WCDMA与CDMA2000网络结构比较

摘要 目前,移动通信系统正朝第三代发展,由于存在两种不同的2g制式,所以2g向3g的演进也存在两条路线。gsm采用wcdma的演进策略,窄带cdma采用cdma2000的演进策略。wcdma和cdma2000作为未来的主流技术,已经得到业界的广泛认可。wcdma与cdma2000两种制式无论是无线技术还是网络技术都存在很多相似之处,但又有许多差别。文章着重讨论了网络结构的相似和差异。
移动通信系统已经历了第一代模拟通信系统和第二代数字通信系统(gsm、cdma),目前正朝第三代移动通信系统发展。由于存在两种不同的2g制式,所以在2g向3g的演进过程中,也存在相应的两条路线。gsm采用wcdma的演进策略,窄带cdma(is95+ansi41)采用cdma2000的演进策略。wcdma与cdma2000作为未来主流技术,已得到业界的广泛认可。在技术创新和市场驱动的双重作用下,3g从概念向产业化的发展进程正在加快,全球主要设备运营商和制造商都在积极跟踪和研发基于wcdma或cdma2000技术的3g网络产品,因此,对它们进行研究和对比有重要意义。无论是无线技术还是网络技术方面,wcdma与cdma2000两种制式都有很多相似之处,但也有差别。
1、两种制式的逐步演进
两种制式标准的制定都非常注重逐步演进的概念,保证整个网络体系能平滑演进,并且为不同的运营商提供不同的解决方案和建网策略,以满足不同运营商的特殊需求。由于标准是逐步演进的,所以标准的制定也必然是分阶段的。从目前的标准来看,wcdma分成三个比较清晰的阶段,即r99、r4、r5。cdma2000标准的阶段划分比较模糊,但也基本划分为三个阶段,即phase0、phase1/2、phase 3。本文主要讨论两种制式的第二、第三阶段。
2、wcdmar4阶段
对两种制式来说,第二阶段都是向全ip网络演进的过渡阶段。在第二阶段,两种网络结构的相似性很强,主要改变在电路域中(即话音),而对分组数据的处理改变很小。下面主要针对电路域进行讨论。
在第二阶段都将处理话音的移动交换中心(msc)和移动网网关局(gmsc)分裂成两个网元,即mscserver/gmscserver和其控制的媒体网关(mgw)。其中,server主要完成对信令和呼叫控制的处理,而mgw提供语音流的处理及与外部网络的互连。server与mgw之间的网关控制协议都采用h.248,server与server之间都采用与承载无关的呼叫控制协议(bicc)。server与外部传统网络的信令互连都采用信令网关(sgw)实现互连互通。其中,t-sgw实现与公共交换电话网(pstn)网络的互连互通,r-swg实现与2g移动网的互连互通。
r4网络结构由r99直接演进而来,在r4网络中新增了一部分网元(如mgw、t-sgw、r-sgw)。并增强了一部分r99网元的功能(如msc、sgsn、ggsn、hlr),核心网可以支持r99cs域的终端,并允许终端在r99网络与r4网络中无缝漫游。这一阶段可以认为是向全ip网络的过渡阶段。通过各种媒体网关和信令网关,核心网可以与2g网络、pstn等外部网络进行互连互通,能够实现2g网络与3g网络之间的相互漫游。3g网络如果是从2g网络演进而来,则可以将2g网络看作是3g核心网络的一个外部网络。
r4网络中网元的智能化是其最基本的特点,3gpp在制定协议时,采用了大量传统的智能网协议,并进行了很多修改,从而使网络具有强大的智能化功能。智能网的功能分布在各个网元中,各网元都具有业务交换点(ssp)功能。智能网功能可以看作是3g核心网的不可分割的一部分。
3、cdma2000phase1/2阶段
向全ip的演进过程中(phase1),cdma2000与wcdma体系相同,这一阶段,将目前的ios4.x标准中的msc分裂成mscserver/gmsc server和mgw两个功能实体,并支持atm/ip传输。
对于cdma2000来说,这是向全ip演进的第一阶段,开始将信令与传输分开、核心网与接入网分开,各自独立发展。在这个阶段,核心网中的电路部分信令与承载分开,信令在ip传输,承载继续沿用原来的承载方式。分组部分和接入网独立发展。接入网部分采用ip传输(如a3、a7、a9、a11等)。空中接口采用release0或releasea。
