從2.5G　GPRS技術到UMTS過渡的演進

2019-11-05 02:42:54

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供稿：網友

　　1　引言
　　隨著移動通信業務的迅猛發展，移動數據和多媒體通信的應用將越來越廣泛，在不久的將來，甚至將超過傳統的話音成為移動通信承載的主要業務。而傳統的第二代GSM移動通信網絡已無法適應這種新的發展趨勢，為此，GSM將逐步過渡到以WCDMA為核心技術的第三代移動通信系統（UMTS）。今天，處于2.5G的GPRS技術已日漸成熟，是2G向3G過渡的重要環節。本文主要討論如何在GPRS網絡引入UMTS，使演進的網絡利用日臻完善的ip網來傳送語音和多媒體數據業務。
　　
　　2　UMTS網絡體系結構
　　UMTS可分為無線接入網UTRAN(UMTS terrestrial radio access network)和核心網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，使用新的頻段、新的無線傳輸技術和話音編碼形式，可提供高達2M的帶寬。
　　
　　UMTS核心網是在GSM/GPRS基礎上發展起來的全IP骨干網。從邏輯上可分為電路交換域（CS）和分組交換域（PS）。CS域是UMTS的電路交換核心網，用于支持電路數據業務；PS域是UMTS的分組業務核心網，用于支持分組數據業務（GPRS）和一些多媒體業務。在UMTS中，信令控制和數據傳輸是分離的。
　　
　　3　GPRS網絡簡述
　　GPRS是GSM是分組交換領域的延伸，通過在GSM網絡上增加網關支持節點GGSN和服務支持節點SGSN提供分組無線服務能力，為用戶提供100kbps以上的數據速率，是GSM向第三代移動通信系統平滑過渡的一個重要環節?！　PRS基站子系統采用與GSM同樣的無線調制標準、帶寬、跳頻規則和TDMA幀結構。而核心網部分采用IP網構架。GPRS核心網對GSM對3G的前向兼容性能夠充分保護運營和移動用戶的利益。
　　
　　4　從GPRS到UMTS的演進過程
　　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）取代現有的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構建網絡。UTRAN基本的功能實體是B節點（相當于GSM的BTS）和無線網絡控制器RNC（相當于GSM的BSC）。RNC和CN和B節點分別通過Iu和Iub接口連接，不同RNC由Iur接口（在GSM沒有對應功能）相連。Iur的出現有其特定于移動性的原因，涉及到軟交換和位置更新，在此不作具體表述。RNC內部、Iub、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，同時為了使現有的網絡資源得到最大限度的利用，比較經濟可靠的方法是使GPRS核心網同時支持GPRS和UMTS兩種接入方式，在數據業務繁忙地區首先引入UTRAN，業務量少的地方仍然維持GPRS基站子系統。
　　
　　4.2　核心網的演進
　　
　?。?）核心網演進的兩種策略
　　
　　GPRS在一定程度上實現了移動IP業務，但在GPRS網絡中，話音和分組數據業務分別對應于不同的網絡處理節點MSC和GSN，實行話音業務和數據業務分開交換：話音經由MSC由傳統的PSTN網處理，而數據則由SGSN進入分組傳輸網，以IP的方式傳送。GPRS核心網將隨著第三代系統的引入逐步過渡到以IP為主的骨干網。這個全IP網在提供寬帶分組數據業務的同時，以VoIP方式提供語音業務，IP成為語音、數據、信令的統一載體。
　　
　　GPRS網絡的信令控制和傳輸不實行分離，而UMTS的網絡實體功能在邏輯上可按層次分離，它在IP網上通過構建邏輯獨立的信令處理服務器和業務應用服務器用于處理控制信令和業務，實現所謂的“業務/控制/交換”的邏輯分離。
　　
　　從GPRS核心網演進到第三代UMTS核心網，有兩種策略，即孤島策略和重疊策略。
　　
　　孤島策略關注演進網絡和原有網絡的兼容，在升級GPRS核心網的基礎上，對GPRS/GSM和UMTS使用相同的交換（MSC）和選路（GSN）機制。
　　
　　孤島策略體系結構UTRAN從Iu接口接入核心網，GPRS接入網通過Gb接口接入核心網。GPRS網絡中的MSC必須增加與UTRAN的Iu接口，同時GSN節點應增加UMTS網絡協議的處理能力，在與原有的GPRS　BSS無線接入兼容前提下，實現UTRAN接入。
　　
　　這種方案的優點是GPRS網絡的操作維護功能（O&M）、服務傳輸機制、交換站點和系統平臺等資源可得到良好的繼續，兼容懷和經濟性較好。然而它也存在一定的問題：在將新的WCDMA接入技術融合到現有的服務提供網絡的同時，網絡容量、性能和網絡業務增長是否能維持良好的狀態尚無法估計。
　　
　　重疊法通過現有GPRS核心網之上疊加新的UMTS核心網節點設備來支持UMTS業務。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）機制。新增核心網節點設備使用多媒體數據和語音一體化平臺，這樣不但可提高資源利用率，簡化維護治理，還便于向全IP網結構過渡。這樣，UMTS成分的引入成為與原GPRS平行的相對獨立的分支，避免了二者融合過程中可能出現的某些問題。為了支持新的網絡結構，3G MSC還應具有2.5G MSC相似的服務傳輸機制、O&M以及站點/平臺網絡容量。
