現(xiàn)代交換技術-03章-移動交換技術

第三章移動交換技術第三章移動交換技術本章內容：移動交換系統(tǒng)概述移動交換控制原理移動交換的相關接口

移動交換技術演進本章重點：移動交換控制原理3.1移動交換系統(tǒng)概述3.1.1系統(tǒng)組成移動通信網(wǎng)都是由無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)兩部分組成。無線接入網(wǎng)（RAN）為移動終端提供接入網(wǎng)絡服務，其關鍵組件是基站，2G時代的基站是BTS，3G的是NodeB，4G的是eNB，5G的是gNB。核心網(wǎng)為各種業(yè)務提供交換服務，4G核心網(wǎng)稱為EPC；5G核心網(wǎng)（5GC）稱為NG-Core。一、基站4G網(wǎng)絡中，一個基站通常包括BBU、RRU、饋線和天線。BBU（室內基帶處理單元）主要負責UU接口的基帶處理（編碼、復用、調制和擴頻等）、信令處理、本地和遠程操作維護、NodeB系統(tǒng)的工作狀態(tài)監(jiān)控和告警信息上報等功能；RRU（射頻拉遠單元）主要是在遠端進行基帶光信號與射頻信號之間的處理轉換，包括收發(fā)信機、中頻、功放和濾波四大模塊；天線主要負責線纜上導行波和空氣中間波之間的轉換（射頻信號的收發(fā)）；饋線用于連接RRU和天線。3.1.1系統(tǒng)組成一、基站在5G網(wǎng)絡中，基站包括CU、DU和AAU三個功能實體。CU是將原BBU的非實時部分分割出來之后的重新定義，負責處理非實時協(xié)議和服務；AAU是BBU的部分物理層處理功能與原RRU及無源天線合并而成；DU是BBU的剩余功能重新定義，負責處理物理層協(xié)議和實施服務。簡而言之，CU和DU是以處理內容的實時性進行區(qū)分的。3.1.1系統(tǒng)組成二、核心網(wǎng)核心網(wǎng)完成對本控制區(qū)域內的移動用戶進行通信控制與管理，其功能主要包括：移動用戶各種類型的呼叫接續(xù)控制；通過標準接口與基站和其他核心網(wǎng)相連，完成越區(qū)切換、漫游及計費功能；用戶位置登記與管理；用戶號碼和移動設備號碼的登記與管理；服務類型的控制；對用戶實施鑒權；提供連接維護管理中心接口，完成無線信道管理功能等。3.1.1系統(tǒng)組成二、核心網(wǎng)5G核心網(wǎng)（5GC）：基于服務化架構（網(wǎng)絡功能服務解耦）和SDN/NFV框架（網(wǎng)絡云化），結合網(wǎng)絡切片（端到端邏輯專用網(wǎng)絡）、邊緣計算、5G非公共網(wǎng)絡（NPN）、5G局域網(wǎng)等行業(yè)專網(wǎng)使能技術，實現(xiàn)網(wǎng)絡架構開放性、網(wǎng)元虛擬化、資源靈活調度及定制化場景應用。3.1.1系統(tǒng)組成5G網(wǎng)元及其功能：

