（通信与信息系统专业论文）tdltetdscdmagsm系统间小区重选机制研究——基于负载均衡的小区重选研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 小区重选技术的理论研究和实际应用涉及到无线资源分配、移动性管理、物 理层测量技术和网络均衡算法等众多领域，是网络间互操作技术研究的重要内容。 目前，业界对重选技术的研究主要集中在系统内，而对跨系统的小区重选研究则 相对欠缺。本文是在对现网配置参数进行大量收集和精确统计的基础上，以搭建 重选网络模型和信令跟踪的办法，对重选过程带来的网络负载失衡问题进行了较 为深入的研究，提出了网络负载均衡办法，并在实际网络指标测试中验证了办法 的有效性；内容涉及到重选机制流程、网络建模、信令测试和协议栈过程分析等。 本文首先论述了跨系统小区重选区别于其他重选技术的内在特征。分析了如 今运营商2 g 3 g 网络的共存组网背景和现有的小区重选算法，从测量过程和准则 判断两个方面，对小区重选的协议栈过程进行了深入剖析，得出测量精度在一定 程度上会影响小区重选结果；并在对小区重选过程中涉及到的系统消息中的m 信 息进行一一梳理分析的基础上，详细地说明了g s m t d s c d m a 系统间小区重选 原理，并阐述了运营商关于异系统小区重选的原则，得出小区重选的判断准则并 不是唯一的；研究并综述了g s m t d s c d m a 异系统小区重选信令流程，为解决 由此问题而造成的网络负载失衡奠定理论基础。 为了明确负载失衡的具体原因，借助信令仪跟踪终端u u 口t r a c e ，发现u m t s 的加密密钥c k 、完整性保护密钥等信息在重选过程中的不匹配导致了重选接 入失败，进而影响网络负载的均衡性。其次，建造了重选网络的数学模型，结合 现网数据计算出小区重选过程中g s m 和t d s c d m a 的空口负载情况，得出g s m 的空口负载是t d s c d m a 网络的两倍以上。为了缓解上述的负载严重不均衡问 题，提出了新的重选机制，从负荷分担的角度进行了流程设计，并进行了实现。 针对重选接入失败问题，用s d l 语言对m s c 进行了补丁程序编写，主要是对 s e n d m a p p r e p c r r e q 函数进行了重新设计。文中结尾以网络测试的途径，对比的方 法，对提出的解决办法进行验证。分四个场景对重选接入情况进行统计分析，发 现接入成功率大大提高；而且新流程实施后g s m 网络空口负载下降明显，实现了 负载均衡的目的。最后，根据迭代算法思想，提出了t d l t e g s m 异系统小区重 选判断的新标准，亦可作为今后进一步的研究方向。 关键词：网络共存，小区重选， s d l ，负载均衡 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es t u d yo fc e l lr e s e l e c t i o nt e c h n i q u ei st h ei m p o r t a n tp a r to ft h ei n t e r o p e r a b i l i t y a m o n gn e t w o r k sw h i c hr e l a t e dt om a n ya r e a s ，s u c ha s r a d i o r e s o u r c e a l l o c a t i o n , m o b i l i t ym a n a g e m e n t ，p h y s i c a ll a y e rm e a s u r e m e n t ，a l g o r i t h m f o rn e t w o r kl o a d b a l a n c i n ga n d s oo n c u r r e n t l y , t h es t u d yo fi n t r a - s y s t e mc e l lr e s e l e c t i o ni sf o c u s e do n ， b u tt h er e s e a r c ho fi n t e r - s y s t e mc e l lr e s e l e c t i o ni sr e l a t i v e l yl a c k i n g t h en e t w o r k1 0 a d u n b a l a n c ei s s u e sd u et ot h ep r o c e s so fc e l lr e s e l e e t i o na r er e s e a r c h e dd e e pb yt h ew a yo f n e t w o r km o d e l i n ga n ds i g n a l i n gt r a c ko nt h eb a s i so fl a r g ec o l l e c t i o no fn e t w o r k c o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r sa n da c c u r a t es t a t i s t i c s t h es o l u t i o ni sp r o p o s e