《核心网技术》PPT课件.ppt

2019/8/7,核心网技术交流,中兴通讯股份有限公司 移动产品事业部3G产品部,2019/8/7,WCDMA核心网技术,第三代移动通信标准简介,WCDMA核心网结构及协议,GSM向WCDMA的演进,WCDMA网络安全,WCDMA与GSM/GPRS核心网比较,2019/8/7,1985年，提出FPLMTS概念，1996年更名为IMT2000 1992年，WRC-92为IMT2000在2GHz分配230MHz的带宽 1997年，在世界范围内征求RTT技术候选方案 1998年，已提交RTT技术候选方案的技术性能评估 1999年，确定IMT-2000的关键技术和参数、完成IMT-2000无线接口技术规范的建议 1999年11月，成立ITU-R WP 8F工作组，研究IMT-2000及后续系统的技术、频谱和推广等,IMT-2000标准化发展历程,第三代移动通信标准简介,2019/8/7,IMT-2000的标准化分为核心网和无线接入网两部分； ITU最初的愿望：制定一个统一的无线接口标准，制定一个公共的网络标准。因种种原因，网络部分提出“家族概念”，基于现有的第二代两大网络，即GSM MAP和IS-41核心网。 无线接口部分 形成多个无线技术标准，在不断融合和演进中。,第三代移动通信标准简介,IMT-2000标准化发展历程,2019/8/7,10个地面RTT方案,第三代移动通信标准简介,2019/8/7,核心网（CN）,无线接入网（RAN） 2G 3G,GSM,IS-41核心网 (CDMA网络),GSM核心网,IS-95 CDMA,cdma2000-1x、3x,W-CDMA,无线接口后向兼容,核心网络后向兼容,新的无线接口,NNI,TD-CDMA/ TD-SCDMA,第三代移动通信标准简介,2019/8/7,ITU、3GPP、3GPP2的关系,第三代移动通信标准简介,ITU IMT-2000,3GPP,3GPP2,ETSI SMG,ARIB,TTC,TTA,ITU-R WP 8F,CWTS,T1P1,TIA,Europe,North America,Asia,ITU-T WP 3/11、SG2、 SG13、SG16,2019/8/7,制定WCDMA标准的 3GPP,Standard Organizations i.e. ITU,Regional Markets,Third Generation Partnership Project,ARIB Japan,Standards,ETSI Europe,TTC Japan,ANSI T1 USA,TTA Korea,Specs,CWTS China,Work,第三代移动通信标准简介,2019/8/7,3GPP,3GPP2,ETSI,ARIB,TTC,TTA,CWTS,T1P1,TIA,ARIB,TTC,TTA,CWTS,第三代移动通信标准简介,2019/8/7,WCDMA核心网技术,第三代移动通信标准简介,WCDMA核心网结构及协议,GSM向WCDMA的演进,WCDMA网络安全,WCDMA与GSM/GPRS核心网比较,2019/8/7,网络结构相关协议,WCDMA 网络总体结构定义在3GPP TS 23.002中 （2001-06） R99 3GPP TS 23.002 V3.4.0 R4 3GPP TS 23.002 V4.3.0 R5 3GPP TS 23.002 V5.3.0,WCDMA核心网结构及协议,2019/8/7,R99的网络结构图,HLR,Gn,SGSN,GGSN,MSC/VLR,Gr,Gs,Node B,Iub,Iub,GMSC,IuCS,IuPS,Internet,PSTN/ISDN,C,D,Gi,UE,RNC,Iur,IuCS,IuPS,CN,RNS,Iub,RNC,Node B,Node B,BTS,BSC,A,Gb,Abis,Gc,2019/8/7,基于ALL IP（R4）网络结构,RNC,BSC,MGW,IP over Anying Backbone,GGSN,Iu-PS,Iu-CS,Mc,Nc,D,C,Mc,Nb,Gb,A,Gr,Node B,BTS,External IP networks,Other PLMN,PSTN/ISDN,2G NET,2019/8/7,主要包括MSC的呼叫控制和移动控制部分,负责处理信令.,是CN和UTRAN在Iu口上的接口实体；对一定义网络来说，是PSTN/PLMN的传输终点；实体负责处理用户数据.,R99,MSC的变化,R4/5,2019/8/7,实体变化,连接3G CN与传统PSTN/PLMN的信令网关，用于转换与呼叫有关的信令，完成IP地址与PSTN/PLMN地址的映射转换,完成2G与3G的电路/分组交换网之间的漫游信令的转换。