基于IP的UTRAN分組傳送技術研究

2019-11-03 09:05:35

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徐展琦　劉增基　胡強　岳鵬
(1. 西安電子科技大學綜合業務網國家重點實驗室
2.華為技術有限公司上海研究所　　摘要本文簡述UTRAN的基本結構和協議，主要討論3GPP提出的UTRAN 的ip分組傳送解決方案，重點研究這些方案的最重要的技術包括頭壓縮、PPP復用、多鏈路和多業務、高速鏈路等，指出這些技術的使用場合，并比較其優缺點，提出傳輸接口的優化設置。

　　關鍵詞通用陸地無線接入網 IP 分組傳送

1概述

　　第三代移動通信(3G)可提供話音、數據、圖像等多媒體業務，采用幾種主要的空中接口，數據速率高達144 kbit/s～2 Mbit/s，終端多種多樣，實現全球無縫連接。3G由核心網(CN)、UMTS陸地無線接入網(UTRAN)、用戶設備(UE)三大部分組成，CN主要完成用戶認證、位置管理、呼叫連接控制、用戶信息傳送等功能。UTRAN分為無線不相關和無線相關兩部分，前者完成與CN的接口，實現向用戶提供QoS保證的信息處理和傳送以及用戶和網絡控制信息的處理和傳送；無線相關部分處理與UE的無線接入(用戶信息傳送、無線信道控制、資源管理等)。UE主要完成無線接入、信息處理等。UTRAN可使用ATM和IP兩種傳送方式，基于ATM的UTRAN標準較成熟，相關產品已進入試用階段；基于IP的UTRAN具有網絡資源利用率高、節省運營成本、滿足Internet和內聯網的廣泛使用引起的IP聯網設備的降價要求、符合網絡向全IP方向發展趨勢等優點，引起研究的熱潮，預計2002年底可完成標準制定。

　　IP傳送既可用于UTRAN內部網元間，如無線網絡控制器(RNC)和節點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網元在功能上一般分為無線網絡(層)和傳送網絡(層)兩部分(RNL/TNL)，IP傳送在上述接口中傳送無線網絡和傳送網絡的信令、用戶信息，語音、圖像和數據等用戶信息的傳送必須滿足協商的服務質量(QoS)。一種良好的IP傳送協議棧應達到：滿足待傳送的不同業務的QoS；鏈路傳輸利用率高；網元間傳輸與交換時延及時延波動??；設備成本適當。

2 IP承載方案

　　網絡中用戶業務的承載協議用于承載呼叫的業務流，Iub接口和Iu接口的待傳送信息分別稱為幀協議(FP)和用戶協議(UP)。為達到上述要求，3G合作項目(3GPP)提出的業務協議棧方案包括提高傳送效率的新型傳送方式、頭壓縮與復用技術、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)、多業務類(MC)和隧道協議(TP)等技術。

2.1 復合IP(CIP)方案

　　CIP(Composite IP PRotocol)功能上允許將多個變長CIP分組復用到一個變長CIP容器中，同一CIP容器中的幾個CIP分組作為UDP的載荷，共用一個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、預留位、分段標志域和CID域，CRC用于保護預留位、分段標志和CID；分段標志表明是否存在分段，如果需對待傳信息分段，序號部分才存在；CID 域是復用功能的標識，用于區分高層不同呼叫或用戶的業務流；(2)載荷長度部分用于指示載荷長度(最大值256)；(3)序號部分指明該載荷是否為待傳信息的最后一段，并結合序號來重新組裝已分段的數據報文(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，每個LIPE封裝的載荷由數目可變的多媒體數據分組(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。每個多媒體數據分組有一復用標頭(MH)攜帶特定的協議與媒體信息。

　　MH由以下兩部分構成：(1)基本復用標頭中的擴展比特用于標識可選的擴展標頭，長度域標識整個MDP的長度；(2)擴展標頭用于攜帶特定用戶信息，以便為LIPE用戶提供附加的控制信息，例如序號、語音/視頻質量評估器。另外，擴展標頭中的流標識符可區別不同的應用，例如語音、WWW數據等。

2.3 基于PPPmux的方案

　　PPPmux完成用單個PPP幀傳送多個PPP封裝分組(也稱子幀)，減少每個分組的PPP開銷，適用于在低速鏈路上傳送語音、數據等短分組。每個PPPmux PDU包括一字節的PPPMux標識符(0X59)和多個子幀，每一子幀由以下部分組成：(1)協議域標志(PFF)表示子幀中是否包含PPP協議標識符；(2)長度擴展(LXT)比特指明長度域是1或2字節；(3)子幀長度代表子幀的PPP協議標識符和信息域的字節數；(4)信息域由壓縮的IP/UDP(cUDP)分組頭(2字節)和分組載荷(M字節)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標志字節、PPPmux PDU和2字節CRC組成，子幀中的2字節的PPP協議標識符為可選項，所有子幀共用2字節CRC域，省略傳統HDLC地址(0xFF)和控制域字節(0xO3)；第二種是將PPPmux PDU加上可能的填充和8字節的尾控制完成AAL5封裝，然后按48字節分割并組成信元，在ATM網絡中傳送；第三種是采用隧道方式，它有兩種方式，其一是PPPmux PDU通過第2層隧道協議(L2TP)傳送，也稱為隧道壓縮的RTP(TCRTP)，此幀由HDLC標志字節、PPP IP協議標識、20字節的IP分組頭、1字節L2TP 頭壓縮標頭、PPPmux PDU和2字節CRC組成；其二是將20字節的IP分組頭用2字節的cUDP代替，采用cUDP來壓縮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

