（通信与信息系统专业论文）移动核心网优化分析系统——gn接口信令处理模块的研究与开发.pdf

摘要 摘要 随着通信网络技术的飞速发展 我国的通信网络规模不断扩展 通信 体系也不断向前推进 3 g 牌照发放以后 原来的g s m g p r s 系统不断 向u m t s 方向演进 可支持的业务内容越来越丰富多彩 业务类型由传统 的以语音为主转向以数据为主 为了支持各系统间可以相互通信 简化网 络设备的复杂度和提高网络的承载能力 实现移动网络全i p 化是一个必然 的趋势 通信网络由2 g 到3 g 的发展过程是一个由封闭的承载网络向开放 基于i p 承载的网络转变的过程 目前 移动核心网已经实现了全i p 化 然而 各种不同的接入系统相互通信并实现资源共享的过程中 各接 入网业务流量的上涨 必然给分组域核心网造成巨大的流量冲击 主要受 到影响的接口包括i u g n g i 等接口 对不同接入技术和承载业务的监 测使运营维护工作的难度加大 运营商的网管系统必须实时 全面地了解 网络现状才能有效地采取措施 做到防范于未然 移动核心网优化分析系统应运而生 它通过采集核心网分组域各主要 接口消息进行实时分析 具有 集中采集 联合分析 实时有效 的特点 该系统还维护一段时间内的历史相关数据 以便了解网络长时间的运行状 况 该系统在不影响网络正常运行的情况下 能实时地监测移动网络当前 状况 有利于运营商全面实时地分析网络和业务状况 进行网络优化和业 务开发 本课题以移动核心网优化分析系统为研究背景 对g n 接口信令监测 模块进行研究和设计 首先简单介绍了u m t s 网络结构 引出g n 接口所 处的网络位置 然后深入研究了g n 接口协议栈和g t p 协议的消息结构和 主要信令流程 再从监测系统的定位和功能需求的角度 说明监测系统的 总体框架的设计原理及其各集成功能模块之间的联系 在此基础上分析了 g n 接口信令监测模块的整体方案设计 然后从解码 c d r 合成过程 多 协议和 或多段关联 实时统计分析等方面详细研究和设计了该接口信令监 测模块 该设计方案结合现网采集的大量数据进行实例分析 证明了其有 效性与可实施性 最后 就论文工作做了全面的总结 并提出下一步研究 的期望 关键词 g n 接口 解码 c d r 合成 多段关联 统计出表 重庆邮电大学硕士论文 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kt e c h n o l o g y t h e p r o p o r t i o n o fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k si s c o n s t a n t l ye x p a n d i n g w h i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r ea l s op r o m p t i n gc o n t i n u o u s l y b o t ht h eo r i g i n a l g s ma n dg p r ss y s t e ma r ee v a l u a t e dt ou m t ss y s t e m a f t e rt h e3 gl i c e n s ei s p r o v i d e d t h eu m t ss y s t e mc a ns u p p o r tm o r ea n dm o r ew o n d e r f u ls e r v i c e c o n t e n t s w h o s em a i ns e r v i c et y p et r a n s f e r r e df o r mt r a d i t i o n a lv o i c es e r v i c et o d a t as e r v i c e t h er e a l i z a t i o no fa l l i pi nm o b i l en e t w o r ki sa ni n e v i t a b l e t e n d e n c y s ot h a tt h en e t w o r kc a ns u p p o r ti n t e r c o m m u n i c a t i o na m o n gd i f f e r e n t s y s t e m s s i m p l i f yt h ec o m p l e x i t yo fn e t w o r ke q u i p m e n ta n di m p r o v et h e n e t w o r k sb e a r i n gc a p a c i t y t h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sd e v e l o p m e n tf r o m 2 gt o3gi sap r o c e s so fc o n v e r s i o n w h i c ht r a n s f o r m st h es e a lb e a r i n g n e t w o r kt