即执行在传输级转换信令的工作,不处理MAP或CAP,但必须处理SCCP.,WCDMA核心网结构及协议,2019/8/7,实体变化,Mh,SGSN,Location,information,Subscription,information,HSS (HLR / UMS),.,WCDMA核心网结构及协议,GGSN,R-SGW,CSCF,2019/8/7,UE,Node B,(LMU,Type B),HLR,Gateway,MLC,External,LCS client,Le,Lg,Lg,Lh,Gateway,MLC,Other PLMN,LMU,Type A,Uu,Iu,Iub,gsmSCF,Lc,CBC,Iu,BC,3G-,SGSN,3G-,MSC/VLR,RNC,Node B,(LMU,Type B),Iur,Iub,SRNC,(SMLC,functio-,nality),SMLC,SMLC,Lp,UMTS PLMN 的LCS配置,2019/8/7,MSC,GMSC,HLR,C,D,VLR,B,gsmSCF,gsmSSF,gsmSSF,gsmSRF,CAMEL实体的配置,gprsSSF,SGSN,Gr,2019/8/7,CBS实体的配置,UE,IuBC,BSS,Abis,BSC,BTS,BTS,RNS,Iub,RNC,Node B,Node B,CN,Note 1,CBC,2019/8/7,基于ALL IP（R5）网络结构,RNC,BSC,MGW,IP over Anying Backbone,GGSN,Iu-PS,Iu-CS,Mc,Nc,D,C,Mc,Nb,Gb,A,Gr,Node B,BTS,PSTN/ISDN,2G NET,Cx,IP Multimedia Networks,Iu-CS,Iu-PS,2019/8/7,IM 子系统实体配置,IM Subsystem,CSCF,MGCF,HSS,Cx,MGW,T-SGW,R-SGW,PSTN,Mc,Mh,Mg,Mm,MRF,Mr,CSCF,Mw,Ms,(IP Multimedia),WCDMA核心网结构及协议,2019/8/7,CSCF（Call State Control Function）,SPD (Serving Profile Database),是全IP网络中的新概念， 作用类似与MSC。 在全IP网络中完成呼叫接续与控制等， 通过与HSS交互，得到 配置信息.,AH(Address Handing),ICGW(Incoming call gateway),CCF (Call Control Function),WCDMA核心网结构及协议,2019/8/7,RNS,RNC,RNS,RNC,核心网络(CN),Node B,Node B,Node B,Node B,Iu,Iu,Iur,Iub,Iub,Iub,Iub,UE,Uu,Uu,UE,WCDMA系统组成,2019/8/7,Iu 接口结构,WCDMA核心网结构及协议,Core Network (CN),UTRAN,Node B,Node B,Node B,Node B,RNC,Iu Interface,“Iu-BC”,“Iu-CS”,BC Domain,CS Domain,PS Domain,“Iu-PS”,RNC,2019/8/7,Physical Layer,Q.2150.1,Q.2630.1,Iu UP Protocol,Layer,Transport,Network,Layer,Control Plane,User Plane,Control Plane,Radio,Network,Layer,SSCOP,AAL5,SSCOP,SSCF-NNI,AAL2,MTP3b,MTP3b,SSCF-NNI,AAL5,User Plane,User Plane,Iu_CS 接口协议栈,WCDMA核心网结构及协议,2019/8/7,WCDMA核心网结构及协议,CN,UTRAN,ATM接口,Iu接口底层承载,2019/8/7,ATM信元长度较小，保证实时业务的短时延。 ATM综合了电路交换（支持实时业务、数据透明传输、端到端）和分组交换（支持可变比特率、业务统计复用）的优点。