3G无线接入网IP化传送承载方案的研究

摘要　本文针对3GPP R5版本后无线接入网（UTRAN）在选择IP化发展背景下对传输承载网络的新需求，分析了RNC和NodeB接口的使用方法和传送承载方式，剖析了3G无线接入网IP化的关键技术，主要研究了基于城域传送网和城域数据网的各种传输承载方案和部署建议。

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　R4 WCDMA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 ATM 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

　　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×E1/T1接口，采用cUDP/IP/MC-MP技术，而PPP multiplexing最好作为优化选项，由运营商根据市场情况确定。

　　●针对高速数据传送可采用分路传送，由以太网（100BASE-TX/100BASE-FX）接口提供HSDPA数据传送或用于连接较近或同一位置的网络设备（如RNC、NodeB），也可提供网络管理与维护（OAM）。

　　最好是以上接口按模块化方法实现，根据运营商的不同要求选择以上不同接口的组合。

　　2.3　TDMoIP技术

　　尽管3G网络的发展就是不断增强对高速数据的支撑能力，但语音业务依然是其生存的根本，而且E1类电路还将长期存在，因此在IP化浪潮下如何高效支撑语音业务仍是至关重要的大事。对于以数据业务或其增值业务为主的新兴运营商来说，由于他们有完善的宽带IP网络，那么如何在IP网络上透明地传送E1电路就显得尤为重要，这时使用一种新技术TDMoIP（time division multiplexing over internet protocol）就可达到这个目的。

　　TDMoIP的工作原理是E1同步比特流被打成包，再加上IP头，封装成IP数据包，通过IP网络把这些数据包传输到目的地，目的地重新生成同步时钟信号。去掉数据包中的IP头，把其中的数据转化成E1同步比特流发送出去。采用TDMoIP技术能够在包交换网络IP/Ethernet/MPLS上实现E1/T1电路的透传，提供高密度的E1接口、高语音压缩比以及先进的压缩功能和算法，同时融入了语音状态检测（voice activity detection）、静音抑制（silence suppression）和舒适噪音产生（comfort noise generation）等技术。

　　TDMoIP技术为了高效传送语音，采用了相应的行业标准，如G.723.1、G.729A和G.711的压缩算法，主要是基于静音抑制技术。静音抑制实际上可以理解为在静默时切断传输，即当用户没有通话时，不传送静默的信号。对于中继线路，采用此项技术可以节省60%的带宽，当然这主要与静音所占的比例有关。

　　2.4　IP UTRAN的同步

　　当采用基于IP包交换的传输网络时，时钟恢复和同步是面临的主要技术挑战。

　　IP UTRAN获取时钟主要有3种途径：TDM电路和网络、本地设置GPS时钟源和基于分组网络的时钟分配和时钟恢复算法。

　　如果NodeB支持IP/PPP over E1/T1仍然通过E1/T1/Ch STM-1接口上传输网，这时同步时钟仍然可从线路获取，在宏蜂窝站点推荐使用该方案。如果NodeB采用分路传输，同时具备E1/T1、FE或DSL接口，这时同步时钟仍然可从E1/T1线路获取，在室内覆盖站点推荐使用该方案。当NodeB只有FE接口时，可配置GPS接收机来提供时钟信号，推荐在大流量站点，并且IP路由比较复杂的情况下使用该方式。如果NodeB只有FE（或DSL）接口，而且不允许、不经济或者是不方便安装GPS接收机，比如home NodeB、地下室NodeB，这时应遵循IEEE1588，采用时间包机制（timestamp）在NodeB恢复时钟，这种方案还在研究状态。该方案目前仅适合于中间路由节点较少、抖动小的网络情况下使用。

　　2.5　IP UTRAN的分路传输技术

　　随着HSDPA业务的引入。单站点的数据业务流量会较大增加。如果Iub采用E1/T1接口，大量突发的HSDPA业务流量会影响语音业务的性能。目前大部分运营商初期建网仍然采用E1/T1作为Iub接口的主要承载介质，HSDPA业务的引入对于E1/T1接口数量扩容的需求大大增加，如果仍然采用E1/T1接口扩容，相应的成本很高，这时就可考虑将语音业务的传送和承载与高速数据业务区分开来，进行分路传输。

