硕士论文-基于S12的第三代移动通信若干关键技术的研究.pdf

上海交通大学 硕士学位论文 基于S12的第三代移动通信若干关键技术的研究 姓名 李晓明 申请学位级别 硕士 专业 软件工程 指导教师 沈备军 20061101 1 附件四附件四 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 李晓明 日期 2007 年 2 月 15 日 2 附件五附件五 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密保密 在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 李晓明 指导教师签名 沈备军 日期 2007 年 2 月 15 日 日期 2007 年 2 月 15 日 上海交通大学工程硕士学位论文 2 基于S12的第三代移动通信若干关键技术的研究 摘要 回顾中国移动通信业务的发展过程 从原来的模拟手机到 GSM CDMA 后 来发展到 GPRS CDMA1X 未来几年的发展主题就是 3G 随着 3G 的临近 3G 移动网将担负起提供更宽的带宽以及各种新业务的任务 因此 运营商需要的是 以用户为核心的宽带网络 以用户为核心的业务机制 这直接导致在选择 3G 设 备供应商时需要对其解决方案的成熟性 网络规划优化的能力 丰富的开放的业 务支持 研发生产以及售后服务等综合实力这几个方面进行全面的评估 同时为 了更好的服务与吸引客户 运营商一方面要保持在网络基础设施上的投入以确保 网络的健康发展 另一方面为了提升盈利能力 运营商又须最大限度的减少成本 众所周知 S12 交换机在传统市场上的应用已经经历了很多的考验 其出色 的网络性能得到了很好的用户口碑 并且已经在移动市场上面占有了很大的份 额 如果能够在 S12 的基础上进行第三代移动通信技术的研发 无疑是对于现有 网络资源的一个最充分有效的利用 同时可以直接的减少运营商的设备投入和维 护成本 所以 基于 S12 的第三代移动通信若干关键技术的研究和实践是一个挑 战性的 具有重要意义的研究和实际应用价值的课题 该课题对于运营商在短时 间内低成本地打造一张具有竞争优势的 高起点 高质量 高效益 的 三高 网 络有着重要的现实和指导意义 本文从传统的 S12 交换机入手 结合 3G WCDMA 的技术标准 对基于 S12 实现 3G 核心网络建设所涉及的若干关键技术进行了深入的探索和研究 所做的 工作和取得成果主要体现在以下几个方面 1 提出基于支持 2G 的传统 S12 交换机进行开发 进而实现 WCDMA 核心 网络建设的方法 2 在实现 WCDMA 核心网络建设过程中 解决了以下两个关键问题 ATM 到 TDM 的转换 引入 A7670 MGU BCU Media Gateway Unit and Bearer Conotrol Unit 媒体网关单元和承载控制单元 和 2G 的 MSC 共同合作成为 3G 目标网中的核心网络设备 核心网部分和 UTRAN 的接口 RANAP 协议的支持 在 S12 内部开 上海交通大学工程硕士学位论文 3 发软件用于 RANAP 消息的打包解包 实验系统的测试表明 该方案完全满足 CMCC 的有关 3G 核心网络的相关 要求 同时在系统稳定性和呼叫处理速度上都达到了商用的标准 关键词 S12 第三代移动通信 宽带码分多址接入 接入链路控制应用层 无线接入网应用协议 上海交通大学工程硕士学位论文 4 RESEARCH ON KEY TECHNOLOGIES OF THE 3rd GENERATION S12 BASED MOBILE COMMUNICATION ABSTRACT Looking back to the history of China mobile communication it is developed from analogue to digital then to GRPS CDMA1X Now 3G has been the key topic With the coming of 3G 3G mobile network will take over the task to provide much wider band width and more and more new operations All the operators must try their best to build up the broadband network and operation mechanism which are both taken customer as nucleus Consequently they will take all following factors into consideration when they want to select 3G equipment providers mature solutions of 3G good capability of network optimization rich and open support for all kinds of