无线接入网IP化实现方案分析与研究

无线接入网IP化实现方案分析与研究
张凯1，段晓东2
1 北京邮电大学光通信中心实验室，（100876）
2 中国移动通信研究院，（100083）
E-mail：jangky@
摘要：传统的电信网络逐步走向IP化,无线接入网络也在不断向IP网络转变。

本文通过对3GPP技术标准的深入研究，总结归纳出无线接入网IP化的三种实现方式，并结合目前开展的实际情况，对其中一些热点问题进行了分析与研究。

关键词：电路仿真，IP UTRAN，无线接入网
1．引言
IP化是当今网络的发展趋势，传统的电信网络开始走向IP化。

WCDMA无线接入网络也在逐渐向IP网络转变。

从Release 4版本开始，引入软交换技术完成了核心网IP化，但是无线接入网最初版本选择的是ATM传输技术，仍然还是ATM交换。

从Release 5开始，引入IP 传输作为第二种可选的传输机制。

这样用户平面的FP帧的传输处理除了采用最初的AAL2/ATM之外还可以在Iur/Iub接口采用UDP/IP，在Iu CS接口采用RTP/UDP/IP。

此外，Iub控制平面也采用了位于应用部分正下方的SCTP作为第二种可选方案。

总的来说，无线接入网的IP承载是指通过IP技术传输无线接入网中的IuCS/IuPS、Iur和Iub接口上的用户数据和信令数据。

随着3G技术与应用的不断成熟，IP化将成为无线接入网发展的必然趋势。

本文结合3GPP相关标准，对无线接入网的IP化实现方式进行了总结归纳，并对目前采取的具体实现方案以及其中的热点问题进行了分析与研究。

2. IP UTRAN概述
UMTS系统包含很多逻辑网元，每个网元都有规定的功能。

按照功能分类，网元被分成无线接入网（RAN,UMTS Terrestrial RAN=UTRAN，以下统一用UTRAN表示）和核心网（CN）。

UTRAN负责处理所有与无线通信相关的功能，CN则负责对语音技术局业务进行交换和路由查找，以便将业务链接至外部网络。

在R4版本中，各网元之间的逻辑接口和物理接口如下图所示。

其中，Iub接口是Node B和RNC之间的物理接口，为ATM承载，主要采用E1、IMA E1接口，少量采用非信道化ATM STM-1接口；Iur接口是RNC和RNC 之间的物理接口，为ATM承载；IuCS接口是RNC和MGW之间的物理接口，为ATM承载，主要采用ATM STM-1/4接口；IuPS为RNC和SGSN之间的物理接口，为ATM承载，主要采用ATM STM-1/4接口[1]。

Fig1 UTRAN basic network topology
WCDMA的无线接入网从从水平层次上可以分为无线网络层（RNL）和传输网络层（TNL）。

无线网络层和传输网络层逻辑分离，传输网络层可以独立与无线网络层进行选择。

所有与UTRAN相关的内容仅在无线网络层可见，传输网络层使用标准传输技术，而且没有对它做任何特别的改动。

从垂直平面上分无线接入网可以分为控制平面、用户平面。

控制平面用于所有UMTS 特定控制信令，包含应用协议(Iu中的RANAP、Iur中的NBAP)和用与传输应用协议消息的信令承载。

用户平面用来发送和接受所有信息，比如语音呼叫中的编码语音或Internet连接的分组数据包[3]。

无线接入网UTRAN从内部网元结构到所采用的传输技术都经历了从R99到R6的发展。

R4版本将核心网电路域（CS）与分组域（PS），分组域基于IP承载，电路域可以采用TDM、ATM和IP等多种技术承载，无线接入网底层传输还是采用ATM承载。

从R5开始，通过引入IP UTRAN的概念，使无线接入网底层传输同时支持IP承载和ATM承载，核心网实现IP化。

在R6版本中，完成了UTRAN IP承载的标准制定，彻底实现全IP化。

3.实现方式概要
无线接入网实现IP承载方式主要有以下两种方式：
3.1 IP“承载”方式（ATM over IP）
无线接入网仍然采用ATM协议，无线接入网中的各种协议还是采用ATM技术承载，NodeB和RNC设备对外仍然是ATM接口。

但是传输过程中可以通过外部设备方式将ATM 信元封装到IP包上承载传输。

这种方式与3GPP标准无关，无线设备本身也不需要改变。

目前采用的比较多的技术是由IETF定义的PWE3伪线技术（Pseudowire），将IP作为ATM 的传输线路。

图2 IP“承载”方式协议栈
Fig2 Protocol Stack for ‘ATM over IP’
3.2 IP“交换”方式（Native IP）
无线接入网设备内部实现了IP交换，对外接口已经是基于IP方式的接口，物理层中的数据封装到IP数据包中传输，控制平面数据采用SCTP(流控制传输协议)/IP协议栈结构，而而用户平面数据采用UDP/IP协议栈结构，完全符合3GPP标准中对IP化的定义。

