摘 要 本文简述UTRAN的基本结构和协议,主要讨论3GPP提出的UTRAN 的IP分组传送解决方案,重点研究这些方案的最重要的技术包括头压缩、PPP复用、多链路和多业务、高速链路等,指出这些技术的使用场合,并比较其优缺点,提出传输接口的优化设置。
要害词 通用陆地无线接入网 IP 分组传送
概述
第三代移动通信(3G)可提供话音、数据、图像等多媒体业务,采用几种主要的空中接口,数据速率高达144 kbit/s~2 Mbit/s,终端多种多样,实现全球无缝连接。3G由核心网(CN)、UMTS陆地无线接入网(UTRAN)、用户设备(UE)三大部分组成,CN主要完成用户认证、位置治理、呼叫连接控制、用户信息传送等功能。UTRAN分为无线不相关和无线相关两部分,前者完成与CN的接口,实现向用户提供QoS保证的信息处理和传送以及用户和网络控制信息的处理和传送;无线相关部分处理与UE的无线接入(用户信息传送、无线信道控制、资源治理等)。UE主要完成无线接入、信息处理等。UTRAN可使用ATM和IP两种传送方式,基于ATM的UTRAN标准较成熟,相关产品已进入试用阶段;基于IP的UTRAN具有网络资源利用率高、节省运营成本、满足Internet和内联网的广泛使用引起的IP联网设备的降价要求、符合网络向全IP方向发展趋势等优点,引起研究的热潮,预计2002年底可完成标准制定。
IP传送既可用于UTRAN内部网元间,如无线网络控制器(RNC)和节点B间的Iub接口、不同RNC间的Iur接口,也可用于UTRAN 和CN间的Iu接口。UTRAN网元在功能上一般分为无线网络(层)和传送网络(层)两部分(RNL/TNL),IP传送在上述接口中传送无线网络和传送网络的信令、用户信息,语音、图像和数据等用户信息的传送必须满足协商的服务质量(QoS)。一种良好的IP传送协议栈应达到:满足待传送的不同业务的QoS;链路传输利用率高;网元间传输与交换时延及时延波动小;设备成本适当。
IP承载方案
网络中用户业务的承载协议用于承载呼叫的业务流,Iub接口和Iu接口的待传送信息分别称为帧协议(FP)和用户协议(UP)。为达到上述要求,3G合作项目(3GPP)提出的业务协议栈方案包括提高传送效率的新型传送方式、头压缩与复用技术、MPLS、轻载UDP等。有的解决方案还用到RTP/UDP/IP的头压缩(HC)、多链路(ML或MP)、多业务类(MC)和隧道协议(TP)等技术。
1 复合IP(CIP)方案
CIP(Composite IP Protocol)功能上答应将多个变长CIP分组复用到一个变长CIP容器中,同一CIP容器中的几个CIP分组作为UDP的载荷,共用一个IP/UDP分组头,有效地利用链路带宽。提出的CIP分组头由三部分组成:(1)CID(情景:Context)部分包括CRC、预留位、分段标志域和CID域,CRC用于保护预留位、分段标志和CID;分段标志表明是否存在分段,假如需对待传信息分段,序号部分才存在;CID 域是复用功能的标识,用于区分高层不同呼叫或用户的业务流;(2)载荷长度部分用于指示载荷长度(最大值256);(3)序号部分指明该载荷是否为待传信息的最后一段,并结合序号来重新组装已分段的数据报文(分组)。
2 轻载IP封装(LIPE)
LIPE方案使用UDP/IP或IP隧道作为传送技术,每个LIPE封装的载荷由数目可变的多媒体数据分组(MDP)组成,UDP/IP或隧道/IP的控制字段与载荷再使用PPP/HDLC组帧以形成LIPE帧。每个多媒体数据分组有一复用标头(MH)携带特定的协议与媒体信息。
MH由以下两部分构成:(1)基本复用标头中的扩展比特用于标识可选的扩展标头,长度域标识整个MDP的长度;(2)扩展标头用于携带特定用户信息,以便为LIPE用户提供附加的控制信息,例如序号、语音/视频质量评估器。另外,扩展标头中的流标识符可区别不同的应用,例如语音、WWW数据等。
3 基于PPPmux的方案
PPPmux完成用单个PPP帧传送多个PPP封装分组(也称子帧),减少每个分组的PPP开销,适用于在低速链路上传送语音、数据等短分组。每个PPPmux PDU包括一字节的PPPMux标识符(0X59)和多个子帧,每一子帧由以下部分组成:(1)协议域标志(PFF)表示子帧中是否包含PPP协议标识符;(2)长度扩展(LXT)比特指明长度域是1或2字节;(3)子帧长度代表子帧的PPP协议标识符和信息域的字节数;(4)信息域由压缩的IP/UDP(cUDP)分组头(2字节)和分组载荷(M字节)两部分组成。
PPPmux PDU可以封装在三类链路帧中传送,第一种是采用HDLC,此帧由HDLC标志字节、PPPmux PDU和2字节CRC组成,子帧中的2字节的PPP协议标识符为可选项,所有子帧共用2字节CRC域,省略传统HDLC地址(0xFF)和控制域字节(0xO3);第二种是将PPPmux PDU加上可能的填充和8字节的尾控制完成AAL5封装,然后按48字节分割并组成信元,在ATM网络中传送;第三种是采用隧道方式,它有两种方式,其一是PPPmux PDU通过第2层隧道协议(L2TP)传送,也称为隧道压缩的RTP(TCRTP),此帧由HDLC标志字节、PPP IP协议标识、20字节的IP分组头、1字节L2TP 头压缩标头、PPPmux PDU和2字节CRC组成;其二是将20字节的IP分组头用2字节的cUDP代替,采用cUDP来压缩L2TP IP分组头(这称为cTCRTP),是一种更有效的带宽利用方式。
