从GPRS到UMTS的演进

杨筱凡　蔡斌　黄载禄
　　摘要：本文分析了从2.5G　GPRS技术到UMTS过渡的背景、过程和策略，讨论了如何在演进网络中提供高质量的多媒体数据服务，并介绍了演进过程中的一些关键技术。

　　1　引言

　　随着移动通信业务的迅猛发展，移动数据和多媒体通信的应用将越来越广泛，在不久的将来，甚至将超过传统的话音成为移动通信承载的主要业务。而传统的第二代GSM移动通信网络已无法适应这种新的发展趋势，为此，GSM将逐步过渡到以WCDMA为核心技术的第三代移动通信系统（UMTS）。今天，处于2.5G的GPRS技术已日渐成熟，是2G向3G过渡的重要环节。本文主要讨论如何在GPRS网络引入UMTS，使演进的网络利用日臻完善的IP网来传送语音和多媒体数据业务。

　　2　UMTS网络体系结构

　　UMTS可分为无线接入网UTRAN(UMTS terrestrial radio access network)和核心网CN（core network）两部分，二者通过Iu接口连接。

　　UMTS地面无线接口采用完全不同于目前GSM无线接口的WCDMA技术，使用新的频段、新的无线传输技术和话音编码形式，可提供高达2M的带宽。

　　UMTS核心网是在GSM/GPRS基础上发展起来的全IP骨干网。从逻辑上可分为电路交换域（CS）和分组交换域（PS）。CS域是UMTS的电路交换核心网，用于支持电路数据业务；PS域是UMTS的分组业务核心网，用于支持分组数据业务（GPRS）和一些多媒体业务。在UMTS中，信令控制和数据传输是分离的。

　　3　GPRS网络简述

　　GPRS是GSM是分组交换领域的延伸，通过在GSM网络上增加网关支持节点GGSN和服务支持节点SGSN提供分组无线服务能力，为用户提供100kbps以上的数据速率，是GSM向第三代移动通信系统平滑过渡的一个重要环节。
　　GPRS基站子系统采用与GSM同样的无线调制标准、带宽、跳频规则和TDMA帧结构。而核心网部分采用IP网构架。GPRS核心网对GSM对3G的前向兼容性能够充分保护运营和移动用户的利益。

　　4　从GPRS到UMTS的演进过程

　　4.1无线接入部分的革命

　　UMTS无线接入将用全新的UTRAN（UMTS地面无线接入网）取代现有的GSM/GPRS无线接口，即在一个全新的频段上用更高频谱效率的技术构建网络。UTRAN基本的功能实体是B节点（相当于GSM的BTS）和无线网络控制器RNC（相当于GSM的BSC）。RNC和CN和B节点分别通过Iu和Iub接口连接，不同RNC由Iur接口（在GSM没有对应功能）相连。Iur的出现有其特定于移动性的原因，涉及到软交换和位置更新，在此不作详细表述。RNC内部、Iub、Iu接口采用ATM交换、传输。

　　由于为3G无线接入做重新部署需耗费的巨大投资和时间，同时为了使现有的网络资源得到最大限度的利用，比较经济可靠的方法是使GPRS核心网同时支持GPRS和UMTS两种接入方式，在数据业务繁忙地区首先引入UTRAN，业务量少的地方仍然维持GPRS基站子系统。

　　4.2　核心网的演进

　　（1）核心网演进的两种策略

　　GPRS在一定程度上实现了移动IP业务，但在GPRS网络中，话音和分组数据业务分别对应于不同的网络处理节点MSC和GSN，实行话音业务和数据业务分开交换：话音经由MSC由传统的PSTN网处理，而数据则由SGSN进入分组传输网，以IP的方式传送。GPRS核心网将随着第三代系统的引入逐步过渡到以IP为主的骨干网。这个全IP网在提供宽带分组数据业务的同时，以VoIP方式提供语音业务，IP成为语音、数据、信令的统一载体。

　　GPRS网络的信令控制和传输不实行分离，而UMTS的网络实体功能在逻辑上可按层次分离，它在IP网上通过构建逻辑独立的信令处理服务器和业务应用服务器用于处理控制信令和业务，实现所谓的“业务/控制/交换”的逻辑分离。

