D-SCDMA网络基本结构及信令流程

BeyondTechnologyTD-SCDMA网络根本结构及信令流程东软移动互联网事业部第五研发部主要内容中国移动-网络总体结构TD-SCDMA网络结构TD-SCDMA接入网的根本结构TD-SCDMA核心网的根本结构TD-SCDMA网络中主要接口TD-SCDMA网络中根本信令流程中国移动-网络总体结构图1中国移动-网络总体结构图TD-SCDMA网络结构

TD-SCDMA网络主要包括核心网(CoreNetwork，CN)和无线接入网(RadioAccessNetwork，RAN)两局部。

核心网主要处理系统内部所有的话音呼叫、数据连接和交换，以及与外部其它网络的连接和路由选择。无线接入网完成所有与无线有关的功能。这两个子网与用户终端设备(UserEquipment，UE)一起构成了完整的TD-SCDMA网络，其结构如上图所示。

图中UTRAN(UMTSTerrestrialRadioAccessNetwork)执行RAN的功能，它与核心网CN之间的接口为Iu〔电路域的Iu-CS接口，分组域的Iu-PS接口、以及播送域的Iu-BC接口〕；UTRAN与用户终端设备UE之间的接口为Uu接口。在UTRAN内部，NodeB与RNC之间的接口为Iub接口，RNC与RNC之间的接口为Iur接口。

图2TD-SCDMA网络结构图TD-SCDMA接入网的根本结构

UTRAN无线接入网由一组RNS组成，通过Iu接口和核心网相连。每个RNS包括一个RNC和或多个NodeB，NodeB与RNC之间通过Iub接口进行通信。

RNC主要负责接入网无线资源的管理，包括接纳控制、功率控制、负载控制、切换和分组调度等。通过RRC协议执行的相应过程来完成这些功能。RNC在逻辑上对应于GSM网络中的基站控制器(BSC)。

NodeB主要功能是进行空中接口的物理层处理，如信道交织和编码、速率匹配和扩频等。同时它也执行无线资源管理局部的内环功控。

图3TD-SCDMA接入网根本结构图TD-SCDMA核心网的根本结构

图4TD-SCDMA核心网根本结构图上图给出了TD-SCDMA的R4核心网，R4核心网逻辑上分为CS域和PS域，在R5中又引入了IMS域，包含了支持网络特性和电信业务的物理实体，提供用户位置信息的管理、网络特性和业务的控制、信令和用户产生的信息的传输机制，负责建立移动台和相关固定网络之间，以及移动台和移动台之间的通信。

下面分别介绍一下核心网的总体功能和各个单元实体。核心网的主要功能GPRS无线资源〔GRR〕管理GPRS无线资源管理的过程是建立、保持和释放无线资源连接，以允许网络和移动台间的点对点的对话，这包括小区选择/重选和切换过程。无线资源管理包括同公共传输资源管理相关的功能，如物理信道和控制信道上的数据链接。同时还包括在无RRC建立时对单向BCCH和CCCH的接收，允许自动的小区选择/重选等。GPRS移动性管理GMM主要由移动性管理子层来执行。其主要功能是支持用户终端的移动性，例如，将用户移动终端的当前位置通知给网络并提供用户标识的机密性；移动性管理子层的另一个功能是向上层连接管理子层的不同实体提供连接管理业务。移动性管理子层包括两个程序：非GPRS业务的移动性管理程序和GPRS业务的GMM程序。所有MM程序只有在一个MS和网络之间的RRC建立后才能执行，否那么MM子层必须发起一个RRC建立。连接管理连接管理子层包括有呼叫控制、短消息业务、会话管理和补充业务等，对网络提供的业务进行控制和管理。

CS域及PS域共用功能实体归属位置效劳器〔HSS〕HSS是指定用户的主数据库，包含支持网络实体处理呼叫/会话的相关签约信息。HSS包括HLR和鉴权中心〔AuC〕。HLR负责管理移动用户的数据库，用于存储管理规划移动用户信息，包括用户的签约信息、用于计费和路由呼叫或消息所需的位置信息等；AuC负责存储移动用户用于鉴权和在空中接口加密所需的数据，防止非法用户接入系统，并保证通过无线接口的用户数据的平安。访问位置存放器〔VLR〕负责用户的位置登记和位置信息的更新，存储位于管辖区内的移动用户信息。该数据库含有一些用户的临时信息〔保存在其效劳区内用户的数据〕，如鉴权、当前所处的小区〔或小区组〕等信息。设备标识存放器〔EIR〕负责存储国际移动设备标识〔IMSI〕的数据库，完成对移动设备的鉴别和监视，并拒绝非法移动台入网。短信效劳网关MSC〔SMS-GMSC〕作为短消息业务中心和PLMN之间的接口，使得短消息能够从业务中心〔SC〕传送到移动台。短信效劳互连MSC〔SMS-IWMSC〕作为PLMN和短消息业务中心之间的接口，使得短消息能够从移动台传送到业务中心。