oa no p e na n di pb a s e db e a r i n gn e t w o r k a tp r e s e n t t h em o b i l ec o r e n e t w o r kh a sa c h i e v e da l l i p h o w e v e r t h er i s i n go fv a r i o u sa c c e s ss e r v i c e s t r a f f i cm a k e st h ec o r e n e t w o r ki np a c k e td o m a i ns u f f e r e dah u g et r a f f i ci m p a c t i nt h ep r o c e d u r eo f v a r i o u sa c c e s ss y s t e mi n t e r c o m m u n i c a t i o na n dr e s o u r c es h a r i n g t h eh u g e t r a f f i ci m p a c tm a i n l ya f f e c t st h ei n t e r f a c ei u g na n dg i t h em o n i t o r i n gf o r d i f f e r e n ta c c e s st e c h n o l o g i e sa n db e a r i n gs e r v i c e si n c r e a s e st h ed i f f i c u l t l yo f o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e t h eo p e r a t o r sn e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e mm u s t g r a s pt h en e t w o r k s s t a t u sc o m p r e h e n s i v e l yi nr e a lt i m e i no r d e rt ot a k e m e a s u r e se f f e c t i v e l y t h i sc a na c h i e v et h a tp r e v e n t i o ni sb e t t e rt h a nc u r e t h e n t h em o b l i ec o r en e t w o r ko p t i m i z a t i o na n a l y s i ss y s t e mc o m e si n t o b e i n g t h es y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o l l e c t i o nc e n t r a l i z e d a n a l y s i s j o i n t l y r e a l t i m e a n de f f e c t i v e t h r o u g hc o l l e c t i n gt h em a i ni n t e r f a c e s m e s s a g e sf r o mp a c k e td o m a i ni nc o r en e t w o r ka n da n a l y s i st h em e s s a g e si n r e a l t i m e i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h es t a t eo fl o n gt i m en e t w o r kr u n n i n g t h e s y s t e ms h o u l dm a i n t a i nt h er e l a t e dh is t o r i c a ld a t ai nc e r t a i nt i m ep e r i o d o n t h ep r e m i s eo fn o ta f f e c t i n gt h en e t w o r k sn o r m a lo p e r a t i o n t h es y s t e mc a n m o n i t o rt h ec u r r e n ts t a t eo fm o b i l en e t w o r k w h i c hd o e sb e n e f i tf o rt h e o p e r a t o rt oa n a l y s e st h es t a t eo f b o t hn e t w o r ka n ds e r v i c ec o m p r e h e n s i v e l yi n r e a lt i m e o p t i m i z en e t w o r ka n de x p l o i ts e r v i c e s i i i t h es u b je c tr e s e a