　　
　　重疊策略的優勢在于3G經營者能擺脫GPRS網絡的束縛，充分發展UMTS的特性優勢。另外UTRAN的Iu接口的開放性質使運營商既可選擇單個網絡供給商承包接入服務，也可根據實際需要來選擇不同的接入網/核心網提供者，自由的更換3G接入的提供商。但是新的UMTS核心網節點設備在系統中的引入需要大量的資金投入。
　　
　　（2）演進網絡的需求和相應的技術改進
　　
　　隨著WCDMA被逐步引入GPRS移動通信網絡和演進網絡的不斷成熟，如何提高服務性能，降低成本成為運營商關注的目標。
　　
　　*交換部分的功能分離
　　
　　在電路交換域，采用H.248/Megaco分布式結構概念對網絡結構進行優化。靈活的分布式處理可以將交換/選路功能從控制中分離出來，演進網絡將現有GPRS的交換機制分裂成媒體網關（MGW）和媒體網關控制（MGCF）。MGW負責交換、譯碼和用戶平面數據傳輸等，而MGCF負責交換和服務的控制，二者之間通過H.248/Megaco互連。這使得運營商可在不影響數據傳輸平面的狀態下改進和升級其網絡的服務傳送和控制部分。
　　
　　在現有的GPRS網絡中，MSC是GPRS/GSM系統與ISDN/PSTN網絡的互連點，電路交換部分仍由MSC來處理。在3G移動通信系統，MSC被分成MSC服務順（MSC Server）和MGW（media gateway）。增強后的MSC為話音和電路交換數據通信提供交換、譯碼功能；支持切換和SRNS重分配時的路由變化；為電路交換業務增加和刪除多徑路由。網絡的一個MSC服務器可以同時不同MGW交互。MSC服務器處理所有特定于移動的呼叫、服務和移動性治理，它使用H.248/Megaco與MGW通信，傳達電路交換信息。
　　
　　*服務質量（QOS）的保證
　　
　　從分組交換的角度看，GPRS過渡到UMTS的一個要害是如何更好的支持實時通信。演進的分組網絡組件應能提供不同等級的QOS服務，以便為會話流和基于IP的交互式通信提供高質量的支持。隨著技術不斷成熟，將來用戶在漫游通話過程中也能享有QOS的穩定、優質服務。在擁有一套可靠的QOS服務機制之后，進一步在演進的GPRS中引入話音和基于IP的多媒體機制，從而使現存的分組、電路交換共存的網絡構架可順利向全IP的架構演進。
　　
　　隨著QOS在分組交換領域的實現，只要增加呼叫服務器和網關，移動VoIP用戶就可接入傳統電話網且能保證其話音質量。
　　
　　*為話音和數據業務提供統一的IP傳輸
　　
　　在分組交換域采用VoIP/基于IP的多媒體傳輸技術將提高傳輸效率。GPRS系統由于受到無線技術的限制，話音和數據是分開處理的。話音業務和電路型數據業務通過A接口進入MSC，由MSC交付傳統電話網處理；分組型數據業務通過Gb接口從SGSN進入包交換域。SIP、TIPHON等技術的出現使運營商擺脫傳統TDM技術64kbit/s的帶寬限制，用IP網傳輸話音和多媒體數據。這樣UMTS能提供更多特定于運營商的服務，而這些服務都充分利用了現有的基于IP網絡的多媒體技術。
　　
　　在3GPP中，VoIP和基于IP網絡的多媒體服務被稱為IM服務，支持它的相關網絡元素即IM核心網（IMCN）子系統，包括媒體網關MGW和呼叫服務器CSCF。CSCF作為呼叫服務器處理呼叫信令，MGCF和MGW提供接入傳統電信網的連接。CSCF還提供和其它支持IM的網絡的互聯。IM核心網子系統的發展為運營者和服務支持者帶來實惠：提供接入無關的設備，降低了網絡/設備的治理維護和研發的費用。
　　
　?。?）IP多媒體子系統的演進
　　
　　為了支持用戶的移動特性，使用戶能在不同的網絡間漫游并接入服務。一些網絡實體在功能和分布上有新的改進。
　　
　　*HLR
　　
　　為了適應IM的新性質，HLR增強為HSS歸屬用戶服務器（Home subscriber server），增加IM相關特性的用戶數據存儲。同時為了服務其它非GPRS的IP網用戶，HSS也被要求具有接入無關性。接入無關性使運營者可從非UMTS各種網絡（無線或有線）接入IM網，使IM網的優越特性得到充分的利用。
　　
　　*CSCF
　　
　　CSCF按功能的不同有三種類型：
　　
　　1）S-CSCF（serving CSCF）：
　　
　　主要提供業務控制功能，是應用層和服務層之間的交互點。它接受本地或漫游用戶注冊，臨時保存從HLR下載的相關用戶數據。位于歸屬網絡也可位于拜訪網絡。它保證用戶在被訪問的網絡中獲得與原籍地系統中相同的服務，提供業務的連續性。
　　
　　2）I-CSCF（interrogating -CSCF）
　　
　　所有指向網絡內某一移動臺（可以是本網絡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。在會話治理過程中，I-CSCF在S-CSCF和P-CSCF間傳遞SIP信令，同時它還可為P-CSCF/S-CSCF提供安全驗證功能。
　　
　　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協議獲得一個P-CSCF地

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