new operations research and development capability and the quality of service At the same time to attract more and more customers they need to ensure the devotion for all the basic construction of network to satisfy the accord development But on the other hand they have to decrease the cost as much as they can to improve the payoff It is well known that S12 MSC had good reputation among all customers for its outstanding network capability and it had met many challenges during part years in traditional market Since it has big percentage in mobile communication market the development about 3G based on it is able to take efficient usage about all existed network resource which can help all operators to decrease their cost about equipment and maintenance So it is really a challenging task to take research and practice on the key technologies of the 3rd generation S12 based communication This research is also very instructive for network operator to build a competitive network in a short time with good start good quality good ROI In this dissertation based on traditional switch S12 a new solution for 3G WCDMA core network is introduced combining with 3G technology The main works are listed as following 1 A new solution for 3G WCDMA core network based on traditional S12 is proposed 2 Two key problems has been identified and solved systemically Conversion from ATM to TDM A7670 media gateway which consists of BCU and MGU is introduced to cooperate with S12 MSC and work together as core network equipment of 3G target network Supporting RANAP protocol between Core network and Utran software is developed in S12 to code and decode the relative RANAP messages It is verified through system test that such system can satisfy all the relative 上海交通大学工程硕士学位论文 5 requirements of CMCC about 3G mobile core network and also its network stability and call handling capability meet with the standard of commercial deployment Key words S12 The 3rd generation mobile communication Wideband Code Division Multiple Access WCDMA AAL2 Signaling Protocol ALCAP Radio Access Network Application Part RANAP 上海交通大学工程硕士学位论文 8 1 引言 1 引言 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出 回顾过去一年多来全球移动市场的发展 我们看到传统业务中的用户量和话 