基于IP的UTRAN分組傳送技術(shù)研究

2019-11-03 09:05:35

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供稿：網(wǎng)友

徐展琦　劉增基　胡強(qiáng)　岳鵬
(1. 西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
2.華為技術(shù)有限公司上海研究所　　摘要本文簡(jiǎn)述UTRAN的基本結(jié)構(gòu)和協(xié)議，主要討論3GPP提出的UTRAN 的ip分組傳送解決方案，重點(diǎn)研究這些方案的最重要的技術(shù)包括頭壓縮、PPP復(fù)用、多鏈路和多業(yè)務(wù)、高速鏈路等，指出這些技術(shù)的使用場(chǎng)合，并比較其優(yōu)缺點(diǎn)，提出傳輸接口的優(yōu)化設(shè)置。

　　關(guān)鍵詞通用陸地?zé)o線接入網(wǎng) IP 分組傳送

1概述

　　第三代移動(dòng)通信(3G)可提供話音、數(shù)據(jù)、圖像等多媒體業(yè)務(wù)，采用幾種主要的空中接口，數(shù)據(jù)速率高達(dá)144 kbit/s～2 Mbit/s，終端多種多樣，實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫連接。3G由核心網(wǎng)(CN)、UMTS陸地?zé)o線接入網(wǎng)(UTRAN)、用戶設(shè)備(UE)三大部分組成，CN主要完成用戶認(rèn)證、位置管理、呼叫連接控制、用戶信息傳送等功能。UTRAN分為無(wú)線不相關(guān)和無(wú)線相關(guān)兩部分，前者完成與CN的接口，實(shí)現(xiàn)向用戶提供QoS保證的信息處理和傳送以及用戶和網(wǎng)絡(luò)控制信息的處理和傳送；無(wú)線相關(guān)部分處理與UE的無(wú)線接入(用戶信息傳送、無(wú)線信道控制、資源管理等)。UE主要完成無(wú)線接入、信息處理等。UTRAN可使用ATM和IP兩種傳送方式，基于ATM的UTRAN標(biāo)準(zhǔn)較成熟，相關(guān)產(chǎn)品已進(jìn)入試用階段；基于IP的UTRAN具有網(wǎng)絡(luò)資源利用率高、節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本、滿足Internet和內(nèi)聯(lián)網(wǎng)的廣泛使用引起的IP聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的降價(jià)要求、符合網(wǎng)絡(luò)向全I(xiàn)P方向發(fā)展趨勢(shì)等優(yōu)點(diǎn)，引起研究的熱潮，預(yù)計(jì)2002年底可完成標(biāo)準(zhǔn)制定。

　　IP傳送既可用于UTRAN內(nèi)部網(wǎng)元間，如無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)和節(jié)點(diǎn)B間的Iub接口、不同RNC間的Iur接口，也可用于UTRAN 和CN間的Iu接口。UTRAN網(wǎng)元在功能上一般分為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(層)和傳送網(wǎng)絡(luò)(層)兩部分(RNL/TNL)，IP傳送在上述接口中傳送無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和傳送網(wǎng)絡(luò)的信令、用戶信息，語(yǔ)音、圖像和數(shù)據(jù)等用戶信息的傳送必須滿足協(xié)商的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。一種良好的IP傳送協(xié)議棧應(yīng)達(dá)到：滿足待傳送的不同業(yè)務(wù)的QoS；鏈路傳輸利用率高；網(wǎng)元間傳輸與交換時(shí)延及時(shí)延波動(dòng)小；設(shè)備成本適當(dāng)。

2 IP承載方案

　　網(wǎng)絡(luò)中用戶業(yè)務(wù)的承載協(xié)議用于承載呼叫的業(yè)務(wù)流，Iub接口和Iu接口的待傳送信息分別稱為幀協(xié)議(FP)和用戶協(xié)議(UP)。為達(dá)到上述要求，3G合作項(xiàng)目(3GPP)提出的業(yè)務(wù)協(xié)議棧方案包括提高傳送效率的新型傳送方式、頭壓縮與復(fù)用技術(shù)、MPLS、輕載UDP等。有的解決方案還用到RTP/UDP/IP的頭壓縮(HC)、多鏈路(ML或MP)、多業(yè)務(wù)類(MC)和隧道協(xié)議(TP)等技術(shù)。