dt om a k e n e t w o r kl o a db a l a n c i n g ，t h a ti sp r o v e de f f e c t i v eb yn e t w o r kt e s t i n g t h es t u d yi nt h i s p a p e rc o v e r sc e l lr e s e l e c t i o na l g o r i t h m s ，n e t w o r km o d e l i n g ，s i g n a l i n gt e s ta n da n a l y s i s o fp r o t o e o ls t a c kp r o c e s s t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e ni n t e r - s y s t e mc e l lr e s e l e c t i o na n do t h e rc e l lr e s e l e c t i o na r e d i s c u s s e da tt h eb e g i n n i n gi nt h i sp a p e r , m e a n w h i l e ，t h eb a c k g r o u n do ft h ec o e x i s t e n c e o f2 g 3 gn e t w o r ka n da l g o r i t h mi sa n a l y z e d a u t h o ra n a l y z et h ep r o t o c o ls t a c kp r o c e s s o fc e l lr e s e l e c t i o nf r o mt h et w os i d e so fm e a s u r e m e n tp r o c e s sa n d j u d g ec r i t e r i a , t h e o u t c o m ei st h a ta c c u r a c yc o u l da f f e c tt h er e s u l to fc e l lr e s e l e c t i o n i n t e r - s y s t e mc e l l r e s e l e c t i o nt h e o r yi si l l u s t r a t e dd e t a i l e do nt h eb a s i so f a n a l y s eo ft h ei ei nt h es y s t e m i n f o r m a t i o n ，a 卑dt h ec e l lr e s e l e c t i o np r i n c i p l e so fo p e r a t o r sa r ee l a b o r a t e d , t h eo u t c o m e i st h a tt h ej u d g ec r i t e r i ai sn o tu n i q u e n e s s t d - s c d m a g s mc e l lr e s e l e c t i o ns i g n a l i n g p r o c e s s i sr e s e a r c h e dt h a ti st h et h e o r e t i c a lb a s i so ft h es o l u t i o n a u t h o rf o u n dt h a tt h em i s m a t c ho fe n c r y p t i o nk e yc ka n di n t e g r i t yp r o t e c t i o nk e y i nu m t sc o u l dl e a dt oa c c e s sf a i l u r eb yt h ew a yo f s i g n a l i n ga n a l y z e rw i lt r a c eo f u ui n t e r f a c e w 1 1 i c ha f f e c t st h en e t w o r kl o a db a l a n c e i no r d e rt oc l a r i f yt h es p e c i f i c r e a s o n sf o rl o a di m b a l a n c e ，an e t w o r km o d e li sb u i l d ，a n dl a r g en u m b e ro f c o n f i g u r a t i o n d a t ea r ec o l l e c t e di no r d e rt oc a l c u l a t et h e i n t e r f a c el o a dv a l u e so fg s ma n d t d - s c d m a ，t h er e s u l ti st h a tt h el o a dv a l u eo fg s mi sm o r et h a nt w i c eo ft h e t d s c d m a i no r