關(guān)于第三代移動(dòng)通信引入全IP網(wǎng)路結(jié)構(gòu)的問題

王樹甲

最近，世界著名第二代（2G）/第三代（3G）移動(dòng)通信供應(yīng)商愛立信公司，按照移動(dòng)通信技術(shù)約每10年更新?lián)Q代一次的實(shí)際歷史沿革經(jīng)驗(yàn)和發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)，提出了研發(fā)第四代（4G）全IP網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)，引起業(yè)內(nèi)人士的普遍關(guān)注：一些早就熱忠于電信、有線電視、因特網(wǎng)“三網(wǎng)融合”論者，特別是新聞媒體又從無線通信領(lǐng)域得到聲援，觀點(diǎn)更加鮮明和堅(jiān)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(wù)實(shí)的運(yùn)營商和高層管理人員被移動(dòng)通新技術(shù)的飛速發(fā)展弄得迎接不暇，對(duì)4G的提出感到十分突然，持回避態(tài)度。

事實(shí)上，3G移動(dòng)通信合作組職（3GPP）早在1999年便提出了在通用移動(dòng)通新系統(tǒng)中發(fā)展全IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的技術(shù)報(bào)告（TR）。因?yàn)闃I(yè)內(nèi)人士誰都十分清楚，3G決不是移動(dòng)通信技術(shù)的終結(jié)。又鑒于預(yù)期日本2001年10月3G投產(chǎn)運(yùn)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(yuǎn)的超前理念。當(dāng)然，4G的定義、目標(biāo)、內(nèi)容及其與3G的關(guān)系和演進(jìn)途徑，需要世界范圍的協(xié)調(diào)，而不是哪一家說了算的。然而，歷史的經(jīng)驗(yàn)多次表明，協(xié)調(diào)的發(fā)言權(quán)主要屬于創(chuàng)新者、先行者、實(shí)踐者，這也是由“沒有調(diào)查就沒有發(fā)言權(quán)”的哲理所決定的。

一、         對(duì)移動(dòng)通信全IP結(jié)構(gòu)的要求

1-1基本目標(biāo)與概念

全IP結(jié)構(gòu)是一種基于分組數(shù)據(jù)技術(shù)和因特網(wǎng)協(xié)議技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其主要目標(biāo)是，使

各移動(dòng)通信運(yùn)營商能夠采用IP技術(shù)同時(shí)傳送各種實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)的3G業(yè)務(wù)。這種結(jié)構(gòu)應(yīng)以演進(jìn)方式，并應(yīng)與國際電聯(lián)的建議IMT-2000相互兼容，提供終端設(shè)備的全球移動(dòng)性和漫游。

全IP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)提供基于具有公用核心網(wǎng)（CN）的擴(kuò)充無線接入網(wǎng)（ERAN）和UMTS地面無線接入網(wǎng)（UTRAN）的無線移動(dòng)接入業(yè)務(wù)，而且，都應(yīng)基于通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）的演進(jìn)。在這種前后關(guān)系中，擴(kuò)充的GPRS（E-GPRS）無線接入網(wǎng)是一種支持GSM演進(jìn)的增強(qiáng)數(shù)據(jù)（EDGE）業(yè)務(wù)的200kHz GSM方式的網(wǎng)絡(luò)，并向支持實(shí)時(shí)分組業(yè)務(wù)演進(jìn)。雖然EDGE不在3GPP范圍之內(nèi)，但就這兩種接入技術(shù)來說，它們對(duì)全IP網(wǎng)結(jié)構(gòu)的CN網(wǎng)的要求是共同的。所以，這種網(wǎng)絡(luò)的特性主要表現(xiàn)為：

·        采用基于GPRS的演進(jìn)策略；

·        具有包括UTRAN和ERAN在內(nèi)的多種無線接入類型的共同網(wǎng)元；

·        利用IP協(xié)議的分組傳送方式；

·        能夠使用各種IP客戶終端；

·        支持話音、數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)以及具有相同網(wǎng)元的業(yè)務(wù)。

該技術(shù)報(bào)告還包括以IP技術(shù)方法支持各種電路交換（CS）業(yè)務(wù)的問題，指出這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于：

·        利用IP技術(shù)能夠提供無縫業(yè)務(wù)而不管接入方式如何，例如，不管用戶經(jīng)由傳統(tǒng)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(xié)同作用，從而降低成本；

·        是同時(shí)傳送話音、數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)的有效解決方案；

·        支持各種業(yè)務(wù)的高層控制；

·        通過IP實(shí)現(xiàn)綜合而低成本的操作管理（OA&M）系統(tǒng)；

·        由于支持IP客戶終端而具有各種因特網(wǎng)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)；

