3G核心网介绍
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维普资讯 技术探讨 ’ echnele ̄application 技术.应用 中用户移动性管理。鉴权中心(AuC)用于系统的安全 性管理,AuC存储着鉴权信息和加密密钥,用来防止无 权用户接入系统和保证通过无线接口的移动用户通信的 安全。 T—SGW(传输信令网关)/R—SGW(漫游信令 网关):分别用于处理3G—CN和PSTN/ISDN网之 间的信令转换及2G PLMN和3G PLMN之间的漫游 信令转换。 三、3G核心网高可靠性设计方 法探讨 由于MSC交换机已有容错功能,TDM话音网络 具有很高的可靠性,但容量相对较小。因此,TDM话 音网络可靠性设计一般考虑网络拓扑/传输网络可靠 性和供电系统可靠性设计等即可,着重于物理层的安 全。而3G核心网同时承载电路域和分组域业务,与传 统的TDM话音网络在可靠性设计上有所不同:既要考 虑物理层可靠性设计,也要考虑网络层及应用层的可 靠性设计。 1.MSC SERVER的可靠性设计 在3GPP R5中,Iu接口引入了Iu Flex技术。 Flex为Flexible的简写,意为“灵活性”。引入Iu Flex接口的好处体现在以下几个方面:允许RAN的 节点(如RNC/BSC)接入到“池”中的任一个MSC SERVER/SGSN中;网络能提供核心节点路由信息给 UE,UE存贮该路由信息;在初始NAS信令阶段,UE 能提供给RAN现有CN节点的路由信息,减少了核心 网节点(如MSC SERVER与HLR/HSS)之间的交互 信令,提高了网络性能;RAN及CN具有更好的扩展性。 基于Iu Flex的特点,提高MSC SERVER可靠 性的措施可以通过以下两种方式实现。 (1)MSC Server双归属:I+I主备、I+I互备 主备方式:配置两个MSC Server,分别为MSC SFRVER1/2。在正常情况下,MSC Serverl负责所辖 MGW的管理与呼叫处理,MSC Server2通过与MSC Serverl间的心跳线(通常采用SIP—OPTION命令), 实时监控MSC Serverl的工作状态。一旦发现MSC SERVER1故障,便接管MSC SERVER1的所有工作。 互备方式:实质上是负荷分担方式。即在正常情况 下,MSC Serverl、MSC Server2分别管理各子域的 MGW设备及承担本域内的业务处理。当一个设备出现 故障时,其所有业务处理和MGW管理任务立即由另一 个备份设备接管。这种备份方案比较经济,没必要专门 为某台MSC Server设置备份点。 表1为上述两种方式的比较。 (2)N+l备份方式 从表1可以看出,对达到电信级可靠性(P=99.999%) 的MSC SFRVER实施了双机备份后,MTBF由单机 系统的315秒缩短至双机系统的O.003秒。但设备利用 率平均只有5O%,显然偏低。于是便有了N+I备份方案。 N+l方案实际上仍为主备用方案,即其中一个MSC SERVER平时不承担话务,仅当SERVER“池”中的 一个MSC SERVER出现故障时,才接管其话务。随着 N的增加,设备的平均利用率得到提高。 表2是对各种N+I备份方式的比较。 从表2可看出,当N>3时,设备利用率增长明显 减缓,“池”的MTBF不变。但随着N增大,工程实 编辑:孙■sunhui@cww.net.Gn 2OO7年7.q3OEI 表2 N+I备份方式比较 3+1备份方式 4+1备份方式 5+1备份方式 =1-(1一p) 2 =1-(1 ) 2 =l-0-p) 2 可靠性 =2p-p 2 =2p-p 2 =2p-p 2 MTBF 0.003秒 0.003秒 0.003秒 设备平均利用率 75% 80% 83% 施难度会明显增加。故在商用网络上,一般选择N≤3, 这既提高了设备利用率,又具有可操作性,是比较合 理的方案。 2.MGW可靠性设计 Mini-Flex技术是一种用于MGW安全性的方案。 在该方案中,RNC可接人多个MGW,这些MGW都 属于同一个MSC SERVER管辖。 RNC通过MGW1接入到核心网。MGW负荷分 担技术在RNC—MGw1连接的基础上增加了RNC— MGw2、RNC—MGw3两条备份连接线。MSC Server通过H.248的SCTP连接和I1]接口的SCCP 连接判断Iu连接状态,当所有H.248的SCTP连接和 SCCP连接都断 并在一定时间内不能恢复,即判断 出现故障,切换到备份MGW。