CS域功能实体MSCMSC是CS域的核心，包括MSCserver和CS-MGW两个局部，用于执行处理与移动台之间的电路交换业务必须的所有功能，是一个对位于本MSC控制区域内的移动用户执行信令和交换功能的交换机。其中MSCserver用于处理信令，主要由MSC的呼叫控制和移动性控制两个局部组成，负责CS域的呼叫控制，并完成将用户/网络信令转换成相关的网络/网络信令。而CS-MGW用来处理用户数据，可以终止电路交换网的承载信道和分组交换网的媒体流。GMSC负责移动网至固定网，以及固定网到移动网呼叫的转界，执行到MS〔UE〕实际位置的路由功能。当网络传递一个呼叫到PLMN，但无法查询HLR时，该呼叫将转换到GMSC，由GMSC查询HLR，并将呼叫接入到MS所处的MSC。GMSC可以由处理信令的GMSCserver和处理用户数据的CS-MGW完成其所有功能。GMSCserver主要由GMSC的呼叫控制和移动性控制两局部组成。PS域功能实体图5PS域功能实体图IP多媒体核心网子系统的功能实体IP多媒体核心网子系统是在R5中引入的，包括呼叫效劳器控制功能、媒体网关控制功能、IP多媒体－媒体网关功能、多媒体资源功能控制器、多媒体资源功能处理器等。呼叫效劳器控制功能〔CSCF〕可以起到代理CSCF、效劳CSCF或询问CSCF的作用。媒体网关控制功能〔MGCF〕的主要功能包括负责控制适于媒体信道连接控制的呼叫状态、与CSCF通信、根据来自传统网络的入局呼叫的路由号码选择CSCF、执行ISUP与IMS网络呼叫控制协议间的转换、并能将其所收到的频段信息转发给CSCF/IM-MGW。IP多媒体－媒体网关功能能够支持媒体转化、承载控制和有效负荷的处理，并能提供支持UMTS/GSM传输媒体的必须资源多媒体资源功能控制器〔MRFC〕负责控制MRFP中的媒体流资源，解释来自应用效劳器和S-CSCF的信息并控制MRFP。多媒体资源功能处理器〔MRFP〕负责控制Mb参考点上的承载，为MRFC的控制提供资源，产生、合成并处理媒体流。签约位置功能〔SLF〕是在注册和会话建立期间，用于I-CSCF询问并获得包含所请求用户特定数据的HSS的名称。而且S-CSCF也可以在注册期间询问SLF。突破网关控制功能〔BGCF〕的主要功能是选择在哪个网络中将发生PSTN突破。如果BGCF确定突破将发生在与BGCF所在的相同网络内时，那么BGCF会选择一个MGCF，负责与PSTN进行互操作。如果突破发生在其他网络内，那么BGC将会话信令转发给其他BGCF或MGCF，与PSTN进行互操作。TD-SCDMA网络中主要接口移动台与接入网之间的接口接入网与核心网之间的接口接入网内部接口核心网内部接口网络外部接口移动台与接入网之间的接口TD-SCDMA网络中移动用户终端UE和无线接入网UTRAN之间的接口为Uu接口，Uu接口主要用来传输用户数据、或是相关信令，对应分为用户平面和控制平面。Uu接口从协议的角度可分为以下三个协议层：物理层〔L1〕、数据链路层〔L2〕和网络层〔L3〕。其中，L2层又可分为媒质接入控制〔MAC〕、无线链路控制〔RLC〕、分组数据聚合协议〔PDCP〕和播送/多播控制〔BMC〕，L3层包括RRC和NAS，L3层分为控制平面和用户平面。图6Uu接口控制平面协议结构图7Uu接口用户平面协议结构接入网与核心网之间的接口Iu接口是连接UTRAN和核心网之间的接口，同GSM的A接口一样，Iu也是一个开放接口，它将系统分成用于无线通信的UTRAN和负责处理交换、路由和业务控制的核心网两局部。它可以分为电路域的Iu-CS接口、分组域的Iu-PS接口、以及播送域的Iu-BC接口三种。图8Iu接口结构图接入网与核心网之间的接口从结构上来看，一个核心网可以和几个RNC相连，而任何一个RNC和核心网之间的Iu接口可以分成三个域：电路交换域、分组交换域和播送域。从功能上看，Iu接口主要负责传递非接入层的控制消息、用户信息、播送信息及控制Iu接口上的数据传递等。无线接入承载管理功能：主要负责无线接入承载的建立、修改和释放，并完成无线接入承载特征参数和Uu承载和Iu传输承载参数的映射。无线资源管理功能：在无线接入承载建立时执行用户身份的鉴定和无线资源状况的分析，并根据此接收或拒绝该请求。