　　多協議標簽交換(MPLS)是一種處于第二層和第三層之間的協議,它補充和改進了IP協議，提供了轉發IP分組的替代方案，同時使用現有的IP路由協議，如OSPF、BGP。在UTRAN網元間建立雙向標記交換通道(LSP)，UDP/IP分組在UTRAN網元(如RNC)被映射到相應的MPLS路徑，直接通過網絡傳送至另一個UTRAN網元，如壓縮/解壓縮(CDN)節點。在帶寬受限的點對點鏈路間，可采用cUDP/IP，并對MPLS標頭壓縮，此時MPLS標記與cUDP/IP共享壓縮情景。關于頭壓縮的協商，可使用RSVP-TE消息和利用標記分配協議兩種方法。

2.5 基于AAL2的解決方案

　　該方案將待傳信息按AAL2協議封裝，然后作為UDP的載荷，在傳統IP網中傳送。在IP層和RNL(無線網絡層)間，用AAL2/UDP復用與分段有以下主要優勢：(1)使用AAL2會使IP和AAL2/ATM間的互操作變得簡單；(2)已存在分段與復用標準；(3)需要一個UTRAN節點支持盡可能少的協議；(4)AAL2/UDP在UTRAN端點處終止。AAL2在ATM網絡中比較適合傳送語音、視頻等實時業務，但由于其信息單元的最大長度為64字節，并不適合高速數據傳送。

2.6 輕載UDP

　　輕載UDP是IETF工作組的一個草案，它提供UDP報文的部分校驗和，相對于傳統方式提高了靈活性。在同一輕載UDP的載荷區，可先裝入需校驗的數據，再裝入無需校驗的語音、視頻等數據。其格式與傳統UDP的差別在于傳統的UDP長度域被校驗和覆蓋域(Checksum Coverage)所取代,數值指參加校驗的數據字節數。在IP分組頭的長度域可找到輕載UDP報文長度的信息，故UDP中的報文長度信息沒多大必要。

3 有關UTRAN IP承載方案的討論

3.1 頭壓縮和MC-MP

　　對于UTRAN，一種可能的點到點鏈路是像N×E1/T1/J1這樣的低帶寬鏈路。RAN第三工作組(WG3)已同意每個UTRAN節點應支持PPP，還應支持IP頭壓縮(HC)、多鏈路(MP)以及多業務類別(MC)。由于語音業務的FP幀小于40字節，傳統UDP／IP頭產生的開銷達50~100％，IP頭壓縮可將UDP／IP產生的開銷從28字節降低到2~3字節，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用于對業務分類，防止長分組、時延要求松的業務(如數據)對短分組、時延要求嚴格的業務(如語音)的影響。所以TR25.933給出的協議為cUDP／IP／MC-MP。

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

3.2 PPPmux

　　到目前為止，PPPmux僅是IETF的一個草案。PPPmux將多個PPP封裝幀組裝在一個PPP幀中來提高PPP鏈路的帶寬利用率。PPPmux對于像語音分組那樣的短分組而言，是一個優化的鏈路層協議。在3GPP分配給Iub接口時延預算7 ms條件下，PPPmux和PPP在E1線路上能分別傳送160用戶和151用戶的語音分組，PPPmux比純PPP能傳輸的語音用戶增加6％，它與PPP/AAL5相比鏈路效率能增加30%；在純384kbit/s數據傳送時，鏈路利用率僅提高2.6個百分點；當大量的用戶產生語音與數據分組時，PPPmux的收益將減少，甚至在數據用戶比例增大時，收益可忽略不計。　　盡管PPPmux在帶寬方面具有優勢，但其也帶來系統復雜性、總時延增加、分組誤碼可能增加等缺陷。一般認為在UTRAN中使用寬帶且時延要求嚴格時，PPPmux不能做為一個強制選擇，極個別公司(如IC4IC)持與此相反的態度。

　　通過對3G使用的12.2 kbit/s的自適應多速率(AMR)語音20ms產生一40字節FP載荷，384kbit/s的分組交換數據和1016字節FP載荷兩種情況進行仿真，結果如下：

　　(1) 對語音而言，cUDP／MC-MP／HDLC與R99 AAL2／ATM的帶寬利用率幾乎相同；對數據而言，前者89.6％，后者為77.2％，多12個百分點。

　　(2) 對語音而言，cUDP／PPPmux／MC-MP／HDLC與cUDP／MC-MP／HDLC相比較，帶寬利用率前者高出7個百分點；兩者的數據利用率相同。故PPPmux對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的優化，而不支持PPPmux 不會影響互操作性。