　　从GPRS核心网演进到第三代UMTS核心网，有两种策略，即孤岛策略和重叠策略。

　　孤岛策略关注演进网络和原有网络的兼容，在升级GPRS核心网的基础上，对GPRS/GSM和UMTS使用相同的交换（MSC）和选路（GSN）机制。

　　孤岛策略体系结构UTRAN从Iu接口接入核心网，GPRS接入网通过Gb接口接入核心网。GPRS网络中的MSC必须增加与UTRAN的Iu接口，同时GSN节点应增加UMTS网络协议的处理能力，在与原有的GPRS　BSS无线接入兼容前提下，实现UTRAN接入。

　　这种方案的优点是GPRS网络的操作维护功能（O&M）、服务传输机制、交换站点和系统平台等资源可得到良好的继承，兼容怀和经济性较好。然而它也存在一定的问题：在将新的WCDMA接入技术融合到现有的服务提供网络的同时，网络容量、性能和网络业务增长是否能维持良好的状态尚无法估计。

　　重叠法通过现有GPRS核心网之上叠加新的UMTS核心网节点设备来支持UMTS业务。新增的UMTS的无线部分采用不同于GPRS无线部分的交换（MSC）和选路（GSN）机制。新增核心网节点设备使用多媒体数据和语音一体化平台，这样不但可提高资源利用率，简化维护管理，还便于向全IP网结构过渡。这样，UMTS成分的引入成为与原GPRS平行的相对独立的分支，避免了二者融合过程中可能出现的某些问题。为了支持新的网络结构，3G MSC还应具有2.5G MSC相似的服务传输机制、O&M以及站点/平台网络容量。

　　重叠策略的优势在于3G经营者能摆脱GPRS网络的束缚，充分发展UMTS的特性优势。另外UTRAN的Iu接口的开放性质使运营商既可选择单个网络供应商承包接入服务，也可根据实际需要来选择不同的接入网/核心网提供者，自由的更换3G接入的提供商。但是新的UMTS核心网节点设备在系统中的引入需要大量的资金投入。

　　（2）演进网络的需求和相应的技术改进

　　随着WCDMA被逐步引入GPRS移动通信网络和演进网络的不断成熟，如何提高服务性能，降低成本成为运营商关注的目标。

　　*交换部分的功能分离

　　在电路交换域，采用H.248/Megaco分布式结构概念对网络结构进行优化。灵活的分布式处理可以将交换/选路功能从控制中分离出来，演进网络将现有GPRS的交换机制分裂成媒体网关（MGW）和媒体网关控制（MGCF）。MGW负责交换、译码和用户平面数据传输等，而MGCF负责交换和服务的控制，二者之间通过H.248/Megaco互连。这使得运营商可在不影响数据传输平面的状态下改进和升级其网络的服务传送和控制部分。

　　在现有的GPRS网络中，MSC是GPRS/GSM系统与ISDN/PSTN网络的互连点，电路交换部分仍由MSC来处理。在3G移动通信系统，MSC被分成MSC服务顺（MSC Server）和MGW（media gateway）。增强后的MSC为话音和电路交换数据通信提供交换、译码功能；支持切换和SRNS重分配时的路由变化；为电路交换业务增加和删除多径路由。网络的一个MSC服务器可以同时不同MGW交互。MSC服务器处理所有特定于移动的呼叫、服务和移动性管理，它使用H.248/Megaco与MGW通信，传达电路交换信息。

　　*服务质量（QOS）的保证

　　从分组交换的角度看，GPRS过渡到UMTS的一个关键是如何更好的支持实时通信。演进的分组网络组件应能提供不同等级的QOS服务，以便为会话流和基于IP的交互式通信提供高质量的支持。随着技术不断成熟，将来用户在漫游通话过程中也能享有QOS的稳定、优质服务。在拥有一套可靠的QOS服务机制之后，进一步在演进的GPRS中引入话音和基于IP的多媒体机制，从而使现存的分组、电路交换共存的网络构架可顺利向全IP的架构演进。

　　随着QOS在分组交换领域的实现，只要增加呼叫服务器和网关，移动VoIP用户就可接入传统电话网且能保证其话音质量。

　　*为话音和数据业务提供统一的IP传输

　　在分组交换域采用VoIP/基于IP的多媒体传输技术将提高传输效率。GPRS系统由于受到无线技术的限制，话音和数据是分开处理的。话音业务和电路型数据业务通过A接口进入MSC，由MSC交付传统电话网处理；分组型数据业务通过Gb接口从SGSN进入包交换域。SIP、TIPHON等技术的出现使运营商摆脱传统TDM技术64kbit/s的带宽限制，用IP网传输话音和多媒体数据。这样UMTS能提供更多特定于运营商的服务，而这些服务都充分利用了现有的基于IP网络的多媒体技术。

