三代移动通信系统下课件

1、第三代移动通信 王公仆 2007北京邮电大学 网络教育学院第1页，共76页。CONTENT引言第一部分：三代移动通信系统第二部分：WCDMA系统结构第三部分：WCDMA系统的无线信道第四部分：UTRAN信令与协议总结2第2页，共76页。UTRAN 通用接口模型(ALCAP: Generic name for the transport signalling protocols used to set-up and tear-down transport bearers.)Independent of the Transport Network LayerIndependent of the R

2、adio Network LayerSource: 25.4013第3页，共76页。控制平面协议集4第4页，共76页。Iu接口程序控制面RANAPRadio Access Network Application Part(无线接入网应用部分）用户面Iu UPGTP-U5第5页，共76页。RANAP程序Class 1 EPs:Iu Release Security Mode Control Reset Reset Resource Relocation Preparation Relocation Resource Allocation Relocation Cancel Data Volume

3、 Report SRNS Context TransferClass 3 EPs:RAB AssignmentClass 2 EPs:RAB Release Request Iu Release Request Paging Common ID Location Reporting Control Location Report Initial UE Message Direct Transfer Error Indication Relocation Detect Relocation Complete Overload Control CN Invoke Trace CN Deactiva

4、te Trace SRNS Data Forwarding Initiation SRNS Context Forwarding from SourceRNC to CN SRNS Context Forwarding to Target RNC from CN6第6页，共76页。PLMN选择和重选、小区选择/重选和位置登记的关系7第7页，共76页。PLMN 选择开机后，或从没有覆盖的区域移动到有覆盖的区域，UE试图按下列顺序进行选网：Registered PLMN, last used RATHPLMNUser Controlled PLMN with RATOperator Control

5、led PLMN with RATOther PLMN/RAT处于漫游状态下UE会周期性地试图转回HPLMN在 SIM中的定时器 6 min, 8 hours，一般设为30分钟第8页，共76页。RPLMN在这个列表中RPLMN（Registered PLMN） 优先级最高。RPLMN就是上次注册成功的PLMN。当UE关机后怎么才能知道上次登记的是哪个PLMN？在USIM卡中有两个文件EFLOCI和EFPSLOCI。9第9页，共76页。EFLOCI和EFPSLOCI在这两个文件中LAI =MCC+MNC+LAC 和/或RAI =LAI+RAC 就记录了MCC和MNC， 就是RPLMN10第10页

6、，共76页。 UE UTRAN SYSTEM INFORMATION 系统信息广播在小区内，UTRAN向UE广播系统信息系统信息消息是在逻辑信道BCCH上发送的，它可以映射到传输信道BCH和FACH11第11页，共76页。系统信息块12第12页，共76页。系统信息块在3GPP Release-99中，系统信息块的数目定义为一个主信息块、两个调度块和17个SIB。10号SIB是使用FACH传输信道发送，其他所有SIB（包括MIB和调度块）都是在BCH传输信道上发送。13第13页，共76页。小区选择小区选择的过程包括小区搜索和读广播信道、判决。小区搜索（时隙同步、帧同步和码组识别、扰码识别）读广播

7、信道（读取PCCPCH信道信息）判决14第14页，共76页。小区搜索时隙同步帧同步和码组识别扰码识别UE使用SCH的主同步码PSC去获得该小区的时隙同步UE使用SCH的辅助同步码SSC去找到帧同步，并对第一步中找到的小区的码组进行识别。UE通过CPICH对码组进行相关确定小区主扰码，然后检测PCCPCH，UE读取BCH信息。15第15页，共76页。读 取读到MIB后UE就可以判断当前找到的PLMN是否就是要找的PLMN。 因为在MIB中有PLMN identity域。如果是UE就根据MIB中包含的其他SIB的调度信息（scheduling information） 找到其他的SIB并获得其内容

8、。如果不是UE只好再找下一个频率又要从头开始这个过程从小区搜索开始。如果当前PLMN是UE要找的PLMN UE读SIB3 取得Cell selection and re-selection info。16第16页，共76页。判 决17第17页，共76页。判决如果Squal 0、Srxlev 0，则UE认为此小区即为一个suitable cell， 驻留下来，并读其他所需要的系统信息，随后UE将发起位置登记过程。如果不满足上述条件，测临区的Qqualmeas 和Qrxlevmea，以算出临区的Squal和Srxlev并判断临区是否满足上述条件。如果UE发现了任何一个临区满足selection c

