很弱 Acive Se 里的导频要移出 Acive Se 的要求也相对降低 切换规划 对于软切换的规划包括对相应软切换参数的设置和对软切换率的控制 WCDMA 由于采用了相对软切换门限而使门限等参数的设置基本比较固定 7-23

365 第七章 WCDMA 系统网络规划 但切换率的控制还基本与 IS-95 相似要保持在 30% 到 40% 之间主要是因为过多的软切换不仅会增加无线资源的开销而且在软切换增加到一定程度后反而会减少下行链路的容量 在下行链路每增加一条软切换链路就增加一定程度的系统干扰而如果系统干扰的增加程度超过了软切换的分集增益软切换就不能给系统容量带来任何好处所以在 WCDMA 中软切换必须很好的规划以在上行和下行链路提供足够的分集是软切换率控制在一个合适的范围内 下面的表格是测量控制消息里的 IE 组成同 同频测量和异频测量的情况基本相 TDD W Informaion Elemen/Group name Parameers required for each even Inra-frequency even ideniy Triggering condiion Reporing Range Cells forbidden o affec Reporing range CHOICE mode FDD Primary CPICH info Primary CCPCH info Hyseresis OP MP MP MP MP CV clause 2 MP Need CV clause 0 CV clause 2 CV clause 1 Muli 1 o <maxmea seven> 1 o <maxcell Meas> Type and reference Inra-frequency even ideniy Enumeraed(Acive se cells, Moniored se cells, Acive se cells and moniored se cells) Real( by sep of 0.5) Primary CPICH info Primary CCPCH info Real( by sep of 0.1) Real( by sep of 0.5) Semanics descripion Indicaes which cells ha can rigger he even In db. In even 1a,1b. In even 1a,1b In db. Range used depend on measuremen quaniy. Threshold used frequency CV-claus e 3 Ineger ( ) CPICH RSCP dbm CPICH Ec/No db Pahloss dB ISCP dbm In even 1a Reporing deacivaion hreshold CV clause 4 Ineger(0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) Indicaes he maximum number of cells allowed in he acive se in order for even 1a o occur. 0 means no applicable. 7-24

366 第七章 WCDMA 系统网络规划 Informaion Elemen/Group name Need Muli Type and reference Semanics descripion In even 1c Replacemen acivaion hreshold CV - clause 5 Ineger(0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) Indicaes he minimum number of cells allowed in he acive se in order for even 1c o occur. 0 means no applicable Time o rigger MP Time o rigger Indicaes he period of ime beween he iming of even deecion and he iming of sending Measuremen Repor. Time in ms Amoun of reporing MP Ineger(1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, Infiniy) Measuremen is "released" afer he indicaed amoun of reporing from he UE iself. Reporing inerval MP Ineger(0, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000, 16000) Indicaes he inerval of periodical reporing when such reporing is riggered by an even. Inerval in miliseconds. 0 means no periodical reporing Reporing cell saus OP Reporing cell saus 在这个表格中和网络性能有关的参数有 Reporing Range 报告范围用于设置事件 1a 和 1b 也就是本文公式 1a-1 和 1a-2 1b-1 1b-2 中的参数 R R 值如果设得大就相当于软切换区域大因为 R 值越大同样条件下进入 ACTIVE SET 就越容易 W 是用于计算活动集小区质量时对不同的小区采用的权值 1a-2 1b-1 1b-2 时要用到 计算公式 1a-1 和 Hysersis 事件报告中的磁滞值 和 GSM 中一样 引入磁滞值的目的是尽量 避免乒乓效应 此值设得过大会导致切换不易发生 设得过小会导致不能有 效避免乒乓效应 Reporing deacivaion hreshold 事件有效时的活动集内的最大小区数等于活动集内的最大小区数减 1 实际上用来确定活动集内的最大小区数仅适用于 1A 事件此值设得过大可能会导致系统干扰的增加程度超过软切换的分集增益设得过小会不能充分利用软切换的分集增益 Reporing acivaion hreshold 为事件有效时的活动集内的最少小区数于 1C 事件 仅适用 Time o rigger 触发时间用来尽量避免快衰落的影响此值设得过大会导 7-25

367 第七章 WCDMA 系统网络规划 致切换延迟 设得过小会导致切换频繁 Amoun of reporing 事件报告转周期报告后的最大报告次数 常与 Reporing inerval 一起使用 Reporing inerval 事件报告转周期报告后的报告周期 与 Amoun of reporing 结合使用 使用时要注意避免过度增加信令流量 Reporing Cell Saus 主要用于指示 measured resul 的小区组成原则包括最大报告小区数以及报告小区的属性 7.4 WCDMA 功控规划 引言 在 WCDMA 系统中无线资源管理包括功率管理移动性管理负载管理信道分配与重配置 AMR 模式控制等几个方面其中功率管理是一个非常重要的环节这是因为在 WCDMA 系统中功率是最终的无线资源所以最有效地使用无线资源的唯一手段就是严格控制功率的使用 在功率管理部分一方面提高针对某用户的发射功率能够改善该用户的服务质量另一方面由于 CDMA 系统的自干扰性因为 WCDMA 采用宽带扩频技术所有信号共享相同频谱每个移动台的信号能量被分配在整个频带范围内这样对其他移动台来说就成为宽带噪声由于 CDMA 系统的自干扰性这种提高会带来对其他用户接受质量的降低所以功率的使用在 CDMA 系统中是矛盾的 另外无线电环境中存在阴影多径衰落和远距离损耗影响蜂窝式移动台在小区内的位置是随机的且经常变动所以路径损耗会大幅度的变化特别在多区蜂窝 DS/CDMA 系统中所有小区均采用相同频率理论上不同用户分配的地址码是正交的实际上很难保证造成各信道间的相互干扰从而不可避免地引起严重的远近效应发生在上行链路中如果小区中的所有用户均以相同的功率发射则靠近基站的移动台到达基站的信号强远离基站的移动台到达基站的信号弱导致强信号掩盖弱信号和拐角效应发生在下行链路中当移动台处于小区拐角处所接收到的干扰是小区附近的三倍当干扰严重时移动台的通信质量会迅速下降 因此如何有效功率控制在保证用户要求的 QoS 的前提下最大程度降低发射功率减少系统干扰增加系统容量是 WCDMA 技术中关键的关键 WCDMA 系统有前向功率控制即控制基站发射功率和反向功率控制即控制移动台发射功率其中反向功率控制尤为重要因为确保系统容量和通信质量克服衰落和解决远近效应等问题很大程度上都要靠它 7-26

368 第七章 WCDMA 系统网络规划 功控实现原理 1. 快速功控特性 与 GSM 系统相比 WCDMA 的功控实现方式起了很大变化其中快速功控是 WCDMA 系统中引入的一个非常重要的概念 由于无线传播环境的恶劣在典型的蜂窝移动通信环境中基站与移动台之间的发射信号往往是经过多次反射散射和折射才到达各自的接收端的这样很容易就造成了信号的多径衰落对于慢速移动的接收机快衰落会对其接收质量造成很大影响在 GSM 系统中手机每 480ms 上报一次测量报告功控的最快频度不超过每秒 2 次因此对于 GSM 系统其对抗多径衰落的主要手段是通过系统跳频来实现的对于 WCDMA 系统在上行情况下 DPCCH 将 10ms 的无线帧划分为 15 个时隙每个时隙包含一个功控命令 TPC_cmd 这从图 7-16 的上行 DPCH 复用图中可以看出由于功控的速度高于快衰落从而有效保证了慢速运动时的移动台的接收质量 2560chips DPDCH DATA DPCCH PLLOT TPCT PBD TPC Uplink DCH MS 图 7-16 上行 DPCH 复用图 也就是说对慢速移动台快速功控通过克服快衰落而给系统带来一定的增益表 7-1 比较了在三种不同的运动情况下慢速功控和快速功控情况下所需要的 Eb/Io 的值和所需要的相对发射功率的变化情况 表 7-1 三种不同情况下慢速功控和快速功控变化情况表 Required Eb/Io 慢速功控 快速功控 (1500Hz) 快速功控增益 ITU Pedesrian A 3kM/h 11.3dB 5.5dB 5.8dB ITU Vehicular A 3kM/h 8.5dB 6.7dB 1.8dB ITU Vehicular A 50kM/h 6.8dB 7.3dB -0.5dB 7-27

369 第七章 WCDMA 系统网络规划 快速功控带来的另外两个好处是能够在短时间内迅速调节移动台的功率从而在很大程度上避免了远近效应的产生同时功率的迅速调整也减少了对其他小区或移动台的干扰 2. 功控实现方式 在 WCDMA 系统中功控可以分为两大类内环功控和外环功控 内环功控的主要作用是是通过控制物理信道的发射功率使接收 SIR 收敛于目标 SIR WCDMA 系统中是通过估计接收到的 Eb/No 比特能量与干扰功率谱密度之比来发出相应的功率调整命令的而 Eb/No 与 SIR 具有一定的对应关系如对于 12.2kbi/s 的语音业务 Eb/No 的典型值为 5.0dB 在码片速率为 3.84Mcps 的情况下处理增益为 10log M/12.2k =25dB 所以 SIR 5dB 25dB=-20dB 即载干比 (C/I)>-20dB 外环功控是通过动态地调整内环功控的 SIR 目标值使通信质量始终满足要求即达到规定的 FER/BLER/BER 值外环功控在 RNC 中进行由于无线信道的复杂性仅根据 SIR 值进行功率控制并不能真正反应链路质量比如对于静止用户低速用户移动速率 3kM/H 和高速用户移动速率 50kM/H 来说在保证相同 FER 的基础上对 SIR 的要求是不同的而最终的通信质量是通过 FER/BLER/BER 衡量因此有必要根据实际 FER/BLER 值动态调整 SIR 目标值 外环功率控制的算法为 如果 FER 测量 >FERTar 如果 FER 测量 <FERTar 则提高 SIRTar 一个事先确定的步长 则降低 SIRTar 一个事先确定的步长 外环功率控制的基本结构如图 7-17 所示 图 7-17 外环功率控制的基本结构 常规的外环功率控制算法虽然简便但控制过程太粗糙偏离最优控制较远 7-28

370 第七章 WCDMA 系统网络规划 改进方法之一是接收端对接收到的一定数量的帧进行判断如果是好帧就降低门限是坏帧就升高门限降低和升高的步长是固定的满足以下关系 FERTARGET SINC = (1-FERTARGET) SDEC 改进方法之二是采用多重步长的调整方式 虽然长时间的统计能够较精确地 反映 FER 的平均值 但不能准确地反映当前信道变化的状况 因此将测量的 整个时间段分成前后两段 分别衡量其 FER 判断使用哪一种步长进行门限 值的调整 实际情况下从 FER 测量值与 FER 门限的差到 SIR 目标值的直接映射关系很难找因此也可以采取同时基于 FER 和 SER 的两层外环功率控制机制 图 7-18 内环功率控制的基本结构 如图 7-18 所示内环功控又可以分为开环和闭环两种方式开环功控的目的是提供初始发射功率的粗略估计它是根据测量结果对路径损耗和干扰水平进行估计从而计算初始发射功率的过程在 WCDMA 中开环功率控制上下行情况都用到 对于 WCDMA-FDD 系统由于上下行频段间隔较大所以上下行的快衰落情况是完全不相关的因此开环功控根据下行信号所得到的路径损耗的估计对于上行情况来说是很不准确的解决这个问题的方法就是引入快速闭环功控 如图 7-19 所示闭环功控是对通信期间的上下行链路进行快速功率调整以使链路的质量收敛于目标 SIR 3GPP 协议中上行链路的闭环功控可以采取两种算法两种算法中上行功控步长取 1 或 2dB 在 DPCCH 上的功控步长调整量 dpcch= pc TPC_cmd TPC_cmd 为利用不同算法得到的 TPC 合成命令 DPDCH 的功率根据 DPDCH 和 DPCCH 之间的功率偏置来设置 这两种方式的区别在于开环是采用上行链路干扰情况估计下行链路或根据下行链路估计上行链路是不闭合的而闭环是存在一反馈环是闭合的开环功控的初始发射功率是由 RNC 下行或 UE 上行确定而闭环功控是由 NodeB 完成 RNC 仅给出内环功控的目标 SIR 值 7-29

371 第七章 WCDMA 系统网络规划 图 7-19 闭环功率控制的基本结构 3. 反向功率控制 (1) PRACH PRACH 是在所有物理信道中唯一只采用开环功率控制的 PRACH 的开环功控过程可以用下面的公式表示 上行链路 PPRACH = LPerch + IBTS + Consan value 其中 LPerch 是路径损耗 UE 从广播信道上获得基站的 CPICH 的发射功率 然后测量 CPICH 的接收信号强度来估计路径损耗 IBTS 是上行链路的干扰 由广播信道获得 Consan value 是接收所需的 SIR 和调整值 调整上下行链 路的不平衡 (2) DPDCH & DPCCH DPDCH 及其相应的 DPCCH 同时采用开环和闭环功率控制 DPDCH 和 DPCCH 功率的调整幅度相同利用增益因子 bc bd 可以使 DPDCH 和 DPCCH 的发射功率不同相互之间存在一定的偏移量 DPDCH/DPCCH 的功率控制方式包括两种类型即非压缩模式下的功率控制和压缩模式下的功率控制 非压缩模式下的功率控制 上行 DPDCH/DPCCH 发射功率的初始值是用开环功率估计决定的入过程类似 同随机接 对上行链路来说在 DPDCH 最大速率时的最大发射功率是预先指定的控制必须在此范围内执行闭环发射功率的最大功率值是由高层信令设置的 上行闭环功率控制主要是基站通过调整 UE 的发射功率以保持接收到的上行信噪比尽量靠近 SIR 目标值而每一个小区的 SIR 目标值都是由高层外环功率控 7-30