务量在快速增长的同时 新的增值业务也越来越多地受到人们的青睐 运营商的 财务状况出现了强劲的增长态势 对3G The 3rd Generation Mobile Communication 第三代移动通信 的观望不再是雾里看花 全球大多数主流运营商都不同程度地 开通了丰富多彩的 3G 商用业务 今天 我们欣喜地感受到全球移动市场尤其是 3G 移动市场扑面而来的盎然春意 全球 3G 移动市场出现生机 截至 2005 年 6 月 30 日 全球 34 个国家的 74 个 WCDMA Wideband Code Division Multiple Access 宽带码分多址接入 商用网络投入运营 还有 6 个商用网络正准备投入 使用 2005 年上半年就有 14 个 WCDMA 网络投入商用 作为中国移动 GSM GPRS Global System for Mobile Communication General Packet Radio System 全球移动通信系统 通用分组无线系统 网络的自然延续 WCDMA 将 是中国移动必然的选择 25 因此 中国获得一张 WCDMA 牌照将无可争议 从现有 GSM 网络演进到 WCDMA 网络时 不论采用哪种演进策略 都需要 充分考虑如何改造和利用 2 代已有的长途骨干网 信令网 智能网 关口局及 HLR AUC Home Location Register Authentication Center 归属位置寄存器 鉴权 中心 SMC Short Message Center 短消息中心 等设备 这样既最大限度地 保护了运营商在 GSM GPRS 等方面的已有投资 又可以使运营商根据自己地区 的业务开展情况和经营状况 逐步 渐进地提供丰富的 3G 系统业务 从而达到 优化自己的网络资源配置 简化网络结构和便于运营 管理的目的 所以基于 S12 交换机开发的核心网络以其难得的现场网络设计 规划优势 能帮助运营商迎接挑战 减少网络投资费用 保证网络投资的最佳化 并满足未 来技术演进和市场变化的需要 1 1 2 研究意义 1 1 2 研究意义 对于运营商而言 初期市场拓展以移动语音业务为基础比较符合 3G 系统的 工程技术特点 由于移动网络建设一般都遵循 先覆盖后容量 的策略 而 3G 在 承载数据业务时也会出现明显的网络 呼吸效应 即网络承载数据业务时的网络 信号覆盖范围会减小 使得 广覆盖 薄容量 的初期网络开展数据业务时受到较 大制约 而更加适合开展移动语音业务 44 同时由于数据业务占用的网络资源 开销较大 涉及的网络优化也更加复杂 因此要开展成熟的数据业务 3G 在网 络建设上也会需要一段时间的导入期 所以 对于设备及方案提供商而言 在支持 WCDMA 的同时 考虑传统 2G 2 5G 的业务 并从充分利用现有市场的网络资源和配置入手进行相关 3G 技 上海交通大学工程硕士学位论文 9 术的开发和研究必然有其重要的理论意义和商业价值 S12 交换机作为在传统的 2G 市场中具有极强竞争力的产品 其本身可发掘的市场价值和商业潜力还有很 多 同时它在原有的市场上面也占有很大的份额 这对于网络资源配置来讲可以 说是有得天独厚的优势 S12 本身经过多年的现网应用 其所支持的 2G 功能可 以说是久经考验 并且已经是很成熟 稳定的 所以 在 S12 基础上进行更深入 的开发 对于运营商而言可以大幅度减少在 3G 网络搭建过程中的费用 即利用 已有的 S12 设备实现 2G 3G 的全面兼容 同时对于设备供应商而言在开发的同 时是建立在已经全面支持 2G 的基础上 所以减少了开发的风险和研发投入 这 样的双赢必然决定了这样的开发方向具有深远的理论意义和实际的商用价值 1 2 国内外研究现状及分析 1 2 国内外研究现状及分析 通信技术的高速演进为消费者带来了多样化的选择 同时也给运营商 设备 厂商 终端厂商等产业参与者带来了巨大的挑战 如何应对技术选择 切入时机 投入规模等问题所面临的巨大风险 全球移动通信 从第一代模拟技术 到第二代 GSM 和 CDMA 再到今日被 各国广为关注的 3G 第三代移动通信 一直牵动着世界电信业的神经中枢 3G 从概念的提出 到今天逐渐步入实用化 期间走过了漫长曲折的道路 3G 是一 个发展中的概念 其本身已远远超出了终端速率 384k 的含义 它是 WCDMA HSDPA EUL HSUPA 演进的集体 是相互支撑 相互继承 共同发展 的集体 23 正是由于 3G 演进的快速发展和移动通信的便捷性 灵活性 大容 量和广覆盖的能力 3G 移动通信不仅将替代很多固网语音业务 而且还将演进 成一个多姿多彩的 随时随地可以打破边界壁垒 无论是在移动中 办公室 还 是在家庭中都能架起自由沟通的无线世界 在错综复杂的环境下 我国政府在 3G 的发展上采取了十分稳健的政策 保 持了我国通信产业高速稳定的增长 并首次提出了具有自主产权的 TD SCDMA 技术 具有重要的示范作用 35 从移动通信技术发展趋势和可实现业务功能分 析 基于 CDMA 制式的 3 种标准被普遍看好 分别对应 CDMA2000 WCDMA 和 TD SCDMA 三种技术 它们被认为是 3G 的三大主流应用技术标准 就中国的现状而言 WCDMA 