图3 IP“交换”方式协议栈
Fig3 Protocol Stack for ‘Native IP’
3.3 IP“转换”方式（ATM to IP）
在3GPP TR25.933中，还有另外一种承载方式：无线接入网采用ATM协议，无线设备不需要改动，对外仍然是ATM接口。

但是在ATM设备和IP设备之间加入了一种
IWU(Interworking Unit)将ATM协议栈直接翻译成为IP协议栈。

这种承载方法可以称为IP“转换”方式，目前应用不是很多，主要还是采用以上两种方式。

4.具体实现方案分析
目前采取第一种IP“转换”方式的方案比较少，采用比较多的是第二种IP“承载”方式和IP“转换”方式，下面分别进行详细介绍。

4.1采用电路仿真技术实现UTRAN 的IP 化：
PWE3原先称为马蒂尼草案（Martini Draft ），其初衷是在MPLS 上仿真以太网。

PWE3是一种在分组交换网络(PSN)上模拟各种点到点业务的机制，被模拟的业务可以是TDM 专线、ATM 、FR 或以太网等。

PWE3利用PSN 上的隧道机制来模拟一种业务的必要属性，这里的隧道称为虚拟线(PW)。

PWE3可以对特定服务的协议数据单元（PDU ）进行封装，PDU 里面含有仿真特定服务所必需的数据和控制信息。

使用PWE3机制，运营商可以将所有的传送业务转移到一个融合的网络(如IP/MPLS)之中。

从用户的角度来看，可以认为PWE3模拟的虚拟线是一种专用的链路或电路,这种电路仿真能够在骨干数据交换网络中实现端到端的电路连接，而且对各种传输类型都是透明传输，具有高复用粒度和高精度时钟恢复，同时也与现行的交换，汇聚。

广播等技术相融合。

采用PWE3伪线仿真技术，在蜂窝基站侧，3G 基站的ATM Iub 流量和2G 的Abis 流量分别封装到ATM Pseudo-Wire 和TDM Pseudo-Wire 中，在IP 网络中传输；而在RNC 侧，采用相应的设备终结ATM Pseudo-Wire,并将ATM Iub 流量整流到STM-1 ATM (VC4)中，将TDM Abis 流量整流到E1线路中。

这种方法只需要在Node B(BTS)和RNC （BSC ）之间插入一套电路仿真/解仿真设备，而且基础传送IP 网络可以利用现有的低成本以太网(如DSL)，大大降低了成本。

图4 电路仿真技术在UTRAN 中的应用
Fig4 Pseudo Wire Edge to Edge in UTRAN
在HSDPA 出现初期，由于数据业务流量不是很大，对于一些时延敏感业务和一些控制信息，可以采用E1线路进行传输；而对于一些“尽力而为”的数据业务，则可以通过低成本的以太网进行传输。

4.2基站“native”IP 化解决方案
具备支持各种速率的以太网传输接口，是IP UTRAN 对基站和RNC 的发展的必然要求，所以3GPP 技术报告25.933对IP“交换”方式(Native IP)的各个接口的协议栈都作了定义。

将
ATM/TDM 伪线
仿真业务
PSN 隧道
BTS BSC
ATM over IP
R5版本中的Iub,Iur ，IuPS ，IuCS 接口的协议栈与R4版本中的各接口的协议栈相比，会发现R5版本主要针对ATM 传输技术到IP 传输技术的过渡做了相关定义[2]：
图5 ATM 协议栈到IP 协议栈的过渡
Fig4 Evolution from ATM stack to IP stack
实现“Native”IP 化后，简单来说，RBS 和RNC 以及一些核心网节点设备的对外接口由原来基于ATM 传输技术的E1接口变为了基于IP 传输技术的Ethernet 接口，具体如何实现各个厂家技术不一，针对于运营商来说，Node B 和RNC 都将通过边缘路由器接入到IP 网络中，包括话音和数据的各种业务流量都将在IP 网络中传输，所以组建IP UTRAN 必须考虑到IP 网络与以前的ATM 网络的一些不同点：
4.2.1 IP 组网的同步问题
RBS 在正常工作的时候在空中接口需要保持一种稳定的，可控的无线信号频率，范围是+/-50ppb 。