372 第七章 WCDMA 系统网络规划 制调整的 服务小区应当估计接收到的上行 DPCH 信噪比 SIR 随后服务小区在每一个时隙之内都产生一个 TPC 指令并且按照如下规则发射如果估计值大于目标值就发出 TPC 命令 0 降低功率如果大于门限就发出 TPC 命令 1 增加功率 UE 在一个时隙中会接收到一个或多个 TPC 指令如果在一个时隙中接收到多个 TPC 指令 UE 将把这多个 TPC 指令合并成一个 TPC_cmd 合并得到 TPC_cmd 的算法有两种采用哪种算法是由 UE 的一个特征参数 PCA PowerConrolAlgorihms 决定的受 UTRAN 控制如果 PCA 11BA=2 DUIrolAlgorihms 对应处理 TPC 指令的算法 1 如果 PCA=2 对应处理 TPC 指令的算法 2 在得到 TPC 指令即 TPC_cmd 后 UE 就可以根据 TPC 指令用步长 pc 来调整上行专用物理信道的发射功率步长 pc 也是由网络设置的可以取 1dB 或 2dB 如果 TPC_cmd 等于 1 那么上行 DPCCH 和上行 DPDCH 的发射功率就应该增长 pc 如果 TPC_cmd 等于 -1 那么上行 DPCCH 和上行 DPDCH 的发射功率就应该减小 pc 如果 TPC_cmd 等于 0 那么上行 DPCCH 和上行 DPDCH 的发射功率就保持不变 处理 TPC 指令的算法 1 当 UE 没有处于软切换时 每个时隙收到一个 TPC 命令 如果 TPC 0 则 TPC_cmd=-1 DPCCH 上的发射功率降低 pc 如果 TPC 1 则 TPC_cmd=1 DPCCH 上的发射功率增加 pc 当 UE 处于软切换时 在每个时隙 UE 将接收到来自 ACTIVE SET 中的不同小区 的多个 TPC 命令 对于来自同一无线链路集合的 TPC_cmd UE 知道在一个时 隙中的某些 TPC 指令是相同的 比如说在接收机分集或更软切换的情况下 这时 UTRAN 在所有的服务小区中发射相同的指令 在这些情况下 UE 将对 相同的 TPC 命令进行最大比合并 然后 UE 将其他的 TPC 命令进行软符号判 决 然后利用下面的函数得到 TPC_cmd 1 或 -1 TPC_cmd = g W1 W2 WN g 函数应该满足这样的要求如果 N 个 TPC 命令是随机且不相关等于 0 或 1 的概率相等那么 g 函数的输出等于 1 的概率应该大于或等于 1/(2N) 等于 -1 的概率应该大于或等于 0.5 处理 TPC 指令的算法 2 当 UE 没有处于软切换时每个时隙收到一个 TPC 命令 UE 将以 5 个时隙为单位处理接收到的 TPC 指令其中每 5 个时隙的集合应当和帧边界对齐每 5 个时隙的集合之间不应有重叠 TPC_cmd 的值用以下的方式设置对于前面 4 个时隙 TPC_cmd 0 对于第 5 个时隙如果在一个单位中的接收到的 5 个 TPC 命令硬判决结果为 1 则 TPC_cmd=1 如果所有硬判决结果为 0 则 TPC_cmd=-1 其它情况 TPC_cmd=0 UE 处于软切换对于前面 4 个时隙 TPC_cmd 0 对于第 5 个时隙将收到 7-31

373 第七章 WCDMA 系统网络规划 多个 TPC 命令进行合并处理对于来自同一个无线链路集合的 TPC 命令 UE 将其合成为 1 个对剩下的其他的 N 个 TPC 命令进行如下处理 UE 在每个时隙对接收到的来自不同集合的 TPC 命令进硬判决如果任何一个集合中连续 5 个 TPC 硬判决结果为 1 TPC_empi=1 如果连续 5 个 TPC 硬判决结果为 0 TPC_empi=-1 否则 TPC_empi=0 然后 UE 根据得到的 N 个 TPC_empi 命令按一定的算法得到 TPC_cmd 命令算法的一个例子为对 N 个 TPC_emp 命令进行算术平均如果大于 0.5 则 TPC_cmd 为 1 如果小于 -0.5 则 TPC_cmd 为 -1 否则为 0 压缩模式下的功率控制 在压缩模式中由于中间可能会在几个时隙内停止发送 TPC 指令所以在压缩模式下的功率控制的目的是在经过一段时间间隔后尽可能快的恢复信噪比 SIR 使其接近目标 SIR 在下行压缩模式中 由于在压缩期间没有发下行 TPC 指令 发射间隔中就没 有应用功率控制 所以上行 DPDCH 和 DPCCH 的发射功率在发射间隔中就保 持不变 在上行和下行压缩模式同时发生时 上行 DPDCH 和 DPCCH 的发射 在发射间隔就停止了 当上行或者下行发送间隔结束后 必须重新恢复上下 行的 DPCCH 的发射 这段时间称为恢复期 参数 RPL Recovery Period Lengh 代表了恢复期的长度 取值为时隙数 在恢复期内的功控算法模式 有两种 如表 7-2 所示 表 7-2 恢复期内的两种功控算法模式 恢复期功率控制模式 0 1 算法描述功控算法由 PCA 参数的值来决定步长为 DTPC DDPCCH = DTPC TPC_cmd + 在每个发射间隔后的 RPL 时隙期间令的算法 1 步长为 DRP-TPC DDPCCH = DRP-TPC TPC_cmd + PILOT 功控算法采用处理 TPC 指 PILOT 注意 PILOT = 10Log10 (Npilo,prev/Npilo,curr) DRP-TPC 是恢复期功率控制步长 db 如果 PCA=1 DRP-TPC 取 3dB 和 2DTPC 之间的较小值如果 PCA=2 DRP-TPC 取值为 1dB 从上表可以看出对于 RPP 模式恢复期的功控模式与非压缩模式情况相同对于 RPP 模式 1 恢复期将采用?RP-TPC 的步长并且不考虑 PCA 的取值因此在每个 RPL+1 时隙上行 DPCCH 的功率将会改变很大 7-32

374 第七章 WCDMA 系统网络规划 (3) PCPCH 物理信道 PCPCH 可细分为控制部分和数据部分 类似于 DPDCH/DPCCH 在上行情况下 功率控制同时对这两个部分进行控制 利用增益因子 bc bd 可以以使 PCPCH 的控制部分和数据部分的功率不同 相互之间存在一定的 偏移量 闭环功率控制时 只要偏移量不改变 这两部分的功率变化量是相 同的 具体的功率控制算法类似于 DPDCH/DPCCH 也有两种功控算法具体采用哪种算法取决于 PCA 的值 PCA 1 则采用处理 TPC 指令的算法 1 PCA=2 则采用处理 TPC 指令的算法 2 4. 前向功率控制 下行功率控制主要是指对 DPDCH/DPCCH 的功率控制 DPCCH 及其相应的 DPCCH 同时采用开环和闭环功率控制 DPDCH 和 DPCCH 功率的调整幅度相同他们之间的相对功率偏移是由网络侧决定的 DPCCH 信道中的 TFCI TPC 以及导频域信号与 DPDCH 信号之间的相对功率偏移量分别由 PO1 PO2 and PO3 db 决定 下行链路开环功控是用来确定 DPCH 的初始发射功率的的公式表示 其过程可以用下面 P= Ec/Io req-cpich_ec/io+pcpich 其中 Ec/Io req 是 UE 正确接收该专用信道所需的 Ec/Io CPICH_Ec/Io 是 UE 测量到的公共导频信道的 Ec/Io 通过 RACH 报告给 UTRAN PCPICH 是公 共导频信道的发射功率 DPDCH/DPCCH 的闭环功率控制方式包括两种类型控制和压缩模式下的功率控制 即非压缩模式下的功率 非压缩模式下的功率控制 下行链路的闭环功率控制主要是为了保持接收的下行链路信噪比尽量靠近目标 SIR 而调整网络的发射功率外环功控为每一个连接独立地设置目标 SIR UE 不断地估计接收到的下行 DPDCH/DPCCH 的功率同时 UE 还要估计接收到的干扰并获得一个 SIR 估计值随后 UE 比较估计值和目标值产生 TPC 指令如果估计值大于目标值就发出 TPC 命令 0 降低功率如果小于目标值就发出 TPC 命令 1 增加功率 UE 在产生 TPC 指令之前应当先检查下行功率控制模式参数 DPC_mode 参数由高层信令控制 这个 如果 DPC_MODE 0 UE 在每个时隙都传送一个唯一的 TPC 命令并且 TPC 命令在上行的 DPCCH 上的第一个 TPC 域上发送 如果 DPC_MODE 1 UE 将相同的 TPC 命令重复传送 3 次即在 3 个时隙内重 7-33

375 第七章 WCDMA 系统网络规划 复传送相同的 TPC 指令 作为对接收到的 TPC 指令的响应 UTRAN 调整下行 DPCCH/DPDCH 的功率 但是下行 DPCCH/DPDCH 的发射功率不可以高于 Maximun-DL-Power 也不能 低于 Minimum-DL-Power 功率的改变应当是最小步长 DTPC _min 的倍数 基 站必须支持 1dB 的 DTPC _min 而 0.5dB 1.5dB 2dB 是可选内容 当由于下 行链路失去同步 UE 不能测量下行 SIR 时 UE 发射的 TPC 命令总是设置为 1 在估算完第 K 个 TPC 命令后 UTRAN 将根据当前的下行功率值 P(k-1) [db] 调整到一个新值 P(k) [db] 根据现有的协议下行链路的功率控制是统一进行的因此各条链路的发射功率保持相等时的系统性能最好所以在经过功率平衡后的公式为 P(k) = P(k - 1) + PTPC(k) + Pbal(k) Pbal(i) = sign{(1 r)(pref P(i))} min{ (1 r)(pref P(i)), Pbal,max} 其中 Pbal(k) 就是根据下行功控过程使无线链路功率平衡至一个公共参考功率所产生的校正值其他参数解释如下 P(k) 在 UTRAN 访问接入点计算得到的发射功率 PTPC(k) 内环功率控制的改变量 Pbal(i) 调整环控制的功率是根据内环功控得到的第 K 次功率调整值 (db) Sign(x) 符号函数 r 收敛因子 (0 r 1) PREF 参考发射功率 dbm Pbal,max 调整环最大改变功率限制 压缩模式下的功率控制 在压缩模式下 UE 的操作与正常模式下相同即产生 TPC 指令应当基于接收到的 SIR 的估计值在压缩模式中由于中间可能会在几个时隙内停止发送 TPC 指令所以在压缩模式下的功率控制的目的是在经过一段时间间隔后尽可能块的恢复信噪比 SIR 使其接近目标 SIR 在发射间隔后的第一个时隙所使用的发射功率与发射间隔前的最后一个时隙的发射功率相同在压缩模式期间除了下行发射间隔以外的每一个时隙中 UTRAN 将根据下面的公式结合当前下行功率 P(k-1) [db] 估算新的功率 P(k)[dB] P(k) = P(k - 1) + PTPC(k) + PSIR(k) + Pbal(k) 其中 PTPC(k) 是根据内环功控得到的第 K 次功率调整值 PSIR(k) 是根据下行目标 SIR 的变化值所得到的第 K 次功率调整量 Pbal(k) 是根据下行功控过程使无线链路功率平衡至一个公共参考功率所产生的校正值 7-34

376 第七章 WCDMA 系统网络规划 在上行压缩模式中由于在压缩期间没有发上行 TPC 指令所以上式中的 PTPC(k) 将被 NODE-B 设置为 0 当上行发送间隔结束后必须重新恢复上下行的 DPCCH 的发射这段时间称为恢复期参数 RPL Recovery Period Lengh 代表了恢复期的长度取值为时隙数在恢复期时隙中的功控调整步长为 DSTEP = DRP-TPC 其中 DRP-TPC 是恢复期功率控制步长 db DRP-TPC 取 3dB 和 2DTPC 之间的较小值 5. 其他物理信道的功率控制 PCCPCH 和 SCCPCH 不进行功率控制 PCCPCH 的发射功率是慢变的即在连续几帧之内是常数其发射功率由网络决定并在 BCH 上广播 SCCPCH 的发射功率由网络设定是可变的 TFCI 和导频域与数据域之间可能存在相对功率偏移并且偏移量会随时变动 PDSCH 信道可以采用如下方式进行功率控制 基于 UE 在上行 DPCCH 上发送的功率控制命令进行内环功控 慢速功率控制 另外 AICH PICH 和 CSICH 都是由网络侧直接将这些物理信道与主 CPICH 发射功率之间的相对发射功率通知 UE 6. SSDT sie selecion diversiy ransmission 软切换中在下行链路上同时有两个或多个基站同时向一个 UE 发射信号这就占用了额外的系统资源发射功率造成了额外的干扰从而降低了前向容量因此仔细涉及软切换期间的功率控制算法对改善系统容量有重要的意义软切换中功率控制的另一种算法是 SSDT sie selecion diversiy ransmission 其基本思想是让路径损耗最小的基站发射信号其他基站只接收上行链路信号和发射 DPCCH 这样可以减少下行链路的总发射功率和额外的干扰 SSDT 是在软切换模式下一种可选的宏分集方法 SSDT 的具体实现方法为 首先 UE 从 ACTIVE SET 中选择一个小区作为 PRIMARY CELL 所有其它小区就划入 NON PRIMARY CELL SSDT 的首 要目标是在下行链路中只从 PRIMARY CELL 发射信号 以减小在软切换模式 下多路发射引起的干扰 其次是要在没有网络干预的情况下实现迅速站址选 择 从而保持软切换的优势 为了选择 PRIMARY CELL 给每个小区分配一 个临时识别码 然后 UE 周期性地把 PRIMARY CELL 的识别码通知给 ACTIVE SET 里的其他小区 UE 选定的 NON PRIMARY CELL 就关闭发射功率 PRIMARY CELL 的识别码通过上行链路 FBI 域发送 SSDT 的激活 中止以及 ID 码分配都是由高层信令来执行的 SSDT 由网络根据软切换的 ACTIVE SET 进行初始化一旦决定采用 SSDT 就在当前的软切换周期内网络把 SSDT 选择已激活的消息通知小区和 UE 否则 TPC 就仍在通常的模式下运作即每个小区按照上行 TPC 指令来控制其发射功率临时识别码的分配由网络执行并且要通知所有 ACTIVE SET 内的 7-35