9、riteria UE就驻留在此小区中并读其他所需要的系统信息，随后UE将发起位置登记过程。18第18页，共76页。位置登记过程RRC连接建立之后，移动台在DPDCH信道上发起位置登记过程。与二代一样，发送的消息都是上层的消息，是核心网和移动台之间的直接对话。在第1次开机时，发起的MM消息中应包含IMSI，中间完成鉴权和加密过程之后，由MSC根据用户的IMSI找到用户的HLR，由MSC发出MAP消息，通知HLR更新位置HLR回送插入用户数据（用户业务数据）消息，用户数据表明该用户可以提供的业务种类，即用户业务描述的数据。 19第19页，共76页。位置登记过程（续）MSC给出确认消息，同时给移动台

10、分配新的LAI和新的TMSI用户发送位置登记完成消息，得到新的TMSI给MSC证实。MSC发给移动台新的LAI，只是作为移动台触发位置更新的参数值，移动台并不记录该数值。移动台只有它的位置登记请求被网络接纳，才会存储下当前的位置区代码。 20第20页，共76页。小区重选与位置更新当UE驻留在小区中并登记成功后，随着UE的移动当前小区和临近小区的信号强度都在不断变化，UE就要选择一个最合适的小区小区重选。这个最合适的小区不一定是当前信号最好的小区。当UE重选小区选择了另外一个小区后发现这个小区属于另外一个LA 或者RA。UE就要发起位置更新过程，使网络获得最新的UE的位置信息。21第21页，共7

11、6页。UE是如何知道LA或者RA变化？在系统广播信息中的SIB1中有CN common GSM-MAP NAS system information和PS domain system information。22第22页，共76页。位置更新位置更新流程总是由终端UE发起的。当终端UE的位置区发生变化或者进行周期性的位置区更新时，UE就会发起位置区更新流程。若UE是由于位置区的变化而引起的位置区更新，还必须为UE分配一个新的TMSI。 23第23页，共76页。终端UE的位置更新信令流程 24第24页，共76页。位置更新与位置登记关系？位置更新包括位置登记、周期性位置登记、用户数据删除等。引起移动

12、用户发生正常位置登记的条件是移动设备开机，以及移动用户发生漫游引起位置改变。通过周期性位置登记位置更新PLMN可以保持追踪移动用户当前的状态，特别是保持长时间没有操作的用户与网络的联系。用户数据删除指用户记录从VLR中删除，包括用户漫游产生的用户数据删除、用户长时间无操作引起的用户数据删除、以及系统管理员对无效用户记录所进行的删除。25第25页，共76页。位置更新位置更新过程是由HLR MSC/VLR等实体之间逻辑配合完成。HLR记录移动用户当前位置信息和所有用户数据。VLR记录漫游到由该VLR控制位置区的移动用户的相关用户数据MSC处理移动用户的位置登记进程与移动用户对话并与HLR VLR交

13、互信息。26第26页，共76页。路由区更新27第27页，共76页。路由区更新解释由GMM发出路由更新请求发给SGSN，如果SGSN能够找到老的SGSN，SGSN将向老SGSN发出SGSN连接请求消息，是GTP协议回送SGSN响应消息中含有用户的IMSI和鉴权参数完成鉴权和安全性过程SGSN要与HLR之间对话，仍是MAP层消息，发送更新位置消息给HLR，插入用户数据，更新位置确认消息，分配新的RAI和P-TMSI给用户。 28第28页，共76页。RABRAB是指用户平面的承载，用于UE和CN之间传送语音数据及多媒体业务。UE首先要完成RRC连接建立然后才能建立RAB。RAB建立是由CN发起、UT

14、RAN执行的功能。当RAB建立成功以后，一个基本的呼叫即建立。UE进入通话过程。29第29页，共76页。RABRAB由两部分组成RNC和SGSN之间的GTP隧道以及RNC与MS之间的无线承载Radio Bearer。RAB ID唯一标识用户的一个RAB。RAB的建立修改释放和重建都是通过RAB ASSIGNMENT过程完成的。30第30页，共76页。RAB管理流程图31第31页，共76页。RAB基本流程首先由CN向UTRAN发送RAB指配请求消息，请求UTRAN建立RAB；UTRAN中的SRNC发起建立Iu接口与Iub接口（Iur接口）的数据传输承载；SRNC向UE发起RB建立请求UE完成RB

