基于現(xiàn)有GSM的第三代移動通信系統(tǒng)核心網(wǎng)絡(luò)的研究

 

摘　要：本文介紹了第三代移動通信系統(tǒng)的特點和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，探討了基于現(xiàn)有GSM網(wǎng)向第三代核心網(wǎng)逐步演進(jìn)的途徑與過渡方案，并論述了實現(xiàn)核心網(wǎng)過渡時要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

Study on the 3G Mobile Commonication Centre Network Based on GSM▲

1　第三代移動通信系統(tǒng)的目標(biāo)和要求

　　根據(jù)目前國內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)資料的描述，第三代移動通信系統(tǒng)最終要達(dá)到下述的目標(biāo)［1，2，3］：
　　(1)提供室內(nèi)2Mbps；室外384kbps／步行、144kbps／車輛、9.6kbps／衛(wèi)星的移動多媒體通信業(yè)務(wù)。
　　(2)高于現(xiàn)有移動系統(tǒng)兩倍的頻率效率。
　　(3)可以與固定網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量相比擬的通信質(zhì)量。
　　(4)適應(yīng)移動蜂窩，無繩，衛(wèi)星，PSTN，Internet網(wǎng)，IP／數(shù)據(jù)網(wǎng)等。
　　(5)個人移動性，終端移動性的全球無縫覆蓋和漫游。
　　為了達(dá)到上述目標(biāo)，同時保護(hù)第二代移動通信系統(tǒng)已有的巨大投資，在選擇第三代移動通信系統(tǒng)的實現(xiàn)方案時，應(yīng)首先考慮易于與第二代移動通信系統(tǒng)的互聯(lián)和兼容，以便在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上逐步向第三代移動通信系統(tǒng)平滑過渡。這就對第三代系統(tǒng)提出了要求，一是能提供低價的多頻／多模移動終端，二是應(yīng)具備在多種不同特性的網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行固定／移動混合交換的功能。

2　第三代移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　ITU－T負(fù)責(zé)IMT－2000信令和協(xié)議研究的SG11／WP3工作組，于1998年5月確定了IMT－2000的網(wǎng)絡(luò)框架標(biāo)準(zhǔn)(Q.1701)。Q.1701闡述了“IMT－2000家族”的概念，并明確了由ITU標(biāo)準(zhǔn)化的一組接口，如圖1所示。



圖1　IMT－2000的一組接口

　　在上圖中，與網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的接口為A接口和NNI，也即IMT－2000的網(wǎng)絡(luò)可分成無線接入網(wǎng)絡(luò)(RAN)和核心網(wǎng)絡(luò)(CN)兩部分。這種采用模塊化結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計是IMT－2000的一大特點，它不僅允許符合IMT－2000家族概念的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入系統(tǒng)，而且可以方便地通過一組標(biāo)準(zhǔn)化接口將各種不同的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)與IMT－2000的組件連在一起，因此，這也為網(wǎng)絡(luò)經(jīng)營者指出了一條向IMT－2000演化過渡的途徑。
　　由于ITU－T只規(guī)定了外部接口，并沒有對網(wǎng)絡(luò)采用的技術(shù)加以限制，所以，按照各組成部分的功能劃分，IMT－2000系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示［4］。



