二、UMTS的基本结构（功能结构）
    目标：在回顾GSM、GPRS基本结构和协议模型的基础之上，了解UMTS的基本结构及演进过程。

    1、功能结构的描述及回顾
    从总体上来看，移动系统的结构由三部分组成。
    第一部分指的是用户端，面向用户的设备，在UMTS中称为UE（User Equipment）。UE完成三部分的功能：
    MT-移动终端设备，也就是GSM中的移动台的概念，提供无线接口的收发，完成和基站之间的直接对话。作为移动终端来说，它提供了基带信号的处理途径，以及话音编码等；
    TAF-终端适配功能，主要是支持上层应用。所谓上层应用，如PC上产生的FTP文件、网页下载或收发E-mail等。从终端设备产生的上层应用，直至到达空中接口进行发射，需要软件适配，这个软件适配功能即为TAF。它是传送数据业务所必备的功能，从用户角度，TAF功能根据不同的工作方式完成对数据包的透明或非透明的处理。在网络端，为了承载数据业务的传递也需要同样的功能，在GSM中称为IWF功能。由IWF功能模块，完成到外部公共数据网络的速率适配和控制。在WCDMA中通过PS域的相关功能，完成数据业务的传递。无论是2代网络还是3代网络，移动网络对数据业务始终都只是完成一个承载的功能，只是提供一个通路；
    TE-终端设备，直接与用户的界面。
    UE由上述三部分构成，在实现时可以是分开的，也可以是合成在一个物理实体上。如常见的3G移动终端，可能是将三部分功能合成在一起的。
    第二部分称为接入网部分，它的基本功能就是提供接入通路的，提供移动台与无线接口的通话，将信息接入后最终送往第三部分――核心网部分。核心网就是业务提供者，作为核心网，其基本功能就是提供服务，不管是用户的描述信息、用户业务的定义还是相应的一些其他过程，各种类型业务的提供以及定义，都是由核心网来承担的。作为无线的接入子系统来说，它的功能只是负责完成空中接口的管理。所以对于接入网，基本职能是体现在空中接口的接入上。而对于核心网来说，它才是真正主要通信过程所涉及的信令，它包括鉴权、呼叫建立、呼叫释放、移动性管理等等。在UMTS的网络结构中，核心网部分被分成二个域，分别称为电路域和分组域。所谓电路域是完成初期对话音的电路交换，而分组域完成初期对分组数据的分组交换。至于电路域和分组域在将来的演进过程中会发生怎样的变化？最终在核心网部分会实现二者的一体化过程。
    与UMTS比较，回顾GSM和GPRS网络的基本构成在三部分结构中相对应的定义。在GSM中，移动终端-MS、空中接口是Um接口，BSS系统由基站（负责无线接口的收发）、BSC（无线子系统的控制核心）和TRAU（完成速率适配和码型转换）三部分组成。NSS系统则由MSC、VLR、HLR等组成。在电路交换中完成数据的传送，利用到了IWF功能。从GSM网络向GPRS网络的演进过程，首先作为GPRS网络对数据业务提供的是分组交换，所以核心网部分要提供全新的分组交换机，即SGSN，对等于GSM中的MSC功能。MSC完成的是电路交换、SGSN完成分组交换。其次，SGSN功能里含有移动性管理功能，不再区分VLR和HLR。对分组域来说，它的移动性管理直接包含在SGSN设备节点中。SGSN和MSC要同时共享访问同一个HLR，在GPRS初期网络，必须提供SGSN至HLR的通路，之所以要共享同一个HLR，是因为GPRS只是提供了一种服务，并不是以独立的系统方式存在，是GSM用户申请的一种能够提供高速数据的附加业务，所以从HLR的属性来说除了增加业务描述关于分组数据业务的重新定义（新的功能）外，用户的其他特性都不会发生任何变化，所以完全没有必要建立新的HLR，由电路交换域和分组交换域共用一个HLR。这也将构成UMTS的（寄存器平台）服务器平台的概念，HLR是必不可少的。在核心网部分GPRS还要添加GGSN网关设备，GGSN提供GPRS到外部公共数据网的端口，它所面对的不是用户的管理而是功能的管理，建立的是到外部网络的每一对会话的功能，它的功能对等于电路域中GMSC的功能。