如果同步性能太差，不仅会影响软切换,而且会阻终端与网络的同步从而降低呼叫建立成功率与呼叫稳定性,增加呼叫的掉线率。

在传统TDM 网络中，RBS 与传输网络保持同步，TDM 传输网络能够提供+/-16ppb 的准确性。

在目前的IP 网络中,可以通过两种方法实现RBS 的同步，一种是在基站侧安装GPS,通过卫星同步，这种方法需要在每个RBS 处都安装GPS 终端，成本较高。

另一种方法是基于IP 网络采用NTP 协议实现RBS 的同步，即RBS 通过软硬件升级就能够通过解析IP 网络中传输的包含同步时钟信息的数据包来实现同步。

目前在分布式网络中实现时间同步的比较权威的方法就是采用IEEE1588 (简称PTP ，Precision Time Protocol ）,这是一种网络时间同步协议，可以实现高精度的时间同步。

IEEE1588同步系统是一种发布者和接收者组成的系统，在系统的运行过程中，主时钟以多播形式发出时钟同步报文，从时钟则根据自己的域和优先级进行时间的接收同步报文，根据同步报文中的时间戳和主时钟到线路时钟的线路时延计算出与主时钟的偏差，对本地时钟进行调整。

同时不定时的进行线路延时的计算，以保证精确地根据网络情况进行同步。

在所有的网络同步算法中，都要考虑到线路延时对同步系统造成的影响，而线路延时计算的准确性直接影响了同步系统的精度，线路延时主要由通信栈延时和物理网络上传输的延时组成。

在一般的软件同步系统中，例如NTP 协议，其总的同步延时由通信栈延时和物理线路延时组成。

当数据在一个没有存储转发功能的网络中进行通信时，由物理网络所产生的线路延时一般是稳定的，而通讯栈延时则会由于外界的影响产生较大的抖动。

IEEE1588的主要思想就是将时间戳的加入时间下移，移到MAC 层以下，PHY 层以上，这样1588同
无线网络层
络层 无线网络层
步过程中的延时主要为物理层延时，由于物理层延时的抖动很小，很大程度上提高了同步精度。

另外，UTRAN 网络中使用以太网组网的同时保留一根E1线来作时钟同步用，也不失为一种比较好的同步问题解决方法。

4.2.2 IP 组网中的Qos 问题
UTRAN 可以采用ATM 和IP 两种传送模型，基于ATM/AAL2的UTRAN 传输模型具有相对成熟的QoS 支持方案。

目前在UTRAN 中采用IP 传输技术已经成为研究热点。

然而，UTRAN 严格的QoS 要求对适于时延不敏感型数据应用的IP 传输模型提出了巨大的挑战，基于IP 的UTRAN 传输模型必须被改进以提供QoS 支持。

如何在IP UTRAN 中保证Qos ，在基于IP 的UTRAN 中提供可以控制的服务质量，可以采用由IETF 定义的综合服务(IntServ)、区分服务(DiffServ)和多协议标记交换(MPLS)传输技术等。

IntServ 采用信令协商进行资源预留的机制使得当网络业务流数量较大时，网络传输和存储的状态信息会导致负荷急剧增大，不宜采用。

DiffServ 无需复杂信令，能较好适应移动无线环境，因而更适合于UTRAN 传输网。

将Node B 和RNC 同时作为Diffserv 边缘路由器和MPLS 边缘路由器LSR ，而其他中间路由器同时作为Diffserv 核心路由器和MPLS 核心标签交换路由器LSR ；其次，对UTRAN QoS 的支持分为2个级别，即采用MPLS 作为转发方案，应用Diffserv 机制作为IP QoS 区分模型。

UTRAN 业务传输由MPLS 网络采用标签交换提供，即建立LSP 通道来连接Node B 和RNC 。

在LSP 建立后，携带无线帧的分组在UTRAN 网络的入口被打标签，然后利用标签交换沿着建立的路径被转发。

负荷帧 IP
U D P M PLS 负荷帧 IP
U D P 负荷帧 IP U D P M PLS 负荷帧
IP U D P
负荷帧 cU D P/IP M PLS *负荷帧 cU D P/IP M PLS * 第一类服务的 L S P （标签交换路径）
第二类服务的 L S P
第三类服务的 L S P
图6 基于MPLS 技术的路由域传输模型
Fig6 Transmission model in routing area based on MPLS
上图是一个基于MPLS 技术的路由域传输模型：在下行方向的RNC 侧，未压缩的UDP/IP 包被映射到MPLS 通道中传输，通过路由域后到达CDN(压缩/解压缩节点)，UDP/IP 包被压
缩后通过点对点的窄带链路传输。