圖2　IMT－2000的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　從圖2可見，IMT－2000的無線接入網(wǎng)還可細(xì)分為無線載體通用功能(RBCF)和無線傳輸特殊功能(RTSF)兩部分。前者包括所有與采用的無線接入技術(shù)無關(guān)的控制與傳輸功能；后者包括與無線技術(shù)有關(guān)的各項功能，它還可進(jìn)一步分為無線傳輸技術(shù)(RTT)和相關(guān)的無線傳輸適配功能(RTAF)，以便將不同的RTT與通用的RBCF連接起來［5］。
　　在核心網(wǎng)絡(luò)方面，IMT－2000的結(jié)構(gòu)還允許通過使用網(wǎng)際互連功能(IWF)來支持第二代核心網(wǎng)絡(luò)的接入，實現(xiàn)第三代核心網(wǎng)絡(luò)與第二代核心網(wǎng)絡(luò)之間的互通互連。類似地，通過一定的適配模塊(AF)，第二代核心網(wǎng)絡(luò)也可以支持第三代的無線接入技術(shù)。因此，這充分體現(xiàn)了IMT－2000系統(tǒng)的家族概念和從現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)向IMT－2000過渡的靈活性。
　　按照第三代移動通信系統(tǒng)可提供全球無縫覆蓋的要求，它應(yīng)允許用戶在多種無線運營環(huán)境(微微小區(qū)，微小區(qū)，宏小區(qū)和全球范圍)下進(jìn)行通信，所以，CN網(wǎng)就相應(yīng)有著不同的無線接入技術(shù)，比如GSM、CDMA、DECT、PCS、MSS和IMT－2000 RTT等。另一方面，按照第三代移動通信系統(tǒng)可提供多媒體業(yè)務(wù)的能力，它應(yīng)支持用戶到固定網(wǎng)絡(luò)的接入，如ISDN、B－ISDN、Internet和LAN等，享受與固定網(wǎng)絡(luò)用戶一樣的服務(wù)業(yè)務(wù)。為此，第三代移動通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)絡(luò)必需具備電路交換和分組交換的混合交換功能［6］。由于ATM交換擁有進(jìn)行語音、數(shù)據(jù)和圖象綜合交換的能力，并可滿足各類不同業(yè)務(wù)的質(zhì)量要求，因而采用ATM交換技術(shù)是第三代核心網(wǎng)絡(luò)的一項優(yōu)先選擇方案。圖3給出了一種可能的IMT－2000系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。



圖3　IMT－2000系統(tǒng)的一種可能結(jié)構(gòu)

3　核心網(wǎng)從第二代向第三代過渡之路

　　由于第三代移動通信系統(tǒng)在許多方面都不同于第二代移動通信系統(tǒng)，因而它的引入將會對后者造成巨大沖擊。目前，第二代移動通信系統(tǒng)已在全球110多個國家投入使用，用戶總數(shù)約有2.5億左右；預(yù)計到2003年IMT－2000大規(guī)模商用時，第二代移動用戶的總數(shù)可達(dá)到4～5億。為了保證第二代移動通信系統(tǒng)的巨額投資回報，繼續(xù)發(fā)揮其龐大基礎(chǔ)設(shè)施的效益，所以，應(yīng)當(dāng)遵循從第二代平滑過渡并能支持第二代系統(tǒng)所提供業(yè)務(wù)的原則，來選擇第三代移動通信系統(tǒng)的演進(jìn)方案。因此，第三代移動通信系統(tǒng)可分階段逐步實現(xiàn)。首先，通過增強(qiáng)第二代核心網(wǎng)的能力，使其能提供部分第三代的移動業(yè)務(wù)；然后，允許第三代無線接入網(wǎng)通過適配功能單元接入到增強(qiáng)的第二代核心網(wǎng)；最后經(jīng)過一定的時間，再引入第三代核心網(wǎng)，并與第二代核心網(wǎng)進(jìn)行互通，從而逐步將第二代核心網(wǎng)淘汰掉。
　　第二代核心網(wǎng)主要包括GSM／MAP和IS－41兩大類。根據(jù)IMT－2000的家族概念，只要它們經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)功能提升后，在公共接口上和業(yè)務(wù)能力上均滿足第三代移動通信系統(tǒng)的要求，都可以逐步向IMT－2000過渡。但是，考慮到兩類第二代系統(tǒng)彼此采用了不同的無線接入技術(shù)，并且又都與第三代的RTT互不兼容，因此，第三代系統(tǒng)中的移動終端應(yīng)具備在兩代基站間進(jìn)行切換或運用于IMT－2000不同核心網(wǎng)家族成員的雙模性能，這樣方可保證第二代到第三代的平滑過渡。圖4表明了基于現(xiàn)有第二代系統(tǒng)向第三代系統(tǒng)演進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)方案。



圖4　現(xiàn)有第二代系統(tǒng)向第三代系統(tǒng)演進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)方案

　　就我國移動通信的發(fā)展情況而言，在2000多萬移動用戶中，80%以上的用戶歸屬于GSM網(wǎng)絡(luò)。此外，GSM的擴(kuò)容速度非常迅猛，預(yù)計到2002年左右，其容量可達(dá)到7000～8000萬用戶。因此，我們應(yīng)著重研究如何基于GSM系統(tǒng)逐步朝第三代移動通信系統(tǒng)演進(jìn)的問題。圖5和圖6示出了從增強(qiáng)型GSM到IMT－2000的兩個可能演進(jìn)階段。



