3G无线接入网IP化传送承载方案的研究

　　1、概述

　　从业务和技术层面来看，目前电信运营商面临的主要冲击来源于“移动”和“IP”两大领域。IP技术的设计思想简洁实用和应用丰富多彩，成为一统天下的网络互联协议，全IP的组网方式成为网络演进的趋势。在3G系统大规模商用一再推迟的情况下，业界已经开始了3G版本跨越和更高级的无线网“长期演进（LTE）”新技术的研究工作。随着3G业务的发展，高速数据及多媒体应用业务比例的进一步提高，移动通信传输网络宽带化将是必然趋势。在3GPP的R5及将来的版本中，一方面总体发展趋势将向着全IP化的方向发展，另一方面随着新的空中接口技术，如高速下行数据分组接入（HSDPA）和多输入多输出（MIMO）天线等新技术的引入，每用户数据速率会大幅度提高，基站单小区的吞吐量最高可以达到8-10 Mbit/s，因此在目前建设传输承载网络时充分考 虑3GPP R5版本系统的IP化承载和高速传输需求及高效率解决方案是十分必要的。

　　如图1所示，3G网络由核心网（CN）、无线接入网（UTRAN）、用户设备（UE）3大部分组成，设备间涉及的接口主要有Iub、Iur、IuPS和IuCS。UTRAN网元在功能上一般分为无线网络（层）和传送网络（层）两部分（RNL/TNL），IP化传送就是在上述接口中传送无线网络层和传送网络层的信令和用户信息。

　　 HSDPA承载的高速数据业务以及国际以太网市场发展的趋势共同催生了IP在WCDMA UTRAN中的引入。在3GPP R5标准中，引入了IP传输选项，参见图1。但具体是选择IP传输还是选择ATM传输，主要取决于运营商自己的考虑。R5版本是全IP（或全分组化）的第一个版本，在无线接入网方面的改进包括以下方面：提出了HSDPA技术，使得下行速率可以达到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的可选传输方式，使得无线接入网实现了IP化，这时数据链路层可以是 PPP/HDLC，也可使用FE等其他二层协议。

图1　3GPP IP承载标准及各接口协议栈结构（R5）

　　2、实现IP UTRAN的关键技术

　　2.1　IP UTRAN的接口带宽

　　3G传输的带宽容量需求计算是较为复杂的问题。主要涉及到用户数目、话务量、基站的覆盖密度以及数据业务的发展趋势。在进行传输网规划时，还应该考虑传输网的利用率。如果初期容量规划过大，投资很难收回；如果规划过小，传输网络将被迫进行频繁升级。IuCS、IuPS等接口的带宽需求考虑在基站业务总量的基础上根据话务模型进行收敛，话务模型则一定要根据3G业务的规划和合理的用户预测给出。

表1　R4WCDMA与R5 HSDPA带宽需求对比

　　表1是R4 WCDMA与R5 HSDPA带宽需求的比较，在R5版本中，针对更高容量的移动数据传输，采用了更新的AMC调制编码技术，这大大提高了基站的接入容量。HSDPA是在 R99 WCDMA基础上的升级，提高了对下行分组业务的支持能力。小区吞吐量是R4 WCDMA的2倍（宏蜂窝）或3倍以上（微蜂窝），单NodeB HSDPA带宽占用情况：最大值为24个E1，典型值为5个E1。因此从R99/R4版本向R5版本过渡时，传输网的容量问题需要考虑。

　　2.2　窄带IP的传送方式

　　无线网络中用户业务的承载协议用于承载呼叫的业务流，Iub接口和Iu接口的待传送信息分别称为帧协议(FP)和用户协议(UP)。目前3GPP给出的 UTRAN必备(强制)的第一层协议均基于PDH/SDH等窄带链路技术，为了提高窄带链路的承载效率，3G合作项目(3GPP)提出的业务协议栈方案包括提高传送效率的新型传送方式：头压缩与复用技术、MPLS、轻载UDP等。有的解决方案还用到RTP/UDP/IP的头压缩(HC)、多链路(ML或 MP)、多业务类(MC)和隧道协议(TP)等技术。

　　目前对IP包的承载主要有3种方式：IP over PPP/HDLC(也称作IPoMLPPP)、IP over Ethernet(也称为IPoE)和IP over ATM(也称作IPoA)。