则在这三大主流标准中占有无可比拟的优势 25 WCDMA 标准将带来无庸置疑的高容量 而中国恰是容量需求最大的市场 无论采取何种标准 必须有一个特性 就是大容量的特性 在话音 数据业务方 面 容量特性最具有优势的就是 WCDMA 如果承载同样用户的容量 其他 3 代技术比 WCDMA 技术需要多使用 3 倍的设备 加之 3 代的速率优势 带来的 新的视频点播等业务 是现行标准不可能做到的 对于中国现有或是潜在的运营商而言 WCDMA 还有一大优势 就是经济 性 而此前在这方面有诸多误解 在同等的条件下 同样满足一个地方的话务需 求 WCDMA 的建网成本并不昂贵 开始 WCDMA 和其他技术的建网成本很接 近 但在网络所承载的话务量越来越大 服务越来越多的时候 WCDMA 和其 他技术相比 成本就要比其他技术低得多 经济性就会得到体现 WCDMA 同时具有很高的灵活性 除了能够胜任提供大容量的话音业务之 外 还能提供更新的业务 例如多媒体业务 电子邮件业务 视频点播 视频片 上海交通大学工程硕士学位论文 10 断 彩信等 目前在互联网上使用视频点播业务时 很多时候由于没有足够的带 宽 不能顺利地下载 即便在互联网环境下 用户也只能享受到网络试图达到的 最高带宽 而在 WCDMA 这些都可以迎刃而解 1 3 本文研究目的和研究内容 1 3 本文研究目的和研究内容 为实现从 2G 到 3G 的平滑过渡 充分利用现网的交换设备以减少网络运营 商在建设 3G 网络初期所需要的巨额花费 本文提出了基于 S12 实现第三代移动 通信核心网络的这一课题 基于 WCDMA 技术规范 本课题主要研究以下几个 方面的工作 1 针对现有网络架构 提出基于S12实现3G核心网络的体系结构 2 研究基于S12实现3G核心网络架构所涉及的关键技术 RANAP和ALCAP Control 3 利用Chill和ASM 386 实现RANAP和ALCAP功能 4 对最终集成产品进行实验室的验证 1 4 本文的章节安排 1 4 本文的章节安排 全文共由七章组成 第一章为引言 阐述了问题提出的背景和研究意义 并在对国内外相关研究 现状进行简单分析的基础上 提出了本课题的研究目的和研究内容 第二章介绍了WCDMA的概念 主要技术实现及发展过程 本部分着重综述 了WCDMA 发展历程以及各个阶段的相关概念 组成和体系结构 并介绍了 WCDMA R99目标网络架构 第三章在前面两章的基础上 提出了基于S12实现WCDMA R99核心网络的 系统模型 并阐述了设计目标 体系结构和系统研发流程 第四章则主要针对基于S12的3G核心网络体系结构中的若干关键技术进行 了分析 并提出了基本解决方案 这些关键技术主要包括 Ranap协议的支持 ALCAP Control 有关ATM Asynchronous Transfer Mode 异步传输模式 到TDM Time Division Multiple 时分复用 传输的转换 第五章根据第四章提出的若干关键技术进行了详细的设计 这其中主要涉及 到有关Ranap和ALCAP Control两大核心关键技术的业务 流程和功能设计 第六章详细讲述了基于S12的3G的核心网络系统关键技术的具体实现 以及 相关的系统测试结果 第七章是对全文工作的总结 并分析了系统中的创新点 对将来的工作进行 了展望 上海交通大学工程硕士学位论文 11 2 WCDMA R99网络结构 2 WCDMA R99网络结构 2 12 1 WCDMA 简介 WCDMA 简介 WCDMA 32 主要起源于欧洲和日本的早期第三代无线研究活动 GSM 的巨 大成功对第三代系统在欧洲的标准化产生重大影响 欧洲于 1988 年开展 RACE 欧洲先进通信技术的研究 程序 并一直延续到 1992 年 6 月 它代表了第 三代无线研究活动的开始 1992 1995 年之间欧洲开始了 RACE 程序 ACTS 先进通信技术和业务 建立于 1995 年底 为 UMTS 通用移动通信系统 建 议了 FRAMES 未来无线宽带多址接入系统 方案 在这些早期研究中 对各 种不同的接入技术包括 TDMA CDMA 等进行了实验和评估 为 WCDMA 奠定 了技术基础 日本于 1993 年在 ARIB 中建立了研究委员会来进行日本 3G 的研究和开发 并通过评估将CDMA技术作为3G的主要选择 日本运营商NTTDoCoMo在1996 年推出了一套 WCDMA 的实验系统方案 并得到了当时世界上主要的移动设备 制造商的支持 43 由此产生了 WCDMA 的发展动力 1998 年 12 月成立的 3GPP The 3rd Generation Partner Project 第三代伙伴项 目 43 极大地推动了 WCDMA 技术的发展 加快了 WCDMA 的标准化进程 并 最终使 WCDMA 技术成为 ITU 批准的国际通信标准 第三代的主要技术体制 其中 WCDMA FDD TDD 现称高码片速率 TDD 和 TD SCDMA 融和后现称 低码片速率 TDD 都是由 3GPP 开发和维护的规范 这些技术都是以 CDMA 技 术为核心的 值得指出的是 TD SCDMA 技术规范是我国第一份自己提出 被 ITU 全套采纳的无线通信标准 