2.1 復(fù)合IP(CIP)方案

　　CIP(Composite IP PRotocol)功能上允許將多個(gè)變長(zhǎng)CIP分組復(fù)用到一個(gè)變長(zhǎng)CIP容器中，同一CIP容器中的幾個(gè)CIP分組作為UDP的載荷，共用一個(gè)IP/UDP分組頭，有效地利用鏈路帶寬。提出的CIP分組頭由三部分組成：(1)CID(情景：Context)部分包括CRC、預(yù)留位、分段標(biāo)志域和CID域，CRC用于保護(hù)預(yù)留位、分段標(biāo)志和CID；分段標(biāo)志表明是否存在分段，如果需對(duì)待傳信息分段，序號(hào)部分才存在；CID 域是復(fù)用功能的標(biāo)識(shí)，用于區(qū)分高層不同呼叫或用戶的業(yè)務(wù)流；(2)載荷長(zhǎng)度部分用于指示載荷長(zhǎng)度(最大值256)；(3)序號(hào)部分指明該載荷是否為待傳信息的最后一段，并結(jié)合序號(hào)來(lái)重新組裝已分段的數(shù)據(jù)報(bào)文(分組)。

2.2 輕載IP封裝(LIPE)

　　LIPE方案使用UDP/IP或IP隧道作為傳送技術(shù)，每個(gè)LIPE封裝的載荷由數(shù)目可變的多媒體數(shù)據(jù)分組(MDP)組成，UDP/IP或隧道/IP的控制字段與載荷再使用PPP/HDLC組幀以形成LIPE幀。每個(gè)多媒體數(shù)據(jù)分組有一復(fù)用標(biāo)頭(MH)攜帶特定的協(xié)議與媒體信息。

　　MH由以下兩部分構(gòu)成：(1)基本復(fù)用標(biāo)頭中的擴(kuò)展比特用于標(biāo)識(shí)可選的擴(kuò)展標(biāo)頭，長(zhǎng)度域標(biāo)識(shí)整個(gè)MDP的長(zhǎng)度；(2)擴(kuò)展標(biāo)頭用于攜帶特定用戶信息，以便為L(zhǎng)IPE用戶提供附加的控制信息，例如序號(hào)、語(yǔ)音/視頻質(zhì)量評(píng)估器。另外，擴(kuò)展標(biāo)頭中的流標(biāo)識(shí)符可區(qū)別不同的應(yīng)用，例如語(yǔ)音、WWW數(shù)據(jù)等。

2.3 基于PPPmux的方案

　　PPPmux完成用單個(gè)PPP幀傳送多個(gè)PPP封裝分組(也稱子幀)，減少每個(gè)分組的PPP開銷，適用于在低速鏈路上傳送語(yǔ)音、數(shù)據(jù)等短分組。每個(gè)PPPmux PDU包括一字節(jié)的PPPMux標(biāo)識(shí)符(0X59)和多個(gè)子幀，每一子幀由以下部分組成：(1)協(xié)議域標(biāo)志(PFF)表示子幀中是否包含PPP協(xié)議標(biāo)識(shí)符；(2)長(zhǎng)度擴(kuò)展(LXT)比特指明長(zhǎng)度域是1或2字節(jié)；(3)子幀長(zhǎng)度代表子幀的PPP協(xié)議標(biāo)識(shí)符和信息域的字節(jié)數(shù)；(4)信息域由壓縮的IP/UDP(cUDP)分組頭(2字節(jié))和分組載荷(M字節(jié))兩部分組成。

　　PPPmux PDU可以封裝在三類鏈路幀中傳送，第一種是采用HDLC，此幀由HDLC標(biāo)志字節(jié)、PPPmux PDU和2字節(jié)CRC組成，子幀中的2字節(jié)的PPP協(xié)議標(biāo)識(shí)符為可選項(xiàng)，所有子幀共用2字節(jié)CRC域，省略傳統(tǒng)HDLC地址(0xFF)和控制域字節(jié)(0xO3)；第二種是將PPPmux PDU加上可能的填充和8字節(jié)的尾控制完成AAL5封裝，然后按48字節(jié)分割并組成信元，在ATM網(wǎng)絡(luò)中傳送；第三種是采用隧道方式，它有兩種方式，其一是PPPmux PDU通過(guò)第2層隧道協(xié)議(L2TP)傳送，也稱為隧道壓縮的RTP(TCRTP)，此幀由HDLC標(biāo)志字節(jié)、PPP IP協(xié)議標(biāo)識(shí)、20字節(jié)的IP分組頭、1字節(jié)L2TP 頭壓縮標(biāo)頭、PPPmux PDU和2字節(jié)CRC組成；其二是將20字節(jié)的IP分組頭用2字節(jié)的cUDP代替，采用cUDP來(lái)壓縮L2TP IP分組頭(這稱為cTCRTP)，是一種更有效的帶寬利用方式。

