UMTS系统结构和核心网络通信协议体系分析，曹素华，肖扬，通用移动通信系统(UMTS)是IMT-2000第三代移动通信系统(3G)的重要组成部分之一，本文概述UMTS系统和技术的总体框架，首先介绍UMTS系统的体�
中国武技论文在线 http://www.paperedu.cn enow GON EIRI s Nsc gerver CSeMMIGw ESS BSC RNC RNC BTs 是是 tIn I USIN 图23GPP的网终结构(R4) Figure 2: Network structure ofR4 L1着 ToT crve M-s s·Iw Cs. w BSS BSc R Nc RNe Brs BT. x sIMM ISIT 图33GPP的网络结构(R5 Figure 3: Network structure of r5 图3给山了3GPPR5的核心网结构[13],与R4版本相比,个显著变化是增加了 IMS( nternet Protocol Multimedia Subsystem),3GPP标准给出了Ms的详细描述,但没有详 细定义IM业务( IM Service) 中国武技论文在线 http://www.paperedu.cn IP Multimed Leg丶 ey mobi命 Networl malling Network BGCF CSCF PSTN k BGCF IM- MGCF MGW CSCF HSS MRF PCSCF! PCF IM Subsystem 图4 IM Subsystem的实体配置 Figure 4: Entities in IM Subsystem IMS的基本配置如图4所示。MMGW( IP Multimedia Media Gateway)终结来自电路域 和分组域的承载信道,可以支持媒体格式转换、承载控制和負载处理等。CSCF(Cll! ession Control function)叮以是 PrOXy csce( P-CSCF)、 Serving CSCF( S-CSCF和 Interrogating CSCF(-CSCF)。 3UMTS接口协议 无线 控制平面 用户平面 网络 应用协议 数据流 -----: 传输;输网络用户;}传输网络控制平面;;传输网络用户 网络层 平面 :: LALCAP(s) 平面 信令承载 信令承载 数据承载 物理层 1-=============-1 I-- ---------·1.------------- ======m=m= 图5UMTS接∏通用协议模型 Figure 5: General protocol module of UMTS interface UMTS接口协议结构的设计是根据相冋的通用协议模型(如图5所示)进行的,协议结构 各层及各平面逻辑上彼此独立,将来根据需要,协议结构的一部分可以进行修改,而其余部 分保持不变 山国利技论文在线 http://www.paperedu.cn t口1H1ane 凵se上1过e 上etva1 RANAP 1IuUP Protocol L Trarspuil Nelwrurk TrarspurL It TrarpurL Ne Lurk Network Uacr Plo Control pla Uacr Planc 211 LIFG SSk-上! H-NNT 直T5 工5 工之 鸟TM 图6Iu(cs协议结构 Figure 5: Protocol Stack of lu CS interface 图6给出了Iu(cs)总体协议结构,Iu(cs)控制平面协议栈包含位于宽带7号信令协议上 层的 RANAP,协议可用层是信令连接控制部分(SCCP)、消息传送部分(MTP3-b)和网对网接 口信令ATM适配层( SAAL-NNI)。 Iu(cs协议结构的传输冈络控制平面协议栈包含在BBNo.7上层用于建立AAL2连接 (Q2630.1和Q2150.1)的信令协议。 4UMTS的无线接口协议 UMTS系统的空中接口Uu有UTRA( Universal Terrestrial radio acces)FDD和TDD两 种操作模式。本文只介绍 UTRA FDD。无线接∏协议用来建立、重新配置和释放无线承载 业务。无线接口协议结构如图7所示,图中椭圆表示业务接入点( Service access point) 斗B 控空制平面 用户平面 上EC contol PDCH PDCP LZ/PDCP R MC. I,2压MC L/RLC RLC RLC MAc LZ/MAC 传输信道 物理层 图7 UTRAN FDD无线接口协议结构 Figure 7: Radio Protocol Structure ofUTRAN FD 山国利技论文在线 http://www.paperedu.cn UTRA无线接口协议包括三层,第一层(L1)物理层,第二层(L2)数据链路层,第三层(L3) 閃络层。