,IP技术适合于实时性要求不高的业务，它无法克服自身延迟的缺点。,为什么引入ATM技术，而不是IP技术？,2019/8/7,应用协议,数据流,ALCAP(s),物理层,信令承载,传输,用户,网络,平面,控制平面,用户平面,传输网络,控制平面,无线 网络层,Iu接口协议模型,信令承载,数据承载,传输 网络层,传输,用户,网络,平面,WCDMA核心网结构及协议,2019/8/7,“层面分离”的思想是什么？,层：无线网络层（RNL）和传输网络层（TNL） 面：控制面Control Plane和用户面User Plane,2019/8/7,高层,ATM 层 I.361,物理层,用户面,控制面,管理面,面 管 理,高层,层 管 理,ATM 适配层 I.362/363,WCDMA核心网结构及协议,ATM 网络协议参考模型,2019/8/7,Iu_CS 接口协议栈,Physical Layer,Q.2150.1,Q.2630.1,Iu UP Protocol,Layer,Transport,Network,Layer,Control Plane,User Plane,Control Plane,Radio,Network,Layer,SSCOP,AAL5,SSCOP,SSCF-NNI,AAL2,MTP3b,MTP3b,SSCF-NNI,AAL5,User Plane,User Plane,AAL2用于承载 CS域的用户平面 数据流。,AAL5适用于非实时、 VBR数据流。,2019/8/7,Iu-CS接口协议栈,Physical Layer,Q.2150.1,Q.2630.1,Iu UP Protocol,Layer,Transport,Network,Layer,Control Plane,User Plane,Control Plane,Radio,Network,Layer,SSCOP,AAL5,SSCOP,SSCF-NNI,AAL2,MTP3b,MTP3b,SSCF-NNI,AAL5,User Plane,User Plane,2019/8/7,RAB：Radio Access Bearer,UE,CN,Access Stratum,Non-Access Stratum,Radio,(Uu),Iu,Iu UP,Radio,Iu UP,Transport,Layer,NAS Data,Streams,NAS Data,Streams,Radio,protocols,User plane Data Bearers Protocols,User plane Data Bearers Protocols,protocols,承载能力的描述,WCDMA核心网结构及协议,2019/8/7,RANAP,从消息传递方式上， 分面向连接和无连接型,在应答方式上， 分有响应、无响应和多响应,负责Iu接口CN和RNC之间的信令交互,封装和承载高层协议,RANAP应用分析举例（1）,WCDMA核心网结构及协议,2019/8/7,UTRAN,UTRAN,Core Network,Iu,After SRNS Relocation,UE,Core Network,Iur,UE,Before SRNS Relocation,Cells,Iu,RANAP应用分析举例（2）,WCDMA核心网结构及协议,2019/8/7,RANAP应用分析举例（3）,SRNS Relocation and Routeing Area Update,Before,After,WCDMA核心网结构及协议,2019/8/7,由UE发起的到PSTN的呼叫的建立,WCDMA核心网结构及协议,VLR,3G MSC,RNC,UE,2019/8/7,3G-MSC/VLR,RNC,Node B,UE,AAL- 2,AMR,Iu UP,ATM,Time Slot,PCM,Iu-cs,ATM,AAL-2,UP FP,L1 RF,Physical Channels,L1 RF,Physical Channels,RLC,MAC,AMR,AAL- 2,Iu UP,ATM,AAL-2,RLC,MAC,UP FP,Uu,Iub,User data,3GUTRAN3GMSCPSTN 的话音信息流向,WCDMA核心网结构及协议,2019/8/7,WCDMA和GSM语音业务的区别,编码方式不一样 GSM语音编码方案为REPLTP（规则脉冲激励长期预测） 编码速率为13Kbps WCDMA语音编码方案为AMR（自适应可变速率编码），可提 供8种编码速率（4.7512.2kbit/s）。