r c h e da n dd e s i g n e dt h es i g n a l i n gm o n i t o r i n gm o d u l eo f g ni n t e r f a c e b a s e do nt h em o b i l ec no p t i m i z a t i o na n a l y s i ss y s t e m a tf i r s t t h ep a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e dn e t w o r ks t r u c t u r eo fu m t sa n dt h el o c a t i o no f g ni n t e r f a c ei nc o r en e t w o r k n e x t t h ep a p e re l a b o r a t e dt h eg n i n t e r f a c e s p r o t o c o ls t a c k a sw e l la s t h eg t p sm e s s a g es t r u c t u r ea n dm a l ns i g n a l i n g p r o c e s si nd e t a i l t h e n i ti l l u s t r a t e s t h ed e s i g np r i n c i p l eo ft o t a lf r a m e w o r k a n dt h ec o n n e c t i o na m o n ge a c hi n t e g r a t e d f u n c t i o n a lm o d u l ei n t h e m o n i t o r i n gs y s t e m f r o mt h ev i e wo fp o s i t i o n i n ga n d f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s d e p e n do np r e v i o u si l l u s t r a t i o n t h ep a p e r e x h a u s t i v e l y r e s e a r c h e da n d d e s ig n e dt h es i g n a l i n g m o n i t o r i n g m o d u l et h r o u g hd e c o d i n g c d r s v n t h e s i z i n g m u l t i p r o t o c o la n d o rm u l t i s e c t i o n sl i n k i n g r e a l t i m es t a t i s t i c s a n da n a l y s i s t h ed e s i g ns c h e m ea n a l y z e de x a m p l e sc o m b i n e dw i t hh u g ed a t a c 0 1 1 e c t e di ne x i s t i n gn e t w o r k w h i c hp r o v e dt h a tt h es c h e m ew a s v a l i d i t ya n d c a nb ei m p l e m e n t e d f i n a l l y t h ep a p e rs u m m a r i z e sw o r kd o n ef o rt h i st h e s i s a n dp r o p o s e se x p e c t a t i o n sf o rf u t u r er e s e a r c h k e y w o r d s g n i n t e r f a c e d e c o d i n g c d rs y n t h e s i z i n g m u l t i s e c t i o n s r e l e v a n c e c o u n t i n ga n do u t p u t t i n gt a b l e s i v 缩略字表 缩略字表 英文缩写英文全称中文译文 3 g p pt h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o je e t第三代合作伙伴计划 燃a c c e s sp o i n tn a m e接入点名 b s s g pb s sg p r sp r o t o c o l b s sg p r s 协议 c nc o r en e t w o r k核心网 c sc i r c u i ts w i t c h i n g电路交换 e u r o p e a n t e l e c o m m u n i c a t i o n s s t a n d a r d s e t s i欧洲电信标准化协会 i n s t i t u t e g g s n