而RNC则是通过Iu接 口判断对端MGW是否故障,当检测到故障后,启动切 换流程,切换到备份MGW。 3.HSS/HLR可靠性设计 HSS/HLR是典型的计算机数据库。因此,通常采 用1+1主备或N+I主备用方式提高其可靠性。考虑到 HSS/HLR的重要性,采用1+1方案更为合理。 4.其它核心网元的可靠性设计 (1)CG是计费网关,是非常重要的网元。SGSN、 GGSN都将产生的计费信息传送到CG,如果主用CG 失效,可采取重定向措施,将计费信息发送至备用CG。 当然,亦可以采取计算机双机技术来提高CG的可靠性, 但这种方法不具有容灾能力。 (2)GGSN是3G网对外互联的数据网关,物理实 体通常是经过适当修改的路由器。因此,可以采用负荷 分担方法提高可靠性。 (3)IP信令网关主要实现TDM NO.7信令到IP 信令的转换。其可靠性要求比媒体网关要求更高。目前 IP STP的技术受制于IP协议的局限,无论从功能还 是性能上,都达不到基于TDM的NO.7系统。因此, 现阶段大多数厂家将SG内置在MGW中。网间信令互 通采取直联方式。至于MSC SERvER间互通信令, 目前推荐使用BICC。 5.承载网的可靠性设计 3GPP R5以后版本,核心网完全IP化,因此,核 心网元之间由IP网络承载。目前,比较成熟的IP技术 是MPLS VPN/TE/FRR等用于核心网元间的传送技 术。其中,MPLS VPN可以实现安全的隔离,TE(流 量工程)主要用于QoS控制,FRR用于快速重路由。 提高承载网可靠性的方法主要是采用双路由(多路由) 设计。 6.核心网应用层安全性设计 核心网包括CS域和PS域,最大的安全威胁来自 于PS域。主要包括:Gp/Gn域的安全威胁;Gi域的 安全威胁;Gom域安全威胁。 对于来自外部的PS域的威胁,目前主要采取防火 墙、防病毒软件等方法进行防范。基于深度检测的安全 技术日趋完善,预计在不远的将来会得到较好的应用。 对于来自内部的威胁,必须通过加强管理,使用软件等 方法解决。
信j息I产f业 浅谈3 G技术 科 梁金 (四川师范大学成都学院,四川’成都643000) ● 摘要:随着移动通信网络技术的发展,3G成为历史发展的大趋势,对于3G技术的应用也在不断的讨论和深化中。现以3G技术三种标准、 R99及R4版本的发展,深入浅出地探讨3G技术。 关键词:3G:TD—SCDMA;R99;R4 Abstract:With the development of technique of mobile communication network,the 3rd generation of mobile telecommunication has became the main technique.This paper is based on the three standards of 3G and the development of R99 and R4 to analysis the technique of 3G. Key words:3G;TD—SCDMA;R99:R4 前言 3G,即国际电信联盟定义的IMT一2000,第 三代移动通信,是将无线通信与国际互联网等 多媒体通信结合的新一代移动通信系统。能处 理图像、音乐、视频流等多种媒体形式,提供包 括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服 务,支持不同的数据传输速度。3G技术标准有 三种,CDMA2000、WCDMA和TD—SCDMA,由 3GPP和3GPP2来负责具体的标准化工作。而 这三种技术全是以CDMA码分址技术为核心。 1 CDMA技术 CDMA技术直译过来就是码分多址技术。 在移动通信系统中,由于许多移动台要通过一 个基站和其他移动台进行通信,因此,不同的移 动台所发出的信号需要一个不同于其他移动台 的特征,以使基站能从众多的移动台信号中分 辨出是哪个移动台发出的信号,同时,各个移动 台也需要从不同的基站发出的信号中分辨出哪 一个基站是属于自己的。解决这种问题的办法 就是多址方式。多址方式的基础是信号特征上 的差异,有了差异才能进行识别,能识别才能选 择。一般情况下,信号的这种差异可以体现在某 些特定的参数上,如信号的工作频率、信号的出 现时间以及信号所具有的特定波形等。这样就 出现了多种多址方式:FDMA(频分多址)、TD— MA(时分多址)、CDMA(码分多址)等。