3G WCDMA網絡共享的關鍵技術

　　 

    作者：張健

    摘要：基于3GPP標準中網絡共享的最新研究進展，文章介紹了3GWCDMA網絡共享的4種解決方案：站點共享、公共共享網絡、地理分割網絡共享、無線接入網共享，對Release5中的Iu-Flex功能、Release5中連接模式下的UTRAN共享機制和Release6中的網絡共享支持增強機制等網絡共享的關鍵技術進行了分析。

    關鍵詞：寬帶碼分多址；網絡共享；解決方案；關鍵技術

    Abstract:Basedonthelatest research achievements of 3GPP standards on Network Sharing, this paper introduces 4 solutions of Network Sharing in 3G WCDMA networks. They are site sharing, common shared networks, geographically split network sharing and UMTS Terrestrial Radio Aclearcase/" target="_blank" >ccess Network (UTRAN) sharing. Key network sharing technologies such as Iu-Flex and UTRAN sharing in connected mode of Release5 and enhanced UTRAN sharing of Release6 are then analyzed.

    Keywords:WCDMA;networksharing; solution; key technologies

    3G寬帶碼分多址(WCDMA)中的網絡共享技術是允許不同網絡運營商之間共享WCDMA一部分網元的技術。網絡運營商之間可以利用各自的優勢通過網絡共享合作建設/運營WCDMA網絡，從而降低初期建網投資，以更快的速度進入市場，提供3G服務，增強競爭實力。市場調研結果表明，網絡共享在覆蓋擴展階段大概可以為運營商節約20%～40%的成本[1]，因此該項技術受到國際上主要運營商與設備供應商的廣泛關注。

    最初的3GPP規范沒有考慮過兩個或更多獨立運營商共享部分或全部網絡的可能性，在Release99與Release4中，用戶設備(UE)能夠切換到其他可選公眾陸地移動網(PLMN)的特性可以認為是對網絡共享的一種有限支持。Release5中，引入了Iu-Flex的概念和連接模式下共享通用移動通信系統地面無線接入網(UTRAN)的特性。到Release6時，提出了4種網絡共享的解決方案，并重點研究了對UTRAN共享支持方面的功能增強。2004年12月在希臘雅典召開的3GPP技術規范組無線接入網(TSGRAN)第26次會議上確定網絡共享課題的研究工作完成[2]，標志著網絡共享在技術上基本成熟。

    1  網絡共享的4種解決方案

    網絡共享主要有4種解決方案：站點共享、公共共享網絡(共享無線接入網和部分核心網)、地理分割網絡共享、無線接入網共享(即共享UTRAN)[1,3]，具體采用哪一種方案取決于市場情況、流量預期以及許可狀況。共享的網元可以被一個運營商擁有，或多個運營商共同擁有，或者獨立的第三方所擁有。

    站點共享包括運營商之間共享站址、天線放置塔、天線、電源設備、傳輸設備，一個站點可以被兩個GSM運營商，或兩個WCDMA運營商，或一個GSM運營商與一個WCDMA運營商所共享。站點共享可在站點的獲取、土建工程、站點年租費、站點運行費等方面節約成本。站點共享適用于人口密集區域以及農村地區。

    公共共享網絡方案中，多個運營商共同建設與運營一個公共的3G網絡，包括無線接入網與部分核心網。該方案有利于提高頻譜效率，各共享的運營商可以配置同一個頻點以提供初始覆蓋。在網絡流量預期有限的大面積區域使用該方案非常節約成本，該方案也允許不具有3G許可的運營商與具有3G許可的運營商進行網絡共享。

    地理分割網絡共享方案中，每個運營商擁有各自獨立的3G網絡。運營商覆蓋不同的地理區域，通過允許用戶進行國內漫游來擴展3G服務的覆蓋范圍。共享區域的通信流量集中到各個獨立運營商的頻點內，從而提高了效率。在農村，地理分割網絡共享可以作為擴展覆蓋區的長期配置方案，每個運營商仍然維持各自的網絡，通過相互漫游協議或單方漫游協議，覆蓋區大的運營商可以為覆蓋區有限的運營商提供額外的網絡覆蓋。

    無線接入網共享方案中，運營商共享無線接入網(RAN)，包括無線網絡控制器(RNC)與基站。如圖1所示，一個物理的RNC被分為兩個或更多邏輯的RNC，分別屬于不同的運營商，每個邏輯RNC有自己的公眾陸地移動網(PLMN)網碼、載波、頻點，RNC在物理上被共享但在邏輯上是分離的。共享RAN在RNC軟件中引入，擴展了頻點和無線網絡容量。無線接入網共享方案被典型應用于人口密集區域以實現3G許可所要求的區域覆蓋狀況，或者用于解決3G許可要求之外的共同區域覆蓋情況，每個運營商均可以為各自的覆蓋區連接共享的RAN。