　　Iub接口在承载RNC和NodeB之间的流量时，按照不同的业务分类。分配不同的物理承载介质和带宽。由于HSDPA峰值流量大，峰均比动态范围大，突发性强，适合在FE等高速接口传输。接入层传输采用以太网交换、RPR分组环等技术，提高统计复用带宽增益。信令、语音以及操作维护等对实时性要求较高的业务仍然在E1/T1链路上传输。

　　2.6　IP UTRAN安全策略

　　3GPP标准工作组定义R5的IP UTRAN为一个封闭的网络。所谓封闭的网络就是本运营商的WCDMA网络之外的其他网络和外部网络用户不能访问IP UTRAN的任何物理接口和传输链路，这样就能减少来自于其他业务网络的安全威胁。在全IP情况下，Iub接口的操作维护采用IP in IP的隧道方式，对外隐藏内部的网络拓扑结构。

　　因此要求在实际组网时，Iub、Iur以及Iu接口采用单独的传输设备和数据设备互联，断绝外部网络和非法用户接入的物理通道。如果要和其他网络共用传输设备和数据设备互联。需要考虑采用划分VPN方式隔断外部网络的流量和接口；必要的情况下需要增加单独的接入服务器，完成数据的完整性检测（比如IPSec机制），甚至完成数据加密。

　　2.7　IP UTRAN服务质量

　　QoS直接影响用户对网络及服务的评价，实现业务的QoS目标关键在于承载网络所能提供的QoS能力。

　　（1）PPP机制下的QoS

　　在低速链路E1/T1以及信道化STM-1承载PPP协议时，可以得到和IMA/ATM协议相同的服务质量。

　　●使用ML-PPP/MC-PPP提供QoS业务分类机制；

　　●通过不同的QoS分类和调度器来保障时延，而且对IP长包的分片重组机制能很好地消除对于时延的影响。

　　●通过不同的队列、带宽测量器和调度器来保障带宽。

　　●IP头压缩可将UDP/IP产生的开销从28 byte降低到2-3 byte，极大地减小短分组传送的开销，提高了带宽效率。

　　●MP实现多个E1/T1物理链路的绑定，可以成倍地提高传输速率，同时在少数E1/T1物理链路故障情况下，实现负荷分担机制，保障可靠性。

　　（2）DiffServ结合MPLS交换

　　NodeB和RNC均支持DiffServ，具备合理的QoS映射方案。遵循RFC2474和RFC2475，要求NodeB与RNC相互协调，整个IP UTRAN节点使用统一的QoS映射机制。NodeB和RNC之间的MPLS交换机和路由器根据IP包中DSCP标识决定处理策略，选择合适的转发路径。参照协议3GPP R5 TS25.426要求，主要是平衡各类业务的综合性能，如时延、丢包率等指标。

　　（3）以太网的QoS

　　基于802.1p可以实现流量汇聚和基于业务QoS调度的机制，性能可得到保障。UTRAN统一策略和传输网结合考虑，完成UTRAN QoS和CoS的一致性映射。

3、IP UTRAN的传输承载解决方案

　　3G网络在不同的阶段分别以TDM、ATM、IP技术为平台，并在网络的演进过程中不断发展和变化，因此在传输网络的构建过程中，需要传输网具有从窄带到宽带的多业务传输能力，支持和适应各种承载方式。目前3GPP给出的UTRAN必备（强制）的第一层协议均基于PDH/SDH，因此在NodeB侧，主要会采用SDH（STM-1/STM-4）的POS接口和E1接口。但由于以太网技术在互联网中的应用日益广泛和HSDPA的高速下行速率业务的应用，FE接口和以太网传送技术将越来越普及。

　　根据UTRAN网络设备所处的位置和城域网发展现状，IP UTRAN可以使用城域传送网的MSTP设备和宽带IP城域数据网的路由器或以太网交换机设备来为3G无线接入网提供承载和传送功能，如图3所示。