GGSN连接的外部网络可以是各种类型的分组数据网，如Internet、Intranet、X.25等等，它的接入能力取决于GGSN设备的端口管理能力。在GPRS的接入网部分，无线接口部分的原理不会发生任何变化，无非是增加了无线分组业务信道。该信道仍然是由BSC来管理，在2代的BSC中，管理的是空中接口的话音时隙并非分组信道资源，所以在BSC中要添加新的控制单元PCU，该控制单元的主要功能就是要完成空中接口上分组业务信道的分配和管理。对PCU来说，在硬件上既可以和BSC放在一起，也可以是分开的，在规范上规定了三种实现方案，取决于厂家的选择。从功能上来讲，PCU是必不可少的，完成空中接口分组资源的分配和管理。由于分组数据本身就是异步数据流，所以对于分组呼叫（Data Call），完全不需要TRAU这样的功能部件存在，所以在GPRS的接入网部分不存在TRAU。关于GPRS网络接口，PCU与BSC之间的Agprs接口是非公开化的，属于内部接口，各个厂家的实现方案是不同的；接入网与核心网之间的Gb接口是开放的，现阶段该接口的底层承载采用的是帧中继，规范中没有明确要求用帧中继，所以将来可能会选择ATM或其他承载方案；核心网内部接口，SGSN与GGSN之间是Gn接口，底层承载采用IP的骨干网，所以SGSN与HLR之间的Gr接口需要有信令网关，完成从MAP消息Over IP的承载向MAP消息over No.7信令上的转换，访问HLR的功能，上层应用不会发生变化，只是底部承载发生变化；由GGSN到外部数据网的接口称为Gi接口。
    UMTS与GSM/GPRS对比，可以从以下几个方面说明：
    GSM/GPRS UMTS
    设备太多（无线接入网部分）；
    数据速率不足以提供新的服务类型；
    不提供Qos;
    部分接口不标准 设备数量减少；
    提供高速的数据速率（2Mbps）；
    提供基于Qos的服务；
    提供更加灵活的业务和开放的标准接口
 
    2、UMTS网络结构
    UMTS结构中接入网络无非只是提供空中接口的接入手段，网络可以根据不同需求选择不同类型的接入网络。如典型的UTRAN-陆地无线接入网络就是接入网络类型之一，它可以提供宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝等陆地资源上的覆盖。除此之外，还可以提供由卫星接入，通过卫星通道提供全球的覆盖；将来可能会通过W-LAN接入等等宽带无线接入网络，或者其他无线接入技术如无绳电话的应用，都可以作为不同类型的接入网络，适用于不同类型的终端。因此，UMTS网络对接入网络的定义可以是多种类型的。
    UTRAN作为陆地无线接入网络，它的结构分二部分，即接入网部分和核心网部分。在接入网部分有二个主要功能节点，Node B和RNC。Node B主要提供空中接口与移动台间对话以及与RNC间（Iub）的对话；RNC称为无线网络控制器，完成空中接口无线资源的管理和分配以及陆地资源的管理和分配（完成Iu、Iub、Iur的管理和分配）。从功能结构上来说，UTRAN接入网部分只有二个功能节点，相当于二代中的基站和BSC，但功能上与二代是有区别的。
     （UM10 3-13）
     Node B的主要功能包括：
    A、呼叫处理（Call Processing）：基站完成基带信号的处理，不管是话音呼叫还是数据呼叫，对UMTS基站来说所完成的都是基带信号处理过程。简单说，从协议层角度，Node B只涉及物理层的功能，包括物理层的传输子层和物理子层功能，不涉及高层功能。所以UMTS基站功能相对较简单。
    B、无线接入（Radio Access）：指的是移动台在空中接口公共信道上的无线接入的监测，以实现开环功率控制的功能-随机接入过程的开环功控。移动台发出preamble前导部分来试探功率，基站对preamble作出应答，只是给出指示，属于物理层的功能。