三种分 多址方式中,由于CDMA的系统容量是最大 的,为其在移动通信领域的发展提供了广阔的 应用前景。 1.1 WCDMA Wide—band CDMA,宽带码分多址,目前全 球建网最多的第三代移动通信技术之一。其核 心网基于演进的GSM/GPRS网络技术,空中接 口采用直接序列扩频。由于WCDMA能够基于 现有的GSM网络,轻易地过渡到3G,使其具有 了先天的市场优势,在欧洲地区占据主流位置, 在北美和亚洲也有广泛使用。 1.2 CDMA 20o0 CDMA2000是从CDMAOne数字标准衍生 而来,沿用了IS一95的主要技术和基本技术思 路。CDMA2000可以从原有的CDMAOne结构 直接升级3G,建设成本低廉,但目前使用地区 只有日、韩和北美。为了提高产品竞争力,CD— MA2000家族后来又加入了CDMA2000 IX、 CDMA2000 1X—EV、CDMA2000 3X等。CD— MA2000 1X在Is一95相同带宽的情况下,速度 高于Is一95,容量提高了一倍。 】3 TD-SCDMA Time Division Synchronous CDMA,时分同 步码分多址技术,是我国提出的具有自主知识 产权的技术。TD—SCDMA在频谱利用率、对业 务支持的灵活性、频率灵活性以及成本方面有 其独特的优势。TD—SCDMA由于采用了时分双 工,上行和下行信道特性基本一致,因此,基站 根据接受信号能够较易地估计上、下行信道特 性。而其使用智能天线技术的先天优势,可以减 少用户间的干扰,从而提高频谱利用率。 2 GPP版本 WCDMA和TD—SCDMA由3GPP来负责其 具体的标准化工作。3GPP版本分为R99/R4/ R5/R6等多个阶段,其中R99阶段于2000年3 月冻结功能。R4阶段于2001年3月冻结功能, R5/R6阶段还在进一步完善过程中。 2.1 R99阶段 R99是目前最成熟的版本,目前国外已经 商用。它的主要特点是无线接入采用了 WCDMA技术,核心网分为电路域和分组域分 别支持话音业务和数据业务,并提出了开放业 务接人(OSA)的概念。 圆 圃 CAP 0ver TOM MAP 0ver TDhI 图1 R99核心网结构 R99的电路域核心网主要设备为GMSC/ MSc,vLR,MSC/VLR和RNC之间用ATM相连 接,设备之间通过ATM信令来交互,媒体流使 用AAL2承载的AMR编码。MSC和GMSC, GMSC和PSTN以及MSC和传统的2GBSS设 备相联等均使用TDM连接,设备之间通过 TDM承载的窄带NO7信令交互,媒体流使用 G.711格式的PCM编码。 2.2 R4阶段 R4版本是向全分组化演化的过渡版本,与 R99比较其主要变化在电路域,引入了软交换 的概念,将控制和承载分离,话音通过分组域传 递。在承载类型上,支持在IP/ATM分组网络上 承载话音,当然也支持在TDM上承载话音。在 信令承载方面引入了SIGTRAN技术,支持承载 在IP上的宽带七号信令网。 R4电路域核心网设备在网络实体上分为 MSC Server和MGW,在MSC Server和MGW 之间通过H.248协议进行网关控制,在MSC Server/GMSC Server之间增加了BICC协议来 囹 CAP 0ver TDhI/IP 圃 MAP over丁DM/IP 图2 R4电路核心网结构 控制局间的媒体流。R4相对于R99来说,新增 了控制和承载分离的软交换架构,引进了媒体 控制协议H.248;宽带七号信令承载SIGTRAN; TrFO功能,以节约TC资源和提高语音质量。 3 R4版本中的一些协议介绍 3.1 BICC协议 ‘ Bearer Independent Call Control,与承载无 关的呼叫控制。BICC直接面向电话业务的应用 提出,由ISUP发展而来。在ISUP的基础上增加 了APM(应用传送)消息和APP参数。BICC通 过APP参数封装应用信息,通过APM消息在 呼叫的过程中实现编解码的协商。 3.2承载与控制分离 承载与控制分离是指控制面的信令和用户 面的承载分别由独立的网元MSC—Server和 MGW来负责。承载与控制分离之后,MSC— Server和MGW就可以分开放置,整个通信网络 更易升级,因为业务的处理逻辑主要在Server 上,开展新业务的时候只需要升级Server即可, 而Server的集中管理也给维护人员带来了便 利。业务的处理、计费、信令的监控等都主要集 中在Server上。 