d e rt oa l l e v i a t et h es e r i o u sl o a di m b a l a n c ep r o b l e m ，an e wa l g o r i t h m f o rr e s e l e c t i o ni sp r o p o s e d ，n o to n l yc o n s i d e r dt h ed i f f e r e n ti n t r i n s i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h ei n t e r - s y s t e mc e l l r e s e l e c t i o n , b u ta l s oi n t e r g r a t e dw i t ht h en e t w o r kl o a df u l l y a l g o r i t h mi sd e s i g n e da n dc a r r i e do u tf r o mt h ep e r s p e c t i v eo ft h el o a ds h a r i n g f o rt h e s i t u a t i o no fa c c e s sf a i l u r e ，t h ep a t c ha r ep r e p a r e dt om s c b ys d l ，a n dr e d e s i g nt h e f u n c t i o no fs e n d m a p p r e p l 苎r r e q a tt h ee n do ft h ep a p e r , t h es o l u t i o ni sv e r i f i e db y 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t n e t w o r kt e s t t h ea c c e s ss i t u a t i o na f t e rc e l lr e s e l e c t i o ni ss t a t i s t i c e da n da n a l y z e di nf o u r s c e n a r i o s ，a n dt h es u c c e s sr a t eo fa c c e s si si m p r o v e dg r e a t l y , s t a b l ea t9 8 a n dt h e g s mn e t w o r kl o a dd e c r e a s e d s i g n i f i c a n t l ya f t e ra l g o r i t h mi m p l e m e n t a t i o n ，s ot h e p u r p o s eo fl o a db a l a n c i n gi sa c h i e v e d f i n a l l y , t h en e wi n t e r - s y s t e mc e l lr e s e l e c t i o n j u d g ec r i t e r i af o rt d l t e g s mi sp r o p o s e db a s e do ni t e r a t i v ea l g o r i t h mi d e o l o g y , w h i c hc a na l s ob ea saf u t u r ed i r e c t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：n e t w o r kc o e x i s t e n c e ，c e l lr e s e l e c t i o n ，s d l ，l o a db a l a n c i n g i i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 移动通信技术的蓬勃发展给人们的生活带来了巨大变化，随着我们国民经济 的提高，人们的消费意识也发生着翻天覆地的变化，用户对移动网络性能的要求 也越来越高。特别随着3 g 网络的大规模建设，和4 g 网络的即将商用，运营商之 间的竞争也越来越激烈，因而网络质量的好坏已经越来越被人们所重视。当前， 全球移动通信系统正处于2 g 繁荣稳定发展，3 g 网络大规模运营，4 g 即将商用的 阶段，第四代移动通信系统的研究已经成为移动通信领域研究的热点；移动通信 系统的发展是日新月异的，业务承载上，已经由单纯地提供语音业务发展到能够 提供多媒体业务；在多址方式上，从频分到时分，由码分到多种方式相互融合应 用的多址技术；调制技术上也由最初的模拟调制技术发展到现在多种自适应数字 调制技术的灵活运用。整个移动通信的发展正在向高速率、高带宽、高频谱效率、 多媒体业务迈进。 尽管我国移动通信得到了高速发展，我国移动通信网络仍处于2 g 3 g 的过渡 时期，大量的通信业务还是由g s m 系统承担。