UMTS网络演进和下一代网络NGN

2019-11-03 19:15:28

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供稿：网友

中国电信集团北京研究院邢燕霞　　摘要：目前3G和NGN是通信领域的两大热门话题，二者都在不断的发展和演进过程中，在这个过程中二者的结合点越来越多。本文主要介绍3G中采用WCDMA无线技术的UMTS网络的演进和对于运营商组网的影响，以及与NGN的融合。

1 UMTS网络演进

　　UMTS系统是无线技术采用WCDMA的第三代移动通信系统，其标准化工作由3GPP组织完成，到目前为止已经有四个版本，即我们熟知的R99、R4、R5和R 6,下面分别介绍：

1.1 R99网络

　　R99版本已经稳定，目前处于完善过程中。它的主要特点是无线接入网采用WCDMA技术，核心网方面基于GSM，即保留GSM电路交换部分，增加了分组域部分，用于支持基于分组交换的数据业务，网络结构图1所示。在系统能力方面，目前除了支持GSM／GPRS提供的所有业务以外，还支持上下行速率为384Kbps的数据业务。在业务方面，智能网规范提出了支持能力级CS2的CAMEL3，并提出了OSA的初步架构。

　　这种组网方式适合于传统的GSM／GPRS运营商，因为运营商可以延用原有核心网设备，增加无线接入网即可实现3G业务，这样就保护了运营商的已有投资。当然这种组网方式同样适用于现阶段的新运营商，因为与R4、R5版本相比，在技术和设备上更加成熟，有利于运营商迅速开展3G业务。

1.2 R4网络

　　R4版本与R99版本比较，在无线接入网方面没有网络结构的变化，只是在无线技术方面提出了一些改进，来提高系统性能。例如增加了Node B的同步选项，有利于降低与TDD的干扰和网管的实施；规定了直放站的使用，扩大特定区域的覆盖；增加了无线接入承载的QoS协商，使得无线资源管理效率更高。在核心网方面，最大的变化在电路域，引入了软交换的概念，将控制和承载分开，原来的MSC变为MSC Server和媒体网关MGW，话音通过MGW由分组域来传送。电路域网络结构图如下：

　　由于电路域的这种变化，相应的在七号信令的承载方面也提出了新的方案,即基于ATM和ip的方案。所以在R4 网络中，不仅话音和数据可以通过统一的分组网络（ATM或IP网络）来传送，基于七号信令的移动应用协议MAP和CAP也可以通过分组网络来传送，为核心网向全IP的演进迈出重要一步。

　　在R99中七号信令的协议栈为图A，也就是传统的TDM承载方式，这是目前固网和2G移动网络所共用形式，他的特点是技术成熟,并经过了大量的组网验证。图B是R4提出的基于IP的七号信令承载方式，这是一种新的承载方式，采用这种协议栈进行组网的话，将是一种全新的组网形式，也就是说，传统的七号信令网将不存在，SCCP协议的功能通过IP网上服务器来实现。目前，设备厂商正在对这种信令承载方式进行开发，尚处于试验阶段，没有大规模的组网验证。其主要问题是信令要求较高的可靠性，而IP技术在这方面还不能提供可靠的保证。图C和图D分别是R4提出的基于ATM Over SDH／PDH的七号信令承载方式。与IP承载方式类似，设备厂商也正在开发相应产品，目前尚未有商用组网。

　　理论上讲，R4的组网方式有很多优点，例如承载方式统一，在技术上具有先进性，在组网方面可以降低建网的成本，并可以灵活扩展网络，是网络演进的方向并有利于与固网NGN的融合。所以，从网络演进的观点看，这种组网方式适合于全业务运营商，因为这样可以较好的实现资源的共享、业务的共享以及网络的综合管理。但是，由于Voice over IP/ATM 以及signal over IP/ATM在技术和实现上尚未成熟，所以目前并没有大规模组网实例。所以运营商选择这种组网方式的前提首先应该是技术达到一定的成熟度。

　　应该特殊说明一点，如果运营商选择了R99组网方式，在考虑网络升级到R4时，只需要对无线部分和分组域进行升级，无需改变电路域的组网方式，即保留R99电路域，这是完全可行的。首先，3GPP规范支持这种向后的兼容性，也就是说，R4以至于R5的无线接入网都可以和R99的电路域很好地配合；其次在网络QoS方面，对于话音业务，R99的TDM方式在话音质量、接续时延等方面有很好的保证，而利用分组网来承载话音、信令的技术在短期内还很难达到高可靠的QoS；第三，在业务方面，因为电路域主要提供话音业务，新业务主要基于分组域提出的，所以采用R4的组网方式，并不会带来新的业务；第四，从网络投资方面考虑，这种方式在保证业务正常提供的同时，也节省了网络建设的投资。