    2  網絡共享的關鍵技術

    2.1Release5中的Iu-Flex功能

    Release5引入了Iu-Flex功能，即RNC支持一個RAN節點到多個CN節點的域內連接路由功能，允許RAN節點把信息在相應的電路交換(CS)域或分組交換(PS)域路由到不同的CN節點，從而使多個MSC或SGSN之間進行負荷分擔以進一步提高硬件的使用效率。圖2的區域池(PoolArea)集中了一個或多個MSC或SGSN服務區，UE可能在此區域中漫游而不需改變服務CN節點。一個區域池可以服務于幾個并行的CN節點，區域池對CS域和PS域可以獨立配置。從RAN的角度看，區域池包括一組并行CN節點所服務的一個或多個RNC所有的位置區/路由區(LA/RA)，這組CN節點可能還服務于該區域池之外的LA/RA，也可能服務于其他的區域池。這組CN節點也可以是相應的MSC池或SGSN池，一個區域池中多個CN節點可以實現負荷均衡，而且它們所提供的服務范圍與單個CN節點提供的服務區相比擴大了許多，這樣可以減少CN間節點更新、切換和重定位，降低歸屬位置寄存器(HLR)更新流量。

    Iu-Flex的基本工作過程如下：

    服務SGSN的建立。當UE執行GPRS附著(Attach)時，RNC選擇合適的SGSN。SGSN把其標識——網絡資源標識(NRI)編碼到分組臨時移動用戶標識(P-TMSI)中。使UE、RNC、服務SGSN都知道國際移動用戶標識號與網絡資源標識(IMSI-NRI)的映射關系。RNC、SGSN可以相應地路由分組包。

    記錄服務SGSN。當UE在分組域移動管理-連接(PMM-connected)模式時，RNC保持IMSI-NRI映射。當UE進入分組域移動管理-空閑(PMM-idle)模式時，RNC刪除UE的數據(沒有來自于或到UE的分組包需要路由)。當UE重新進入PMM-connected模式時，把其服務SGSN的NRI提供給RNC。

    2.2Release5中連接模式下的UTRAN共享機制

    Release99與Release4中，CN和UTRAN都提供了當UE在空閑模式時對當前PLMN和其他PLMN的位置區的接入限制機制。該機制可用于實現網絡共享，基于漫游協議可以對不同的UE施加不同的接入限制。但UE在連接模式時卻沒有提供一致的接入限制機制。Release5中共享網絡區(SNA)概念的提出解決了連接模式下UTRAN共享問題[4]。SNA-Id為SNA的標識，用于標識包含有一個或多個位置區(LA)的區域。這樣的區域稱為SNA，賦予連接模式下的UE對共享網絡的訪問權限。SNA-Id由公眾陸地移動網的標識(PLMN-Id)與共享網絡區域碼(SNAC)組成。SNA-Id=PLMN-Id||SNAC，SNAC由運營商定義。

    共享網絡接入控制功能允許CN請求UTRAN應用UE來指定接入控制到UTRAN的位置區和鄰近網絡的LA。共享網絡接入控制功能基于整個PLMN或者SNA。一個SNA對應于一個或多個位置區。一個或多個位置區屬于一個獨立的PLMN，UE接入可以在該獨立的PLMN中被控制。為了對UTRAN或鄰接系統進行共享網絡訪問控制，UTRAN需要知道相關的LA是否屬于一個(或多個)SNA。如果對一個特定UE的接入需要限制，CN會提供SNA接入信息給該UE。SNA接入信息指示UE允許接入哪些PLMN和/或哪些SNA?；贚A是否屬于PLMN或者SNA，UTRAN決定是否允許UE接入某LA。如果不允許接入，UTRAN會請求CN釋放存在的資源，通過Iu接口發起釋放請求過程(原因為共享網絡訪問限制)或者通過請求重定位(原因也為共享網絡訪問限制)。

    2.3Release6中的網絡共享支持增強機制

    Release6的UTRAN共享機制允許不同的運營商共享RAN網元，而且可以共享無線資源。運營商既可以擁有專有的RAN，也可以沒有。

    RAN共享主要有兩種參考模型[5,6]：一，除共享RAN外，MSC和SGSN也被共享，這種配置方式稱為網關核心網(GWCN)配置，如圖3所示；二，僅有RAN被共享，這種配置方式稱為多運營商核心網(MOCN)配置，如圖4所示。

 

    網絡共享是運營商之間的協議，對于用戶而言是透明的。這意味著Release6中支持網絡共享的UE(SupportingUE)需要區分共享RAN的不同的核心網運營商，而且可以像對待非共享網絡中的運營商那樣對待他們。網絡共享中系統消息廣播應該包含共享RAN中的每個小區信息，包含共享RAN的每個核心網運營商信息。SupportingUE對系統消息廣播進行解碼以確定共享網絡中各核心網運營商。