首先，2 g 网络中g s m 的覆盖范围 最广，网络规模最大，具有优质覆盖、充足的站址和忠实的用户群；其次， t d s c d m a 网络规模在不断壮大，但只在局部覆盖城区和热点地区提供3 g 服务， 并依托现有的g s m e d g e 网络弥补3 g 的语言、数据业务；t d l t e 是我国自主 知识产权标准，得到了政府的大力支持，并且已经部署了上海世博会实验网，承 载方式上，在网络建设初期t d l t e 可能作为纯数据网络，语言业务则由2 g 3 g 网络承载，但在网络逐步成熟以后，t d l t e 会同时提供语言和数据业务。所以， g s m 、t d s c d m a 、t d l t e 网络今后会在相当一段时间内长期共存。 多种制式网络共存时，网络管理者的职能不仅仅在于单纯的网络设备维护上， 更多的要关注于网络的融合发展。网络之间的相互协调和最终融合，在于彼此之 间成功的互操作，小区重选是移动通信网络中主要的互操作技术之一，成功的小 区重选是网络向用户提供服务的基础，可以提升用户体验，帮助运营商树立技术 品牌【。 作为终端，在三大网络并存的情况下，其优良的系统间小区重选机制，是实 现2 g 、3 g 、4 g 网络之间无缝漫游的前提条件，能带来如下好处：第一，充分利 用现有2 g 、3 g 网络资源，弥补t d l t e 建网初期的覆盖、容量不足；第二，完善 网络间的协调发展，充分发挥各自优势，平衡话务负载，保证g s m 网络的运行质 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 量，减少2 g 3 g 4 g 网络业务的互相影响，最大程度为用户提供高质量的语言、数 据业务；第三，减少切换次数，避免对网元的较大改动，节省投资成本。 该课题的研究是从当前移动运营商的网络现状出发，针对目前网络存在的不 足，搭建小区重选的网络模型，提出可行的系统间小区重选方法，促使三大网络 进行成功的互操作，并均衡网络负载，具有重大的现实意义。 更重要的是，本文的研究是在密切结合3 g p p 规范和实际无线参数配置的基础 上，通过详细的理论分析，建立了一套新的g s m 和t d s c d m a 系统间小区重选 流程机制，达到了实现网络负荷分担的目的；例如，当g s m 网络负荷较高时，将 g s m 的网络负载分担到t d s c d m a 网络上来，帮助运营商优化无线网络资源配 置，减少网络拥塞和掉话率，提升网络质量。同时对g s m 和t d l t e 的系统间小 区重选进行了理论探讨，提出了新的判断标准，为今后的网络部署和重选技术的 研究开拓了新局面。而在对现有网络的负荷分担技术中，3 g p p 只定义了三种负荷 分担方式r r c 重定向、r a b 直接重试和系统间切换。在对现有的小区重选技术研 究中，并没有提出以网络负荷均衡为目的的小区重选机制，因此本论文的研究方 向具有创新性。 1 2 课题来源 随着原信息产业部颁布t d s c d m a 作为我国通信行业标准以来，振兴民族通 信产业的创新行动被迅速推进，截止目前为止，移动运营商已经基本完成县级的 3 g 网络覆盖建设，用户规模在不断扩大；特别伴随着“移动微博技术的广泛应 用，移动通信越来越受到人们的关注，据统计，2 0 1 0 年前9 个月移动通信收入达 4 6 5 1 亿元，同比增长1 2 ，移动通信已成为我国国民经济的支柱产业和新经济增 长的重要推动力。 中国移动已经在上海世博会场馆开通了全国第一个t d l t e 网络，并在世博会 期间，重点展示了t d l t e 的网络体验，t d l t e 的标准和设备也正在快速成熟， 相信在不久的未来，商用t d l t e 网络也将逐步得到部署；而t d s c d m a 网络的 建设是一个循序渐进的过程，g s m 网络又拥有庞大的用户群，所以国家政策、现 实的运营策略和物业环境决定了t d l t e 、t d s c d m a 、g s m 共址建设的情况会 越来越多，这三大网络将在相当一段时间内会并行存在；对于移动运营商，保证 这三张网络的相互补充、协调发展和最终融合，是目前完善全业务运营策略、发 挥移动网络技术优势的当务之急。 2 0 0 9 年重庆移动启动了t d s c d m a 的网络建设，已经完成了县级的t d 网络 覆盖，但出现的问题也较多。因此，针对网络建设的遗留问题，2 0 1 0 年3 月，中 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 国移动集团设计院有限公司承担t d s c d m a 实验网搭建及测试任务，项目组完成 协议开发、信令设计、测试实现等，主要负责实现重庆t d s c d m a 和g s m 网络 的互联互通。作者参加了中国移动集团设计院有限公司在重庆的t d s c d m a 实验 网测试项目，项目编号：1 0 0 9 0 0 0 3 1 。主要负责t d s c d m m g s m 系统间小区重选 的研究与测试工作，在平时的科研中详细阅读了大量3 g p p 的相关协议，在运用数 学模型分析的基础上，提出问题的解决办法，进行了系统的网络数据采集和现网 测试，方案得到了实际验证。 1 3 研究现状 小区重选作为网络间主要的互操作技术之一，一直都是业界的研究热点，特 别是随着移动网络的不断丰富，多模终端越来越智能，如何优化网络的资源配置， 实现不同制式网络的协调发展，是各大运营商迫切需要解决的现实问题，而且 3 g p p 组织也在不断完善小区重选标准，但是网络间的小区重选成功与否和实际的 无线环境息息相关，现实的无线环境复杂多样，而3 g p p 标准难以做的到面面俱到， 非常有必要从实际的网络环境出发，对旧机制进行更新优化，实现理论和实际的 高度统一。 