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UMTS无线接入网中的IP传输0

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来源: 作者: 2019-03-21 11:05:30

1 引言

基于IP的Internet业务的爆炸式增长,给传统络带来了前所未有的变革,使其在业务发展、流量模式、运营方面发生了巨大变化。IP技术在Internet上的成功,使其在移动络的业务和承载方面也必将得到全面应用,未来的移动通信从络到终端均将使用基于IP的协议通信,包括结构IP化、承载与业务IP化的全过程。IP技术在移动络的应用,首先将改变承载络的方式。从系统可扩展性、节约络建设成本等方面考虑,以IP为核心的传输承载将逐渐从核心向无线接入渗透,并最终将成为无线接入传输承载层的主流协议。3GPP建议在R5阶段引入无线接入的IP承载,从而实现核心和无线接入全向IP传输演进,因此接入的IP传输已经成为业界关注的热点。

2 IP传输的研究成果

3GPP定义的UTRAN络结构的主要接口是Iub、Iur和Iu(包括Iucs和Iups),这些接口上的协议栈分为无线络层和传输络层。UTRAN的传输络实际上是指在Iub/Iu/Iur上位于无线络层下的传输资源,分别是数据承载和信令承载。3GPP在早期制定R99/R4UTRAN规范的时候,推荐了ATM技术,其面向连接的特性可以很好地保证业务质量,并可发挥ATM的统计复用、QoS保证等优势,当时IP传输技术被认为还没有成熟,这样常用的传输配置是:在“最后1 km”的Iub接口上是ATM over E1,在Iu/Iur上是ATM over STM1。 R4中的Iups上的IP不属于真正的IP传输承载,它仅是IP over ATM,这时真正的传输承载是ATM。从原理上讲,IP必须满足UMTS对QoS、传输效率和移动性的要求,在这一点上与对ATM的要求是相同的。对ATM 与IP传输技术的比较研究发现,IP也能提供很好的延迟性能,在点到点链路上<5 ms,能满足UMTS对实时的要求,在高的数据业务负荷时有更高的链路利用率,并且有更好的开放性、更低的成本,更能满足用户的通信需求。所以,3GPP在R5的UTRAN规范里正式推荐IP传输选项。

概括地讲,3GPP就IP传输标准达成以下共识:

(1)新的采用IP传输选项的无线接入络的节点(RNC和NodeB),必须与原来的采用R99/R44规范或仍然采用ATM传输选项的R5及以后规范的节点能够互联互通。在R5及以后的无线接入中,只采用ATM传输选项、IP传输选项和既采用IP传输选项又采用ATM传输选项的三种节点设备能够共存。互联互通的方式有三种:双协议栈、节点内的传输络层逻辑交互功能和单独的传输络层交互单元。

(2)IP传输的引入对无线络层的影响必须尽量小,必须尽量使用已有的标准协议,如RFC规范等。

(3)UMTS无线接入的IP传输是个封闭的私有IP,内部安全性风险较低。

(4)对于IP层下的L1和L2协议,3GPP没有任何限定,决定权留给移动运营商。

(5)IPQoS策略必须支持区分服务,但并不完全排除其他方式。

(6)通过IP层下的复用技术提高采用IP传输时的传输络带宽利用率,使其与采用ATM传输时基本相当。

(7)在Iub/Iur/Iu上,ALCAP将消失,AAL2/ATM将被RTP(仅在Iucs上有效)/UDP/IP取代,SAAL/AAL5/ATM将被SCTP/IP取代,MTP3B将被M3UA取代。

(8)当使用IP传输时,层1将不再提供同步时钟参考,这时需考虑其他时钟同步方式,如NTP等。

(9)IP传输必须支持IPv6协议,也可以支持IPv4协议,最好是双IP协议栈,但不排除单栈实现(IPv4或IPv6)。

3 IP传输在UTRAN接口上的优先级及实现策略

对于传统的移动运营商,如果已经拥有ATM传输络或者已经部署了R4/R99UMTS络,则他们对IP传输的需求倾向于逐步演进的方式,主要动力来自于较高速率的数据业务(如HSDPA/HSUPA)对传输带宽的需求增加和降低成本的考虑。当他们部署新的R5UMTS或者升级现有的R4/R99络到R5时,他们将混合使用ATM和IP传输资源。当新的NodeB或RNC所在的地理位置有现成的ATM传输资源能满足需要时,将首先考虑重用ATM;当无ATM传输资源可用时,他们将可能采用IP传输。这样在R5及以后的UTRAN络中,ATM传输与IP传输将在一定时间段内共存。

