1.5 3G UMTS核心网CS&PS&IMS

1.5.1 UMTS概述

随着移动用户市场的不断扩大，用户对移动网络所提供的服务要求也日趋增高，尤其在数据服务方面。GPRS所能提供的数据速率最大为171.2 kbps（理论值），仍然不是很理想。因为GPRS网络对频率的应用以及调制技术基本与GSM相同，都不能满足速率的要求。

UMTS系统采用CDMA技术，使得频率利用率大大提高，同时调制技术的改善（QPSK），使得UMTS系统抗干扰的能力加强。由于UMTS支持的传输速率高（384 kbps），所以它可提供丰富的增值服务，从而为运营商带来新的利润增长点。考虑到现存的2.5G网络，UMTS系统可在此基础平滑过渡，即只需增加无线部分，而核心网部分基本不变。

1.5.2 UMTS R99网络结构

R99 版本最大的特征在于网络结构上继承了广泛采用的第 2 代移动通信系统——GSM/GPRS核心网结构。与GSM不同的是在WCDMA无线接入网部分引入了全新的无线接口WCDMA，并采用了分组化传输，更有利于实现高速移动数据业务的传输。在接口方面引入了基于ATM的Iub， Iur和Iu接口，该版本功能在2000年3月确定，目前标准已相当完善，后续版本将都向2002年3月版兼容。

图1-5是UMTS系统R99网络结构，UMTS系统可分为3部分：用户终端、无线接入网和核心网。核心网兼容2G和3G接入，本节只介绍3G用户终端和UTRAN。

（1）用户设备

用户设备（User Equipment，UE）是用户端终止无线信道的设备，通过空中无线接口 Uu 给用户提供接入网络业务的能力。它主要包括射频处理单元、基带处理单元、协议栈模块和应用层软件模块等。UE由移动设备（Mobile Equipment，ME）和用户识别模块（User Service Identity Module，USIM）两部分组成。

（2）UMTS陆地无线接入网（UMTS Terrestrial Radio Access Network，UTRAN）

UTRAN从功能和位置上看非常类似于GSM系统中的BSS。一个UTRAN由几个无线网络系统（Radio Network System，RNS）组成，每个RNS又由一个无线网络控制器（Radio Network Controller，RNC）和它下面所带的多个Node B组成。

[1] RNC（Radio Network Controller）：

RNC是无线网络控制器，用来控制和管理它下面所带的Node B，主要完成连接建立、断开、切换、宏分集合并及无线资源管理控制等功能，其位置和功能非常类似于 GSM 中的BSC，具体功能有：执行系统信息广播与系统接入控制，切换和RNC迁移等移动性管理，宏分集合并，功率控制，以及无线承载分配等无线资源管理和控制功能。

[2] Node B：

Node B是WCDMA系统的基站（即无线收、发信机），负责一个或多个小区的无线收发，通过标准的Iub接口和RNC互连，主要完成Uu接口物理层协议的处理，其主要功能是扩频、调制、信道编码与解扩，以及解调和信道解码，还包括数字基带信号和空中射频信号的相互转换等功能。

Node B由射频收发放大、射频收发系统TRX、基带部分、传输接口单元和基站控制部分几个逻辑功能模块构成。

（3）核心网（Core Network，CN）

UMTS核心网的功能有：呼叫（包括语音和数据）的处理和控制、信道的管理和分配、越区切换和漫游的控制、用户位置信息的登记和处理、用户号码和移动设备号码的登记和管理、对用户实施鉴权，以及互连和计费功能。从逻辑上可分成核心网−电路域（Core Network-Circuit Switched，CN-CS），核心网−分组域（Core Network-Packet Switched， CN-PS），以及两者共有部分。

● CN-CS域：可以基于2G的MSC平台演进而成，用于向用户提供电路型业务的连接，包括MSC/VLR和GMSC等交换实体以及用于与其他网络互通的IWF实体等。CS域支持多速率AMR语音视频业务。

