关于第三代移动通信引入全IP网路结构的问题

关于第三代移动通信引入全IP网路结构的问题

 

王树甲

 

最近，世界著名第二代（2G）/第三代（3G）移动通信供应商爱立信公司，按照移动通信技术约每10年更新换代一次的实际历史沿革经验和发展趋势预测，提出了研发第四代（4G）全IP网络的目标，引起业内人士的普遍关注：一些早就热忠于电信、有线电视、因特网“三网融合”论者，特别是新闻媒体又从无线通信领域得到声援，观点更加鲜明和坚定；一些更为冷静的业界人士却不以为然，即使“融合”也不是一朝一夕的事；还有一些务实的运营商和高层管理人员被移动通新技术的飞速发展弄得迎接不暇，对4G的提出感到十分突然，持回避态度。

事实上，3G移动通信合作组职（3GPP）早在1999年便提出了在通用移动通新系统中发展全IP网络结构的技术报告（TR）。因为业内人士谁都十分清楚，3G决不是移动通信技术的终结。又鉴于预期日本2001年10月3G投产运营，2004年覆盖全国；欧盟要求其成员国于2002年开始建立3G W-CDMA的情况，所以，爱立信提出4G并非纯系商业炒做，而是一种虑以及远的超前理念。当然，4G的定义、目标、内容及其与3G的关系和演进途径，需要世界范围的协调，而不是哪一家说了算的。然而，历史的经验多次表明，协调的发言权主要属于创新者、先行者、实践者，这也是由“没有调查就没有发言权”的哲理所决定的。

一、         对移动通信全IP结构的要求

1-1基本目标与概念

全IP结构是一种基于分组数据技术和因特网协议技术的网络结构，其主要目标是，使

各移动通信运营商能够采用IP技术同时传送各种实时和非实时的3G业务。这种结构应以演进方式，并应与国际电联的建议IMT-2000相互兼容，提供终端设备的全球移动性和漫游。

全IP网络应提供基于具有公用核心网（CN）的扩充无线接入网（ERAN）和UMTS地面无线接入网（UTRAN）的无线移动接入业务，而且，都应基于通用分组无线业务（GPRS）的演进。在这种前后关系中，扩充的GPRS（E-GPRS）无线接入网是一种支持GSM演进的增强数据（EDGE）业务的200kHz GSM方式的网络，并向支持实时分组业务演进。虽然EDGE不在3GPP范围之内，但就这两种接入技术来说，它们对全IP网结构的CN网的要求是共同的。所以，这种网络的特性主要表现为：

·        采用基于GPRS的演进策略；

·        具有包括UTRAN和ERAN在内的多种无线接入类型的共同网元；

·        利用IP协议的分组传送方式；

·        能够使用各种IP客户终端；

·        支持话音、数据、实时多媒体业务以及具有相同网元的业务。

该技术报告还包括以IP技术方法支持各种电路交换（CS）业务的问题，指出这种方法的优点在于：

·        利用IP技术能够提供无缝业务而不管接入方式如何，例如，不管用户经由传统电话、有线、无线、HIPERLAN 2等不同方式接入方式，都能享有共同的特性；

·        具有与IP发展的最佳协同作用，从而降低成本；

·        是同时传送话音、数据和实时多媒体业务的有效解决方案；

·        支持各种业务的高层控制；

·        通过IP实现综合而低成本的操作管理（OA&M）系统；

·        由于支持IP客户终端而具有各种因特网应用的优点；

·        采用分组传送方式而有效地降低各种业务成本。

1-2业务能力

通过业务能力特性（SCFs）为各种应用提供的业务能力（SC）；各业务能力特性则是由

一种或多种网络功能提供的，如图1-1所示；应能够由运营商为其特定的业务能力不断引入

SCFs；须由各种应用为接入SCFs引入标准接口，即所谓应用接口，而这种接口须在应用与SCFs之间提供一种可控的、安全的、可计费的关系；应用接口必须依照用户的预订申报数

图注： CSCF：呼叫状态控制功能 HSS：归属用户服务器 SGSN：服务GPRS支持节点 SCFx：各业务控制功能（IN）和各业务能力特性（VHE/OSA） VHE：虚归属环境 OSA：开放业务节构

 

 

 

图（1-1）业务能力特性与业务能力的关系

 

图（1-1）业务能力特性与业务能力的关系

 

据（Profile）提供SCFs；各种应用可以位于服务器和/或移动终端，但只能通过各SCFs接入各业务能力；各种应用经由SCFs既能利用移动网络功能所提供的能力，又能利用IT系统所提供的各功能。

    1-3 编号方案

编号方案标准应允许以单一标识号码（如MSISDN）选路移动终接通信业务的移动用户的终端设备，但不排除不同业务和能力（如数据、传真、短消息）正在使用的多地址号码。取决于终端能力、业务负荷和覆盖状况，网络将经由可用的资源选路到所呼叫的终端。当各网络演进到全IP结构后，将需要基于单一标识号码的选路能力，以保持业务的透明性。