    Release6中不支持網絡共享的UE(Non-supportingUE)忽略系統消息廣播中網絡共享的相關信息。當UE初始接入共享網絡時，將要選擇一個可用的CN運營商為其服務。在MOCN配置方式中，RAN把UE到共享RAN的初始接入路由到某個可用的CN節點。到共享網絡的初始接入完成后，只要被選定的CN運營商能夠為該UE提供服務，則該UE并不切換到其他可用的CN運營商。在常規網絡中，總是同一個CN運營商為UE提供CS域和PS域服務。在共享網絡中，SupportingUE在CS域和PS域注冊的行為與常規網絡中的行為相同。UE使用用戶識別模塊/通用簽約用戶識別模塊(SIM/USIM)中儲存的信息，向該UE去附著(Detach)的核心網運營商進行附著(Attach)操作。對于共享網絡中的SupportingUE，SIM/USIM中儲存的信息指示為它所Detach的核心網運營商，該信息使Supporting UE可以Attach到它所Detach的核心網運營商。對于共享網絡中的Non-supporting UE，SIM/USIM中儲存的信息指示為常規公眾陸地移動網(Common PLMN)。Supporting UE顯示它所注冊的PLMN-Id的名字。在共享網絡中，為被選定的核心網運營商的PLMN-Id。使用共享拜訪位置寄存器/服務GPRS支持節點(VLR/SGSN)不應導致服務限制，例如漫游限制。

    HLR從VLR/SGSN號碼中導出用戶是漫游到歸屬公眾陸地移動網(H-PLMN)還是訪問公眾陸地移動網(V-PLMN)，GWCN配置中共享VLR/SGSN將從各自所支持的H-PLMN分配到一個專門的號碼。例如共享VLR/SGSN有多個號碼，和HLR進行信令交互時使用用戶的核心網運營商所分配的VLR/SGSN號碼。

    SupportingUE選擇核心網運營商并為網絡提供該運營商的PLMN-Id供路由之用。在共享網絡中的可用核心網運營商信息，將由RNC通過系統消息廣播發送。如果系統消息用專用信令發送到SupportingUE，RNC能夠指示已經與該UE建立信令連接的核心網運營商的PLMN-Id(如果信令中包含PLMN-Id)。對于Non-supportingUE，RNC能夠指示Common PLMN的PLMN-Id(如果信令中包含PLMN-Id)。當傳輸初始層3信令時，RNC能夠為Supporting UE向CN指示選定的核心網運營商。選定的核心網運營商被UE在無線資源控制(RRC)信令中指示或隱含在已經存在的信令連接中。對于Non-supporting UE，RNC無法向CN指示選定的核心網運營商。當UE第一次訪問MSC時，例如，當該UE沒有VLR條目時，MSC校驗該UE是否屬于共享MSC的其中某一個運營商，或者他們的漫游伙伴。在MOCN配置方式中，MSC可能無法為該UE提供服務，該UE必須重定向到另一個核心網運營商的MSC。最終服務于該UE的MSC/VLR為該UE分配一個NRI，以允許RAN路由該UE對服務MSC/VLR的訪問。當UE第一次訪問SGSN時，例如，當UE對于SGSN為未知時，SGSN校驗該UE是否屬于共享SGSN的其中某一個運營商，或者他們的漫游伙伴。為了這個目的，SGSN從另一個SGSN或從UE導出IMSI信息。SGSN確定一個核心網運營商，除非老的SGSN或UE已經指示了一個核心網運營商，SGSN也儲存核心網運營商的標識。在MOCN配置方式中，SGSN可能無法為該UE提供服務。該UE必須重定向到另一個核心網運營商的SGSN。最終服務于該UE的SGSN為該UE分配一個NRI，以允許RAN路由該UE對服務SGSN的訪問。

    3  結束語

    網絡共享現在正受到運營商與設備供應商的廣泛關注，文章基于目前3GPP在網絡共享方面最新研究成果，對網絡共享主要的實現方式與關鍵技術進行了分析與總結。2004年12月，Release6網絡共享研究課題“UTRAN中網絡共享支持增強”已經基本完成，并得到3GPP相關工作組的確認，有待寫入相應的協議。

    4  參考文獻

    [1]EricssonWhitePaper. Shared Networks for WCDMA [Z]. 2003,8.

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    [4]3GPPTS23.236 v5.2.0 Intra-Domain Connection of RAN Nodes to Multiple CN nodes [S]. 2002,3.

    [5]3GPPTR23.851 V6.1.0 Network Sharing Architecture and Functional Description [S]. 2004,6.

    [6]3GPPTS23.251 V6.1.0 Network sharing architecture and functional description [S]. 2004,9.

    作者簡介：

    張健，畢業于華東師范大學計算機系，碩士?，F為中興通訊股份有限公司移動事業部系統工程師，主要從事第三代移動通信系統中WCDMA無線網絡控制器的研究與開發工作。

原文轉自：http://www.kjueaiud.com