,最重要的是3G可以根据网络资源的当前状况为用户分 配合适的带宽资源。,2019/8/7,SSCF-NNI,SSCOP,AAL5,IP,SCTP,SCCP,SSCF-NNI,MTP3-B,M3UA,RANAP,Iu UP Protocol,Layer,Transport,Network,Layer,Physical Layer,Control Plane,User Plane,User Plane,Control Plane,Radio,Network,Layer,ATM,AAL5,IP,GTP-U,Physical Layer,ATM,User Plane,Iu_PS协议结构,WCDMA核心网结构及协议,UDP,2019/8/7,分组数据包传输过程,WCDMA核心网结构及协议,Gn子网,SGSN,GGSN,Firewall,Router,Gn,Gn,Gn,Gi,用户IP地址池,DNS,Internet,RNS,Iu-PS,2019/8/7,数据在各层进行的处理,源IP地址是GGSN分配 给PDP上下文的IP 目的IP地址是应用服务器的地址,源和目的IP地址是RNC、 SGSN和GGSN的IP,WCDMA核心网结构及协议,2019/8/7,Iu UP Protocol,Layer,User Plane,User Plane,AAL5,IP,UDP,GTP-U,User Plane,AAL2,Q.2150.1,Q.2630.1,Control Plane,AAL5,SSCOP,SSCF-NNI,MTP3b,User Plane,建立连接,Transport,Network,Layer,Control Plane,为什么Iu-CS和Iu-PS协议栈相比，Iu-CS在TNL上需要控制平面？,2019/8/7,Physical Layer,MTP,SCCP,BSSAP,MTP,SCCP,BSSOMAP,A,三种接口控制面的比较,Gb,GMM/SM,LLC,BSSGP,L1bis,Network,Service,L1,RRC,MAC,ATM,RANAP,AAL5,Relay,Uu,RLC,Signalling,Bearer,SCCP,ATM,AAL5,Iu-Ps,SCCP,Signaling,Bearer,RANAP,GMM,SM/SMS,3G-SGSN,RNS,从信令承载方式上的比较.,A/Gb/Iu接口的比较(1),2019/8/7,Iu-PS,ATM,UDP/IP,GTP,-U,AAL5,L1,UDP/IP,GTP,-,U,L2,Relay,3G-SGSN,Relay,GTP,-U,SNDCP,LLC,BSSGP,L1bis,L2,L1,IP,Gb,Network,Service,UDP,2G-SGSN,Iu-PS和Gb接口用户面的比较,WCDMA核心网结构及协议,2019/8/7,WCDMA核心网技术,第三代移动通信标准简介,WCDMA核心网结构及协议,GSM向WCDMA的演进,WCDMA网络安全,WCDMA与GSM/GPRS核心网比较,2019/8/7,Home,stratum/,Serving,Stratum,USIM,HE,Transport,stratum,ME,SN,AN,Application,stratum,User Application,Provider Application,(IV),(III),(II),(I),(I),(I),(I),(I),3G的安全结构,2019/8/7,3G网络无线接入安全机制,UIC,HE,VLR,(SGSN),UIC,SN,AKA,VLR,AKA,SN,USIM,AKA,USIM,UE,UIC,UE,DC,UE,DI,UE,RNC,DC,RNC,DI,RNC,HLR,AKA,VLR,AKA,HLR,EUIC,USIM,UIDN,EUIC,UIDN,EUIC： 提供增强用户身份机密性的机制 （optional）。 UIC： 提供用户身份机密性的传统机制。 AKA： 认证和密钥协商机制。 DC： 用户和信令数据加密。 DI： 信令数据的数据完整性保护。