第2章 WCDMA系统的网络结构

2.1 UMTS网络结构

2.1.1 UMTS的一般结构

欧洲电信标准协会（ETSI，European Telecommunications Standards Institute）提出了采用FDD方式的WCDMA方案，日本则提出了TDD和FDD方式可选的WCDMA方案；韩国也提出了一种类似于欧洲和日本提出的方案。这些标准团体致力研究的这些技术都是十分相似的。提出这些方案后的下一步工作就是如何实现“资源共享”（Pool Resource），这样就产生了一个组织（团体）——第三代无线通信伙伴项目组织（3GPP，Third Generation Partnership Project）。3GPP组织致力于基于WCDMA的通用移动电信业务系统（UMTS，Universal Mobile Telecommunication Service）的研究。

UMTS的一般结构，从物理和功能的观点进行了模型化。在物理方面用域的概念进行模型化，在功能方面用层的概念进行模型化。

域（Domain）：最高级别的物理实体组。参考点在域间定义。

层（Stratum）：和由一个或多个域提供的业务的一个方面有关的协议组。

UMTS phase 1和GSM的主要区别是UMTS支持可协商业务量和QoS的高比特率承载业务。特别是UMTS phase 1以有效的方式支持突发和非对称业务。这将允许UMTS phase 1支持单媒体和多媒体N-ISDN应用以及单媒体和多媒体IP应用。

1.UMTS中的域

一般的结构可分为两个域：用户设备域和基本结构域。用户设备是用户用来接入UMTS业务的设备。用户设备有无线接口与基本结构相连。基本结构由物理节点组成，这些物理节点完成终止无线接口和支持用户通信业务需要的各种功能。基本结构是共享的资源，它为其覆盖区域内的所有的授权用户提供业务。图2-1示出了UMTS的域和参考点。

用户设备域包括具有不同功能的各种类型的设备。这些设备被称为用户设备，它们可能兼容一种或多种现有的接入接口（固定或无线），如双模式UMTS-GSM用户设备。用户设备可以包括智能卡，可进一步地分为移动设备域（ME）和用户业务识别单元域（USIM）。

移动设备完成无线传输和应用。移动设备还可分为实体，如完成无线传输和相关功能的移动终端（MT），包含端到端应用的终端设备（TE）。对移动终端没有特殊的要求，因为它与UMTS的接入层和UMTS的核心网有关。

USIM包含清楚而安全地确定自己身份的数据和过程。这些功能一般存入一张智能卡中，它只与一特定的用户有关，而和用户所使用的ME无关。

基本结构域可进一步分为直接与用户设备相连的接入网域和核心网域，通过开放接口连接。接入网域由和接入技术相关的功能组成，而核心网域的功能与接入技术无关。从功能上核心网又可分为分组交换（PS）业务域和电路交换（CS）业务域。网络和终端可以只具有PS功能或CS功能，也可以具有两种功能。

接入网域由管理接入网资源的物理实体组成，并向用户提供接入到核心网域的机制。对于UMTS phase 1接入网的标准，只包括UTRAN，但现在还包括GERAN，在R6版本中还将包括WLAN接入网。UTRAN是一个新的接入网，UMTS phase 1定义了UTRAN的功能，为了迎合UMTS网络可在两种接入网下运行，特别定义了UTRAN和GSM BSS接入网的互操作。

从漫游和切换的观点来看，UMTS phase 1将和进化的GSM网络兼容。因此UMTS phase 1将允许运营者引入新的技术，如ATM，IP等。

UMTS将支持各种接入方法，以使用户利用各种固定和移动终端接入UMTS核心网和VHE业务。在所有情况下，接入到UMTS网需要使用UMTS的USIM。UMTS将使它的移动终端设计成适用各种无线接入环境。

核心网域由提供网络支持特性和通信业务的物理实体组成。提供的功能包括用户位置信息的管理，网络特性和业务的控制，信令和用户信息的传输机制。核心网域又可分为服务网域、归属网域和传输网域。服务网域和接入网域相连，它的功能是呼叫的寻路和将用户数据/信息从源传输到目的。它既和归属网域联系以获得和用户有关的数据/业务，也和传输网域联系以获得和用户无关的数据/业务。归属网域管理用户永久的位置信息。USIM和归属网域有关。传输网域是服务网域和远端用户间的通信路径。

2.UMTS中的层

UMTS内又划分成应用层、归属层、服务层、传输层和接入层，如图2-2和图2-3所示。

传输层支持用户数据和网络控制信令的传输。它包括传输所使用的物理传输格式、差错纠正和恢复的机制，以及无线接口和下层数据的加密机制，为使用所支持的物理格式进行数据适配的机制，为有效利用无线接口而进行数据变换的机制、资源分配等。

