從GPRS到UMTS的演進(jìn)

1、從 GPRS 到 UMTS 的演進(jìn)摘要：本文分析了從 2.5G GPRS 技術(shù)到 UMTS 過渡的背景、過程和策略，討論了如何在演進(jìn)網(wǎng)絡(luò) 中提供高質(zhì)量的多媒體數(shù)據(jù)服務(wù)，并介紹了演進(jìn)過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)。1 引言隨著移動通信業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，移動數(shù)據(jù)和多媒體通信的應(yīng)用將越來越廣泛，在不久的將來，甚 至將超過傳統(tǒng)的話音成為移動通信承載的主要業(yè)務(wù)。而傳統(tǒng)的第二代 GSM 移動通信網(wǎng)絡(luò)已無法適應(yīng) 這種新的發(fā)展趨勢，為此， GSM 將逐步過渡到以 WCDMA 為核心技術(shù)的第三代移動通信系統(tǒng) （ UMTS ）。今天，處于 2.5G 的 GPRS 技術(shù)已日漸成熟，是 2G 向 3G 過渡的重要環(huán)節(jié)。本文主要

2、討論如何在 GPRS 網(wǎng)絡(luò)引入 UMTS ，使演進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)利用日臻完善的 IP 網(wǎng)來傳送語音和多媒體數(shù)據(jù)業(yè) 務(wù)。2 UMTS 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)UMTS 可分為無線接入網(wǎng) UTRAN（UMTS terrestrial radio access network） 和核心網(wǎng) CN （ core network ）兩部分，二者通過 Iu 接口連接。UMTS 地面無線接口采用完全不同于目前 GSM 無線接口的 WCDMA 技術(shù)，使用新的頻段、新 的無線傳輸技術(shù)和話音編碼形式，可提供高達(dá) 2M 的帶寬。UMTS 核心網(wǎng)是在 GSM/GPRS 基礎(chǔ)上發(fā)展起來的全 IP 骨干網(wǎng)。從邏輯上可分為電路交換域（CS）和分

3、組交換域（PS）。CS域是UMTS的電路交換核心網(wǎng)，用于支持電路數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)； PS域是 UMTS的分組業(yè)務(wù)核心網(wǎng)，用于支持分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（ GPRS ）和一些多媒體業(yè)務(wù)。在 UMTS中，信 令控制和數(shù)據(jù)傳輸是分離的。3 GPRS 網(wǎng)絡(luò)簡述GPRS 是 GSM 是分組交換領(lǐng)域的延伸， 通過在 GSM 網(wǎng)絡(luò)上增加網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點 GGSN 和服務(wù)支 持節(jié)點 SGSN 提供分組無線服務(wù)能力， 為用戶提供 100kbps 以上的數(shù)據(jù)速率， 是 GSM 向第三代移 動通信系統(tǒng)平滑過渡的一個重要環(huán)節(jié)。GPRS 基站子系統(tǒng)采用與 GSM 同樣的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、帶寬、跳頻規(guī)則和 TDMA 幀結(jié)構(gòu)。而核心網(wǎng)部分采用 IP

4、 網(wǎng)構(gòu)架。 GPRS 核心網(wǎng)對 GSM 對 3G 的前向 兼容性能夠充分保護(hù)運營和移動用戶的利益。4 從 GPRS 到 UMTS 的演進(jìn)過程4.1 無線接入部分的革命UMTS 無線接入將用全新的 UTRAN （UMTS 地面無線接入網(wǎng)） 取代現(xiàn)有的 GSM/GPRS 無線接 口，即在一個全新的頻段上用更高頻譜效率的技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。 UTRAN 基本的功能實體是 B 節(jié)點（相 當(dāng)于GSM的BTS）和無線網(wǎng)絡(luò)控制器 RNC （相當(dāng)于GSM的BSC）。RNC和CN和B節(jié)點分別通 過 Iu 和 Iub 接口連接，不同 RNC 由 Iur 接口（在 GSM 沒有對應(yīng)功能）相連。 Iur 的出現(xiàn)有其特定 于

5、移動性的原因，涉及到軟交換和位置更新， 在此不作詳細(xì)表述。RNC內(nèi)部、lub、Iu接口采用ATM交換、傳輸。由于為 3G 無線接入做重新部署需耗費的巨大投資和時間， 同時為了使現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源得到最大 限度的利用，比較經(jīng)濟(jì)可靠的方法是使 GPRS 核心網(wǎng)同時支持 GPRS 和 UMTS 兩種接入方式，在數(shù) 據(jù)業(yè)務(wù)繁忙地區(qū)首先引入 UTRAN ，業(yè)務(wù)量少的地方仍然維持 GPRS 基站子系統(tǒng)。4.2 核心網(wǎng)的演進(jìn)（ 1 ）核心網(wǎng)演進(jìn)的兩種策略GPRS 在一定程度上實現(xiàn)了移動 IP 業(yè)務(wù)，但在 GPRS 網(wǎng)絡(luò)中，話音和分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分別對應(yīng)于 不同的網(wǎng)絡(luò)處理節(jié)點 MSC 和 GSN ，實行話音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)