    C、性能监测（Performance Monitoring）：在二代系统中，基站涉及到RR层的部分功能，要完成对空中接口测量报告的预处理，以及由基站完成相邻小区的筛选和判决，并将结果上报给BSC。在三代系统，Node B将不再完成上述这些功能，所谓性能监测指的是，基站完成对上行链路空中接口上Ec/Io的测量，同时将测量结果上报给RNC。由RNC根据测量结果，来设置功率控制的目标值，由基站执行物理层的功率控制。所以无论是功率控制还是切换的决定，控制端都放在了RNC，基站只是执行端。对Node B来说执行的是闭环功率控制的内环功控，外环功控则由RNC来完成。
    D、网络接口（Network Interface）：Node B提供面向移动台的空中接口-Uu接口和面向RNC的Iub接口。当Node B和RNC之间对话时，要有上层协议的支持，在Iub上的上层信令协议是NBAP协议，这个协议仅指Node B和RNC之间的协议，不是移动台和RNC间的协议。Node B为将空中接口上收到的信令和业务信息发送至RNC，需要在Iub接口上支持作为UMTS来说所必须的一种特殊的协议-FP（帧协议）。在Iub这个在ATM承载之上的异步接口上，Node B和RNC之间对话，所有的信息都将转换成FP协议发送至RNC，所以在Node B和RNC之间需要同步。
    E、随机接入监测（Random Access detection）：与无线接入的概念一样。Node B对随机接入的过程进行应答，实现开环功率控制。
从协议层来角度来讲，物理层的协议是终结于Node B的，也就是说空中接口上只有物理层协议，而上层的RLC、MAC、RRC等都是移动台与RNC之间的对话，Node B只是执行，所以在后续的协议封装过程会有所不同。这也是三代基站与二代基站在功能上的差别，所以在产品设计上，基站侧相对来说比较简单，主要由数字化模块和射频模块二部分组成。射频模块提供功放和射频端口，数字化模块完成基带信号的处理过程，包括Rake接受机过程、基带信号的正处理和逆处理过程等。
    （UM10 3-14）
    RNC的主要功能包括：
    A、无线资源管理（Radio Resource Management）：由RNC来完成空中接口的码字资源的分配和管理，RNC将根据不同服务的请求，来执行Qos的功能，即根据不同的业务服务质量，分配合适的空中接口的信道，包括码字（物理信道）、传输信道等的分配。为不同的业务选择不同的基带信号处理方式，如话音和数据在空中接口上对块差错率的要求是不一样的，话音在选择传输信道时采用卷积编码，而数据业务选择Turbe码1/3的效率。所以在UMTS中正是选择了不同的传输信道来实现空中接口的Qos。信道的复杂化就是指无论是从逻辑信道、传输信道还是物理信道上，都有了详细定义和区分。不像GSM中没有传输信道概念，因为所有业务信息的基带处理方式都是一样的，没有Qos。RNC承担Qos的功能，又称为RB（无线承载）的分配，RB分配取决于服务类型，而服务由CN（Core Network）提供。所以说RNC在承担无线资源管理时，关于无线承载的匹配是来源于核心网的请求，即RAB（无线访问承载）的分配请求消息。RB或RAB都是逻辑概念，对应的都是Qos。当用户发出呼叫提出业务请求，由核心网在HLR上查询用户的profile，查看该用户请求的级别、标准，由CN向RNC提出RAB的分配请求，由RNC完成空中接口的映射。
    B、用户移动性管理（User Mobility Handling）：由RNC负责的移动性管理所涉及的内容比较有限，主要包含二个功能，即软切换功能和宏分集功能。软切换的判决、邻小区的筛选都由RNC来决定（在GSM中是由BTS来决定）。除此之外，在空中接口上软切换要求移动台要同时维持多条无线接口链路，导致RNC必须完成来自多条无线链路上的用户信息的合成过程，再送往核心网，即所谓的宏分集功能。宏分集只与软切换相关，在后续中提到的更软切换将不会涉及到宏分集的概念。
