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1、移动通信课程设计报告(第三代移动通信系统的网络组件和协议分析)学院：通信与信息工程学院专业：通信技术0902指导老师：组员：第三代移动通信系统的网络组件和协议分析第三代移动通信系统的概述第三代移动通信系统的出现是与人们对更高比特速率的数据业务和更好的频谱利用率的迫切需求分不开的。国际电信联盟（ITU）1996年开始对全球个人通信进行研究并为未来第三代移动通信系统确定了长期的频率需求。第三代移动通信系统将提供能全球接入和全球漫游的广泛业务。IMT2000是全球的卫星和陆地通信系统，它能提供包括像语音、数据和多媒体的各种业务，而在不同的射频环境下质量和固定电信网一样好甚至更好的目标是提供一个全球的
2、覆盖使得移动终端能在多个网络间无缝漫游。第三代移动通信系统将适应各种无线环境，从城区到郊区，从丘陵地区到山区，微蜂窝，微微蜂窝和室内环境向任何人，在任何时间，任何地方提供业务。这就要求它能够全球漫游，各种通信网络能够互连互通，是第三代移动通信系统的网络结构要解决的主要问题。第三代移动通信系统的网络组件及其组件功能3GPP所采用的网络结构是UMTS，如图1所示。它主要由三部分组成，接入网，Iu接口和核心网。UMTS网络的目标是提供一个单一综合的系统，用户在各种环境下以标准的方式接入此系统，并可方便地使用业务。允许各种服务网络和原籍环境提供不同的业务。可提供各种通信业务，包括固定网提供的业务和移动
3、网特定的速率可达2Mb/s的业务。可通过手持，便携式，车载，可移动及固定终端在各种环境下提供业务。对漫游用户，提供和它原籍环境一样的业务。可灵活地引入新的业务。UMTS除了提供话音、数据业务外，还必须提供移动多媒体业务，UMTS系统所提供的移动多媒体业务如图2所示。无线接入网（RAN）在UMTS结构中包括一通用无线接入网，UMTS无线接入网（URAN）。URAN可以有多种不同的实现方式。根据不同的条件和环境，即可以利用已有的接入网通过进化来实现，也可利用先进的技术实现全新的接入网。下面介绍几种主要的接入网。1 UMTS陆地无线接入网（UTRAN）的结构和功能UTRAN是一种全新的接入网，是UM
4、TS最重要的一种接入方式，适用范围最广。定义UTRAN结构的基本原则：信令网和数据传输网在逻辑上分开；UTRAN和CN的功能将和传输功能完全分开；UTRAN和CN使用的寻址方式将和传输功能的寻址方式无关；宏分集（FDD模式）的处理完全在UTRAN内；RRC连接的移动性完全由UTRAN控制；定义UTRAN接口时，通过接口的功能划分应有尽量少的可选项；应基于此接口控制的实体的逻辑模型。传输网的控制平面是用于传输承载管理的接口协议结构的功能平面。传输网的控制平面实际使用的信令协议和下面传输层技术有关。1）UTRAN的结构UTRAN由一组通过IU接口连接到核心网的无线网络子系统（RNS）组成。一个RN
5、S由一个无线网络控制器（RNC）和一个或多个节点B组成。节点B通过IUB接口连接到RNC。节点B可以支持FDD模式，TDD模式或双模式。RNC包含支持不同节点B之间宏分集的合并/拆分功能，对需要和UE有信令连接的切换做出决定。支持FDD模式的B节点可以包含任选的支持节点B内宏分集的合并/拆分功能。在UTRAN内，无线网络子系统内的RNCS可通过Iur 进行连接。Iu和Iur接口是逻辑接口。可通过RNCs间的物理的直接连接或通过任一适合的传输网络来传送Iur。RNS负责它范围内的蜂窝所需资源。对于用户设备和UTRAN间的每个连接，有一个RNS为服务RNS。若需要，漂移（Drift）RNSs可提供
6、无线资源来支持服务RNS。2）UTRAN的功能系统接入是UMTS用户连接到UMTS以便使用UMTS业务的方法。用户系统接入的发起者即可以是移动端，也可以是网络端。（1） 和整个系统接入控制有关的功能有允许控制、拥塞控制和系统信息广播。允许控制的目的是允许或拒绝新的用户，新的无线接入承载或新的无线链路；拥塞控制的任务是监视，检测和处理系统接近超载的情况或已连接的用户处于超载的情况；系统信息广播的功能为移动台提供UE在网络内运行所需的接入层和非接入层的信息。（2）无线信道的加密和解密：此功能是纯粹的计算功能，用来保护无线传输的数据。加密和解密可以使用与会话有关的密钥，密钥是从信令及和会话相关的信息
