UMB网络架构分析

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　　超移动宽带(UMB)无线接入技术是无线通讯技术的革新，可以提供行业领先的高速数据吞吐量、低延时和高服务质量(QoS)，为用户带来增强的移动宽带体验。UMB技术在物理空中接口和较上层采用自下而上的设计，支持带宽密集的移动业务和并发的VoIP和数据业务，具有更大的灵活性。UMB网络设计的目标是：
　　无缝移动；
　　为广泛的应用提供QoS，包括延时敏感业务；
　　高效的频率再用部署；
　　通过简化网元间的接口，实现不同厂商设备的互通；
　　简化管理，减少网元数量；
　　增强网络的可扩展性和业务部署的灵活性。
　　采用UMB技术，易于对网络进行扩展，服务于不同场景下的基站，满足不同覆盖率和容量的需求。UMB网络采用分布式网络架构使负载分散到各个网元，从而简化了总体设计。利用标准IP元件，运营商易于进行网络扩展，减少时间和成本。UMB网络架构的主要特性大致总结如下：
　　扁平化的网络架构不需要采用中心基站控制器(BSC)；
　　汇聚-接入网络(CAN)设计实现无缝移动；
　　多路由特性实现了基站间的快速交换，为延时敏感应用提供了必要的支持；
　　层2和层3隧道机制简化了网络接口；
　　将层3切换与层1切换去耦合，确保快速而高效的跨基站移动。
1　UMB：扁平化的网络架构
　　基于扁平化网络架构的UMB解决方案与传统的分层架构明显不同，后者定义了多层的控制和互连平台。在传统的分层架构中，接入终端(AT)通过唯一的空中接口协议栈与多个基站(BS)通信。称为基站控制器(BSC)的集中控制实体保持各个BS之间协议状态的协调[1-3]。
　　采用扁平架构的UMB网络不需要BSC这样的集中控制实体，如图1所示，相当于传统分层架构中基站的UMB演进基站(eBS)将传统BS、BSC的功能以及分组数据服务节点(PDSN)的某些功能融于一身，使网络部署更为简单。由于建网所需的元件数量减少，网络变得更加可靠、灵活、易于部署，而且运营成本更低廉。eBS间的相互影响大大减少，使eBS接口更为简单，从而促进了多厂商的互通。

　　传统分层的移动宽带无线接入网络依靠多种节点提供用户流量服务，如BS、BSC、PDSN和移动IP归属代理；而eBS可直接与Internet连接，提供服务。因而可降低延时、减少投资和维护成本，同时降低节点间的相互影响，以提供端到端的QoS。
　　1.1UMB汇聚接入网络
　　UMB网络架构的一个核心概念是汇聚接入网络(CAN)，通过它无缝集成UMB与现有的3G核心网。UMB CAN的范例如图2所示，该网络与CDMA2000 1x EV-DO网络实现互通。

　　UMB无线接入网的中心是eBS，相当于目前3G BS和BSC的组合。eBS连接到公共的接入网关(AGW)，AGW提供了AT到分组数据网的IP连接点。
　　1.2UMB网元
　　UMB网络主要网元定义如下。
　　1.2.1接入终端
　　AT是为用户提供IP数据连接的用户设备，一般是移动电话、个人数字助理(PDA)或便携式电脑。
　　1.2.2演进基站
　　eBS提供AT进行无线接入网连接所采用的空中(OTA)信令和用户数据传输。
　　eBS的其它功能包括：
　　为AT提供层2连接点；
　　作为前向和反向链路的层1连接点；
　　OTA发送/接收的无线链路协议(RLP)层的分组加/解密；
　　OTA传送调度；
　　头压缩。
　　eBS还提供以下一些重要功能：
　　前向链路服务eBS(FLSE)——服务于前向链路物理层；
　　反向链路服务eBS(RLSE)——服务于反向链路物理层；
　　信令无线网络控制器(SRNC)——作为会话锚点存储AT的会话信息，并作为一个到AT的永久路由；
