UMA 铺设蜂窝网络和 WLAN 的融合之路
作者： Rajeev Gupta
Kineto Wireless 公司
2006-7-5
UMA解决方案能够使服务提供商用一个移动设备、一个用户界面、一套同时处理语音和数据的公共网络服务，将蜂窝网络和无线局域网(Wi-Fi和蓝牙)合并成一套无缝的网络服务。UMA解决方案还可以融合蜂窝网络和任何基于IP的无线接入网络，例如IEEE802.16(WiMAX)、IEEE802.20移动宽带无线接入(MBWA)和超宽带(UWB)网络。
采用UMA方案后，用户在蜂窝网络和WLAN之间切换时可以保持语音和数据会话的无缝连续性，就像原来他们在蜂窝网络中的单元间移动一样透明。在WLAN和蜂窝网络间的呼叫中无缝切换能够确保用户的位置和移动不影响提供给用户的服务质量，用户对全部服务、位置和移动的感受是全透明的，不管是通过WLAN还是蜂窝网络连接，服务都完全一致的(如图1)。
图1：用户可以利用UMA在蜂窝和WLAN之间无缝切换。
部署UMA的移动服务提供商可以通过提供增强的服务计划，将领地扩展到传统移动业务之外，来获取固话服务收入。而固定线路服务提供商则可在他们传统的本地、长距离和宽带接入服务上增加移动服务，同时仍保留他们自己的固定网络基础设施上的业务。不管是哪种情况，用户体验到的是一套无缝的服务，而察觉不出底层的网络分界线。
UMA可以有效地产生一个并行的无线接入网络—UMA网络，该网络采用具有移动性能的现有标准接口与移动核心网相连。移动核心网保持不变。公共的移动核心网能够提供全业务和操作透明度。现有的服务提供商的业务支撑系统(BSS)、服务传输系统、内容服务、管理兼容系统和操作支持系统(OSS)都无需改变即可支持UMA网络。移动核心网的服务增强和技术进步都能透明地应用到蜂窝接入和UMA网络上。
用于GSM/GPRS的UMA
UMA服务概念是一种端到端的解决方案，其中包括用户自有或提供给用户的单元和服务提供商的网络单元(图2)。这些单元由网络设备(UMA网络控制器或UNC)和用户设备(具有UMA功能的移动台或手机、标准WLAN接入点和标准宽带IP订户软件)组成。
图2：UMA架构包含网络和用户设备
另外，UMA网络单元与GSM/GPRS网络中的标准部署网络设备相连接，能够无缝地实现UMA-GSM/GPRS网络的移动性。
UMA网络控制器
UMA网络控制器是UMA解决方案的主要网络实体，它就象是传统的GSM/EDGE无线接入网络(GERAN)的基站子系统那样与GSM/GPRS核心网相连接，并与公共或专有IP网络相连接，因此可以与具有UMA功能的移动台之间进行通信。对于GSM/GPRS核心网来说，UNC既能为电路交换语音服务提供标准的GSM A接口，也能为分组数据服务提供GPRS Gb接口。
在UMAN中，UNC和移动台之间的接口被定义为“上行”接口。UNC使用标准的IP传输支持连到每个移动台的上行接口。UNC保持与每个台之间的端到端通信，并通过A/Gb接口将GSM/GPRS控制和用户层业务中继到移动核心网。
UNC负责使基于IP的UMAN接入网表现得就像是与核心网相连的传统GERAN。它的首要功能是：
1. 通过每个移动台和服务提供商的核心网之间的开放IP网络提供安全、私密的通信；
2. 提供发现、注册和重定向服务，以允许移动台连接到合适的UNC；
3. 中继更高层的台和GSM/GPRS核心网的控制信令；
4. 针对电路和分组数据服务建立和拆卸UMA承载通道连接；
5. 将语音承载通道从IP语音(VoIP)传输转换成面向传统的基于PCM的A接口的电路语音(VoC)传输；
6. 针对UMAN移动接入模拟寻呼、移交和类似的无线接入过程；
7. 为与标准兼容的A和Gb接口提供合适的物理、信令和承载接口。
UNC包含安全网关(SGW)功能，可以实现连到每个移动台的安全IP接口。SGW利用IPSec隧道提供数据完整性和保密性，并使用IKEv2进行隧道建立和相互认证。SGW利用基于公钥的证书获得认证，而用户通过EAP-SIM使用SIM凭证获得认证。SGW可以实现到AAA服务器的Radius接口，完成基于EAP-SIM的用户认证。
具有UMA功能的移动台就是运行UMA客户端软件并具有WLAN功能的蜂窝手机。客户端软件让手机中的WLAN无线资源像是GSM无线电的一种并行资源。通过这种方式的集成，手机中的更高层次服务和应用程序可以完全保持不变。一项服务可以通过WLAN无线网络而非GSM网络来提供这一事实完全可从手机中的更高层次的服务和控制逻辑反映出来。
