WCDMA的呼叫流程分析

WCDMA的呼叫流程分析
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系统将在未来全球移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
介绍电路交换（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
本节我们将介绍一下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
和协议层我们将重点描述。
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R
NC相连。RNC与Node B之间通过Iub接口相连。
在这里我们介绍的呼叫流程是从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（我们通常称之为UE起呼）和UE接受呼叫（UE被呼）。由于呼叫的另一端可能为PS
TN、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，我们将不
在此介绍。
下面给出了WCDMA系统的协议栈，我们将简要介绍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我们通称为非接入层（NAS），NAS层存在于UE和CN中
，主要处理与业务相关的功能。物理层我们称之为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，我们主要介绍与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，我们将不再介绍。
三、呼叫处理流程
在介绍呼叫处理流程之前，我们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。上面我们提到的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R
RC发送INITIAL DIRECT TRANSFER消息，在该消息中包含非接入层的信息（CM SERVICE RE
QUEST）。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P
DP。
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上电时通常会执行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，执行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，便于我们对网络进行维护和测试。