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UMA鋪設蜂巢式網路和WLAN的融合之路

上網時間: 2006年03月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:非授權行動接取  蜂巢式  無線區域網路  超寬頻  業務支撐系統 

採用非授權行動接取(UMA)方案,用戶在蜂巢式網路和WLAN之間切換時可以保持語音和數據會話的無縫連續性。本文詳細介紹了利用UMA實現蜂巢式網路與WLAN之間無縫切換的過程,其中描述了UMA網路控制器(UNC)的主要功能和UMA網路(UMAN)的發現和註冊過程,並對UMAN與GERAN之間的互相切換過程做了闡述。

UMA解決方案能夠使服務供應商用一個行動設備、一個用戶介面、一套同時處理語音和數據的公共網路服務,將蜂巢式網路和無線區域網路(Wi-Fi和藍芽)合併成一套無縫的網路服務。UMA解決方案還可以融合蜂巢式網路和任何基於IP的無線接取網路,例如IEEE802.16(WiMAX)、IEEE802.20行動寬頻無線接取(MBWA)和超寬頻(UWB)網路。

採用UMA方案後,用戶在蜂巢式網路和WLAN之間切換時可以保持語音和數據會話的無縫連續性,就像原來他們在蜂巢式網路中的單元間移動一樣透明。在WLAN和蜂巢式網路間的呼叫中無縫切換能夠確保用戶的位置和行動不影響提供給用戶的服務品質,用戶對全部服務、位置和行動的感受是全透明的,不管是透過WLAN還是蜂巢式網路連接,服務都完全一致(如圖1)。

圖1:用戶可以利用UMA在蜂巢式和WLAN之間無縫切換。

部署UMA的行動服務供應商可以透過提供增強的服務計劃,將領地擴展到傳統行動業務之外,來獲取固話服務收入。而固定線路服務供應商則可在他們傳統的本地、長距離和寬頻接取服務上增加行動服務,同時仍保留他們自己的固定網路基礎設備上的業務。不管是哪種情況,用戶體驗到的是一套無縫的服務,而察覺不出底層的網路分界線。

UMA可以有效地產生一個平行的無線接取網路─UMA網路,該網路採用具有行動性能的現有標準介面與行動核心網路相連。行動核心網路保持不變。公共的行動核心網路能夠提供全業務和作業透明度。現有的服務供應商的業務支撐系統(BSS)、服務傳輸系統、內容服務、管理相容系統和作業支援系統(OSS)都無需改變即可支援UMA網路。行動核心網路的服務增強和技術進步都能透明地應用到蜂巢式接取和UMA網路上。

用於GSM/GPRS的UMA

UMA服務概念是一種端到端的解決方案,其中包括用戶自有或提供給用戶的單元和服務供應商的網路單元(圖2)。這些單元由網路設備(UMA網路控制器或UNC)和用戶設備(具有UMA功能的行動基地台或手機、標準WLAN接取點和標準寬頻IP訂戶軟體)組成。

另外,UMA網路單元與GSM/GPRS網路中的標準部署網路設備相連接,能夠無縫地實現UMA-GSM/GPRS網路的行動性。

UMA網路控制器

UMA網路控制器是UMA解決方案的主要網路實體,它就像是傳統的GSM/EDGE無線接取網路(GERAN)的基地台子系統那樣與GSM/GPRS核心網路相連接,並與公共或專有IP網路相連接,因此可以與具有UMA功能的行動基地台之間進行通訊。對於GSM/GPRS核心網路來說,UNC既能為電路交換語音服務提供標準的GSM A介面,也能為封包數據服務提供GPRS Gb介面。

圖2:UMA架構包含網路和用戶設備。

在UMAN中,UNC和行動基地台之間的介面被定義為‘上行’介面。UNC使用標準的IP傳輸支援連到每個行動基地台的上行介面。UNC保持與每個基地台之間的端到端通訊,並透過A/Gb介面將GSM/GPRS控制和用戶層業務中繼到行動核心網路。