377 第七章 WCDMA 系统网络规划 小区和 UE 用于站址选择 而 UE 通过周期性地测量所有 ACTIVE SET 内的小区发射的公共导频信道的接收功率 RSCP of CPICHs 来选择 PRIMARY CELL 导频信道接收功率最高的小区就成为 PRIMARY CELL 功控参数的规划 在 3G 系统中网络规划设计准则是基于 SIR 的优化和活动集的管理如何设置合理的导频信道功率不同业务类型的 SIR 目标值切换区活动集大小的改变确定每个业务区的覆盖大小和质量是网络规划必须完成的工作 在 WCDMA 系统中内环功控主要由 NODE-B 来完成通过内环功控使得收敛于目标 SIR 目标 SIR 是由外环功控确定的因此这里对功控参数的规划主要体现在外环参数的规划上通过对外环功控的相关参数取值进行研究和实验使外环功控既能满足控制精度的要求又能满足控制速度的要求 在外环功控改进算法一中 接收端对接收到的一定数量的帧进行判断 如果 是好帧就降低门限 是坏帧就升高门限 降低和升高的步长是固定的 满足 以下关系 FERTARGET SINC = ( 1 FERTARGET ) SDEC 假设 FERTARGET 0.01 SDEC 0.1dB 那么 SINC 9.9dB 从这里可以看出升高步长和降低步长是不等长的如果下降步长设置不合理会导致升高的步长过大而使得平均 SIR 增大影响了功控效果另外系统是对连续的多帧进行观察从而得出步长调整结果的如果帧数 N 的取值过大也会导致算法的收敛速度变慢 具体涉及外环功控的参数大致有以下一些 BLER 报告的时间系数 时间系数值除以目标 BLER 值即可得出需要测量的块数 N BLER 测量报告参数 最大观察块数该参数用来控制测量块数的上限值 SIR 收敛的迟滞值对 SIR 收敛的 SIR 迟滞值进行检验为测量报告参数 SIR 测量报告的控制参数 SIR 测量滤波系数测量 SIRerr 所用的滤波系数 上行外环功控参数 SIR 变化的范围 SIR 调整系数 SIR 目标值下降步长 SIR 最大降低步长 上行软容量控制参数 语音质量等级数及对应的 BLER 值 7-36

378 第七章 WCDMA 系统网络规划 缺省 CPICH 功率下行功率平衡参数 触发 / 停止 DPB 过程的门限下行功率平衡的调整周期调整比例 下行外环控制参数 触发和停止下行外环控制的门限 内环功控参数 SIR 初始值调整步长算法模式选择 以上这些参数都由 OM 给出参数之间相互联系相互配合共同发挥作用不同取值所产生的效果还有待进一步的研究 7.5 WCDMA 无线网络结构和资源规划 基本的网络结构 1. 网络组织结构 WCDMA 的基本网络结构在前面的章节中有所描述分为核心网和接入网两大主要部分在本章主要从网络规划的角度介绍无线接入部分 UTRAN 的结构特点以及影响无线网络结构的一些主要的技术和网络参数 其结构如图 7-20 所示 Node B Iub RNC Iu-CS MSC/VLR GMSC PSTN HLR/AuC Iur SS7 SCP Node B Iub RNC Iu-PS SGSN GPRS IP 骨干网 GGSN CGF BG Iner-PLMN 网络 图 7-20 网络组织结构图 接入网包含所有能使同用户接入服务的功能对于无线接入网络所有与空中接口有关的功能都应包含在接入网中核心网包含交换网与服务网交换网包含所有与通话和固定传输中承载控制有关的功能服务网络包含所有支持 7-37

379 第七章 WCDMA 系统网络规划 服务的功能如位置管理等由于大多数与无线相关的部分都在接入网中核心网很少受到新的无线接口的影响因而在第三代中明确地区分接入网和核心网 2. 3G 与 GSM 在接入网部分的异同 3G 的网络与 GSM 的网络具有相同的分层与分面结构 3G 接入网的组成与 GSM 的基站子系统很类似 其中各部分的作用也基本相同 3G 接入网的功能更多一些 3G 在接入网与核心网的划分上更加清晰 3G 的 RNC 之间有专门用于切换的连接 因此 接入网内部的切换将不需要核 心网的干预 3. 区域种类和相互间的关系 (1) 区域 Areas 种类有 位置区域 Locaion Areas 路由区域 Rouing Areas UTRAN 登记区域 UTRAN Regisraion Areas Cell 区域 (2) 各种区域间的相互关系如图 7-21 所示 3G_MSC/3G_SGSN RNC Node B RNC LA/RA CA URA 图 7-21 名种区域间的关系图 位置区和路由区的划分与在 GSM 和 GRPS 中的划分方法类似 7-38

380 第七章 WCDMA 系统网络规划 4. 小区结构 华为 WCDMA 的 NodeB 支持全向 并柜等小区配置 WCDMA 中的小区结构与 GSM 的类似称谓不同小区 CELL 类似 GSM 中的基站扇区 SECTOR 相当于 GSM 中的小区 比如什么叫 第一位为每小区支持的扇区数第二位为每扇区支持的载频数 3 1 即基站支持 3 扇区每扇区 1 个载频 6 4 即基站支持 6 扇区每扇区 4 载频 (1) 全向小区 全向小区指在一个 CELL 中只有一个扇区 如图 7-22 所示 NODB 图 7-22 全向小区扇区图 (2) 定向小区 定向小区有 3 扇区和 6 扇区两种类型 一定量的频谱只能支持一定量的用户对频谱利用率的影响也需要进行估计 空分多址的分扇区或自适应波束形成它依赖于特定的无线环境及天线设备 (3) 分层小区 根据业务量和覆盖要求的不同至少有 2 种不同的小区类型宏小区和微小区为宏小区提供大范围的服务微小区覆盖半径在 1kM 以内主要提供街道的覆盖微微小区解决室内覆盖等等 (4) 小区规划 小区结构规划是要在小区范围内可以均匀地提供高比特率或者小区边界的数据率可以小于靠近基站区城从而允许有较大的小区范围 小区数目的计算主要是基于容量和链路预算一个网络可能是覆盖受限或容量受限的容量受限意味着最大小区半径不能支持总的提供的业务流量此时小区数目可按每平方公里小区能支持多少用户来计算覆盖受限则意味着在小区内有足够的容量来支持全部业务流此时用最大小区面积可以求出所需的基站数目 7-39

381 第七章 WCDMA 系统网络规划 5. 空中接口的分层结构 空中接口的功能可以接照协议形成分层结构 自下而上是物理层 链路层和 网络层 物理层完成物理信道的编码 调制及扩频 链路层又分成两个子层 媒介接入控制 MAC 和链路接入控制 LAC 前者确定物理层提供的资 源 而后者则完成逻辑链路连接的建立 保持和释放 网络层的功能是通话 控制 移动性管理和无线资源的管理 6. 信道结构 在 WCDMA 中具有三层信道概念逻辑信道传输信道和物理信道 (1) CDMA 系统的逻辑信道可以分为控制信道和业务信道控制信道承载无连接消息信道结构分为同步信道随机接入信道广播信道寻呼信道专用控制信道业务信道承载各种各样的用户信息流量 (2) 传输信道分为公共传输信道和专用传输信道 公共传输信道包括 RACH FACH CPCH DSCH USCH BCH PCH SCH 随机接入信道前向接入信道公共分组信道下行共享信道上行共享信道广播信道寻呼信道同步信道 专用传输信道 DCH 专用信道 (3) WCDMA 的物理信道有上下行之分上行链路中有两个专用信道和一个公共信道下行物理信道有三个公共物理信道物理信道在上下行有如下的结构形式 Primary SCH Secondary SCH Primary CCPCH Secondary CCPCH 7-40

382 第七章 WCDMA 系统网络规划 PRACH Uplink DPDCH+DPCCH Uplink DPCH Downlink DPCH PCPCH PICH AICH PDSCH PUSCH 不同的物理信道用不同的扩频码加以区分例如树形结构的正交码 对于信道的区分则采用正交码 (4) WCDMA 中逻辑信道映射到传输信道传输信道功能再由帧结构码的设计映射到物理信道如图 7-23 所示 BCCH- SAP DCCH- SAP CCCH- SAP SHCCH- CTCH- SAP SAP (TDD only) PCCH- SAP DTCH- SAP MAC SAPs BCH PCH CPCH FAUSCH (FDD only) RACH FACH USCH DSCH (TDD only) DCH Transpor Channels 图 7-23 WCDMA 信道映射图 特定控制信道与业务信道是捆绑在一起的可以采用时分多路码分多路或 I&Q 多路其中用户数据由 I 信道传输而控制信息由 Q 信道传输 同一连接的多种服务可以复用在一个 DPDCH 多路复用可以在内编码或外编码的前后进行在服务的多路复用和信道编码之后多路复用的数据流影射到一个 DPDCH 如果总的数据率超过了一个码传输的上限则可以分配多个 DPDCH 另外一种选择服务的多路复用影射到不同的 DPDCH 进入到一种多码的方式分别进行编码及交织此时功率和每种服务的质量均可分别独立地进行控制 WCDMA 有两种传输信包数据的可能性短的数据信包可以直接附加在随机接入突发上这种方法称为公共信道信包传输更大的和更经常的信包的传输则在专用信道上单个大的信包用单信包方式传输当信包传完时专用信道立即释放在多信包方式传输时专用信道将保持在信包间则传输功率 7-41

383 第七章 WCDMA 系统网络规划 控制及同步信息 (5) 信道分配和重配置 信道分配主要有以下几类 面向连接的信道配置基本信道配置 FRC 动态信道重配置 DCCC) 面向小区的信道配置小区码资源分配小区信道资源分配上行扰码分配 其中 基本信道配置 根据业务请求 分配信道类型和带宽 根据业务 QoS 配置信 道各层参数 动态信道配置在通信期间根据业务当前状况动态改变信道配置包括信道类型和信道各层参数 小区信道资源分配公共信道是小区内的资源包括 RACH FACH DSCH CPCH 等 小区码资源管理 小区下行码资源分配策略和码资源维护 上行扰码分配上行扰码包括给公共信道 RACH 和 CPCH 预留的扰码和给使用专用信道的 UE 分配的扰码两部分上行扰码是 RNS 内部公共资源 在 WCDMA 中的业务类型映射如表 7-3 所示 表 7-3 WCDMA 中的业务映射 Service Domain Transpor Channel Type of service CAC performed Voice CS DCH Premium* YES IP DCH Premium* YES Web IP DSCH Assured Service** YES IP DSCH Bes Effor*** NO premium 高级业务 低延迟 高优先级 Assured service 保证业务 优先级中等 可以保证一个低于平均速率的最 小传输速率 Bes Effor 低优先级 不保证 QoS 当 RRC 连接或 RAB 建立请求时基本信道配置实体根据业务类型和速率要求决定信道类型根据业务的 QoS 参数配置信道各层参数根据信道配置参数 QoS) 向准入控制实体请求准入控制如果允许进行下一步否决则信道建立过程失败 如果使用专用信道分配上行扰码同时小区码资源维护实体分配下行信道码如果使用公共信道分配公共信道参数 7-42

384 第七章 WCDMA 系统网络规划 信道建立成功 针对特定业务 动态信道配置实体监测业务流量 并动态调 整信道参数 小区信道资源分配根据当前小区业务状况和负载情况调整小区公共信道资源配置优化系统性能小区码资源管理实体则负责维护小区码资源 7. 帧结构 略 分层网络结构 1. 分层网络结构基本概念 与 GSM 系统相似我们仍可以根据小区服务的特点和范围将小区分为宏小区伞状小区微小区和微微小区宏小区微小区和微微小区组成分层网络结构 HCS 第三代移动通信系统要能够在在不同的无线运行环境支持大范围的服务不同的要求需要不同类型的小区大型小区保证连续的覆盖而小型小区则需要获得良好的频谱效率和高的容量小范围的小区用在低移动和高容量的终端而大范围的小区则用在高移动性和低容量的终端另外不同类型的小区相互要能在其上运行微小区的覆盖范围为数百米宏小区的覆盖范围为一公里或多一点它在农村能对微小区提供连续覆盖和对快速移动用户提供服务微微小区覆盖室内半径为数米的范围卫星小区提供全球的连续覆盖业务量应导向最小的可用小区 在 CDMA 系统中设计多层小区有两种方法不同的分层运行在同一频带及不同的分层运行在不同的频带多层结构也可应用于多个运营者的环境 2. 相同频率下的微小区和宏小区 此时频率重用因子为 1 系统的处理增益允许用户能承受来各层小区产生的 干扰 层内干扰由功率控制来加以控制 而层间干扰则采用空间隔离 一般 情况微小区的衰减大于宏小区的衰减 这是因为它的天线高度较低 软切换 能弥补微小区交界处衰减的低谷 3. 不同频率下的微小区和宏小区 不同层的小区采用不同频率时较易管理因为各层之间不产生干扰这种方法的缺点是要求较大的频谱在 WCDMA 中分三层时则至少要求 15MHz 带宽相邻信道的干扰与链路性能的恶化决定了非线性功率放大器对整个频谱效率的影响相邻信道干扰的增加将使频谱效率降低 虽然多层小区中采用不同的载波频率 容量高时相邻信道载波之间也会产生 7-43

385 第七章 WCDMA 系统网络规划 干扰 4. 分层网络中的天线选择和参数设置 与 GSM 类似在分层网络中业务量尽可能的引导到最小覆盖范围的小区也就是使用宏小区完成系统对广覆盖的要求微小区和微微小区来吸收话务量和数据业务量 为实现这个目的在工程参数设置上宏小区天线高度较高发射功率比较大微小区天线较低降低发射功率在软件参数设置中手机更容易接入到微小区和微微小区因为数据业务更多的集中在微微小区所以要保证微微小区要有更高的服务质量以获得更高的业务速率 移动性管理 1. 小区选择和重选 (1) 移动台的状态 协议规定移动台 UE 存在五种状态 IDLE CELL_DCH CELL_FACH CELL_PCH URA_PCH 处于 CELL_DCH 状态下的越区通过测量报告进行判断行位置更新 并通过切换流程来进 处于 CELL_FACH CELL_PCH 状态下的越区通过 UE 小区重选判断并通过 CELL UPDATE 来进行位置更新 处于 URA_PCH 状态下的越区通过 UE 的 URA 重选判断 UPDATE 来进行位置更新 并通过 URA (2) IDLE 状态下的移动性管理策略 UE 开机时进行 PLMN 选择小区选择以及进行位置登记 小区选择完成后会进行小区重选当选择驻留一新小区时如果进入新的位置区则会进行位置登记 当需要进行接入时需进行立即小区评估在最优小区上发起接入 当手机处于 CELL_DCH 状态下 UE 越区通过切换流程来进行 (3) 潜在用户控制 通过调整小区选择重选中的参数来影响移动台选择驻留小区的负载走向实现负载的自适应调整 从而调整小区 7-44