    1-4 无线方式

在全IP结构中支持业务和信令的无线电资源利用应得到优化；在CN网与无线接入网（RAN）之间应区分与无线有关和非有关的功能特性；在RAN中应区分用户平面协议栈和控制平面协议栈；对于同一空中链路上的多种不同类型的业务量，应提供上行和下行链路上的快速接入和快速资源分配的规程；对于诸如信头压缩、信头拆卸一类的实时应用，应提供端到端IP传送的优化；为支持实时应用，网络控制的切换过程应有很短的中断；RAN中的各协议栈应支持具有不同QoS要求的各种业务；RAN网所采用的QoS机制与分组CN网所采用的QoS机制应具有互工作/互操作特性；对于空中链路上的多种不同类型的业务量，RAN网应具有承载区分能力，以实现最大的频谱利用率；对于诸如语音业务一类的应用应优化编/译码和交织特性；应支持每IP地址的具有不同QoS的多种数据流；应采用诸如统计复用一类的技术，使频谱效率最高；ERAN应支持GPRS和EGPRS业务。

    二、全IP PLMN的结构

    2-1 参考结构

全IP PLMN的参考结构提供两种选择，选择1的目标允许运营商采用全IP方式的结构传送3G各无线/移动业务，这种结构以分组技术和IP电话为基础，适于同时地传送各种实时和非实时业务；选择2除支持选择1 IP方式的业务外，还允许支持3GPP 1999版的电路交换（CS）域终端设备。

2-1-1参考结构选择1

选择1的参考结构及其各组成部分如图（1-1）所示，它提供灵活性和可扩充性的机制，支持全球漫游，并与诸如PLMNs、PDNs及其它多媒体VOIP网络一类的外部网络有互工作性。参照图（1-1），端到端的结构由下列部分组成：

1）              无线网络

无线网络部分包括与移动用户、无线空中链路和无线接入网有关的设备,RAN支持

UTRA和EDGE技术。允许运营商使用其它接入网络，如ERAN和HIPERLAN 2。ERAN定义为包括支持200kHz EDGE调制方式和实时分组业务的GSM BSS的RAN。ERAN与CN之间的参考点标为Iu_ps’， 表示该参考点是Iu，而预期的实施方法类似于Iu_ps。

2）              GPRS网络

GPRS网络部分具有GPRS支持节点（GSNs），它为移动终端（MTs）提供移动性管理

（MM）和分组数据协议（PDP）激活业务，如同是在R99 GPRS分组交换域网络。GPRS网络的HLR功能由归属用户服务器（HSS）提供。

3）              呼叫控制

呼叫控制部分是最为严格的功能。呼叫状态控制功能（CSCF）、媒介网关控制功能

（MGCF）、漫游信令网关（R-SGW）、媒介网关（MGW）、传送信令网关（T-SGW）和媒

介资源功能（MRF）都包含传送各种实时移动/无线业务的呼叫控制和信令功能。呼叫状态控制功能（CSCF）类似于H.323关守（GK）或会晤初始化协议（SIP）服务器，一直有意保持其结构的一般化，而不是基于诸如H.323或SIP一类具体的呼叫控制机制。用户数据文档（Profiles）由归属用户服务器保存维护。送至多媒体IP网络的信令仅经由CSCF接口，而承载直接与网关GPRS支持节点（GGSN）接口。媒介资源功能（MRF）提供媒介混合、复用及其它处理和产生功能，对于承载媒介与各承载部分接口，对于信令与CSCF接口。

  

图1-1参考结构选择1

 

4）至外部网络的网关

全IP网络与其它PLMNs、PDNs、VOIP、传统2G一类网络的互连接性由GGSN、MGCF、MGW、R-SGW和T-SGW功能实体支持。关于与其它PLMNs的接口，不论承载媒介还是信令都经由它们各自的GPRS部分。CSCF是一个新的组成部分，它也参与这种信令。送至传统移动网络的信令经由R-SGW、CSCF、MGCF、T-SGW和HSS接口，而往返于传统PSTN的承载媒介经由MGW接口。传统电路交换信令经由CSCF、MGCF和T-SGW接口，而往返PSTN的承载媒介经由MGW接口。

5）业务结构

网络的业务结构部分可以描述为外部实体，并在第7节详细介绍。非标准业务经由至应用业务层的各接口提供，HSS、SGSN和CSCF与应用和业务部分相接口。

用户设备（UE）与呼叫状态控制功能间的Gm（图中未示出）接口含有用户至网络的多媒体信令，它在无线、Iu、Gn和Gi各接口上传送。

业务GPRS支持节点（SGSN）和网关GPRS支持节点（GGSN）与UMTS R99 23.002中所定义的功能单元相同。

全IP网络中全IP MSs的移动性管理基于选路区标识（RAId），而全IP网络中有电路交换能力的MSs的移动性管理基于RAId和位置区标识（LAId）。关于全IP网与2G移动网间的相互漫游，需要一种变换标识格式的机制，即MS从全IP网漫游到2G网仅需知道原有的选路区（RA），而从2G网漫游到全IP网还需要给定2G-MSC的LAId。当在MS从3G-R00网漫游到2G网之后，2G-MSC怎样能够从全IP核心网调用国际移动台标识码，是一个开放问题。

