關于第三代移動通信引入全IP網路結構的問題

王樹甲

最近，世界著名第二代（2G）/第三代（3G）移動通信供應商愛立信公司，按照移動通信技術約每10年更新換代一次的實際歷史沿革經驗和發(fā)展趨勢預測，提出了研發(fā)第四代（4G）全IP網絡的目標，引起業(yè)內人士的普遍關注：一些早就熱忠于電信、有線電視、因特網“三網融合”論者，特別是新聞媒體又從無線通信領域得到聲援，觀點更加鮮明和堅定；一些更為冷靜的業(yè)界人士卻不以為然，即使“融合”也不是一朝一夕的事；還有一些務實的運營商和高層管理人員被移動通新技術的飛速發(fā)展弄得迎接不暇，對4G的提出感到十分突然，持回避態(tài)度。

事實上，3G移動通信合作組職（3GPP）早在1999年便提出了在通用移動通新系統中發(fā)展全IP網絡結構的技術報告（TR）。因為業(yè)內人士誰都十分清楚，3G決不是移動通信技術的終結。又鑒于預期日本2001年10月3G投產運營，2004年覆蓋全國；歐盟要求其成員國于2002年開始建立3G W-CDMA的情況，所以，愛立信提出4G并非純系商業(yè)炒做，而是一種慮以及遠的超前理念。當然，4G的定義、目標、內容及其與3G的關系和演進途徑，需要世界范圍的協調，而不是哪一家說了算的。然而，歷史的經驗多次表明，協調的發(fā)言權主要屬于創(chuàng)新者、先行者、實踐者，這也是由“沒有調查就沒有發(fā)言權”的哲理所決定的。

一、         對移動通信全IP結構的要求

1-1基本目標與概念

全IP結構是一種基于分組數據技術和因特網協議技術的網絡結構，其主要目標是，使

各移動通信運營商能夠采用IP技術同時傳送各種實時和非實時的3G業(yè)務。這種結構應以演進方式，并應與國際電聯的建議IMT-2000相互兼容，提供終端設備的全球移動性和漫游。

全IP網絡應提供基于具有公用核心網（CN）的擴充無線接入網（ERAN）和UMTS地面無線接入網（UTRAN）的無線移動接入業(yè)務，而且，都應基于通用分組無線業(yè)務（GPRS）的演進。在這種前后關系中，擴充的GPRS（E-GPRS）無線接入網是一種支持GSM演進的增強數據（EDGE）業(yè)務的200kHz GSM方式的網絡，并向支持實時分組業(yè)務演進。雖然EDGE不在3GPP范圍之內，但就這兩種接入技術來說，它們對全IP網結構的CN網的要求是共同的。所以，這種網絡的特性主要表現為：

·        采用基于GPRS的演進策略；

·        具有包括UTRAN和ERAN在內的多種無線接入類型的共同網元；

·        利用IP協議的分組傳送方式；

·        能夠使用各種IP客戶終端；

·        支持話音、數據、實時多媒體業(yè)務以及具有相同網元的業(yè)務。

該技術報告還包括以IP技術方法支持各種電路交換（CS）業(yè)務的問題，指出這種方法的優(yōu)點在于：

·        利用IP技術能夠提供無縫業(yè)務而不管接入方式如何，例如，不管用戶經由傳統電話、有線、無線、HIPERLAN 2等不同方式接入方式，都能享有共同的特性；

·        具有與IP發(fā)展的最佳協同作用，從而降低成本；

·        是同時傳送話音、數據和實時多媒體業(yè)務的有效解決方案；

·        支持各種業(yè)務的高層控制；

·        通過IP實現綜合而低成本的操作管理（OA&M）系統；

·        由于支持IP客戶終端而具有各種因特網應用的優(yōu)點；

·        采用分組傳送方式而有效地降低各種業(yè)務成本。

1-2業(yè)務能力

通過業(yè)務能力特性（SCFs）為各種應用提供的業(yè)務能力（SC）；各業(yè)務能力特性則是由

一種或多種網絡功能提供的，如圖1-1所示；應能夠由運營商為其特定的業(yè)務能力不斷引入

SCFs；須由各種應用為接入SCFs引入標準接口，即所謂應用接口，而這種接口須在應用與SCFs之間提供一種可控的、安全的、可計費的關系；應用接口必須依照用戶的預訂申報數