g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d eg p r s 网关支持节点 g m mg p r sm o b i l em a n a g e m e n tg p r s 移动性管理 g p r s g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e通用分组无线业务 g s mg l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s全球移动通信系统 h l rh o m el o c a t i o nr e 百s t e r归属位置寄存器 肼s ii n t e r n a t i o n a lm o b i l es u b s c r i b e ri d e n t i t y国际移动用户识别码 i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu m o n 国际电信联盟电信标准 i t u t t e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i z a t i o n部 m sm o b i l es t a t i o n移动台 m s i s d nm o b i l es u b s c r i b e ri n t e m a t i o n a li s d n移动台国际i s d n 号码 n s a p i n e t w o r ks e r v i c ea c c e s sp o i n ti d e n t i f i e r网络业务接入点标识 p d pp a c k e td a t ap r o t o c 0 1分组数据协议 p d up a c k e td a t a u n i t分组数据单元 p u np u b l i cl a n dm o b i l en e t w o r k公众陆地移动电话网 p sp a c k e ts w i t c h分组交换 p t m s ip a c k e tt m s l分组临时移动用户标识 q o s q u a l i t yo fs e r v i c e服务质量 r a d sr e m o t ea u t h e n t i c a t i o nd i a li nu s e rs e r v i c e远程用户拨号认证系统 u eu s e re q u i p m e n t用户终端设备 u 1 1 i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n u m t s通用移动通信系统 s y s t e m u t r au n i v e r s a lt e l e c o m m u n i c a t i o nr a d i oa c c e s s通用电信无线接入 u t r a nu m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r ku m t s 陆地无线接入网 重庆邮电大学硕士论文 x 插图清单 插图清单 第二章 图2 1u m t s 系统结构图 8 图2 2w c d m ar 5 版本网络结构图 9 图2 3g n 接口协议栈 1 1 图2 4g t p 控制平面协议栈 1 2 图2 5g t p 用户平面协议栈 1 2 图2 6e c h o 消息过程 1 6 图2 7 创建p d p 上下文消息过程 1 6 图2 8s g s n 发起的更新p d p 上下文过程 1 8 图2 9g g s n 发起的更新p d p 上下文过程 1 8 图2 1 0 由s g s n 发起的p d p 删除过程 1 9 图2 1 1 由g g s n 发起的p d p 删除过程 1 9 图2 1 2s g s n 上下文消息过程 2 0 第三章 图3 1n g n 优化分析系统组网结构 2 5 图3 2 系统软件整体框架 2 7 图3 3g n 监测模块功能图 2 8 第四章 图4 1g n 接口消息结构模型 3 l 图4 2 协议栈解码基础流程图 3 1 图4 3 监测解码功能示意图 3 5 图4 4 详细解码基本流程图 3 7 图4 5 消息列表图 3 9 图4 6 消息详细解码图 3 9 图4 7g t p u 详细解码图 4 0 图4 8g t p c 详细解码图 4 1 图4 9 消息列表过滤功能图 4 2 图4 1 0e c h o 消息 4 2 第五章 图5 1g n 接口c d r 合成框架图 4 3 重庆邮电大学硕士论文 图5 2 复合h a s h 结构 4 4 图5 3g n 接口c d r 类关系图 4 7 图5 4g t p 消息合成过程图 5 3 图5 5 消息超时设置图 5 8 图5 6 多段关联模块工作原理 5 9 图5 7e c h oc d r 过程图 6 4 图5 8 创建p d p 上下文c d r 6 5 图5 9 删除p d p 上下文c d r 6 6 图5 1 0s g s n 上下文消息过程 6 7 图5 11 更新p d p 上下文c d r 6 8 图5 1 2g n 接口全局c d