6、業(yè)務(wù)分開交換：話音經(jīng)由 MSC 由傳統(tǒng)的 PSTN 網(wǎng)處理，而數(shù)據(jù)則由 SGSN 進(jìn)入分組傳輸網(wǎng)，以 IP 的方式傳送。 GPRS 核心網(wǎng)將隨著第三代 系統(tǒng)的引入逐步過渡到以 IP 為主的骨干網(wǎng)。這個全 IP 網(wǎng)在提供寬帶分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的同時，以 VoIP 方式提供語音業(yè)務(wù)， IP 成為語音、數(shù)據(jù)、信令的統(tǒng)一載體。GPRS 網(wǎng)絡(luò)的信令控制和傳輸不實行分離，而 UMTS 的網(wǎng)絡(luò)實體功能在邏輯上可按層次分離， 它在 IP 網(wǎng)上通過構(gòu)建邏輯獨立的信令處理服務(wù)器和業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)器用于處理控制信令和業(yè)務(wù)，實現(xiàn) 所謂的“業(yè)務(wù)/控制/ 交換”的邏輯分離。從 GPRS 核心網(wǎng)演進(jìn)到第三代 UMTS 核心網(wǎng)，有兩種

7、策略，即孤島策略和重疊策略。孤島策略關(guān)注演進(jìn)網(wǎng)絡(luò)和原有網(wǎng)絡(luò)的兼容，在升級 GPRS 核心網(wǎng)的基礎(chǔ)上，對 GPRS/GSM 和 UMTS 使用相同的交換（ MSC ）和選路（ GSN ）機(jī)制。孤島策略體系結(jié)構(gòu) UTRAN 從 Iu 接口接入核心網(wǎng)， GPRS 接入網(wǎng)通過 Gb 接口接入核心網(wǎng)。 GPRS 網(wǎng)絡(luò)中的 MSC 必須增加與 UTRAN 的 Iu 接口，同時 GSN 節(jié)點應(yīng)增加 UMTS 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的處理能力， 在與原有的 GPRS BSS 無線接入兼容前提下，實現(xiàn) UTRAN 接入。這種方案的優(yōu)點是 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的操作維護(hù)功能（ O&M ）、服務(wù)傳輸機(jī)制、交換站點和系統(tǒng)平臺 等

8、資源可得到良好的繼承，兼容懷和經(jīng)濟(jì)性較好。然而它也存在一定的問題：在將新的 WCDMA 接 入技術(shù)融合到現(xiàn)有的服務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)的同時， 網(wǎng)絡(luò)容量、 性能和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)增長是否能維持良好的狀態(tài)尚 無法估計。重疊法通過現(xiàn)有 GPRS 核心網(wǎng)之上疊加新的 UMTS 核心網(wǎng)節(jié)點設(shè)備來支持 UMTS 業(yè)務(wù)。新增的 UMTS 的無線部分采用不同于 GPRS 無線部分的交換（ MSC ）和選路（ GSN ）機(jī)制。新增核心網(wǎng)節(jié) 點設(shè)備使用多媒體數(shù)據(jù)和語音一體化平臺，這樣不但可提高資源利用率，簡化維護(hù)管理，還便于向全I(xiàn)P 網(wǎng)結(jié)構(gòu)過渡。這樣， UMTS 成分的引入成為與原 GPRS 平行的相對獨立的分支，避免了二者融合

9、過程中可能出現(xiàn)的某些問題。為了支持新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)， 3G MSC 還應(yīng)具有 2.5G MSC 相似的服務(wù)傳 輸機(jī)制、 O&M 以及站點 /平臺網(wǎng)絡(luò)容量。重疊策略的優(yōu)勢在于 3G 經(jīng)營者能擺脫 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的束縛，充分發(fā)展 UMTS 的特性優(yōu)勢。另外UTRAN 的 Iu 接口的開放性質(zhì)使運營商既可選擇單個網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商承包接入服務(wù)，也可根據(jù)實際需要 來選擇不同的接入網(wǎng) / 核心網(wǎng)提供者，自由的更換 3G 接入的提供商。但是新的 UMTS 核心網(wǎng)節(jié)點設(shè) 備在系統(tǒng)中的引入需要大量的資金投入。( 2 )演進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的需求和相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)隨著 WCDMA 被逐步引入 GPRS 移動通信網(wǎng)絡(luò)和演進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的不