最近已经通过了 3GPP 的规范化进程 推出了完 整的技术规范协议 目前看来 将要采用的第三代标准中选取 WCDMA FDD 模 式的国家是最多的 比如欧洲 日本 韩国都决定 WCDMA FDD 模式为自己的 主流制式 去年底 美国的 AT T 移动业务分公司也宣布选取 WCDMA FDD 为 自己的第三代业务平台 WCDMA 的三套技术实际上采用的是同一套核心网络规范 不同的无线接 入技术 其核心网络的主要特点就是重视从 GSM 网络向 WCDMA 网络的演进 这是由于 GSM 的巨大商业成功造成的 这种演进是以 GPRS 技术作为中间承接 的 WCDMA是目前全球三种主要的第三代移动通信体制之一 是未来移动通信 的发展趋势 WCDMA系统是IMT 2000家族的一员 它由CN Core Network 核 心网 UTRAN Utran Terran Radio Access Network UMTS 陆地无线接入网 和UE User Equipment 用户装置 组成 UTRAN 和UE采用WCDMA无线接入 技术 WCDMA网络在设计时遵循以下原则 无线接入网与核心网功能尽量分离 即对无线资源的管理功能集中在无线接入网完成 而与业务和应用相关功能在核 心网执行 无线接入网是连接移动用户和核心网的桥梁和纽带 其满足以下目标 1 允许用户广泛访问电信业务 包括一些现在还没定义的业务 如多媒体 和高速率数据业务 2 方便的提供与固定网络相似的高质量的业务 特别是话音质量 3 方便的提供小的 容易使用的 低价的终端 它要有长的通话和待机时 上海交通大学工程硕士学位论文 12 间 4 提供网络资源有效的使用方法 特别是无线频谱 移动通信技术开始是各自发展的状态 各个国家 技术组织都不断发展自己 的技术 美国有AMPS Advanced Mobile Phone System 先进移动电话系统 D AMPS IS 136 IS 95 日本有PHS Personal Hand Phone system 小灵通 PDC Personal Digital Cellular 个人数字蜂窝电话 欧洲则是GSM 这种格局一方面 在移动通信发展的初期满足了用户的需求 开拓了移动通信市场 另一方面也人 为造成地区间的隔离 引发了全球统一移动通信制式的需求 ITU International Telecommunication Union 国际电信联盟 正是在这个背景下于1985年启动了第三 代移动通信系统的规范工作 在第三代移动通信规范提案的概念评估过程中 宽带码分多址 WCDMA 技术以其自身的技术优势成为3G的主流技术之一 2 2 WCDMA 系统网络结构 2 2 WCDMA 系统网络结构 为了第二代向第三代的平滑过渡和演进 目前WCDMA R99核心网 4 包括 三个域 CS 电路交换 域 PS 分组交换 域和BC 广播 域 分别处理电 路交换业务 分组交换业务和广播组播业务 Release99版本的WCDMA提供了全新的无线接入网络 UTRAN 提高了频谱 利用率 提高了数据传送能力 数据速率在广域为384kbit s 小范围慢速移动时 为2Mbit s 支持AMR语音编解码技术 可提高话音质量和系统容量 Iub Iur和 Iu接口基于ATM技术 提供开放的Iub接口 Release99版本的WCDMA核心网络分为CS域和PS域 其分别基于演进的 MSC GMSC和SGSN Serving GPRS Supporting Node GPRS服务支持节点 GGSN Gateway GPRS Supporting Node 网关GPRS支持节点 CS域主要负责 与电路型业务相关的呼叫控制和移动性管理等功能 在呼叫控制 采用TUP Telephone User Part 电话用户部分 ISUP ISDN User Part ISDN用户部分 等标准ISDN信令 移动性管理上采用了进一步演进的MAP Mobile Application Part 移动应用部分 协议 物理实体与GSM类似包括了MSC GMSC VLR Visit Location Register 访问位置寄存器 PS域主要负责与分组型业务相关的会话控制 和移动性管理等功能 在原有的GPRS系统基础上对一些接口协议 工作流和和 业务功能作部分改动 语音编解码器在核心网实现 支持系统间切换 GSM UMTS 增强了安全性能和收费系统 能够提供的主要业务平台包括 43 基本定位业务 号码可携性业务 智能 业务的增强 GSM和UMTS间的切换 可支持所有GSM及其补充业务 例如 无 应答的呼叫前转 提供新USIM UMT Subscriber Identification Module UMTS用 户身份模块 卡协议 可提高用户的参与性和操作 支持业务的应用编程接口 API 开放业务结构 支持多播业务 64kbit s电路数据承载业务和多媒体业务 R99核心网的CS域指GSM的核心网 PS域指GPRS的支持节点 CS域处理传 统的电路交换业务 每次通信需占用的一些资源建立专用的一条链路 如语音业 务 PS域处理分组交换业务 不需要建立专用链路 每个分组都自己找路由 R99核心网主要有以下一些设备 1 移动业务交换中心 MSC 