UMTS无线接入网中的IP传输

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摘要   本文简要介绍了IP传输在3GPP的研究成果，在Iu/Iur/Iub上的实现优先级与策略，并讨论了Iub用户面协议栈、IP Qos、IP传输引入的新协议和对无线网络层的影响等关键技术点，最后展望了未来通信网络向全IP融合的趋势。1 引言
　　基于IP的Internet业务的爆炸式增长，给传统网络带来了前所未有的变革，使其在业务发展、流量模式、运营方面发生了巨大变化。IP技术在Internet上的成功，使其在移动网络的业务和承载方面也必将得到全面应用，未来的移动通信从网络到终端均将使用基于IP的协议通信，包括结构IP化、承载与业务IP化的全过程。IP技术在移动网络的应用，首先将改变承载网络的方式。从系统可扩展性、节约网络建设成本等方面考虑，以IP为核心的传输承载将逐渐从核心网向无线接入网渗透，并将最终成为无线接入网传输承载层的主流协议。目前IP技术已经在软交换核心网中广泛应用。
　　3GPP建议在R5阶段引入无线接入网的IP承载，从而实现核心网和无线接入网全网向IP传输演进，因此接入网的IP传输已经成为业界关注的热点。将IP传输技术引入3G无线接入网络，不仅可以大幅度提高网络数据承载能力，更可以缓解3G运营商当前面临的巨大传输压力，特别是HSPA等无线宽带技术的商用对接入网传输带来的挑战。
2 IP传输的研究成果
　　3GPP定义的UTRAN网络结构主要接口是Iub，Iur和Iu（包括Iucs和Iups），这些接口上的协议栈分为无线网络层和传输网络层。UTRAN的传输网络实际上指在Iub/Iu/Iur上位于无线网络层下的传输资源，分别是数据承载（Data Bearer）和信令承载(Signalling Bearer)。3GPP在早期制订R99/R4 UTRAN 规范的时候，推荐了ATM技术，其面向连接的特性可以很好地保证业务质量，并可发挥ATM的统计复用、QOS保证等优势，当时IP传输技术被认为还没有成熟, 这样常用的传输配置是：在最后一公里的Iub接口上是ATM over E1，在Iu/Iur上是ATM over STM1。 R4中的Iups上的IP不属于真正的IP传输承载，它仅是IP over ATM，这时真正的传输承载是ATM。原理上讲，IP必须满足UMTS对QoS、传输效率和移动性的要求，在这一点上，与对ATM的要求是相同的。对ATM 与IP传输技术的比较研究[1]发现，IP也能提供好的延迟性能，在点到点链路上小于5ms,能满足UMTS对实时的要求，在高的数据业务负荷时有更高的链路利用率，并且有更好的开放性，更低的成本，更能满足用户的通信需求[2]。所以3GPP在R5的UTRAN规范里正式推荐IP传输选项。3GPP R5 TR 25.933(540)是目前最新的标准，在R6及以后没有更新。这个TR 对在UMTS无线接入网里的IP传输作了全面的介绍。根据3GPP的WI(工作项目)--- “IP Transport in UTRAN” 的最终输出报告---RP-020135,  包括25.933, 共有18个3GPP规范描述了IP传输，主要涉及到Iub/Iur/Iu接口。
　　概括讲，3GPP就IP传输标准达成如下共识：
　　1/ 新的采用IP传输选项的无线接入网络的节点（RNC和Node B），必须与老的采用R99/R44规范或仍然采用ATM传输选项的R5及以后的规范的节点能够互联互通。在R5及以后的无线接入网中，只采用ATM传输选项、只采用IP传输选项、和既采用IP传输选项又采用ATM传输选项的三种节点设备能共存。互联互通的方式有三种：双协议栈（Dual-stack），节点内的传输网络层逻辑交互功能（logical TNL Interworking function inside node ），单独的传输网络层交互单元（A TNL Interworking Unit）。
　　2/ IP传输的引入对无线网络层的影响必须尽量小；必须尽量使用已有的标准协议，如RFC规范等。
　　3/ UMTS无线接入网的IP传输网是个封闭的私有IP网，内部安全性风险较低。
　　4/ 对于IP层下的L1和L2协议，3GPP没有任何限定，决定权留给移动运营商。
　　5/ IP Qos策略必须支持区分服务(DiffServ)，但没有完全排除其他方式。