r 6 9 第六章 图6 1g n 接口与g b 接口的关联 7 1 图6 2g n 接口与i u p s 接口信令关联图 7 3 图6 3g n 接口与g i 接口信令关联图 7 4 图6 4g n 接口信令与业务关联图 7 5 图6 5c p u 使用记录图 7 7 i 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自2 0 0 2 年以来 中国移动g p r s 网络已经覆盖全国所有省会城市和大 部分大中城市 而中国联通在近几年来 一直在大力扩容和升级2 g 网络 全国3 1 个省市已全面完成了g p r s 升级 实现了3 4 0 多个地市的g p r s 网络全覆盖 从2 0 0 9 年1 月t d s c d m a w c d m a 等3 g 牌照发放以来 中国的通信市场竞争情况愈演愈烈 仅仅一年多实现 中国联通在一年之 内基础实现了全国各大中城市网络的3 g 覆盖 并与全球2 0 0 多个国家和 地区的3 9 5 个运营商开通了g s m w c d m a 网络漫游 用户数突破一千万 而中国移动到2 0 0 9 年底 投入t d s c d m a 网络的建设费用就高达约1 3 0 0 亿 今年年初 t d s c d m a 用户数突破了2 千万 预期今年年内在全国地 市的网络覆盖将达到10 0 t 1 1 通信网络不断向前发展 实现个人通信并 超 级链接 的网络技术一一3 g 长期演进技术 简称l t e 将是未来发展的方 向 2 1 随着3 g 移动终端的大量出现和国内u m t s 通用移动通信系统 网络 的大力组建 高速的网络数据传输带宽给了用户全新的感觉 用户可以享 受到3 g 网络业务带来的便利 为了支持各系统设备的兼容性并提高网络 的传输能力 全网要向全i p 化的方向发展 即指从核心网到无线接入网 无线链路 终端的所有实体网络层均实现i p 化协议 3 然而 网络发展的 另一方面也加大运营维护工作的难度 首先 由于3 g 数据业务多以流媒体 图片 文本等为主 数据流量大 这对核心网分组域各接口形成巨大的压力 例如g n g i 接口 4 其次 为使u m t s 下各不同的接入系统都使用了多项较新的特殊技术以提高网 络传输能力和抗干扰能力 这必然也会给运营者和设备商的维护工作带来 新的挑战 再次 3 g 网络下各不同接入系统的可靠通信还需经过长期的 考验 最后 3 g 移动终端类型数以千计 很多都同时支持多个系统 使 用过程还可能存在不同程度的折损 影响用户的服务质量 也会间接影响 运营商的信誉 重庆邮电大学硕士论文 1 2 选题背景 针对这种大流量产生的网络压力 较新接入技术的使用 不同接入系 统间的互通和移动终端的异常 以及可能存在着的协议版本的不断更新问 题 5 j 运营维护工作仅仅依靠现有的运营网管系统已经很难对突发事件做 出实时准备的故障定位了 如用户掉线的可能存在情况 6 原因有几点 网管中心使用的网管系统虽能监测到网络各设备的故障 但 管中窥豹 只见一斑 对网络中数据的测量数据和统计报告只能查看历史记录 具 有一定滞后性 设备与协议的升级使原先使用的网管系统存在较多漏洞等 等 运营维护工作一直处于被动的状态 为了解决这一系列问题 使网管中心的维护工作变得主动起来 重邮 东电技术有限公司主自研发出了一种全网的监测系统 移动核心网优化 分析系统 亦称为 n g n 网络优化分析系统 该系统可以对移动网络中 各个接口数据进行集中采集 并进行独立和联合分析 对用户服务过程的 信令和业务进行实时监测 同时还可以生成测量数据和统计报告 以便查 看历史记录 移动核心网优化分析系统中的各个接口监测模块以协议消息 解码为前提 很好地依照3 g p p e t s i i t u t 等相关协议标准 能对现 网中的数据进行最准确的解析 从最原始的角度发现问题的本质 同时具 有协议可升级性 其中各个监测模块相互独立又相互联系 既可以实现某 个接口单独的多协议多业务综合分析 也可以实现多个接口的协议联合分 析 这样就从信令和数据两方面地对用户和网络进行监测与分析 另外 该系统具有网络长时间的数据实时监测功能 性能相当稳定 用户界面非 常友好 能帮助运营商网管中心及时准确地发现网络异常与诊断故障 以 保证网络的正常运作 因此 移动核心网优化分析系统的研究与开发对于 不断发展的u m t s 系统网络的正常运作意义重大 该优化分析系统分为两部分 c s 域监测部分与p s 域监测部分 c s 域监测部分监测的接口主要有 1 a b i s 接口 2 a i u c s 接口 3 c d n c e g m s c s s c p 接口 p s 域监测部分监测的接口主要有 1 i u b 接口 2 g b i u p s 接口 3 g n g r g i 接口 2 第一章绪论 g p r s 和u m t s 网络的大力建设与用户流量数据的增加 分组数据共 享核心网络资源 因此对g n 接口的流量影响最为明显 对g n 接口的监 测是核心网p s 域监测的关键 也是对全网有效监测的最重要的组成部分 之一 一直是运营商所关心的问题 中国联通也提出了相应的监测指标要 求 7 1 本文就移动核心网优化分析系统的g n 接口信令监测模块进行研究 与设计 分析该接口协议消息与信令流程 