如今，国内外对小区重选技术研究大部分是针对w c d m a 的，主要体现在 w c d m a 和g s m 之间的重选方法研究，而对1 d s c d m a 制式的小区重选研究也 大多集中于系统内，或是对协议进行仿真；基本所有针对t d s c d m a 与g s m 异 系统小区重选技术的研究成果，也都仅限于物理层测量信号参考上的创新，提出 了新重选流程，或配置新的重选参数，目的在于缩短重选时延、减少乒乓重选等， 而本文以实现网络负荷均衡为目的小区重选机制研究具有现实意义，更为贴切运 营商的智囊需求。 1 4 本文的主要工作 本文对2 g 3 g 网络共存环境下，因3 g p p 协议规定和现实无线环境的不匹配 性而造成的重选问题引起的网络负荷失衡现象，进行了研究与问题改进；同时对 g s m t d l t e 系统间小区重选判断机制提出了新的标准；主要有以下几个方面： 1 ) 对2 g 3 g 网络中具体的系统间小区重选问题进行理论分析。通过对现网 小区重选过程进行网络建模分析，发现重选驻留失败进而导致网络严重 失衡的主要原因是重选算法判断机制问题、重选过程中加密参数的选择 问题和加密模式m 的携带问题：并根据3 g p p 协议的具体规定，找出协 议和现实环境的不匹配性，为之后的解决办法提供理论支持。 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 2 ) 对2 g 3 g 系统间的重选问题提出合理的解决办法。根据上文的理论分析 结果，对现网的系统间重选过程进行数学建模分析，由建模结果找出解 决办法，主要从三个方面去解决：增加补丁程序，提出新的重选流程和 优化重选参数。 3 ) 搭建网络平台，借助k 1 2 0 5 信令测试仪对重选过程进行抓包跟踪，以大 唐d t m 8 1 2 0 终端的测试结果来验证解决办法的可行性，最后在和重选 接入成功率和网络负荷分担等数据指标上得到验证。 4 ) 依据负载均衡的目的要求，提出了t d - l t e g s m 小区重选过程中新的算 法判断标准。 1 5 本文的内容安排 论文共分五个部分。 第一章阐述了论文研究背景、意义和课题来源，以及论文的主要工作和内容。 第二章介绍了2 g 3 g 共存组网的网络背景，比较了二者的异同。 第三章详细阐述了小区重选过程，着重分析了2 g 3 g 异系统间小区重选的原 理和信令流程。 第四章重点分析了现网中小区重选存在的问题，并采用数学模型的方法对重 选过程带来的问题进行总结，设计了新的重选流程，提出了符合3 g p p 规范的解决 办法。并通过现网测试进行了实际验证，结果表明，该方法是可行有效的，能很 好地解决现有的重选问题。 第五章概述了3 g p p 关于t d l t e 系统的重选规范，并从运营商的重选策略和 网络负荷分担的目的出发，提出了新的判断标准建议。 第六章是总结所做的工作，对新的研究方法，新的研究途径进行展望。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章2 g 3 g 共存组网背景 第二章2 g 3 g 共存组网背景 一个完整的移动通信系统网络结构由核心网、无线接入网和用户设备即终端 三部分构成的。下面是运营商t d s c d m a 和g s m 系统共存组网架构图。 眦国一络 图2 12 g 3 g 共存组网架构图 上文中提到了移动运营商难免要面临两网共存的局面，由于g s m 网络拥有丰 富的站点、稳定的用户和优质的网络资源，并且核心网方面也并没有完全p 化； 因此，在t d s c d m a 网络建设的初期，采用的是和g s m 共核心网，单独建设接 入网的建网策略。图中红线部分表示承担的是分组业务的功能，蓝线则表示承载 电路域业务。 2 1t d s c d m a 通信系统 t d s c d m a 是我国提出的第三代移动通信技术标准的t d d 模式技术，是 i m t - 2 0 0 0 标准中t d d 方式的低码片( l c r ，l o wc h i pr a t e ) 解决方案，是3 g p p 组织的重要组成部分；目的是要实现在任何时间，任何地方与任何人进行任何方 式的业务通信，并且互联互通无任何障碍；下面分三个部分，核心网、无线接入 网和终端来阐述其基本功能。 2 1 1 核心网 核心网介于有线通信网络和无线通信网络之间，起两个系统间的桥梁作用： 主要功能是为3 g 系统的交换功能和用户数据与移动性管理、安全性管理提供数据 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章2 g 3 g 共存组网背景 库功能【z 】；它对接入网是独立的，核心网可以完全不关心接入网采用的是哪种具体 的无线技术接入，它同w c d m a 核心网一样，是基于g s m g p r s 网络演进而来， 并遵循3 g p p 的相应规范。核心网的子系统框架分为两个部分，分为电路交换域 ( c s ) 和分组交换域( p s ) ，对应于g s m 交换子系统和g p r s 交换子系统。