基于现有GSM的第三代移动通信系统核心网络的研究

 

摘　要：本文介绍了第三代移动通信系统的特点和网络结构，探讨了基于现有GSM网向第三代核心网逐步演进的途径与过渡方案，并论述了实现核心网过渡时要解决的关键技术。

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

1　第三代移动通信系统的目标和要求

　　根据目前国内外有关文献资料的描述，第三代移动通信系统最终要达到下述的目标［1，2，3］：
　　(1)提供室内2Mbps；室外384kbps／步行、144kbps／车辆、9.6kbps／卫星的移动多媒体通信业务。
　　(2)高于现有移动系统两倍的频率效率。
　　(3)可以与固定网络的服务质量相比拟的通信质量。
　　(4)适应移动蜂窝，无绳，卫星，PSTN，Internet网，IP／数据网等。
　　(5)个人移动性，终端移动性的全球无缝覆盖和漫游。
　　为了达到上述目标，同时保护第二代移动通信系统已有的巨大投资，在选择第三代移动通信系统的实现方案时，应首先考虑易于与第二代移动通信系统的互联和兼容，以便在现有网络的基础上逐步向第三代移动通信系统平滑过渡。这就对第三代系统提出了要求，一是能提供低价的多频／多模移动终端，二是应具备在多种不同特性的网络之间进行固定／移动混合交换的功能。

2　第三代移动通信系统的网络结构

　　ITU－T负责IMT－2000信令和协议研究的SG11／WP3工作组，于1998年5月确定了IMT－2000的网络框架标准(Q.1701)。Q.1701阐述了“IMT－2000家族”的概念，并明确了由ITU标准化的一组接口，如图1所示。



图1　IMT－2000的一组接口

　　在上图中，与网络有关的接口为A接口和NNI，也即IMT－2000的网络可分成无线接入网络(RAN)和核心网络(CN)两部分。这种采用模块化结构的网络设计是IMT－2000的一大特点，它不仅允许符合IMT－2000家族概念的网络设备接入系统，而且可以方便地通过一组标准化接口将各种不同的现有网络与IMT－2000的组件连在一起，因此，这也为网络经营者指出了一条向IMT－2000演化过渡的途径。
　　由于ITU－T只规定了外部接口，并没有对网络采用的技术加以限制，所以，按照各组成部分的功能划分，IMT－2000系统的网络结构如图2所示［4］。



图2　IMT－2000的系统结构框图

　　从图2可见，IMT－2000的无线接入网还可细分为无线载体通用功能(RBCF)和无线传输特殊功能(RTSF)两部分。前者包括所有与采用的无线接入技术无关的控制与传输功能；后者包括与无线技术有关的各项功能，它还可进一步分为无线传输技术(RTT)和相关的无线传输适配功能(RTAF)，以便将不同的RTT与通用的RBCF连接起来［5］。
　　在核心网络方面，IMT－2000的结构还允许通过使用网际互连功能(IWF)来支持第二代核心网络的接入，实现第三代核心网络与第二代核心网络之间的互通互连。类似地，通过一定的适配模块(AF)，第二代核心网络也可以支持第三代的无线接入技术。因此，这充分体现了IMT－2000系统的家族概念和从现有网络向IMT－2000过渡的灵活性。
　　按照第三代移动通信系统可提供全球无缝覆盖的要求，它应允许用户在多种无线运营环境(微微小区，微小区，宏小区和全球范围)下进行通信，所以，CN网就相应有着不同的无线接入技术，比如GSM、CDMA、DECT、PCS、MSS和IMT－2000 RTT等。另一方面，按照第三代移动通信系统可提供多媒体业务的能力，它应支持用户到固定网络的接入，如ISDN、B－ISDN、Internet和LAN等，享受与固定网络用户一样的服务业务。为此，第三代移动通信系统的核心网络必需具备电路交换和分组交换的混合交换功能［6］。由于ATM交换拥有进行语音、数据和图象综合交换的能力，并可满足各类不同业务的质量要求，因而采用ATM交换技术是第三代核心网络的一项优先选择方案。图3给出了一种可能的IMT－2000系统的结构。