L2被分成儿个子层,从控制半血看,包含媒体接入控制(MAC, Medium access Control)协议层和无线链路控制( Radio link contro)协议层;从用户平面看,除了MAC D层和RIC层外,还有两个依赖于业务的协议层,分组数据汇聚协议层(PDCP, Packct data Convergence Protocol)和广播/组广播控制(BMC, Broadcast Multicast Control)协议。L3只有 个协议了层即无线资源控制(RRC, Radio resource control)层,是属于控制平面的。物理 层通过传输信道冋MAC提供业务,所要传输的数据决定传输信道如何和以什么样的特征传 输εMAC层通过逻辑信道提供业务给RLC层,逻辑信道由发送的数据类型决定其特征。 RLC层通过业务接入点将业务提供给高层,业务接入点用来描述RLC层如何处理数据 分组。在控制平面,RRC使用RLC传输信令;在用户平面,所有的业务都使用RLC。PDCP 只存在于分组域业务,BMC用来传送由小区广播中心产生的无线接口协议。RRC层也是通 过SAP将业务提供给高层(非接入层),SAP在UE和 UTRAN侧分别由高层协议和Iu接口 RANAP协议使用。 4.1传输信和物理信道呼叫控制协议 传输信道根据数据在无线接凵上传输的方式和特点分为两种:专用传输信道和公共传输 信道 专用传输信道只有一种,即DCH( Dedicated Transport Channels),可以是上行或下行, 覆盖整个小区或采用波束赋形天线( Beam- orming antennas)只覆盖小区的一部分。 公共传输信道有广播信道(BCI, Broadcast channel)、前向接入信道(FACH, Forward Access Channel)、寻呼信道(PCH, Paging Channel)、随机接入信道(RACH, Random access Channel)、公共分组信道CPCH, Common packet Channe和卜行共享信道 ( SCH, Downlink Shared Channel) 基本的 UTRAN网终必须的公共传输信道是RACH、FACH、BCH和PCH,而DSCH 和CPCH是可选的。 物理层提供给上层的另外的服务是指示( Indicator)),规范中规定的指示包括:捕获指示(AI, Acquisition Indicator)、接入前缀指示(AP, Access preamble indicator)、信道指配指示(CAL, Channel assignment)、碰撞检测指示(CDl, Collision detection indicator、寻呼指示(PI,Page Indicator和状态指小(SI, State Indicator 物理信道定义为个特定的载频( Carrier Frequency)、扰码( Scrambling Code)、信道化码 ( Channelization code)、起止时间(时间间隔)和一个上行相对相位(0或/2)的组合。另外,物 理信道除了数据部分外,还包括控制部分和一些物理符号( Signal。 规范中规定的码片组合有以下几种: (1)无线帧:一个无线帧包含15个时隙,38400个码片 (2)时隙:一个时隙是包含数据位的域组成的时间间隔,2560个码片。 上行物理信道分为上行专用物理信道和公共上行物理信道。上行专用物理信道分为专用 物哩数据信道( DPDCH, Dedicated Physical Data〔 hannel和专用物理控制信道( DPCCH Dedicated Physical( ontrol channel),图8给出了上行专用物理信道DPDCH/DPCO)的帧结 构。其中,Piot为导频比特,用来进行信道估计;TFCI为传输柊式组合指示,指示当前帧 的数据格式;TPC为发送功率控制,传送进行卜行链路功率控制需要的功率控制命令;FBI 为反馈信息比特,下行链路使用闭环发射分集时使用FBI比特 中国武技论文在线 http://www.paperedu.cn DPDCH T+=2560chs,b=10*2bts(x=0.6 bita Norbit 上 TE bits Tk-=2道0 10 bits t和Smt料 1:瓶 slot=14 T=10 图8行专用物理信道( DPDCHIDPCCH)帧结构 figure 8: Frame stru of DPDCH/DPCCH 公共上行物理信道有物理随机接入信道( PRACH, Physical Random Access Channel)和物 理公共分组信道( PCPCH, Physical Common Packet Channel) PRACH由一个或多个长度为 4096个码片的接入前缀和一个长度为10ms或20ms的消息部分组成,每个接入前缀包含长 度为16码片的256次重复,最多有16个签名( Signature)可用。