联合其他接口监测模块分析网 络用户的状态 并生成k p i 指标清单 实现对g n 接口数据的监测 1 3 研究内容 本文课题来源于国家发改委3 g 集中监测系统产业化示范 渝发改技 2 0 0 9 1 13 5 以移动核心网优化分析系统为研究背景 本人在项目中主要 负责的是g n 接口信令监测模块的研究与开发 本课题目分别从以下几个 方面进行阐述 第一章 说明论文的研究背景 意义和主要的研究工作 第二章 简单介绍了两种主要接入系统的优势 通过u m t s 系统网络 结构 引出了g n 接口 接着描述g n 接口所处的网络位置及其协议栈结 构 分析g p r s 隧道传协议 g t p 功能 消息结构以及主要信令流程 第三章 从移动核心网优化分析系统的定位和功能出发 介绍了系统 硬件整体框架的工作原理 再从软件构架方面说明各接口模块的作用和相 互间的通信原理 最后详细分析g n 接口信令处理模块的整体设计流程与 原理 第四章 具体设计与实现g t p 解码模块 包括详细解码和基础解码 并对解码的测试结果进行展示 证明了其正确性 第五章 在基础解码的基础上 根据g t p 协议的3 g p p 规范 8 对g n 接口信令合成模块 多段关联模块和数据统计模块进行研究与设计 结合 实例证明该模块c d r 合成结果的正确性 第六章 通过现场测试结果 验证了g n 接口与g b g i i u p s 接口 信令协议的多段关联的正确性 生成关键指标 并证明系统监测的实时性 与稳定性 第七章 对本课题所做的工作进行结论 并说明下一步工作研究的期 望 重庆邮电大学硕士论文 4 第二章u m t s 系统与g n 接口 第二章u m t s 系统与g n 接口 2 1u m t s 系统概述 3 g 的标准化工作于2 0 世纪9 0 年代后五年开始启动 人们依据现有 的g s m 系统的解决方案和技术来开展3 g 研究 9 1 欧洲在1 9 8 7 年就提出 了通用移动通信系统 u m t s 的概念 u m t s 标准是i t u 的i m t 2 0 0 0 标准 的重要组成部分 我国在g s m 网络上建设的无线接入系统 主要分为两 种 w c d m a 和t d s c d m a 2 1 1w c d m a w c d m a 源于欧洲和日本几种技术的融合 在g s m g p r s 的基础上进 行演进 是世界上最早也是最为成熟的3 g 技术标准 目前全球w c d m a 商用网络已经遍布全球各主要市场 w c d m a 移动终端在全球可实现无缝 接入 w c d m a 的中文意思是宽带码分多址 w i d e b a n dc o d ed i v i s i o n m u l t i a c c e s s w c d m a 采用了分集接收 r a k e 接收和功率控制 1 0 1 多 用户检测技术等关键技术有 很好地改善了信道信噪比 提高网络的传输 带宽 中国联通获得3 g 牌照后 有五大不能不提的优势 l l 1 w c d m a 网络全球覆盖 2 0 0 9 年w c d m a 在全球就有1 0 0 多个国家组网 用户数高达3 2 亿 市场份额约占了全球3 g 市场的7 0 w c d m a 网络覆盖率非常广 如果 手机用户进行全球漫游 w c d m a 是最好的选择 2 传输速率更高 w c d m a 的下行传输速率最高可达1 4 4 m b p 上行传输速率最高可达 5 7 6 m b p s 基于w c d m a 的移动互联网 可视电话 手机电视等3 g 业务 将更流畅 可以支持同 d 区内更多用户流畅使用 在网络条件较好的情 况下 下载一部清晰的电影只需要一分钟 下载时间仅为使用2 g 无线宽 带下载用时的百分之一 3 移动终端类型多种多样 3 g 时代运营商对终端的依赖逐渐增强 对终端环节的控制有助于保 障新业务的开展 1 2 1 全球已有的w c d m a 终端超过2 0 0 0 款 并且很多 重庆邮电大学硕士论文 全球知名的手机厂商 包括苹果 多普达 索爱 三星 诺基亚 华为 中兴 l g 等还在不断推出新款的w c d m a 终端 而目前支持3 5 g 的h s p a 终端达4 5 0 款 w c d m a 终端的外形 性能和种类都有了明显改进和丰富 同时价格还在不断下降 并为消费者们所接受 4 业务内容异常丰富 w c d m a 技术所能支持的业务高达4 3 2 种 并已在全国各主要城市和 地区商用 随着手机电视 可视电话 手机上网卡 手机音乐等有高速率 要求的业务的商用 w c d m a 的业务也会更加丰富起来 1 3 5 技术最为成熟 w c d m a 技术发展起步比其他3 g 技术早 也最早投入商业应用 早 在2 0 0 1 年 日本n n td o c o m o 公司的f o m a 将该技术投入商业运营了 到中国联通开始全面部署并商用w c d m a 网络已经有七八年之久 这段时 间内w c d m a 技术也在不断进步 从r 9 9 版本到r 4 r 5 r 6 版本 每个 版本都对该技术进行不断的完善 w c d m a 设备市场趋于成熟 并以3 g 设备为主流 例如h s p d a 中国联通凭借这些优势 迅速组建新网络 大力发展宽带多媒体业务 与此同时 