UNC負責使基於IP的UMAN接取網路表現得就像是與核心網路相連的傳統GERAN。它的首要功能是:

1. 透過每個行動基地台和服務供應商的核心網路之間的開放IP網路提供安全、私密的通訊;

2. 提供發現、註冊和重定向服務,以允許行動基地台連接到合適的UNC;

3. 中繼更高層的基地台和GSM/GPRS核心網路的控制訊號;

4. 針對電路和封包數據服務設立和拆卸UMA承載通道連接;

5. 將語音承載通道從IP語音(VoIP)傳輸轉換成針對傳統的基於PCM的A介面的電路語音(VoC)傳輸;

6. 針對UMAN行動接取模擬傳呼、移交和類似的無線接取過程;

7. 為與標準相容的A和Gb介面提供合適的實體、訊號和承載介面。

UNC包含安全網路閘道(SGW)功能,可以實現連到每個行動基地台的安全IP介面。SGW利用IPSec隧道提供數據完整性和保密性,並使用IKEv2進行隧道設立和相互認證。SGW利用基於公鑰的證書獲得認證,而用戶透過EAP-SIM使用SIM憑證獲得認證。SGW可以實現到AAA伺服器的Radius介面,完成基於EAP-SIM的用戶認證。

具有UMA功能的行動基地台就是執行UMA客戶端軟體並具有WLAN功能的蜂巢式手機。客戶端軟體讓手機中的WLAN無線資源像是GSM無線電的一種平行資源。透過這種方式的整合,手機中的更高層次服務和應用程式可以完全保持不變。一項服務可以透過WLAN無線網路而非GSM網路來提供這一事實完全可從手機中的更高層次的服務和控制邏輯反映出來。

標準WLAN接取點

接取點(AP)為UMA解決方案提供了Wi-Fi或藍芽覆蓋以及到寬頻IP網路的鏈路。AP不需要任何專門的UMA技術。UMA行動設備可以使用任何現有的普通AP。

AP可以是住宅小區WLAN、企業WLAN或公共無線焦點的一部份。授權使用WLAN的UMA行動設備可以直接連接行動網路中的UNC,因而在行動基地台和行動核心網路之間設立網路連接。

標準寬頻IP接取

寬頻IP訂戶軟體提供了UMA業務到行動核心網路的廣域回程傳輸。任何一直在線並且共享的網際網路接取就已足夠。企業用戶可以使用現成的企業IP網路接取,住宅用戶可以使用小區的寬頻網際網路接取。對已經存在的IP接取訂戶軟體來說,UMA業務只是一種新的高價值應用。

上行介面使用IP傳輸在UNC和行動基地台之間工作,負責在行動基地台和行動核心網路之間運送GSM/GPRS訊號和承載業務。採用這種方法後,無需對行動核心網路作任何修改就能支援完整的GSM/GPRS功能和服務。服務包括了所有的GSM/GPRS服務,包括IN/CAMEL、MMS、SMS、VMS、WAP等。行動性由使用標準的GSM/GPRS訊號機制的網路間移交組成,這種移交發生在行動基地台、BSC/RNC、UNC、MSC和SGSN間。安全性是透過基於SIM的端到端認證來實現服務訂購安全。

上行介面的安全

上行介面是透過行動基地台和AP之間的空氣以及從AP到行動核心網路的公共網際網路或專用IP網路承載的。由於這些網路路徑可能並不安全,因此上行介面需要透過IPSec隧道在行動基地台與UNC之間設立安全通訊路徑。UNC和行動基地台可以互相認證,並能加密相互間的所有通訊。IPSec隧道為行動基地台和UNC之間傳輸的GSM/GPRS訊號和承載業務提供了安全、虛擬的IP網路。

圖3:默認UNC的發現過程。

語音採用IP承載通道(RTP/UDP)流經上行介面。對固定線路網路來說,這種VoIP承載數據串流與一般的VoIP承載數據串流完全一樣,也即意味著這種VoIP承載通道可以連接相容的固話媒介網路閘道。