4 MPLS方案
多协议标签交换(MPLS)是一种处于第二层和第三层之间的协议,它补充和改进了IP协议,提供了转发IP分组的替代方案,同时使用现有的IP路由协议,如OSPF、BGP。在UTRAN网元间建立双向标记交换通道(LSP),UDP/IP分组在UTRAN网元(如RNC)被映射到相应的MPLS路径,直接通过网络传送至另一个UTRAN网元,如压缩/解压缩(CDN)节点。在带宽受限的点对点链路间,可采用cUDP/IP,并对MPLS标头压缩,此时MPLS标记与cUDP/IP共享压缩情景。关于头压缩的协商,可使用RSVP-TE消息和利用标记分配协议两种方法。
5 基于AAL2的解决方案
该方案将待传信息按AAL2协议封装,然后作为UDP的载荷,在传统IP网中传送。在IP层和RNL(无线网络层)间,用AAL2/UDP复用与分段有以下主要优势:(1)使用AAL2会使IP和AAL2/ATM间的互操作变得简单;(2)已存在分段与复用标准;(3)需要一个UTRAN节点支持尽可能少的协议;(4)AAL2/UDP在UTRAN端点处终止。AAL2在ATM网络中比较适合传送语音、视频等实时业务,但由于其信息单元的最大长度为64字节,并不适合高速数据传送。
6 轻载UDP
轻载UDP是IETF工作组的一个草案,它提供UDP报文的部分校验和,相对于传统方式提高了灵活性。在同一轻载UDP的载荷区,可先装入需校验的数据,再装入无需校验的语音、视频等数据。其格式与传统UDP的差别在于传统的UDP长度域被校验和覆盖域(Checksum Coverage)所取代,数值指参加校验的数据字节数。在IP分组头的长度域可找到轻载UDP报文长度的信息,故UDP中的报文长度信息没多大必要。
有关UTRAN IP承载方案的讨论
1 头压缩和MC-MP
对于UTRAN,一种可能的点到点链路是像N×E1/T1/J1这样的低带宽链路。RAN第三工作组(WG3)已同意每个UTRAN节点应支持PPP,还应支持IP头压缩(HC)、多链路(MP)以及多业务类别(MC)。由于语音业务的FP帧小于40字节,传统UDP/IP头产生的开销达50~100%,IP头压缩可将UDP/IP产生的开销从28字节降低到2~3字节,从而极大地减小短分组传送的开销。
MP用于分组的分段重装和E1/T1/J1链路绑定,可以成倍地提高传输速率。MC用于对业务分类,防止长分组、时延要求松的业务(如数据)对短分组、时延要求严格的业务(如语音)的影响。所以TR25.933给出的协议为cUDP/IP/MC-MP。
MC-MP/PPP提供了低带宽链路上的反向复用、分组分段和重装及QoS。但其它第二层技术(如ATM、帧中继)也提供相似的功能,而且在有些市场上价格更划算。
2 PPPmux
到目前为止,PPPmux仅是IETF的一个草案。PPPmux将多个PPP封装帧组装在一个PPP帧中来提高PPP链路的带宽利用率。PPPmux对于像语音分组那样的短分组而言,是一个优化的链路层协议。在3GPP分配给Iub接口时延预算7 ms条件下,PPPmux和PPP在E1线路上能分别传送160用户和151用户的语音分组,PPPmux比纯PPP能传输的语音用户增加6%,它与PPP/AAL5相比链路效率能增加30%;在纯384kbit/s数据传送时,链路利用率仅提高2.6个百分点;当大量的用户产生语音与数据分组时,PPPmux的收益将减少,甚至在数据用户比例增大时,收益可忽略不计。尽管PPPmux在带宽方面具有优势,但其也带来系统复杂性、总时延增加、分组误码可能增加等缺陷。一般认为在UTRAN中使用宽带且时延要求严格时,PPPmux不能做为一个强制选择,极个别公司(如IC4IC)持与此相反的态度。
通过对3G使用的12.2 kbit/s的自适应多速率(AMR)语音20ms产生一40字节FP载荷,384kbit/s的分组交换数据和1016字节FP载荷两种情况进行仿真,结果如下:
(1) 对语音而言,cUDP/MC-MP/HDLC与R99 AAL2/ATM的带宽利用率几乎相同;对数据而言,前者89.6%,后者为77.2%,多12个百分点。
(2) 对语音而言,cUDP/PPPmux/MC-MP/HDLC与cUDP/MC-MP/HDLC相比较,带宽利用率前者高出7个百分点;两者的数据利用率相同。故PPPmux对提高链路利用率的作用不显著,最好作为有些线路资源非常紧张时的优化,而不支持PPPmux 不会影响互操作性。
3 其它第一层协议
目前3GPP给出的UTRAN必备(强制)的第一层协议均基于PDH/SDH,由于以太网技术在Internet中的应用日益广泛和传输速率的增加,下述以太网可用作第一层协议:(1)10Mbit/s以太网:10BASE-T;(2)100M快速以太网:100BASE-TX,100BASE-FX;(3)1000Mbit/s以太网:1000BASE-T,1000BASE-X。RAN WG3尚未确定这些以太网传输技术作为必备项,还是可选项。在有些情况下,如当RNC与节点B在同一位置时,也可用快速以太网连接它们。
4其它方案
对于CIP方案,每个CIP分组头要引入2或4字节的额外开销,加之该方案的IP和UDP控制头未压缩,致使该方案