　　在3GPP中，VoIP和基于IP网络的多媒体服务被称为IM服务，支持它的相关网络元素即IM核心网（IMCN）子系统，包括媒体网关MGW和呼叫服务器CSCF。CSCF作为呼叫服务器处理呼叫信令，MGCF和MGW提供接入传统电信网的连接。CSCF还提供和其它支持IM的网络的互联。IM核心网子系统的发展为运营者和服务支持者带来实惠：提供接入无关的设备，降低了网络/设备的管理维护和研发的费用。

　　（3）IP多媒体子系统的演进

　　为了支持用户的移动特性，使用户能在不同的网络间漫游并接入服务。一些网络实体在功能和分布上有新的改进。

　　*HLR

　　为了适应IM的新性质，HLR增强为HSS归属用户服务器（Home subscriber server），增加IM相关特性的用户数据存储。同时为了服务其它非GPRS的IP网用户，HSS也被要求具有接入无关性。接入无关性使运营者可从非UMTS各种网络（无线或有线）接入IM网，使IM网的优越特性得到充分的利用。

　　*CSCF

　　CSCF按功能的不同有三种类型：

　　1）S-CSCF（serving CSCF）：

　　主要提供业务控制功能，是应用层和服务层之间的交互点。它接受本地或漫游用户注册，临时保存从HLR下载的相关用户数据。位于归属网络也可位于拜访网络。它保证用户在被访问的网络中获得与原籍地系统中相同的服务，提供业务的连续性。

　　2）I-CSCF（interrogating -CSCF）

　　所有指向网络内某一移动台（可以是本网络用户也可以是漫游在此地的用户）连接的连接点。在SIP注册过程中，I-CSCF通过询问HSS得到为此用户分配的S-CSCF地址。在会话管理过程中，I-CSCF在S-CSCF和P-CSCF间传递SIP信令，同时它还可为P-CSCF/S-CSCF提供安全验证功能。

　　3）P-CSCF（proxy CSCF）

　　移动台和S-CSCF之间的信令桥梁，有翻译功能，是用户在IM CN的入口点。移动台可通过DHCP协议获得一个P-CSCF地址，而后移动台的所有基于SIP的主令都由P-CSCF转发给S-CSCF。某些特殊情况下P-CSCF还可用作用户代理，主动发起SIP事务处理。

　　*MGW

　　和在电路交换域相似，MGW主要提供与传统电信网间的译码及互联。但在IM特性下，MGW不再配合MSC服务器进行复杂的切换和SRNS更新，而由GPRS子网元素（GSN）处理核心网移动性相关的过程。另外，媒体资源功能MSF执行多方通话和多媒体会议电话等IM特性功能。

　　*MGCF

　　提供特定于IP的会话信令与传统网络间的信令转换以及地址影射。

　　对于IM核心网子系统而言，多媒体业务处理协议采用IETF的SIP协议，因为SIP处理语音和多媒体业务比较灵活，在今后的发展过程中更适应与移动相关的发展。

　　在IP协议的版本使用上，应注意IPV4和IPV6的兼容问题。

　　4.3UMTS和GPRS/GSM网络间的漫游

　　随着GPRS逐渐向UMTS过渡，虽然IM用户和相应服务呈增长趋势，但传统终端和MSC提供支持的纯语音业务在一段时间内还会存在，为了移动用户在享有3G多媒体通信服务的时候，仍享有在国内和国际漫游的权利和利益，运营商要提供用户GPRS和UMTS之间的漫游和切换机制，提供用户在UMTS和与其并存的GPRS/GSM网络间无缝漫游的服务。在过渡过程中，用户在UMTS网络能享有高速数据服务，漫游到GPRS网络后，依然能享受普通话音和低速据服务。

　　5　结束语

　　本文介绍了从GPRS网络过渡到第三代移动通信网UMTS的演进过程和策略，分析了过渡过程中出现的新技术、新思路，介绍了多媒体IP网IM的结构特性。随着技术的不断进步，未来的移动通信在为人们提供传统的通信业务的同时，还将提供更丰富、更快速的服务。无线通信技术和IP技术在融合的过程将会有更具吸收力的应用前景。

摘自《移动通信》2001.10