386 第七章 WCDMA 系统网络规划 2. 随机接入程序 随机接入程序是一个过程移动台请求接入系统网络应答并分配一业务信道给移动台随机接入的执行是当移动台开始发射功率或由于某些原因同步丢失或当信包数据有传输需求时进行的在下列步骤完成后随机接入得以完成 (1) 码和帧的同步 (2) 检索小区参数例如随机接入码 (3) 下行链路路径损失的估值和随机接入起始功率电平 随机接入程序的最优判据是过程的速度和低传输功率随机接入程序速度的要求决定于起始同步时间的要求接入信道数目依赖于参与接入负载在随机接入状态传输的信息对此也有影响因为过大的传输功率将减少 CDMA 系统的容量重要的是在随机接入状态使总的发射功率最小这一点特别重要是因为在随机接入时发射功率不能被快速闭环功率控制所控制如果起始传输具有最低的功率则接入尝试可以有较长的时间另一方面在起始接入时高的传输功率导致快速同步中引起对其他用户的干扰在随机接入尝试时所需传输的最小信息是某些类型的移动台身份号一种典型的随机接入信息包括前置段同步部分及数据部分数据部分至少包含移动台身份号此时前置段为未调制的宽带扩频信号 3. 准入控制 准入控制 Call Admission Conrol 是负载管理的一部分 准入控制算法的目的就是在保证现有连接的 QoS 的基础上尽可能接纳更多的新呼叫其原则小区资源现状 + 业务请求 = YES/NO 小区资源现状取决于上行干扰和下行负载 请求的业务取决于 QoS 参数 图 7-24 是准入控制的过程示意图 CN RAB 指派 SRNC 对 QOS 参数进行映射 CRNC 进行 CAC 和资源分配 RL SETUP 接入请求 图 7-24 准入控制的过程示意图 7-45

387 第七章 WCDMA 系统网络规划 4. SNRS 迁移 由于切换小区更新 URA 更新 RRC 连接重建直接重试等原因可能会出现左图中的结构为了节省 Iur 接口资源和减小时延需将 Iu 接口迁移为图 7-25 结构这就是 SNRS 迁移 CN CN Iu Iu SRNS Iur DRNS RNS SRNS cell 图 7-25 SNRS 迁移图 SNRS 迁移可以有效减少 Iur 接口的流量和增强系统的适应能力 5. 位置区的划分和位置更新 位置区的划分和位置区管理与终端的移动性模型有关 影响网络结构的因素 1. 通用天线和智能天线窄波束天线 在宽带 CDMA 系统中广泛使用的是智能天线线或窄波束天线 也有相关文章中称为自适应天 智能天线 Smar Anenna 采用空分复用的 SDMA 概念通过自适应阵列天线跟踪并提取各移动用户的空间信息利用天线阵列在信号入射方向上的差别将不同方向的信号区分开来而不发生相互干扰实际上使通信资源不再局限于时间域频率域或码域而拓展到了空间域 使用智能天线优势在于天线波束赋形的结果等效于增大天线的增益天线波束赋形算法可以将多径传播综合考虑克服了多径传播对数字无线通信系统的恶化改善性能天线波束赋形后大大减少多址干扰从而成倍地扩展通信容量可提高通信系统的信道复用率基站覆盖面积克服共信道多径衰落等日益严重的干扰问题优化网络的结构 7-46

388 第七章 WCDMA 系统网络规划 2. GSM 窄带 CDMA 和宽带 CDMA 的传播模型及无线传播对系统结构的影响 从信号传播的角度看无论是 GSM 窄带 CDMA 或 WCDMA 在相同的频段范围内信号在空间的传播特点是相同的从发射机到接受机信号的传播具有路径损耗慢衰落快衰落的特点 但是在 WCDMA 中由于传输带宽达到 5M 甚至更高 抗多径衰落性能强 其信 号频带远大于信道的相干带宽 多径分量可以分离 更有效利用了多径分集 接收技术 3. 参数 网络规划结构的实现是通过设置合理的网络工程参数和网络功能参数在分层网中不同层小区规划不同的天线增益天线高度天线类别网络接入参数功控参数切换参数业务速率等 4. 功率控制 功率控制对 CDMA 的网络性能和网络容量有很大的影响 详细的功率控制的描述见第五章 5. 覆盖 最大小区覆盖主要决定于链路预算除了数据率 Eb/No 性能外设备的特定因素如电缆损失天线增益及接收机噪声等也应计算此外也要考虑到软切换增益非对称业务流的影响不同的覆盖服务区域业务速率要求是不同的这提供了分层网的设计基础 农村室外终端速度 250kmph 至少 144kbps 最好 384kbps 城市或郊区室外终端速度 150kmph 至少 384kbps 最好 512kbps 室内或小范围室外终端速度 10kM 至少 2Mbps 实时固定时延时时延 ms 非实时可变时延 时延 150ms 以上 在一个几何区域内则可采用 Erl/km 2 对于数据业务流量采用 Mbi/s/km 2 基站采用多用户检测技术可提供良好的覆盖并能减少移动台发射功率数据率的增加将减少上行链路的覆盖范围这一点是与窄带系统有所不同 7-47

389 第七章 WCDMA 系统网络规划 无线资源规划 1. WCDMA 的频率资源 W-CDMA 的频谱效率与链路性能有关理论分析与仿真表明上行链路的容量是下行链路容量的 2 到 2.5 倍除了基站采用了天线分集外主要是因为上行链路用了多用户信号检测技术与一般接收机比较几乎提供了两倍的容量但在下行链路两个基站向同一移动台发射信号而它们并不正交只能起到多径分集的作用对于频谱效率来说在每一小区支持一个有效的 2-Mbi/s 用户需要 15- 到 20-MHz 的带宽 2. 资源规划与网络结构的关系 WCDMA 的载波间隔为 200kHz 可在 4.2 到 5.4MHz 之间改变根据干扰情况采用不同的载波间隔可获得适合的相邻信道的保护 15MHz 带宽可分给相邻三个小区所用不同运营者之间的间隔可以大一些以避免其间的干扰 7.6 3G 网络容量估计 引言 WCDMA 下行空间接口容量少于上行容量 主要原因基站有较好接收技术 相对移动台而言 这些技术包括天线分集 与多用户检测 在 UMTS 中 下 行容量被看成比上行容量更重要 因为话务的不对称 下载类型业务较多有 关 在 3G 中 容量考虑下行比较多 影响上下行不同的因素为正交码和基站 发分集 wcdma 用长扩展码 在下行链路区别小区 在上行用来区别用户 下行用 218 的 gold 码 被截成周期为 10ms 的帧 可用扰码 512 分成 32 个码组 每组有 12 个码 下行正交码 下行正交码对容量的影响考虑用不规则短码在一个路径的条件下是正交的在多经的条件下部分正交性将消失且引起小区内各用户之间相互干扰在 GSM 中不存在同一小区内的相互干扰因为时间域是正交对于下行性能分析进行仿真得到如图 7-26 所示的曲线 7-48

390 第七章 WCDMA 系统网络规划 图 7-26 性能分析仿真曲线图 垂直轴表示一次通话所需能量与基站总能量之比条件是 8kbps 话音 10ms 交织 1% 误帧率 FER 水平轴表示基站总发射功率与干扰之比一种是车载环境下另一种是步行环境下前者提供一定程度多径分集后者比较接近单路径的情况从曲线中可以获得结论在小区边沿信干比较低的情况下多径信道提供提供较好的性能在靠近基站的地方较少多径情况获得较好性能在这种条件下多径分集信道减少下行码的正交性可以用下列公式计算用负荷因子和频谱效率表示对于容量的估计是每基站支持话务量 WCDMA 的频率复用系数是 1 系统是干扰受限系统容量的实质是由干扰量的估计 上行负荷 WCDMA 的理论频谱效率能够计算度 EB/N0 首先定义每用户比特能量除以噪声谱密 Eb / N0 = Gj Sj Si Gj 为 j 用户处理增益 Sj 为 j 用户信号 Si 为总收到信号强度 Pj 为第 j 个用户收到信号功率 7-49

391 第七章 WCDMA 系统网络规划 Pj = 1+ 1 W Eb Rj vj N0 I oal w 为码片率 vj 为用户活动因子 Rj 为用户 j 的比特速率 Ioal 基站总收到宽带功率包括热噪声功率简化定义 Lj 为一次连接的负荷因子 Lj = 1+ Pj=Lj Eb N 1 W Ioal Rj vj 0 基站收到总的干扰 I 在一个小区内可以定义成 I = I oal P n = N 1 P j = N 1 Lj I oal Pn 为热噪声功率 系统总负荷因子定义为 η UL N = 1 Lj 当负荷因子等于 1 时噪声提升逼近无穷大系统达到极限容量上行负荷因子还应该考虑其它小区的干扰因素所以上行负荷因子需修改成 η UL = ( 1+ α) N j= 1 Lj 其中 为其它小区干扰与本小区干扰之比 规划阶段干扰范围转化为链路上噪声提升量参数 在估计网络容量时涉及到几个 系统所要求的 Eb/N0 来自模拟和测量包含闭环功率控制和软切换的影响软切换效果的衡量相对于单链路的 Eb/N0 宏分集合成增益 与小区环境 小区的隔离和天线方向图有关 对于全话音业务的情况下 负荷因子的关系可以简化为 7-50

392 第七章 WCDMA 系统网络规划 Eb / N0 η UL = N v (1 + α) W / R 计算上行负荷参数表 N Vj Eb/N0 W Rj 无线 定义每小区用户数物理层上第 j 个用户激活因子 一定 QOS 条件下所要求的值噪声包括热噪声和干扰 WCDMA 码片率 J 用户比特率在基站收信机处其他基站对本基站干扰比 参考值 对于话音假设 DTX 期间 50% 话音激活和 DPCCH 报头取值 0.67 对于数据取值 1 取决比特率信道多经衰落接收天线分集移动台速度 3.84MCPS 取决于业务类型 全向天线宏小区 55% 可以画出曲线如图 7-27 所示 举例 对于数据业务 假设 EB/N0=1.5dB 0.65 则噪声提升 3dB 对应负荷因子 50% 噪声提升 6dB 对应负荷因子 75% 查曲线可以得到网络的吞吐量 若每个用户的速率已知 就可以得到小区用 户数 7-51

393 第七章 WCDMA 系统网络规划 图 7-27 网络的吞吐量曲线图 下行负荷 按照上面推理 下行负荷可以用负荷因子表示 η DL = N j= 1 v i ( E / N ) b W / R j 0 [( 1 β ) + α ] j j 上式中增加的新参数为 j 表示下行正交因子 WCDMA 中在下行用正交码区分用户当基站信号被移动台接收后可以认为正交性保持没有多径传播无线信道上的时延扩散可以看成多接入干扰 j 1 表示完好正交用户一般情况下取值为 0.4 到 0.9 对于下行链路 j 取决于用户位置每一个用户是不同的 下行链路的干扰模型中软切换的效果被规定为增加小区中连接软切换开销被定义成连接总数除以用户总数减 1 同时考虑相对于单链路 Eb/N0 的软切换增益此增益被称为宏分集混合增益他来之系统级模拟结果表示成对于每个用户所要求的 Eb/N0 的减少表 7-4 为计算下行负荷因子参数 7-52

394 第七章 WCDMA 系统网络规划 表 7-4 计算下行负荷因子参数表 N Vj Eb/N0 W Rj 定义每小区连接总数每小区用户数 x(1+ 软切换开销 ) 物理层激活因子没比特信号能量比噪声谱密度要求满足预先定义的 QOS WCDMA 码片率用户 j 的比特速率 度量推荐值 对于话音取 0.67 假设 50% 话音激活和 DPCCH 开销 对于数据取 1 取决于比特率多径衰落信道发天线分集移动台速度 3.84MCPS 取决于业务取决于多经传播 j 用户 j 的正交性 1 表示完全正交 j 平均平均 j j 用户 j 收到其他基站对服务小区基站的比率小区中平均正交性因子平均其它小区对本小区功率比由用户收到的信号 0 表示完全不正交每个小区不同取决于在小区中的位置与影影多经信道 60% 非多径信道 90% 宏小区全向天线 55% 服务小区定义为最好服务小区若用户处于软切换之中所有作用中的其他基站作为其它小区 对于下行负荷的估计一个重要方面是对于基站发信功率的估计这功率为平均功率而不是小区边沿峰值发射功率对于每个用户所要求的最小功率由基站到移动台平均衰耗及移动台灵敏度决定条件是不存在多接人引起干扰小区内和小区外由干扰引起的噪声提升加到最少功率上总表示成在小区内对用户所要求的发射功率 P BSTX = N RFE W L N j= 1 1 η vj DL ( E / N ) b 0 W / R j j PBSTX 为基站发射功率 NRFE 为移动台接收前端噪声谱密度 其计算公式 为 NRFE dbm 对应于 3.84MCPS 的热噪声电平 + NF 移动台噪声指数一般取 5 9dB 下行负荷因子平均值为 η DL = N j= 1 vj ( E / N ) b 0 W / R j j [( 1 λ ) + α ] j j 7-53

395 WCDMA系统基本原理 第七章 WCDMA系统网络规划 对于WCDMA负荷对上下行覆盖是有影响的 但是效果是不同的 用最大路 径损耗表示覆盖 如图7-28 图7-29所示的曲线表示最大路径损耗与负荷的 关系 图7-28 宏蜂窝中覆盖与容量上下行关系 图7-29 下行基站输出功率对容量与覆盖影响图 通过分析可以得出结论 下行覆盖比上行更依赖于负荷 原因是基站总发射 功率被下行所有用户共享 650kbi/s以下覆盖由上行决定 容量由下行决定 环境对容量的影响 一定条件下 增加功率对容量的增加不是最有效的 WCDMA谱效率定义为一定比特率下同时呼叫数 或在3G中更直接用每小区 7-54