圖5　GSM到IMT－2000的第一階段



圖6　GSM到IMT－2000的第二階段

　　由以上兩圖可知，在過渡的第一階段，GSM核心網(wǎng)為第三代移動終端提供語音、數(shù)據(jù)和圖象業(yè)務(wù)，并對其移動性進(jìn)行管理；第三代系統(tǒng)只完成呼叫控制和無線資源的分配功能；在過渡的第二階段，第三代核心網(wǎng)不僅可獨立提供滿足IMT－2000要求的業(yè)務(wù)，而且還支持第二代BTS的接入。因為ATM具有適合多種業(yè)務(wù)速率、動態(tài)分配帶寬和易于同有線寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)接口的優(yōu)點，所以，在第三代核心網(wǎng)中采用基于信元的傳輸和交換結(jié)構(gòu)，是滿足第三代移動用戶對多媒體業(yè)務(wù)需求的最佳選擇［7］。

4　實現(xiàn)核心網(wǎng)過渡的關(guān)鍵技術(shù)

4.1　移動性管理及尋址技術(shù)

　　為了提供全球的無縫覆蓋，第三代移動通信系統(tǒng)必需能適合工作于多種通信環(huán)境，比如公眾電話網(wǎng)、蜂窩移動網(wǎng)、無繩電話網(wǎng)、分組數(shù)據(jù)網(wǎng)和衛(wèi)星移動通信網(wǎng)等。因此，面對這樣復(fù)雜的綜合系統(tǒng)，第二代系統(tǒng)的移動性管理功能及尋址技術(shù)就難以勝任。為保證移動終端跨網(wǎng)絡(luò)通信和在不同的地區(qū)進(jìn)行漫游，第三代移動通信除了依靠軟切換與用戶位置跟蹤等技術(shù)外，還需要解決移動用戶的管理問題，這就必須涉及到號碼編號和尋址技術(shù)。由于大量的用戶信息及業(yè)務(wù)信息存儲于業(yè)務(wù)控制點的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，而且對它們的訪問存取和查詢修改都十分頻繁，所以，開發(fā)大規(guī)模的移動性管理系統(tǒng)軟件，建立大容量的數(shù)據(jù)庫和全球性的分布式數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)，以及研究快速有效的尋址方式，均是實現(xiàn)核心網(wǎng)過渡必需要解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

4.2　智能網(wǎng)技術(shù)的研究與應(yīng)用［8］

　　智能網(wǎng)技術(shù)與移動網(wǎng)相結(jié)合，可為終端及個人的移動性管理和多樣化業(yè)務(wù)服務(wù)提供主體框架結(jié)構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)劃分為傳輸功能和業(yè)務(wù)控制功能，使呼叫處理過程同呼叫業(yè)務(wù)種類無關(guān)，而且同呼叫處理的具體實施細(xì)節(jié)也無關(guān)。因此，隨著核心網(wǎng)功能增強(qiáng)，智能網(wǎng)可靈活地添加和修改所提供的業(yè)務(wù)種類，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)升級的目的。比如，先利用智能網(wǎng)技術(shù)對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)做些修改，然后過渡到智能網(wǎng)中的數(shù)據(jù)庫和第三代移動通信網(wǎng)中的多種數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)有機(jī)的結(jié)合，構(gòu)成統(tǒng)一的分布式數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)，以提供多種智能業(yè)務(wù)。

4.3　地面網(wǎng)與衛(wèi)星系統(tǒng)的綜合

　　第三代移動通信網(wǎng)最終將是一個提供全球的無縫覆蓋并能實現(xiàn)全球漫游通信的系統(tǒng)。實現(xiàn)全球無縫覆蓋必然需要集衛(wèi)星移動通信、地面蜂窩移動網(wǎng)和地面固定網(wǎng)于一體，這樣才能真正形成海、陸、空三維覆蓋的無縫網(wǎng)。衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)雖然只是地面蜂窩移動網(wǎng)和地面固定網(wǎng)的補(bǔ)充和延伸，而且用戶數(shù)量也比后兩者為少，但它卻是實現(xiàn)無通信盲區(qū)與達(dá)到全球無縫覆蓋的關(guān)鍵手段。因此，在第三代移動通信系統(tǒng)中，地面網(wǎng)絡(luò)(移動和固定)與衛(wèi)星系統(tǒng)的有效綜合顯得非常重要。需要研究的內(nèi)容有：移動終端在各種環(huán)境下接入衛(wèi)星系統(tǒng)的技術(shù)；衛(wèi)星移動波束覆蓋域內(nèi)的越區(qū)切換技術(shù)；對在地面網(wǎng)和衛(wèi)星系統(tǒng)間漫游用戶的尋呼／連接控制技術(shù)等。此外，具有星上處理和星際鏈路交換功能的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)更是值得重點研究的。