　　6/ 通过IP层下的复用技术（multiplexing）提高采用IP传输时的传输网络带宽利用率，使其与采用ATM传输时基本相当。
　　7/ 在Iub/Iur/Iu上，ALCAP 将消失，AAL2/ATM 将被RTP（仅在Iucs上有效）/UDP/IP取代，SAAL/AAL5/ATM将被SCTP/IP取代，MTP3b将被M3UA取代。
　　8/ 当使用IP传输时，层1将不再提供同步时钟参考，这时其他时钟同步方式需被考虑，如NTP等。
　　9/ IP传输必须支持IP V6，可以支持IP V4，最好是双IP协议栈，但不排除单栈实现（V4 or V6）
3  IP传输在UTRAN接口上的优先级及实现策略
　　对于传统的移动运营商，如果已经拥有ATM传输网络，或者已经布署了R4/R99 UMTS网络，他们对IP传输的需求倾向于逐步演进，主要动力来自于较高速率的数据业务（如HSDPA/HSUPA）对传输带宽的需求增加和降低成本的考虑。当他们布署新的R5 UMTS或者升级现有的R4/R99网络到R5时，他们将混合使用ATM和IP传输资源，当新的Node B或RNC所在的地理位置有现成的ATM传输资源能满足需要时，将首先考虑重用ATM，当无ATM传输资源可用时，他们将可能采用IP传输，这样在R5及以后的UTRAN网络中，ATM传输与IP传输将在一定时间段内共存。
　　从节约成本的角度出发，Iub上的传输资源占有了整个UTRAN传输资源的约70%，另外，核心网的IP化推动了Iups上的IP传输进程，所以Iub与Iups的IP传输将有更高优先级，其次是Iur，最低优先级的是Iucs，即：Iups+Iub  Iur  Iucs。但对于新兴的移动运营商，为了提高竞争力和降低成本，他们采用新技术的态度将更为积极，在建一张新的R5 UMTS网络时，他们可能更倾向于在UTRAN全网里全部实现IP传输，即包括Iub/Iu/Iur都需要支持IP传输。
　　为了保证UTRAN网络从ATM传输平滑升级到IP传输，Iub/Iur上应该支持双栈，即同一个RNC的不同Iub/Iur上可以 同时支持不同的传输选项；但在Iucs和Iups上，RNC通常只连接到一个核心网节点，连接到多个核心网节点的情形只有两种：NGN 和Iu-flex，对于NGN, 在Iucs上，一个RNC可能连接一个MGC（控制面）和多个MGW（用户面），对于Iu-flex，一个RNC确实连接到多个核心网节点，但即使这两种情况下，一个RNC连接的核心网节点仍然较少，为简单起见，我们可以假设RNC在Iucs和Iups上可以只支持单栈，即要么是ATM，要么是IP。
　　当在IP上传输小的分组数据时，典型的如 AMR语音，IP头开销将降低传输效率。对于Iub的用户面，因为带宽有限和数据量较大，我们必须考虑传输效率问题；但对于Iub的控制面，因为数据量较小，对IP头开销引起的传输效率降低可不予考虑，对Iu和Iur，因为传输带宽不是问题，对传输效率也不予考虑。 3GPP对Iub/Iu/Iur上的协议栈只规定了IP 层之上的协议，对于层2和层1，没有任何限制，我们的建议是优先使用Ethernet，RNC和Node B都应该提供Ethernet接口，L1支持电缆或光纤。总之，Iub的用户面和Iu/Iur/Iub上的L2/L1是我们实现IP传输时需要重点考虑的。对于不同的用户业务需求，将分别采用不同的传输策略，如对于话音业务为主的基站，1-2 个E1能满足带宽需求，这时，ATM over E1是较优的选择，对IP没有太大需求，对于数据业务较多，带宽需求较大的基站，考虑E1较高的租金成本，可以用IP over Ethernet 方案。
4  IP传输的关键技术
　　4.1 Iub用户面协议栈
　　在最后一公里上，尽管RNC和Node B都能提供以太接口，但可能需要使用微波或xDSL传输媒介，可获得的带宽将低于10M，如只有2M－ 8M，这样Iub上端到端的带宽将由最后一公里上的微波或xDSL传输媒介能提供的带宽决定， 传输带宽的瓶颈将在使用最为广泛的最后一公里的Iub上出现。为保持简洁性，我们不推荐使用IP over ATM和在E1上使用IP传输。对于IP传输，通常传输效率越高，传输延迟越大，传输延迟越小，传输效率越低。所以，采用IP传输时，针对Iub用户面，必须考虑传输效率和传输延迟，使之在有限的带宽资源下达到一个好的平衡。对于Iub上用户面协议栈常有三种实现策略：使用标准协议的前两种和使用私有协议的第三种。