396 第七章 WCDMA 系统网络规划 物理层 5MHz 上吞吐量表示单位是 kbi/s/cell/ 载波它有很多因素决定变化很大系统模拟需要规定一些条件 软容量 对于小区需要信道数的计算可以通过可用频谱用户数预测话务密度信息话务密度用 erl 表示计算条件是给定拥塞率若硬件引起拥塞由查 B 表可以得出结果若最大容量是由干扰限制造成其容量定义为软容量对于软容量受限系统不能通过爱尔兰表计算总信道容量大于平均每小区信道数由于相邻小区共享一部分干扰在相同拥塞率条件下服务更多话务量来自邻区干扰越少在中间小区内可用信道就越多如图 7-30 所示 小 小 负荷平 小 小 负荷大 小 小 图 7-30 WCDMA 中干绕共享示意图 当小区具有少的信道即高比特率实时用户出现时平均负荷必须降低保证低的拥塞率由于平均负荷降低有附加的容量提供给邻区利用这部分容量是从相邻小区借入因此干扰的共享提供软容量对于高比特率的实时数据用户象图像连接这是重要的下面计算基于假设所有小区内用户数相同连接开始与结束是不同的呼叫发生服从柏松分布当计算 ERL 容量时用这种方法度量如果相邻小区用户较少时在 WCDMA 系统中被认为增加软容量软容量定义为在软拥塞的条件下爱尔兰容量的增加相比硬拥塞条件下此时具有相同信道数 软容量爱尔兰容量软拥塞 / 爱尔兰容量硬拥塞 -1 WCDMA 中基于功率的接入允许控制机制提供软容量和软拥塞新增用户负荷增加所引起干扰增加例子 图 7-31 表示 7-55

397 第七章 WCDMA 系统网络规划 图 7-31 负荷增加与干扰增加关系曲线 根据干扰 控制接入 达到容量最大效率提高 计算步骤为 (1) 计算每小区信道数 N 在相同负荷情况下 基于上行负荷因子 (2) N 乘以 1+ 得到总的信道池 信道容量 (3) 用爱尔兰 B 表计算承载话务量 (4) 上式结果除以 1+ 例如 计算条件如下表所示 比特率 话音 12.2kbi/s 话音激活 Eb/N0 实时数据 kbi/s 话音 67% 数据 100% 话音 4dB 数据 16-32kbi/s 3dB 数据 64kbi/s 2dB á 噪声提升拥塞率 数据 144kbi/s 1.5dB dB =50% 负荷因子 2% 上文公式信道容量计算和每小区爱尔兰计算得到下表中继效率定义为硬拥塞容量除信道数中继效率越低平均负荷越低从相邻小区借入容量越多软容量可利用越多 7-56

398 第七章 WCDMA 系统网络规划 比特率 kbi/s 每小区信道数 容量硬拥塞 中继效率 容量软拥塞 软容量 Erl 84% 53.5Erl 5% Erl 77% 32.3Erl 7% Erl 65% 14.4Erl 12% Erl 56% 8.2Erl 17% Erl 39% 3.2Erl 28% 软容量的大小取决于传播环境即网络规划 值得取得影响较大 取决于设 备无线资源管理算法 由于在 WCDMA 系统中所有用户共享在空间信道上干扰源分析就不能分开进行各用户互相影响引起发射功率改变这些改变再引起改变如此往复相互影响预测处理是一个反复的过程直到稳定为止在 WCDMA 中上下行功率快速控制软切换 / 更软切换及正交下行信道影响性能与 GSM 不同基站的灵敏度取决用户数及用户速率 GSM 中灵敏度是恒定的 3G 对于干扰规划和容量的规划更加重要 WCDMA 规划举例 运营商要求覆盖率 8kbi/s 95% 64kbi/s 80% 384kbi/s 50% 第一步 (1) 无线链路功率预算估计 (2) 站点选择 第二步 优化每小区服务区域 服务区域与传播条件有关 通过调整天线倾角 方位及站点位置可以实现每 一小区所需服务区域 服务区域的优化对于干扰 软切换及软切换成功率控 制是至关重要的 软切换 / 更软切换 干扰性能的改善 直接表现对容量的改 善 第三步 规划结果 安排 19 个 3 三扇区宏小区基站 每一基站覆盖 7.6kM 2 在市区 上行负荷限制是 75% 对应于 6dB 的噪声提升 在此情况下负荷过 量 移动用户随机从高负荷小区溢出 或转移到其他载波 表 7-5 为用户分 部 表 7-6 为用到参数 7-57

399 第七章 WCDMA 系统网络规划 8kbi/s 64kbi/s 384kbi/s 业务 kbi/s 表 7-5 用户分部 用户数 表 7-6 仿真用到参数 上行负荷限制基站最大发功率移动台最大发功率移动台功率控制动态范围基站之间慢衰落相关性慢衰落标准偏移多经信道特征移动台速度移动台 / 基站噪声指数软切换添加窗口导频信道功率与其他公共信道合成功率下行正交性激活因子话音 / 数据基站天线移动台天线话音 / 数据 75% 20W (43dBm) 300Mw(=25dBm) 70dB 50% 6dB ITU 车行 A 3kM/h 和 50kM/h 7dB/5dB -6 db 30dBm 30dBm %/100% 65 /17dBi Omni/1.5dBi 通过现场模拟得出相关结论 分别是小区吞吐量 业务覆盖率 软切换率 负荷 表 7-7 小区吞吐量 负荷及软切换开销 基本负荷移动台速度 3kM/h 服务用户数 1805 小区 ID 上行吞吐量 kbi/s 下行吞吐量 kbi/s 小区 小区 小区 小区 小区 小区 平均 基本负荷 移动台速度 50kM/h 服务用户数 1777 小区 ID 上行吞吐量下行吞吐量 kbi/s kbi/s 小区 小区 小区 小区 小区 小区 上行负荷 上行负荷 软切换开销 软切换开销

400 第七章 WCDMA 系统网络规划 小区 ID 上行吞吐量 kbi/s 下行吞吐量 kbi/s 上行负荷 平均 基本负荷 移动台速度 50kM/h 和 3kM/h 服务用户数 1802 小区 ID 上行吞吐量下行吞吐量 kbi/s kbi/s 上行负荷 小区 小区 小区 小区 小区 小区 平均 软切换开销 0.39 软切换开销 分析最大上行负荷设为 75% 上表中有一些小区负荷低于 75% 相应吞吐量 也低于最大可用值 原因没有足够的话务加到小区上 下表为覆盖率的仿真 结果 表 7-8 覆盖率 基本负荷 移动台速度 3kbi/s 测试移动台速度 3kM/h 50kM/h 8 kbi/s 64 kbi/s 384 kbp 基本负荷移动台速度 50kbi/s 96.6% 84.6% 66.9% 测试移动台速度 3kbi/s 97.7% 88.9% 71.4% 50kM/h 8 kbi/s 64 kbi/s 384 kbp 基本负荷移动台速度 50kbi/s 95.5% 82.4% 63% 测试移动台速度 3kbi/s 97.1% 87.2% 67.2% 50kM/h 8 kbi/s 64 kbi/s 384 kbp 96% 83.9% 65.7% 97.5% 88.3% 70.2% 移动台速度影响吞吐量和覆盖率当移动台以 50kM/h 速度移动时较少服务吞吐量较低导致负荷较高比移动台以速度 3kM/h 移动时同样情况下两者相差 20% 低速移动用户有较好的容量可以由较好的 Eb/No 性能解释快速功率控制可以跟踪快速衰落对于 Eb/N0 的要求就降低整个干扰电平降低越低网络可服务用户就越多 比较覆盖率快速移动用户好于慢速移动用户对于慢速用户快速功率控制 7-59

401 第七章 WCDMA 系统网络规划 需要净空发射功率比特率高速度影响明显因为低比特率覆盖较好处理增益大覆盖测试在规划工具中用测试移动台完成上行完成覆盖以后假设测试手机不影响网络容量 下行覆盖分析不同于上行 在上行限制因素是移动台最大发射功率 下行限 制取决于无线资源管理算法 其一 其二 基站总发射功率 每无线链路的功率限制 图 7-32 表示话音业务下行覆盖分析例从中可以看到每链路功率限制选择正确其覆盖率可以和上行相同因此可以保持上下业务区域平衡 图 7-32 话音业务下行覆盖分析例图 图 7-31 中要求的功率是平均值 而不包括快衰落余量 此例也表明用户特征 的影响 即所用业务和速度 容量方面速度低 提供容量就大 覆盖方面 速度快对快衰落余量要求少 覆盖改善 3G 网络规划工具要考虑覆盖与容量 之间依赖关系 估计所选站点对不同速率的覆盖区域 及确定 RRM 中参数确 定 结论 WCDMA 小区容量全负荷时与小区覆盖半径成反比关系在一定 I/C 条件下缩小小区半径可以提高小区容量本质是克服系统噪声所带来小区容 7-60

402 第七章 WCDMA 系统网络规划 量的损失减少小区容量可以提高覆盖半径当然覆盖范围服从无线覆盖条件合理确定覆盖半径来达到小区必须的容量是小区规划中考虑的问题 小区覆盖中城市和农村对容量的要求是不同的 城市中单位面积话务量要求 高 具有很多热点地区 这种情况下 解决容量问题是主要的 相对应农村 地区 话务量低 主要解决覆盖问题 cdma 系统中软容量特性 正好符合这 种要求 提高单位面积容量可以通过小区分裂多扇区来完成 Cdma 小区更容易实现通过控制导频发射功率的大小动态改变蜂窝小区的覆盖 7.7 3G 网络链路预算及覆盖距离 引言 在一个实际网络中基站的有效覆盖范围不仅取决于基站的有效发射功率和实际传播环境还取决于运营商的覆盖指标要求另外由于基站和移动台的发射功率以及接收灵敏度存在很大差异从而导致上下行实际允许的路径会有所不同而实际有效的覆盖范围将取决于两者的最小值如果上行信号覆盖大于下行信号覆盖那么小区边缘下行信号较弱容易被其它小区的强信号淹没如果下行信号覆盖大于上行信号覆盖那么移动台将被迫守侯在该强信号下但上行信号太弱通信质量受到影响理想情况下两者的覆盖范围应该保持一致 WCDMA 无线网络规划与设计需要进行链路预算通过标准链路预算可以估计小区覆盖范围简单地说链路预算是对一条通信链路中各种衰耗和增益的核算根据计算模型除数据速率和 Eb/N0 等基本假设之外还需要假设电缆损耗天线增益和接收机噪声系数等指标软关切换增益对链路预算有很大影响各种环境都具有自身的特性要进行详细覆盖预测还需要校正因子对于上行链路负荷因子对链路预算的影响由干扰余量表示在链路预算中一般应该考虑不对称业务量 WCDMA 系统可以牺牲上行链路负荷来换取覆盖这是很有用的因为通常是移动台的发射功率限制了最大小区覆盖范围如果下行业务量是上行业务量的三倍那么下行链路负荷为 75% 时上行链路负荷只有 25% 结果与下行链路相比上行链路覆盖将提高 4.8dB 不过下行链路覆盖可以通过增加基站发射功率来的得到扑偿 链路预算分析通过说明通信链路路径上的不同增益和衰耗表明一个通信系统所允许的最大空中路径衰耗在 WCDMA 系统中小区容量与小区半径之间是成反比例关系的在一定的载干比要求下减小覆盖半径可以增加小区容量其本质是克服系统噪声所带来的小区容量的损失因此合理调整覆盖范围和小区容量是小区规划中一个非常重要的方面下几节表示不同情况的链路预算举例 小区链路预算 小区链路预算以具体基站为例 WCDMA 试验网初期建设三个 NodeB 网络 7-61

403 第七章 WCDMA 系统网络规划 组成如图 7-33 所示 NodeB3 NodeB2 NodeB1 图 7-33 WCDMA 组网举例示意图 NodeB1 为全向小区 NodeB2 NodeB3 是 3 扇区定向基站 NodeB1 NodeB2 NodeB3 都具有发分集功能其中 NodeB3 采用两个频点这样整个试验网络包括 WCDMA 几种典型的站型满足试验网目标需要整个网络为单层网结构本网络组织有利于试验切换过程由于是单层网 UE 接入网络简单时间短三个基站连续覆盖保证软切换的成功 NodeB1 天线半功率角全向极化方式单极化天线增益 12dBi NodeB2 NodeB3 天线半功率角 65 度 极化方式 双极化 天线增益 18dBi 1. 全向基站链路预算 根据以上条件利用表格计算链路预算结果如下表 7-62

404 第七章 WCDMA 系统网络规划 反向链路功率预算 Reverse Link Budge Term or Facor Given Dense Urb. Urban Suburban Rural Highway Formula MS TX Power (dbm) (+) 23 MS anenna gain and body loss (+/-) 2.5 MS EIRP (dbm) (+) A Fade Margin, (db) (-) B Sof Handoff Gain (db) (+) C Receiver Inerf. Margin (db) (-) D Building Peneraion Loss (db) (-) E BTS RX anenna gain (dbi) (+) F BTS cable loss (db) (-) G ktb (dbm/14.4 KHz.) H BTS noise figure (db) 6 I Eb/N (db) 5.4 J BTS RX sensiiviy (dbm) (-) H+I+J Survivable Uplink Pah Loss (db) (+) A+B+C+D+E+ F+G-(H+I+J) 前向链路功率预算 Forward Link Budge Term or Facor Given Dense Urb. Urban Suburban Rural Highway Formula BTS TX power (dbm) (+) BTS TX power (was) % Power for raffic channels 74.0% 74.0% 74.0% 74.0% 74.0% Number of Traffic Channels in use BTS cable loss (db) (-) BTS TX anenna gain (dbi) (+) BTS EIRP/raffic channel (dbm) (+,-) A Fade margin (db) (-) B Receiver inerference margin (db) (-) C Building Peneraion Loss (db) (-) D MS anenna gain & body loss (db) (+,-) E ktb (dbm/14.4 KHz.) Subscriber RX noise figure (db) 9.5 Eb/N (db) 6 Subscriber RX sensiiviy (dbm) (-) F Survivable Downlink Pah Loss, db (+) A+B+C+D+ E-F 2. 定向基站链路预算 定向小区根据天线使用 65 增益为 18dBi 单载频配置利用表计算链路预算计算结果如下表所示 7-63