下行物理信道分为下行专用 物埋信道和下行公共物理信道。下行专用物理信道只有种,即DPCH( Dedicated downlink Physical Channel,在一个下行DPCH信道上,L2层及高层产生的专用数据与物理层产生的 控制信息以时间复用的方式传输。下行专用物理信道的帧结构如图9所示 卜行公共物理信道有公共导频信道( CPICH, Common pilot channel)、主公共控制物理信 道(P- CCPCH, Primary Common Control Physical Channe)和辅助公共控制物理信道 (S- CCPCH, Sccondary Common Control Physical Channel)、同步信道(SCH, Synchronization Channel)和下行物理共享信道( PDSCH, Physical Downlink Shared Channel) DEta Centro Nmit hts T1=250cira10*16t(1 Slot #0 Slo#1 S1叶 31t#4 图9下行专用物理信道(DPCH)的帧结构 Figure9:上 rame structure of dpc上 4.2传输信道和物理信道的映射 传输信道和物理信道的昳射关系如图10所示 7 山国利技论文在线 http://www.paperedu.cn Transport channels Physical Channels Dedi cated Physical Data Channel (DPD CH) Dedi cated Physi cal Control Channel (DPCCH) RACH Phy sical Random Access Channel (PRACH) PCH Physical Common Packet Channel (PCPCH) Common Pilot Channel (CPICH) BCH Prmary Common Control Physical Channel (P-CCPCH) FACH Secondary Common Control Physi cal Channel (S-CCPCH) PCH Synchroni sation Channel (SCH) DSCH Phy sical Do wnlink Shared Channel (PDSCH) Acqui siti on Indi cator Channel (AICH) Access Preamble Acquisition Indicator Channel (AP.AICH) Paging Indicator Channel (PICH) CPC H Status Indi cator Channel (CSICH) Collision-Detection/Channel-Assignment Indicator Channel (CD/CA-ICH) 图10传输信道和物理信道的映射关系 Figure 10: Relation between transport channels and physical channels 结束语 3GPP规范是十分复杂的规范体系,而且第三代移动通信技术发展迅猛,规范也在不断 完善和发展,核心网在不断演走,无线接∏规氾也添加了许多新内谷。本文介绍了UMTS 体系结构及其演进,接口协议基于R4版本。R4版本是3GP规范中最稳定、成熟的版本4。 R4版本的主要特征是完成了TD- SCDMA在3GPP的标准,核心网部分主要是在电路交换域 将承载与控制分开。R5版本的核心閃部分结构上有较大变化,引入IP多媒体子系统,是全 IP的第一个版本,而R6版本中则基本上完成了IMS核心网子系统的设计。最新的R7版本 则是为B3G作准备的 参考文献 [1]常永宏编著.第三代移动通信系统与技术.人民邮电出版社,2002年3月 [2]胡捍英等编著.第三代移动通信系统.人民邶电出版社,2001年8月 [3][美]John(. Proakis著张力军等译.数字通信(第一版).电子T业出版社,2001年4月 [4]赵珑.移动通信技术发展的回顾与展望.山东通信技术,2002年3月,2(1) [5]邬国扬编者CDMA数字蜂窝网西安电子科技大学出版社,2002年6月 [6http://www.umntsworld.coml [7]http://www.umts-forum.org 第一作者简介:曹索华(1979.10-),性別:男,民族:汉,籍贯:江西新余,单位:北 京交通大学信息科学研究所,学历:硕士,硏究方向: WCDMA移动通信,通信地址:北 京交通大学信息科学研究所,邮编:10004,电话:010-51684010,Fma: suhua. cao@163com