UMA鋪設蜂窩網絡和WLAN的融合之路
作者：Rajeev Gupta
Kineto Wireless公司
2006-7-5
UMA解決方案能夠使服務提供商用一個移動設備、一個用戶界面、一套同時處理語音和數據的公共網絡服務，將蜂窩網絡和無線局域網(Wi-Fi和藍牙)合併成一套無縫的網絡服務。UMA解決方案還可以融合蜂窩網絡和任何基於IP的無線接入網絡，例如IEEE802.16(WiMAX)、IEEE802.20移動寬帶無線接入(MBWA)和超寬帶(UWB)網絡。
採用UMA方案後，用戶在蜂窩網絡和WLAN之間切換時可以保持語音和數據會話的無縫連續性，就像原來他們在蜂窩網絡中的單元間移動一樣透明。在WLAN和蜂窩網絡間的呼叫中無縫切換能夠確保用戶的位置和移動不影響提供給用戶的服務質量，用戶對全部服務、位置和移動的感受是全透明的，不管是通過WLAN還是蜂窩網絡連接，服務都完全一致的(如圖1)。
圖1：用戶可以利用UMA在蜂窩和WLAN之間無縫切換。
部署UMA的移動服務提供商可以通過提供增強的服務計劃，將領地擴展到傳統移動業務之外，來獲取固話服務收入。而固定線路服務提供商則可在他們傳統的本地、長距離和寬帶接入服務上增加移動服務，同時仍保留他們自己的固定網絡基礎設施上的業務。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絡分界線。
UMA可以有效地產生一個並行的無線接入網絡—UMA網絡，該網絡採用具有移動性能的現有標準接口與移動核心網相連。移動核心網保持不變。公共的移動核心網能夠提供全業務和操作透明度。現有的服務提供商的業務支撐系統(BSS)、服務傳輸系統、內容服務、管理兼容系統和操作支持系統(OSS)都無需改變即可支持UMA網絡。移動核心網的服務增強和技術進步都能透明地應用到蜂窩接入和UMA網絡上。
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提供商的網絡單元(圖2)。這些單元由網絡設備(UMA網絡控制器或UNC)和用戶設備(具有UMA功能的移動臺或手機、標準WLAN接入點和標準寬帶IP訂戶軟件)組成。
圖2：UMA架構包含網絡和用戶設備
另外，UMA網絡單元與GSM/GPRS網絡中的標準部署網絡設備相連接，能夠無縫地實現UMA-GSM/GPRS網絡的移動性。
UMA網絡控制器
UMA網絡控制器是UMA解決方案的主要網絡實體，它就象是傳統的GSM/EDGE無線接入網絡(GERAN)的基站子系統那樣與GSM/GPRS核心網相連接，並與公共或專有IP網絡相連接，因此可以與具有UMA功能的移動臺之間進行通信。對於GSM/GPRS核心網來說，UNC既能爲電路交換語音服務提供標準的GSM A接口，也能爲分組數據服務提供GPRS Gb接口。
在UMAN中，UNC和移動臺之間的接口被定義爲“上行”接口。UNC使用標準的IP傳輸支持連到每個移動臺的上行接口。UNC保持與每個臺之間的端到端通信，並通過A/Gb接口將GSM/GPRS控制和用戶層業務中繼到移動核心網。
UNC負責使基於IP的UMAN接入網表現得就像是與核心網相連的傳統GERAN。它的首要功能是：
1. 通過每個移動臺和服務提供商的核心網之間的開放IP網絡提供安全、私密的通信；
2. 提供發現、註冊和重定向服務，以允許移動臺連接到合適的UNC；
3. 中繼更高層的臺和GSM/GPRS核心網的控制信令；
4. 針對電路和分組數據服務建立和拆卸UMA承載通道連接；
5. 將語音承載通道從IP語音(VoIP)傳輸轉換成面向傳統的基於PCM的A接口的電路語音(VoC)傳輸；
6. 針對UMAN移動接入模擬尋呼、移交和類似的無線接入過程；
7. 爲與標準兼容的A和Gb接口提供合適的物理、信令和承載接口。
UNC包含安全網關(SGW)功能，可以實現連到每個移動臺的安全IP接口。SGW利用IPSec隧道提供數據完整性和保密性，並使用IKEv2進行隧道建立和相互認證。SGW利用基於公鑰的證書獲得認證，而用戶通過EAP-SIM使用SIM憑證獲得認證。SGW可以實現到AAA服務器的Radius接口，完成基於EAP-SIM的用戶認證。
具有UMA功能的移動臺就是運行UMA客戶端軟件並具有WLAN功能的蜂窩手機。客戶端軟件讓手機中的WLAN無線資源像是GSM無線電的一種並行資源。通過這種方式的集成，手機中的更高層次服務和應用程序可以完全保持不變。一項服務可以通過WLAN無線網絡而非GSM網絡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接入點