图1 使用标准协议的Iub用户面协议栈1

　　这里HC意味头压缩，为了节约UDP/IP/L2TP的头开销，PPPmux为了共用IP头，提高链路利用率。L2TP 版本3可以直接基于IP，省略下面的UDP。此时如果8个AMR FP复用在一个IP分组内，总的头开销为47.95%，优于使用AAL2/ATM时的55.28%。对于数据业务，该协议栈比AAL2/ATM更有优势。此方案的优势是传输效率较高，特别对于AMR业务；直接使用RFC标准协议，便于实现运营商主导下的开放的Iub。但缺点是实现复杂

图2 使用标准协议的Iub用户面协议栈2

　　此方案的优势是实现简单，便于实现运营商主导下的开放的Iub，对于高速数据业务，因为IP分组较大，IP头开销相对较小，传输效率较高，缺点是对于AMR业务传输效率很低。

图3 使用私有协议的Iub用户面协议栈3

　　此方案将多个用户的FP复用到一个FPMux，每个IP分组能包含多个用户的FP，如果8个AMR FP复用在一个IP分组内总的头开销为63.11%， 略大于使用AAL2/ATM时的55.28%。但对于数据业务， 该协议栈比AAL2/ATM有优势。此时用户面的传输承载标识是包含在每个FP中的内部UDP端口，外部UDP仅用来做检验和计算，详细帧格式如下：

图4 使用私有协议的Iub用户面帧格式

　　此方案优势是传输效率较高，相比第一种方案实现简单，但缺点是使用私有的FPMux协议，不利于Iub的开放性。
　　4.2 IP QoS
　　在IP层，区分服务(DiffServ)必须被支持，在IP头里的DSCP码代表不同的优先级，DSCP和UTRAN里业务类型间的映射关系应该由移动运营商通过操作维护参数配置。

图5 DSCP域在IP头里

　　在对IP Qos需求最为迫切的最后一公里的Iub上，下列类型的业务要区别对待：
　　1/ Node B synchronization 消息有最小的延迟
　　2/ NBAP信令有小的延迟
　　3/ O&M没有延迟要求
　　对于用户面四类业务：
　　（1） 会话类（Conversational）对传输延迟，传输抖动有高的要求。
　　（2） 流类（Stream）对传输抖动有高的要求，对传输延迟有适中的要求。
　　（3） 交互类（Interactive）和背景类（Background）对传输延迟和抖动都无特殊要求。
　　区分服务允许定义6 比特的DSCP， 但仅8个Qos类型可以被定义，每个类型对应一个PHB (Per Hop Behavior)， 在这8个类型中，2 个被保留为网络控制和网间控制，但剩下的6个QoS里，常常只有4个被IP骨干传输网使用，一个映射例子如下：
　　• 类型 5 (DSCP=EF) : 会话类（Conversational）
　　• 类型 3 (DSCP=AF3): 节点同步（Node B synchronization）与信令 (NBAP and RRC)
　　• 类型 1 (DSCP=AF1):  流和交互类（Streaming and Interactive）
　　• 类型 0 (DSCP=BE) : 背景类（Background）和操作维护消息
　　如果在L2使用以太网，L2的优先级通过802.1P 和802.1Q被支持，帧格式如下：