图3　IMT－2000系统的一种可能结构

3　核心网从第二代向第三代过渡之路

　　由于第三代移动通信系统在许多方面都不同于第二代移动通信系统，因而它的引入将会对后者造成巨大冲击。目前，第二代移动通信系统已在全球110多个国家投入使用，用户总数约有2.5亿左右；预计到2003年IMT－2000大规模商用时，第二代移动用户的总数可达到4～5亿。为了保证第二代移动通信系统的巨额投资回报，继续发挥其庞大基础设施的效益，所以，应当遵循从第二代平滑过渡并能支持第二代系统所提供业务的原则，来选择第三代移动通信系统的演进方案。因此，第三代移动通信系统可分阶段逐步实现。首先，通过增强第二代核心网的能力，使其能提供部分第三代的移动业务；然后，允许第三代无线接入网通过适配功能单元接入到增强的第二代核心网；最后经过一定的时间，再引入第三代核心网，并与第二代核心网进行互通，从而逐步将第二代核心网淘汰掉。
　　第二代核心网主要包括GSM／MAP和IS－41两大类。根据IMT－2000的家族概念，只要它们经过网络功能提升后，在公共接口上和业务能力上均满足第三代移动通信系统的要求，都可以逐步向IMT－2000过渡。但是，考虑到两类第二代系统彼此采用了不同的无线接入技术，并且又都与第三代的RTT互不兼容，因此，第三代系统中的移动终端应具备在两代基站间进行切换或运用于IMT－2000不同核心网家族成员的双模性能，这样方可保证第二代到第三代的平滑过渡。图4表明了基于现有第二代系统向第三代系统演进的网络方案。



图4　现有第二代系统向第三代系统演进的网络方案

　　就我国移动通信的发展情况而言，在2000多万移动用户中，80%以上的用户归属于GSM网络。此外，GSM的扩容速度非常迅猛，预计到2002年左右，其容量可达到7000～8000万用户。因此，我们应着重研究如何基于GSM系统逐步朝第三代移动通信系统演进的问题。图5和图6示出了从增强型GSM到IMT－2000的两个可能演进阶段。



图5　GSM到IMT－2000的第一阶段



图6　GSM到IMT－2000的第二阶段

　　由以上两图可知，在过渡的第一阶段，GSM核心网为第三代移动终端提供语音、数据和图象业务，并对其移动性进行管理；第三代系统只完成呼叫控制和无线资源的分配功能；在过渡的第二阶段，第三代核心网不仅可独立提供满足IMT－2000要求的业务，而且还支持第二代BTS的接入。因为ATM具有适合多种业务速率、动态分配带宽和易于同有线宽带综合业务数字网接口的优点，所以，在第三代核心网中采用基于信元的传输和交换结构，是满足第三代移动用户对多媒体业务需求的最佳选择［7］。

4　实现核心网过渡的关键技术

4.1　移动性管理及寻址技术

　　为了提供全球的无缝覆盖，第三代移动通信系统必需能适合工作于多种通信环境，比如公众电话网、蜂窝移动网、无绳电话网、分组数据网和卫星移动通信网等。因此，面对这样复杂的综合系统，第二代系统的移动性管理功能及寻址技术就难以胜任。为保证移动终端跨网络通信和在不同的地区进行漫游，第三代移动通信除了依靠软切换与用户位置跟踪等技术外，还需要解决移动用户的管理问题，这就必须涉及到号码编号和寻址技术。由于大量的用户信息及业务信息存储于业务控制点的数据库内，而且对它们的访问存取和查询修改都十分频繁，所以，开发大规模的移动性管理系统软件，建立大容量的数据库和全球性的分布式数据库网络，以及研究快速有效的寻址方式，均是实现核心网过渡必需要解决的关键技术难题。

4.2　智能网技术的研究与应用［8］

　　智能网技术与移动网相结合，可为终端及个人的移动性管理和多样化业务服务提供主体框架结构，将网络划分为传输功能和业务控制功能，使呼叫处理过程同呼叫业务种类无关，而且同呼叫处理的具体实施细节也无关。因此，随着核心网功能增强，智能网可灵活地添加和修改所提供的业务种类，达到网络升级的目的。比如，先利用智能网技术对现有网络做些修改，然后过渡到智能网中的数据库和第三代移动通信网中的多种数据库实现有机的结合，构成统一的分布式数据库网络，以提供多种智能业务。