● CN-PS域：可以基于2.5G的GPRS平台演进而成，用于向用户提供分组型业务的连接，包括SGSN、GGSN以及与其他PLMN互连的BG等网络实体。PS业务支持FTP，WWW，VOD，NetTv和Netmeeting等业务。

● 两者共有部分：UMTS 还具有一些 CN-CS 和 CN-PS 域共用的网络实体，如HLR/AuC，SMS SC和SCP等。SMS SC是短信中心，使用MAP协议，短信业务可以通过CN-CS域或CN-PS域提供。SCP是移动智能网业务控制点，使用CAP协议，对于预付费用户，CN-CS域或CN-PS域的业务都可以实现预付费控制。

1.5.3 UMTS R4网络结构

UMTS R4在CS域有很大改进，主要体现在：呼叫控制与承载层相分离，语音和信令实现分组化。MSC Server处理信令，MGW（媒体网关）处理语音和数据业务。MSC Server采用H.248协议（MEGACO协议）对MGW进行控制，如图1-6所示。

当基于IP的CS核心网与基于TDM的电路交换网，如PSTN，ISDN和PLMN互通时，可通过信令网关SG完成信令的IP承载与TDM承载之间的转换。SG可以是独立设备，或是集成在其他物理实体中，如在MSC Server和MGW中，SG采用IETF制定的SIGTRAN协议。

在UMTS R99以前的电路域核心网中，MSC业务实现、呼叫控制和底层的交换矩阵属于电路交换，如图1-7所示。UMTS R4以后，电路域核心网由“MSC Server+MGW+SG”组成，核心网内部可以实现分组交换，称为软交换。这样UMTS R99到UMTS R4电路域实现了从电路交换到软交换的过渡。

WCDMA Iu接口基于ATM承载，编/解码单元TC归属于MGW，当R4网络内两个移动终端之间进行语音通信时，整个路径上传送WCDMA终端所用的AMR语音，不需要经过两次TC编/解码转换。这种方式称为TrFO（Transcoder Free Operation），即免编/解码操作。而传统的语音传送模式是从AMR语音到G.711 PCM语音，再到AMR语音的转换，如图1-8所示。

采用 TrFo 的好处有：避免语音编/解码操作对于语音质量的损伤，有利于提高语音质量；节省语音编/解码器（Tc）开销，降低设备投资成本；3G网络内部以及3G网络与其他网络互通的语音在R4软交换网内都以AMR编码的形式传递，节省传输带宽。

UMTS R4网络将TC推到了移动网络的边缘，即与PSTN网络和传统GSM/CDMA网络相连的关口局MGW中。

1.5.4 UMTS R5网络结构

IMS定义了UMTS核心网向全IP演进的网络结构。IMS是Internet的业务模式和传统电信网络的管理模式相结合的产物，既具备了 Internet 丰富灵活的业务提供能力，又继承了传统电信网严谨的管理体系和优良的服务质量。

UMTS R5核心网增加了IMS（IP Multimedia Subsystem），实现了会话控制实体CSCF和承载控制实体MGCF在物理上的分离。它以分组域作为承载传输，更好地实施了对多媒体业务的控制。

IMS的体系结构如图1-9所示，IMS网络可以通过PS接入，也可以通过其他接入网络接入（如WLAN和xDSL），可以与CS域以及其他的IMS网络互通。IMS网络的功能实体大致分为：会话管理与路由类（CSCF）、数据库类（HSS，SLF）、网间配合类（BGCF， MGCF，MGW和SGW）、服务类（MRFC和MRFP）和支撑类（PDF）几类。

IMS的功能实体描述如下。

● 代理呼叫会话控制功能（Proxy Call Session Control Function，P-CSCF）：是IMS系统中用户的第一个接触点，转发所有SIP客户端的注册和呼叫，根据主叫/被叫的SIP URI去找到其相应的归属域。