服务层是由协议和寻路及传输用户或网络产生的数据/信息等功能组成。和通信业务相关的功能包括在此层内。

归属层包括协议，与处理和存储预定数据有关的功能及归属网特定的业务。它也包括允许其他域作为归属网的功能。和用户数据管理、支付和记费，移动性管理和认证有关的功能位于此层内。

应用层包括端到端协议和支持基本业务及增值业务的功能，此功能要利用归属层，服务层和传输层提供的业务。应用层内的功能和协议可能由GSM/UMTS标准，如MExE，支持，或者已超出UMTS标准的范围。

接入层包含所有和接入有关的功能。它提供的功能有无线接入承载控制、和无线有关的位置管理、使用UTRAN特有的识别的连接/断开（Attach/Detach）、资源管理（支持电路交换和分组接入、提供面向连接和无连接业务）、切换、宏分集、防止在无线接口进行窃听的加密、无线资源优化的压缩、无线信道的编码、UE位置的确定。

为了使运营商能有效地利用网络资源，优化信令负载和减少所需的总体传输容量是成功的关键因素。因此，标准化的目标是建立这样一种结构，它具有最小的信令流量和最优的传输结构，CS和PS业务的公共用户数据管理可以在所有相关的网络单元中执行。另外，标准既可以支持PS和CS业务的综合节点（如MSC/SGSN），也可以支持分离的节点（如GSM/GPRS）。

从需要提供多供应商环境的观点来看，UTRAN内的接口应标准化。然而，在这些接口上可能存在和运营商有关的O&M，因此标准应能够根据运营商的特定需要进行灵活地扩展。UMTS phase 1默认的语音编/解码器应标准化。UMTS应支持并行地操作以使传输费用更低，语音质量更高。

2.1.2 UMTS系统结构

通用移动通信系统（UMTS，Universal Mobile Telecommunications System）是采用WCDMA空中接口技术的第三代移动通信系统，通常也把UMTS系统称为WCDMA通信系统。UMTS系统采用了与第二代移动通信系统类似的结构，UMTS系统由核心网（CN）、无线接入网（UTRAN）和用户设备（UE，User Equipment）三部分组成。CN与UTRAN的接口定义为Iu接口，UTRAN与UE的接口定义为Uu接口，如图2-4所示。无线接入网络用于处理所有与无线有关的功能，而CN处理UMTS系统内所有的语音呼叫和数据连接，并实现与外部网络的交换和路由功能。CN从逻辑上分为电路交换域（CSD，Circuit Switched Domain）和分组交换域（PSD，Packet Switched Domain）。

Iu和Uu这两个开放接口的标准化使得系统的不同部分可以独立开发设计，任何符合接口要求的终端和网络设备都可以在系统中正常运行，这就给设备制造商和网络运营商带来了极大的便利。

UMTS网络单元构成如图2-5所示。

1.UE

UE是用户终端设备，它通过Uu接口与网络设备进行数据交互，为用户提供电路域和分组域内的各种业务功能，包括普通语音、数据通信、移动多媒体、Internet应用（如E-mail、WWW浏览、FTP等）。UE包括ME（Mobile Equipment）和USIM（Universal Subscriber Identity Module）两部分，UE提供应用和服务，USIM提供用户身份识别。

目前的3GPP协议中定义了两种UE工作模式：空闲模式和连接模式。

UE一启动，就进入空闲模式，直到它向网络请求建立一条RRC连接为止，该状态下使用IMSI、TMSI及P-TMSI等非接入层标识来标识一个UE。UTRAN没有任何处于空闲模式的UE的特定信息，只能寻址一个小区中所有UE或监听一个特定寻呼时段的所有UE。

RRC连接一建立，UE就进入连接模式。RRC连接存在于UE和RNC之间，RNC会为UE分配一个无线网络临时标识（U-RNTI或C-RNTI），用于在公共传输信道上标识UE。

当RRC连接释放或RRC连接失败时，UE离开连接模式，返回空闲模式。

小区广播消息在空闲模式和连接模式下都可以接收。

2.UTRAN

UTRAN（陆地无线接入网）包括基站（Node B）和无线网络控制器（RNC）两部分。

3.CN

CN，即核心网络，负责与其他网络的连接和对UE的通信和管理。在WCMDA系统中，不同协议版本的核心网设备有所区别。具体的网络单元将在2.3节介绍。