2.4 MPLS方案

　　多協(xié)議標(biāo)簽交換(MPLS)是一種處于第二層和第三層之間的協(xié)議,它補(bǔ)充和改進(jìn)了IP協(xié)議，提供了轉(zhuǎn)發(fā)IP分組的替代方案，同時(shí)使用現(xiàn)有的IP路由協(xié)議，如OSPF、BGP。在UTRAN網(wǎng)元間建立雙向標(biāo)記交換通道(LSP)，UDP/IP分組在UTRAN網(wǎng)元(如RNC)被映射到相應(yīng)的MPLS路徑，直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送至另一個(gè)UTRAN網(wǎng)元，如壓縮/解壓縮(CDN)節(jié)點(diǎn)。在帶寬受限的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路間，可采用cUDP/IP，并對(duì)MPLS標(biāo)頭壓縮，此時(shí)MPLS標(biāo)記與cUDP/IP共享壓縮情景。關(guān)于頭壓縮的協(xié)商，可使用RSVP-TE消息和利用標(biāo)記分配協(xié)議兩種方法。

2.5 基于AAL2的解決方案

　　該方案將待傳信息按AAL2協(xié)議封裝，然后作為UDP的載荷，在傳統(tǒng)IP網(wǎng)中傳送。在IP層和RNL(無(wú)線網(wǎng)絡(luò)層)間，用AAL2/UDP復(fù)用與分段有以下主要優(yōu)勢(shì)：(1)使用AAL2會(huì)使IP和AAL2/ATM間的互操作變得簡(jiǎn)單；(2)已存在分段與復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)；(3)需要一個(gè)UTRAN節(jié)點(diǎn)支持盡可能少的協(xié)議；(4)AAL2/UDP在UTRAN端點(diǎn)處終止。AAL2在ATM網(wǎng)絡(luò)中比較適合傳送語(yǔ)音、視頻等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，但由于其信息單元的最大長(zhǎng)度為64字節(jié)，并不適合高速數(shù)據(jù)傳送。

2.6 輕載UDP

　　輕載UDP是IETF工作組的一個(gè)草案，它提供UDP報(bào)文的部分校驗(yàn)和，相對(duì)于傳統(tǒng)方式提高了靈活性。在同一輕載UDP的載荷區(qū)，可先裝入需校驗(yàn)的數(shù)據(jù)，再裝入無(wú)需校驗(yàn)的語(yǔ)音、視頻等數(shù)據(jù)。其格式與傳統(tǒng)UDP的差別在于傳統(tǒng)的UDP長(zhǎng)度域被校驗(yàn)和覆蓋域(Checksum Coverage)所取代,數(shù)值指參加校驗(yàn)的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。在IP分組頭的長(zhǎng)度域可找到輕載UDP報(bào)文長(zhǎng)度的信息，故UDP中的報(bào)文長(zhǎng)度信息沒多大必要。

3 有關(guān)UTRAN IP承載方案的討論

3.1 頭壓縮和MC-MP

　　對(duì)于UTRAN，一種可能的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路是像N×E1/T1/J1這樣的低帶寬鏈路。RAN第三工作組(WG3)已同意每個(gè)UTRAN節(jié)點(diǎn)應(yīng)支持PPP，還應(yīng)支持IP頭壓縮(HC)、多鏈路(MP)以及多業(yè)務(wù)類別(MC)。由于語(yǔ)音業(yè)務(wù)的FP幀小于40字節(jié)，傳統(tǒng)UDP／IP頭產(chǎn)生的開銷達(dá)50~100％，IP頭壓縮可將UDP／IP產(chǎn)生的開銷從28字節(jié)降低到2~3字節(jié)，從而極大地減小短分組傳送的開銷。

　　MP用于分組的分段重裝和E1／T1／J1鏈路綁定，可以成倍地提高傳輸速率。MC用于對(duì)業(yè)務(wù)分類，防止長(zhǎng)分組、時(shí)延要求松的業(yè)務(wù)(如數(shù)據(jù))對(duì)短分組、時(shí)延要求嚴(yán)格的業(yè)務(wù)(如語(yǔ)音)的影響。所以TR25.933給出的協(xié)議為cUDP／IP／MC-MP。

　　MC-MP/PPP提供了低帶寬鏈路上的反向復(fù)用、分組分段和重裝及QoS。但其它第二層技術(shù)(如ATM、幀中繼)也提供相似的功能，而且在有些市場(chǎng)上價(jià)格更劃算。