标准WLAN接入点
接入点(AP)为UMA解决方案提供了Wi-Fi或蓝牙覆盖以及到宽带IP网络的链路。AP不需要任何专门的UMA技术。UMA移动设备可以使用任何现有的普通AP。
AP可以是住宅小区WLAN、企业WLAN或公共无线热点的一部分。授权使用WLAN的UMA移动设备可以直接连接移动网络中的UNC，从而在移动台和移动核心网之间建立网络连接。
标准宽带IP接入
宽带IP订户软件提供了UMA业务到移动核心网的广域回程传输。任何一直在线并且共享的互联网接入就已足够。企业用户可以使用现成的企业IP网络接入，住宅用户可以使用小区的宽带互联网接入。对已经存在的IP接入订户软件来说，UMA业务只是一种新的高价值应用。
上行接口使用IP传输在UNC和移动台之间工作，负责在移动台和移动核心网之间运送GSM/GPRS信令和承载业务。采用这种方法后，无需对移动核心网作任何修改就能支持完整的GSM/GPRS功能和服务。服务包括了所有的GSM/GPRS服务，包括IN/CAMEL、MMS、SMS、VMS、WAP等。移动性由使用标准的GSM/GPRS信令机制的网络间移交组成，这种移交发生在移动台、BSC/RNC、UNC、MSC和SGSN间。安全性是通过基于SIM的端到端认证来实现服务订购安全。
上行接口的安全
上行接口是通过移动台和AP之间的空气以及从AP到移动核心网的公共互联网或专用IP网络承载的。由于这些网络路径可能并不安全，因此上行接口需要通过IPSec隧道在移动台与UNC之间建立安全通信路径。UNC和移动台可以互相认证，并能加密相互间的所有通信。IPSec隧道为移动台和UNC之间传输的GSM/GPRS信令和承载业务提供了安全、虚拟的IP网络。
语音采用IP承载通道(RTP/UDP)流经上行接口。对固定线路网络来说，这种VoIP承载数据流与一般的VoIP承载数据流完全一样，也即意味着这种VoIP承载通道可以连接兼容的固话媒介网关。
用于信令的GPRS LLC PDU和更高层协议在MS和SGSN之间透明传送，因此能让MS就像连接在GERAN基站上一样获得所有的GPRS服务。GPRS无线链路控制(RLC)协议被UMA-RLC协议代替。由于UMA-RLC运行在一直在线的宽带IP网络上，因此UMA-RLC协议比GPRS-RLC要紧凑许多。就像在GERAN基站中一样，UNC以类似于BSC的工作方式，终止UMA-RLC协议，并使其与Gb接口交互工作。
传送数据的GPRS LLC PDU和更高层的协议在移动台和SGSN之间透明传送，因此移动台能够像在GERAN里面一样获得所有的GPRS服务。所有MS中的已有GPRS应用和MMI没有变化。LLC PDU通过UMA-RLC从移动台传送到UNC，UNC再通过BSSGP发送消息将LLC PDU中继到SGSN。为了充分利用IP承载服务，UMA-RLC直接运行在UDP上。
UMAN发现和注册过程
UMAN发现过程准备将具有UMA功能的移动台首次接入UMA服务。注册过程使得移动台准备在访问AP时获得UMA服务。每个UNC服务于特定的覆盖区域，支持基于位置的服务和UMAN与GERAN之间的切换。当某个移动台连接到AP时，作为获取UMA服务过程的一部分，它必须找到适合这一覆盖区域的UNC。默认UNC是覆盖移动台本地区域的UNC，该UNC通过发现过程分配给移动台。
发现过程从移动台与指配(provisioning)UNC建立连接开始。这个UNC的DNS域名被提供给每个具有UMA功能的移动台，因此移动台总是能通过DNS查找发现指配UNC的IP地址(图3)。
图3：默认UNC的发现过程
当移动台首次连接配置UNC时，该UNC根据订户或位置信息确定合适的默认UNC。移动台会永久存储默认UNC信息供日后使用。然后移动台会尝试注册到默认UNC以获取UMA服务，成功地注册到默认UNC将使这个UNC变成面向这一会话的服务UNC。
对移动台来说，默认UNC并不总是服务UNC。当移动台移出默认UNC的覆盖区域之外并访问到一个新的AP时，移动台会试图向往常一样向默认UNC注册。默认UNC根据移动台的位置判断移动台是否应该被另外一个服务UNC所服务。判断完后，默认UNC重定向移动台，使移动台注册到其当前位置的正确的服务UNC。移动台将缓存每个位置的服务UNC信息，因此以后当移动台访问到同一位置时可以跳过重定向步骤。