AMF（接入和移動性管理功能）、SMF（會話管理功能）

UPF（用戶平面功能）

、UDM（統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理）

AUSF（鑒權服務功能）

、PCF（策略控制功能）

NEF（網(wǎng)絡開放功能）

、NRF（網(wǎng)絡存儲功能）

NSSF（網(wǎng)絡切片選擇功能）

、AF（應用功能）二、核心網(wǎng)3.1.1系統(tǒng)組成接入和移動性管理功能（AMF）：注冊管理（連接管理、移動性管理、接入鑒權、可達性管理），與SMF間的SM消息轉發(fā)，安全錨點功能（SEA），安全上下文管理功能（SCM）等。二、核心網(wǎng)3.1.1系統(tǒng)組成會話管理功能（SMF）：會話管理（建立、修改、釋放等）、用戶面（UP）選擇和控制；IP地址分配；配置UPF的QoS策略等。二、核心網(wǎng)3.1.1系統(tǒng)組成用戶平面功能（UPF）：用戶平面的業(yè)務處理功能，包括用戶數(shù)據(jù)包的路由和轉發(fā)、與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)DN的數(shù)據(jù)交互、用戶平面的QoS處理、保證業(yè)務/會話連續(xù)性（5G到4G切換）、流控規(guī)則實施（例如門控、重定向、流量轉向）等。二、核心網(wǎng)3.1.1系統(tǒng)組成統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理（UDM）：產(chǎn)生AKA過程需要的數(shù)據(jù)；簽約數(shù)據(jù)管理、用戶鑒權處理、短消息管理；支持ARPF等。二、核心網(wǎng)3.1.1系統(tǒng)組成鑒權服務功能（AUSF）：為鑒權服務器，生成鑒權向量，實現(xiàn)對用戶的鑒權和認證等。二、核心網(wǎng)3.1.1系統(tǒng)組成策略控制管理（PCF）：應用和業(yè)務數(shù)據(jù)流檢測及分流管理；UE策略配置；QoS控制；背景數(shù)據(jù)傳送策略協(xié)商；對通過NEF和PFDF從第三方AS配置進行的PDF進行管理；具備UDR前端功能以提供用戶簽約信息；提供網(wǎng)絡選擇和移動性管理相關的策略等。二、核心網(wǎng)3.1.1系統(tǒng)組成網(wǎng)絡開放功能（NEF）：負責管理對外開放網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的，所有的外部應用，想要訪問5G核心網(wǎng)內部數(shù)據(jù)，都必須要通過NEF。NEF提供相應的安全保障來保證外部應用到3gpp網(wǎng)絡的安全，提供外部應用Qos定制能力開放、移動性狀態(tài)事件訂閱、AF請求分發(fā)等功能。二、核心網(wǎng)3.1.1系統(tǒng)組成網(wǎng)絡存儲功能（NRF）：用來進行NF登記、管理、狀態(tài)檢測，實現(xiàn)所有NF的自動化管理，每個NF啟動時，必須要到NRF進行注冊登記才能提供服務，登記信息包括NF類型、地址、服務列表等。二、核心網(wǎng)3.1.1系統(tǒng)組成網(wǎng)絡切片選擇功能（NSSF）：根據(jù)接入網(wǎng)的UE提供哪個網(wǎng)絡切片服務，進而決定由哪個AMF為該UE提供接入服務，包括選擇服務UE的網(wǎng)絡切片和AMF集合，確定允許的NSSAI以及（若需要的話）映射到簽約的S-NSSAI等。二、核心網(wǎng)3.1.1系統(tǒng)組成應用功能（AF）：指應用層的各種服務，可以是運營商內部的應用如VolteAF(類似4G的VolteAs）、也可以是第三方的AF（如視頻服務器、游戲服務器），如果是運營商內部的AF，與其他NF在一個可信域內，可以直接與其他NF如PCF交互訪問，而第三方的AF則不在可信域內，必須通過NEF訪問其他NF。3.1.1系統(tǒng)組成二、核心網(wǎng)5G提出了非獨立組網(wǎng)（NSA）和獨立組網(wǎng)（SA）兩種組網(wǎng)方案。