在这个阶段,全ip中引进了“ipmultimediadomain”和“legacy ms domain support”两个概念。前者处理voip、多媒体以及两者的混合业务,后者实现对全ip中传统手机的支持。通过漫游信令处理原来的ansi-41电路网中的业务。“ip multimedia domain”虽然也支持传统手机,但是信令和业务均在ip上传输,它与通过漫游信令解决原来用户的业务是不同的概念。在全ip中由于有两个域的支持,双模手机可以根据自己的能力选择相应的模式向全ip的无线接入网(ran)注册。ran应该支持两种域的接入。空中接口需要增加全ip中ip域的会话发起协议(sip)呼叫信令的承载,但对传统移动台(ms)的支持可以继续采用原来的接口。
在ran中,内部接口通过全ip开放,特别是声码器部分的接口应该是开放的,可以使声码器能方便地移到核心网。声码器的位置最终将从基站控制器(bsc)移到mgw。这时a1、a2、a5接口演变成a1’、a2’及a5’接口,语音和ss7信令由ip传输。
ran向着全ip和更开放的方向演进,不仅支持传统的ms,而且支持核心网的多媒体域(multimediadomain)。
两种制式第二阶段网络的主要差别如下:a)对于r-sgw,两种制式采用的事务处理能力应用部分(tcap)和移动应用部分(map)信令不同。b)对于分组数据,wcdma的服务gprs支持节点(sgsn)和gprs网关支持节点(ggsn)主要采用gprs隧道协议(gtp),cdma2000的分组数据服务节点(pdsn)与归属代理(ha)之间主要采用移动ip(mip)协议。c)cdma2000基站与核心网间的语音采用evrc/rtp的形式传输,wcdma基站与核心网间的语音采用atmaal2承载。d)aaa服务器在wcdma中是可选的,在cdma2000中是网络的一部分。
4、wcdmar5阶段
网络由无线网络、gprs网络、呼叫控制、连接外部网络的各类网关以及业务构架五部分构成。无线网络由移动用户、无线链路及无线接入等部分构成。gprs网络由gprs支撑节点构成,包括提供移动性管理的sgsn、提供分组数据协议(pdp)激活上下文管理的sgsn及提供归属位置寄存器(hlr)功能的归属用户服务器(hss)等构成。呼叫控制部分的网络实体包括部分媒体网关和信令网关,主要由呼叫状态控制功能(cscf)、媒体网关控制功能(mgcf)、漫游信令网关(r-sgw)、mgw、传送信令网关(t-sgw)以及媒体资源功能(mrf)构成,完成呼叫控制与信令功能,实现各种实时移动业务。
5、cdma2000phase3阶段
该阶段是向全ip网络演进的顶点,在该阶段,全部成为ip多媒体域,没有传统ms。ip将延伸至所有领域,空中接口、接入网和核心网均为ip承载,包括全部信令和业务。
目前,ms的分组数据业务通过msc到相应的hlr来鉴权用户的数据业务权限,并指示bsc完成分组数据连接。在多媒体域中,通过bsc中的移动性管理模块(mm),由本地aaa与homeaaa交互完成。在这一阶段,传统移动台域(lmsd)将不再继续发展,如果直接从本阶段构建网络,将不再支持传统的ms。但如果网络是从以前的阶段发展而来,运营商可以选择保留以前的lmsd,与ip多媒体域并存,以支持传统的ms。在该阶段,ip多媒体应该是网络中占统治地位的技术,用来支持新业务或增强的ip多媒体业务,并能满足增强的业务能力及qos的要求。
6、wcdma与cdma2000在第三阶段的相似之处