    C、RNS监视（RNS supervision）：RNS（无线网络子系统）包括Node B和RNC二部分，所谓RNS监视，也就是负责完成RNS重定位过程的决定。所谓重定位就是完成服务的RNC（Serving RNC）面向核心网的Iu接口的切换的监视。简言之，空中接口的软切换完成之后，移动台将会选择到新的目标RNC（Drift RNC），该目标RNC在决定成为移动台的服务RNC时，必须建立目标RNC到核心网的Iu端口。新旧Iu端口的倒换过程，即为重定位过程。也就是目标RNC将要完成整个监视和重定位过程。
    D、接口管理（Interfaces）：RNC将负责管理面向Node B的Iub接口、面向核心网的Iu接口以及面向其他RNC的新的Iur接口。
    E、安全性功能（Security）：主要体现在加密上，在GSM中，由MSC激活加密功能，设置加密模式，向BSC发送设置加密模式的信令消息，在空中接口上完成对业务信息的加密，上行链路是移动台完成加密，基站侧解密，下行是基站加密，移动台解密。加密参数由鉴权中心产生并送给基站和移动台，所以加密过程是对空中接口的数据加密。在GPRS中，由SGSN激活对数据业务的加密功能，在SGSN侧完成加密过程，被加密的数据包一定是LLC层的数据包，该数据包是移动台和SGSN间的直接对话，换言之，数据将通过空中接口、基站、BSC、PCU至SGSN后才被解密。在UMTS中，加密功能仍然是由核心网激活，由鉴权中心产生的加密参数将被送往RNC，完成移动台与RNC之间的加密过程，是对RLC层或MAC层的加密，取决于业务类型和传输信道的定义。被加密的信息可以分成二个过程，第一个过程是针对信令部分，称为信令加密（信令消息的完整性测试），是移动台和RNC之间信令的完整性测试，完成信令信息的正确性和完整性的测试。移动台发送的信令消息送至RNC，如非法则RNC将不做应答。第二个过程是对业务消息的加密，对RLC和MAC层的保护。因此在鉴权中心将会增加对信令部分的鉴权参数，又称为完整性测试钥匙。
    由上可知，RNC完成的功能不再像二代中BSC只是对无线资源和陆地资源的管理，它同时要涉及参与与Qos相关的高速网络呼叫允许控制算法；与用户和核心网之间网络资源的协商；完成Iu接口的切换的监控等等。所以整个无线部分的核心就在RNC，而基站只涉及到物理层。由于在空中接口上引入了新的CDMA技术，无线网络部分一定是全新的，不存在平滑演进的过程。
    UTRAN网络的接口部分：空中接口称为Uu接口、基站和RNC之间的接口称为Iub接口、RNC之间的Iur接口、RNC与核心网之间的Iu接口（分Iu CS和Iu PS接口）。RNC与Node B之间通过Iub接口相连时，Iub不管物理层如何实现（PCM还是光纤链路实现等），它的数据链路层（第二层）走的都是ATM适配，采用ATM信源，是以ATM的骨干网作为承载，将来可能会Over在IP的骨干网上。从Node B角度来说，作为Node B和RNC之间的连接关系一定是一对一的对应；从RNC角度来说，根据RNC容量可以连接多台基站，由一个RNC管理的多个基站组成的接入系统就称为RNS。Node B的连接方式可以是PCM 2M口，也可以是光纤STM-1直连，在Iub接口上，也可以选择ATM反向复用功能或不选，均取决于厂家的实现。
从RNC到核心网的端口称为Iu接口，从物理接口的角度来说，RNC面向核心网提供的就是Iu接口，Iu接口是开放的。从逻辑角度来说，面向核心网的通信对象不同，分成Iu CS和Iu PS。所以从实现上来说，可能提供的只有一条物理Iu端口，但内部的逻辑通路上既可以为话音呼叫建立到MSC的Iu CS逻辑端口，也可以为数据呼叫建立到SGSN的Iu PS端口。Iu CS和Iu PS并不是具体的物理体现，它只是这个端口上面向不同的核心网域的逻辑功能。