405 第七章 WCDMA 系统网络规划 反向链路功率预算 Reverse Link Budge Term or Facor Given Dense Urb. Urban Suburban Rural Highway Formula MS TX Power (dbm) (+) 23 MS anenna gain and body loss (+/-) 0 MS EIRP (dbm) (+) A Fade Margin, (db) (-) B Sof Handoff Gain (db) (+) C Receiver Inerf. Margin (db) (-) D Building Peneraion Loss (db) (-) E BTS RX anenna gain (dbi) (+) F BTS cable loss (db) (-) G ktb (dbm/12.2 KHz.) H BTS noise figure (db) 4 I Eb/N (db) 5.4 J BTS RX sensiiviy (dbm) (-) H+I+J Survivable Uplink Pah Loss (db) (+) A+B+C+D+E+ F+G-(H+I+J) 前向链路功率预算 Forward Link Budge Term or Facor Given Dense Urb. Urban Suburban Rural Highway Formula BTS TX power (dbm) (+) BTS TX power (was) % Power for raffic channels 74.0% 74.0% 74.0% 74.0% 74.0% Number of Traffic Channels in use BTS cable loss (db) (-) BTS TX anenna gain (dbi) (+) BTS EIRP/raffic channel (dbm) (+,-) A Fade margin (db) (-) B Receiver inerference margin (db) (-) C Building Peneraion Loss (db) (-) D MS anenna gain & body loss (db) (+,-) E ktb (dbm/14.4 KHz.) Subscriber RX noise figure (db) 9.5 Eb/N (db) 6 Subscriber RX sensiiviy (dbm) (-) F Survivable Downlink Pah Loss, db (+) A+B+C+D+ E-F 链路预算与基站的使用组态有关不同天馈不同载频不同分集方式计算结果是不同的这将影响小区覆盖范围估计 小区覆盖 WCDMA 试验网覆盖范围的规划以对称业务为主要考虑对象非对称业务服从覆盖设计要求在进行覆盖设计时必须考虑路径损耗对小区覆盖范围的影响在无线通信环境中信号的无线传播环境非常复杂因此应结合具体的地物地貌分析信号传播情况 根据 3G 移动通信对频带的需求 WCDMA FDD 核心频段为上行 1920MHz 1980MHz 下行 2110MHz 2170MHz 根据该频段的传播特性覆盖预测模型建议采用如下 对市区宏蜂窝可以采用 Okumura-Haa 模型 信号传播路径损耗预测公式为 7-64

406 第七章 WCDMA 系统网络规划 Lu (db) = log(f) log(hb) - a(hm) +[ log(hb)] log(d) + Cm 其中 a(hm) =[1.1 log(f) - 0.7] Hm -[1.56 log(f) - 0.8] 对中等城市 Cm 取 0 大城市 Cm 为 3dB 对于城市郊区及农村需要对该模型进行相应的修正 郊区环境的路径损耗为 Lrqo (db) = Lu [log(f)] log(f) 农村环境的路径损耗为 Lro (db) = Lu [log(f)] log(f) 微蜂窝小区环境 采用 COST 231 Walfish-Ikegami 模型 信号传播路径损耗预测计算公式为 Lb = log(d) + 20 log(f) 在不同的实际环境中通过采用适当的传播模型确定各种典型情况下的小区覆盖并结合容量需求确定整个网络的基站布局通过仿真工具模拟系统在一定条件下估计覆盖距离基站最大发射功率 20W 没有考虑线性功放合成使用衰落余量取 7.63dB 分集增益 3dB 软切换增益 4dB 业务信道占用功率 75% 发分集 2 载频的情况下每天线的功率为 10W 没有考虑功放的合并使用考虑试验网初期以话音业务为主在试验网中用户数不是很多根据研究在小负荷的情况下上行是影响覆盖的主要方面仿真计算以上行为基础 NodeB2 为 3x1 配置单载频发分集覆盖范围结果如表 7-9 所示 表 7-9 NodeB2 覆盖范围结果表 密集市区 市区 郊区 乡村 高速公路 环境校正 db 覆盖半径 km NodeB3 为 3x2 配置 两载频发分集 采用功率合并技术 覆盖范围结果如表 7-10 所示 7-65

407 第七章 WCDMA 系统网络规划 表 7-10 NodeB3 覆盖范围结果表 密集市区 市区 郊区 乡村 高速公路 环境校正 db 覆盖半径 km NodeB1 为 1x1 配置单载频发分集覆盖范围在市区达到 1 公里左右以上估计计算已经考虑 20dB 的穿透衰耗在大规模商用时下提高广覆盖可以采用直放站微蜂窝分布天线系统将覆盖延伸快速解决问题 本次试验网为了保证室内覆盖在密集市区 NodeB1 NodeB2 NodeB3 间距选 米在一般市区 NodeB1 NodeB2 NodeB3 间距选 米 7-66

408 目录 第八章 3G 业务及其实现 概述 G 业务分类 G 业务特征 G 业务管理 G 业务实现的演进 G 业务的详述 基本电信业务 补充业务 承载业务 智能业务 位置业务 多媒体业务 其他业务热点 G 业务模式和工具 VHE OSA CAMEL MExE SAT G 业务举例 位置业务 MMS 业务 图 8-1 VHE 关系图 图 8-2 OSA 的体系图 图 8-3 CAMEL 的电路交换部分功能结构 图 8-4 MExE 应用结构图 图 8-5 SAT 应用环境结构图 图 8-6 LCS 业务体系结构图 图 8-7 位置业务 LCS 流程示例图 图 8-8 MMS 体系结构 图 8-9 MMS 流程示例图 i

409 图 8-10 MMS 接口列举 ii

410 第八章 3G 业务及其实现 第八章 3G 业务及其实现 8.1 概述 G 业务分类 基本电信业务包括语音业务紧急呼叫业务短消息业务 补充业务与 GSM 定义的补充业务相同 承载业务包括电路型承载业务和分组型承载业务 智能业务从 GSM 系统继承的基于 CAMEL 机制的智能网业务 位置业务 与位置信息相关的业务 如分区计费 移动黄页 紧急定位 等 多媒体业务包括电路型实时多媒体业务分组型实时多媒体业务非实时存贮转发型多媒体消息业务等 以上只是大致分类实际上这些业务类之间可能有交叉如分区计费既是位置业务又是智能业务 G 业务特征 3G WCDMA 的业务从 2G GSM 继承而来 在新的体系结构下 又产 生了一些新的业务能力 所以其支持的业务种类繁多 业务特性差异很大 总体上有如下特征 对于语音等实时业务普遍有 QoS 的要求 向后兼容 GSM 上所有的业务 引入多媒体业务的概念 G 业务管理 3G 的业务管理已经受到重视 在符合 ITU 的业务管理模型的前提下 应当考 虑以下原则 业务管理应基于统一平台分散构造的思路 业务管理应适应运营商可运营可管理的需要 8-1

411 第八章 3G 业务及其实现 G 业务实现的演进 3G 的业务完全包含 2G 的业务对于 2G 上原有的电路交换型业务初期主要在 CS 域实现而 PS 域上主要实现数据业务随着网络的演进各种业务逐步统一到 PS 域包含 IMS 子系统上实现 8.2 3G 业务的详述 基本电信业务 语音业务对于电路交换语音业务其 QoS 有保证不需另外提供保障机制对于分组交换语音业务需要提供专门的 QoS 保障机制 紧急呼叫属于传统业务用户可以不受网络鉴权的限制发起对特定紧急服务号码的呼叫除此之外还包括 GTT 全球文本电话业务 短消息业务包括点对点移动终止 MT 短消息业务点对点移动发起 MO 短消息业务小区广播型短消息业务 电路型传真业务包括交替话音和 G3 传真自动 G3 传真业务 补充业务 增强的多级优先和预占增强的多级优先和预占 emlpp2 呼叫偏转呼叫偏转 CD 呼叫偏转是一种特殊的呼叫前转忙呼叫前转 是由用户而不是网络决定的移动用户 号码标识主叫线识别显示 CLIP 主叫线识别限制 CLIR 连接线显示 CoLP 连接线限制 CoLR 呼叫前转无条件呼叫前转 CFU 移动用户忙呼叫前转 CFB 无应答呼叫前转 CFNRy 移动用户不可及前转 CFNRc 呼叫完成呼叫等待 CW 呼叫保持 HOLD 在用户通话 A-B 过程中如果又有呼叫到通话方 A A 可以选择接听新的呼叫此时原有的呼叫保持 A 处于呼叫保持状态而原有的呼叫的另一方 B 此时处于呼叫等待状态 A 可以多次切换使与其通话的两方交替处于呼叫保持状态 多方会话多方会话 MPTY 选择通信闭合用户群 CUG 用户到用户会话用户 / 用户信令 UUS 8-2

412 第八章 3G 业务及其实现 计费计费信息建议 AoCI 计费建议 AoCC 呼叫限制呼出限制 BAOC 国际呼出限制 BOIC 归属国外国际呼出限制 BOIC-exHC 呼入限制 BAIC 国外漫游呼入限制 BIC-Roam 地区呼出限制 BOZC 归属地区外地区呼出限制 BOZC-exHC 额外速率呼出限制 BOPC 运营商闭锁业务 ODB 此种业务与呼叫限制类似只是除了以上的呼叫限制业务以外还可以自定义闭锁业务的类型 呼叫转移直接呼叫转移 ECT 直接呼叫转移同呼叫前转不同的是直接呼叫转移在呼叫中发生转移而呼叫前转是在呼叫前发生转移直接呼叫转移同呼叫等待 / 呼叫保持不同的是直接呼叫转移在呼叫转移后原有的呼叫结束而呼叫等待 / 呼叫保持在转移后不结束原有呼叫处于保持状态 用户忙呼叫完成用户忙呼叫完成 CCBS 名字标识主叫名显示 CNAP 承载业务 移动上网主要是利用承载业务来实现 (1) 电路型数据承载业务 异步电路型数据承载业务 同步电路型数据承载业务 (2) 分组型数据承载业务 智能业务 基本电路交换呼叫的 CAMEL 控制业务 可以实现对呼叫的计费 鉴权等功能 GPRS 的 CAMEL 控制业务 可以实现 GPRS 承载的计费 鉴权等功能 USSD 的 CAMEL 控制业务 SMS 的 CAMEL 控制业务 8-3

413 第八章 3G 业务及其实现 可以实现对短消息 SMS 的鉴权计费转移等功能 移动性管理的 CAMEL 控制业务 位置信息的 CAMEL 控制业务 位置业务 位置业务是一种比较特殊的业务是移动网上的一种特色服务商业价值很大种类十分丰富在 3G 领域由于定位精度的提高和开放体系结构的采用其吸引力十分令人注目被认为可能是 3G 的代表性应用 业务分类 公共安全业务 美国将从 2001 年 10 月 1 日开始提供增强紧急呼叫服务 Enhanced Emergency Services FCC 联邦通信委员会规定无线运营公司必须提供呼叫者位置经度和纬度的估算值其精度在 125 米以内在 67% 的估算值中或者低于用根均方值的方法所得的结果该类业务主要由国家制定的法令驱动属于运营商为公众利益服务而提供的一项业务业务的开通无需用户申请对于运营商而言无利润可言但可以提升运营商的形象并且提供此类业务是移动通讯技术进步的必然结果除了紧急呼叫之外还有路边援助车辆在公路上发生故障也可以进行报障定位自动事故报告车辆运行时发生事故检测设备侦测到之后可以进行自动报告并提供地点等信息 基于位置的计费 特定用户计费用户可以设定一些位置区为优惠区在这些位置区内打 / 接电话能够获得优惠 接近位置计费惠 主被叫双方位于相同或者相近的位置区时双方可获得优 特定区域计费 通话的某一方或者双方位于某个特定位置时可以获得优 惠 用以鼓励用户进入该区域 如购物区等 跟踪业务电话簿 可以表示同事及朋友的位置 线路忙闲等 资产管理业务 可以对用户的资产的位置进行定位 从而实现动态的实时管理 增强呼叫路由 Enhanced Call Rouing 增强呼叫路由 ECR 允许用户的呼叫根据其位置信息被路由到最近的 8-4

414 第八章 3G 业务及其实现 服务提供点用户可以通过特定的接入号码来完成相应的任务如用户可以输入 427 GAS 表示要求接入到最近的加油站此项业务可以被连锁经营的企业使用比如加德士 KFC 等等由这些公司申请专用的接入号码或者在同类如加油站类接入号码中被优选对于银行业务用户可以通过 ECR 获得最近的银行信息或者提款机信息等 基于位置的信息业务 Locaion Based Informaion Services 基于位置的信息业务可以让用户获得使用其位置信息进行筛选之后的信息以下是一些可以应用的例子城市观光提供旅游点间的方向导航或根据位置指示附近旅游点查找最近的旅馆银行机场汽车站休息场所等定点内容广播可以向特定区域范围内的用户发出信息主要应用是广告类业务比如向某商场附近范围内的用户发出该商场的商品广告用以吸引顾客同时还可以针对用户进行筛选比如某港口管理机构可以向港口区域内的工作人员发出调度信息也可以提供向导信息如向观光园区内的游客发出各种活动安排等等 移动黄页 移动黄页同 ECR 类似但它指示按照用户的要求提供最近的服务提供点的联系方式如顾客可以输入词条餐馆用来进行搜索并且可以输入条件如中餐 3 公里之内等进行搜索匹配输出的结果可以是联系电话或者地址等等 网络增强业务 Nework Enhancing Services 该类业务尚待定义 目前可以考虑的是合法监听 多媒体业务 在 3G 中的多媒体业务首先发展的将是分布式的多媒体业务语音业务由于所需的带宽较少将首先发展起来尤其是压缩率高的 MP3 将广泛应用而视频业务出现应用的首先是基于低码率小图像的 MPEG4 制式的单向视频应用如实时的广告业务或电影的片段公告 业务的分类描述 电路型实时多媒体业务 在电路域上实现的多媒体业务 主要使用 H.324/M 协议实现 分组型实时多媒体业务 在分组域上实现的多媒体业务 主要使用 SIP 协 议实现 非实时多媒体消息业务此种业务称 MMS 属于短消息业务的自然发展它使用户可以发送或接收由文字图象动画音乐等组成的多媒体消息为了保持互操作性它必须兼容现有的多媒体格式 8-5