接入點(AP)爲UMA解決方案提供了Wi-Fi或藍牙覆蓋以及到寬帶IP網絡的鏈路。AP不需要任何專門的UMA技術。UMA移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或公共無線熱點的一部分。授權使用WLAN的UMA移動設備可以直接連接移動網絡中的UNC，從而在移動臺和移動核心網之間建立網絡連接。
標準寬帶IP接入
寬帶IP訂戶軟件提供了UMA業務到移動核心網的廣域回程傳輸。任何一直在線並且共享的互聯網接入就已足夠。企業用戶可以使用現成的企業IP網絡接入，住宅用戶可以使用小區的寬帶互聯網接入。對已經存在的IP接入訂戶軟件來說，UMA業務只是一種新的高價值應用。
上行接口使用IP傳輸在UNC和移動臺之間工作，負責在移動臺和移動核心網之間運送GSM/GPRS信令和承載業務。採用這種方法後，無需對移動核心網作任何修改就能支持完整的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。移動性由使用標準的GSM/GPRS信令機制的網絡間移交組成，這種移交發生在移動臺、BSC/RNC、UNC、MSC和SGSN間。安全性是通過基於SIM的端到端認證來實現服務訂購安全。
上行接口的安全
上行接口是通過移動臺和AP之間的空氣以及從AP到移動核心網的公共互聯網或專用IP網絡承載的。由於這些網絡路徑可能並不安全，因此上行接口需要通過IPSec隧道在移動臺與UNC之間建立安全通信路徑。UNC和移動臺可以互相認證，並能加密相互間的所有通信。IPSec隧道爲移動臺和UNC之間傳輸的GSM/GPRS信令和承載業務提供了安全、虛擬的IP網絡。
語音採用IP承載通道(RTP/UDP)流經上行接口。對固定線路網絡來說，這種VoIP承載數據流與一般的VoIP承載數據流完全一樣，也即意味着這種VoIP承載通道可以連接兼容的固話媒介網關。
用於信令的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基站上一樣獲得所有的GPRS服務。GPRS無線鏈路控制(RLC)協議被UMA-RLC協議代替。由於UMA-RLC運行在一直在線的寬帶IP網絡上，因此UMA-RLC協議比GPRS-RLC要緊湊許多。就像在GERAN基站中一樣，UNC以類似於BSC的工作方式，終止UMA-RLC協議，並使其與Gb接口交互工作。
傳送數據的GPRS LLC PDU和更高層的協議在移動臺和SGSN之間透明傳送，因此移動臺能夠像在GERAN裏面一樣獲得所有的GPRS服務。所有MS中的已有GPRS應用和MMI沒有變化。LLC PDU通過UMA-RLC從移動臺傳送到UNC，UNC再通過BSSGP發送消息將LLC PDU中繼到SGSN。爲了充分利用IP承載服務，UMA-RLC直接運行在UDP上。
UMAN發現和註冊過程
UMAN發現過程準備將具有UMA功能的移動臺首次接入UMA服務。註冊過程使得移動臺準備在訪問AP時獲得UMA服務。每個UNC服務於特定的覆蓋區域，支持基於位置的服務和UMAN與GERAN之間的切換。當某個移動臺連接到AP時，作爲獲取UMA服務過程的一部分，它必須找到適合這一覆蓋區域的UNC。默認UNC是覆蓋移動臺本地區域的UNC，該UNC通過發現過程分配給移動臺。
發現過程從移動臺與指配(provisioning)UNC建立連接開始。這個UNC的DNS域名被提供給每個具有UMA功能的移動臺，因此移動臺總是能通過DNS查找發現指配UNC的IP地址(圖3)。
圖3：默認UNC的發現過程
當移動臺首次連接配置UNC時，該UNC根據訂戶或位置信息確定合適的默認UNC。移動臺會永久存儲默認UNC信息供日後使用。然後移動臺會嘗試註冊到默認UNC以獲取UMA服務，成功地註冊到默認UNC將使這個UNC變成面向這一會話的服務UNC。
對移動臺來說，默認UNC並不總是服務UNC。當移動臺移出默認UNC的覆蓋區域之外並訪問到一個新的AP時，移動臺會試圖嚮往常一樣向默認UNC註冊。默認UNC根據移動臺的位置判斷移動臺是否應該被另外一個服務UNC所服務。判斷完後，默認UNC重定向移動臺，使移動臺註冊到其當前位置的正確的服務UNC。移動臺將緩存每個位置的服務UNC信息，因此以後當移動臺訪問到同一位置時可以跳過重定向步驟。