　　如果采用宽带IP技术，也就是底层为SDH高速电路或高速以太网时，对IP包的封装映射无需执行IP包头压缩，这时这3种承载方案就是我们通常所说的 IP over PPP/HDLC over SDH（PoS）、IP over Ethernet over SDH（EoS）和IP over AT M over SDH（ATM PoS）。

    如果采用窄带IP技术，通过PDH E1来承载和传送IP，则：IP over ATM over E1就需要支持包头压缩和PPP复用（参见RFC 3153）技术。同样，IP over PPP/HDLC over E1需支持包头压缩（参见IETF RFC 2508）和PPP multi link multi class（参见IETF RFC 2686）技术。同样，这时对应于IP over Ethernet的技术就是所谓的IP over Ethernet over GFP over E1封装技术，有时也称其为Ethernet over PDH。这3种协议封装格式如图2所示。

图2　窄带IP常用的3种封装格式{{分页}}

　　对于UTRAN的承载主要靠城域网，最有可能大量应用的链路是像NxE1/T1这样的低带宽链路。为了提高窄带链路的传送效率，要求UTRAN节点应支持PPP、IP头压缩、多链路以及多业务类别等新技术。

　　PPP是点到点协议的简称，它可将长IP包切成短包组成PPP帧，提供多协议封装、差错控制和链路初始化控制的特性，而HDLC通过字节填充 来实现 PPP帧的定界。那么在窄带传送中为什么要使用PPP multiplexing技术呢?由于语音分组包长度很短，而短包的头开销相对较大，因此需要将大量的短包合并起来以增加链路的传送效率，而且合并时还可以消除重复的多余的PPP包头信息，对于像语音分组那样的短分组而言，PPP multiplexing是一个优化的链路层协议。参照协议3GPP R5 TS25.426要求作为可选项。

　　为什么要进行IP/UDP包头压缩呢?由于无线语音分组包的长度通常比IP/UDP头的分组包长度要短。例如无线语音分组包长度为20 byte时IP/UDP头的分组包长度却要高达28 byte，因此如果在低速链路（如E1）上传送这样的分组数据而不采用头压缩技术将不是一种高效率的传送方案。通常对任何一个给定的数据流，每个包头中的许多域都是固定不变的，或者相对于后续包头来说也是不变的。因此完全可以使用包头压缩技术来缩短包头长度，以提高链路的传送效率。典型情况下，28 byte长度的包头可压缩到2 byte以内（参照协议3GPP R5 TS25.426要求）。

　　MP用于分组的分段重装和 E1/T1链路绑定，可以成倍地提高传输速率。MC用于对业务分类，防止长分组、时延要求低的业务（如数据）对短分组、时延要求严格的业务（如语音1的影响。MC-MP/PPP提供了低带宽链路上的反向复用、分组分段和重装及QoS。可参照协议3GPP R5 TS25.426要求，主要是保障时延特性满足要求。

　　ATM分组传送是R99和R4版本主要使用的传统方式，用ATM分组封装 IP包具有QoS质量保证和高效率等特点，主要不足是处理复杂。随着以太网的普及和城域传送网的大规模建设，采用GFP（通用成帧规程）/VCAT（虚级联）/LCAS（链路容量动态调整策略）技术的城域多业务传送平台（MSTP）被广泛应用。GFP/VCAT/LCAS不仅具有带宽动态调整功能，而且使 SDH网络更加健壮，相反ML-PPP组中一个成员的故障就会导致整个ML-PPP组的传送失败。另外GFP/VCAT具有差分时延纠正功能，不会对时延敏感业务引入时延，而ML-PPP协议需要对每一个片段进行缓存重排；全球统一标准的GFP/VCAT与SONET/SDH的广泛应用使得IP UTRAN无线设备与城域传送网MSTP设备的互联互通非常容易。

　　因此，对于UTRAN的IP传送策略建议如下。

　　●在宽带网络中，如有SDH（STM-1/STM-4）接口，可采用传统PoS，不需提供UDP/IP头压缩，更不必提供PPP multiplexing，从而可以降低系统复杂性和成本，减小分组时延。

　　●在窄带链路上，如N