图6：支持L2优先级的以太帧格式

　　另外，需要配置详细的QoS参数。IP Qos的实现一般通过购买商用软件组件，运行于网络处理器上。
　　4.3 IP传输引入的新协议
　　在Iub，Iur和Iu的控制面上，SCTP是新引入的基于IP的传输层协议，在Iur和Iu的控制面上，M3UA代换MTP3B, 在Iub，Iur和Iu的用户面上，UDP是新引入的传输层协议，在Iucs用户面，RTP是新引入的实时协议。这里UDP最简单，M3UA作为MTP3 用户层的适配层，用来在IP上传输七号信令，有较好的适配上层协议的灵活性。
　　SCTP 是建立在无连接分组网 (例如IP)之上的一种可靠传输协议，相比TCP，3GPP选择SCTP主要基于以下考虑：
　　1 SCTP是由IETF根据信令传输的特点制订的。比如，TCP 是基于字节的传输层协议，SCTP 是基于消息的传输层协议。SCTP 的这一特点使上层用户协议便于进行数据解析，使用SCTP 时，用户层在向SCTP 层发送数据或从SCTP层接收数据时不用对数据进行额外的分割。
　　2 SCTP 提供更好的安全机制。Cookie 机制被引入到SCTP 中来用于抵御“服务拒绝攻击”(denial of service attack)。在预防意图使SCTP 服务器端资源耗竭的“盲攻击”方面特别有效。SCTP 使用签名鉴权机制，不和客户机端交换任何密钥。
　　3 性能上，能保证信令传输的灵活性，可靠性，并且尽可能高效的利用资源，减少不必要的开销。比如，SCTP 支持在一个Association 中的多Stream 机制，每个Stream 都可被认为是保证数据顺序传输的一个单向逻辑信道，而且SCTP 协议的设计使各个不同的Stream 传输时能相互独立，不会因为某条Stream 的阻塞，导致其他Stream 的数据传输受阻。
　　缺点是实现较复杂，成熟性没有TCP高。
　　根据RFC 1889，RTP 设计成用于满足多方多媒体会议的需要。在Iu-CS用户面，采用基于RTP/UDP/IP数据传输协议栈的具体原因如下：
　　（1）通过进行测量和提供发送方和接收方之间的通讯，能够对语音质量进行监测。RTP和RTCP提供了保证顺序完整性/重新排序的途径以及对VoIP网络进行QoS监测的途径。
　　（2）RTP 是标准的IETF 方案
　　目前，RTP/UDP/IP 是唯一的IETF 实时传输整合方案。基于该方案做出决定就是遵循在RAN3 做出的遵循标准IETF 方案的设计思想。
　　（3）RTP 已经进行了优化，能够与UDP/IP 进行结合。
　　比如，RTP 允许与已有的机制进行组合压缩，从而得到只有2 字节的压缩长度；但是，GTP 不能与UDP/IP 共用该压缩上下文，因此GTP 需要14(12+2，完整的GTP 头长度为12 字节)字节的开销。可见，RTP 对效率的提高是非常明显的（比如对于语音流）。
　　4.4 IP传输对无线网络层的影响
　　3GPP在Iub，Iur和Iu接口上协议架构的一个重要思想是使无线网络层与传输网络层相分离，这样当改变传输网络层时，理论上对无线网络层影响几乎没有影响。事实上，当传输网络层从ATM传输改变为IP传输时，因为传输网络控制面上的ALCAP被移出,无线网络层控制面上的NBAP，RNSAP和RANAP需要增加建立或释放IP传输承载的功能，无线网络层用户面将使用UDP socket代替AAL2。
　　在Iub接口上建立用户面传输承载的信令过程如图7。RNC在无线链路建立（RADIO LINK SETUP），无线链路增加（RADIO LINK Addition） 和无线链路重配置准备（ RADIO LINK RECONFIGURATION PREPARE）过程中建立Iub用户面上的传输承载。RNC通过无线链接建立请求消息告诉NodeB自己的IP地址（包含在Transport Layer Address元素里）和UDP端口号（包含在Binding ID元素里），NodeB在无线链接建立证实消息通知RNC自己的IP地址和UDP端口号。Iur上过程与Iub完全类似。在Iucs和Iups上，核心网在RAB安排请求（RANAP RAB ASSIGNMENT REQUEST）消息里把自己的IP地址（包含在Transport Layer Address元素里）和UDP端口号（包含在Binding ID元素里）通知RNC，然后RNC在 RAB安排反应（RANAP RAB ASSIGNMENT RESPONSE）消息里通知核心网自己的IP地址和UDP端口。

图7 Iub上的用户面传输承载建立过程

5  结束语
　　本文讨论了UMTS无线接入网络的IP传输承载技术。 随着HSDPA/HSUPA的商用和数据业务的增长，对IP传输的需求将更加强烈。UMTS的下一步LTE（长期演进），即E3G标准将基于IP传输。
　　参考文献
　　[ 1 ] GET/Institut National des T?el?ecommunication, Transport in UMTS Radio Access Network : IP versus AAL2/ATM. paper in http://www-rst.int-evry.fr/~samhat/paperwcnc.pdf
　　[ 2 ] 杨景，黄晓庆，《多媒体、集群化:下一代业务的发展趋势》，现代电信科技，3G市场观察专刊，Sept, 2003
　　[ 3 ] 3GPP 25.933 version540 IP transport in UTRAN
　　[ 4 ] RFC 791  Internet Protocol
　　[ 5 ] RFC 2475: An Architecture for Differentiated Services (DiffServ)
　　[ 6 ] RFC 2474 Definition of the Differentiated Services Field (DS Field) in the IPv4 and IPv6 Headers
　　[ 7 ] RFC 2661 Layer Two Tunneling Protocol (L2TP)
　　[ 8 ] RFC 1661 The Point-to-Point Protocol (PPP)
　　[ 9 ] RFC 3153 PPP Multiplexing
　　[ 10 ]  RFC 2960 Stream Control Transmission Protocol (SCTP)
　　[ 11 ] IP UTRAN研究，编写人：常疆，刘俊强，姜波。青岛朗讯科技通讯设备有限公司，信息产业部电信研究院
　　[ 12 ]  RFC 1889 A Transport Protocol for Real-Time Applications (RTP)