图3　UTRAN的各种传输解决方案和数据链路层协议封装机理

　　3.1　使用城域MSTP承载

　　3.1.1　E1接口的传送承载

　　IP化的UTRAN网络如果Iub采用E1接口，其内部封装协议要么是IP over Ethernet over GFP over E1（即所谓的EoE），要么就是IP over PPP/HDLC over E1（即所谓的IP E1），当然也可以是IP over ATM over E1（即IMA E1），这时的传输解决方案主要是通过SDH网络进行透传。

　　MSTP的接入和汇聚层主要完成NodeB与RNC之间的业务的接入和传送功能。该方案的IP封装传输是基于SDH传输的，本质为基础物理组网，属于封闭网络，安全性高。其缺点是：由于主要使用点到点E1电路来连接RNC和其所辖的所有NodeB的上行E1接口，因此对RNC侧E1接口数量要求很大，而且因为中间没有任何汇聚复用使得其传输效率低。考虑到RNC端口压力问题，在靠近RNC的MSTP汇聚节点使用信道化的STM-1接口，也可以在RNC前配置端口密集的IP路由交换设备实现端口汇聚功能。

　　3.1.2　FE接口的传送承载

　　IP化的UTRAN网络如果Iub采用FE接口就有多种方式进行承载。如果基站设备距离城域传送网很近。而且城域传送网也提供FE接口，那么首先可以考虑采用最简单的FE接口透传方式。这时主要是使用城域MSTP网络的以太网传送处理能力，缺点同上，也是对RNC的FE接口数量要求大，传输效率低。

　　在城域传送网中除了在MSTP设备中提供以太网处理板卡来汇聚交换FE业务外，还可以使用MSTP内嵌弹性分组环（RPR）技术以同时提供SDH环网的保护机制和对数据业务的弹性共享机制。例如在接入层使用MSTP组建环网，提供部分带宽兼容原有接入的2G和3G基站的语音业务。并对业务提供基于VC-12的低阶通道保护。其他剩余的带宽组建内嵌RPR环接入FE高速数据业务。当业务进入后，可根据IEEE802.1p对业务进行分类，然后通过IEEE 802.17 RPR定义的A/B/C业务类型进行分类，根据业务需要的QoS实现不同等级的传送，实现不同业务的QoS。

　　3.1.3　由下一代分组传送网络提供承载

　　MSTP技术的发展过程，也就是对数据业务的种类和组网不断丰富和完善的过程。随着TDM业务的极度萎缩以及“全IP环境”的逐渐成熟，传送设备要从“多业务的接口适应性”转变为“多业务的内核适应性”，而分组传送网正迎合了这种趋势。

　　下一代基于MPLS的分组传送网是利用MPLS的帧格式、基本机制（如标签栈）和转发规则，而适用于传送网的一种面向连接的分组传送技术的设备组成如图4所示。它将业务处理和业务交换相互分离，将与技术相关的各种业务处理功能放置在不同的线卡上，而与技术无关的业务交换功能放置在通用交换板上。采用通用交换板，运营商可以根据不同业务需求灵活配置容量，仅通过更换不同的线卡就可实现。因此这种设备更加适合3G UTRAN的IP化承载的需要，可以根据IP UTRAN的不同接口灵活配置承载传送方式。


图4　下一代分组传送网设备的原理结构

　　ITU-T定义分组传送网是在终端实体之间提供传输用户分组数据的功能，以及控制和管理承载数据的传送资源的功能。分组传送网采用遵照ITU-T建议G.805和G.809的面向连接的分组交换（CO-PS）以及面向无连接分组交换（CL-PS）技术。

　　基于MPLS的分组传送网系列标准主要规范了传送网传送MPLS承载的业务，G.8110.1在G.811O的框架内进一步发展了比较完整的基于MPLS分组交换为核心的传送网。G.8112描述了MPLS传送网结构、复用/映射、物理层接口。G.8121描述了设备的业务处理流程和适配以及连续性、连通性、维护信号、缺陷、性能的监视和处理。采用分组传送网的主要优点在于：通过在统一的分组转发平面中承载不同的业务，简化了网络管理和维护，提高了业务汇聚的能力。ITU-T SG15/SG13在这两个方面的标准建设上都取得了阶段性的进展。