7、中导出的。（3）和移动性有关的功能包括切换和SRNS重新定位。切换的功能管理无线接口的移动性，它基于无线测量并用于保持核心网所要求的QoS，切换功能既可以由网络控制，也可以由UE控制；SRNS重新定位的功能是另一个RNS接管SRNS的功能。（4）与无线资源管理和控制有关的功能有无线资源的配置和运行、无线环境的测量、FDD模式的宏分集控制、无线承载连接的建立和释放、无线承载的分配和释放、TDD模式的动态信道分配（DCA）、无线协议功能、RF功率控制与设置、无线信道编/译码以及信道编码控制、初始（随机）接入检测和处理以及对非接入层信息的CN分配功能。2宽带无线接入网（BRAN- Broadband
8、 Radio Access Networks）进化的GPRS网络应允许各种无线接入网络相连。在UMTS进化中，建议使用模块式的接入方式，这也与GMM的建议一致。因此由核心网和接入网组成的基础网允许使用不同的接入技术和网络。EP BRAN HIPERLAN 2作为GSM BSS和UTRAN的补充，用于在热点环境提供宽带数据业务。ETSI的BRAN是制订宽带无线接入系统的规范，它支持的数据速率大约为25Mbit/s。HIPERLAN 2最初的目标是在建筑物和校园内提供可控制业务质量的短程无线宽带接入，它使用未许可的5GHz无线频谱。HIPERLAN 2在一般的室内环境将提供3050m的接入范围，在
9、一般的室外环境提供可达150200m的接入范围。HIPERLAN 2的规范预计在2000年完成，因此在UMTS phase 1中可能引入BRAN接入。二、Iu接口Iu接口是一个开放的、标准化的、多厂商支持的接口。通过此接口，任意的接入网可以和任意的核心网相连。1. Iu接口的结构Iu接口是分层的结构，每个高层实体控制多个低层实体。每个CN接入点可以连接到一个或多个UTRAN接入点。一个UTRAN接入点只能连接到每个CN域的一个CN接入点。从UTRAN的观点来看，Iu接口上的各种协议需要有最大公共性，既UTRAN将提供给核心网一组通用的无线接入承载业务而不管核心网的类型（3G-MSC或3G-SG
10、SN）。UTRAN和核心网节点间有通用的功能分割而不管核心网的类型。无线网络控制平面的信令不依赖于传输层的选择。Iu接口可分为接入层和非接入层。接入层（AS）通过UE和CN的业务接入点（SAPs）向非接入层提供业务。接入层包括一组UE-RAN协议和一组RAN-CN协议参考。2Iu接口的功能Iu接口支持所有UMTS业务，如电话，基于internet的业务（www, e-maile等）和多媒体业务。这就要求Iu接口： （1）支持专用电路（特别是对语音业务）、最好性能的分组业务（如internet/IP）、需要高的QoS的实时多媒体业务。这些实时业务可以是实时分组数据或电路交换数据；（2）支持无线接
11、入承载的建立，维持和释放过程；（3）执行系统内切换，系统间切换和SRNS重定位过程；（4）支持与特定UE无关的一组通用过程，如在过程级流量控制或初始化阶段出现故障情况；（5）支持一系列通用的UTRAN过程，如寻呼-通告；（6）对每个UE在协议级分离和用户有关的信令管理；（7）在UE和CN间透明地传送NAS信令信息；（8）支持UMTS信令和后向兼容GSM信令方式；（9）支持CN请求UTRAN提供位置业务，UTRAN将位置信息传送到CN，位置信息包括地理区域识别和一组有不确定参数的全球坐标；（10）一个UE可同时接入多个CN；（11）对分组数据流支持资源预定机制。（12）Iu接口支持在一PLMN内
12、RNCs和核心网接入点的互连；（13）支持RNCs和核心网接入点的互连，不管设备的生产厂商；（14）Iu接口应在所有PLMNs中方便地使用相同的RNC，MSC或SGSN；（15）保持Iu接口的协议层间及协议控制平面和用户平面间的独立；（16）Iu接口允许核心网，无线接入网和传输网内独立的技术进化，O&M设备的分别的进化；（17）Iu接口的规范应方便一些CS域业务转移到PS域。特别是RANAP协议对两个域是相同的，Iu接口用户平面协议应独立于核心网域；（18）对Iu接口的控制平面和用户平面，无线网络层和传输层应是独立的，允许一层变化而不影响另一层；（19）无线网络层协议和传输层协议的技术规范应存
