3G WCDMA网络共享的关键技术

    作者：张健

    摘要：基于3GPP标准中网络共享的最新研究进展，文章介绍了3GWCDMA网络共享的4种解决方案：站点共享、公共共享网络、地理分割网络共享、无线接入网共享，对Release5中的Iu-Flex功能、Release5中连接模式下的UTRAN共享机制和Release6中的网络共享支持增强机制等网络共享的要害技术进行了分析。

    要害词：宽带码分多址；网络共享；解决方案；要害技术

    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 access 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宽带码分多址(WCDMA)中的网络共享技术是答应不同网络运营商之间共享WCDMA一部分网元的技术。网络运营商之间可以利用各自的优势通过网络共享合作建设/运营WCDMA网络，从而降低初期建网投资，以更快的速度进入市场，提供3G服务，增强竞争实力。市场调研结果表明，网络共享在覆盖扩展阶段大概可以为运营商节约20%～40%的成本[1]，因此该项技术受到国际上主要运营商与设备供给商的广泛关注。

    最初的3GPP规范没有考虑过两个或更多独立运营商共享部分或全部网络的可能性，在Release99与Release4中，用户设备(UE)能够切换到其他可选公众陆地移动网(PLMN)的特性可以认为是对网络共享的一种有限支持。Release5中，引入了Iu-Flex的概念和连接模式下共享通用移动通信系统地面无线接入网(UTRAN)的特性。到Release6时，提出了4种网络共享的解决方案，并重点研究了对UTRAN共享支持方面的功能增强。2004年12月在希腊雅典召开的3GPP技术规范组无线接入网(TSGRAN)第26次会议上确定网络共享课题的研究工作完成[2]，标志着网络共享在技术上基本成熟。

    1  网络共享的4种解决方案

    网络共享主要有4种解决方案：站点共享、公共共享网络(共享无线接入网和部分核心网)、地理分割网络共享、无线接入网共享(即共享UTRAN)[1,3]，具体采用哪一种方案取决于市场情况、流量预期以及许可状况。共享的网元可以被一个运营商拥有，或多个运营商共同拥有，或者独立的第三方所拥有。

    站点共享包括运营商之间共享站址、天线放置塔、天线、电源设备、传输设备，一个站点可以被两个GSM运营商，或两个WCDMA运营商，或一个GSM运营商与一个WCDMA运营商所共享。站点共享可在站点的获取、土建工程、站点年租费、站点运行费等方面节约成本。站点共享适用于人口密集区域以及农村地区。

    公共共享网络方案中，多个运营商共同建设与运营一个公共的3G网络，包括无线接入网与部分核心网。该方案有利于提高频谱效率，各共享的运营商可以配置同一个频点以提供初始覆盖。在网络流量预期有限的大面积区域使用该方案非常节约成本，该方案也答应不具有3G许可的运营商与具有3G许可的运营商进行网络共享。

    地理分割网络共享方案中，每个运营商拥有各自独立的3G网络。运营商覆盖不同的地理区域，通过答应用户进行国内漫游来扩展3G服务的覆盖范围。共享区域的通信流量集中到各个独立运营商的频点内，从而提高了效率。在农村，地理分割网络共享可以作为扩展覆盖区的长期配置方案，每个运营商仍然维持各自的网络，通过相互漫游协议或单方漫游协议，覆盖区大的运营商可以为覆盖区有限的运营商提供额外的网络覆盖。

    无线接入网共享方案中，运营商共享无线接入网(RAN)，包括无线网络控制器(RNC)与基站。如图1所示，一个物理的RNC被分为两个或更多逻辑的RNC，分别属于不同的运营商，每个逻辑RNC有自己的公众陆地移动网(PLMN)网码、载波、频点，RNC在物理上被共享但在逻辑上是分离的。共享RAN在RNC软件中引入，扩展了频点和无线网络容量。无线接入网共享方案被典型应用于人口密集区域以实现3G许可所要求的区域覆盖状况，或者用于解决3G许可要求之外的共同区域覆盖情况，每个运营商均可以为各自的覆盖区连接共享的RAN。

