WCDMA的呼叫流程分析

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一、概述
    当前，第三代移动通信系统已经越来越成为人们关注的焦点，作为两大主流体制之一的WCDMA系统将在未来全球一动通信市场扮演重要的角色。对无线通信系统来说，一个呼叫能否建立是一个很重要的问题。呼叫的建立涉及无线网络中的很多网络元素，是通信系统的基本功能。对WCDMA系统的呼叫流程进行分析将有助于整个系统的测试和维护。本文主要先容电路交换（CS）和分组交换（PS）两种业务的呼叫流程，并进行对比分析。
二、WCDMA的系统结构
    本节大家将先容一下WCDMA的系统结构及协议栈结构。对呼叫流程中将涉及的网络元素和协议层大家将重点描述。
    从功能上，WCDMA系统由三部分组成：CN（核心网）、UTRAN（UMTS地面接入网）和UE（用户设备）。CN负责处理与外部网络之间的呼叫和数据连接的交换和路由选择。UTRAN处理所有与无线接入相关的功能。UE则是与用户的接口。CN与UTRAN之间的接口称为Iu接口，UTRAN与UE之间的接口称为Uu接口。
    WCDMA的系统结构，其中UTRAN是由一个或多个无线网络子系统（RNS）组成。一个RNS由一个无线网络控制器（RNC）和一个或多个Node B组成。RNC可以通过Iur接口与另一个RNC相连。RNC与Node B之间通过Iub接口相连。
    在这里大家先容的呼叫流程是从UE与CN之间的端到端的呼叫流程，其中包括UE主动发起呼叫（大家通常称之为UE起呼）和UE接受呼叫（UE被呼）。由于呼叫的另一端可能为PSTN、PLMN、ISDN等不同网络系统终端，将涉及有线或无线网络之间的消息交互，大家将不在此先容。
    下面给出了WCDMA系统的协议栈，大家将简要先容一下呼叫流程中可能涉及到的协议模块。与无线接入无关的高层协议模块大家通称为非接入层（NAS），NAS层存在于UE和CN中，主要处理与业务相关的功能。物理层大家称之为L1层。在Uu接口上，物理层是WCDMA系统中重要的部分，主要处理无线数据的传输。而Iub、Iu以及Iur接口是有线连接的，物理层通常是指光纤、电缆等物理连接实体。媒体接入控制（MAC）和无线链路控制（RLC）协议属于第二层（L2）,主要提供数据的传输和交换。无线资源控制（RRC）协议主要完成无线资源的管理和分配。其中Node B的RRC、RLC、MAC模块仅完成系统广播功能，大部分无线资源管理功能都在RNC中实现。Node B应用部分（NBAP）主要处理Iub接口的信令，FP则处理各接口的数据传输。无线接入网应用部分（RANAP）和网络业务接入点（RNSAP）协议分别处理Iu以及Iur接口的信令传输。在呼叫流程中主要涉及Uu、Iub以及Iu接口及相关协议模块，大家主要先容与WCDMA无线接入相关的部分，其他如RNC与Node B、RNC与CN之间有线传输（在Release99协议中采用ATM传输）采用的均是通用的传输方式，大家将不再先容。