3.2 PPPmux

　　到目前為止，PPPmux僅是IETF的一個(gè)草案。PPPmux將多個(gè)PPP封裝幀組裝在一個(gè)PPP幀中來(lái)提高PPP鏈路的帶寬利用率。PPPmux對(duì)于像語(yǔ)音分組那樣的短分組而言，是一個(gè)優(yōu)化的鏈路層協(xié)議。在3GPP分配給Iub接口時(shí)延預(yù)算7 ms條件下，PPPmux和PPP在E1線路上能分別傳送160用戶和151用戶的語(yǔ)音分組，PPPmux比純PPP能傳輸?shù)恼Z(yǔ)音用戶增加6％，它與PPP/AAL5相比鏈路效率能增加30%；在純384kbit/s數(shù)據(jù)傳送時(shí)，鏈路利用率僅提高2.6個(gè)百分點(diǎn)；當(dāng)大量的用戶產(chǎn)生語(yǔ)音與數(shù)據(jù)分組時(shí)，PPPmux的收益將減少，甚至在數(shù)據(jù)用戶比例增大時(shí)，收益可忽略不計(jì)。　　盡管PPPmux在帶寬方面具有優(yōu)勢(shì)，但其也帶來(lái)系統(tǒng)復(fù)雜性、總時(shí)延增加、分組誤碼可能增加等缺陷。一般認(rèn)為在UTRAN中使用寬帶且時(shí)延要求嚴(yán)格時(shí)，PPPmux不能做為一個(gè)強(qiáng)制選擇，極個(gè)別公司(如IC4IC)持與此相反的態(tài)度。

　　通過(guò)對(duì)3G使用的12.2 kbit/s的自適應(yīng)多速率(AMR)語(yǔ)音20ms產(chǎn)生一40字節(jié)FP載荷，384kbit/s的分組交換數(shù)據(jù)和1016字節(jié)FP載荷兩種情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如下：

　　(1) 對(duì)語(yǔ)音而言，cUDP／MC-MP／HDLC與R99 AAL2／ATM的帶寬利用率幾乎相同；對(duì)數(shù)據(jù)而言，前者89.6％，后者為77.2％，多12個(gè)百分點(diǎn)。

　　(2) 對(duì)語(yǔ)音而言，cUDP／PPPmux／MC-MP／HDLC與cUDP／MC-MP／HDLC相比較，帶寬利用率前者高出7個(gè)百分點(diǎn)；兩者的數(shù)據(jù)利用率相同。故PPPmux對(duì)提高鏈路利用率的作用不顯著，最好作為有些線路資源非常緊張時(shí)的優(yōu)化，而不支持PPPmux 不會(huì)影響互操作性。

3.3 其它第一層協(xié)議

　　目前3GPP給出的UTRAN必備(強(qiáng)制)的第一層協(xié)議均基于PDH／SDH，由于以太網(wǎng)技術(shù)在Internet中的應(yīng)用日益廣泛和傳輸速率的增加，下述以太網(wǎng)可用作第一層協(xié)議：(1)10Mbit/s以太網(wǎng)：10BASE－T；(2)100M快速以太網(wǎng)：100BASE－TX，100BASE－FX；(3)1000Mbit/s以太網(wǎng)：1000BASE－T，1000BASE－X。RAN WG3尚未確定這些以太網(wǎng)傳輸技術(shù)作為必備項(xiàng)，還是可選項(xiàng)。在有些情況下，如當(dāng)RNC與節(jié)點(diǎn)B在同一位置時(shí)，也可用快速以太網(wǎng)連接它們。

3.4其它方案

　　對(duì)于CIP方案，每個(gè)CIP分組頭要引入2或4字節(jié)的額外開銷，加之該方案的IP和UDP控制頭未壓縮，致使該方案在傳送單個(gè)語(yǔ)音分組時(shí)效率低至55.8%(38/(38＋28＋2))，且CIP分組頭的處理需額外硬件支持。對(duì)于輕載IP封裝(LIPE)，與CIP的情況類似。

　　當(dāng)PPPmux在AAL5上傳送時(shí)，對(duì)單個(gè)語(yǔ)音分組的鏈路效率是71%(38/53)，此時(shí)不如使用AAL2，特別是AMR速率降低到4.75 kbit/s時(shí)，鏈路效率為35.8% (19/53)。對(duì)于PPPmux在L2TPHC中傳輸?shù)膬煞N方式，當(dāng)PPPmux在路由可選的隧道L2TPHC中傳輸時(shí)，此時(shí)比PPPmux/HDLC增加21字節(jié)；對(duì)于壓縮的隧道壓縮RTP協(xié)議(cUDP 與L2TP IP頭)傳送單個(gè)語(yǔ)音分組時(shí)，鏈路利用率為80.1%(38/(38＋9))，此方法適用于RTP業(yè)務(wù)的傳送，但此方式無(wú)疑比PPPmux/HDLC更復(fù)雜。對(duì)于MPLS，既要使用復(fù)雜的信令，還要進(jìn)行復(fù)雜的處理，在UTRAN中使用無(wú)任何優(yōu)勢(shì)。公司的早期產(chǎn)品一般不會(huì)支持，以后根據(jù)MPLS的商用化趨勢(shì)再定。

