基于IP的UTRAN分组传送技术研究

2019-11-03 09:05:35

字体：大中小

来源：转载

供稿：网友

徐展琦　刘增基　胡强　岳鹏
(1. 西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室
2.华为技术有限公司上海研究所　　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。

　　关键词通用陆地无线接入网 IP 分组传送

1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、位置管理、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、资源管理等)。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。

2 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。

2.1 复合IP(CIP)方案

　　CIP(Composite IP PRotocol)功能上允许将多个变长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，如果需对待传信息分段，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)。

2.2 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。

2.3 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。

2.4 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。

2.5 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。

2.6 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。

3 有关UTRAN IP承载方案的讨论

3.1 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。

3.2 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。

3.3 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。

3.4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，致使该方案在传送单个语音分组时效率低至55.8%(38/(38＋28＋2))，且CIP分组头的处理需额外硬件支持。对于轻载IP封装(LIPE)，与CIP的情况类似。

　　当PPPmux在AAL5上传送时，对单个语音分组的链路效率是71%(38/53)，此时不如使用AAL2，特别是AMR速率降低到4.75 kbit/s时，链路效率为35.8% (19/53)。对于PPPmux在L2TPHC中传输的两种方式，当PPPmux在路由可选的隧道L2TPHC中传输时，此时比PPPmux/HDLC增加21字节；对于压缩的隧道压缩RTP协议(cUDP 与L2TP IP头)传送单个语音分组时，链路利用率为80.1%(38/(38＋9))，此方法适用于RTP业务的传送，但此方式无疑比PPPmux/HDLC更复杂。对于MPLS，既要使用复杂的信令，还要进行复杂的处理，在UTRAN中使用无任何优势。公司的早期产品一般不会支持，以后根据MPLS的商用化趋势再定。

　　轻载UDP(UDP Lite)比传统UDP灵活，它可选择UDP 载荷的前一部分使用CRC校验，但何种业务可利用这种优点尚有待研究。

3.5 高速链路速率

　　目前有关IP UTRAN的传输讨论均基于E1／T1／J1这样的低速链路，我们并不否认在3G的早期建网中，这样的低速链路存在的合理性。但我们应看到近几年光纤通信的容量在大幅度地提高，光纤在骨干网和接入网的大量铺设与使用，无疑会使光纤传输成为未来网络的最优选择。另外，既然3G中一个移动终端支持就高达2 Mbit/s的速率，E1／T1／J1这样的低速线路必将失去做主流接口的机会。我们认为PPP通过SDH上的光传输(POS)无疑将是基于IP的UTRAN的主流技术，这主要由于SDH技术成熟、时延小、便于时钟及同步信号传递与恢复。

　　在STM-1及其以上速率时，相关RNC、节点B中不必采用压缩的UDP／IP，更不必实现PPPmux、MC-MP。

4 结束语

　　通过收集与消化3GPP有关标准和其它文献资料，我们看到早期UTRAN应用中最可能的点到点链路是像N×E1/T1/J1这样的低带宽链路。RAN WG3已同意每个UTRAN节点应支持PPP，还应支持IP头压缩、多链路以及多业务类别，比较好的协议栈是cUDP／IP／MC-MP。

　　PPPmux做为研究的热点之一，引起设备制造商和运营商的较大兴趣。PPPmux对提高链路利用率的作用并不显著，可作为优化选项用于某些线路资源特别紧张的场合，故3GPP已明确表示TR25.933的最终规范不支持PPPmux。

　　对于UTRAN的IP传送，我们建议第一层接口协议按重要性依次为：(1)SDH(STM-1/STM-4)接口，采用传统POS，不提供UDP/IP头压缩，更不必提供PPPmux以降低系统复杂性、成本，减小分组时延；(2)N×E1/T1接口，采用cUDP／IP／MC-MP，PPPmux最好作为优化选项，由运营商根据市场情况确定；(3)100M快速以太网(100BASE－TX/100BASE－FX)接口用于连接较近或同一位置的网络设备(RNC，节点B)，也可提供网络管理与维护(O&M)。在有些市场中，运营商更愿意采用ATM，而不是HDLC，如日本市场ATM线路的价格仅是同速率HDLC线路的二分之一。故基于IP的UTRAN产品仍需保留ATM接口，最好是以上接口按模块化方法实现，根据运营商的不同要求，选择以上不同接口的组合。

　　由于无线信道的特殊性，也应研究无线接口上的用户业务载荷控制头的压缩算法、无线链路的重传控制等，以提供一个完整的UTRAN IP 解决方案，也需要对核心网的IP传送技术进行进一步研究，以结合UTRAN提供端到端IP传送解决方案。

----《电信科学》