在进 行网络规划时，可以同时规划两个域，也可以只包含其中一个。组成电路域的网 元实体有移动业务交换中心服务器( m s cs e r v e r ) ，拜访用户位置寄存器( v u q 以及 媒体网关( m g 、) ；而分组域网元实体则由服务g p r s 支持节点( s g s n ) 和网关 g p r s 支持节点( g g s n ) 组成【2 l 。值得注意的是h l r 、a u c 、e i r 、o m c 和g a t e w a y m s c 等是电路交换域和分组交换域的公共实体网元，能为电路域和分组域所共有。 在t d s c d m a 系统中，提供了很多开放的接口，例如i u c s 和i u p s 接口分别为 r n c 与核心网之间的接口，相对应于g s m 系统中的a 接口和g b 接口，a 接口和 g b 接口分别为b s c 与核心网电路域和分组域实体之间的接口，接口功能信令由 r a n a p 协议实现，他们分别是提供给基站设备接入到p s t n 网和d 数据网络的 接口设备。m a p 接口是通用于核心网内部各实体间的信令接口；而m c 接口是 m s c s e r v e r 与m g w 之间的接口；m s c s e r v e r 之间的承载接口为n c 接口，n c 接口的协议实现方式可选度比较大，它可以选择有i s u p 或b i c c 协议来实现；媒 体网关之间的接口称为n b 接口。另外，t d s c d m a 的核心网信令协议是基于n o 7 信令的。 1 ) 移动交换中心( m s c ，m o b i l es w i t c h i n gc e n t e r ) 移动交换中心的主要功能是呼叫控制功能和移动控制功能，是t d s c d m a 移 动通信系统中的核心功能设备，m s c 控制着c s 域中终端的主叫、被叫以及移动 性管理等功能，它把用户一网络信令翻译成网络一网络信令 2 1 。m s c 服务器中包 含v l r ，能够获取用户的服务数据和c a m e l 相关数据。 2 ) 电路交换媒体网关( c s m g w ，c i r c u i ts w i t c h m e d i ag a t e w a y ) 媒体网关的主要功能是提供传输资源、实现承载控制，并执行媒体转换和帧 协议转换的功能；在i u 接口，c s m g w 也支持负载处理，用于支持电路域服务中 的不同i u 选项。移动规范的功能也在c s m g w 的承载控制和负载处理中实现。 3 ) 网关移动交换中心服务器( g m s c ，g a t e w a ym o b i l es w i e hc e n t e rs e r v e r ) 网关移动交换中心作为移动交换中心的子系统，主要完成呼叫的路由功能， 也称移动关口局，负责本地移动网和其它电信运营者的通信网间的话务转接。当 有呼叫要进入到p l m n 时，g m s c 先向位置寄存器查询被叫的信息，然后把呼叫 路由到移动台所在的移动交换中心去。g m s cs e r v e r 服务器的主要功能是呼叫控 制和移动性控制。 4 ) 服务g p r s 支持点( s g s n ，s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章2 g 3 g 共存组网背景 s g s n 是为u e 提供分组业务的结点，相当于电路交换域中的m s c ，主要提 供分组数据接入服务。当有g p r s 业务发起时，s g s n 会提供一个移动性管理环境， 包含关于这个终端的移动性和安全性信息。s g s n 实时记录移动台的当前位置信 息，并处理终端的分组数据信息，完成移动台数据的发送和接收；同时还具有移 动性管理、加密以及计费等功能。在和m s c h l r 互连方面，s g s n 具有先天优势， 可以通过任意g s 接口向m s c v l r 发送定位信息，同时也可以通过g s 接口接收 来自m s c v l r 的寻呼请求。 5 ) 网关g p r s 支持点( g g s n ，g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) g g s n 职责是完成对口地址的分配，是核心网分组域和外部数据网络进行链 接的接口。它存储了归属这个节点的g p r s 业务用户的路由信息，并解析该信息 后，将协议数据单元利用隧道技术发送到某终端的当前服务支持节点，即s g s n 。 g g s n 可以通过g c 接口从归属用户位置寄存器中查询该移动用户当前的地址信 息。g g s n 主要是起网关作用，支持与多种不同类型数据网络的信息交互，如综 合业务数字网( i s d n ，i n t e g r a t es e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ) 等：能完成对外部网络 协议的转换。另外，s g s n 与g g s n 的功能可以集成在一个物理节点上实现，也 可以在不同的物理节点上分别实现。它们都具有p 路由功能，能与路由器相连， 如果s g s n 与g g s n 归属不同的p l m n ，则二者可以通过g p 接口进行互联互通。 