一旦移動臺已經重定向到正確的服務UNC，移動臺就會提供自己的當前位置和移動身份(IMSI)將自己註冊到服務UNC。服務UNC會把與UMAN單元有關的系統信息發送給移動臺，從而觸發與移動核心網的正常的位置/路由區域更新過程，以指明移動臺在UMAN單元中的可用性。此時，移動臺已經註冊到核心網，可以完成：建立移動臺發起的呼叫、對移動臺終止的呼叫由網絡尋呼、移交呼叫以及接入GPRS服務。每次當移動臺與不同的UNC連接時，所有的發現和註冊過程都會通過IPSec隧道進行加密和認證(圖4)。
圖4：服務UNC的註冊過程示意
當用戶開始一個由移動臺發起的語音呼叫時，具有UMA功能的移動臺將使用標準的GSM連接管理過程來請求服務。該過程會通過上行接口中繼到服務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建立，並要求服務UNC連接從移動臺到A接口MSC側的語音端口的語音路徑。然後由服務UNC在移動臺和該UNC自身之間建立VoIP承載路徑。服務UNC接收移動臺的VoIP流，把它轉換成A接口TDM格式，並將TDM語音連接轉發給指定的MSC A接口端口。振鈴和回鈴由MSC提供給合適的一方，並在被叫方應答時建立連接。
當通往移動臺的呼叫到達網關MSC(GMSC)時，GMSC將向HLR查詢移動臺的當前位置。位置更新過程應該在HLR中早已建立好與服務UNC相關的被訪問MSC(VMSC)。GMSC將呼叫轉發給VMSC，並由VMSC尋呼位於移動臺當前位置區域(包含服務UNC)中的移動臺。服務UNC通過上行接口向移動臺發出尋呼請求。當移動臺響應時，MSC通過服務UNC開始呼叫建立過程，這個過程與移動臺發起的呼叫情況相似。
GPRS會話
當用戶開始從移動臺發起GPRS連接時，移動臺通過上行接口激活到服務UNC的URLC傳輸通道(TC)。GPRS有效載荷分組數據經過TC轉發給服務UNC，並由該UNC通過Gb接口再轉發給SGSN。相反方向的GPRS有效負荷分組數據從SGSN流向服務UNC，並通過激活的TC到達移動臺。當某段時間內沒有數據流動時，TC將停止活動。
UMA解決方案支持在UMAN和GERAN接入網間快速可靠地進行切換，這一特性是由內置的GERAN切換機制保證的。只有伴隨GERAN移動過程一起工作的技術才能達到UMA解決方案提供的網間無縫切換效果。
爲了更好地理解GERAN到UMAN的移交操作，讓我們考察一下在正常GSM覆蓋區域內一個正在進行呼叫的移動臺。該移動臺有一個到GSM無線接入網絡中的BTS和BSC的活動語音連接。
當移動臺進入AP範圍內時，移動臺開始向服務UNC發起註冊過程。一旦移動臺成功註冊到服務UNC，UNC就提供由UMAN單元所描述的相關係統信息。移動臺在發向GERAN的測試報告中就包含了UMAN單元信息。移動臺和GERAN現在就把UMAN當成是具有高信號質量的鄰近單元。根據移動臺的測量報告和內部算法，GERAN將決定是否切換到UMAN單元，並與核心網一起使用標準GSM移交信令開始移交過程。核心網通過與服務UNC的通信建立切換資源。最後，移動臺接入UNC進行呼叫移交，並在移動臺和服務UNC之間建立VoIP承載通道。GSM/GPRS網絡執行到服務UNC的BSC間移交，手機中的UMA客戶端程序則從GSM網絡切換到WLAN網絡。
移交採用“中斷前建立”的方式完成，移動臺和UNC在移動臺將通信切換到上行接口之前已建立好上行連接。這一過程可確保用戶不會在切換過程中感覺到任何話音中斷。只要移動臺仍保持連線，來往移動臺的所有後繼業務都將通過UMAN提供。
UMAN到GERAN的移交
爲了更好地理解UMAN到GERAN的移交，讓我們考察一個通過UMAN呼叫的移動臺。從UMAN移交到GERAN總是由移動臺發起的。當移動臺確定需要切換時，根據其對WLAN信號質量的本地測量、承載特性以及來自服務UNC的任何上行鏈路質量指示，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利用移動臺提供的所指GSM單元向需要進行切換的核心網發送信令開始切換過程。核心網要求目標GSM單元採用標準GSM切換信令準備切換。然後核心網執行到GSM單元的BSC間切換，手機中的UMA客戶端程序則從WLAN無線網絡切換到GSM網絡。同樣，中斷前建立的移交保證了用戶和數據應用不會檢測到任何中斷。來往移動臺的所有後繼呼叫都通過GERAN提供。
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