第三代移动通信wcdma系统是在gsm和gprs的基础上演进而来,其规范的制订是在继承phase1、phase2和phase 2+协议标准的基础上,随着技术和业务的变化,新增和修改了部分技术规范,有很多gsm和gprs的协议被3gpp直接引用,转化为r99阶段的协议。总体来说,r99作为wcdma技术规范第一阶段的版本,与gsm(phase 1/phase 2/phase 2+)的技术规范相比,无论是在无线接入网络部分还是核心网络部分都有非常大的变化。在无线网络侧,gsm和gprs均是采用tdma技术,而在r99中,则采用具有革命性的cdma技术。在核心网络侧,同时引入了电路交换和分组交换技术,利用atm作为iu接口承载,能够兼容第二代的基站子系统(bss)及gsm、gprs的核心网,并能与pstn、isdn和ip网实现互通互连。也就是说,3g核心网应该能同时支持无线网络子系统(rns)和bss两种接入,并同时支持2g和3g的用户及相关业务。
wcdma的核心网从总体上可以分为cs域和ps域两大部分,分别对应于gsm系统中的电路交换部分和gprs部分,ps域基本继承了gprs的设计思想。msc/vlr负责处理cs域的相关业务,sgsn和ggsn负责处理ps域的相关业务。与原gprs系统相比,wcdma显著提高了无线资源的利用率,并简化了核心网部分的协议栈,将处理工作下推给无线网络控制器(rnc)。核心网中的主要技术突破是引进了具有aal2和aal5适配方式的atm交换技术、ip技术、amr编解码技术、transcode技术和基于cs/ps域的iu接口技术。与第二代相比,核心网在移动网络增强性逻辑的用户定制应用(camel)业务、定位业务(lcs)系统等方面都进行了功能增强性设计。
3g的骨干网还需要与一系列网络(如pstn、isdn、internet、其他2g的plmn、其他3g的plmn、多媒体网络等)互通,实现各种互通业务。wcdma与二代的gsm相比,由于引进了新的无线制式,网络改变相对较大。其中,rnc和nodeb与二代的bsc和bts比较,在无线制式、传输、协议上均有根本改变。核心网由于在无线侧引入了新的无线与传输技术,也有较大变化。wcdmar99的核心网最本质的变化在iu口(相当于原gsm的a接口与gb接口)引入了atm的传输。wcdma r5阶段与cdma2000 phase 3阶段都是真正的全ip网络。对于第三阶段来说,两种网络都引入了基于h.248协议的媒体控制分离技术和ip多媒体会话控制技术,以便在分组域中实现话音和多媒体业务。都实现了从移动终端到网络传输以及业务实现的ip技术。对于叠加演进,可能还存在第二阶段的一些网元。对于完全渐进演进的网络,全部采用ip多媒体技术实现。cdma2000网络中的hlr被aaa完全取代。wcdma则演进为hss,成为网络用户管理业务实现的中心。两种制式在分组域实现话音业务的技术也非常相似。
7、wcdma与cdma2000第三阶段的差异
该阶段两种制式的主要差别:a)对于r-sgw,由于两种制式采用的tcap和map信令不同,r-sgw在软件上也不同。b)对分组数据,wcdma的sgsn和ggsn主要采用gtp,而cdma2000的pdsn与ha之间主要采用mip协议。c)对wcdma来说,hlr的功能将得到增强,演变为hss,但aaa服务器仍然是可选的。而对于cdma2000来说,hlr将退化,其功能将在增强的aaa服务器中实现,aaa成为整个网络无线用户管理、无线资源管理以及各种业务开展的中心。d)对于wcdma来说,在ggsn的gi接口处叠加多媒体处理子系统,以便在分组数据上实现话音业务。而cdma2000是通过pdsn或者ha出ip流至媒体网关,以在分组数据上实现话音业务。
8、结束语
目前,全球主要设备厂商都在积极跟踪和研发基于wcdma技术的3g网络产品,日本的docomo早在1991年就启动了wcdma的研发工作,并于2001年下半年推出了wcdma可商用系统及产品样机。全球各大运营商对参与wcdma运营持积极态度,国内几大运营商也在积极争取3g牌照,并竞相展开wcdma网络试验,为wcdma运营做前期准备。中国电信运营商如何在获取3g牌照之后整合利用好自己的现有资源,发展新业务,笔者认为在讨论网络结构的基础上,需要解决网络建设成本、营销和业务策略、长期的规模效益等一系列问题。各运营商在权衡各种因素的条件下,选择三种制式中的哪一种,是关系到企业未来发展的重大问题。

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