6 ) 归属用户位置寄存器( h l r ，h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ) 归属用户位置寄存器是移动通信系统的中央数据库，是网络中存储永久用户 信息的主数据库。所有用户重要的数据信息都存储在h l r 中，例如用户位置信息、 账户状态和行为偏好等数据，控制着整个交换区域甚至整个p l m n 网络。h l r 还 存储着部分用户所在的m s c 区域有关的动态数据信息，如用户识别码、用户类别、 补充业务和访问能力等。归属用户位置寄存器和m s c 进行信息交互，当发起呼叫 业务时，交换设备会判断是本地呼叫还是异地访问，由h l r 向移动交换中心发送 查询信号，从而得到路由信息，最终建立整个呼叫连接。 7 ) 访问用户位置寄存器( v l r ，v i s i t o rl o e a t i o nr e g i s t e r ) 一旦有终端进入某用户位置寄存器( v l r ) 的控制区域内，则v l r 会从该移 动用户的归属位置寄存器( h l r ) 中获取必要的用户数据并进行信息存储，如位 置区信息及补充业务参数等，这是为已经成功登记的移动用户提供建立呼叫接续 的必要条件；一旦有移动用户离开该v l r 的覆盖区域，v l r 会取消l 临时记录的该 移动用户数据，转而在另一个v l r 中进行信息登记。所以，v l r 也可看作是一个 动态数据库。v l r 一般与移动交换中心m s c 综合实现。 8 ) 鉴权中心( a u c ，a u t h e n t i c a t i o nc e n t e r ) 鉴权中心( a u c ) 网元中存储了鉴权算法和加密密钥，用来防止没进行信息登 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章2 g 3 g 共存组网背景 记的非法用户接入系统，并通过对数据的完整性保护，来保证无线接口移动用户 的数据安全。a u c 的主要功能之一就是专门为h l r 提供鉴权和数据加密，在物理 逻辑实体上，a u c 和h l r 一般会被放在一起，二者通过h 接口完成信息交互，值 得注意的是该接口却并没有标准化。 9 ) 短消息互联移动交换中心( s m s i w m s c ) 它是p l m n 与短消息服务中心之间的接口，通过n o 7 信令网接收来自主叫用 户所在m s c 的传输协议单元( t p d u ，t r a n s p o r tp r o t o c o ld a t eu n i t ) ，并向被叫用 户的短消息中心( s m c ，s h o r tm e s s a g ec e n t e r ) 传送，若当被叫用户处于关机状 态，短信被存储在s m c 中，当收到h l r 用户开机提醒时，向被叫用户所在的m s c 发送提醒消息。 在上述网元实体中，其中前三个网元是核心网电路域实体功能，第四和第五 个属于分组域实体，而后面四个网元则是电路域和分组域的公共实体。 2 1 2 接入网 接入网是无线蜂窝通信系统最基本的组成部分，它通过空中接口与移动台相 连，负责无线发送接收和无线资源管理；另一方面，它与核心网相连，实现移动 用户之间或移动用户与固定网络用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息 等【2 1 。t d s c d m a 核心网支持两种不同的类型的接入网：基站子系统( b s s ) 和 无线网络子系统( r n s ) 。 1 ) 基站子系统是通信系统的重要组成部分，主要是由基站控制器( b s c ) 和 若干基站( b t s ) 组成的子系统，同时包括码变换和速率适配器( x c d r ) 以及无 线操作维护中心( o m c ) 等网元实体。基站控制器的主要功能是对下属基站进行 控制，例如完成呼叫处理、切换、操作和维护管理功能等；同时基站子系统的控 制功能也由b s c 来完成，如地名信道管理和交换、无线信道管理等。基站的功能 则是提供无线信道，准确地和终端进行无线通信，基站和终端完成通信的协议接 口是u m 空中接口，通过它来完成终端和无线网络之间的信令信息和业务消息的 传送，该接口的c s 业务信令协议栈分为三层，而p s 业务信令协议栈则有五层。 通常一个基站控制器可以与一个或多个基站收发信台相连，完成信息交互，而一 个基站则可以支持一个或多个蜂窝通信小区。 2 ) 无线网络子系统( r n s ) 由无线网络控制器( i 州c ) 和收发信机n o d e b 两 部分组成。通常由一个无线网络控制器与一个或多个n o d e b 组成，r n c 与每个 n o d e b 都相连，一个无线网络子系统则包含一个r n c 和一个或多个n o d e b 。r n c 和n o d e b 之间通过i u b 接口进行通信。无线网子系统通过两个接口与核心网相连， 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章2 g 3 g 共存组网背景 一个供电路域使用，一个供分组域使用。在m s c 看来，它只通过i u - c s 接口接入 传统的p s t n 语音业务；同样，在s g s n 侧，通过i u p s 接口与d 网络建立通信， 接入传统的口等数据网络中的数据业务。