对位于它管辖区域中的移动台进行控制 交 换的功能实体 上海交通大学工程硕士学位论文 13 2 服务GPRS支持节点 SGSN 执行移动性管理 安全管理和接入控制 和路由选择等功能 3 网关GPRS支持节点 GGSN 负责提供GPRS PLMN与外部分组数据 网的接口 并提供必要的网间安全机制 如防火墙 4 拜访位置寄存器 VLR MSC为所管辖区域中MS呼叫接续所需检索信息 的数据库 VLR存储与呼叫处理有关的一些数据 例如用户的号码 所 处区域的识别 向用户提供的业务等参数 5 归属位置寄存器 HLR 管理部门用于移动用户管理的数据库 每个移 动用户都应在其归属位置寄存器中注册登记 6 鉴权中心 AUC 为认证移动用户的身份和产生相应鉴权参数的功能实 体 另外 R99核心网还包括一些智能网设备和短消息中心等设备 由下面的图示我们可以知道作为交换子系统的核心部分 V G MSC 是在兼容 2G 的情况下实现对第三代移动通信的基站系统部分 UTRAN 的全面支持的 所 以作为 3G 的核心网络部分 V G MSC 的平滑过渡是由 2G 升级到 3G 的关键 图2 1 2G 3G兼容目标网络图 Fig 2 1 2G 3G compatible target network 总之 WCDMA 系统的网络结构包括核心网和无线接入网两部分 对于核 心网采取由 GSM 的核心网逐步演进的思路 即由最初的 GSM 的电路交换的一 些实体 然后加入 GPRS 的分组交换的实体 在到最终演变成全 IP 的核心网 这样可以保证业务的连续性和核心网络建设投资的节约化 上海交通大学工程硕士学位论文 14 2 3 WCDMA 技术优势 2 3 WCDMA 技术优势 WCDMA的技术优势主要有以下几点 1 业务灵活 WCDMA允许每个5MHz载波处理从8kbWs到2Mbit s的混合业 务 另外在同一信道上既可进行电路交换业务也可以进行分组交换业务 利用在单一终端上进行多个电路和分组交换连接 实现真正的多媒体业 务 可以支持不同质量要求的业务 例如话音和分组数据 并保证高质 量和完美的覆盖 2 频谱效率高 WCDMA能够高效利用无线电频谱 由于它采用单小区复 用 因此不需要频率规划 利用分层小区结构 自适应天线阵列和相干 解调 双向 等技术 网络容量可以得到大幅提高 3 容量和覆盖范围大 WCDMA射频收发信机能够处理的话音用户是典型 窄带收发信机的8倍 每个射频载波可处理80个同时话音呼叫或者50个同 时的Internet数据用户 WCDMA的容量差不多是窄带CDMA的两倍 更 大的带宽能在上 下行链路中使用相干解调和快速功率控制允许更低的 接收机门限 4 每个连接可提供多种业务 WCDMA符合真正的UMTS IMT 2000要求 分组和电路交换业务可在不同的带宽内自由地混合 并可同时向同一用 户提供 每个WCDMA终端能够同时接入多达6个不同业务 这些业务可 以是话音或传真 电子邮件和视频等数据业务的组合 5 无缝的GSM UMTS接入 双模终端将在GSM网络和UMTS IMT 2000网络 之间提供无缝的切换和漫游 在两个接入系统之间有尽可能大的业务映 像 6 终端的经济性和简单性 WCDMA手机所要求的信号处理大约是复合 TD CDMA技术的1 10 更简单 更经济的终端易于进行大量生产 从而 也就带来了更高的规模经济 更多的竞争 网络运营公司和用户也将获 得更大的选择余地 2 4 WCDMA 发展状况 2 4 WCDMA 发展状况 移动通信技术日新月异 第二代通信系统的标准化和产业化工作已经完成了 很久 其主要目的当时也仅仅是为了解决语音通信的需求 近年来 随着 CDMA 等无线通信技术的日益成熟 以及无线数据通信技术的发展 需要对原来无线通 信技术体制进行相应的更新 提高频谱资源的利用效率 提高运营商的成本收益 3G 的市场开发需要业务的牵引 不同于二代系统主要是为了解决人们随时 随地话音通信的需求 3G 能够具有支持不同媒体业务的能力 如何开发这些能 力是 3G 业务开发的一个重要课题 为了提供市场前期牵引的能力 WCDMA 规范注重了业务能力的开发 WCDMA 预期提供的业务是非常丰富的 可以通过 WCDMA 终端 享受普通 宽带话音 多媒体业务 可视电话和视频会议电话 移动网络上的 Internet 应用 也更为普遍 E MAIL WWW 浏览 电子商务 电子贺卡等业务与移动网络相 结合 移动办公类业务也是一个发展方向 Intranet 接入 企业 VPN 等将大力普 及 信息 教育类业务将有很好的应用前景 股票信息 交通信息 气象信息 上海交通大学工程硕士学位论文 15 位置服务 LCS 网上教室 网上游戏等移动应用更将极大的丰富人们的生活 2 4 1 WCDMA 商用网络发展商用网络发展 3G 商业化服务主要由 WCDMA 推动 仅 2005 年一年 推出商用业务的 WCDMA 网络数就有 40 个 占所有推出的 3G 网络的 80 还多 截止 2005 年 12 月 全球 42 个国家共推出了 100 个 WCDMA 网络 这意味着全球超过三分 之二的 WCDMA 许可证持有者已经推出了 3G 业务 表明了该技术的成熟以及 全球市场的发展 32 图 2 2 全球 3G 