·        采用分組傳送方式而有效地降低各種業(yè)務(wù)成本。

1-2業(yè)務(wù)能力

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

一種或多種網(wǎng)絡(luò)功能提供的，如圖1-1所示；應(yīng)能夠由運(yùn)營商為其特定的業(yè)務(wù)能力不斷引入

SCFs；須由各種應(yīng)用為接入SCFs引入標(biāo)準(zhǔn)接口，即所謂應(yīng)用接口，而這種接口須在應(yīng)用與SCFs之間提供一種可控的、安全的、可計(jì)費(fèi)的關(guān)系；應(yīng)用接口必須依照用戶的預(yù)訂申報(bào)數(shù)

圖（1-1）業(yè)務(wù)能力特性與業(yè)務(wù)能力的關(guān)系

圖（1-1）業(yè)務(wù)能力特性與業(yè)務(wù)能力的關(guān)系

據(jù)（Profile）提供SCFs；各種應(yīng)用可以位于服務(wù)器和/或移動(dòng)終端，但只能通過各SCFs接入各業(yè)務(wù)能力；各種應(yīng)用經(jīng)由SCFs既能利用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)功能所提供的能力，又能利用IT系統(tǒng)所提供的各功能。

    1-3 編號(hào)方案

編號(hào)方案標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)允許以單一標(biāo)識(shí)號(hào)碼（如MSISDN）選路移動(dòng)終接通信業(yè)務(wù)的移動(dòng)用戶的終端設(shè)備，但不排除不同業(yè)務(wù)和能力（如數(shù)據(jù)、傳真、短消息）正在使用的多地址號(hào)碼。取決于終端能力、業(yè)務(wù)負(fù)荷和覆蓋狀況，網(wǎng)絡(luò)將經(jīng)由可用的資源選路到所呼叫的終端。當(dāng)各網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)到全IP結(jié)構(gòu)后，將需要基于單一標(biāo)識(shí)號(hào)碼的選路能力，以保持業(yè)務(wù)的透明性。

    1-4 無線方式

在全IP結(jié)構(gòu)中支持業(yè)務(wù)和信令的無線電資源利用應(yīng)得到優(yōu)化；在CN網(wǎng)與無線接入網(wǎng)（RAN）之間應(yīng)區(qū)分與無線有關(guān)和非有關(guān)的功能特性；在RAN中應(yīng)區(qū)分用戶平面協(xié)議棧和控制平面協(xié)議棧；對(duì)于同一空中鏈路上的多種不同類型的業(yè)務(wù)量，應(yīng)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(duì)于諸如信頭壓縮、信頭拆卸一類的實(shí)時(shí)應(yīng)用，應(yīng)提供端到端IP傳送的優(yōu)化；為支持實(shí)時(shí)應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)控制的切換過程應(yīng)有很短的中斷；RAN中的各協(xié)議棧應(yīng)支持具有不同QoS要求的各種業(yè)務(wù)；RAN網(wǎng)所采用的QoS機(jī)制與分組CN網(wǎng)所采用的QoS機(jī)制應(yīng)具有互工作/互操作特性；對(duì)于空中鏈路上的多種不同類型的業(yè)務(wù)量，RAN網(wǎng)應(yīng)具有承載區(qū)分能力，以實(shí)現(xiàn)最大的頻譜利用率；對(duì)于諸如語音業(yè)務(wù)一類的應(yīng)用應(yīng)優(yōu)化編/譯碼和交織特性；應(yīng)支持每IP地址的具有不同QoS的多種數(shù)據(jù)流；應(yīng)采用諸如統(tǒng)計(jì)復(fù)用一類的技術(shù)，使頻譜效率最高；ERAN應(yīng)支持GPRS和EGPRS業(yè)務(wù)。

    二、全IP PLMN的結(jié)構(gòu)

    2-1 參考結(jié)構(gòu)

全IP PLMN的參考結(jié)構(gòu)提供兩種選擇，選擇1的目標(biāo)允許運(yùn)營商采用全IP方式的結(jié)構(gòu)傳送3G各無線/移動(dòng)業(yè)務(wù)，這種結(jié)構(gòu)以分組技術(shù)和IP電話為基礎(chǔ)，適于同時(shí)地傳送各種實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)；選擇2除支持選擇1 IP方式的業(yè)務(wù)外，還允許支持3GPP 1999版的電路交換（CS）域終端設(shè)備。

2-1-1參考結(jié)構(gòu)選擇1

選擇1的參考結(jié)構(gòu)及其各組成部分如圖（1-1）所示，它提供靈活性和可擴(kuò)充性的機(jī)制，支持全球漫游，并與諸如PLMNs、PDNs及其它多媒體VOIP網(wǎng)絡(luò)一類的外部網(wǎng)絡(luò)有互工作性。參照?qǐng)D（1-1），端到端的結(jié)構(gòu)由下列部分組成：

