基于IP的UTRAN分組傳送技術研究

2019-11-04 20:46:01

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

　　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。
　　　　要害詞 通用陸地無線接入網 IP 分組傳送
　　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、位置治理、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、資源治理等)。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小；設備成本適當。
　　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。
　　1 復合IP(CIP)方案
　　　　CIP(Composite IP PRotocol)功能上答應將多個變長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，假如需對待傳信息分段，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 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。
　　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。
　　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。
　　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。
　　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。
　　有關UTRAN IP承載方案的討論
　　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。
　　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 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。
　　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

上一篇：關于寬帶IP網的認證計費方式的探討

下一篇：新興的IP骨干網