商用网络发展 截至 2005 年底 Figure 2 2 3G commercial network in worldwide until the end of 2005 2 4 2 WCDMA 用户发展 2 4 2 WCDMA 用户发展 截至 2005 年底 全球已有近 50 家电信厂商投入 WCDMA 商用 WCDMA 网络共有 4000 多万用户 从 2004 年底以来增长了 140 平均每月的增长超过 210 万用户 32 图 2 3 2004 年 11 月 2005 年 10 月全球 WCDMA 用户发展情况 单位 百万人 Figure 2 3 Nov 2004 Oct 2005 WCDMA subscribers status unit Million 上海交通大学工程硕士学位论文 16 仅从 2005 年 6 月底至 2005 年 9 月底 用户数的增长幅度就达到了 15 现在 3G UMTS WCDMA 用户数的增长仍然保持了令人注目的高速度 运 营状况明显优于 2G GSM 网络的发展初期 32 图 2 4 2001 2005 年全球 WCDMA 用户增长情况 单位 万户 Figure 2 4 2001 2005 WCDMA subscribers increasing status unit Million 2 4 2 WCDMA 发展趋势 2 4 2 WCDMA 发展趋势 和 CDMA2000 相比 WCDMA 已经呈现后来居上的趋势 原因如下 1 截至2005年底发放的137张3G频段许可证中 WCDMA有128个 CDMA2000有3个许可证 其余CDMA运营商在原有CDMA频段上开通了 CDMA2000 1X业务以及CDMA2000 1X EV DO业务 2 CDMA2000 EV DO用户2000万 WCDMA用户4000多万 WCDMA用户 从2004年底以来增长了140 超过EV DO的增长速度 3 欧洲发展WCDMA的困难期已经度过 加速了WCDMA的商用进程 商 用的3G网络共268个 其中WCDMA 100个 CDMA2000 1X EV DO 29 个 cdma2000 1X 139个 2005年 WCDMA的商用网络大大超过EV DO 4 GSM的用户基数大 随着中国的加盟 WCDMA必将迅速发展 获得更 快的发展 2 5 本章小结 2 5 本章小结 总体来说 WCDMA 作为 3G 的三大主流标准可以说已经完全成熟 3G 采 用先进的 CDMA 码分多址 和分组交换技术 比 2G 采用的 TDMA 时分多址 和电路交换技术具有更多的优点 3G 室内静止的传输速率可达 2Mb s 室外步 行的传输速率为 384kb s 室外车辆运行的传输速率为 144kb s 3G 能支持更多 上海交通大学工程硕士学位论文 17 的应用与业务 为更多的用户服务 当前 全球的 3G 正在逐步推进 我国 3G 的建设也开始提到议事日程上来 目前 中国移动通信的网络已经覆盖国内 31 个省市自治区的所有地市和 99 以上的县市 全国主要交通干线实现连续覆盖 城市内重点地区基本实现室 内覆盖 与世界五大洲的 100 多个国家和地区的近 200 个运营商的国际漫游业 务 让亿万客户随时随地轻松享受优质的移动通信服务 第三方对全国网络进行 的用户感知式测评结果表明 目前中国移动 GSM 网络已经覆盖全国所有地市和 99 以上县 市 实现了高话务区域的立体覆盖及主要交通干线的连续覆盖 在 全国主要城市三星级酒店等室内重要场所覆盖率平均水平达到 99 9 电信建 设市场 和运营市场关系很密切 整个网络的批铺设 有一个重复投资的问题 这引起了高层的高度关注 如果采用不同的技术路线 如果是采用演进网络 会 涉及到网络资源的共享问题和对上一代网络资源的利用问题 所以本文的研究课 题也就有很大的现实意义 上海交通大学工程硕士学位论文 18 3 3G核心网络的系统模型 3 3G核心网络的系统模型 3 1 3G 核心网络架构 3 1 3G 核心网络架构 核心网络 CN 42 是由一系列完成用户位置管理 网络功能和业务控制等 功能的物理实体组成 其中物理实体包括 G MSC HLR SCP SMC GSN 等 核心网络又分归属网络 拜访网络和传送网络三大类 具体结构见下图 图 3 1 2G 3G 网络架构图 Figure 3 1 2G 3G network architecture 核心网络分为 CS 域和 PS 域 CS 域以原有的 GSM 网络为基础 也就是我 们本课题所要重点研究的方向 它用于向用户提供电路型业务的连接 实现方式 包括 TDM 方式和 ATM 方式 它包括 MSC VLR 以及 GMSC 等交换实体以及用 于和其它网络互通的 IWF 实体等等 PS 域以原有的 GPRS 网络为基础 主要用 于向用户提供分组型业务的连接 实现方式为 IP 包分组方式 它包括 SGSN GGSN 以及与其它 PLMN 互联的 BG 等实体 在核心网络中 众所周知 MSC 占有重要的位置 它需要完成电路交换型业 务的交换功能和信令控制功能 3 2 3G 核心网络系统的设计目标核心网络系统的设计目标 作为 2G 核心网络的交换机 S12 已经完全实现了对于 2G 功能的支持 