    在三代系统中，标准为不同RNC之间提供了Iur端口。Iur连接选择了ATM的骨干网，不同RNC之间遵循的是网络形式的互连。在建网初期，某些厂家的产品可能不支持Iur端口。Iur接口的提供是为了支持软切换，软切换时，在空中接口上会建立多条无线链路，多条无线链路上的业务信息都会通过目标RNC（Drift RNC）送往服务RNC（Serving RNC），这就需要用到Iur端口。在整个软切换执行过程中，没有信令消息涉及到核心网，作为Iur端口，目的就是使得在执行空中接口的切换过程中，信令消息将不会涉及到核心网。而在二代系统中，跨BSC之间的切换，需要通过MSC，涉及到核心网的信令，由于加大了处理时延、多系统之间的配合问题的存在，使BSC间切换的成功率较低。所以Iur端口的提出，使空中接口的切换无论是在触发、执行还是在切换结束，都不再涉及核心网的信令消息的传递。至于跨MSC之间的切换，在三代系统中，将切换类别是分开的，作为切换的概念只存在在无线接口上。所以跨MSC之间的切换，首先要完成新的无线链路的添加，通过Iur接口选择新的目标小区、空中接口的切换的执行及完成。至于Iu CS接口上的切换过程，是前面所述的RNC重定位过程。所以在三代中，相当于将原来跨MSC之间切换的一个过程分成二步来完成，一步是空中接口的切换，另一步是核心网端口的重定位。所以Iur的提出，提高了系统的性能。（提问：Iur能否连接跨MSC的不同RNC？）
    （UM10 3-15～3-16）
    UMTS核心网结构：从逻辑结构图上，R99核心网结构和二代GSM/GPRS网络的核心网部分没有太大区别。所以二代核心网中的CS域和PS域都可以平滑过渡到UMTS的核心网，包括CS域的TRAU、MSC、HLR、VLR，PS域的SGSN、GGSN等都不会发生变化。CS域中的TRAU主要是完成码形转换和速率适配功能，在二代中，TRAU只完成FR和EFR二种编码，三代中它要完成可变多速率的自适应编码（AMR），AMR取决于空中接口的载干比，载干比越好，选择越高速率的话音编码方案，这里的编码方案指的是原编码方案（数字化量化之后的编码），每20ms提取一定比特的话音块。规范规定了AMR一共有8个子流（8个可编码速率），分别是12.2、10.2、7.95、7.40、6.70、5.90、5.15、4.75kbps，速率为净比特速率（量化后已加入控制比特位之后的速率），其中12.2kbps（20ms提取244bits）是目前可以实现的GSM中EFR编码速率。TRAU接受来自Iu CS端口上的话音流，进行速率转换成适应MSC中继传输的64kbps。所以二代MSC通过软件升级就可以完成向三代MSC的过渡。从硬件结构上来说，仍然提供的是2M的话音链路，每个用户在通信时占用1条64kbps的链路。随着网络的演进，TRAU的功能将作为可选项功能（Optional）。
    （UM10 3-17）
    MSC的功能与二代相比没有太大区别，包括交换功能（Switching）-完成电路交换、呼叫建立（Call setup）-关于呼叫建立信令的处理和应答、呼叫接入（Call Ticketing）-允许用户接入、接口（Interfaces）-提供面向RNC的Iu CS端口和其他各种MAP端口（C、D、B等）、计费（Accounting）-从MSC采集计费卷，提供按时间的计费记录，送往统一的计费平台，整合后送往计费中心。Iu CS端口是MSC和RNC之间的对话，TRAU在它们之间只是物理层设备，只做速率转换和码型适配，信息是透明通过的。
    （UM10 3-18～3-19）
    HLR的功能，主要包括处理用户的永久性数据（如IMSI、CI等）-三代核心网中的HLR将会加入用户业务描述特性参数，与Qos相关的profile管理、临时性用户记录的处理-如HLR中保存的VLR地址、与AUC数据库的对话-由HLR向AUC申请鉴权参数。