连接管理功能：负责UTRAN和核心网之间的Iu信令连接的建立和释放，为UTRAN和核心网之间的信令和数据传输提供可靠的保证。用户平面管理功能：基于无线接入承载的特性提供用户平面相应的模式：透明模式或支持模式；并根据不同的模式决定其帧结构。移动性管理功能：跟踪终端当前位置信息和对终端进行寻呼。平安管理：在信令和用户数据传输的过程中对其进行加密并校验其完整性；对用户的身份和权限进行审核。接入网内部接口接入网内部有两个接口，分别是Iub和Iur。Iub接口是RNC与NodeB之间的接口，用来传输RNC和NodeB之间的信令及无线接口数据。其主要功能包括管理Iub接口的传输资源、NodeB逻辑操作维护、传输操作维护信令、系统信息管理、专有信道控制、公共信道控制和定时以及同步管理。Iur接口是两个RNC之间的逻辑接口，用来传送RNC之间的控制信令和用户数据。同Iu接口一样，Iur接口是一个开放接口。Iur接口最初设计是为了支持RNC之间的软切换，但是后来参加了其他的有关特性。现在Iur接口的主要功能是支持根本的RNC之间的移动性、支持公共信道业务、支持专有信道业务和支持系统管理过程。核心网内部接口核心网内部接口分为：CS域内部接口、PS域内部接口、CS域和PS域之间接口。CS域内部接口B接口：是MSCserver/VLR的内部接口，用于二者之间数据和信令的交互。例如，当MSCserver需要当前位于其中的移动台数据时，会查询VLR；移动台进行位置更新时，MSCserver会通知VLR存储相关信息。当用户激活特定的补充业务或修改业务的一些数据时，VLR也会根据需要进行更新。C接口：是HLR与MSC效劳器之间的接口，当网关MSCserver要获得关于用户呼叫或短消息的路由信息时，必须询问HLR。D接口：是HLR与VLR之间的接口，用于二者交换与移动台位置和用户管理相关的数据。E接口：是MSC效劳器之间的接口，当移动台在呼叫期间，从一个MSC区域移动到另一个MSC区域时，为了通话的连续性，就要执行切换程序，因此MSCserver通过E接口来交换必要的数据以实现该处理过程。切换结束后，MSCserver将信息转换成要传送的A接口或Iu接口信令。F接口：是MSC效劳器与EIR之间的接口，用于二者之间交换数据，以使EIR校验来自移动台的IMEI。G接口：是VLR之间的接口，当移动用户从一个VLR移动到另一个VLR区域时，要进行位置更新。位置更新过程包括重新找回IMSI和对来自原VLR参数的鉴定。PS域内部接口Gr接口：是SGSN和HLR之间的接口，用于二者之间交换与移动台位置和用户管理相关的数据。SGSN向HLR告知移动台的最新位置，HLR向SGSN发送支持移动用户业务的所有必须数据。当移动用户需要为特定的业务改变签约信息中的一些数据或是这些数据被管理者修改时，HLR和SGSN就会交换相关数据。Gn和Gp接口：是SGSN与GGSN之间的接口，用于支持二者之间的移动性。Gc接口：是GGSN与HLR之间的信令通路，GGSN利用该信令通路得到位置信息并支持移动用户的业务。Gf接口：是SGSN与EIR之间的接口，用于二者之间交换数据，以使EIR校验来自移动台的IMEI的状态。CS域和PS域之间接口Gs接口：是MSC/VLR与SGSN之间的接口，SGSN可以由该接口向MSC/VLR发送位置信息，还可以接收来自MSC/VLR的寻呼请求。MSC/VLR可以通过Gs接口向SGSN指示，MS的业务由MSC来处理。该接口是可选择的接口。H接口：是HLR与AuC之间的接口，当HLR收到一个用于移动用户鉴权和加密数据的请求，且HLR没有该请求数据时，HLR就会通过H接口向AuC请求数据。网络外部接口与固定网〔包括专有网络〕之间的接口，列举几个如下：GGSN和外部数据网之间的接口(Gi‑interface)：Gi接口是GPRS与外局部组数据网之间的接口，同时也是终端IP地址在外部数据网络的呈现点。GPRS通过Gi接口和各种公众分组网如Internet或ISDN网实现互联。GMLC和外部定位客户端之间的接口(Le‑interface)：该接口将PLMN连接到LCS客户端。