13、入不同的文档，允许一文档变化而不影响另一文档。Iu接口的设计支持UTRAN通过IWF和GSM的A及Gb接口连接。Iu接口支持不同厂商的URAN和不同厂商的IWF/CN进行连接。为了使电路交换域和分组交换域根据自己的特点来进化，Iu接口允许不同的协议栈和PSTN/ISDN域及IP域进行转换。Iu接口支持重新选择服务RNS（SRNS）过程及改变Iu接口和特定UE（数据流式）的连接点的过程，而CN支持相应的交换能力。在没有改变Iu接口连接点时，CN可以请求UTRAN防止数据的丢失（如无线接口的独立的切换）。在Iu接口的连接点已改变的情况下（如SRNS重定位，数据流式），CN并不存储分组数据。因此，对
14、应高可靠性的无线接入承载，原来的SRNC必须将UE还未证实的下行分组数据发送到新的SRNC。另外，在CN和UTRAN间不需要流量控制功能来控制IP域用户平面的下行数据流。保证在Iu-PS接口上所需的负载：当CN请求建立无线接入承载或对UE的所有无线接入承载重新选择SRNS时，CN指定CN所分配给这些PDP文本的分组处理功能的IP地址。在响应CN的请求时，RNC指定RNC所分配给这些无线接入承载的分组处理功能的IP地址。UMTS卫星无线接入网（USRAN）与核心网间Iu接口支持和UMTS卫星无线接入网（USRAN）的连接；支持低速率的信源编码的话音；支持在切换时容许改变时延的无线接入和链路控制协
15、议。此功能需进一步研究；保证无论何时何地都可获得位置信息，支持全球坐标格式；支持工作于不同的功率和穿透级别的连接建立协议；支持低速率数据业务。宽带无线接入网（BRAN）与核心网间的Iu接口支持和EP BRAN HIPERLAN2无线接入网的连接；支持根据HIPERLAN2能力，用于高数据传输率业务的UMTS QoS机制；支持HIPERLAN2无线接入网内和HIPERLAN2无线接入网之间的切换；支持HIPERLAN2和UTRAN间的切换。和其它系统间的切换有待进一步研究。三核心网（CN）对UMTS核心网的传输要求是：（1） 支持电路交换业务（面向连接的，有保证的QoS）；（2）支持分组交换业务
16、（可保证QoS的面向连接业务和有最好效果QoS的无连接业务）；（3）支持各种用户QoS需求和业务描述；（4）支持实时、非实时及自适应流量控制业务；（5）可以使用户获得各种通信业务，包括许多现在未定义的多媒体和高速率业务；（6）便于提供类似固定网所提供的高质量业务（特别是话音质量）；（7）提供使用网络资源的有效方法；（8）UMTS业务能力应考虑大多数终端业务和用户应用的非连续和非对称的特性，以便更有效的使用网络资源；（9）当一个应用所需的承载业务需要多个连接时，承载业务的属性可以映射为多个值；（10）所有承载业务的属性可以在呼叫建立时进行协商，且在呼叫（移动台或网络发起）期间重新协商。UMTS支
17、持四种业务类型：恒定比特速率，可变比特速率，可用比特速率和未指定比特速率。UMTS系统允许在服务网络中对连接到此服务网络的不同移动台的业务进行有效的统计复用；时延变化属性对实时业务非常重要，如视频会议，一般要求它接近0。另外还希望UMTS将基于统一的传输网。对统一的传输网的主要要求是：支持可变带宽的能力；支持各种QoS描述，包括：对时延敏感的业务/应用，如语音和视频；对时延不敏感的业务/应用，如电子邮件和文件传输。支持同时使用多个具有不同QoS描述的业务；具有允许控制功能。核心网也有不同的实现方式，根据不同的条件和环境，即可以利用已有的核心网通过进化来实现，也可建设一全新的先进的核心网。无论以