,2019/8/7,MS,SN/VLR,HE/HLR,Generate authentication,vectors AV(1n),Store authentication,vectors,Select authentication vector AV(i),Authentication data,request,Authentication data response,AV(1n),User authentication,request,RAND(i) | AUTN(i),User authentication response,RES(i),Compare RES(i) and XRES(i),Verify AUTN(i),Compute RES(i),Compute CK(i) and IK(i),Select CK(i) and IK(i),Authentication and,key establishment,Distribution of,authentication,vectors,from HE,to SN,AV=(RAND, XRES, CK, IK, AUTN）,AKA过程,2019/8/7,其中：f1 网络鉴权函数； f2 用户鉴权函数； f3 加密密钥生成函数； f4 完整性密钥生成函数； f5 正常情况下用的匿名密钥生成函数。,3G五元组AV的产生,2019/8/7,收到（RAND,AUTN）后，USIM的操作,2019/8/7,其中：f1* 重同步消息鉴权函数； f5* 重同步情况下用的匿名密钥生成函数； AMF*是AMF的缺省值。,当USIM认为SQN不在正确范围，发起重同步过程,2019/8/7,收到（RAND,AUTS）后，HLR/AuC的操作,2019/8/7,Release 99+ VLR/SGSN,Release 98-,VLR/SGSN,Release 99+,HLR/AuC,USIM,RAND,AUTN,RES,CK,IK,CK, IK,Kc,UTRAN,R99+ ME,RAND,AUTN,RES,Kc,CK, IK,Kc,GSM BSS,CK, IK,Kc,RES,SRES,CK, IK,Kc,R98- ME,CK, IK,Kc,CK, IK,Kc,RES,SRES,RAND,SRES,Kc,Kc,RAND,SRES,Kc,Kc,R99+ ME,or,R98- ME *,CK, IK,Kc,RES,SRES,Quintets,Triplets,CK, IK,Kc,RES,SRES,UMTS security context,GSM security context,CK, IK,Kc,UMTS 用户的AKA（认证和密钥协商）,2019/8/7,加密模式,PLAINTEXT,BLOCK,f8,COUNT-C,DIRECTION,BEARER,LENGTH,CK,KEYSTREAM,BLOCK,CIPHERTEXT,BLOCK,f8,COUNT-C,DIRECTION,BEARER,LENGTH,CK,KEYSTREAM,BLOCK,PLAINTEXT,BLOCK,Sender,UE or RNC,Receiver,RNC or UE,2019/8/7,完整性保护方法,f 9,COUNT-I,DIRECTION,MESSAGE,FRESH,IK,MAC -I,f 9,COUNT-I,DIRECTION,MESSAGE,FRESH,IK,XMAC -I,Sender,UE or RNC,Receiver,UE or RNC,2019/8/7,GSM/GPRS使用三元组,3G使用五元组AV,GSM/GPRS只有网络对用户的接入认证,3G实现了网络和用户之间的双向认证,3G与2G的安全比较（1/2）,2019/8/7,GSM/GPRS加密分别在BTS/SGSN实现,3G增加了信令的完整性保护，以及同步消息认证机制,3G的加密和完整性保护在RNC中实现,3G与2G的安全比较（2/2）,2019/8/7,WCDMA核心网技术,第三代移动通信标准简介,WCDMA核心网结构及协议,GSM向WCDMA的演进,WCDMA网络安全,WCDMA与GSM/GPRS核心网比较,2019/8/7,3G与2G/2.5G核心网差别,Iu接口和AGb接口,R99 PS 域和 GPRS,安全性方面,业务方面,2019/8/7,Iu接口和AGb接口的差别,CN,UTRAN,ATM接口,2019/8/7,Iu接口和AGb接口的差别,3G中Iu接口代替GSM A和GPRS Gb接口,CS/PS域的Iu接口部分分别称Iu_CS/Iu_ PS,Iu控制/用户平面分别传输信令/用户数据,2019/8/7,Iu-CS和A接口的比较,Iu_CS采用ATM的AAL2协议承载用户数据,A接口采用64kbps的地面电路承载用户数据,对于A接口,地面电路由MSC分配,对于Iu_CS接口,地面电路由RNC分配,Iu和A接口是分别建立在ATM和No.7信令的SCCP的基础之上,2019/8/7,Iu_PS和Gb接口之间的差别,SSCF-NNI,SSCOP,AAL5,IP,SCTP,SCCP,SSCF-NNI,MTP3-B,M3UA,RANAP,Iu UP Protocol,Layer,Transport,Network,Layer,Physical Layer,Control Plane,User Plane,User Plane,Control Plane,Radio,Network,Layer,ATM,AAL5,IP,GTP-U,Physical Layer,ATM,User Plane,UDP,作为PS域的 用户数据传输承载,2019/8/7,Iu_PS和Gb接口之间的差别,在承载意义上说，Gb口的用户面和控制面都承载在帧中继上 Iu_PS口，底层是承载在ATM的AAL5适配层上,对物理层来说， Gb口采用E1， Iu_PS口采用STM-1(155Mbps)光接口等,2019/8/7,Iu_PS和Gb接口之间的差别,对于GPRS，是在SNDCP层上；对于Iu_PS，工作在RNC中完成,用户数据面数据 的加密处理方法不同,2019/8/7,移动智能网,移动性管理,R99 PS 域和 GPRS之间的差别,Iu_Ps与Gb接口之间的差别,路由区更新,2019/8/7,R99 PS 域和 GPRS之间的差别,（续）,移 动 性 管 理 方 面,MS MM 移动性管理状态机迁移图,GPRS Attach,PDU Transmission,READY,STANDBY,GPRS DETACH,GPRS MS MM States,PS Attach,PS Signalling,Connection Release,PS Signalling,Connection Establish,PS Detach,R99 PS 域 MS MM States,PMM- DETACHED,2019/8/7,R99 PS 域和 GPRS之间的差别,（续）,移 动 性 管 理 方 面,SGSN 移动性管理状态机迁移图,GPRS SGSN MM States,GPRS Attach,PDU Transmission,READY,STANDBY,PS Attach,PS Signalling,Connection Release,PS Signalling,Connection Establish,PS Detach,R99 PS 域 SGSN MM States,PMM- DETACHED,2019/8/7,R99 PS 域和 GPRS之间的差别,（续）,路由区更新方面,GPRS中跨SGSN的重定位示意图,缓存区发生在SGSN;在GPRS中,只有硬切换,2019/8/7,R99 PS 域和 GPRS之间的差别,路由区更新方面,R99 PS域中跨SGSN的重定位示意图,缓存区发生在RNS;降低了SGSN的设计复杂性,平衡无线信道容量和处理能力,重要的是 具有了接口Iur,从路由区更新角度考虑, 具有“软切换”概念,2019/8/7,加密模式,完整性保护,同步消息认证,网络域安全,安全性方面差别,2019/8/7,安全性方面的差别：,鉴权,随机发生器,算法,?,算法,MS,Network,SRES,RAND,SRES,Ki,Ki,符合响应？,GSM使用的是鉴权三元组 （RAND、SRES、Kc),2019/8/7,安全性方面的差别：,鉴权,R99中，是鉴权五元组 （RAND、XRES、CK、IK、AUTN),核心是引入了网络鉴权令牌AUTN,2019/8/7,3G对业务本身并没有标准化,3G对业务能力进行标准化,业务可以不相同,这也是第三代移动通信系统与以前系统的最主要的区别。,业务方面的差别,2019/8/7,丰富多彩的3G业务,2019/8/7,WCDMA核心网技术,第三代移动通信标准简介,WCDMA核心网结构及协议,GSM向WCDMA的演进,WCDMA网络安全,WCDMA与GSM/GPRS核心网比较,2019/8/7,GSM向WCDMA的演进,网络的演进其实就是业务的演进,2019/8/7,中兴通讯进行3G演进的原则是什么？,最大限度地保护投资人的利益,GSM向WCDMA的演进,2019/8/7,由于与GSM的TDMA技术相比， WCDMA采用了C