那么 在实现 3G 核心网络的过程中主要的目标就在于实现 S12 MSC 和 RAN 部分 上海交通大学工程硕士学位论文 19 UTRAN 的互通 其中主要涉及以下两个方面 1 UTRAN 和 CN 之间的接口我们称之为 Iu 接口 面向 CN 的 CS 域的 Iu 接口叫做 Iu CS 它的协议结构图如下所示 图 3 2 UTRNA CN 协议结构图 Figure 3 2 UTR protocol structure 对于 CS 域 主要需要实现以下几个部分 1 控制平面网络层的协议 UTRAN Iu 接口 RANAP 信令 TS 25 413 2 控制平面传送网用户平面的协议接口信令传输 TS 25 412 3 用户平面网络层的 UTRAN Iu 接口用户平面协议 TS 25 415 4 用户平面传送网用户平面和传送网的控制平面的 UTRAN Iu 接口数据 传输和传输信令 TS 25 414 2 UTRAN 侧信令和数据传输模式是 ATM 而传统的 CS 域核心网部分则采 用 TDM 传输方式 所以传输方式的整合是必须要实现的 总体来说 需要实现的可以分为以下两个方面 1 RANAP 协议的支持 包括相关信令消息的编解码以及相应功能处理 2 对于 UTRAN 侧信令和数据传输模式 ATM 的支持 上海交通大学工程硕士学位论文 20 3 3 3G 核心网络系统的体系结构 3 3 1 目标网络架构 3 3 3G 核心网络系统的体系结构 3 3 1 目标网络架构 根据设计目标 兼顾功能 效率等多方面的因素 本文提出了基于S12实现 3G核心网络CS域的目标网络结构 如图3 3所示 图 3 3 3G 目标网络结构图 Figure 3 3 3G object network architecture A7670是已经成熟的产品 其主要功能是AMR 回声抑制和信令网关等 其 功能位置位于MSC控制部分和RNC Radio Network Controller 之间 本课题引入 A7670可以使GSM的MSC在基本不改变结构的基础上能够平滑升级成3G的 MSC Mobile Switch Center 所以可以帮助用户节约投资 如图3 3所示 网络结构中各个系统的功能如下 RNC Radio Network Controller 无线网络控制器 相当于 GSM 中的基站 控制器 BSC Base Station Controller 用于提供无线资源的控制功能 A7670 MG Media Gateway R3 0 负责处理来自呼叫处理部分的一些承 载业务的请求以及来自RNC侧通过ALCAP协议传递的有关AAL2 话 路建立的请求 在其内部分为两部分 BCU Bearer Control Unit 承载 控制单元 和 MGU Media Gateway Unit 信令网关单元 SSP 即使我们通常所讲得 S12 交换机部分 在该网络结构图中作为电 路域的核心网络的呼叫控制部分 各个系统之间的接口功能如下 I1 A7670 MG 管理接口 I2 信令接口 AAL5 支持 ALCAP RANAP I3 用户层 AAL2 I4 TDM 用户层 上海交通大学工程硕士学位论文 21 I5 RANAP 协议 I6 ALCAP CONTROL 协议 控制底层话路的建立 在该课题中 我们需要实现的就是上述的 I5 I6 接口 即 RANAP 协议 ALCAP Control 协议的支持 而针对这两个接口 我们设计了如图 3 4MSC 内部所示的 系统架构 ALCAP control 和 BSSAP RANAP 模块共同负责这两个接口的消息处 理 UTRAN MSC BSSAP RANAP ALCAP Control TDM Switching Matrix R3 MGW BCU Signalling Gateway AAL2 TC Control TC NB Mux ATM AAL2G 711 TDM ALCAP Cont RANAP RANAP ALCAP ATM AAL5 图 3 4 内部模块架构 Figure 3 4 Internal Module Architecture 3 3 2 研发流程 3 3 2 研发流程 本课题主要涉及到两个部分 ALCAPC control 以下简称ALCAPC 模块和 RANAP信令模块 其中ALCAP control 模块主要负责S12交换机与A7670 BCU之 间的连接 用于传输有关话路建立的信息 而RANAP信令处理主要包括RANAP 信令消息的编解码以及相关信令流程的控制和处理 基于S12的第三代移动通信核心网关键技术的研发流程如下 1 目标网络的构建 目标网络是该系统的总体框架 只有在一个合理有效的网络架构下 进行具 体的分析 设计 才可能达到该系统设计的最终目标 2 具体的模块划分 根据本课题需要实现的功能 可以分为以下两个功能模块 1 Ranap模块 RANAP Radio Access Network Application Protocol 是无线 接入网络应用协议 它应用在UTRAN与核心网络之间的Iu接口上 包含电 路域和分组域 是传送控制信号时所采用的通信协议 它对核心网络 CN 和无线电网路控制器 RNC 包括无线接入承载