圖（1-1）業(yè)務能力特性與業(yè)務能力的關系

圖（1-1）業(yè)務能力特性與業(yè)務能力的關系

據（Profile）提供SCFs；各種應用可以位于服務器和/或移動終端，但只能通過各SCFs接入各業(yè)務能力；各種應用經由SCFs既能利用移動網絡功能所提供的能力，又能利用IT系統所提供的各功能。

    1-3 編號方案

編號方案標準應允許以單一標識號碼（如MSISDN）選路移動終接通信業(yè)務的移動用戶的終端設備，但不排除不同業(yè)務和能力（如數據、傳真、短消息）正在使用的多地址號碼。取決于終端能力、業(yè)務負荷和覆蓋狀況，網絡將經由可用的資源選路到所呼叫的終端。當各網絡演進到全IP結構后，將需要基于單一標識號碼的選路能力，以保持業(yè)務的透明性。

    1-4 無線方式

在全IP結構中支持業(yè)務和信令的無線電資源利用應得到優(yōu)化；在CN網與無線接入網（RAN）之間應區(qū)分與無線有關和非有關的功能特性；在RAN中應區(qū)分用戶平面協議棧和控制平面協議棧；對于同一空中鏈路上的多種不同類型的業(yè)務量，應提供上行和下行鏈路上的快速接入和快速資源分配的規(guī)程；對于諸如信頭壓縮、信頭拆卸一類的實時應用，應提供端到端IP傳送的優(yōu)化；為支持實時應用，網絡控制的切換過程應有很短的中斷；RAN中的各協議棧應支持具有不同QoS要求的各種業(yè)務；RAN網所采用的QoS機制與分組CN網所采用的QoS機制應具有互工作/互操作特性；對于空中鏈路上的多種不同類型的業(yè)務量，RAN網應具有承載區(qū)分能力，以實現最大的頻譜利用率；對于諸如語音業(yè)務一類的應用應優(yōu)化編/譯碼和交織特性；應支持每IP地址的具有不同QoS的多種數據流；應采用諸如統計復用一類的技術，使頻譜效率最高；ERAN應支持GPRS和EGPRS業(yè)務。

    二、全IP PLMN的結構

    2-1 參考結構

全IP PLMN的參考結構提供兩種選擇，選擇1的目標允許運營商采用全IP方式的結構傳送3G各無線/移動業(yè)務，這種結構以分組技術和IP電話為基礎，適于同時地傳送各種實時和非實時業(yè)務；選擇2除支持選擇1 IP方式的業(yè)務外，還允許支持3GPP 1999版的電路交換（CS）域終端設備。

2-1-1參考結構選擇1

選擇1的參考結構及其各組成部分如圖（1-1）所示，它提供靈活性和可擴充性的機制，支持全球漫游，并與諸如PLMNs、PDNs及其它多媒體VOIP網絡一類的外部網絡有互工作性。參照圖（1-1），端到端的結構由下列部分組成：

1）              無線網絡

無線網絡部分包括與移動用戶、無線空中鏈路和無線接入網有關的設備,RAN支持

UTRA和EDGE技術。允許運營商使用其它接入網絡，如ERAN和HIPERLAN 2。ERAN定義為包括支持200kHz EDGE調制方式和實時分組業(yè)務的GSM BSS的RAN。ERAN與CN之間的參考點標為Iu_ps’， 表示該參考點是Iu，而預期的實施方法類似于Iu_ps。