从节约成本的角度出发,Iub上的传输资源占了整个UTRAN传输资源的约70%,另外,核心的IP化推动了Iups上的IP传输进程,所以Iub与Iups的IP传输将有更高优先级,其次是Iur,最低的是Iucs,即Iups+Iub→Iur→Iucs。但对于新兴的移动运营商来说,为了提高竞争力和降低成本,他们采用新技术的态度将更为积极,在建设一张新的R5UMTS络时,他们可能更倾向于在UTRAN全里全部实现IP传输,即Iub/Iu/Iur都需要支持IP传输。

为了保证UTRAN络从ATM传输平滑升级到IP传输,Iub/Iur上应该支持双栈,即同一个RNC的不同Iub/Iur上可以同时支持不同的传输选项;但在Iucs和Iups上,RNC通常只连接到一个核心节点。连接到多个核心节点的情形只有NGN和Iu-flex两种:对于NGN,在Iucs上,一个RNC可能连接一个MGC(控制面)和多个MGW(用户面);对于Iu-flex,一个RNC确实连接到多个核心节点,但即使在这两种情况下,一个RNC连接的核心节点仍然较少,为简单起见,我们可以假设RNC在Iucs和Iups上可以只支持单栈,即要么是ATM,要么是IP。

当在IP上传输小的分组数据时,典型的如AMR语音,IP头开销将降低传输效率。对于Iub的用户面,因为带宽有限和数据量较大,我们必须考虑传输效率问题;但对于Iub的控制面,因为数据量较小,对IP头开销引起的传输效率降低可不予考虑。对于Iu和Iur,因为传输带宽不是问题,所以对传输效率也不予考虑。3GPP对Iub/Iu/Iur上的协议栈只规定了IP层之上的协议,对于层1和层2没有任何限制。我们的建议是优先使用Ethernet,RNC和NodeB都应该提供Ethernet接口,L1支持电缆或光纤。总之,Iub的用户面和Iu/Iur/Iub上的L2/L1是我们实现IP传输时需要重点考虑的。对于不同的用户业务需求,将分别采用不同的传输策略,如对于以语音业务为主的基站,1~2 个E1即能满足带宽需求,这时ATM over E1是较优的选择;对于IP没有太大需求而数据业务较多、带宽需求较大的基站,考虑到E1较高的租金成本,可以采用IP over Ethernet 方案。

4 IP传输的关键

4.1Iub用户面协议栈

在“最后1km”问题上,尽管RNC和NodeB都能提供以太接口,但可能需要使用微波或xDSL传输媒介,可获得的带宽将低于10Mbit/s,如只有2~8 Mbit/s,这样Iub上端到端的带宽将由“最后1 km”上的微波或xDSL传输媒介能提供的带宽决定,传输带宽的瓶颈将在使用最为广泛的“最后1 km”的Iub上出现。为保持简洁性,我们不推荐使用IP over ATM和在E1上使用IP传输。对于IP传输,通常传输效率越高,传输延迟越大;传输延迟越小,传输效率越低。所以,采用IP传输时,针对Iub用户面,必须考虑传输效率和传输延迟,使之在有限的带宽资源下达到一个良好的平衡。对于Iub上用户面协议栈,常有三种实现策略:采用标准协议的前两种和采用私有协议的第三种,分别如图1、图2和图3所示。

图1 使用标准协议的Iub用户面协议栈 1

图2 使用标准协议的Iub用户面协议栈 2

图3 使用私有协议的Iub用户面协议栈 3

在协议栈1中,HC意味头压缩,为了节约UDP/IP/L2TP的头开销,PPPMux为了共用IP头,提高链路利用率。L2TP版本3可以直接基于IP,省略下面的UDP。此时如果8个AMRFP复用在一个IP分组内,总的头开销为47.95%,优于使用AAL2/ATM时的55.28%。对于数据业务,该协议栈比AAL2/ATM更有优势。此方案的优势是传输效率较高,特别是对于AMR业务;直接使用RFC标准协议,便于实现运营商主导下的开放的Iub。缺点是实现复杂。

对于协议栈2,优势是实现简单,便于实现运营商主导下的开放的Iub;对于高速数据业务,因为IP分组较大,IP头开销相对较小,传输效率较高。缺点是对于AMR业务传输效率很低。

协议栈3是将多个用户的FP复用到一个FPMux,每个IP分组能包含多个用户的FP,如果8个AMRFP复用在一个IP分组内总的头开销为63.11%,略大于使用AAL2/ATM时的55.28%。但对于数据业务,该协议栈比AAL2/ATM有优势。此时用户面的传输承载标识是包含在每个FP中的内部UDP端口,外部UDP仅用来进行检验和计算。此方案的优势是传输效率较高,相比协议栈1方案实现简单;但缺点是使用私有的FPMux协议,不利于Iub的开放性。