一旦移动台已经重定向到正确的服务UNC，移动台就会提供自己的当前位置和移动身份(IMSI)将自己注册到服务UNC。服务UNC会把与UMAN单元有关的系统信息发送给移动台，从而触发与移动核心网的正常的位置/路由区域更新过程，以指明移动台在UMAN单元中的可用性。此时，移动台已经注册到核心网，可以完成：建立移动台发起的呼叫、对移动台终止的呼叫由网络寻呼、移交呼叫以及接入GPRS服务。每次当移动台与不同的UNC连接时，所有的发现和注册过程都会通过IPSec隧道进行加密和认证(图4)。
图4：服务UNC的注册过程示意
当用户开始一个由移动台发起的语音呼叫时，具有UMA功能的移动台将使用标准的GSM连接管理过程来请求服务。该过程会通过上行接口中继到服务UNC，然后再由服务UNC将连接管理消息转发给MSC。
MSC负责协调与被叫方的呼叫建立，并要求服务UNC连接从移动台到A接口MSC侧的语音端口的语音路径。然后由服务UNC在移动台和该UNC自身之间建立VoIP承载路径。服务UNC接收移动台的VoIP流，把它转换成A接口TDM格式，并将TDM语音连接转发给指定的MSC A接口端口。振铃和回铃由MSC提供给合适的一方，并在被叫方应答时建立连接。
当通往移动台的呼叫到达网关MSC(GMSC)时，GMSC将向HLR查询移动台的当前位置。位置更新过程应该在HLR中早已建立好与服务UNC相关的被访问MSC(VMSC)。GMSC将呼叫转发给VMSC，并由VMSC寻呼位于移动台当前位置区域(包含服务UNC)中的移动台。服务UNC通过上行接口向移动台发出寻呼请求。当移动台响应时，MSC通过服务UNC开始呼叫建立过程，这个过程与移动台发起的呼叫情况相似。
GPRS会话
当用户开始从移动台发起GPRS连接时，移动台通过上行接口激活到服务UNC的URLC传输通道(TC)。GPRS有效载荷分组数据经过TC转发给服务UNC，并由该UNC通过Gb接口再转发给SGSN。相反方向的GPRS有效负荷分组数据从SGSN流向服务UNC，并通过激活的TC到达移动台。当某段时间内没有数据流动时，TC将停止活动。
UMA解决方案支持在UMAN和GERAN接入网间快速可靠地进行切换，这一特性是由内置的GERAN切换机制保证的。只有伴随GERAN移动过程一起工作的技术才能达到UMA解决方案提供的网间无缝切换效果。
为了更好地理解GERAN到UMAN的移交操作，让我们考察一下在正常GSM覆盖区域内一个正在进行呼叫的移动台。该移动台有一个到GSM无线接入网络中的BTS和BSC的活动语音连接。
当移动台进入AP范围内时，移动台开始向服务UNC发起注册过程。一旦移动台成功注册到服务UNC，UNC就提供由UMAN单元所描述的相关系统信息。移动台在发向GERAN的测试报告中就包含了UMAN单元信息。移动台和GERAN现在就把UMAN当成是具有高信号质量的邻近单元。根据移动台的测量报告和内部算法，GERAN将决定是否切换到UMAN单元，并与核心网一起使用标准GSM移交信令开始移交过程。核心网通过与服务UNC的通信建立切换资源。最后，移动台接入UNC进行呼叫移交，并在移动台和服务UNC之间建立VoIP承载通道。GSM/GPRS网络执行到服务UNC的BSC间移交，手机中的UMA客户端程序则从GSM网络切换到WLAN网络。
移交采用“中断前建立”的方式完成，移动台和UNC在移动台将通信切换到上行接口之前已建立好上行连接。这一过程可确保用户不会在切换过程中感觉到任何话音中断。只要移动台仍保持连线，来往移动台的所有后继业务都将通过UMAN提供。
UMAN到GERAN的移交
为了更好地理解UMAN到GERAN的移交，让我们考察一个通过UMAN呼叫的移动台。从UMAN移交到GERAN总是由移动台发起的。当移动台确定需要切换时，根据其对WLAN信号质量的本地测量、承载特性以及来自服务UNC的任何上行链路质量指示，它将向UNC发送切换所需的消息，指示相邻的GSM单元用于移交。
服务UNC利用移动台提供的所指GSM单元向需要进行切换的核心网发送信令开始切换过程。核心网要求目标GSM单元采用标准GSM切换信令准备切换。然后核心网执行到GSM单元的BSC间切换，手机中的UMA客户端程序则从WLAN无线网络切换到GSM网络。同样，中断前建立的移交保证了用户和数据应用不会检测到任何中断。来往移动台的所有后继呼叫都通过GERAN提供。