　　3.2　使用宽带城域数据网提供承载

　　3.2.1　采用IP网来承载传送FE

　　对于宽带IP城域数据网建设到位的3G运营商，数据业务由城域数据网汇聚承载是顺理成章的解决方案。这时，如果UTRAN直接利用IP城域网的接入层和汇聚层设备，实际上和公网有直接和潜在的互联通道，存在一定程度的安全隐患。为了与其他城域数据网业务隔离，必须采用基于MPLS VPN技术的城域数据网，需启用接纳控制和严格的QoS机制（DiffServ）来保证业务。考虑到要满足业务50 ms的电信级保护，路由器需要快速重路由技术才能实现，这时设备的投入成本相对来说较高。

　　如果不要求路由器具备VPN功能，那就要实现专网专用，提供UTRAN承载的路由器不能和城域网中其他业务共享设备，路由器需要启用DSCP功能以支持信令、CS、PS业务的区分对待。

　　3.2.2　通过以太网承载传送FE

　　当数据带宽需求增加时，以太网将成为一种非常普及、经济、高效的解决方案。正如以太网和快速以太网在用户桌面和局域网的普及一样，吉比特以太网（GE）设备的价格相信也将会迅速下降。使得光纤以太网从核心层扩展到“最后一公里”变得非常容易。FE接口在xDSL铜线或“黑光纤”（dark fiber）上传输的Ethernet over copper和Ethernet over dark fiber，或Ethernet over LMDS以及WiMax（802.16d）上承载高速数据业务在“最后一公里”都具有很高的经济性，而IP则是以太网上最适合的网络层协议。因此也可以用2/3层以太网交换机通过光纤直驱实现WCDMA R5版本IP接口的连接。

　　该方案对边缘层设备端口占用量大，星型组网需占用和浪费大量光纤（特别是双归组网）。网络扩展性差（扩容时需改现有网络结构），结构层次多，管理维护较困难。由于没有基于环的快速保护机制，采用生成树保护方案，保护时间为秒级。时间较长，不满足语音业务应用需求，无法提供故障定位、性能监测和保护功能。因此其作为一种非运营级的解决方案很少被运营商采用。

4、结束语

　　3GPP在R5标准中，虽然引入了IP传输选项，但对于所有的无线运营商而言，是否选择向IP传输演进，主要应从自己网络现状和经济性角度进行分析。虽然IP化UTRAN符合技术演进趋势，但是在窄带链路上IP效率很低，虽然可以通过PPP multilink multiclass（MLMC）和包头压缩等措施进行改善，但由于Iub接口上严格的QoS要求，仍然需要很大的配置余量。对于低容量基站或覆盖型基站，ATM仍然是最好的选择，在窄带链路上，其带宽效率和QoS保障更高。考虑到NodeB接口和承载方式的多样性需求，电路（E1）/分组（ATM）/分组（IP）将长期并存，分路传送方式将是一种很好的选择，因此NodeB和RNC产品应在传输技术的选择和协议栈的支持方面具有足够的灵活性，避免投资浪费。

　　随着3G业务的逐步增加，网络的业务内容和节点功能也水涨船高，这无疑给传输网络提出了很高的要求，MSTP恰恰满足了这种需求，它以丰富的业务接口和处理能力为运营商提供了高效的传输方案，很好地适应了3G技术的无缝演进。

　　3G网络在不同的阶段中以TDM、ATM、IP技术为平台。并在网络的演进过程中不断发展和变化，因此在传输网络的构建过程中，需要传输网具有从窄带到宽带的多业务传输能力，支持和适应各种承载方式。正是3G的不断演进和新业务的发展，对MSTP提出了既能够保留电路业务高质量的优点又能提供完全的数据扩展能力的新要求，要求下一代传送网要为基于IP的业务提供更加有效的传送。

　　在网络融合浪潮中“业务IP化，传送分组化”趋势十分明显，但是必须明白：无论技术如何发展（电路化或分组化），对网络的高效快速传送、可靠安全、简便的管理等基本需求仍是我们永远的追求。即便在完全的IP网络时代，运营商仍然要求实现每比特最低成本的业务传送和汇聚，而且需要满足相应的传送距离要求，而下一代分组传送网正迎合了这种趋势，必将拥有更加美好的未来。
来源：中国联通网站