NSASA業(yè)務能力僅支持大帶寬業(yè)務較優(yōu)，支持大帶寬和低時延業(yè)務，便于拓展垂直行業(yè)4G/5G組網(wǎng)靈活度較差：option3x同廠商，option3a可能不同廠商較優(yōu)，可以不同廠商基本性能終端吞吐量下行峰值速率（4G/5G雙連接，NSA比SA優(yōu)7%），上行邊緣速率高上行峰值速率（終端5G雙發(fā)，SA比NSA優(yōu)87%），上行邊緣速率低覆蓋性能同4G初期5G連續(xù)覆蓋挑戰(zhàn)大業(yè)務連續(xù)性較優(yōu)，不涉及4G/5G系統(tǒng)間的切換略差，初期未連續(xù)覆蓋時，4G/5G系統(tǒng)間切換多對4G現(xiàn)網(wǎng)改造無線網(wǎng)改造較大：4G軟件升級支持Xn接口，硬件基本無需更換，但需與5G基站連接改造較小，4G升級支持與5G互操作，配置5G鄰區(qū)3.1.2移動交換控制的特征1、移動用戶在服務區(qū)內隨時移動，必須要有本地位置信息和變更位置信息，即應具有位置登記功能、跟蹤接續(xù)功能、基站對用戶尋呼的功能。2、必須具有信道切換功能。移動用戶從一個小區(qū)轉移到其他小區(qū)時，能隨時發(fā)現(xiàn)移動用戶的位置變化，及時進行局間通信線路切換。3、具有遠地交換機注冊訪問的功能。當移動用戶在遠離本地區(qū)域時，相關用戶數(shù)據(jù)應能進行遠地注冊訪問，完成收發(fā)信的呼叫控制。4、能與公網(wǎng)進行相互接續(xù)，實現(xiàn)跟蹤接續(xù)功能，并具有與固定網(wǎng)相同的業(yè)務控制、信號處理、計費及維護試驗等。3.2移動交換控制原理3.2.1移動呼叫處理一、移動臺初始化當移動用戶首次進行移動通信系統(tǒng)時，必須進行位置登記。當移動用戶開機時，自動掃描捕獲所在移動網(wǎng)號、基站號、位置區(qū)域等信息。當移動用戶漫游到新的位置時，必須向訪問位置寄存器申請位置登記，得到臨時性漫游號碼。3.2.1移動呼叫處理二、呼叫接續(xù)控制市話用戶呼叫移動用戶的控制過程來自市話用戶呼叫呼叫識別碼交換機移動臺基站尋呼信息尋呼響應尋呼響應選擇空閑信道信道指定發(fā)送檢測音環(huán)回檢測音啟動發(fā)射機送回鈴音通知振鈴振鈴成功應答信息斷回鈴音監(jiān)測通話振鈴講話調諧信道信息相符應答二、呼叫接續(xù)控制移動臺基站/交換機內部存儲器固定網(wǎng)發(fā)信請求移動臺呼叫市話用戶的接續(xù)控制順序詢問用戶呼叫進行認證參數(shù)認證請求認證應答應答確認固定網(wǎng)側線路設定呼叫（被叫號碼）被叫應答呼叫應答業(yè)務請求被叫空閑3.2.1移動呼叫處理三、5G網(wǎng)絡的RRC狀態(tài)說明3.2.1移動呼叫處理空閑態(tài)的用戶終端（UE）需要發(fā)起業(yè)務時（語音或數(shù)據(jù)業(yè)務），將執(zhí)行RRC建立過程：空閑態(tài)UE首先需要向網(wǎng)絡發(fā)起RRC連接建立請求，然后雙方進行連接設置并確認，則空閑態(tài)轉移到連接態(tài)。連接態(tài)UE若持續(xù)一段時間沒有數(shù)據(jù)傳輸，則會進入非活動態(tài)。非活動態(tài)UE需要發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸時，通過RRC恢復過程遷移到連接態(tài)。非活動態(tài)UE持續(xù)一段時間仍沒有數(shù)據(jù)傳輸，則進入空閑態(tài)。三、5G網(wǎng)絡的RRC狀態(tài)說明3.2.1移動呼叫處理3.2.2移動交換的基本技術一．漫游技術漫游：移動用戶由歸屬交換局（或歸屬局）控制區(qū)進入被訪交換局控制區(qū)后，仍能獲得移動業(yè)務服務的網(wǎng)絡功能。?人工漫游：兩地運營部門預先定有協(xié)議，為對方預留一定數(shù)量的漫游號，用戶漫游前必須提出申請。?半自動漫游：漫游用戶至訪問區(qū)發(fā)起呼叫時由訪問區(qū)人工臺輔助完成。用戶不必事先申請。（因漫游號回收困難，很少使用）?自動漫游：網(wǎng)絡可自動檢索漫游用戶的數(shù)據(jù)，并自動分配漫游號，對于用戶來說沒有任何感覺。二．