3G無(wú)線(xiàn)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(lái)看，目前電信運營(yíng)商面臨的主要沖擊來(lái)源于“移動(dòng)”和“IP”兩大領(lǐng)域。IP技術(shù)的設計思想簡(jiǎn)潔實(shí)用和應用豐富多彩，成為一統天下的網(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(jìn)的趨勢。在3G系統大規模商用一再推遲的情況下，業(yè)界已經(jīng)開(kāi)始了3G版本跨越和更高級的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)“長(cháng)期演進(jìn)（LTE）”新技術(shù)的研究工作。隨著(zhù)3G業(yè)務(wù)的發(fā)展，高速數據及多媒體應用業(yè)務(wù)比例的進(jìn)一步提高，移動(dòng)通信傳輸網(wǎng)絡(luò )寬帶化將是必然趨勢。在3GPP的R5及將來(lái)的版本中，一方面總體發(fā)展趨勢將向著(zhù)全IP化的方向發(fā)展，另一方面隨著(zhù)新的空中接口技術(shù)，如高速下行數據分組接入（HSDPA）和多輸入多輸出（MIMO）天線(xiàn)等新技術(shù)的引入，每用戶(hù)數據速率會(huì )大幅度提高，基站單小區的吞吐量最高可以達到8-10 Mbit/s，因此在目前建設傳輸承載網(wǎng)絡(luò )時(shí)充分考 慮3GPP R5版本系統的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(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)（UTRAN）、用戶(hù)設備（UE）3大部分組成，設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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )層和傳送網(wǎng)絡(luò )層的信令和用戶(hù)信息。

　　 HSDPA承載的高速數據業(yè)務(wù)以及國際以太網(wǎng)市場(chǎng)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(jiàn)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(yíng)商自己的考慮。R5版本是全IP（或全分組化）的第一個(gè)版本，在無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)方面的改進(jìn)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(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)實(shí)現了IP化，這時(shí)數據鏈路層可以是 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)議棧結構（R5）

　　2、實(shí)現IP UTRAN的關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1　IP UTRAN的接口帶寬

　　3G傳輸的帶寬容量需求計算是較為復雜的問(wèn)題。主要涉及到用戶(hù)數目、話(huà)務(wù)量、基站的覆蓋密度以及數據業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢。在進(jìn)行傳輸網(wǎng)規劃時(shí)，還應該考慮傳輸網(wǎng)的利用率。如果初期容量規劃過(guò)大，投資很難收回；如果規劃過(guò)小，傳輸網(wǎng)絡(luò )將被迫進(jìn)行頻繁升級。IuCS、IuPS等接口的帶寬需求考慮在基站業(yè)務(wù)總量的基礎上根據話(huà)務(wù)模型進(jìn)行收斂，話(huà)務(wù)模型則一定要根據3G業(yè)務(wù)的規劃和合理的用戶(hù)預測給出。

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(dòng)數據傳輸，采用了更新的AMC調制編碼技術(shù)，這大大提高了基站的接入容量。HSDPA是在 R99 WCDMA基礎上的升級，提高了對下行分組業(yè)務(wù)的支持能力。小區吞吐量是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(gè)E1，典型值為5個(gè)E1。因此從R99/R4版本向R5版本過(guò)渡時(shí)，傳輸網(wǎng)的容量問(wèn)題需要考慮。

　　2.2　窄帶IP的傳送方式

　　無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中用戶(hù)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(chēng)為幀協(xié)議(FP)和用戶(hù)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(lèi)(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(chēng)作IPoMLPPP)、IP over Ethernet(也稱(chēng)為IPoE)和IP over ATM(也稱(chēng)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(shí)，對IP包的封裝映射無(wú)需執行IP包頭壓縮，這時(shí)這3種承載方案就是我們通常所說(shuō)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(guò)PDH E1來(lái)承載和傳送IP，則：IP over ATM over E1就需要支持包頭壓縮和PPP復用（參見(jiàn)RFC 3153）技術(shù)。同樣，IP over PPP/HDLC over E1需支持包頭壓縮（參見(jiàn)IETF RFC 2508）和PPP multi link multi class（參見(jiàn)IETF RFC 2686）技術(shù)。同樣，這時(shí)對應于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(shí)也稱(chēng)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(yè)}}

　　對于UTRAN的承載主要靠城域網(wǎng)，最有可能大量應用的鏈路是像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節點(diǎn)應支持PPP、IP頭壓縮、多鏈路以及多業(yè)務(wù)類(lèi)別等新技術(shù)。

　　PPP是點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議的簡(jiǎn)稱(chēng)，它可將長(cháng)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(guò)字節填充 來(lái)實(shí)現 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(yǔ)音分組包長(cháng)度很短，而短包的頭開(kāi)銷(xiāo)相對較大，因此需要將大量的短包合并起來(lái)以增加鏈路的傳送效率，而且合并時(shí)還可以消除重復的多余的PPP包頭信息，對于像語(yǔ)音分組那樣的短分組而言，PPP multiplexing是一個(gè)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(jìn)行IP/UDP包頭壓縮呢?由于無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音分組包的長(cháng)度通常比IP/UDP頭的分組包長(cháng)度要短。例如無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音分組包長(cháng)度為20 byte時(shí)IP/UDP頭的分組包長(cháng)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據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(gè)給定的數據流，每個(gè)包頭中的許多域都是固定不變的，或者相對于后續包頭來(lái)說(shuō)也是不變的。因此完全可以使用包頭壓縮技術(shù)來(lái)縮短包頭長(cháng)度，以提高鏈路的傳送效率。典型情況下，28 byte長(cháng)度的包頭可壓縮到2 byte以?xún)龋▍⒄諈f(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(lèi)，防止長(cháng)分組、時(shí)延要求低的業(yè)務(wù)（如數據）對短分組、時(shí)延要求嚴格的業(yè)務(wù)（如語(yǔ)音1的影響。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?？蓞⒄諈f(xié)議3GPP R5 TS25.426要求，主要是保障時(shí)延特性滿(mǎn)足要求。

　　ATM分組傳送是R99和R4版本主要使用的傳統方式，用ATM分組封裝 IP包具有QoS質(zhì)量保證和高效率等特點(diǎn)，主要不足是處理復雜。隨著(zhù)以太網(wǎng)的普及和城域傳送網(wǎng)的大規模建設，采用GFP（通用成幀規程）/VCAT（虛級聯(lián)）/LCAS（鏈路容量動(dòng)態(tài)調整策略）技術(shù)的城域多業(yè)務(wù)傳送平臺（MSTP）被廣泛應用。GFP/VCAT/LCAS不僅具有帶寬動(dòng)態(tài)調整功能，而且使 SDH網(wǎng)絡(luò )更加健壯，相反ML-PPP組中一個(gè)成員的故障就會(huì )導致整個(gè)ML-PPP組的傳送失敗。另外GFP/VCAT具有差分時(shí)延糾正功能，不會(huì )對時(shí)延敏感業(yè)務(wù)引入時(shí)延，而ML-PPP協(xié)議需要對每一個(gè)片段進(jìn)行緩存重排；全球統一標準的GFP/VCAT與SONET/SDH的廣泛應用使得IP UTRAN無(wú)線(xiàn)設備與城域傳送網(wǎng)MSTP設備的互聯(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，從而可以降低系統復雜性和成本，減小分組時(shí)延。

　　●在窄帶鏈路上，如N