15、建立，向SRNC回应RB建立完成消息；SRNC向CN应答RAB指配响应消息，结束RAB建立流程。32第32页，共76页。三种RAB的建立流程RAB的建立流程分成以下三种情况：(1) DCH-DCH： RRC使用DCH，RAB准备使用DCH(2) RACH/FACH-RACH/FACH，RRC使用CCH， RAB准备使用CCH(3) RACH/FACH-DCH：RRC使用CCH 而RAB准备使用DCH。33第33页，共76页。GSM中的鉴权和加密由于空中接口极易受到侵犯，GSM系统为了保证通信安全，采取了特别的鉴权与加密措施。鉴权是为了确认移动台的合法性，加密是为了防止第三者窃听。鉴权中心(AU

16、C)为鉴权与加密提供了三参数组（RAND、SRES和KC）在用户入网签约时，给用户分配唯一的用户鉴权键Ki和国际移动用户识别IMSI，存储于AUC数据库和SIM（用户识别）卡中。34第34页，共76页。2G三参数组的产生先产生一个随机数（RAND）通过密钥算法和鉴权算法，用RAND和Ki分别计算出密钥KC和符号响应（SRES）。RAND, SERS, KC作为一个三参数组一起送给HLR35第35页，共76页。2G AUC产生三参数组36第36页，共76页。 2G 鉴权和加密（1）鉴权：无论是移动台主呼或被呼，都有鉴权过程。主要涉及AUC、HLR、MSC/VLR和MS。（2）加密：为了确保用户信

17、息以及用户有关信令信息的私密性，在BTS和MS之间交换信息时专门采用了一个加密程序。37第37页，共76页。2G 鉴权程序38第38页，共76页。两个输入，一个输出39第39页，共76页。2G 加密程序40第40页，共76页。3G鉴权与GSM的鉴权流程相比，3G的鉴权流程增加了一致性检查的功能及终端对网络的鉴权功能，这些功能使3G的安全特性有了进一步的增强。在WCDMA中增加了鉴权令牌的过程，方向与用户鉴权的方向相反。由移动台来鉴别网络的身份。41第41页，共76页。3G 鉴权流程的作用鉴权流程有四个作用：1） 允许网络检验UE的标识是否有效；2） 为UE 计算UMTS加密密钥提供参数；3）

18、为UE 计算UMTS完整性密钥提供参数；4）允许UE鉴权网络。 42第42页，共76页。3G鉴权流程由MSC或SGSN移动性管理部分MM向HLR发送鉴权消息，要求发送鉴权信息，该消息中将包含用户的IMSI；HLR将IMSI送往AUC，查得该IMSI所对应的Secret Key K（相当于GSM中的Ki值），该值只存放在SIM卡和AUC中，永远不会在空中接口上发送，用于鉴权算法的输入参数；在鉴权中心，由用户的IMSI，产生基于IMSI的RAND，K值和RAND经过F1和F5算法产生鉴权令牌（AUTN）、用于鉴权用户身份的的XRES值（相当于GSM中的SRES值）、CK（相当于GSM中Kc）和IK

19、。 43第43页，共76页。3G鉴权流程（续）HLR将由鉴权中心产生的鉴权五元组送往VLR或SGSN，启动鉴权过程；由VLR向移动台发出鉴权请求消息，该消息中含有RAND和AUTN；在移动台在USIM中将K值和RAND经过F1和F5算法产生AUTN，将该值与请求消息中收到的AUTN进行比较，如果一致，才发起随后的鉴权过程，反之移动台将不理会该鉴权请求；移动台启动鉴权过程，将K值和RAND经过F2算法产生XRES值，在鉴权响应中只回送XRES值给VLR或SGSN，与VLR或SGSN中的XRES值比较，如果一致则鉴权通过，反之则用户非法。 44第44页，共76页。分组域鉴权加密流程45第45页，共

20、76页。用户数据和信令的保密UMTS的加密范围比GPRS减少仅仅在MS和UTRAN之间实现。46第46页，共76页。寻呼UE为IDLE mode，或CELL_PCH、URA_PCHUEUTRANPAGING TYPE 147第47页，共76页。寻呼（续）UE为CELL_DCH或CELL_FACHUEUTRANPAGING TYPE 248第48页，共76页。寻呼一个处于RRC空闲模式的UE 49第49页，共76页。寻呼处于RRC连接模式（CELL_DCH和CELL_FACH状态）的UE 50第50页，共76页。UEBTSRNCCNPreamble AICH ACK RRC connection

21、 Req Open loop pc CCCH/RACH/PRACH RACH-FP Radio link setup Req Codes,TFTSF,powerRadio link setup Response ALCAP AAL-2SIR target 1stFACH-FP RRC connection Setup CCCH/FACH/S-CCPCH Service Request DCCH/DCH/S-DPDCH DCH-FP SIR target 2ndRANAP RAB Assignment Req RB Setup RB Setup 51第51页，共76页。空中接口的通信过程(1)