在Node B 侧这些压缩包被存储和解压缩。

上行方向过程刚好相反。

CDN 可以作为RNC 或者是路由中任意一个节点的模块来实现。

在传送用户数据之前，RNC 与Node B 之间建立双向的LSP,每一个LSP 传输一类或多类UTRAN 承载的业务。

对于一条LSP 来说，所有的传输节点对同一种类型的业务的数据包将提供相同的处理，这样LSP 整体的Qos 就得到了保证。

另外，将控制信号和用户信号用不同的LSP 进行传输，在Node B 与RNC 间传输的控制信号有非常严格的时延要求，将具有最高的优先级，于是传输控制信号的LSP 采用静态资源预分配的方法预先建立。

而传输用户信息的LSP 可以根据实际业务要求进行动态建立。

在UTRAN 边缘节点处，IP 包映射到LSP 传输主要根据两点：一是IP 包头中的DSCP 值，二是IP 包所属的FEC(比如IP 头中的目的IP 地址)。

运营商可以来配置UTRAN 种业务级别的数量，以及每一条LSP 种承载的业务类别。

还有一种方法就是在通过配置VLAN 来实现Qos 保证, RNC 和Node B 的传输网络层（TNL ）首先将业务优先级先映射到IP 层的DiffServ PHB ，标记不同的DSCP ，再由PHB 映射到VLAN 优先级域。

且用户业务优先级与IP 层的QoS 之间的映射关系，以及IP QoS 与VLAN 优先级之间的映射关系可由运营商根据需要进行灵活配置。

例如：针对基站的不同业务数据，IP RAN 设备支持6级DiffServ6 PHB 映射；针对基站不同业务类型，IP RAN 设备支持6级IEEE 802.1p/q 优先级映射。

图6 业务到VLAN 优先级的映射 Fig6 Mapping from services to priorities in VLAN
传输网络层根据DSCP 区分不同的传输管道，RNC 可针对每个管道进行准入控制和流量成型，防止RNC 发送的数据不符合中间传输网络的策略而被丢弃。

这时RNC 对每个管道配置一条传输通路，并针对传输通路进行准入控制，根据通路类型进行 DSCP 标记，对每条传输通路标记所需的DSCP 值。

在目前的情况下，由于区分服务只承诺相对的服务质量，也就是说只能提供Cos 因而不能像ATM 传输保证每种业务的预留带宽，对用户提供绝对的服务质量保证（Qos ）。

而且采用IP 网络中的一些Qos 技术会带来很大的成本负担，所以初期IP 网络的QoS 保障主要来源于带宽的冗余配置，避免出现带宽瓶颈而影响IP 网络的Qos 。

同时为了更好地利用传输网络带宽资源，实时业务的传输通路可以承载非实时业务，HSDPA 实时业务的传输通道可以承载HSDPA 非实时业务，这主要在非实时业务的传输通路传输资源不足且实时业务的传输通路有剩余资源时应用。

业务类型
PHB DSCP VLAN 优先级 Common Channels EF B'101110 5 SRB EF B'101110
5 Telephony EF B'101110 5 R99 Conversational AF4 B'100110
4 R99 Streaming AF3 B'011110 3 R99 Interactive AF2 B'010010
2 R99 Background AF1 B'001010
1 HSDPA Streaming AF3 B'011110 3 HSDPA Interactive BE B'0000000 HSDPA Background BE B'0000000
5.总结
随着通信技术的不断发展，ATM交换的发展已基本停止，逐步被IP交换所取代。

IP
技术已经成为下一代网络的基础，无线接入网的IP化也符合技术发展的趋势。

基站IP化后提供丰富端口和汇聚能力，可以以基站为中心实现多业务快速接入。

IP化后的无线接入网比起点到点传输的专线方式，更有利于满足接入网网状连接的需求，而且也符合3G无线接入网扁平化组网的趋势。

目前，应用IP技术组建无线接入网仍存在一些问题，同时也有很多技术解决方案可供选择，技术的复杂性和成本将成为选择哪种技术的关键。

参考文献
[1] 3GPP,TS 25.401 V530, UTRAN Overall Description, Release 5, June,2002
[2] 3GPP,TR25.933 VS10, IP Transport in UTRAN Work Task Technical Report, June, 2002
[3] Harri Holma, Antti Toskala.WCDMA技术与系统设计—第三代移动通信系统的无线接入[M].陈泽强，
译。

北京：机械工业出版社，2005.
Analyse and research on IP UTRAN evolution solutions
Zhang Kai1，Duan Xiaodong2
1 Department of Optical Communications，Beijing University of Posts and
Telecommunications，Bejing (100876)
2 Research and Development Institute of China Mobile Beijing (100083)
Abstract
As traditional telecom network evolve to be based on IP, radio access network follows the steps as well. This article summarizes the three solutions which can be adopted during the IP evolution of radio access network, and it also give some analysis and research on some hot issues referred to the practical applications. All the opinions are based on the deep research on 3GPP technical standard.
Keyword：PWE3；IP UTRAN；radio access network。