中国联通还致力于利用h s d p a 技术促进网络的更新升级 以 改善用户对新型业务的感知 从而提高市场竞争力 2 1 2t d s c d m a 19 9 8 年初我国首先提出t d s c d m a 1 9 9 9 年t d s c d m a 成为 i t u t 3 g p p 候选方案 2 0 0 0 年t d s c d m a 正式成为第三代通信系统候选 方案 2 0 0 1 年t d s c d m a 标准在3 g p pr 4 版本正式发布 至此 t d s c d m a 步入一个新的发展时代f 1 4 彤 t d s c d m a 中文意思是时分同步码分多址接入 t d s c d m a 系统综 合了c d m a f d m a t d m a 等多种多址技术 还采用了智能天线 联合 检测 同步c d m a 接力切换及自适应功率控制 动态信道分配等诸多先 进技术 l6 1 用于提高无线网络的传输能力和无线信号的抗干扰能力 t d s c d m a 网络建设有以下几点优势 1 容易实现3 g 业务与功能 t d s c d m a 网络能在现有稳定的g s m 网络上迅速而直接地部署 实 现第二代到第三代的平滑演进 满足第三代业务的要求 2 系统成本较低 智能天线技术的使用降低了多径干扰的不良影响 使基站发射功率具 6 第二章u m t s 系统与g n 接口 有方向性 因此不再需使用大功率射频器件 另一方面系统高频谱利用率 高 容量大 同一基站支持的用户数多 系统及服务费用降低 从而大幅 度降低了基站的运营成本 3 高频谱利用率 联合检测和上行同步技术降低了小区内的干扰 使无线信号干扰最小 化 智能天线又有效抑制小区间及小区内的干扰 提高了系统的容量和频 谱利用效率 导致了非对称业务流量 每个载频带宽为1 6 m h z f d d 模 式为2 x 5 m h z 在相同的频带宽度内 可支持的载波数大大超过f d d 模式 而在移动i n t e r n e t 业务使用的对称与非对称业务 对上行与下行进行无线 资源的自适应分配 其频谱利用率相当于u t r at d d 的两倍 频率可单个 使用 频谱使用也非常灵活 在频率资源紧张的地区这种优势更能体现出 来 4 支持所有网络情景 t d s c d m a 系统全面满足i t u 的要求 能适用于多种环境 通过伞 形覆盖的方式实现大区制覆盖 通过本地扩充网络容量实现小区制覆盖 通过室内覆盖和扩充网络容量实现微小区制 并能支持高速移动环境 1 7 因此 t d s c d m a 系统非常适合未来的3 g 互联网业务方面和非对称 数据业务 到目前 中国移动t d s c d m a 网络的第三期工程已经完成 核心网络关键指标接近了2 g 水平 另一方面 中国移动建设也在使积极 加速了t d s c d m a 网络向t d dl t e 的发展进程 1 8 1 这两个主流接入技术的3 g 标准里占有举足轻重的地位 其原因与其 所使用的关键技术离不开的 l9 1 以下是对这两种u m t s 接入技术的一个比 较 表2 1u m t s 两种3 g 主流标准的比较 w c d m at d s c d m a 工作模式f d d t d dt d d 载波间隔5 m h z 1 6 m h z 码片速率 3 8 4 m c p s1 2 8 m c p s 帧长1 0 m s 1 0 m s 分为两个子帧 基站同步不需要 需要 快速功控 功率控制0 2 0 0 h z 上 下行1 5 0 0 h z 下行发射分集支持支持 7 重庆邮电大学硕士论文 支持 可用压缩支持 可用空闲时 频率间切换 模式进行测量隙进行测量 检测方式相干解调联合检测 d w p c h u p p c h 信道估计公共导频 m i d a m b l e 卷积码卷积码 编码方式 t u r b o 码t u r b o 码 2 1 3u m t s 网络结构 u m t s 通用移动通信系统 网络通信模型如下图所示 由核心网 c n 陆地无线接入网 u t r a n 2 0 和用户终端设备 u e 三部分组成 用户终端 图2 1u m t s 系统结构图 其中c n 分为两部分 电路交换域 c s 域 和分组交换域 p s 域 负责处理u m t s 系统内的所有语音和数据链路连接 消息路由 与外部网 络的交换和服务控制与网络特征管理等等 通过g i 接口与外部分组网络 进行通信 u t r a n 由一个或多个无线子系统 r n s 组成 无线子系统 又由一个无线网络控制器 r n c 和一个 或多个 基站 n o d e b 组成 r n s 在u u 接口主要完成物理层协议的处理又通过与i u 接口的通信完成 数据链路的连接建立和断开 切换和无线管理控制等功能 u e 称为移动 台 从逻辑上包括移动设备 m e 和用户身份识别 即u s i m 卡 或s i m 卡 从3 g p pr 9 9 版本以来 核心网分组域的主要网络单元变化不大 2 1 1 il i 第二章u m t s 系统与g n 接e l r 5 版本以后要求在b s c 和s g s n 之间增加i u p s 接口 这也体现了通信网 络由2 5 g 系统向3 g 系统演进的趋势 r 9 9 网络结构如下 图2 2w