415 第八章 3G 业务及其实现 其他业务热点 PUSH 业务 PUSH 业务是网络在特定事件的触发下或定时向用户推送信息的业务 PUSH 业务在分组域上有重要意义 其能力和机制一直是业务研究的重点 Push Server 向用户主动推送信息如天气预报股票信息新闻信息广告业务交通信息以及用户定制的其它信息 Push 业务能够与位置业务结合充分体现移动数据业务的优势 Push 业务的实现需要 Push Proxy GGSN PDNS Packe DNS 等几种设备 的支持 PORTAL 业务 PORTAL 业务是基于 PUSH 业务的门户业务 用户上网时网络推出门户页面对于运营商可以从页面中获得广告费用对于用户可以傻瓜式接入同时还可以免费获得一些公用信息如天气交通股市行情等 进一步增强该业务 手机用户可以点击页面选择 ISP 或者接入企业网 避免 繁琐的输入操作 PRESENCE 业务 PRESENCE 业务是一种根据用户所处的状态或场景的不同务如位置业务采用不同的处理方式的一种业务 对呼叫或其他业 PRESENCE 业务与其他业务如位置业务多媒体业务互相交叉为用户提供丰富的个性化的业务 PRESENCE 业务对用户的吸引力在于其个性化和适应用户所处状态的特点 8.3 3G 业务模式和工具 3G 业务模式与工具是用于支撑业务实现的定的机制 这些机制包括以下几种 VHE VHE 是表达可跨越网络界限和终端类型的个人业务环境的概念 VHE 的含义在于无论什么样的网络和终端无论在哪里只要被网络定位用户就可以使用相同的个人特性呈现个人习惯的界面和业务 VHE 提供给个人业务环境的内容包括 个性化业务 8-6

416 第八章 3G 业务及其实现 个性化用户接口需要终端支持 VHE 的标准应有足够的灵活性 可以用于未来所有类型的网络 同时为目前 现有网络的演进提供一种框架 VHE 的标准应具有全局意义 可以实现业务 与具体位置无关 并提供以下功能 为未来网络提供通用的业务接入 被未来网络支持 业务生成 个人业务环境的恢复如用户设备丢失或损坏 图 8-1 是 VHE 关系图 包括以下角色和成分 归属环境 Home Environmen 用户 Users 潜在的增值业务供应商 Value Added Service Provider 个人业务环境 Personal Service Environmen 用户描述 User Profiles USER Value Added Service Provider Personal Service Environmen Conains 1:N User Profile Provided and Conrolled by Home Environmen N:N HE Value Added Service Provider 图 8-1 VHE 关系图 归属环境 HE 用一致的方式提供和控制用户的业务用户的个人业务环境 PSE 是一个业务和个性化信息用户描述文件中描述的组合一个用户根据不同情况不同需要采用多个用户描述文件管理自己的通信例如在工作中在车中在家里等用户需要不同的业务这些业务具有个性化特征 HE Home Environmen 提供给用户的业务在管理上可能需要与 HE VASP HE- Value Added Service Provider 配合不过对用户是透明的一 8-7

417 第八章 3G 业务及其实现 个业务可以有多个 VASP 提供 一个 VASP 也可以提供多个业务 OSA OSA 为业务的开发提供开放的接口是 VHE 的一种实现由于未来用户对业务的需求越来越多要求的速度越来越快为了能够快速有效提供业务向第三方提供网络能力的接入 OSA 提供对网络能力的开放接口 图 8-2 为 OSA 的体系结构图 Applicaion server discovery Applicaion OSA inerface Open Service Archiecure framework User Locaion Call conrol Service capabiliy server(s) Inerface class HLR CSE WGW WPP Servers E.g. Locaion server MExE server SAT server 图 8-2 OSA 的体系图 表现网络能力的业务能力特征集 SCFs 通过业务能力特征服务器 SCS 对外提供 OSA 的开放接口业务开发者通过业务开发工具组合不同的 SCF 实现新的业务 OSA 采用面向对象技术 CORBA 不同的业务能力服务器将不同的特征以适当 的形式表达 应用和 SCS 之间接口采用 CORBA IDL CORBA Inerface Descripion Language 业务逻辑只需调用 OSA 接口 API 具体的功能执行 由具体的网络实现 与业务逻辑隔离 OSA 分为三部分 Applicaions 指具体的应用如 VPN PPS 位置类业务多方会议等具体应用的执行由应用服务器 Applicaion Server 完成 Framework 为 Applicaions 调用业务能力特征提供基本的机制框架业务能力特征集提供的业务能力特征有鉴权授权登记发现通知等在 Applicaions 通过业务能力特征服务器使用具体网络功能之前需要在 Applicaions 和 Framework 之间进行鉴权鉴权通过后发现业务能力特征允许 Applicaions 发现提供具体调用网络能力特征的服务器 SCS SCS 向 Applicaions 提供具体的业务能力特征如呼叫控制用户位置定位等相似的业务能力特征可能由多种业务能力服务器提供如 CAMEL 和 MExE 都可提供呼叫控制 8-8

418 第八章 3G 业务及其实现 OSA 业务能力特征定义了一系列的接口类和方法 其中接口类分为 2 组 framework inerface classes 框架接口类用于描述框架类方法 nework inerface classes 网络接口类用于描述业务能力服务器 SCS 类方法 接口类可以进一步细分 如呼叫控制接口类还包括呼叫创建方法 CAMEL 图 8-3 为 CAMEL 的电路交换部分功能结构 其他部分的功能结构类似 Home Nework HLR MAP gsmscf MAP CAP MAP CAP gsmssf VLR gsmssf Incoming line GMSC MAP Roaming leg MSC MS Inerrogaing Nework Forwarded leg CAP MO call - Ougoing leg (or Forwarding leg) Visied Nework gsmsrf Home/Inerrogaing/Visied Nework 图 8-3 CAMEL 的电路交换部分功能结构 CAMEL 是一种提供除标准 GSM 或 3G 业务以外的运营商特定业务的机制的工具这种工具甚至可以使用户在 HPLMN 归属网以外也能得到相应服务如一个用户可以在不是其归属的运营商的网络中得到服务它并非补充业务也不涉及紧急呼叫可以说 CAMEL 特征是一种网络特征 CAMEL 主要是体现交换与业务的分离其基本思想是交换机仅完成最基本的接续功能而所有智能业务的控制均由另一个网络层即智能网来完成即业务与交换的分离其中业务交换部分 SSF 完成交换功能将呼叫中的各种事件向业务控制部分 SCF 报告并可能将呼叫挂起等待业务控制部分的进一步指示这些事件的触发点称为检测点 DP 业务控制部分完成业务逻辑控制功能 CAMEL 的机制实质就是 SCF 与 SSF 之间的控制机 8-9

419 第八章 3G 业务及其实现 制 CAMEL 特征包括 移动发起和前转呼叫 移动终止呼叫 任意时间协商 活动位置信息检索 声明抑制 宽带用户交互声明 计费特征 补充业务调用通知 USSD 与 gsmscf 的交互 北美承载选择 移动性管理事件通知 受限 MO 呼叫的 CLIP Calling Line Idenificaion Presenaion 指示的变化 本地业务区服务 签约被叫业务 服务网络被叫业务 移动发起的短消息服务 移动终止的短消息服务 GPRS 数据传输 移动性管理 签约信息变化后对 CSE 的通知 任意时间修改 任意时间签约信息协商 VMSC 和终止 AoC 的 T-BCSM 位置业务互联 多签约用户描述 活动位置检索 呼叫时隙 8-10

420 第八章 3G 业务及其实现 CPH 处理 MExE MExE 为 MS 提供了一种标准化的执行环境而 MSE MExE Service Environmen 不局限于 PLMN 提供 MExE 服务的节点即 MExE 服务器可以位于 PLMN 之外 MExE 需求在 GSM 和 3G 系统中都可应用 图 8-4 为 MExE 应用结构图 MExE Service Environmen MS MExE Scope of his TS 图 8-4 MExE 应用结构图 MExE 实质上是 MS 功能的扩充支持应用独立于 MS 平台进行开发网络不一定是 MExE 业务供应商它也可能是 MS 和 MSE 之间的一个传输载体起管道作用在 MSE 中和 MS 进行信息交互的通信实体可以是网络节点网络之外的节点也可以是 MS 实现 MExE 的技术有 WAP 和 Java 技术前者称为 MExE Classmark1 后者包括 MExEClassmark2 和 MExEClassmark3 从用户的角度来说 MExE 终端要能提供个性化的界面和业务管理功能从 MExE 业务供应商的角度来说 MExE 业务供应商应能提供应用程序 applicaion Java 小程序 apple 和各类数据和信息 conen 在 MExE MS 和 MExE 业务供应商之间的传递以及与服务相关的信息如版本确认 MExE MS 的能力在 MExE MS 和 MExE 环境的交互中保护用户的私有数据 MS 应用执行环境的需求为了实现 MExE 服务要求 ME SIM/USIM 的结构能不受厂商的限制在标准环境中支持 MExE 服务为了广泛适应不同的显示和输入能力的 MS MExE 标准应兼顾标准的 Inerne 标记语言和为小型显示器和低带宽承载优化的内容描述语言如 WAP 另外还要求定义一个标准字符集以及使用它的用户和应用的能力 8-11

421 第八章 3G 业务及其实现 SAT SAT 提供了一套标准的执行环境运行存储在 SIM 卡上的具体应用并充分利用 现有移动设备支持的功能 SAT 提供了一种机制允许应用存储到 SIM 卡 与 移动设备 ME 进行交互操作 SIM 与 ME 之间的互操作性独立于厂商和操作者 并提供一种机制允许应用下载及修改 图 8-5 为 SAT 应用环境结构图 PLMN ME SAT Server(s) GSM SIM SAT Scope of his TS 图 8-5 SAT 应用环境结构图 SAT 执行环境包括 ME SIM 扩展了标准 MS 和 PLMN 的能力而 SAT 服务器 SAT Server 是提供应用下载的应用服务器 SAT 是在原有的 2G 网络上提供的一种独立于 MS 的提供业务的方法在 3G 领域更趋完善它比 MExE 更为具体但是其提供的功能的能力和范围都不及 MExE 8.4 3G 业务举例 位置业务 图 8-6 是实现位置业务的体系结构图在此图中引入了一些新设备其中 GMLC 充当位置信息的网关 又称 LCS Server SMLC 负责位置信息的计算和转换 它的功能由 RNC 实现 对于 HLR 它可以根据需要拒绝某些 LCS CLIENT 的访问 如不在网络内部 的功能实体 8-12

422 第八章 3G 业务及其实现 GMLC/HLR LCS CLIENT NODE B RNC(SMLC) MSC/SGSN MS 图 8-6 LCS 业务体系结构图 图 8-7 是一个我在哪里的业务流程示例图其中 RNC NODE B 不直接参与此业务流程它们将配合计算出位置信息并将信息提供给 MSC/SGSN APPLICATION 指位于网络外的提供业务的应用系统 MS APPLICATION GMLC MSC/SGSN 我在哪里询问位置 询问位置 询问位置响应 询问位置响应 返回查询的 地理信息 图 8-7 位置业务 LCS 流程示例图 MMS 业务 MMS 是非实时多媒体消息业务属于第三代消息系统 MMS 可以作用在不同类型的网络并集成已经存在的消息系统终端在 MMS 业务环境中使用该环境包括 3G 和 2G 网络 MMS 业务环境 MMSE 包含所有必须的业务单元如传送存储通知功能这些业务单元可以在一个网络内也可以分 8-13

423 第八章 3G 业务及其实现 散在不同网络中 在图 8-8 中为虚线所示范围 各 MMS 业务单元描述 MMS 用户代理 MMS User Agen 为用户设备上的 MMS 功能部分 MMS 中继 MMS Relay MMS 中继在 MMS 用户代理和 MMS 服务器之间充当桥梁的作用能够消除不同服务器不同网络之间的差别 MMS 服务器 MMS Server MMS 服务器负责存储处理消息在一个 MMSE 中可以包含多个 MMS 服务器比如 MMS-Server Server SMS Server FAX Server 等 MMS 用户数据库由 MMS 签约信息库 MMS Subscripion Daabase MMS 描述信息库 MMS Profile Daabase 归属位置寄存器 HLR 组成 媒体类型转换器 Media Type Converers 负责各种媒体之间的信息类型的转换此种实体可以根据情况选择 图 8-8 MMS 体系结构 图 8-9 是用户代理向 INTERNET 发送一条多媒体消息的流程示例图 8-14

424 第八章 3G 业务及其实现 USER AGENT RELAY/Server USERDATA INTERNET 消息 获取信息 信息响应 消息 图 8-9 MMS 流程示例图 8-15

425 目录 第九章 3G 网络管理 概述 G 网管与 2G 网管的思路的不同点 G 电信网络管理特点 目前网管解决方案 网管技术趋势 G 网管的参考模型和接口 UMTS 管理参考模型及接口 G 网管接口参考模型 G 电信网络管理的组网方式... 图 9-1 UMTS 管理参考模型图... 图 9-2 网络通过设备管理层管理网元的情况示意图... 图 9-3 网络直接管理网元的情况示意图... 图 9-4 网络管理功能结构示意图... 图 9-5 一般组网方式示意图... 图 9-6 典型组网方式示意图 i