2）              GPRS網絡

GPRS網絡部分具有GPRS支持節(jié)點（GSNs），它為移動終端（MTs）提供移動性管理

（MM）和分組數據協議（PDP）激活業(yè)務，如同是在R99 GPRS分組交換域網絡。GPRS網絡的HLR功能由歸屬用戶服務器（HSS）提供。

3）              呼叫控制

呼叫控制部分是最為嚴格的功能。呼叫狀態(tài)控制功能（CSCF）、媒介網關控制功能

（MGCF）、漫游信令網關（R-SGW）、媒介網關（MGW）、傳送信令網關（T-SGW）和媒

介資源功能（MRF）都包含傳送各種實時移動/無線業(yè)務的呼叫控制和信令功能。呼叫狀態(tài)控制功能（CSCF）類似于H.323關守（GK）或會晤初始化協議（SIP）服務器，一直有意保持其結構的一般化，而不是基于諸如H.323或SIP一類具體的呼叫控制機制。用戶數據文檔（Profiles）由歸屬用戶服務器保存維護。送至多媒體IP網絡的信令僅經由CSCF接口，而承載直接與網關GPRS支持節(jié)點（GGSN）接口。媒介資源功能（MRF）提供媒介混合、復用及其它處理和產生功能，對于承載媒介與各承載部分接口，對于信令與CSCF接口。

圖1-1參考結構選擇1

4）至外部網絡的網關

全IP網絡與其它PLMNs、PDNs、VOIP、傳統2G一類網絡的互連接性由GGSN、MGCF、MGW、R-SGW和T-SGW功能實體支持。關于與其它PLMNs的接口，不論承載媒介還是信令都經由它們各自的GPRS部分。CSCF是一個新的組成部分，它也參與這種信令。送至傳統移動網絡的信令經由R-SGW、CSCF、MGCF、T-SGW和HSS接口，而往返于傳統PSTN的承載媒介經由MGW接口。傳統電路交換信令經由CSCF、MGCF和T-SGW接口，而往返PSTN的承載媒介經由MGW接口。

5）業(yè)務結構

網絡的業(yè)務結構部分可以描述為外部實體，并在第7節(jié)詳細介紹。非標準業(yè)務經由至應用業(yè)務層的各接口提供，HSS、SGSN和CSCF與應用和業(yè)務部分相接口。

用戶設備（UE）與呼叫狀態(tài)控制功能間的Gm（圖中未示出）接口含有用戶至網絡的多媒體信令，它在無線、Iu、Gn和Gi各接口上傳送。

業(yè)務GPRS支持節(jié)點（SGSN）和網關GPRS支持節(jié)點（GGSN）與UMTS R99 23.002中所定義的功能單元相同。

全IP網絡中全IP MSs的移動性管理基于選路區(qū)標識（RAId），而全IP網絡中有電路交換能力的MSs的移動性管理基于RAId和位置區(qū)標識（LAId）。關于全IP網與2G移動網間的相互漫游，需要一種變換標識格式的機制，即MS從全IP網漫游到2G網僅需知道原有的選路區(qū)（RA），而從2G網漫游到全IP網還需要給定2G-MSC的LAId。當在MS從3G-R00網漫游到2G網之后，2G-MSC怎樣能夠從全IP核心網調用國際移動臺標識碼，是一個開放問題。

通過采用在MS登記過程中SGSN所分配的單一臨時標識碼（P-TMSI），MS的IMSI可以受到保護。該P-TMSI能夠在隨后的每次登記或選路區(qū)更新時重新分配，這有賴于全IP網與傳統蜂窩網之間的漫游狀況。

接入網絡節(jié)點（WNNs：GPRS支持節(jié)點GSNs和無線網絡控制器RNC）不知道UE與

CSCF之間的多媒體信令，它們甚至不知道給定UE是否給CSCF發(fā)送多媒體信令。

由于不同的分組數據協議（PDPs）對QoS有不同的要求，因此不同的PDPs應傳送多媒

體信令和用戶數據流，然而接入網節(jié)點GSNs和 RNC并不知道給定PDP傳送或不傳送多

媒體信令。

    工作體系結構的方法：IP網絡主采用通用IP技術支各種業(yè)務，包括持由H.323/會唔啟動協議SIP或ISDN用戶部分（ISUP）控制的多媒體業(yè)務和語音業(yè)務；網絡結構基于GPRS的演進，以適用于同時傳送實時和非實時業(yè)務的IP分組技術為基礎；為了支持R99電路交換（CS）域的各種業(yè)務，可以使用R99 CS域的呼叫控制（CC）機制，這并不防礙運營商采用其它機制來傳送各種CS域業(yè)務，諸如H.323、SIP或由R99 CS域演化形式的CC機制；