4.2IPQoS

在IP层,必须支持区分服务,IP头里的DSCP码代表不同的优先级,DSCP和UTRAN里业务类型间的映射关系应该由移动运营商通过操作维护参数进行配置。

在对IPQoS需求最为迫切的“最后1km”的Iub上,下列类型的业务要区别对待:

(1)NodeBsynchronization 消息有最小的延迟;

(2)NBAP信令有小的延迟;

(3)OM没有延迟要求。

用户面4类业务对于延迟和抖动的要求:

(1)会话类业务对传输延迟和传输抖动有高的要求。

(2)流类业务对传输抖动有高的要求,对传输延迟有适中的要求。

(3)交互类和背景类业务对传输延迟和抖动都无特殊要求。

区分服务允许定义6bit的DSCP,但仅8个QoS类型可以被定义,每个类型对应一个PHB(Per Hop Behavior), 在这8个类型中,2个被保留为络控制和间控制,但剩下的6个QoS里,常常只有4个被IP骨干传输使用。

IPQoS的实现一般是通过购买商用软件组件,运行于络处理器上。

4.3IP传输引入的新协议

在Iub、Iur和Iu的控制面上,SCTP是新引入的基于IP的传输层协议;在Iur和Iu的控制面上,M3UA取代MTP3B。在Iub、Iur和Iu的用户面上,UDP是新引入的传输层协议;在Iucs的用户面上,RTP是新引入的实时协议。这里UDP最简单,M3UA作为MTP3用户层的适配层,用来在IP络上传输No.7信令,有较好的适配上层协议的灵活性。

SCTP是建立在无连接分组(例如IP)之上的一种可靠传输协议,相比TCP,3GPP选择SCTP主要基于以下考虑:

(1)SCTP是由IETF根据信令传输的特点制定的。比如,TCP是基于字节的传输层协议,SCTP是基于消息的传输层协议。SCTP的这一特点使上层用户协议便于进行数据解析,使用SCTP 时,用户层在向SCTP 层发送数据或从SCTP层接收数据时不用对数据进行额外的分割。

(2)SCTP能提供更好的安全机制。Cookie机制被引入到SCTP中用于抵御“服务拒绝攻击”,在预防意图使SCTP服务器端资源耗竭的“盲攻击”方面特别有效。SCTP使用签名鉴权机制,不和客户机端交换任何密钥。

(3)在性能上,能保证信令传输的灵活性;在可靠性方面,能高效地利用资源,减少不必要的开销。比如,SCTP支持在一个Association中的多Stream机制,每个Stream都可被认为是保证数据顺序传输的一个单向逻辑信道,而且SCTP的设计使各个不同的Stream 传输时能相互独立,不会因为某条Stream 的阻塞,导致其他Stream 的数据传输受阻。

SCTP的缺点是实现较复杂,成熟性没有TCP高。

4.4IP传输对无线络层的影响

3GPP在Iub、Iur和Iu接口上协议架构的一个重要思想是使无线络层与传输络层相分离,这样当改变传输络层时,在理论上对无线络层几乎没有影响。而事实上,当传输络层从ATM传输改变为IP传输时,因为传输络控制面上的ALCAP被移出,无线络层控制面上的NBAP、RNSAP和RANAP需要增加建立或释放IP传输承载的功能,无线络层用户面将使用UDPSocket代替AAL2。

在Iub接口上建立用户面传输承载的信令过程如图4所示。在无线链路建立RNC,在无线链路增加和无线链路重配置准备过程中建立Iub用户面上的传输承载。RNC通过无线链接建立请求消息,告诉NodeB自己的IP地址(包含在TransportLayerAddress元素里)和UDP端口号(包含在Binding ID元素里),Node B通过无线链接建立证实消息通知RNC自己的IP地址和UDP端口号。在Iur上的过程与Iub完全类似。在Iucs和Iups上,核心在RAB安排请求消息里把自己的IP地址(包含在Transport Layer Address元素里)和UDP端口号(包含在Binding ID元素里)通知给RNC,然后RNC在 RAB安排反应消息里把自己的IP地址和UDP端口通知给核心。

图4 lub上的用户面传输承载建立过程

5 结束语

HSDPA/HSUPA的商用和数据业务的增长,使得对IP传输的需求更加强烈。UMTS的下一步LTE(长期演进),即E3G标准将基于IP传输。

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