3G無線接入網(wǎng)IP化傳送承載方案的研究

　　1、概述

　　從業(yè)務(wù)和技術(shù)層面來看，目前電信運營商面臨的主要沖擊來源于“移動”和“IP”兩大領(lǐng)域。IP技術(shù)的設(shè)計思想簡潔實用和應(yīng)用豐富多彩，成為一統(tǒng)天下的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議，全IP的組網(wǎng)方式成為網(wǎng)絡(luò)演進的趨勢。在3G系統(tǒng)大規(guī)模商用一再推遲的情況下，業(yè)界已經(jīng)開始了3G版本跨越和更高級的無線網(wǎng)“長期演進（LTE）”新技術(shù)的研究工作。隨著3G業(yè)務(wù)的發(fā)展，高速數(shù)據(jù)及多媒體應(yīng)用業(yè)務(wù)比例的進一步提高，移動通信傳輸網(wǎng)絡(luò)寬帶化將是必然趨勢。在3GPP的R5及將來的版本中，一方面總體發(fā)展趨勢將向著全IP化的方向發(fā)展，另一方面隨著新的空中接口技術(shù)，如高速下行數(shù)據(jù)分組接入（HSDPA）和多輸入多輸出（MIMO）天線等新技術(shù)的引入，每用戶數(shù)據(jù)速率會大幅度提高，基站單小區(qū)的吞吐量最高可以達到8-10 Mbit/s，因此在目前建設(shè)傳輸承載網(wǎng)絡(luò)時充分考 慮3GPP R5版本系統(tǒng)的IP化承載和高速傳輸需求及高效率解決方案是十分必要的。

　　如圖1所示，3G網(wǎng)絡(luò)由核心網(wǎng)（CN）、無線接入網(wǎng)（UTRAN）、用戶設(shè)備（UE）3大部分組成，設(shè)備間涉及的接口主要有Iub、Iur、IuPS和IuCS。UTRAN網(wǎng)元在功能上一般分為無線網(wǎng)絡(luò)（層）和傳送網(wǎng)絡(luò)（層）兩部分（RNL/TNL），IP化傳送就是在上述接口中傳送無線網(wǎng)絡(luò)層和傳送網(wǎng)絡(luò)層的信令和用戶信息。

　　 HSDPA承載的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及國際以太網(wǎng)市場發(fā)展的趨勢共同催生了IP在WCDMA UTRAN中的引入。在3GPP R5標準中，引入了IP傳輸選項，參見圖1。但具體是選擇IP傳輸還是選擇ATM傳輸，主要取決于運營商自己的考慮。R5版本是全IP（或全分組化）的第一個版本，在無線接入網(wǎng)方面的改進包括以下方面：提出了HSDPA技術(shù)，使得下行速率可以達到8-10 Mbit/s，大大提高了空中接口的效率；Iu、Iur、Iub接口增加了基于IP的可選傳輸方式，使得無線接入網(wǎng)實現(xiàn)了IP化，這時數(shù)據(jù)鏈路層可以是 PPP/HDLC，也可使用FE等其他二層協(xié)議。

圖1　3GPP IP承載標準及各接口協(xié)議棧結(jié)構(gòu)（R5）

　　2、實現(xiàn)IP UTRAN的關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1　IP UTRAN的接口帶寬

　　3G傳輸?shù)膸捜萘啃枨笥嬎闶禽^為復(fù)雜的問題。主要涉及到用戶數(shù)目、話務(wù)量、基站的覆蓋密度以及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢。在進行傳輸網(wǎng)規(guī)劃時，還應(yīng)該考慮傳輸網(wǎng)的利用率。如果初期容量規(guī)劃過大，投資很難收回；如果規(guī)劃過小，傳輸網(wǎng)絡(luò)將被迫進行頻繁升級。IuCS、IuPS等接口的帶寬需求考慮在基站業(yè)務(wù)總量的基礎(chǔ)上根據(jù)話務(wù)模型進行收斂，話務(wù)模型則一定要根據(jù)3G業(yè)務(wù)的規(guī)劃和合理的用戶預(yù)測給出。

表1　R4WCDMA與R5 HSDPA帶寬需求對比

　　表1是R4 WCDMA與R5 HSDPA帶寬需求的比較，在R5版本中，針對更高容量的移動數(shù)據(jù)傳輸，采用了更新的AMC調(diào)制編碼技術(shù)，這大大提高了基站的接入容量。HSDPA是在 R99 WCDMA基礎(chǔ)上的升級，提高了對下行分組業(yè)務(wù)的支持能力。小區(qū)吞吐量是R4 WCDMA的2倍（宏蜂窩）或3倍以上（微蜂窩），單NodeB HSDPA帶寬占用情況：最大值為24個E1，典型值為5個E1。因此從R99/R4版本向R5版本過渡時，傳輸網(wǎng)的容量問題需要考慮。

　　2.2　窄帶IP的傳送方式

　　無線網(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)。目前3GPP給出的 UTRAN必備(強制)的第一層協(xié)議均基于PDH/SDH等窄帶鏈路技術(shù)，為了提高窄帶鏈路的承載效率，3G合作項目(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)。

　　目前對IP包的承載主要有3種方式：IP over PPP/HDLC(也稱作IPoMLPPP)、IP over Ethernet(也稱為IPoE)和IP over ATM(也稱作IPoA)。