　　輕載UDP(UDP Lite)比傳統(tǒng)UDP靈活，它可選擇UDP 載荷的前一部分使用CRC校驗(yàn)，但何種業(yè)務(wù)可利用這種優(yōu)點(diǎn)尚有待研究。

3.5 高速鏈路速率

　　目前有關(guān)IP UTRAN的傳輸討論均基于E1／T1／J1這樣的低速鏈路，我們并不否認(rèn)在3G的早期建網(wǎng)中，這樣的低速鏈路存在的合理性。但我們應(yīng)看到近幾年光纖通信的容量在大幅度地提高，光纖在骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)的大量鋪設(shè)與使用，無(wú)疑會(huì)使光纖傳輸成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)選擇。另外，既然3G中一個(gè)移動(dòng)終端支持就高達(dá)2 Mbit/s的速率，E1／T1／J1這樣的低速線路必將失去做主流接口的機(jī)會(huì)。我們認(rèn)為PPP通過(guò)SDH上的光傳輸(POS)無(wú)疑將是基于IP的UTRAN的主流技術(shù)，這主要由于SDH技術(shù)成熟、時(shí)延小、便于時(shí)鐘及同步信號(hào)傳遞與恢復(fù)。

　　在STM-1及其以上速率時(shí)，相關(guān)RNC、節(jié)點(diǎn)B中不必采用壓縮的UDP／IP，更不必實(shí)現(xiàn)PPPmux、MC-MP。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　通過(guò)收集與消化3GPP有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和其它文獻(xiàn)資料，我們看到早期UTRAN應(yīng)用中最可能的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路是像N×E1/T1/J1這樣的低帶寬鏈路。RAN WG3已同意每個(gè)UTRAN節(jié)點(diǎn)應(yīng)支持PPP，還應(yīng)支持IP頭壓縮、多鏈路以及多業(yè)務(wù)類別，比較好的協(xié)議棧是cUDP／IP／MC-MP。

　　PPPmux做為研究的熱點(diǎn)之一，引起設(shè)備制造商和運(yùn)營(yíng)商的較大興趣。PPPmux對(duì)提高鏈路利用率的作用并不顯著，可作為優(yōu)化選項(xiàng)用于某些線路資源特別緊張的場(chǎng)合，故3GPP已明確表示TR25.933的最終規(guī)范不支持PPPmux。

　　對(duì)于UTRAN的IP傳送，我們建議第一層接口協(xié)議按重要性依次為：(1)SDH(STM-1/STM-4)接口，采用傳統(tǒng)POS，不提供UDP/IP頭壓縮，更不必提供PPPmux以降低系統(tǒng)復(fù)雜性、成本，減小分組時(shí)延；(2)N×E1/T1接口，采用cUDP／IP／MC-MP，PPPmux最好作為優(yōu)化選項(xiàng)，由運(yùn)營(yíng)商根據(jù)市場(chǎng)情況確定；(3)100M快速以太網(wǎng)(100BASE－TX/100BASE－FX)接口用于連接較近或同一位置的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(RNC，節(jié)點(diǎn)B)，也可提供網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)(O&M)。在有些市場(chǎng)中，運(yùn)營(yíng)商更愿意采用ATM，而不是HDLC，如日本市場(chǎng)ATM線路的價(jià)格僅是同速率HDLC線路的二分之一。故基于IP的UTRAN產(chǎn)品仍需保留ATM接口，最好是以上接口按模塊化方法實(shí)現(xiàn)，根據(jù)運(yùn)營(yíng)商的不同要求，選擇以上不同接口的組合。

　　由于無(wú)線信道的特殊性，也應(yīng)研究無(wú)線接口上的用戶業(yè)務(wù)載荷控制頭的壓縮算法、無(wú)線鏈路的重傳控制等，以提供一個(gè)完整的UTRAN IP 解決方案，也需要對(duì)核心網(wǎng)的IP傳送技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究，以結(jié)合UTRAN提供端到端IP傳送解決方案。

----《電信科學(xué)》