R00終端為IP方式，并通過IP實現綜合業(yè)務；網絡結構應支持個人移動性和語音和據業(yè)務在移動網與固定網之間的互工作性；與當今網絡相比，應保持或改進業(yè)務質量和網絡可靠性；應增強各全IP接口及其相應的網絡接口，以支持各種實時多媒體業(yè)務；網絡結構應使業(yè)務控制與呼叫/連接控制分離，用IP傳送替代SS7傳送，并且獨立于L1和L2的網絡傳送層；不論業(yè)務類別、基于ISUP或IP，IP應能傳送所有信令和數據。

    2-1-2 參考結構選擇2

    圖2-2所示的參考結構選擇2允許運營商由R99 UMTS過渡到R00全IP網絡，它的一個主要目的是為了支持R99電路交換終端，使R99電路交換（CS）域業(yè)務和分組交換（PS）域業(yè)務能夠獨立地發(fā)展。

    結構選擇2允許由結構選擇1支持的所有業(yè)務，與結構選擇1共用承載級傳送和控制，并應容納各種正在實施的傳送機制，例如，實時/用戶報/因特網協議（RTP/UDP/IP），？（AAL2/ATM）或？（STM）

    參考結構選擇2包含參考結構選擇1的基于SGSN/GGSN/CSCF的各種業(yè)務，因此，2-1-1節(jié)所述的定義和工作結構方法業(yè)使用于選擇2的SGSN/GGSN/CSCF部分。

選擇2中增加了與R99 CS域有關的兩種控制單元，即移動交換中心（MSC）服務器和網關移動交換中心（GMSC）服務器。

選擇2得益于R99的Iu接口方式，因為用戶數據傳送與控制分離，所以允許UMTS地面無線接入網（UTRAN）經由與MSC服務器分離的媒介網關（MGW）接入核心網。在UTRAN與MSC服務器之間利用Iu的控制部分，即無線接入網接入協議（RANAP）。

通過使各服務器終接移動應用部分（MAP）和用戶網信令（呼叫控制CC和移動性管理MM），可以達到R99 UMTS CS域的業(yè)務和網絡遷移演化的要求。

圖2-2參考結構選擇2

Iu是UTRAN與全IP核心網之間的參考點，在UTRAN與SGSN間，Iu基于IP方式；在UTRAN與MGW間，Iu（Iu-cs）可以基于不同的傳送方式。

在歸屬用戶服務器與MSC服務器和GMSC服務器之間運行MAP。

2-1-3 網絡的邊界

    在將GGSN和GGSN+MGW分別視為至IP網和PSTN/傳統網的邊界的情況下，需要弄清如何確定MGW和怎樣保證至該MGW的最可選路由的問題。在呼叫發(fā)生時，CSCF需要確定適合該呼叫的MGW。例如，需要確定該呼叫是到PSTN，去到哪個PSTN網絡，還是經由IP網絡的語音電話呼叫。這種確定只有當CSCF（還可能由SCF）分析呼叫建立信令之后才有可能作出。這一分析可以改變被叫方的號碼，例如將被叫方地址由相應于一個IP終端的地址修改為相應于一個外部PSTN終端的地址。只有這時才能確定最佳的MGW，而且這一確定不可能在SGSN作出確定之前完成。在經由H.225信令將該MGW地址送回UE后，該UE便能激活指向適當網絡的支持用戶平面業(yè)務的一個PDP過程，所謂適當的網絡是指最能使用戶用來抵達該MGW的網絡。當加裝MRF后的最優(yōu)選路的一些問題，直至達成有關什么是網絡的邊界的協議之后才能夠確定。