通过采用在MS登记过程中SGSN所分配的单一临时标识码（P-TMSI），MS的IMSI可以受到保护。该P-TMSI能够在随后的每次登记或选路区更新时重新分配，这有赖于全IP网与传统蜂窝网之间的漫游状况。

接入网络节点（WNNs：GPRS支持节点GSNs和无线网络控制器RNC）不知道UE与

CSCF之间的多媒体信令，它们甚至不知道给定UE是否给CSCF发送多媒体信令。

由于不同的分组数据协议（PDPs）对QoS有不同的要求，因此不同的PDPs应传送多媒

体信令和用户数据流，然而接入网节点GSNs和 RNC并不知道给定PDP传送或不传送多

媒体信令。

    工作体系结构的方法：IP网络主采用通用IP技术支各种业务，包括持由H.323/会唔启动协议SIP或ISDN用户部分（ISUP）控制的多媒体业务和语音业务；网络结构基于GPRS的演进，以适用于同时传送实时和非实时业务的IP分组技术为基础；为了支持R99电路交换（CS）域的各种业务，可以使用R99 CS域的呼叫控制（CC）机制，这并不防碍运营商采用其它机制来传送各种CS域业务，诸如H.323、SIP或由R99 CS域演化形式的CC机制；

R00终端为IP方式，并通过IP实现综合业务；网络结构应支持个人移动性和语音和据业务在移动网与固定网之间的互工作性；与当今网络相比，应保持或改进业务质量和网络可靠性；应增强各全IP接口及其相应的网络接口，以支持各种实时多媒体业务；网络结构应使业务控制与呼叫/连接控制分离，用IP传送替代SS7传送，并且独立于L1和L2的网络传送层；不论业务类别、基于ISUP或IP，IP应能传送所有信令和数据。

    2-1-2 参考结构选择2

    图2-2所示的参考结构选择2允许运营商由R99 UMTS过渡到R00全IP网络，它的一个主要目的是为了支持R99电路交换终端，使R99电路交换（CS）域业务和分组交换（PS）域业务能够独立地发展。

    结构选择2允许由结构选择1支持的所有业务，与结构选择1共用承载级传送和控制，并应容纳各种正在实施的传送机制，例如，实时/用户报/因特网协议（RTP/UDP/IP），？（AAL2/ATM）或？（STM）

    参考结构选择2包含参考结构选择1的基于SGSN/GGSN/CSCF的各种业务，因此，2-1-1节所述的定义和工作结构方法业使用于选择2的SGSN/GGSN/CSCF部分。

选择2中增加了与R99 CS域有关的两种控制单元，即移动交换中心（MSC）服务器和网关移动交换中心（GMSC）服务器。

选择2得益于R99的Iu接口方式，因为用户数据传送与控制分离，所以允许UMTS地面无线接入网（UTRAN）经由与MSC服务器分离的媒介网关（MGW）接入核心网。在UTRAN与MSC服务器之间利用Iu的控制部分，即无线接入网接入协议（RANAP）。

通过使各服务器终接移动应用部分（MAP）和用户网信令（呼叫控制CC和移动性管理MM），可以达到R99 UMTS CS域的业务和网络迁移演化的要求。

 

 

图2-2参考结构选择2

Iu是UTRAN与全IP核心网之间的参考点，在UTRAN与SGSN间，Iu基于IP方式；在UTRAN与MGW间，Iu（Iu-cs）可以基于不同的传送方式。

在归属用户服务器与MSC服务器和GMSC服务器之间运行MAP。

2-1-3 网络的边界

    在将GGSN和GGSN+MGW分别视为至IP网和PSTN/传统网的边界的情况下，需要弄清如何确定MGW和怎样保证至该MGW的最可选路由的问题。在呼叫发生时，CSCF需要确定适合该呼叫的MGW。例如，需要确定该呼叫是到PSTN，去到哪个PSTN网络，还是经由IP网络的语音电话呼叫。这种确定只有当CSCF（还可能由SCF）分析呼叫建立信令之后才有可能作出。这一分析可以改变被叫方的号码，例如将被叫方地址由相应于一个IP终端的地址修改为相应于一个外部PSTN终端的地址。只有这时才能确定最佳的MGW，而且这一确定不可能在SGSN作出确定之前完成。在经由H.225信令将该MGW地址送回UE后，该UE便能激活指向适当网络的支持用户平面业务的一个PDP过程，所谓适当的网络是指最能使用户用来抵达该MGW的网络。当加装MRF后的最优选路的一些问题，直至达成有关什么是网络的边界的协议之后才能够确定。