用於訊號傳送的GPRS LLC PDU和更高層協議在MS和SGSN之間透明傳送,因此能讓MS就像連接在GERAN基地台上一樣獲得所有的GPRS服務。GPRS無線鏈路控制(RLC)協議被UMA-RLC協議代替。由於UMA-RLC執行在一直在線的寬頻IP網路上,因此UMA-RLC協議比GPRS-RLC要緊密許多。就像在GERAN基地台中一樣,UNC以類似於BSC的工作方式,終止UMA-RLC協議,並使其與Gb介面交互工作。

傳送數據的GPRS LLC PDU和更高層的協議在行動基地台和SGSN之間透明傳送,因此行動基地台能夠像在GERAN?面一樣獲得所有的GPRS服務。所有MS中的已有GPRS應用和MMI沒有變化。LLC PDU透過UMA-RLC從行動基地台傳送到UNC,UNC再透過BSSGP發送消息將LLC PDU中繼到SGSN。為了充分利用IP承載服務,UMA-RLC直接執行在UDP上。

UMAN發現和註冊過程

UMAN發現過程準備將具有UMA功能的行動基地台首次接取UMA服務。註冊過程使得行動基地台準備在存取AP時獲得UMA服務。每個UNC服務於特定的覆蓋區域,支援基於位置的服務和UMAN與GERAN之間的切換。當某個行動基地台連接到AP時,作為獲取UMA服務過程的一部份,它必須找到適合這一覆蓋區域的UNC。默認UNC是覆蓋行動基地台本地區域的UNC,該UNC透過發現過程分配給行動基地台。

發現過程從行動基地台與指配(provisioning)UNC設立連接開始。這個UNC的DNS域名被提供給每個具有UMA功能的行動基地台,因此行動基地台總是能透過DNS查找發現指配UNC的IP地址(圖3)。

當行動基地台首次連接配置UNC時,該UNC根據訂戶或位置資訊確定合適的默認UNC。行動基地台會永久儲存默認UNC資訊供日後使用。然後行動基地台會嘗試註冊到默認UNC以獲取UMA服務,成功地註冊到默認UNC將使這個UNC變成針對這一會話的服務UNC。

對行動基地台來說,默認UNC並不總是服務UNC。當行動基地台移出默認UNC的覆蓋區域之外並存取到一個新的AP時,行動基地台會試圖像往常一樣向默認UNC註冊。默認UNC根據行動基地台的位置判斷行動基地台是否應該被另外一個服務UNC所服務。判斷完後,默認UNC重定向行動基地台,使行動基地台註冊到其目前位置的正確的服務UNC。行動基地台將緩衝記憶體每個位置的服務UNC資訊,因此以後當行動基地台存取到同一位置時可以跳過重定向步驟。

一旦行動基地台已經重定向到正確的服務UNC,行動基地台就會提供自己的目前位置和行動身份(IMSI)將自己註冊到服務UNC。服務UNC會把與UMAN單元有關的系統資訊發送給行動基地台,因而觸發與行動核心網路的正常的位置/路由區域更新過程,以指明行動基地台在UMAN單元中的可用性。此時,行動基地台已經註冊到核心網路,可以完成:設立行動基地台發起的呼叫、對行動基地台終止的呼叫由網路傳呼、移交呼叫以及接取GPRS服務。每次當行動基地台與不同的UNC連接時,所有的發現和註冊過程都會透過IPSec隧道進行加密和認證(圖4)。

當用戶開始一個由行動基地台發起的語音呼叫時,具有UMA功能的行動基地台將使用標準的GSM連接管理過程來請求服務。該過程會透過上行介面中繼到服務UNC,然後再由服務UNC將連接管理消息轉發給MSC。

MSC負責協調與被叫方的呼叫設立,並要求服務UNC連接從行動基地台到A介面MSC側的語音埠的語音路徑。然後由服務UNC在行動基地台和該UNC自身之間設立VoIP承載路徑。服務UNC接收行動基地台的VoIP串流,把它轉換成A介面TDM格式,並將TDM語音連接轉發給指定的MSC A介面埠。振鈴和回鈴由MSC提供給合適的一方,並在被叫方應答時設立連接。