    2  网络共享的要害技术

    2.1Release5中的Iu-Flex功能

    Release5引入了Iu-Flex功能，即RNC支持一个RAN节点到多个CN节点的域内连接路由功能，答应RAN节点把信息在相应的电路交换(CS)域或分组交换(PS)域路由到不同的CN节点，从而使多个MSC或SGSN之间进行负荷分担以进一步提高硬件的使用效率。图2的区域池(PoolArea)集中了一个或多个MSC或SGSN服务区，UE可能在此区域中漫游而不需改变服务CN节点。一个区域池可以服务于几个并行的CN节点，区域池对CS域和PS域可以独立配置。从RAN的角度看，区域池包括一组并行CN节点所服务的一个或多个RNC所有的位置区/路由区(LA/RA)，这组CN节点可能还服务于该区域池之外的LA/RA，也可能服务于其他的区域池。这组CN节点也可以是相应的MSC池或SGSN池，一个区域池中多个CN节点可以实现负荷均衡，而且它们所提供的服务范围与单个CN节点提供的服务区相比扩大了许多，这样可以减少CN间节点更新、切换和重定位，降低归属位置寄存器(HLR)更新流量。

    Iu-Flex的基本工作过程如下：

    服务SGSN的建立。当UE执行GPRS附着(Attach)时，RNC选择合适的SGSN。SGSN把其标识——网络资源标识(NRI)编码到分组临时移动用户标识(P-TMSI)中。使UE、RNC、服务SGSN都知道国际移动用户标识号与网络资源标识(IMSI-NRI)的映射关系。RNC、SGSN可以相应地路由分组包。

    记录服务SGSN。当UE在分组域移动治理-连接(PMM-connected)模式时，RNC保持IMSI-NRI映射。当UE进入分组域移动治理-空闲(PMM-idle)模式时，RNC删除UE的数据(没有来自于或到UE的分组包需要路由)。当UE重新进入PMM-connected模式时，把其服务SGSN的NRI提供给RNC。

    2.2Release5中连接模式下的UTRAN共享机制

    Release99与Release4中，CN和UTRAN都提供了当UE在空闲模式时对当前PLMN和其他PLMN的位置区的接入限制机制。该机制可用于实现网络共享，基于漫游协议可以对不同的UE施加不同的接入限制。但UE在连接模式时却没有提供一致的接入限制机制。Release5中共享网络区(SNA)概念的提出解决了连接模式下UTRAN共享问题[4]。SNA-Id为SNA的标识，用于标识包含有一个或多个位置区(LA)的区域。这样的区域称为SNA，赋予连接模式下的UE对共享网络的访问权限。SNA-Id由公众陆地移动网的标识(PLMN-Id)与共享网络区域码(SNAC)组成。SNA-Id=PLMN-IdSNAC，SNAC由运营商定义。

    共享网络接入控制功能答应CN请求UTRAN应用UE来指定接入控制到UTRAN的位置区和邻近网络的LA。共享网络接入控制功能基于整个PLMN或者SNA。一个SNA对应于一个或多个位置区。一个或多个位置区属于一个独立的PLMN，UE接入可以在该独立的PLMN中被控制。为了对UTRAN或邻接系统进行共享网络访问控制，UTRAN需要知道相关的LA是否属于一个(或多个)SNA。假如对一个特定UE的接入需要限制，CN会提供SNA接入信息给该UE。SNA接入信息指示UE答应接入哪些PLMN和/或哪些SNA。基于LA是否属于PLMN或者SNA，UTRAN决定是否答应UE接入某LA。假如不答应接入，UTRAN会请求CN释放存在的资源，通过Iu接口发起释放请求过程(原因为共享网络访问限制)或者通过请求重定位(原因也为共享网络访问限制)。

    2.3Release6中的网络共享支持增强机制

    Release6的UTRAN共享机制答应不同的运营商共享RAN网元，而且可以共享无线资源。运营商既可以拥有专有的RAN，也可以没有。

    RAN共享主要有两种参考模型[5,6]：一，除共享RAN外，MSC和SGSN也被共享，这种配置方式称为网关核心网(GWCN)配置，如图3所示；二，仅有RAN被共享，这种配置方式称为多运营商核心网(MOCN)配置，如图4所示。

    网络共享是运营商之间的协议，对于用户而言是透明的。这意味着Release6中支持网络共享的UE(SupportingUE)需要区分共享RAN的不同的核心网运营商，而且可以像对待非共享网络中的运营商那样对待他们。网络共享中系统消息广播应该包含共享RAN中的每个小区信息，包含共享RAN的每个核心网运营商信息。SupportingUE对系统消息广播进行解码以确定共享网络中各核心网运营商。