c d m a r 5 版本网络结构图 2 1 3 1p s 域主要网元 1 服务g p r s 支持节点 s g s n s g s n 为p s 域特有的设备 是分组交换的核心部分 作用类似于g s m 系统中的m s c 移动交换中心 s g s n 能对移动用户进行位置寻呼 负 9 重庆邮电大学硕士论文 责用户会话管理 合法性鉴权 安全性加密 移动性管理 话音和数据的 路由转发等等 在核心网内这些功能由与g g s n 使用的g n g p 接口 与 b s c 之间使用的g b 接口 与r n c 之间使用的i u p s 接口 与h l r 之间 使用的g r 接口 与m s c v l r 之间使用的g s 接口共同完成 s g s n 还可 以通过g d 接口与短信交换中心 s m s g m s c 进行连接 接收和发送彩 信 2 网关g p r s 支持节点 g g s n g g s n 是分组域特有的设备 g g s n 作为u m t s 系统与其它数据阿 p d n 之间的接口设备 内部管理p s 域骨干网 通过内部维护的路由表信 息 为用户分配分组数据地址 p d p 地址 作为外网使用的地址 控制 用户访问外部数据网 并实现已激活p d p 用户的路由信息转发 g g s n 实 现的这些功能由与s g s n 之间的g n 接口 与p d n 之间的g i 接口 与h l r 之间的g c 接口来共同完成 2 1 3 2p s 域主要接口及作用 1 g n 接口 在同一个p l m n 中 g s n 之间的接口统称为g n 接口 包括g g s n 和s g s n 之间的接口与s g s n 之间的接口 在不同p l m n 中 g s n 之间的 接口统称为g p 接口 功能相g n 接口相同 g n 接口采用g p r s 隧道技术 实现数据传输 2 2 1 目前我国的核心网g n 接口基本实现i p 承载 其信令 面消息和用户面消息都通过i p 进行消息路由转发 提高了数据传输的效 率 2 i u p s 接口 s g s n 与r n c 间的接口 到r 5 版本以后 b s c 与r n c 之间也支持 i u p s 接口 该接口消息过程是面对连接的过程 2 3 五6 1 主要负责无线承 载建立 用户会话管理 移动性管理 鉴权加密 3 g b 接口 g p r s 系统支持分组数据传输使用的接口 采用帧中继为传输低层 主要完成用户会话管理 移动性管理 鉴权加密等功能 27 1 作用与i u p s 类似 r 5 版本新增加的g b 接口是2 5 gg p r s 系统使用的接口 为兼容 g p r s 而保留的 4 g i 接口 用于连接p l m n 和外部公众或私有数据网 实现消息传输 用户进行 流量计费统计等功能 r a d i u s 远程验证拨入用户服务 是g i 接口最重要 的协议之一 主要用于i s p 对用户进行身份验证和业务计费 28 1 1 0 第二章u m t s 系统与g n 接口 2 2g n 接口概述 2 2 1g n 接口协议栈 g n 接口是g s n g p r s 支持结点 间的接口 即同一个p l m n 内g s n 之间的接口 如g g s n 和s g s n 之间的接口 核心网分组域的g s n 之间 采用g t p 协议进行交互 g t p 消息承载于t c p 或u d p 协议之上 g t p 隧 道可以复用包括不同用户 不同分组协议 不同q o s 等级的分组业务数据 2 9 3 0 g n 接口的协议栈如下图所示 g t pg t p u d pu d p i p i p l 2 l 2 l l l l g s ng s n 图2 3g n 接口协议栈 对于i p t c p 传输控制协议 u d p 用户数据报协议 协议可以参 考i e t f 相关规范 3 1 锄 的具体说明 各层主要功能如下 i p 协议 网络层协议 网络从g p r s 系统开始就实现了i p 化 为未 来网络的分组化演进提供了基础 u d p t c p 协议 传输层协议 负责端到端的可靠传输 g t p 协议 负责g t p 隧道的管理 包括创建 修改和删除隧道等 负责传输用户数据 2 2 2g t p 协议 g t p 协议是一种利用隧道技术进行消息传输的协议 该协议不仅应用 于g n 接口 还使用于i u p s 接口的用户面和g p 接口 到目前为止该协议 已有三个版本 版本0 版本1 版本2 i 3 4 1 g t p 版本0 支持信令和在一个普通报头下的用户数据 它能够与 u d p 和t c p 一起使用在注册端口3 3 8 6 上 重庆邮电大学硕士论文 g t p 版本1 仅承载于在u d p 上 控制平面协议g t p c 控制 使 用注册端口2 1 2 3 而用户平面协议g t p u 用户 使用注册端口2 1 5 2 g t p 版本2 使用于3 g p p 演进分组系统 e p s 主要用于传输演进 分组无线业务的信令协议 使用注册端口2 1 2 3 基于u m t s 的背景 本课只讨论g t p v l 版本 g t p 消息分为控制面消息 g t p c 和用户面消息 g t p u 在信令平 面 g t p c 消息用于创建 修改和删除隧道等