　　数据连接点(DAP)——接收所有来自公共AGW数据分组。
　　此外，eBS还可以查看用户的IP分组，并且可以优化OTA调度或者执行其他增殖服务功能。
　　1.2.3接入网关
　　AGW提供网络的用户IP连接点，即AGW是移动终端的第一跳路由器。AGW运行层3以上的业务，包括即时处理(Hot-lining)、策略实施等业务。
　　1.2.4信令无线网络控制器
　　在CAN中，信令无线网络控制器(SRNC)维护AT的无线接入特定信息、会话参考信息(协商空中接口上下文的会话存储点)，支持空闲态管理，具有在AT空闲时提供寻呼控制功能，还负责AT的接入认证。SRNC功能可由eBS提供，或位于独立的实体中。
　　1.2.5认证、鉴权和计费功能
　　认证、鉴权和计费(AAA)功能实体提供与AT使用网络资源相关的认证、鉴权和计费功能。
　　1.2.6归属代理
　　归属代理(HA)用于提供在3GPP2分组数据网络中AT的移动解决方案，以及演进网络中不同技术支持的网络间的移动。
　　1.2.7分组数据服务节点
　　PDSN是在现有EV-DO或CDMA2000 1X分组数据网络中提供用户IP连接点的节点。
　　1.2.8策略和计费规则功能
　　策略和计费规则功能(PCRF)实体制订了AGW的规则，目标是：
　　检测属于业务数据流的分组；
　　为业务数据流提供策略控制；
　　为业务数据流提供适用的计费参数。
2　移动管理
　　2.1主要功能和概念
　　在移动管理方面，UMB受益于高度创新的网络设计，可实现更快速的切换、网络灵活的扩展性和真正的分布式接入设计。
　　采用UMB网络架构，运营商可以实行完全移动管理，并取得最佳服务质量。UMB的移动管理有以下一些主要概念。
　　2.1.1多路由
　　多路由位于UMB网络架构的核心。UMB AT包含了对应于每个基站的独立的空中接口协议栈，每个协议栈都称为一条路由。AT还包含了一个由拥有AT路由的所有eBS组成的路由集，该多路由采用不同的eBS来表示AT包含的多个路由。一个重要特性是每个eBS只有在加入到路由集后才可以被设置为服务eBS。一个路由集在任意时刻可以最少包含6条路由。如果AT是空闲的，它只有一条SRNC路由。
　　而且，每个eBS包含与每条路由相关的连接状态。该连接状态包括参数值以及有助于保持eBS和AT间连接的算法状态，例如发射/接收缓冲器、RLP中提供上层分组可靠传送的序列号、不同流量授权的QoS和授权的媒体接入控制(MAC)资源。
　　由于AT包含与每个eBS不同的路由，而连接状态为eBS的本地状态，当AT从eBS传递到另一个eBS时，两个eBS之间不传送连接状态信息。这样，eBS之间信令的复杂性就得以大幅度降低。
　　2.1.2公共会话
　　尽管每个eBS拥有独立的路由，所有eBS与AT却共享一个公共会话，定义了AT和eBS协商和存储的协议类型和协议属性集。
　　2.1.3个体
　　会话由一个或多个个体组成。个体定义了通信期间AT和eBS之间采用的协议类型和属性。当AT和路由集中所有eBS之间的会话是公共会话时，每个eBS单独协商一个应用于其路由的个体。
　　一个eBS所协商的个体可以为另一个eBS所采用，而无需进行任何新的协商。这样，在路由集中增加新的eBS所需的时间得以大大减少。主要优点为：
　　在现网中，增加一个新的eBS到路由集非常迅速。
　　eBS间接口非常简单，几乎不需要对eBS配置进行协调。
　　2.1.4前向链路服务实体
　　前向链路服务实体是在前向链路提供层1连接的eBS。
　　2.1.5反向链路服务实体
　　它在反向链路提供层1连接eBS。
　　图3所示为对于会话和个体的eBS和AT之间的联系。eBS和AT共享一个公共会话，而每条路由可选择其自己的个体。

　　2.2层1切换机制