1.3 R5网络

　　R5版本是全IP(或全分组化)的第一个版本，在无线接入网方面的改进包括以下方面，提出了高速下行分组接入HSDPA技术，使得下行速率可以达到8－10Mbps，大大提高了空中接口的效率；Iu、Iur、Iub接口增加了基于IP的可选传输方式，使得无线接入网实现了IP化；在核心网方面，最大的变化是在R4的基础上增加了IP多媒体子系统（即IMS系统），它和分组域一起实现实时和非实时的多媒体业务，并可以实现与电路域的互操作。实际上，这时没有电路域也可以实现话音呼叫，在R5中仍然保留电路域并实现与IMS的互操作主要是保护运营商的R99的网络投资，这一点正如前面所述。但是如果技术成熟的话，对于新运营商而言，完全不需要建设电路域来实现话音业务，IMS和分组域都可以代劳了。全IP的组网方式是网络演进的趋势，具有很多优点，正如前面分析R4网络中提到的一样。目前，IMS的标准化以及设备厂商对于IMS的产品的研发尚在进行中，短期内不可能有成熟的产品问世。

　　IMS是R5的新增部分，这里简单介绍一下，图3是IMS域的配置：

　　IMS的主要功能实体包括：CSCF（呼叫控制服务器）、MGCF（媒体网关控制服务器）、IM-MGW、MRF以及BGCF等，CSCF的作用是完成入呼叫网关功能，呼叫业务触发功能和路由选择功能，是最主要的软交换控制实体；MGCF的作用是根据被叫号码和来话情况选择CSCF，并完成PSTN和IMS之间呼叫控制协议转换，以及控制IM-MGW媒体通道的呼叫状态；IM-MGW的功能与CS-MGW的功能类似，与 MGCF一起完成资源控制，以及通过回波消除器和码转换器，实现媒体转换和帧协议转换功能；MRF分为MRFC（多媒体资源功能控制器）和MRFP（多媒体资源功能处理器），分别进行完成媒体流的控制和承载功能；BGCF的主要作用是在与PSTN通信时，完成信令转发功能。

1.4 R6版本进展

　　R6版本的研究刚刚启动，在核心网方面目前研究的项目包括PS域承载无关的网络框架研究，即研究是否在分组域实现控制和承载的分离，也就是将SGSN和GGSN分为GSN Server和媒体网关的形式；还研究IMS与PLMN/PSTN/ISDN等网络的互操作，以实现IMS与其他网络的互联互通；另外一个研究方向集中在业务方面，包括广播与多播MBMS、语音使能业务、网上聊天业务以及数字权限管理等。在无线方面，研究新的调制技术正交频分复用OFDM和多天线系统MIMO技术以及WLAN与3G系统的结合问题，其中OFDM技术也是后3G（或称为4G）研究的重点技术。目前R6版本正在研究过程中，还没有形成完整的系列的规范。

2 UMTS移动网络与NGN的融合

　　从UMTS的网络演进可以看出，在网络技术方面，正从基于电路交换向分组交换演进，从R4开始话音和高层信令都可以选择分组网来承载，控制由软交换实体来完成，例如MSC Server和SIP多媒体控制服务器CSCF。在业务提供方面，正从简单的语音业务和低速数据业务向高速的多媒体业务演进，除了可以提供的2G所有业务以外，3GPP还提出了基于位置的业务、无线因特网业务、视频点播等高速多媒体业务的实现方式。此外UMTS和NGN都规定了网络向业务供应商提供开放接口，从而实现业务的灵活扩展。这些思路和下一代网络NGN都是一致的，下面从网络结构、接口协议以及业务提供方面谈谈UMTS移动网络与NGN的关系。

2.1 网络结构

　　在网络结构方面，NGN和3G中都提出了分层的网络结构，即将网络分成四个层次，包括业务层、控制层、承载层和接入层。如图4所示：

　　在传统电信网络中，业务一般和其他功能混在一起由同一个设备提供，例如交换机，当增加、修改业务时，需要对设备进行升级改造才能实现，不仅业务提供速度慢，业务种类单调，而且可能影响其他业务。在这种分层结构中，业务的提供有了很大的改变，业务提供从网络实体中分离出来，由各种应用服务器和认证服务器来完成业务生成、业务认证、业务运行和业务计费等。业务层面与控制层采用开放的接口，UMTS和NGN使用相同的应用编程接口，后面将具体介绍OSA技术。

　　控制层主要采用软交换技术完成呼叫控制和处理、业务交换和路由选择等功能。在NGN中一般将这个功能实体称为core server ，在UMTS中MSC server、CSCF都属于这一层面，他们分别完成对于话音业务的控制和对于多媒体业务的控制功能。固网软交换与移动软交换的差别主要体现在软交换的设备和协议方面，例如移动软交换设备MSC Sever不仅要完成话路相关的控制功能，而且要实现移动所特有的鉴权、位置更新、寻呼、切换等移动性管理功能；移动的媒体网关设备也具有移动特有的一些功能，例如需要支持UMTS中的AMR编码以及宽带AMR等技术，另外需要支持TFO/TrFO技术和相应的配置协调机制。在协议方面，移动网络需要特有的MAP协议、CAP协议；除此以外对于共用的协议，例如媒体网关控制协议H.248，增加了移动相关的扩展，具体差别将在后面介绍。