● 问询呼叫会话控制功能（Interrogating CSCF，I-CSCF）：是归属域的入口，为每个呼叫找到相应的S-CSCF。

● 服务呼叫会话控制功能（Serving CSCF，S-CSCF）：是整个IMS的控制核心，位于归属网络，完成用户注册认证、会话控制、URI解析和应用服务器触发等功能。

● 归属用户服务器（Home Subscriber Server，HSS）：是用户数据库服务器，包括用户身份、注册信息、接入参数和服务触发信息等。

● 签约关系定位功能（Subscription Location Function，SLF）：当部署了多个HSS时，能够找到给定用户签约的HSS，向I-CSCF和S-CSCF提供用户标识到HSS名的解析。

● 媒体资源控制器（Media Resource Function Controller，MRFC）和媒体资源处理器（Media Resource Function Processor，MRFP）的功能：根据S-CSCF和/或应用服务器的调用，MRFC通过H.248协议控制MRFP完成相应的媒体流编/解码、转换、混合和播放，在系统中起到会议桥和IVR的作用。

● 媒体网关控制功能（Media Gateway Controller Function，MGCF）：是使IMS用户和CS用户可以进行通信的网关。

● 媒体网关（Media Gateway，MGW）：提供CS网络（PSTN和GSN）和IMS之间的用户平面链路。

● 出口网关控制功能（Breakout Gateway Control Function，BGCF）：负责选择到CS域的出口位置，其一是选择同一网络中的MGCF和MGW；其二是选择不同IMS网络中的另一个BGCF，并由其选择MGCF来实现到CS域的出口。

从图1-9可以看出，IMS网络中的主要协议有SIP，Diameter，COPS和H.248。

[1] 会话初始化协议（Session Initiation Protocol，SIP）根据其功能可用于网络网络接口（Network and Network Interface，NNI）、用户网络接口（User and Network Interface， UNI）和IMS服务控制接口（IMS Service Control，ISC）。

● NNI：完成会话控制消息交换，在CSCF之间以及与其他功能实体间交换的是接口消息，在BGCF之间以及与其他功能实体间交换的都是SIP消息，包括的接口有Mw，Mm，Mr，Mg，Mi，Mj和Mk；

● UNI：是UE与P-CSCF之间的Gm接口，完成注册、会话控制和事务处理；

● ISC：S-CSCF和业务平台AS之间接口，用于服务控制。

[2] Diameter 协议基于远程拨入用户认证服务（Remote Authentication Dial In User Service，RADIUS），可用于以下接口。

● Cx接口：在I-CSC /S-CSC和HSS之间，用于位置管理、用户数据处理和认证；

● Sh接口：在AS和HSS之间，用于数据处理和订阅通知；

● Dx接口和Dh接口：分布位于I-CSC /S-CSCF和SLF之间以及AS和SLF之间，用于在多个HSS环境中查找正确的HSS；

● Gq接口：在P-CSCF和PDF之间，用于交换承载控制和计费相关信息。

[3] 公共开放策略服务（Common Open Policy Service，COPS）用于PDF和GGSN之间的Go接口，交换与策略和决策相关的信息。

[4] H.248协议用于媒体网关控制和媒体资源的控制，包括以下接口。

● Mp接口：在MRFC与MRFP之间；

● Mn接口：在MGCF与IM-MGW之间。

1.5.5 UMTS R6&R7网络结构

R6与R5采用相同的网络结构，在R6中，WLAN可以通过PDG（Packet Data Gateway，分组数据网关）接入到 IMS。本阶段的研究工作主要完善网络互通和安全性等方面的内容，同时制定IMS消息类业务相关的规范。

在R7中增加了固定宽带接入方式，如xDSL和Cable等。图1-10是R7网络结构，未来网络是全IP的网络，IMS是统一的控制核心。IMS定义了UMTS核心网向全IP演进的网络结构。IMS的设计思想与具体的接入方式无关，以便IMS服务可以通过任何IP网络来访问，如GPRS，WLAN，xDSL和Cable等。