10、斷成熟，如何提高服務(wù)性能，降低成本成為運營商關(guān)注的目標(biāo)。* 交換部分的功能分離在電路交換域，采用 H.248/Megaco 分布式結(jié)構(gòu)概念對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。靈活的分布式處理可以將交換/選路功能從控制中分離岀來，演進(jìn)網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)有GPRS的交換機(jī)制分裂成媒體網(wǎng)關(guān)(MGW ) 和媒體網(wǎng)關(guān)控制(MGCF )。MGW負(fù)責(zé)交換、譯碼和用戶平面數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，而MGCF負(fù)責(zé)交換和服務(wù)的控制，二者之間通過 H.248/Megaco 互連。這使得運營商可在不影響數(shù)據(jù)傳輸平面的狀態(tài)下改 進(jìn)和升級其網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)傳送和控制部分。在現(xiàn)有的 GPRS 網(wǎng)絡(luò)中， MSC 是 GPRS/GSM 系統(tǒng)與 ISDN/PSTN 網(wǎng)絡(luò)的互

11、連點， 電路交換部 分仍由MSC來處理。在3G移動通信系統(tǒng)，MSC被分成MSC服務(wù)順(MSC Server )和MGW( media gateway )。增強(qiáng)后的 MSC 為話音和電路交換數(shù)據(jù)通信提供交換、譯碼功能；支持切換和 SRNS 重分配時的路由變化；為電路交換業(yè)務(wù)增加和刪除多徑路由。網(wǎng)絡(luò)的一個 MSC 服務(wù)器可以同時不同 MGW 交互。 MSC 服務(wù)器處理所有特定于移動的呼叫、服務(wù)和移動性管理，它使用 H.248/Megaco 與 MGW 通信，傳達(dá)電路交換信息。* 服務(wù)質(zhì)量( QOS )的保證從分組交換的角度看， GPRS 過渡到 UMTS 的一個關(guān)鍵是如何更好的支持實時通信。演進(jìn)的

12、分 組網(wǎng)絡(luò)組件應(yīng)能提供不同等級的 QOS 服務(wù)，以便為會話流和基于 IP 的交互式通信提供高質(zhì)量的支 持。隨著技術(shù)不斷成熟，將來用戶在漫游通話過程中也能享有 QOS 的穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)服務(wù)。在擁有一套 可靠的 QOS 服務(wù)機(jī)制之后，進(jìn)一步在演進(jìn)的 GPRS 中引入話音和基于 IP 的多媒體機(jī)制，從而使現(xiàn)存的分組、電路交換共存的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架可順利向全 IP 的架構(gòu)演進(jìn)隨著 QOS 在分組交換領(lǐng)域的實現(xiàn)，只要增加呼叫服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)，移動 VoIP 用戶就可接入傳統(tǒng) 電話網(wǎng)且能保證其話音質(zhì)量。* 為話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供統(tǒng)一的 IP 傳輸在分組交換域采用 VoIP/ 基于 IP 的多媒體傳輸技術(shù)將提高傳輸效率。 G

13、PRS 系統(tǒng)由于受到無線 技術(shù)的限制，話音和數(shù)據(jù)是分開處理的。 話音業(yè)務(wù)和電路型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通過 A接口進(jìn)入MSC，由MSC 交付傳統(tǒng)電話網(wǎng)處理； 分組型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通過 Gb 接口從 SGSN 進(jìn)入包交換域。 SIP 、TIPHON 等技術(shù) 的出現(xiàn)使運營商擺脫傳統(tǒng) TDM 技術(shù) 64kbit/s 的帶寬限制，用 IP 網(wǎng)傳輸話音和多媒體數(shù)據(jù)。這樣 UMTS 能提供更多特定于運營商的服務(wù)， 而這些服務(wù)都充分利用了現(xiàn)有的基于 IP 網(wǎng)絡(luò)的多媒體技術(shù)。在 3GPP 中， VoIP 和基于 IP 網(wǎng)絡(luò)的多媒體服務(wù)被稱為 IM 服務(wù)，支持它的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)元素即 IM 核心網(wǎng)( IMCN )子系統(tǒng)，包括媒體網(wǎng)關(guān) M