AUC的功能主要是存放用户鉴权的钥匙和安全性算法，三代核心网中的AUC无非是增加了一些新的算法，如目前支持UMTS鉴权的F1～F9算法。其次，AUC根据每个用户的IMSI和密钥产生用户的鉴权参数，称为5元参数组（二代中称为鉴权3元组），包括随机号（对应于IMSI产生的随机号）、随机号与密钥通过算法产生的RES值（二代中是SRES）、随机号与密钥通过算法产生的完成对信令完整性测试的IK值、随机号与密钥通过算法产生的加密钥匙CK（二代中称Kc）、随机号与密钥通过算法产生用于移动台识别网络的鉴权令牌-AUTN。与二代相比增加了IK和AUTN二个参数。产品硬件上不会发生变化，只是软件升级得以实现。
VLR功能同样没有发生任何变化，记录或存储当前用户所登记在本VLR的相关信息、分配相应的临时识别符，完成主要鉴权参数的存储，
    （UM10 3-20～3-24）
    PS域SGSN的功能包括分组移动性管理-SGSN参与用户移动性状态管理、通话管理（Session Management）-SGSN与GGSN之间为用户所建立的PDP隧道的管理，也就是Gn接口上的隧道协议的管理、通过GGSN将用户信息送往外部网络。唯一需要注意的是在原来的GPRS网络中GGSN与SGSN之间的信令通信属于PDP隧道协议，业务信息的传递也是PDP隧道协议，而在UMTS系统中，SGSN将Gn接口上的业务PDP-U协议延展至Iu PS接口上，也就是说用户在做数据通信时，数据业务在RNC和SGSN之间、以及SGSN和GGSN之间建立的都是PDP隧道协议，而控制平面还是走控制信令的，延展的只是PDP-U的协议。SGSN仍具有计费（Accounting）功能，也就是提供关于时间以及关于用户数据包大小的计费信息，产生计费记录送往计费记录平台。
    GGSN的功能是提供Gi接口建立到外部网络（Internet/Intranets及各种类型分组数据网）的通路，同时通过Gn接口与SGSN间的通信，为每个用户来管理每用户的PDP context。除此之外，GGSN的也有计费（Accounting）功能-提供基于用户字节流量大小的计费记录。计费记录的采集可以从MSC、GGSN和SGSN获得，所有记录经过整合之后送往计费中心，由计费服务器产生相应的话单。
    以上为UMTS R99的基本功能模块的介绍，从现网向R99过渡时，无线网络必须是全新的，除此之外，无论是CS域还是PS域，都将会沿用GSM网络和GPRS网络的核心部分，只需要软件升级来实现。可能各厂家实现的软件升级的阶段有所不同。在R99版本，CS和PS二个域的承载是独立分开的，PS是基于IP骨干网（IP Backbone）、CS是基于TDM（同步流）。从R99向R4的过渡时，PS域仍然保留分组的骨干网，而CS域会发生较大变化。在R4版本CS域中，业务和信令的处理将被区分，分到二个功能模块上处理，专门用于对信令处理的称为MSC服务器（MSC Server），在规范中定义的名称是Call Server，所有的信令处理将集中在服务器上完成。业务部分将直接通过多媒体网关（MGW）进行处理，建立话音和业务在分组骨干网上的承载。因此在R4版本中，CS域将发生变化，原来电路交换中心的电路交换平面以及话音中继模块都将被取消，信令部分由服务器完成，MGW则完成话音中继的提供和建立，均建立在分组骨干网上，而分组骨干网可以选择IP或ATM等，目前选择IP的呼声较高。最终将和PS域分组骨干网和为一体，都选择在IP的骨干网上。在PS域中的SCP和HLR仍然会选择No.7信令平台，属于No.7信令工作平台，称之为服务器平台（Server Bone）。ICP指的是智能网的业务控制点。从R4向R5过渡时，所谓的全IP骨干网，也就是在UMTS的无线网部分也选择了IP骨干网。最终网络中的所有节点，如RNC、SGSN、MSC server等最终都是通过服务器来实现的，引入了软交换的概念，移动网和核心网合而为一。

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