18、何种方式，何种技术实现核心网，都要满足第三代移动通信系统对核心网的要求。1.基于ATM传输技术的核心网核心网可以使用不同的传输技术，如ATM传输技术，IP传输技术，SDH传输技术及WDM传输技术。核心网可以利用已有的各种传输网络，也可以建立新的传输网络。要根据不同条件及环境来决定所使用的传输网络。2全IP核心网全IP网结构的目标是允许运营商利用IP技术来传送第三代业务，此结构基于分组技术和IP电话来支持实时和非实时业务。IP网络应提供基于ERAN和UTRAN的无线移动接入到核心网。2）全IP网的参考结构全IP网络有两种参考结构。第一种参考结构允许运营者利用基于全IP的结构来传输第三代无线/移动
19、业务。此结构基于分组技术和IP电话技术，支持实时和非实时业务。第二种参考结构的目标是支持release 99 CS终端，也支持第一种参考结构中的基于IP的业务。图5是第一种参考结构，此结构具有灵活性和可扩展性来支持与外部网络的全球漫游和互操作，如PLMN，2G网络，PDN和其它多媒体VOIP网。此结构由下列关键部分组成：无线接入网、GPRS网、呼叫控制、与外部网络相连的网关和业务结构。全IP核心网主要使用一通用技术（IP）来支持所有的业务，包括由H.323/SIP或ISUP控制的多媒体和话音业务；利用IP分组技术同时支持实时与非实时业务。网络结构基于进化的GPRS，对话音和数据业务，支持个人移
20、动性及移动和固定网间的互操作；提供业务控制与呼叫/连接控制的分离，将用IP取代SS7。支持R99 CS域业务和基于IP的release 00终端，利用IP可获得综合业务。和现在的网络相比，保持或改善了业务质量和网络可靠性。所有的IP接口及相应的网络接口应支持实时多媒体业务。不管业务类型、基于ISUP或IP，可以用IP传送所有的信令和数据。图6是第二种参考结构，此结构允许从R99 UMTS网络进化为R00全IP网，一个目的是支持release 99 CS终端，允许R99的两个域独立地进化。全IP网络还许多问题需要进一步研究，标准化。例如：（1）切换问题，和其它网络间的互操作；（2）网络的安全问题
21、；（3）如何保证所要求的QoS。 第三代移动通信系统网络协议3G网络接口协议清单：网络域接口名称接口定义接口协议物理接口开放否无线接入网IubNodeB-RNC无线控制平面：SSCOP、SSCF-UNI、NBAP、MAC、RLC、RRC传输控制平面：SSCOP、SSCF-UNI、ALCAP用户平面：Iub-FPE1、STM-1/4开放IurRNC-RNC无线控制平面：SSCOP、SSCF-NNI、MTP3b、SCCP、RNSAP传输控制平面：SSCOP、SSCF-NNI、MTP3b、STC、ALCAP用户平面：Iur-FPSTM-1/4开放IuCSRNC-MGW控制平面：SSCOP、SSCF-
22、NNI、MTP3b、SCCP、RANAP传输控制平面：SSCOP、SSCF-NNI、MTP3b、STC、ALCAP用户平面：Iu-UPSTM-1/4开放IuPSRNC-SGSN控制平面（ATM）：SSCOP、SSCF-NNI、MTP3b、SCCP、RANAP用户平面：IP、UDP、GTP-U、Iu-UPSTM-1/4开放核心网电路域Nc/E/GMSS-MSSNc：IP、SCTP、M3UA、STC、BICCE/G：MTP3、SCCP、TCAP、MAP百兆以太网口开放NbMGW-MGW传输控制平面：IP、UDP、RTCP用户平面：IP、UDP、RTP百/千兆以太网口开放McMSS-MGWIP、UD
23、P、H.248/ MEGACO百兆以太网口私有CGMSS-HLRMTP3、SCCP、TCAP、MAPE1开放DMSS-HLRMTP3、SCCP、TCAP、MAPE1开放EMSS-SMSCMTP3、SCCP、TCAP、MAPE1开放MSS-SCPMSS-SCPMTP3、SCCP、TCAP、CAPE1开放核心网分组域GrSGSN-HLRMTP3、SCCP、TCAP、MAPE1开放GnSGSN-GGSN控制平面：IP、UDP、GTP-C用户平面：IP、UDP、GTP-U百/千兆以太网口开放GiGGSN-CMNetIP、PPP百/千兆以太网口开放GpSGSN-BG控制平面：IP、UDP、GTP-C用户