切換技術切換：當用戶終端（UE）處于業(yè)務連接狀態(tài)并保持業(yè)務服務時，從一個小區(qū)移動到另一個小區(qū)，原來的服務小區(qū)不可能再給UE繼續(xù)提供服務，為了不中斷業(yè)務，無線承載系統(tǒng)將尋找最合適的小區(qū)或網(wǎng)絡為UE提供繼續(xù)服務，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡無縫覆蓋的移動性管理。3.2.2移動交換的基本技術切換是移動通信系統(tǒng)中一項非常重要的技術，切換的成功率是無線蜂窩通信系統(tǒng)移動性管理性能的重要考量指標；切換失敗會導致掉話，影響網(wǎng)絡的運行質量。當5G網(wǎng)絡與TD-LTE、2G、3G、WLAN等不同制式網(wǎng)絡并存時，小區(qū)間發(fā)生的切換將更復雜、更頻繁，造成切換失敗的概率也更大，查找引發(fā)切換失敗的原因會更困難。二．切換技術切換分類：從無線空口資源的分配角度看，小區(qū)切換大致可分為以下幾種：硬切換、軟切換、接力切換。先斷開、后切換硬切換先切換、后斷開軟切換二．切換技術切換分類：從無線空口資源的分配角度看，小區(qū)切換大致可分為以下幾種：硬切換、軟切換、接力切換。接力切換接力切換是一種改進的硬切換技術，可提高切換成功率，與軟切換相比，可以克服切換時對鄰近基站信道資源的占用。接力切換過程：UE需要對本小區(qū)基站和相鄰小區(qū)基站的參考信號強度進行測量，并上報給基站；基站對測量信號進行判決，如果判決的結果是需要切換，基站就會先與鄰小區(qū)通信，請求鄰小區(qū)預先準備好無線資源以及終端的上行文；等鄰小區(qū)準備好資源和終端的上下文后，就切斷當前小區(qū)的資源，由鄰小區(qū)接管對該終端的控制。二．切換技術切換分類：從無線空口資源的分配角度看，小區(qū)切換大致可分為以下幾種：硬切換、軟切換、接力切換。優(yōu)缺點比較接力切換和軟切換與硬切換相比，都具有較高的切換成功率、較低的掉話率以及較小的上行干擾等優(yōu)點。接力切換不需要同時有多個基站為一個移動用戶提供服務，因而克服了軟切換需要占用的信道資源多、信令復雜、增加下行鏈路干擾等缺點。接力切換斷開原基站和與目標基站建立通信鏈路幾乎同時進行，克服了傳統(tǒng)硬切換掉話率高、切換成功率低的缺點。接力切換精確知道UE位置，只需對與UE移動方向一致或者靠近UE一側少量小區(qū)進行測量，大大減少了UE測量時間和工作量，減少了信令交互和網(wǎng)絡負荷，減少了切換時延。二．切換技術（1）多元信任模式下的認證管理在4G網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡對用戶入網(wǎng)認證，并作為管道承載用戶與服務間的業(yè)務認證，用戶與網(wǎng)絡、用戶與服務分別構成二元信任模型。在5G網(wǎng)絡中，將融合傳統(tǒng)二元信任模型，構建多元信任模型。三．網(wǎng)絡安全技術（2）(U)SIM卡的單一身份管理過渡到靈活多樣的身份管理在4G等傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡是以實體(U)SIM卡為基礎來管理用戶的身份和密鑰。在5G網(wǎng)絡中，引入新的終端身份管理方式，可以包含設備物理標識和業(yè)務標識，一個物理標識可以對應一個或者多個業(yè)務標識。也可以采用以用戶為單位的管理方式。三．網(wǎng)絡安全技術3.3移動交換的相關接口3.3.15GC接口NG1、NG2、NG3、NG4、NG6、NG9是基于參考點設置的接口，不是服務化的接口。其余的接口均為服務化的接口。3.3移動交換的相關接口3.3.15GC接口一、服務化的接口服務化接口包含以下接口：NGamf、NGsmf、NGudm、NGnrf、NGnssf、NGausf、NGnef、NGsmf、NGudr、NGpcf、NGlmf、NG5g-eir，采用HTTP/2協(xié)議。3.3移動交換的相關接口3.3.15GC接口二、基于參考點的NG接口1.NG1接口NG1接口是一個NAS的接口，它用于發(fā)送移動性管理、會話管理的NAS消息。移動性管理用于終端與AMF進行交互的消息。會話管理用于UE與SMF、SMSF、otherNF交互的消息。注意：會話管理的NAS消息，承載于移動管理消息之上；