TD-SCDMA网络中根本信令流程UE的状态RRC连接建立流程NAS信令建立流程RAB建立流程切换流程位置更新UE的状态Idle：UE开机后，在一个小区中读取系统信息，监听寻呼信息，处于Idle状态。CELL_DCH状态：在此状态下UE被分配了专用的物理信道，同时还可能分配了物理上行共享信道〔PUSCH〕或物理下行共享信道〔PDSCH〕。对于DCH信道，UTRAN可以应用多种物理信道分配方案：永久的、基于时间的或是基于数据的。UE和UTRAN都可以使用传输格式组合指示〔TFCI〕来分别指示当前的上行和下行数据速率。如果配置的传输格式集〔TFS〕不能满足当前的数据速率要求，那么UTRAN将发起相应的传输信道重配置过程。CELL_FACH状态：在此状态下UE与UTRAN之间不存在专用的物理信道，UE在下行方向连续监视FACH传输信道，在上行方向可以使用公共或共享传输信道〔RACH等〕，在任何时候UE可以在相关的信道上发起接入过程。UE可以处理BCCH、CCCH、DCCH上的RRC消息，如果UTRAN分配了共享信道〔SHCCH〕，UE也可以处理在共享信道上传输的消息。此时，UE根据业务流量的大小进行动态地选择使用公共传输信道或是共享传输信道来发送用户平面的数据：首先执行一个到CELL_DCH状态的转移，之后使用专用信道来进行传输。CELL_PCH/URA_PCH状态：在这两个状态下UE没有被分配专用的物理信道，并且UE也不可以使用任何上行物理信道。在这两个状态下UE的行为与在空闲模式IDL状态下的行为相似。如果在此状态下UE要和UTRAN通信那么必须发起小区更新过程。图9UE状态迁移图RRC连接建立流程流程说明：〔1〕UE在上行CCCH上发送一个RRCConnectionRequest消息，请求建立一条RRC连接。主要参数为：InitialUEIdentity：初始的UE标识，如IMSI，TMSI等参数……〔2〕RNC根据RRC连接建立请求的原因及系统的资源状态决定UE建立在专用信道并分配RNTI和L1，L2资源。〔3〕RNC向NodeB发送RadioLinkSetupRequest消息，请求NodeB分配RRC连接所需要的特定无线链路资源。在该消息中包含有建立无线链路所必需的参数〔功率、时隙、扰码、midable码等参数〕。〔4〕在RL成功建立后，RNC使用ALCAP协议发起Iub接口用户面传输承载的建立，用于承载RRC信令的ATM连接，并完成RNC与NodeB同步过程。〔5〕RNC在下行CCCH上向UE发送RRCConnectionSetup消息。主要参数：UEIE，RBIE，TrCHIE，上行传输信道，下行传输信道，物理信道IE，UL无线资源和DL无线资源。〔6〕UE在上行DCCH上向RNC发送RRCConnectionSetupComplete。图10RRC连接建立在专用信道RRC连接建立流程流程说明：当RRC连接建立在公共信道上时，因为用的是已经建立好的小区公共资源，所以无需建立无线链路和用户面的数据传输承载，其余过程与RRC连接建立在专用信道相似。图11RRC连接建立在公共信道NAS信令建立流程NAS信令建立流程是在UE与UTRAN之间的RRC连接建立成功之后，UE通过RNC建立与CN的信令连接，用于UE与CN交互NAS信息，如鉴权，业务请求，连接建立等。信令流程说明：〔1〕RRC连接建立后，UE通过RRC连接向RNC发送初始直传消息〔InitialDirectTransfer〕，消息中携带UE发送到CN的NAS信息内容。此过程由UE发起，用于在上行链路上建立一条信令连接，在无线接口上传送初始的非接入层〔NAS〕消息。〔2〕RNC接收到UE的初始直传消息，通过Iu接口向CN发送SCCP连接请求消息〔CR〕，消息数据为RNC向CN发送的初始UE消息〔InitialUEMessage〕，该消息带有UE发送到CN的消息内容。〔3〕如果CN准备接受连接请求，那么向RNC回SCCP连接证实消息〔CC〕，SCCP连接建立成功。RNC接收到该消息，确认信令连接建立成功。如果CN不能接受连接请求，那么向RNC回SCCP连接拒绝消息〔CJ〕，SCCP连接建立失败。