无线网控制器的功能就是管理一个或多 个n o d e b ，它的作用、地位相当于g s m 系统中的b s c ，相比b s c ，集成了部分 g s m 的核心网功能f 2 叫。能完成实现无线资源管理、b t s 操作维护、负载控制、切 换漫游等功能：而n o d e b 的作用则相当于g s mb s s 中的b t s 。 2 2g s m 通信系统 o 2 2 1 核心网 在核心网方面，除了接口标准以外，2 g 的网络架构和网元功能与t d s c d m a 核心网络大同小异，而且移动运营商已经越来越重视t d s c d m a 和g s m 系统的 核心网共用。下面，以类比的方法来阐述g s m 核心网络和t d s c d m a 核心网络 的异同。 表2 1t d s d m a 核心网与g s m g p r s 核心网比较 系统版本核心网电路域核心网分组域 g s m g 1 1 r s t d m 技术组网m 技术组网 和g s m 核心网基本相同； 3 g p pr 9 9采用a m r 编码，编码器从无线侧移 动到核心网侧 3 g p p r 4 3 g p p r 5 呼叫控制和承载完全分离； i p a t m z f d m 多种组网技术； 和r 4 版本基本相同 和g p r s 核心网分组域基 本相同 和r 9 9 核心网分组域完全 相同 叠加了p 多媒体子系统 订s ；呼叫控制和媒体网 关控制进一步分离 从上表中可以看出，对于g s m 核心网向t d s c d m a 核心网的升级过程，并 不存在难以克服的复杂技术问题，g s m 核心网的成功升级能加快各地运营商实现 “三不”政策( 不换手机号、不换s i m 卡、不用登记) 。在核心网功能应用方面， g s m 和t d s c d m a 系统的主要差别在于f 2 】： 1 ) 用户的定义：3 g 系统中引入了新的业务和功能，因此h l r 中存放的用户 签约信息比g s m 更加丰富。 2 ) 鉴权机制：3 g 的鉴权算法是对2 g 的向下兼容，从2 g 到3 g ，由鉴权三元 组变为了鉴权五元组，3 g 系统中能够针对不同用户采用不同的鉴权算法，即自适 应的鉴权机制。 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章2 g 3 g 共存组网背景 3 ) m a p 协议：3 g 支持的是3 g p p t s 2 9 0 0 2 中定义的m a p 协议，相比2 g 系 统中的m a p p h a s e 2 + ，增加了定位业务和号码可携带业务等。 2 2 2 接入网 大体来说，g s m 接入网设备主要是基站和移动台，基站是由基站收发信台和 基站控制器组成，通过收发信台的无线传输完与终端的连接，主要是负责无线发 送接收和无线资源管理。相比核心网，在接入网方面g s m 系统和t d s c d m a 系 统的差别还是比较大的。 在接入技术方面，t d s c d m a 系统在接入层网元上融合了2 g 部分核心网的 功能，即网络进一步扁平化，而且空中接口技术与2 g 也有很大的不同；t d s c d m a 接入技术优势来源于它是基于t d d 双工模式下综合了t d m a 、 c m d a 、f d m a 等传输方式，以及它的不对称时隙配比。而且在无线侧，智能天线、联合检测以 及接力切换等先进技术使得t d s c d m a 在接入技术领域成为一个耀眼的新星。 2 3 通信终端 通信终端包括由移动物理设备( m e ) 和智慧部件s i m 卡两部分组成，是移动 用户在整个移动通信系统中唯一能接触到的通信设备【2 】。随着现在两种甚至多种不 同制式网络的共存运营，开发出了很多双模甚至多模终端；其中双模单待机指的 是终端具有t d s c d m a 和g s m g p r s 两种模式的特征，在同一时刻，只能工作 在一种模式下，但同时也监测另一种模式的小区，且不需要人为介入。如今双模 终端已经进入了商用阶段，而且越来越多的双模双待智能机走进普通百姓的家庭。 2 4 本章小结 本章主要介绍了，2 g 3 g 共存组网的网络结构，并从核心网和接入网两方面 描述了主要网元的功能，把两大系统进行了对照分析，最后对通信终端进行了简 要介绍，为下一章对小区重选过程分析做铺垫。 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第三章共存小区重选技术分析 第三章共存小区重选技术分析 3 1 通信事件描述 对通信终端来讲，一个完整的通信事件包括开机、待机、通话或数据传输、 关机等几个阶段。开机后终端处于空闲状态，会选择合适的网络进行小区驻留， 完成驻留后，再通过与核心网等进行连接实现业务通信。以下着重介绍终端从开 机到成功发起业务所经历的几个关键过程。 3 1 1 小区搜索 终端开机后，首先要完成公共陆地移动网络( p 姗，p u b l i cm o b i l en e t w o r k ) 的选择，然而进行小区的选择并驻留，小区搜索是保证小区正常驻留的关键过程， 只有在小区搜索成功完成之后，u e 才能获取本小区以及邻近小区的信息，才能在 该小区上实现各类通信业务。 在g s m 系统中，主要有两种搜索方式，第一种是无存储列表的小区搜索，该 方式下，u e 首先搜索所有的1 2 4 个射频( r f ，r a d i