1）              無線網(wǎng)絡(luò)

無線網(wǎng)絡(luò)部分包括與移動(dòng)用戶、無線空中鏈路和無線接入網(wǎng)有關(guān)的設(shè)備,RAN支持

UTRA和EDGE技術(shù)。允許運(yùn)營商使用其它接入網(wǎng)絡(luò)，如ERAN和HIPERLAN 2。ERAN定義為包括支持200kHz EDGE調(diào)制方式和實(shí)時(shí)分組業(yè)務(wù)的GSM BSS的RAN。ERAN與CN之間的參考點(diǎn)標(biāo)為Iu_ps’， 表示該參考點(diǎn)是Iu，而預(yù)期的實(shí)施方法類似于Iu_ps。

2）              GPRS網(wǎng)絡(luò)

GPRS網(wǎng)絡(luò)部分具有GPRS支持節(jié)點(diǎn)（GSNs），它為移動(dòng)終端（MTs）提供移動(dòng)性管理

（MM）和分組數(shù)據(jù)協(xié)議（PDP）激活業(yè)務(wù)，如同是在R99 GPRS分組交換域網(wǎng)絡(luò)。GPRS網(wǎng)絡(luò)的HLR功能由歸屬用戶服務(wù)器（HSS）提供。

3）              呼叫控制

呼叫控制部分是最為嚴(yán)格的功能。呼叫狀態(tài)控制功能（CSCF）、媒介網(wǎng)關(guān)控制功能

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

介資源功能（MRF）都包含傳送各種實(shí)時(shí)移動(dòng)/無線業(yè)務(wù)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(guān)守（GK）或會(huì)晤初始化協(xié)議（SIP）服務(wù)器，一直有意保持其結(jié)構(gòu)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(jī)制。用戶數(shù)據(jù)文檔（Profiles）由歸屬用戶服務(wù)器保存維護(hù)。送至多媒體IP網(wǎng)絡(luò)的信令僅經(jīng)由CSCF接口，而承載直接與網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）接口。媒介資源功能（MRF）提供媒介混合、復(fù)用及其它處理和產(chǎn)生功能，對(duì)于承載媒介與各承載部分接口，對(duì)于信令與CSCF接口。

圖1-1參考結(jié)構(gòu)選擇1

4）至外部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)

全IP網(wǎng)絡(luò)與其它PLMNs、PDNs、VOIP、傳統(tǒng)2G一類網(wǎng)絡(luò)的互連接性由GGSN、MGCF、MGW、R-SGW和T-SGW功能實(shí)體支持。關(guān)于與其它PLMNs的接口，不論承載媒介還是信令都經(jīng)由它們各自的GPRS部分。CSCF是一個(gè)新的組成部分，它也參與這種信令。送至傳統(tǒng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的信令經(jīng)由R-SGW、CSCF、MGCF、T-SGW和HSS接口，而往返于傳統(tǒng)PSTN的承載媒介經(jīng)由MGW接口。傳統(tǒng)電路交換信令經(jīng)由CSCF、MGCF和T-SGW接口，而往返PSTN的承載媒介經(jīng)由MGW接口。

5）業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)部分可以描述為外部實(shí)體，并在第7節(jié)詳細(xì)介紹。非標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)經(jīng)由至應(yīng)用業(yè)務(wù)層的各接口提供，HSS、SGSN和CSCF與應(yīng)用和業(yè)務(wù)部分相接口。

用戶設(shè)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(wǎng)絡(luò)的多媒體信令，它在無線、Iu、Gn和Gi各接口上傳送。

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

全IP網(wǎng)絡(luò)中全IP MSs的移動(dòng)性管理基于選路區(qū)標(biāo)識(shí)（RAId），而全IP網(wǎng)絡(luò)中有電路交換能力的MSs的移動(dòng)性管理基于RAId和位置區(qū)標(biāo)識(shí)（LAId）。關(guān)于全IP網(wǎng)與2G移動(dòng)網(wǎng)間的相互漫游，需要一種變換標(biāo)識(shí)格式的機(jī)制，即MS從全IP網(wǎng)漫游到2G網(wǎng)僅需知道原有的選路區(qū)（RA），而從2G網(wǎng)漫游到全IP網(wǎng)還需要給定2G-MSC的LAId。當(dāng)在MS從3G-R00網(wǎng)漫游到2G網(wǎng)之后，2G-MSC怎樣能夠從全IP核心網(wǎng)調(diào)用國際移動(dòng)臺(tái)標(biāo)識(shí)碼，是一個(gè)開放問題。

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

接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（WNNs：GPRS支持節(jié)點(diǎn)GSNs和無線網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)協(xié)議（PDPs）對(duì)QoS有不同的要求，因此不同的PDPs應(yīng)傳送多媒