　　根据主要功能和概念的定义，层1切换机制表述如下：
　　在信道状况测量的基础上，AT在路由集中确定一个适当的eBS作为层1连接点(一个用于FLSE，一个用于RLSE)。
　　相同或不同的eBS均可提供FLSE和RLSE功能。
　　随着信道状况的变化，AT采用支持FLSE和RLSE快速切换的物理层信道选择的FLSE和RLSE与网络通信。
　　当AT从一个eBS切换到另一个时，采用新服务eBS对应的路由传送分组。
　　UMB网络设计的差异特性如下：
　　在添加到路由集时，由于目标eBS被设定为服务eBS，而eBS间不进行连接态信息交换，因此eBS间接口大大简化，可在切换期间实现层1FLSE实体和RLSE实体的快速切换。
　　系统为延时敏感应用提供QoS，而无需采用低频率复用等折衷手段
　　AT包含一个有效集，允许FLSE和RLSE通过物理层信令进行快速交换。在切换前将eBS加入有效集，同时与新的eBS建立连接。这样，当AT切换到eBS时，由于目标eBS已准备好接受AT的业务，eBS间可进行极快速的倒换。
　　在一个层1切换中，当AT从源eBS倒换到目标eBS后，到源eBS的路由中可能存在数据分组的残余或碎片，仍需要传送到AT。隧道机制可确保切换时不丢失分组。
　　隧道机制提供层1eBS交换的无损无缝切换，而不需要BSC或集中控制器。
　　采用eBS间的一个层2隧道将数据分组碎片或完全缓冲的分组(前一个源eBS留下的)传送到目标eBS。
　　采用eBS间的一个层3隧道将缓存在前一个eBS的无碎片IP分组传送到目标eBS，将OTA信令传送到AT。
　　目标路由承载代表源路由的分组OTA，并将其传送到AT。
　　2.3层2通信的要点
　　当eBS加入路由集后需要与AT交换消息来维持连接状态，即使它并非当前路由。层2通信对该过程有促进作用。
　　在传统网络中，如果一个AT必需与非服务BS通信，则接口需要对BS间的协议进行翻译。例如，将服务BS的OTA协议转换为网络协议。
　　在UMB网络设计中，路由集中添加了eBS后，eBS和AT之间即建立一个层2通信。采用个体的定义协议和属性，新的eBS 和AT之间建立一种联系。AT和路由集中的一个eBS之间的所有交换通过该eBS和服务eBS之间的层2隧道进行通信。这也称为盲隧道，其上服务eBS盲目地将分组传送到AT，而不经过内容翻译(如AT与eBS之间与报告无线测量相关的事务、QoS请求和授权等)。因此，eBS与AT之间运行的协议与服务eBS提供的传送业务无关，无需翻译eBS间的协议。
　　2.4层3切换要点
　　如上文所述，一个eBS可提供4种功能：FLSE、RLSE、SRNC和DAP。采用这样的网络设计，无需将这些功能指定到单个eBS，而路由集中不同的eBS可为AT和网络间的给定连接提供任意上述4种功能。
　　AGW可用作AT的层3连接点。AGW将指定到AT的分组发送到提供DAP功能的eBS。如果将DPA功能分配给eBS，则DAP eBS和AGW建立在两者间绑定的代理移动IP(PMIP)。
　　在层1交换和切换时，如果DAP eBS不同于新的FLSE eBS，当AGW发送指定到AT的分组时，网络的设计使DAP eBS可以采用层3隧道将分组转发到FLSE eBS。
　　层1交换可触发AT向当前作为FLSE的eBS发送DAP移动请求。尽管DAP和FLSE最好位于相同的eBS，但是，我们并不希望过于频繁地移动DAP功能，因为移动会造成DAP和AGW间更新负载的绑定，同时需要移动会话参考eBS。为避免这种情况，eBS通过对有关DAP移动请求频率的属性进行规定来引导AT。
　　网络的设计实现了DAP移动或层3切换从层1切换中去耦合，从而使1层切换的发生频率高于DAP移动。
　　2.5AGW间切换