其他的會話管理消息同樣需要通過AMF來轉發(fā)和透傳。3.3移動交換的相關接口3.3.15GC接口二、基于參考點的NG接口2.NG2接口在4G中，NG2接口用于E-NodeB與MME之間連接。在5G中，NG2接口用于對接5G基站與核心網(wǎng)的AMF之間的連接，采用NG-AP協(xié)議。3.3移動交換的相關接口3.3.15GC接口二、基于參考點的NG接口3.NG4接口NG4接口是用于SMF與UPF之間的參考點。此接口中間會傳輸一些控制面的消息，同時也會傳輸一些用戶面的消息。其控制面協(xié)議由GTP-C替換為了PFCP，而用戶面協(xié)議與4G相同，依舊是采用GTP-U的協(xié)議。3.3移動交換的相關接口3.3.15GC接口二、基于參考點的NG接口4.NG3、NG6、NG9接口它們用于用戶面協(xié)議棧的接口。NG3位于5G接入網(wǎng)與UPF之間，用GTP-U的協(xié)議；NG6是內部網(wǎng)絡側與外部網(wǎng)絡側的協(xié)議，采用GTP-U協(xié)議；NG9位于兩個UPF之間，是一個5G封裝的用戶面接口，支持3GPP和非3GPP的接入，當使用3GPP接入時使用GTP-U協(xié)議，當使用非3GPP的接入則會使用其他的隧道協(xié)議。說明：NG1/2/8/11等接口與AMF有關，NG3/6/9/4等接口與UPF有關，NG4/7/10/11等接口與SMF有關。3.3移動交換的相關接口3.3.2gNB接口接口功能協(xié)議NG1.gNB與核心網(wǎng)的接口。2.NG-C(NG2)：NG接口管理、UE上下文管理、UE移動性管理、NAS消息傳輸、PDU會話管理、配置轉換、告警信息傳輸、尋呼。3.NG-U(NG3)：提供NG-RAN和UPF間的用戶面會話（userplanePUDs）非保證傳遞?？刂泼妫篨n-C、NG-C、F1-C接口信令連接基于SCTP協(xié)議（可靠性高）；數(shù)據(jù)面：Xn-U、NG-U、F1-U用戶面?zhèn)鬏敾贕TP-U協(xié)議Xn1.gNB與gNB間的接口，支持數(shù)據(jù)和信令傳輸。2.Xn-C：Xn接口管理、UE移動性管理（跨棧切換、上下文轉移和RAN尋呼）、雙連接（DC）。3.Xn-U：提供用戶面PDUs非保證傳遞，主要功能包括數(shù)據(jù)轉發(fā)和流控制。F11.gNB-CU和gNB-DU之間的接口。2.F1-C：F1接口管理、gNB-DU管理、系統(tǒng)消息管理、負載管理、尋呼、F1UE上下文管理……。3.F1-U：用戶數(shù)據(jù)轉發(fā)、流控制功能。其它gNB和UE之間（UU接口）使用NR控制面和用戶面協(xié)議。