當通往行動基地台的呼叫到達網路閘道MSC(GMSC)時,GMSC將向HLR查詢行動基地台的目前位置。位置更新過程應該在HLR中早已設立好與服務UNC相關的被存取MSC(VMSC)。GMSC將呼叫轉發給VMSC,並由VMSC傳呼位於行動基地台目前位置區域(包含服務UNC)中的行動基地台。服務UNC透過上行介面針對行動基地台發出傳呼請求。當行動基地台響應時,MSC透過服務UNC開始呼叫設立過程,這個過程與行動基地台發起的呼叫情況相似。

GPRS會話

當用戶開始從行動基地台發起GPRS連接時,行動基地台透過上行介面啟動到服務UNC的URLC傳輸通道(TC)。GPRS有效載荷封包數據經過TC轉發給服務UNC,並由該UNC透過Gb介面再轉發給SGSN。相反方向的GPRS有效負載封包數據從SGSN流向服務UNC,並透過啟動的TC到達行動基地台。當某段時間內沒有數據串流動時,TC將停止活動。

圖4:服務UNC的註冊過程示意。

UMA解決方案支援在UMAN和GERAN接取網路間快速可靠地進行切換,這一特性是由內建的GERAN切換機制保證的。只有伴隨GERAN行動過程一起工作的技術才能達到UMA解決方案提供的網路間無縫切換效果。

為了更好地理解GERAN到UMAN的移交作業,讓我們考察一下在正常GSM覆蓋區域內一個正進行呼叫的行動基地台。該行動基地台有一個到GSM無線接取網路中的BTS和BSC的活動語音連接。

當行動基地台進入AP範圍內時,行動基地台開始向服務UNC發起註冊過程。一旦行動基地台成功註冊到服務UNC,UNC就提供由UMAN單元所描述的相關係統資訊。行動基地台在發向GERAN的測試報告中就包含了UMAN單元資訊。行動基地台和GERAN現在就把UMAN當成是具有高訊號品質的鄰近單元。

根據行動基地台的測量報告和內部演算法,GERAN將決定是否切換到UMAN單元,並與核心網路一起使用標準GSM移交訊號開始移交過程。核心網路透過與服務UNC的通訊設立切換資源。最後,行動基地台接取UNC進行呼叫移交,並在行動基地台和服務UNC之間設立VoIP承載通道。GSM/GPRS網路執行到服務UNC的BSC間移交,手機中的UMA客戶端程式則從GSM網路切換到WLAN網路。

移交採用‘中斷前設立’的方式完成,行動基地台和UNC在行動基地台將通訊切換到上行介面之前已設立好上行連接。這一過程可確保用戶不會在切換過程中感覺到任何語音中斷。只要行動基地台仍保持連線,來往行動基地台的所有後繼業務都將透過UMAN提供。

UMAN到GERAN的移交

為了更好地理解UMAN到GERAN的移交,讓我們考察一個透過UMAN呼叫的行動基地台。從UMAN移交到GERAN總是由行動基地台發起的。當行動基地台確定需要切換時,根據其對WLAN訊號品質的本地測量、承載特性以及來自服務UNC的任何上行鏈路品質指示,它將向UNC發送切換所需的消息,指示相鄰的GSM單元用於移交。

服務UNC利用行動基地台提供的所指GSM單元向需要進行切換的核心網路發送訊號開始切換過程。核心網路要求目標GSM單元採用標準GSM切換訊號準備切換。然後核心網路執行到GSM單元的BSC間切換,手機中的UMA客戶端程式則從WLAN無線網路切換到GSM網路。同樣,中斷前設立的移交保證了用戶和數據應用不會檢測到任何中斷。來往行動基地台的所有後繼呼叫都透過GERAN提供。

作者:Rajeev Gupta

副總裁

網路產品工程部

Kineto Wireless公司




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