　　如果采用寬帶IP技術(shù)，也就是底層為SDH高速電路或高速以太網(wǎng)時，對IP包的封裝映射無需執(zhí)行IP包頭壓縮，這時這3種承載方案就是我們通常所說的 IP over PPP/HDLC over SDH（PoS）、IP over Ethernet over SDH（EoS）和IP over AT M over SDH（ATM PoS）。

    如果采用窄帶IP技術(shù)，通過PDH E1來承載和傳送IP，則：IP over ATM over E1就需要支持包頭壓縮和PPP復(fù)用（參見RFC 3153）技術(shù)。同樣，IP over PPP/HDLC over E1需支持包頭壓縮（參見IETF RFC 2508）和PPP multi link multi class（參見IETF RFC 2686）技術(shù)。同樣，這時對應(yīng)于IP over Ethernet的技術(shù)就是所謂的IP over Ethernet over GFP over E1封裝技術(shù)，有時也稱其為Ethernet over PDH。這3種協(xié)議封裝格式如圖2所示。

圖2　窄帶IP常用的3種封裝格式{{分頁}}

　　對于UTRAN的承載主要靠城域網(wǎng)，最有可能大量應(yīng)用的鏈路是像NxE1/T1這樣的低帶寬鏈路。為了提高窄帶鏈路的傳送效率，要求UTRAN節(jié)點應(yīng)支持PPP、IP頭壓縮、多鏈路以及多業(yè)務(wù)類別等新技術(shù)。

　　PPP是點到點協(xié)議的簡稱，它可將長IP包切成短包組成PPP幀，提供多協(xié)議封裝、差錯控制和鏈路初始化控制的特性，而HDLC通過字節(jié)填充 來實現(xiàn) PPP幀的定界。那么在窄帶傳送中為什么要使用PPP multiplexing技術(shù)呢?由于語音分組包長度很短，而短包的頭開銷相對較大，因此需要將大量的短包合并起來以增加鏈路的傳送效率，而且合并時還可以消除重復(fù)的多余的PPP包頭信息，對于像語音分組那樣的短分組而言，PPP multiplexing是一個優(yōu)化的鏈路層協(xié)議。參照協(xié)議3GPP R5 TS25.426要求作為可選項。

　　為什么要進行IP/UDP包頭壓縮呢?由于無線語音分組包的長度通常比IP/UDP頭的分組包長度要短。例如無線語音分組包長度為20 byte時IP/UDP頭的分組包長度卻要高達28 byte，因此如果在低速鏈路（如E1）上傳送這樣的分組數(shù)據(jù)而不采用頭壓縮技術(shù)將不是一種高效率的傳送方案。通常對任何一個給定的數(shù)據(jù)流，每個包頭中的許多域都是固定不變的，或者相對于后續(xù)包頭來說也是不變的。因此完全可以使用包頭壓縮技術(shù)來縮短包頭長度，以提高鏈路的傳送效率。典型情況下，28 byte長度的包頭可壓縮到2 byte以內(nèi)（參照協(xié)議3GPP R5 TS25.426要求）。

　　MP用于分組的分段重裝和 E1/T1鏈路綁定，可以成倍地提高傳輸速率。MC用于對業(yè)務(wù)分類，防止長分組、時延要求低的業(yè)務(wù)（如數(shù)據(jù)）對短分組、時延要求嚴格的業(yè)務(wù)（如語音1的影響。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?？蓞⒄諈f(xié)議3GPP R5 TS25.426要求，主要是保障時延特性滿足要求。

　　ATM分組傳送是R99和R4版本主要使用的傳統(tǒng)方式，用ATM分組封裝 IP包具有QoS質(zhì)量保證和高效率等特點，主要不足是處理復(fù)雜。隨著以太網(wǎng)的普及和城域傳送網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)，采用GFP（通用成幀規(guī)程）/VCAT（虛級聯(lián)）/LCAS（鏈路容量動態(tài)調(diào)整策略）技術(shù)的城域多業(yè)務(wù)傳送平臺（MSTP）被廣泛應(yīng)用。GFP/VCAT/LCAS不僅具有帶寬動態(tài)調(diào)整功能，而且使 SDH網(wǎng)絡(luò)更加健壯，相反ML-PPP組中一個成員的故障就會導(dǎo)致整個ML-PPP組的傳送失敗。另外GFP/VCAT具有差分時延糾正功能，不會對時延敏感業(yè)務(wù)引入時延，而ML-PPP協(xié)議需要對每一個片段進行緩存重排；全球統(tǒng)一標準的GFP/VCAT與SONET/SDH的廣泛應(yīng)用使得IP UTRAN無線設(shè)備與城域傳送網(wǎng)MSTP設(shè)備的互聯(lián)互通非常容易。

　　因此，對于UTRAN的IP傳送策略建議如下。

　　●在寬帶網(wǎng)絡(luò)中，如有SDH（STM-1/STM-4）接口，可采用傳統(tǒng)PoS，不需提供UDP/IP頭壓縮，更不必提供PPP multiplexing，從而可以降低系統(tǒng)復(fù)雜性和成本，減小分組時延。

　　●在窄帶鏈路上，如N