14、GW 和呼叫服務(wù)器 CSCF 。 CSCF 作為呼叫服務(wù)器處理呼 叫信令， MGCF 和 MGW 提供接入傳統(tǒng)電信網(wǎng)的連接。 CSCF 還提供和其它支持 IM 的網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。 IM 核心網(wǎng)子系統(tǒng)的發(fā)展為運營者和服務(wù)支持者帶來實惠：提供接入無關(guān)的設(shè)備，降低了網(wǎng)絡(luò) / 設(shè)備的管理維護(hù)和研發(fā)的費用。3)IP 多媒體子系統(tǒng)的演進(jìn)為了支持用戶的移動特性， 使用戶能在不同的網(wǎng)絡(luò)間漫游并接入服務(wù)。 一些網(wǎng)絡(luò)實體在功能和分 布上有新的改進(jìn)。*HLR為了適應(yīng) IM 的新性質(zhì)， HLR 增強(qiáng)為 HSS 歸屬用戶服務(wù)器( Home subscriber server )，增加 IM 相關(guān)特性的用戶數(shù)據(jù)存儲。同時為了

15、服務(wù)其它非 GPRS 的 IP 網(wǎng)用戶， HSS 也被要求具有接入無 關(guān)性。接入無關(guān)性使運營者可從非 UMTS 各種網(wǎng)絡(luò)(無線或有線)接入 IM 網(wǎng)，使 IM 網(wǎng)的優(yōu)越特性 得到充分的利用。*CSCFCSCF 按功能的不同有三種類型：1)S-CSCF ( serving CSCF )：主要提供業(yè)務(wù)控制功能，是應(yīng)用層和服務(wù)層之間的交互點。它接受本地或漫游用戶注冊，臨時保 存從 HLR 下載的相關(guān)用戶數(shù)據(jù)。位于歸屬網(wǎng)絡(luò)也可位于拜訪網(wǎng)絡(luò)。它保證用戶在被訪問的網(wǎng)絡(luò)中獲 得與原籍地系統(tǒng)中相同的服務(wù)，提供業(yè)務(wù)的連續(xù)性。2 )I-CSCF ( interrogating -CSCF)所有指向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)某一移動臺

16、(可以是本網(wǎng)絡(luò)用戶也可以是漫游在此地的用戶)連接的連接點。在SIP 注冊過程中， I-CSCF 通過詢問 HSS 得到為此用戶分配的 S-CSCF 地址。在會話管理過程中， I-CSCF 在 S-CSCF 和 P-CSCF 間傳遞 SIP 信令，同時它還可為 P-CSCF/S-CSCF 提供安全驗證功3 )P-CSCF (proxy CSCF )移動臺和 S-CSCF 之間的信令橋梁，有翻譯功能，是用戶在 IM CN 的入口點。移動臺可通過 DHCP 協(xié)議獲得一個 P-CSCF 地址，而后移動臺的所有基于 SIP 的主令都由 P-CSCF 轉(zhuǎn)發(fā)給 S-CSCF 。某些特殊情況下 P-CSCF

17、還可用作用戶代理，主動發(fā)起 SIP 事務(wù)處理。*MGW和在電路交換域相似， MGW 主要提供與傳統(tǒng)電信網(wǎng)間的譯碼及互聯(lián)。但在 IM 特性下， MGW 不再配合 MSC 服務(wù)器進(jìn)行復(fù)雜的切換和 SRNS 更新，而由 GPRS 子網(wǎng)元素( GSN )處理核心網(wǎng)移 動性相關(guān)的過程。另外，媒體資源功能 MSF 執(zhí)行多方通話和多媒體會議電話等 IM 特性功能。*MGCF提供特定于 IP 的會話信令與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)間的信令轉(zhuǎn)換以及地址影射。對于 IM 核心網(wǎng)子系統(tǒng)而言，多媒體業(yè)務(wù)處理協(xié)議采用 IETF 的 SIP 協(xié)議，因為 SIP 處理語音和 多媒體業(yè)務(wù)比較靈活，在今后的發(fā)展過程中更適應(yīng)與移動相關(guān)的發(fā)展。在 IP 協(xié)議的版本使用上，應(yīng)注意 IPV4 和 IPV6 的兼容問題。4.3UMTS 和 GPRS/GSM 網(wǎng)絡(luò)間的漫游隨著 GPRS 逐漸向 UMTS 過渡，雖然 IM 用戶和相應(yīng)服務(wù)呈增長趨勢， 但傳統(tǒng)終端和 MSC 提供 支持的純語音業(yè)務(wù)在一段時間內(nèi)還會存在，為了移動用戶在享有 3G 多媒體通信服務(wù)的時候，仍享有 在國內(nèi)和國際漫游的權(quán)利和利益，運營商要提供用戶 GPRS 和 UMTS