三、呼叫处理流程
    在先容呼叫处理流程之前，大家首先要了解几个概念：
    RRC连接。RRC连接是UE与UTRAN的RRC协议层之间建立的一种双向点到点的连接。对一个UE来说，至多存在一条RRC连接。RRC连接在UE与UTRAN之间传输无线网络信令，如进行无线资源的分配等等。RRC连接在呼叫建立之初建立，在通话结束后释放，并在期间一直维持。
    Iu信令连接。如果说RRC连接建立了UE与UTRAN之间的信令通路，那么Iu信令连接则是建立了UE与CN之间的信令通路。Iu信令连接主要传输UE与CN之间非接入层信令。在UTRAN中，非接入层信令是通过上下行直接传输信令透明传输的。
    鉴权。出于网络安全性能考虑，在呼叫建立时，网络必须对UE进行鉴权。
    无线接入承载（RAB）。RAB可以看作是UE与CN之间接入层向非接入层提供的业务，主要用于用户数据的传输。RAB直接与UE业务相关，它涉及接入层各个协议模块，在空中接口上，RAB反映为无线承载（RB）。
    无线承载（RB）。RB是UE与UTRAN之间L2向上层提供的业务。上面大家提到的RRC连接也可以看作是一种承载信令的RB。
    无线链路（RL）。无线链路是指一个UE和一个UTRAN接入点之间的逻辑连接，它在物理实现上通常是由一到多个无线承载传输组成。在UE与一个UTRAN接入点（通常指小区）之间最多存在一条无线链路。
    1、 CS起呼流程
    电路交换业务起呼流程主要有以下几个基本过程：
    第一步，建立RRC连接。起呼时，首先由UE的RRC接收到非接入层的请求发送RRC连接建立请求消息给UTRAN，在该消息中包含被叫UE号码，业务类型等等。UTRAN接收到该消息后，根据网络情况分配无线资源，并在RRC CONNECTION SETUP消息中发送给UE，UE将根据消息配置各协议层参数，同时返回确认消息。
    RRC连接建立有两种情况：公共信道上的RRC连接建立和专用信道上的RRC连接建立。两者的区别在于RRC连接使用的传输信道不同，因而连接建立的流程有所区别。
    公共信道上的RRC连接建立
    专用信道上的RRC连接建立
    第二步，Iu信令连接的建立。在RRC连接建立后，UE将向CN发送业务请求。此时UE的RRC发送INITIAL DIRECT TRANSFER消息，在该消息中包含非接入层的信息（CM SERVICE REQUEST）。RNC接收到该消息后，RNC的RANAP发送INITIAL UE MESSAGE，将UE的非接入层消息透明转发给CN，在该消息发送的同时建立Iu信令连接。在Iu信令连接建立后，UE和CN之间的非接入层消息传输使用DOWNLINK DIRECT TRANSFER和UPLINK DIRECT TRANSFER消息进行。具体流程如下图所示：
    第三步，鉴权。Iu信令连接建立后，CN需要对UE进行鉴权。鉴权是非接入层功能，在UTRAN中透明传输。具体操作见第二步的流程中3－6消息内容。
    第四步，RAB的建立。UE业务请求被网络接收后，CN将根据业务情况分配无线接入承载（RAB）。同时在空中接口将建立相应的无线承载（RB）。
    需要注意的是，4－8条消息若在RRC连接建立中建立了无线链路，则需要进行上述无线链路的重配置过程，若在RRC连接中没有建立无线链路，即建立了公共信道上的RRC连接时，则在此应进行无线链路建立的过程。
    第五步，等待应答。此时UE将等待被呼叫方应答，进入通话状态。
    下面是对整个电路交换业务UE起呼的一个整体流程图。
    2、 CS被呼流程
    CS被呼流程基本与起呼流程相似，只是在RRC连接建立前，UE首先接收到寻呼信道上的PAGING TYPE 1消息，然后进行RRC连接的建立。以后各部分同起呼流程。
    3、 PS起呼流程
    分组交换业务起呼流程有以下几个基本过程：
    第一步，建立RRC连接。
    第二步，Iu信令连接的建立。
    第三步，UE的鉴权和安全模式控制。
    第四步，ATTACH。建立UE和服务GPRS业务节点（SGSN）之间的逻辑连接。
    第五步，业务请求及分组数据协议（PDP）激活。UE非接入层发送业务请求，并激活PDP。
    第六步，RAB的建立。UE业务请求被网络接收后，CN将分配无线接入承载（RAB）。在空中接口将建立相应的无线承载（RB）。
    第七步，等待应答。UE等待CN响应。当UE接收到PDP RESPONSE消息，此时可以发送接收IP数据包。
    需要说明的是，WCDMA系统的分组业务是“实时在线”的，就是说用户和网络始终连接。通常在用户终端开启时，便进行ATTACH操作，与SGSN建立逻辑连接。在需要进行分组业务数据传输时，直接激活PDP就可以了。因此，在实际操作时流程如下图所示：
    在UE上电时通常会实行1－5步，ATTACH到网络上，并一直保持附着状态。在需要进行数据传输时，实行6－10步呼叫过程。
    4、 PS被呼流程
    与电路交换一样，PS被呼流程也与起呼流程相似，只是在接收到PAGING消息后进行。

四、总结
    从上述可以看出，一个呼叫流程进行涉及到UE、UTRAN、CN各个网络元素，参与消息交互和传递的协议模块很多。对呼叫流程进行分析有助于了解网络实际情况、及时发现网络故障，便于大家对网络进行维护和测试。