22、移动台完成小区搜索获得小区ID后，将驻扎在一个目标小区内，在PRACH信道上发起Preamble前导信息侦听来自基站的AICH指示，得到确认证实，完成开环功率控制过程。移动台会以开环功控选择的功率值发出RRC连接请求消息，该消息从协议层来说，是RRC层的消息，属于层3消息。基站收到消息完成逆处理过程之后，将消息放在Iub接口上发送至RNC，在Iub接口上承载的是帧协议FP，是RACHFP。 52第52页，共76页。空中接口的通信过程(2)RNC解读消息准备为移动台分配码字、TF、TSF以及功率，资源的可用是由基站侧决定的RNC将向基站发出无线链路建立的请求消息，如果有可用资源，基站将回给RNC

23、响应消息这二条消息属于NBAP协议的消息，完成空中接口无线资源激活的过程。 53第53页，共76页。空中接口的通信过程(3)RNC通过ALCAP协议为用户建立Iub的传输承载，并在下行链路回送RRC连接建立响应消息。在Iub接口上承载该消息的协议是FACHFP，然后基站将RRC连接建立消息送往移动台。RRC请求到RRC连接的整个过程就称为RRC连接建立过程，该在过程在空中接口上的消息只有二条，但在系统内部基站和RNC之间完成了较复杂的过程。每一步过程都有timer，统计系统性能参数，如建立失败率等。移动台在RRC连接建立响应消息中得到了码字、功率、TF、TSF等资源的分配。 54第54页，共7

24、6页。空中接口的通信过程(4)移动台发起业务请求，业务请求里将指明业务请求的原因如主叫、被叫、紧急呼叫等。业务请求消息中将包含移动台的TMSI号，用于核心网和移动台之间的对话，所以业务请求消息属于上层服务请求消息。从该消息起，消息将在专用信道上发送，相当于RRC连接建立过程中系统分配的码字是移动台在上行链路上发送专用信令时所需要的扩频码和扰码，其中的扰码就是移动台24位的UE ID。该业务请求RNC不作处理，通过Iub接口的DCH-FP承载通过RNC，以RANAP协议方式送往核心网（CN）。中间省略了鉴权、HLR参数调用等一系列过程，之后CN发出RAB分配请求消息，从RNC完成RB建立。55第

25、55页，共76页。空中接口的通信过程(5)在RB承载建立消息中分配的是根据业务需求决定的码字、业务的传送信道格式等等。无线承载RB建立以后才开始真正的业务通信过程。之后所占用的信道只有DPDCH和DPCCH。前一阶段只有信令，RB建立之后，既有信令又有业务。 56第56页，共76页。切换分类软切换同一RNC内，不同Node B间的软切换不同RNC间的软切换（有Iur接口）更软切换硬切换同频硬切换不同RNC间的切换（没有Iur接口）异频硬切换系统间硬切换WCDMA-GSM57第57页，共76页。切换的类型Node BSRNCDRNCCNNode BSRNCCNSoft HandoverNode

26、BSRNCRNC or BSCCNNode B or BTSSofter HandoverHard HandoverIur58第58页，共76页。从UTRAN角度看软/更软切换59第59页，共76页。从UE角度看软/更软切换60第60页，共76页。软切换特点：先建立目标小区的链路，后中断源小区的链路过程测量报告判决执行61第61页，共76页。软切换流程_增加无线链路62第62页，共76页。软切换流程_删除无线链路63第63页，共76页。硬切换特点：先中断小区的链路，后建立目标小区的链路通话会产生“缝隙”硬切换的原因接收到的测量报告负载控制64第64页，共76页。硬切换目的频内硬切换目的不同RN

27、C间的切换（没有Iur接口）频间硬切换目的频间负载的平衡网络规划的原因系统间切换目的2G-3G的平滑演进3G初期的覆盖范围有限65第65页，共76页。硬切换需要空闲期由于一般的UE只有一个射频接收机，也就是同时只能接收一个载频进行频间切换和系统间切换时必须对目标载频或目标基站（GSM)进行测量。当邻近小区属于异频小区时，不能进行软切换，而进行硬切换。CDMA来说，在同频的前提下，移动台可以实时完成测量，而无须电路上的调整，也就无须空闲期。 但硬切换时，不同频率之间，移动台需要空闲期。66第66页，共76页。压缩模式空闲期的产生就是通过压缩模式来实现。压缩模式是和移动台作测量有关的一种工作模式。在空中接口上，移动台在通信过程中信号是连续的，