24、平面：IP、UDP、GTP-U百/千兆以太网口开放注1：本表只列出3G接口和协议，不包括2G接口和协议。注2：本表所列协议基于无线接入网部分以ATM承载，核心网部分以IP承载的情况。3G网络各接口监测意义：网络域接口名称监测意义无线接入网Iub通过对Iub接口的监测能够分析无线接入网络的资源使用和运行质量情况，包括无线资源管理（RRC连接管理、RL连接管理、RB和信道管理）、移动性管理（小区/URA更新、切换）、Iub传输链路管理（ALCAP）。Iur通过对Iur接口的监测能够分析RNC之间的切换过程。IuCS通过对IuCS接口的监测能够分析无线接入网和核心网CS域的业务过程（如会话类），包括
25、NAS层过程（位置更新、呼叫控制等）、切换、RAB的建立/释放/修改、ATM链路管理等。IuPS通过对IuPS接口的监测能够分析无线接入网和核心网PS域的业务过程（如交互类和背景类），包括NAS层过程（位置更新、会话管理等）、切换、RAB的建立/释放/修改、GTP隧道的建立与释放等。核心网电路域Nc/E/G通过对Nc接口的监测能够分析跨MSC Server的呼叫控制过程；通过对E接口的监测能够分析跨MSC Server的切换及切换后的呼叫控制过程；通过对G接口的监测能够分析跨MSC Server的位置更新和鉴权过程。Nb通过对Nb接口的监测能够分析承载控制过程和用户数据，分析业务质量。Mc通过
26、对Mc接口的监测能够分析MSC Server和MGW之间的控制信息，主要是H.248协议的监测。C通过对C接口的监测能够分析UE被呼时的路由信息提供过程。D通过对D接口的监测能够分析鉴权、位置更新、呼叫建立时检索用户数据等过程。E通过对该接口的监测能够分析短信业务过程。MSS-SCP通过对该接口的监测能够分析智能网业务过程。核心网分组域Gr通过对Gr接口的监测能够分析鉴权、路由区更新、会话建立时检索用户数据等过程。Gn通过对Gn接口的监测能够分析同一PLMN内部GSN之间的通信过程，包括PS域路由区更新、切换、PDP上下文激活与去激活管理、GTP隧道管理等。Gi通过对Gi接口的监测能够分析GP
27、RS网络和外部IP网络的通信过程及业务。Gp通过对Gp接口的监测能够分析不同PLMN的GSN间的通信过程，对国际PS域业务进行分析。无线接入网Iub接口 图 2 Iub接口协议栈Iur接口图 3 Iur接口协议栈IuCS接口图 4 IuCS接口协议栈IuPS接口图 5 IuPS接口协议栈核心网电路域Nc接口BICCSTCMTP-3M3UAMTP3bMTP-2SCTPSSCF-NNIIPSSCOPLayer2AAL5MTP-1ATMPHY图 6 Nc接口协议栈C、D、E、G接口MAPTCAPSCCPMTP3MTP2PHY图 7 C、D、E、G接口协议栈Mc接口H.248/MEGACOUDPIPL
28、ayer2PHY图 8 Mc接口协议栈Nb接口RTPRTCPUDPUDPIPv4 or IPv6IPv4 or IPv6图 9 Nb接口协议栈核心网分组域Gn、Gp接口GTP-UGTP-CUDPUDPIPIPLayer2Layer2PHYPHY图 10 Gn、Gp接口协议栈Gi接口IP/PPPLayer2PHY图 11 Gi接口协议栈Gr接口MAPTCAPSCCPMTP3MTP2PHY图 12 Gr接口协议栈组长总结：个人心得张平：此次课程设计，让我对第三代通信系统有了更深的了解，同时积累了宝贵的经验，对以后的学习充满了信心和期望。在此感谢李老师的指导，还有和我一起并肩作战的同学。刘丹：通过这周的课程设计，我学习到了很多从前接触过但没有深入了解过的知识，使我眼界打开，感受颇深，并且在这次课程设计中，我认识到了团队的重要性。在此感谢李老师的指导，还有和我一起并肩作战的同学。崔扬：这次课程设计让我更加深刻的认识到在以后的学习中，不管遇到什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，总之收获颇丰。在此感谢李老师的指导，还有和我一起并肩作战的同学。张静静：这次课程设计给了我们一个很好的启发，不管遇上什么样的难题，我们都应该能够学会从根本上去找出解决问题的方法，并且要善于将理论的知识运用到实际中，让实际中的问题得到更好的解决。