體信令和用戶數(shù)據(jù)流，然而接入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)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(jié)構(gòu)的方法：IP網(wǎng)絡(luò)主采用通用IP技術(shù)支各種業(yè)務(wù)，包括持由H.323/會(huì)唔啟動(dòng)協(xié)議SIP或ISDN用戶部分（ISUP）控制的多媒體業(yè)務(wù)和語音業(yè)務(wù)；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基于GPRS的演進(jìn)，以適用于同時(shí)傳送實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的IP分組技術(shù)為基礎(chǔ)；為了支持R99電路交換（CS）域的各種業(yè)務(wù)，可以使用R99 CS域的呼叫控制（CC）機(jī)制，這并不防礙運(yùn)營商采用其它機(jī)制來傳送各種CS域業(yè)務(wù)，諸如H.323、SIP或由R99 CS域演化形式的CC機(jī)制；

R00終端為IP方式，并通過IP實(shí)現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)支持個(gè)人移動(dòng)性和語音和據(jù)業(yè)務(wù)在移動(dòng)網(wǎng)與固定網(wǎng)之間的互工作性；與當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)相比，應(yīng)保持或改進(jìn)業(yè)務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)可靠性；應(yīng)增強(qiáng)各全IP接口及其相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口，以支持各種實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)使業(yè)務(wù)控制與呼叫/連接控制分離，用IP傳送替代SS7傳送，并且獨(dú)立于L1和L2的網(wǎng)絡(luò)傳送層；不論業(yè)務(wù)類別、基于ISUP或IP，IP應(yīng)能傳送所有信令和數(shù)據(jù)。

    2-1-2 參考結(jié)構(gòu)選擇2

    圖2-2所示的參考結(jié)構(gòu)選擇2允許運(yùn)營商由R99 UMTS過渡到R00全IP網(wǎng)絡(luò)，它的一個(gè)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(wù)和分組交換（PS）域業(yè)務(wù)能夠獨(dú)立地發(fā)展。

    結(jié)構(gòu)選擇2允許由結(jié)構(gòu)選擇1支持的所有業(yè)務(wù)，與結(jié)構(gòu)選擇1共用承載級(jí)傳送和控制，并應(yīng)容納各種正在實(shí)施的傳送機(jī)制，例如，實(shí)時(shí)/用戶報(bào)/因特網(wǎng)協(xié)議（RTP/UDP/IP），？（AAL2/ATM）或？（STM）

    參考結(jié)構(gòu)選擇2包含參考結(jié)構(gòu)選擇1的基于SGSN/GGSN/CSCF的各種業(yè)務(wù)，因此，2-1-1節(jié)所述的定義和工作結(jié)構(gòu)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(guān)的兩種控制單元，即移動(dòng)交換中心（MSC）服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)移動(dòng)交換中心（GMSC）服務(wù)器。

選擇2得益于R99的Iu接口方式，因?yàn)橛脩魯?shù)據(jù)傳送與控制分離，所以允許UMTS地面無線接入網(wǎng)（UTRAN）經(jīng)由與MSC服務(wù)器分離的媒介網(wǎng)關(guān)（MGW）接入核心網(wǎng)。在UTRAN與MSC服務(wù)器之間利用Iu的控制部分，即無線接入網(wǎng)接入?yún)f(xié)議（RANAP）。

通過使各服務(wù)器終接移動(dòng)應(yīng)用部分（MAP）和用戶網(wǎng)信令（呼叫控制CC和移動(dòng)性管理MM），可以達(dá)到R99 UMTS CS域的業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)遷移演化的要求。

圖2-2參考結(jié)構(gòu)選擇2

Iu是UTRAN與全IP核心網(wǎng)之間的參考點(diǎn)，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(wù)器與MSC服務(wù)器和GMSC服務(wù)器之間運(yùn)行MAP。

2-1-3 網(wǎng)絡(luò)的邊界

    在將GGSN和GGSN+MGW分別視為至IP網(wǎng)和PSTN/傳統(tǒng)網(wǎng)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(shí)，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(gè)PSTN網(wǎng)絡(luò)，還是經(jīng)由IP網(wǎng)絡(luò)的語音電話呼叫。這種確定只有當(dāng)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(hào)碼，例如將被叫方地址由相應(yīng)于一個(gè)IP終端的地址修改為相應(yīng)于一個(gè)外部PSTN終端的地址。只有這時(shí)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(jīng)由H.225信令將該MGW地址送回UE后，該UE便能激活指向適當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的支持用戶平面業(yè)務(wù)的一個(gè)PDP過程，所謂適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)是指最能使用戶用來抵達(dá)該MGW的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)加裝MRF后的最優(yōu)選路的一些問題，直至達(dá)成有關(guān)什么是網(wǎng)絡(luò)的邊界的協(xié)議之后才能夠確定。