    Release6中不支持网络共享的UE(Non-supportingUE)忽略系统消息广播中网络共享的相关信息。当UE初始接入共享网络时，将要选择一个可用的CN运营商为其服务。在MOCN配置方式中，RAN把UE到共享RAN的初始接入路由到某个可用的CN节点。到共享网络的初始接入完成后，只要被选定的CN运营商能够为该UE提供服务，则该UE并不切换到其他可用的CN运营商。在常规网络中，总是同一个CN运营商为UE提供CS域和PS域服务。在共享网络中，SupportingUE在CS域和PS域注册的行为与常规网络中的行为相同。UE使用用户识别模块/通用签约用户识别模块(SIM/USIM)中储存的信息，向该UE去附着(Detach)的核心网运营商进行附着(Attach)操作。对于共享网络中的SupportingUE，SIM/USIM中储存的信息指示为它所Detach的核心网运营商，该信息使Supporting UE可以Attach到它所Detach的核心网运营商。对于共享网络中的Non-supporting UE，SIM/USIM中储存的信息指示为常规公众陆地移动网(Common PLMN)。Supporting UE显示它所注册的PLMN-Id的名字。在共享网络中，为被选定的核心网运营商的PLMN-Id。使用共享拜访位置寄存器/服务GPRS支持节点(VLR/SGSN)不应导致服务限制，例如漫游限制。

    HLR从VLR/SGSN号码中导出用户是漫游到归属公众陆地移动网(H-PLMN)还是访问公众陆地移动网(V-PLMN)，GWCN配置中共享VLR/SGSN将从各自所支持的H-PLMN分配到一个专门的号码。例如共享VLR/SGSN有多个号码，和HLR进行信令交互时使用用户的核心网运营商所分配的VLR/SGSN号码。

    SupportingUE选择核心网运营商并为网络提供该运营商的PLMN-Id供路由之用。在共享网络中的可用核心网运营商信息，将由RNC通过系统消息广播发送。假如系统消息用专用信令发送到SupportingUE，RNC能够指示已经与该UE建立信令连接的核心网运营商的PLMN-Id(假如信令中包含PLMN-Id)。对于Non-supportingUE，RNC能够指示Common PLMN的PLMN-Id(假如信令中包含PLMN-Id)。当传输初始层3信令时，RNC能够为Supporting UE向CN指示选定的核心网运营商。选定的核心网运营商被UE在无线资源控制(RRC)信令中指示或隐含在已经存在的信令连接中。对于Non-supporting UE，RNC无法向CN指示选定的核心网运营商。当UE第一次访问MSC时，例如，当该UE没有VLR条目时，MSC校验该UE是否属于共享MSC的其中某一个运营商，或者他们的漫游伙伴。在MOCN配置方式中，MSC可能无法为该UE提供服务，该UE必须重定向到另一个核心网运营商的MSC。最终服务于该UE的MSC/VLR为该UE分配一个NRI，以答应RAN路由该UE对服务MSC/VLR的访问。当UE第一次访问SGSN时，例如，当UE对于SGSN为未知时，SGSN校验该UE是否属于共享SGSN的其中某一个运营商，或者他们的漫游伙伴。为了这个目的，SGSN从另一个SGSN或从UE导出IMSI信息。SGSN确定一个核心网运营商，除非老的SGSN或UE已经指示了一个核心网运营商，SGSN也储存核心网运营商的标识。在MOCN配置方式中，SGSN可能无法为该UE提供服务。该UE必须重定向到另一个核心网运营商的SGSN。最终服务于该UE的SGSN为该UE分配一个NRI，以答应RAN路由该UE对服务SGSN的访问。

    3  结束语

    网络共享现在正受到运营商与设备供给商的广泛关注，文章基于目前3GPP在网络共享方面最新研究成果，对网络共享主要的实现方式与要害技术进行了分析与总结。2004年12月，Release6网络共享研究课题“UTRAN中网络共享支持增强”已经基本完成，并得到3GPP相关工作组的确认，有待写入相应的协议。

    4  参考文献

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

    [2]3GPPRP-040428Status report for WI to TSG [S]. 2004, 12.

    [3]3GPPTR22.951 V6.1.0 Service aspects and Requirements for Network Sharing [S]. 2003,3.

    [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.

    作者简介：

    张健，毕业于华东师范大学计算机系，硕士。现为中兴通讯股份有限公司移动事业部系统工程师，主要从事第三代移动通信系统中WCDMA无线网络控制器的研究与开发工作。