　　总的来说，网络采用Mesh拓扑结构，若干eBS连接到单个AGW。相同路由集中的eBS应连接到相同的AGW。当路由集中增加的eBS连接到不同的AGW时，发生AGW间的切换。
　　AGW间切换如eBS间切换一样轻松，不会发生数据中断。AGW间不需要接口。无缝AGW间切换采用层2隧道机制，以“中断前先建立”的模式实现，如图4所示。

　　对于一个AGW间切换，不同AGW下相邻eBS间建立层2隧道。在AGW间切换过程中，AT由一个DAP eBS提供，短期内eBS-AGW对间包含两条PMIP隧道。此间，AT保持两个AGW的两个IP接口处于切换状态。一旦AT和目标AGW间的通信稳定建立，路由集将拥有新的DAP eBS，而目标AGW将连接新的PMIP。
　　2.6系统间切换
　　UMB网络允许进行无缝系统间切换。例如，UMB和EV-DO网络间可进行切换，而不会发生业务中断。
　　对于一个系统间切换，双模AT需协商一个EV-DO会话，建立一个PPP连接，并通过在AT和EV-DO无线接入网间建立链路层隧道支持，从而在UMB安装一个TFT。双模AT通过离调过程，监视EV-DO和UMB网络无线接口上的信号，以进行1层切换。AGW可采用PMIP或客户端移动IP建立与归属代理的连接，以进行3层切换。
　　2.7寻呼设计和功能
　　UMB网络设计中，寻呼功能更为简单和轻便。不同于传统的中心节点，基于BSC的寻呼的寻呼区为AT所有，SRNC通过单一的eBS追踪AT的注册来维护该功能。此过程描述如下：
　　(1)当AT从连接态转换到空闲态时，除了SRNC路由外，删除所有路由。AT执行SRNC远程注册，包括AT从其注册的最终地点移动了一个集距离以上时的重注册。在这情况下，AT建立具有本地eBS的路由，将注册信息传递给会话参考(SR)eBS。
　　(2)如果分组到达时AT处于空闲态，DAP eBS向SR eBS发送寻呼请求，然后，SR eBS将该寻呼请求发送到最后注册的eBS。SR eBS的寻呼要求最后注册的eBS将寻呼请求传递到给定半径范围内的相邻的eBS。换言之，SR eBS还通过将请求传递到最后注册的eBS，从而为AT提供主要的寻呼支持。这样，与SR eBS仅追踪一个eBS即AT注册的最后的eBS的方式相比，寻呼功能变得更为简单。
3　结束语
　　扁平化架构的UMB解决方案是一种简化的网络设计，为带宽密集业务提供了卓越的移动管理支持。采用扁平化的网络架构，不需要集中BSC等网元，大大减少了互通所需的网络节点数量。
　　无论是AT的eBS间、AGW间还是系统间转换，UMB CAN都可实现无缝和快速的切换，同时最大限度地减少开销。因此，合理的系统设计可为包括延时敏感应用在内的各种应用提供QoS。
　　网络架构的设计尽可能地保持了无线接入网和核心网间接口的简单。例如，避免了eBS间的连接态的协调或传送，以及避免了与另一个eBS连接的分组进行翻译，因此大大简化了eBS间接口。
　　这样还有助于运营商随时对UMB网络进行部署和扩展，并将促进多厂商的互通。
4　参考文献
　　[1]3GPP2C.S0084-0v 2.0. Ultra Mobile BroadbandTM (UMBTM) air interface specification [S]. 2007.
　　[2]3GPP2A.S0020.Interoperability Specification (IOS) for Ultra Mobile Broadband (UMB) radio access network interfaces [S]. 2007.
　　[3]RobustHeaderCompression (ROHC): Framework and four profiles: RTP, UDP, ESP, and uncompressed [R]. RFC 3095. 2001.