3.3 其它第一層協議

　　目前3GPP給出的UTRAN必備(強制)的第一層協議均基于PDH／SDH，由于以太網技術在Internet中的應用日益廣泛和傳輸速率的增加，下述以太網可用作第一層協議：(1)10Mbit/s以太網：10BASE－T；(2)100M快速以太網：100BASE－TX，100BASE－FX；(3)1000Mbit/s以太網：1000BASE－T，1000BASE－X。RAN WG3尚未確定這些以太網傳輸技術作為必備項，還是可選項。在有些情況下，如當RNC與節點B在同一位置時，也可用快速以太網連接它們。

3.4其它方案

　　對于CIP方案，每個CIP分組頭要引入2或4字節的額外開銷，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語音分組時效率低至55.8%(38/(38＋28＋2))，且CIP分組頭的處理需額外硬件支持。對于輕載IP封裝(LIPE)，與CIP的情況類似。

　　當PPPmux在AAL5上傳送時，對單個語音分組的鏈路效率是71%(38/53)，此時不如使用AAL2，特別是AMR速率降低到4.75 kbit/s時，鏈路效率為35.8% (19/53)。對于PPPmux在L2TPHC中傳輸的兩種方式，當PPPmux在路由可選的隧道L2TPHC中傳輸時，此時比PPPmux/HDLC增加21字節；對于壓縮的隧道壓縮RTP協議(cUDP 與L2TP IP頭)傳送單個語音分組時，鏈路利用率為80.1%(38/(38＋9))，此方法適用于RTP業務的傳送，但此方式無疑比PPPmux/HDLC更復雜。對于MPLS，既要使用復雜的信令，還要進行復雜的處理，在UTRAN中使用無任何優勢。公司的早期產品一般不會支持，以后根據MPLS的商用化趨勢再定。

　　輕載UDP(UDP Lite)比傳統UDP靈活，它可選擇UDP 載荷的前一部分使用CRC校驗，但何種業務可利用這種優點尚有待研究。

3.5 高速鏈路速率

　　目前有關IP UTRAN的傳輸討論均基于E1／T1／J1這樣的低速鏈路，我們并不否認在3G的早期建網中，這樣的低速鏈路存在的合理性。但我們應看到近幾年光纖通信的容量在大幅度地提高，光纖在骨干網和接入網的大量鋪設與使用，無疑會使光纖傳輸成為未來網絡的最優選擇。另外，既然3G中一個移動終端支持就高達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會。我們認為PPP通過SDH上的光傳輸(POS)無疑將是基于IP的UTRAN的主流技術，這主要由于SDH技術成熟、時延小、便于時鐘及同步信號傳遞與恢復。

　　在STM-1及其以上速率時，相關RNC、節點B中不必采用壓縮的UDP／IP，更不必實現PPPmux、MC-MP。

4 結束語

　　通過收集與消化3GPP有關標準和其它文獻資料，我們看到早期UTRAN應用中最可能的點到點鏈路是像N×E1/T1/J1這樣的低帶寬鏈路。RAN WG3已同意每個UTRAN節點應支持PPP，還應支持IP頭壓縮、多鏈路以及多業務類別，比較好的協議棧是cUDP／IP／MC-MP。

　　PPPmux做為研究的熱點之一，引起設備制造商和運營商的較大興趣。PPPmux對提高鏈路利用率的作用并不顯著，可作為優化選項用于某些線路資源特別緊張的場合，故3GPP已明確表示TR25.933的最終規范不支持PPPmux。

　　對于UTRAN的IP傳送，我們建議第一層接口協議按重要性依次為：(1)SDH(STM-1/STM-4)接口，采用傳統POS，不提供UDP/IP頭壓縮，更不必提供PPPmux以降低系統復雜性、成本，減小分組時延；(2)N×E1/T1接口，采用cUDP／IP／MC-MP，PPPmux最好作為優化選項，由運營商根據市場情況確定；(3)100M快速以太網(100BASE－TX/100BASE－FX)接口用于連接較近或同一位置的網絡設備(RNC，節點B)，也可提供網絡管理與維護(O&M)。在有些市場中，運營商更愿意采用ATM，而不是HDLC，如日本市場ATM線路的價格僅是同速率HDLC線路的二分之一。故基于IP的UTRAN產品仍需保留ATM接口，最好是以上接口按模塊化方法實現，根據運營商的不同要求，選擇以上不同接口的組合。

　　由于無線信道的特殊性，也應研究無線接口上的用戶業務載荷控制頭的壓縮算法、無線鏈路的重傳控制等，以提供一個完整的UTRAN IP 解決方案，也需要對核心網的IP傳送技術進行進一步研究，以結合UTRAN提供端到端IP傳送解決方案。

----《電信科學》