RNC接收到该消息，确认信令连接建立失败，那么发起RRC释放过程。信令连接建立成功后，UE发送到CN的消息，通过上行直传消息〔UplinkDirectTransfer〕发送到RNC，RNC将其转换为直传消息(DirectTransfer)发送到CN；CN发送到UE的消息，通过直传消息〔DirectTransfer〕发送到RNC，RNC将其转换为下行直传消息〔DownlinkDirectTransfer〕发送到UE。图12NAS信令建立流程图RAB建立流程RAB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，UTRAN执行的功能，根本流程：首先由CN向UTRAN发送RAB指配请求消息，请求UTRAN建立RABRNC发起建立Iu接口与Iub接口的数据承载；RNC向UE发起RB建立请求；UE完成RB建立，向RNC回应RAB建立完成消息；RNC向CN应答RAB指配响应消息，结束RAB建立流程。当RAB建立成功后，一个根本的呼叫即建立。根据无线资源使用情况，可以将RAB的建立流程分成以下三种情况：RRC连接在DCH上，RAB建立在DCH上的过程。RRC连接在公共传输信道上，RAB建立在DCH上的过程。 RRC连接在公共传输信道上，RAB建立在公共信道上的过程。切换流程TD-SCDMA网络中，主要包含两种切换方式：硬切换和接力切换，其中硬切换流程和GSM相似，可以参考GSM的相关流程，下面我们对几种切换方式做一个比照分析。GSM系统中的硬切换是“先断后连〞的切换方式，这种切换方式的好处是信道利用率相对较高，一个终端在切换中只占用一个信道，而不会同时占用多个小区的信道，但是弊端也比较明显，就是很容易造成切换掉话，在某些设备商的网络中，切换掉话甚至占到了话务统计中掉话的50％以上。CDMA网络中应用的软切换，那么是一个终端可以同时接收多个小区的信号，从而减少了切换掉话，但是这种方式对无线资源的浪费较大，并且会增加系统负荷。而且当终端在不同频点间进行切换时，仍然只能采用硬切换的方式，无法防止硬切换的缺陷。接力切换那么防止了以上硬切换和软切换带来的缺陷。首先，由于采取了上行预同步的技术，由UE侧对目标小区进行预同步，但是并不会占用目标小区的码道，只有当收到原效劳小区下发的“DCCHPhysicalChannelReconfiguration〞信令时，才会先把上行链路接入到目标小区中，随后把下行链路也接入到目标小区中，而在这一过程中，实际上经过了UE测量，RNC判决，目标NodeB波束赋形，UE与目标NodeB上行同步完成，UE切换至目标NodeB，原NodeB释放信道几个步骤。其中涉及到的关键技术包括智能天线，上行同步，以及采用TDD的方式从而保证上下行链路的可互为估计性，基于这几种技术之上的接力切换可以说是为TD-SCDMA网络量身打造的切换方式。而接力切换也为TD系统带来了信道利用率高，切换成功率高，切换掉话率低，切换算法简单，较轻的信令负荷等优点。TD-SCDMA网络中可以同时支持硬切换和接力切换，他们的比照结果请看下表，从表格中可以看出，PS业务和CS业务的切换时间相差不大，这也和TD系统是一个码道受限系统有关，说明在PS业务下和CS业务下网络覆盖情况均相差不大，也是TD和WCDMA相比的一个优势。另外接力切换的时间要明显比硬切换的时间短，异频切换的时间也短于同频切换时间。特别是TD系统支持在异频组网下的接力切换方式，这样在系统容量增加的情况下，当每个小区承载的载频增加，仍然可以采用接力切换的方式，最大限度的降低了切换失败率，从而在有效利用网络资源的前提下降低了切换造成的掉话，有效提高了网络指标。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交互信息。在核心网处理过程与GSM类似，可以参考GSM相关流程，下面主要描述一下UE和UTRAN之间的流程。位置更新包括正常位置更新，周期性位置更新，IMSIAttach三类。这三类更新的触发条件是不同的。IMSIattach过程一般发生在开机或重新返回信号覆盖区或SIM卡被重新插入时，在其它所有需要做位置更新的情况下，除了因为周期位置更新定时器T3212