426 第九章 3G 网络管理 第九章 3G 网络管理 9.1 概述 按照 TMN 管理框架 WCDMA 系统网络管理分为网元管理层网络管理层业务管理层和商务管理层网管今后的发展趋势是趋近于一个多管理层综合考虑的解决方案而且管理侧重网络管理业务管理和企业管理网元管理功能逐渐嵌入到设备中去 不管是综合考虑还是分管理层考虑网管的解决方案首先要研究清楚的都是各管理层的管理功能信息模型和上下互通接口的标准化并逐渐将研究中心向上层移动研究中心的上移会影响研究方式的改变 TMN 管理框架一般采用从下向上的设计思想所以 TMN 在网元管理层和网络管理层有一套非常稳定的规范 TMF 组织提供从上向下的设计思想对高层管理层提出了一套比较有效的规范建议 在高层管理层中网管系统为运营商和最终用户提供客户化的管理网络管理不再是简单的网络设备操作维护广义上还要包括在新的商业模式下的网络优化规划决策管理业务服务支撑管理客户服务中心以及客户关系管理 3G 网络管理的建立很大程度参考了 3GPP 32 系列协议关的常用协议 以下是一些与网管相 协议 主要描述 3G 电信管理的基本原理和需求 协议 主要描述 3G 管理框架 协议 主要描述 3G 性能管理 协议 主要描述 3G 计费 协议 主要描述 3G 配置管理 协议 主要描述 3G 故障管理 协议 主要描述 3G 安全管理 安全框架 协议 主要描述 3G 安全管理 安全导引 9.2 3G 网管与 2G 网管的思路的不同点 (1) 对于 2G 和 3G 系统的网络管理和需求是没有显著不同的以下的问题对于 2G 和 3G 网管系统都同样要面临 具有管理同一系统中不同厂家设备的能力 9-1

427 第九章 3G 网络管理 能够减小 UMTS Universal Mobile Telecommunicaions Sysem 管理的复 杂性 能够在 UMTS 网元与网管之间以及网管系统自身之间通过标准接口进行通讯 能够降低 UMTS 网络管理的费用以减少其在网络运营成本中的比重 提供灵活配置能力允许新业务迅速开展 提供综合故障管理功能 通过远程维护减轻维护负担 能够在费用较低的情况下平滑扩容 能够最大限度利用现有资源 提供良好的安全管理功能 提供灵活的计费管理功能 能够提供好的性能管理功能使运营者能够很好地规划网络 (2) 在以下方面 2G 和 3G 网管不尽相同 3G 网管与 2G 网管基于的参考模型不同 3G 网管增加了对 ATM 宽带交换的管理功能以及对 3G 网络的性能分析 由于 3G 设备比 2G 设备能够提供更大的带宽所以 3G 网管具有更加丰富的业务管理能力 3G 网管增加了对数据业务的计费功能 3G 网管与 2G 网管对外接口接口不同 2G 主要是 Q3 接口 3G 比较认可 CORBA 接口 9.3 3G 电信网络管理特点 网管部分作为与用户接口 完成网络管理和设备维护功能 整个系统包括了 配置管理 故障管理 性能管理 计费管理 安全性管理和用户管理等几大 部分 根据 协议 UMTS 网络管理的核心框架包括 为用户提供服务 必要的基础设施确保以上服务 保证设施正常运转 包括提供 操作 服务质量评估 故障处理与报告 等 9-2

428 第九章 3G 网络管理 计费 目前网管解决方案 就目前网管解决方案来看 以下趋势值得我们关注 1. 集成管理 多数厂商提供的网管系统提供了很强的集成能力表现在域内不同层次网管的集成如网元管理网络管理业务管理和事务管理在解决方案上的集成方便用户使用跨域集成通过界面或平台的统一达到集成的目的总的来说网管将从多座位转到单座位 2. 以业务管理为中心 以前的网管系统有从设备管理到业务管理的方向性主要是 TMN 的思想现在一个明确的趋势是以业务管理为核心的构造突出网管在业务管理的核心作用 3. 策略管理 传统的网管是 配置型 的 这种机制的缺点是不够直观 在伸缩性上欠缺 在粒度控制上比较死板 现在的方向是策略 规则 管理 与目录机制相配 合有望解决这些问题 4. Web 网管 使用 Web 浏览器作为客户端的管理模式越来越受到重视 Web 的网管系统 各厂商多推出基于 5. 客户化网络管理 CNM 随着业务批发和业务外包运营模式的兴起客户需要能管理他们自己的设备网络和业务客户化网络管理即是针对用户的这一需求应运而生 6. OSS 集成 为提高运营效率运营商普遍采用自动的运营支持系统以提高定单响应速度减少开销 7. 多厂商集成方案 各厂商对于多厂商集成管理都有自己的方案存在问题但这个问题必然要得到解决 但目前各厂商间的具体互通还 9-3

429 第九章 3G 网络管理 8. 总体网管界面风格基本成型 左树右图列表 切分窗口集成的概念 整个视图使用选项卡 大量采用 IE 风格的 Toolbar Oulook 风格的主界面基本采用以 Windows 9x 代表的界面方案 UNIX 平台 网管技术趋势 就目前网管技术来看 网管发展有以下趋势 基于 WEB/JAVA 的客户端应用已经较为普遍 基于 CORBA 实现的系统被认同 基于 UNIX 操作系统的网管系统仍然是主流在业务管理维护领域则更多的是在 PC 机 /Windows 平台上完成基于 LINUX 的系统没有看到 网管应用多极化产品形态多元化在网络管理高层展示出的广阔的市场空间已经有若干厂商涉足并推出实际系统 在宽带领域 厂商的设备基本采用通信协议多为 SNMP V1 V2 这充分体现 在 SNMP 协议在 IP 数据通信网络管理中的确 一枝独秀 同时结合各厂 家在城域网所宣传和展示的产品 也可以说在城域网领域 SNMP 是城域网 网管各协议中占绝对优势的协议 9.4 3G 网管的参考模型和接口 WCDMA 3G 网络又称为通用移动通信系统 UMTS 一个 UMTS 由下列组 件构成 一个或多个接入网络可能使用不同的接入技术 GSM UTRA DECT PSTN ISDN 一个或多个核心网络 服务类型不定 GSM UMTS ISDN IP ATM 一个或多个智能节点网络用于逻辑和移动性管理 IN GSM 一个或多个传输网络 PDH SDH 等使用不同的拓扑结构点对点环点到多点及不同的物理介质电磁波光纤铜线 在这些 UMTS 组件之间存在着信令连接机制 V5 A DSSI INAP MAP #7 RSVP 从业务的角度来看 UMTS 被定义为 在具体环境中提供在承载 bearer 能力范围之内的与位置接入技术 9-4

430 第九章 3G 网络管理 和核心网络无关的服务支撑 提供和支撑所需服务实体无关的用户与终端用户与网络之间的接口 提供支持多媒体的能力 UMTS 管理参考模型及接口 如图 9-1 所示为 UMTS 管理参考模型之间的接口 同时显示了 UMTS 操作系统与其它系统 UMTS Organisaion A Organisaion B Enerprise Sysems same role LLA oher role UMTS Managemen Sysem Managemen Sysem NE1 NE2 NEn NE3 Nework Elemens 图 9-1 UMTS 管理参考模型图 图 9-1 中标识出了一系列 UMTS 网络管理接口 分别是 (1) 单个 UMTS 运营商内部的 NE 与操作系统间的接口包括 网元与网元管理层之间的接口 网元管理与网络管理层之间的接口 (2) 在单个 UMTS 运营商内部的操作系统与企业系统之间的接口 (3) 在不同 UMTS 运营商操作系统之间的接口 (4) 单个 UMTS 运营商内部的操作系统的内部接口 9-5

431 第九章 3G 网络管理 G 网管接口参考模型 网管接口 If-N 可以是 NM 与 EM 的接口或者是 NM 直接与 NE 的接口如图 9-2 图 9-3 所示 NM EM NE If-N Noificaion IRP Basic CM IRP Alarm IRP Performance IRP 图 9-2 网络通过设备管理层管理网元的情况示意图 NM NE If-N Noificaion IRP Basic CM IRP Alarm IRP Performance IRP 图 9-3 网络直接管理网元的情况示意图 If-N 接口是标准化的 采用从上至下 过程驱动的建模方法 首先建立与协 议无关的标准的信息模型 信息模型分为静态的网络资源模型和动态的信息 交互定义 最后再将信息模型映射到基于标准的应用协议上 按照 3GPP 的规 定 标准的应用协议可以是 CMIP CORBA SNMP 等几种协议中的一种或 几种 其结构如图 9-4 所示 9-6

432 第九章 3G 网络管理 Informaion model - Informaion Service - operaions and noificaons visible over he IRP. - Nework Resource Model (NRM) wih MO classes ( in UML) Proocol Independen SNMP Soluion Se LDAP Soluion Se WBEM Soluion Se CORBA Soluion Se CMIP Soluion Se Proocol specific 图 9-4 网络管理功能结构示意图 9.5 3G 电信网络管理的组网方式 3G 电信网络管理的一般组网方式 如图 9-5 所示 网元 网元 拨号服务器 PSTN LAN M2000 服务器 操作台 支持 E1 DDN X.25 帧中继等灵活的组网方式 支持远程拨号维护 网元 E1 DDN X.25 帧中继 图 9-5 一般组网方式示意图 典型组网方式如图 9-6 所示 9-7

433 第九章 3G 网络管理 BSC MSC 区域 1 网管中心 RWS M2000 服务器 区域 3 GPRS 路由器 路由器 RWS RWS 路由器 RWS Adaper Adaper RWS MSC/BSC HLR 区域 2 DDN/E1 区域 4 GMSC MSC 路由器 路由器 其它网 RWS Adaper Adaper RWS RWS: 远程操作台 Adaper: 适配模块 图 9-6 典型组网方式示意图 9-8

434 目录 第十章 3G 计费 G 计费的体系结构 SGSN 和 GGSN CGF 计费中心 GTP' 协议介绍 各种情况下的计费方式 图 G 计费的体系结构 图 10-2 作为单独的网络节点的 CG 实现方式 图 10-3 作为功能模块的 CG 实现方式 图 10-4 CGF 的通讯协议 图 10-5 GTP 协议结构 图 10-6 手机访问 PDN 网络的计费方式 图 10-7 手机到手机的计费方式 图 10-8 PDN 网络访问手机的计费方式 图 10-9 漫游手机访问 PDU 的计费方式 i

435 第十章 3G 计费 第十章 3G 计费 说明 3G 电路域的计费原理和 2G 基本一致因此本章仅介绍 3G 分组域的计费以下的 3G 计费原理遵守 3GPP TS V 规范 G 计费的体系结构 3G 计费的体系结构如图 10-1 所示 10-1

436 第十章 3G 计费 Daa Nework (Inerne) Iner-PLMN Nework Gi Gp PS Domain GGSN G-CDR CDR SCF Gn Ga CGF CDR Billing Sysem Ga CDR CAP SGSN M-CDR S-CDR S-SMO-CDR S-SMT-CDR Gb IuPS BSS RNS BSC RNC BTS BTS Node B Node B Um Uu MS 图 G 计费的体系结构 上图中 和计费直接相关的各部分说明如下 SGSN 和 GGSN 负责产生计费数据 CGF (1) 负责收集 SGSN 和 GGSN 的计费数据 (2) 对计费数据进行较长时间的保存并进行合并分拣等预处理工作 (3) 负责将收集到的计费数据送往计费中心 Billing Sysem 计费中心负责对计费数据进行处理产生最终的计费帐单具体情况在后面的章节中进行说明 10-2

437 第十章 3G 计费 SGSN 和 GGSN 1. 计费数据概述 3G 计费中主要产生以下 5 种 CDR 话单 SGSN 产生的话单类型 S-CDR S-SMO-CDR S-SMT-CDR M-CDR GGSN 产生的话单类型 G-CDR 这 5 种 CDR 的说明如下 M-CDR 话单用于记录手机的移动性管理的计费信息可以通过数据配置决定是否产生该话单正常情况下一般不做计费要求 S-SMO-CDR 用于记录短消息始发的计费信息 S-SMT-CDR 用于记录短消息终结的计费信息 对于同一次 PDP 过程产生两种类型的话单 S-CDR 和 G-CDR 计费中心一般根据 G-CDR 计算最终费用 S-CDR 主要用于进行统计 SGSN 和 GGSN 中生成的 CDR 主要记录以下方面的信息 对无线资源的使用情况 使用的时间 对 GPRS 资源的使用情况 发起端与终结端 对外部数据网络的使用情况 移动终端的位置 2. 部分话单的合并 对于同一个 PDP 上下文 可能对应多个部分话单 产生部分话单的原因主要 有以下几种 数据量限制 时间限制 计费条件发生变迁比如费率改变等 由于最终送给用户的帐单中一次 PDP 上下文只有一张话单所以对于同一个 PDP 上下文的所有部分话单必须进行合并部分话单的合并分两级进行第一级合并由 CGF 进行可以减少 CGF 与计费中心间的带宽要求以及减轻计费中心的处理负担由于各种原因这一级的话单合并可能是不完全的第 10-3

438 第十章 3G 计费 二级合并由计费中心进行 主要合并在 CGF 中未完全合并的话单 从而产生 最终的话单 对于每次 PDP 上下文由 GGSN 负责产生一个唯一的 C-ID 根据 C-ID+GGSN 地址可以确定两张部分话单是否属于同一次 PDP 上下文 对于 G-CDR 对于 S-CDR C-ID+GGSN 地址相同的部分话单必须进行合并 C-ID+GGSN 地址 +SGSN 地址相同的部分话单必须进行合并 CGF CGF 提供了将 GGSN 和 SGSN 产生的计费信息送往指定的计费中心的机制 CGF 是一种抽象的功能概念 CG 是 CGF 的具体实现 CG 的具体的实现方式根据厂家的不同有所区别主要有以下的两种方式 (1) 作为一个单独的网络节点 华为公司的 3G-CG 采用了这种方式 如图 10-2 所示 图 10-2 作为单独的网络节点的 CG 实现方式 GSN 与 CGF 之间为多对多的关系 每个 CGF 可以同时收集多个 GSN 的话单 每个 GSN 也连接多个不同优先级的 CGF 在高优先级 CGF 由于某种原因无法 服务 比如因为负载过重 网络中断等 时 可以由低优先级的 CGF 暂时接 替 (2) 作为 GGSN 或 SGSN 中的一个功能模块如图 10-3 所示 图 10-3 作为功能模块的 CG 实现方式 CGF 必须提供的功能如下 从 SGSN 与 GGSN 收集 CDR 提供较长时间的 CDR 的可靠保存 将 CDR 传送给计费中心 10-4