4.4　移動網(wǎng)和固定網(wǎng)的融合技術(shù)

　　第三代移動通信系統(tǒng)眾多而又復(fù)雜的功能要求，使它幾乎集中了通信領(lǐng)域中的所有難點，因此，整個系統(tǒng)不可能設(shè)想為一個單一的結(jié)構(gòu)，而應(yīng)該是由多個相關(guān)系統(tǒng)組成的綜合網(wǎng)絡(luò)。比如，第三代系統(tǒng)的接入網(wǎng)就包括無線接入、有線接入和衛(wèi)星接入，其中無線接入與有線接入又可細(xì)分為不同的網(wǎng)絡(luò)形式。可見，核心網(wǎng)既要能連接現(xiàn)有無線接入設(shè)備和新的無線接入設(shè)備，還要能支持訪問PSTN、Internet、PSDN以及LAN的業(yè)務(wù)，所以，它需要有融合移動網(wǎng)和固定網(wǎng)的能力。為了達(dá)到移動網(wǎng)和固定網(wǎng)有效融合的目的，核心網(wǎng)中將有一個多功能交換平臺。該交換平臺可在不同的接入網(wǎng)與核心網(wǎng)間提供接口，用以支持移動用戶和固定用戶的接入，實現(xiàn)寬帶無線接入網(wǎng)同電話網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)和IP網(wǎng)的互通［9，10］。由于ATM交換機(jī)可以進(jìn)行電路和分組混合交換，并且具有通用的網(wǎng)絡(luò)接口功能，所以，它是固定／移動混合網(wǎng)中最佳的多媒體交換平臺。一些世界著名的大公司，如Lucent、Ericsson和NTT等已經(jīng)進(jìn)行基于ATM協(xié)議的核心網(wǎng)研究，在基站和移動交換中心之間，利用AAL2傳送短時延與長度可變的語音和消息，利用AAL5傳送信令和分組數(shù)據(jù)。事實上，ITU－T SG11／WP3工作組在IMT－2000有關(guān)RAN－CN接口的Q.FSA建議中，就要求第三代移動通信系統(tǒng)的A接口信令結(jié)構(gòu)建立在ATM協(xié)議基礎(chǔ)之上。

5　結(jié)束語

　　第三代核心網(wǎng)包括移動交換網(wǎng)和業(yè)務(wù)服務(wù)網(wǎng)；前者完成無線網(wǎng)同固定網(wǎng)的互通互連和終端移動性管理的功能，后者則向移動用戶提供與固定用戶所能獲得的相同業(yè)務(wù)和服務(wù)質(zhì)量。由于固定網(wǎng)可看作業(yè)務(wù)服務(wù)網(wǎng)，如Internet、IP數(shù)據(jù)網(wǎng)、ISDN和PSTN，故而核心網(wǎng)的演進(jìn)主要是移動交換網(wǎng)功能的提升。因此，研究如何從第二代GSM核心網(wǎng)逐步平滑過渡到第三代IMT－2000核心網(wǎng)的途徑具有重要的意義。移動性管理及尋址技術(shù)、智能網(wǎng)技術(shù)的研究與應(yīng)用、地面網(wǎng)與衛(wèi)星系統(tǒng)的綜合以及移動網(wǎng)和固定網(wǎng)的融合技術(shù)，這些是實現(xiàn)第三代移動通信系統(tǒng)核心網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。既然核心網(wǎng)從第二代向第三代過渡是逐步漸進(jìn)的，所提供的業(yè)務(wù)支持和網(wǎng)絡(luò)功能也是分階段實施的，所以，根據(jù)我國移動通信基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，我們應(yīng)該抓緊時間研究基于GSM網(wǎng)向第三代核心網(wǎng)過渡的問題，大力培養(yǎng)第三代移動通信技術(shù)人才，以適合未來二十一世紀(jì)移動通信產(chǎn)業(yè)和市場迅速增長的需要。

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