4.3　地面网与卫星系统的综合

　　第三代移动通信网最终将是一个提供全球的无缝覆盖并能实现全球漫游通信的系统。实现全球无缝覆盖必然需要集卫星移动通信、地面蜂窝移动网和地面固定网于一体，这样才能真正形成海、陆、空三维覆盖的无缝网。卫星移动通信系统虽然只是地面蜂窝移动网和地面固定网的补充和延伸，而且用户数量也比后两者为少，但它却是实现无通信盲区与达到全球无缝覆盖的关键手段。因此，在第三代移动通信系统中，地面网络(移动和固定)与卫星系统的有效综合显得非常重要。需要研究的内容有：移动终端在各种环境下接入卫星系统的技术；卫星移动波束覆盖域内的越区切换技术；对在地面网和卫星系统间漫游用户的寻呼／连接控制技术等。此外，具有星上处理和星际链路交换功能的卫星移动通信系统更是值得重点研究的。

4.4　移动网和固定网的融合技术

　　第三代移动通信系统众多而又复杂的功能要求，使它几乎集中了通信领域中的所有难点，因此，整个系统不可能设想为一个单一的结构，而应该是由多个相关系统组成的综合网络。比如，第三代系统的接入网就包括无线接入、有线接入和卫星接入，其中无线接入与有线接入又可细分为不同的网络形式。可见，核心网既要能连接现有无线接入设备和新的无线接入设备，还要能支持访问PSTN、Internet、PSDN以及LAN的业务，所以，它需要有融合移动网和固定网的能力。为了达到移动网和固定网有效融合的目的，核心网中将有一个多功能交换平台。该交换平台可在不同的接入网与核心网间提供接口，用以支持移动用户和固定用户的接入，实现宽带无线接入网同电话网、数据网和IP网的互通［9，10］。由于ATM交换机可以进行电路和分组混合交换，并且具有通用的网络接口功能，所以，它是固定／移动混合网中最佳的多媒体交换平台。一些世界著名的大公司，如Lucent、Ericsson和NTT等已经进行基于ATM协议的核心网研究，在基站和移动交换中心之间，利用AAL2传送短时延与长度可变的语音和消息，利用AAL5传送信令和分组数据。事实上，ITU－T SG11／WP3工作组在IMT－2000有关RAN－CN接口的Q.FSA建议中，就要求第三代移动通信系统的A接口信令结构建立在ATM协议基础之上。

5　结束语

　　第三代核心网包括移动交换网和业务服务网；前者完成无线网同固定网的互通互连和终端移动性管理的功能，后者则向移动用户提供与固定用户所能获得的相同业务和服务质量。由于固定网可看作业务服务网，如Internet、IP数据网、ISDN和PSTN，故而核心网的演进主要是移动交换网功能的提升。因此，研究如何从第二代GSM核心网逐步平滑过渡到第三代IMT－2000核心网的途径具有重要的意义。移动性管理及寻址技术、智能网技术的研究与应用、地面网与卫星系统的综合以及移动网和固定网的融合技术，这些是实现第三代移动通信系统核心网的关键技术。既然核心网从第二代向第三代过渡是逐步渐进的，所提供的业务支持和网络功能也是分阶段实施的，所以，根据我国移动通信基础设施的现状和发展趋势，我们应该抓紧时间研究基于GSM网向第三代核心网过渡的问题，大力培养第三代移动通信技术人才，以适合未来二十一世纪移动通信产业和市场迅速增长的需要。

参考文献：

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［7］ F C John，et al.Secure Provision of UMTS Services Diverse Access Networks.IEEE Communications Magazine，Feb，1998：128～136.
［8］ 顾琰，孙峻岭，沈连丰.第三代移动通信系统及其关键技术.通讯世界，1998(11)：31～33.
［9］ 97年度“863”通信新技术跟踪研究报告之一——移动通信技术.第三代移动通信技术发展近况.通讯世界，1998(6)：10～17.
［10］ 陈玉生，朱君范.欧洲W－CDMA开发进展及其技术指标.电信科学，1998(8)：43～44