3.3移動交換的相關接口3.3.2gNB接口gNB接口協(xié)議棧包括NG-C協(xié)議棧、NG-U協(xié)議棧、Xn-C協(xié)議棧、Xn-U協(xié)議棧、F1-C協(xié)議棧和F1-U協(xié)議棧。3.4移動交換技術演進3.4.1移動通信系統(tǒng)發(fā)展1.第一代蜂窩移動通信系統(tǒng)（1G時代）1978年貝爾實驗室在芝加哥試驗成功世界上第一個真正意義上的大容量蜂窩移動通信系統(tǒng)，并于1983年正式投入商用。20世紀80年代中期，歐洲和日本紛紛建立了自己的蜂窩移動通信網(wǎng)絡，主要包括英國的ETACS系統(tǒng)、北歐的NMT-450系統(tǒng)、日本的NTT/JTACS/NTACS系統(tǒng)等。我國于1987年正式引入蜂窩通信系統(tǒng)。3.4移動交換技術演進3.4.1移動通信系統(tǒng)發(fā)展2.第二代蜂窩移動通信系統(tǒng)（2G時代）20世紀90年代，采用數(shù)字調制技術的第二代蜂窩移動通信系統(tǒng)（又稱2G系統(tǒng)）順勢出現(xiàn)，提供話音和數(shù)據(jù)業(yè)務。GSM：主要利用工作在900/1800MHz頻段，無線接口采用TDMA技術，核心網(wǎng)移動性管理協(xié)議采用MAP協(xié)議。IS-95：工作在800/1900MHz頻段，采用CDMA技術，在提高系統(tǒng)容量和抗干擾及無線衰落等方面存在明顯優(yōu)勢。2G系統(tǒng)涵蓋了全速率完全兼容的增強型話音編解碼、半速率編解碼器、密集的頻率復用/多復用/多重復用結構、智能天線、雙頻段、自適應語音編碼（AMR）以及GPRs/EDGE等多項技術。3.4移動交換技術演進3.4.1移動通信系統(tǒng)發(fā)展3.第三代蜂窩移動通信系統(tǒng)（3G時代）1985年國際電信聯(lián)盟（ITU）提出了未來公共陸地移動通信系統(tǒng)（FPLMTS）的概念，F(xiàn)PLMTS是第三代移動通信系統(tǒng)的前身，其目的是實現(xiàn)任何人在任何時間、任何地點能向任何人傳送任何信息。1995年ITU將FPLMTS更名為國際移動電信2000（IMT-2000），即第三代移動通信系統(tǒng)或3G系統(tǒng)。1998年國際電聯(lián)推出WCDMA和CDMA2000兩商用標準（中國2000年推出TD-SCDMA標準，2001年3月被3GPP接納）。此后，各國通信領域陸續(xù)實現(xiàn)由2G系統(tǒng)向3G系統(tǒng)升級。3.4移動交換技術演進3.4.1移動通信系統(tǒng)發(fā)展4.第四代蜂窩移動通信系統(tǒng)（4G時代）它是集3G與WLAN于一體并能夠傳輸高質量視頻圖像的技術產(chǎn)品4G時代的核心技術是OFDM，它具有良好的抗噪聲性能和抗多信道干擾能力，能夠以l00Mb/s的速度傳輸，是移動電話數(shù)據(jù)傳輸速率的1萬倍，是撥號上網(wǎng)的200倍，是3G移動電話速率的50倍。4G系統(tǒng)能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務的要求，同時4G的計費方式也更加靈活機動，用戶完全可以根據(jù)自身的需求確定所需的服務。但隨著需求的不斷變化，4