　　承载层采用分组技术，即IP承载或ATM承载，信令、话音以及数据都以IP包或ATM信元的形式在网络中传输，这一层面上UMTS和NGN完全一致。这种承载技术实现了资源的最有效利用，而且由于分组网络的的规划简单，可以按照网络发展的状况灵活扩容。UMTS中电路域媒体网关和多媒体子系统的媒体网关都位于这个层面，NGN中的各种网关设备如信令网关和接入网关也属于这个层面。

　　接入层主要指各种接入方式，包括固定的和移动的接入方式，例如普通电话接入、ADSL接入、WLAN接入、2G接入和3G接入等多种方式，也就是说用户在不同的时间和场合可以灵活选择不同的接入方式来获取业务。

2.2 接口协议

　　在接口协议方面，UMTS网络与NGN所采用的协议许多都是一致的，主要包括以下协议：

H.248／MEGAO协议：称为媒体网关控制协议，在UMTS中这个协议是MSC Server和MGW之间的接口协议，在NGN中是core server 与MGW的接口协议。UMTS与NGN中的H.248基本一致，差别在于UMTS中作了一些移动应用的扩展，3GPP的相关规范对此进行了描述。例如为了识别3G用户平面的分组包，增加了3G用户平面识别和相应程序；为了支持GSM和UMTS的电路交换业务，增加了电路交换数据的识别和相应的程序。为了支持TFO技术，增加了TFO标识从而支持TFO技术；为CAMEL预付费业务告警音增加了一个新的toneID。

　　BICC协议：在UMTS中BICC协议是MSC Server之间的Nc接口的协议，与NGN中的BICC是一致的。BICC协议由ITU-T提出，它是类似于ISUP协议，是一个承载与呼叫无关的协议。主要思想是承载控制和呼叫控制两种功能分开，呼叫控制只负责业务流程的实现，和具体的承载类型无关。而承载控制是在传统ISUP协议的基础上，去掉了和具体承载有关的消息和参数，增加了APM消息和APP参数，能够对多种的承载类型进行控制。

　　SIP协议：它是由IETF提出的IP网络中多媒体通信的应用层协议，在UMTS网络中，SIP协议是IP多媒体子系统的主要协议，用于控制移动多媒体业务的建立修改和结束过程。随着网络演进的进行，IP多媒体子系统的作用越来越重要，它将来可以实现目前电路域和分组域可以提供的所有业务，成为全IP网络的主体部分，当然这有赖于SIP协议的不断完善和发展。

　　SIGTRAN协议：称为信令传送协议，在UMTS网络中，SIGTRAN用于实现IP承载的信令与传统七号信令系统的信令互通，通过信令网关（SG）实现，这种互通包括与R4版本以前的电路域的互通，也包括与PSTN的互通。在NGN中允许多种接入方式，其中包括通过原有PSTN网络的接入，信令网关完成这个接入过程的信令转换。

2.3 业务

　　在业务方面，UMTS和NGN不仅提供的业务种类是相似的，例如各种多媒体业务，在业务的实现方式方面也是类似的，UMTS和NGN都支持开放业务接口，在NGN中称为PARLY API，在UMTS中称为OSA API，而这两个API是基本相同的，它是由3GPP和PARLAY联盟合作制定的。所以二者在业务层面上是统一的，也就是说，对于相同的业务，可以同时构建在固定网和移动网络之上，用户可通过固定和移动的多种接入方式来获得，而3G只是多种接入方式中的一种。所以，在某种程度上，UMTS与NGN的融合，应首先从业务的融合开始，不仅因为这对于一个全业务运营商来说是一种经济的又易于管理的方法，而且也因为这种融合比网络中其他层面的融合更为简单。

3GPP定义的OSA(开放业务接入)的结构如下：

　　OSA主要包括三个方面内容：应用、框架和业务能力服务器，最上层是应用层，包括各种具体应用，例如VPN或基于位置的业务等，由应用服务器来实现。框架部分主要提供一种机制，包括鉴权和发现。在业务可以使用网络能力之前，首先应该进行鉴权，鉴权通过后，某种应用即被授权接入到特定的业务能力特征；发现功能的主要职责是在鉴权成功后，负责将业务对应到具体的网络能力；业务能力服务器的主要功能是将网络的功能进行抽象，形成业务能力特征，例如呼叫控制和用户的位置等。相同的业务能力特征可以通过不同的网络实体提供，例如呼叫控制可以通过CAMEL或MExE来实现。

3 结束语

　　前面主要介绍了UMTS网络演进的情况和相应的组网方式，以及与NGN的关系和融合趋势。众所周知，全IP是固定网络和移动网络的共同趋势，但是任何技术从兴起到成熟以至于完善都要经历相当长的发展时期，全IP也不例外。目前在这个发展过程中，还存在许多问题，除了网络QoS这一主要问题之外，也存在网络安全性、网络的维护管理、计费等多方面的问题。这些问题，对于网络的稳定、可靠、高效运行至关重要。

摘自《移动通信在线》