3-3 TrFO Transcoder Free Operation,是在呼叫建立 后通过两个TC(编解码器)对所使用的Codec 进行带外协商的机制,可通过MSC—Server之间 的信令进行协商,使得网络可以在呼叫建立前 就对Codec的类型和模式进行协商,经协商后, 移动用户之间的呼叫可以完全不经过编解码 器,从而提高了话音质量。而且因为采用的是带 外的协商机制,TrFO不需要TC资源,从而节省 了昂贵的TC资源及其带来的功耗。 参考文献 [1]张志强-3G技术普及手册『z1.2004,8:5-12. 【2]TD—SCDMA核心网原理及关键技术『J1.中兴 通讯. 责任编辑:孙兆杰 一
《数据通信》2002年第3期
基于软交换的全IP的3G核心网
殷蔚华
(华中科技大学电信系) 摘 要: 本文提出了一种3G核心网的实现方案,该方案基于软交换的网络体系结构,由宽 带IP网络实现多媒体通信。文中给出了核心网基于软交换的分层结构,分析和讨论了网络中各单 元的功能、主要接口和基于软交换的多媒体通信的实现,最后提出了对方案进一步改进的设想。
关键词: 3G核心网 软交换 多媒体通信 IP
一、3G的未来是采用软交换技术 的全IP的网络 3G网络的发展是在现有各种网络向下一代网 络NGN演进的大背景下进行的,因此3G网络的演 进应符合NGN_1 的要求。NGN是可以提供语音、数 据和多媒体等各种业务的综合开放的网络构架,有 三大特征:采用开放的网络架构体系;是业务驱动和 基于分组的网络。 要使各种网络融合实现下一代网络,目前公认 的技术基础是采用软交换技术和IP技术,因此3G 的未来发展方向也应是采用基于软交换技术的全 IP网络结构,关键是在第三代移动通信的核心网络 采用宽带IP网络和软交换技术:由IP网络承载从 实时话音、视频到Web浏览、电子商务等多种业务, IP协议是主导的网络路由与寻址协议;网络控制由 软交换服务器实现,采用基于软交换的网络结构;网 上的业务则由第三方智能业务提供商提供。从而实 现传输网络、网络控制、业务提供的分离。 二、基于软交换的全IP的3G核心 网结构 3G的主流技术体制是WCDMA和cdma2000 以及TD—SCDMA,一般公认,3G的全IP网络是指 业务传送完全基于IP承载的网络结构。3GPP和 3GPP2两大3G标准化组织分别提出了全IP的移 收稿日期:2002—04—18 动核心网的参考结构,前者由GPRS网络演化而 来,后者则基于cdma2000的演化。因此两者在网络 结构上是不同的。本文提出的核心网实现方案是根 据3GPP R5的规范 ,如图1所示。
当前.为了显著提高3G提供增 E业务的能力,摧动网络融合,在 q 标准蛆炽牵头下.全球业界都
E加快研究更高带宽、业务能力更
的宽带无线技术 包括核心网以 L无绒接^技术在内。在近期都取 F了一系列新的技术成果 那么。 t些技术成果与原采意义上的3G 目比.有哪些优势?对于业务的转
具有什么样的意叉?这些新檀术
t果在走向商用化方面还需要解
哪些问题?为此。本报特邀请信
产业部电信研究院通信标准研
e所专謇为我们全面彳卜站3G技术 演进进程 虽然3G技术标准主要由3GPP
Ⅱ3GPP2来制订,但由于3GPP2更加
0重于光线接口规范的制订1:作,
t于网络和业务方面的标准莨耍 随3GPP, 此,・般对删络整体 构的分析主要按照3GPP的体系。
R99:传统网络结构
R99的整体网络结构仍采用传
£方式,冁体网络分为电路域和分
1域 电路域基于TDM的传输方
,分组域基于分组传输方式。整 、网络基于GSM和GPRS的嘲络演
£ 在电路域中支持所有GSM的电
i业务和承载业务硬其补充业务
l是往语音编码卜采用了AMR
adaptive multi-rate)的语 编码 r式,其电路型数据、l 务更加:#
.如可提供电路交换64kbit/s的
休业务(H.324M) 为了保证csM 与UMTS之间的切换.定义了相关
程序。 在分组域提供多种速率的分 组承载业务。SGSN作为接人移动 网的网关,GGSN完成与外部Inter. net的连接。由下采用了WCDMA等
无线宽带接入技术。使得无线接入
速率提高,分组承载业务速率有大
幅度提升 基于R99传统架构的核心嘲
络。其标准和产品都非常成熟,在
许多园家已经规模商用 其产品硬
件平台 2G些本相同.可直接在原 有2C网络k升缎。
R99的核心网络架构引入新业 务和新功能的能力比较有限,在未
来的网络融合和发艘方而没有优
势 在组网方 ,分组域_利电路域