UTRAN向全IP的演进

　　网络大融合已成为当今世界电信发展的一大主题，无论是固定网还是移动网，核心网还是接入网都在朝这个大方向发展，而IP技术是其中采用的首选技术。在3GPP协议制定之初，UTRAN全IP方案就不断被提出。继2000年5月第一个建议被3GPP采纳写入协议草案之后，以后每个月都有新建议被采纳。目前，UTRAN向全IP过渡问题的研究已形成一股热潮，国内外各知名通信设备制造商、运营商都卷入了这股热潮之中，它已成为下一阶段3G技术发展的主要研究方向之一。在这股热潮的形成之中，渐渐形成了两个阵营，一个是以爱立信为代表的稳重派，另一个是以诺基亚为代表的激进派，他们在过渡方案上有明显不同的看法。一个从分析当前技术协议优缺点出发，认为目前主要是研究IP传输问题，对网络结构改动的优缺点还有待进一步研究；一个从分析技术发展方向出发，认为当前就得考虑在网络结构上做改动。为跟上国际3G研究潮流，CWTS今年五月在工作组1中成立了UTRAN演进小组，专门研究UTRAN的技术演进，其中最主要的内容就是研究UTRAN全IP演进问题。

　　二、UTRAN全IP演进过程

　　如上所说，UTRAN向全IP演进问题已成为当前3G研究的一大热点。随着IP技术的发展，如QoS等关键技术的解决，这种演进基本上已成为必然之势，但在演进形式上，大致可以分成三大阶段，下面对其进行说明。

　　1. 第一阶段：引入IP传输

　　目前，UTRAN的标准接口Iu_cs、Iu_ps、Iub、Iur采用的是ATM传输方案，它的存在有很大的合理性。例如，它同IP一样采用包交换技术，传输资源利用率较高，它还支持QoS的实现等，但ATM在固定网里的发展却不尽人意。而对IP技术，它是近几年大家一致推崇的技术，优点如下：

• 随着IP技术的发展，IP正发展成为一种支持多种业务类型的通信技术；
• IP技术的普及使得IP设备日益成熟且成本较低；
• 由于IP是一种"桌面"终端技术，它在Internet等网络中的广泛应用使得当前大部分应用业务都基于IP技术（UTRAN中引入IP将使数据的传输更符合业务的特点）；
• 操作维护网络将基于IP，相连网络采用相同的技术将大大降低操作维护成本；
• 与ATM一样，IP也是一种包交换技术，传输资源利用率较高；
• IP独立于层2技术；
• IP具有自动配置能力；
• IP的路由表可以动态更新。

　　所以现在大家普遍认同IP传输将在下一步3G发展中被引入到UTRAN的标准接口中，甚至成为主导传输技术。

　　引入IP传输，首先必须解决无线网络层（RNL）用户面和控制面的承载问题，还要必须解决传输网络层用户面连接的建立问题，解决这些问题需要引入满足特定需求的协议栈。引入协议栈的原则是简单高效，并尽量使用已有协议。

　　引入RNL用户面承载协议的几个原则：为了提高传输带宽利用率，同一IP包中必须可以同时装多包用户数据；由于RNL用户面支持QoS，它的承载必须同时支持QoS，支持数据的分段和重组；在同一接口上，必须具有区分不同用户或不同流的功能；另外，还有纠错功能等。目前，向3GPP递交的用户面解决方案主要有以下几个：CIP、LIPE、PPP-MUX、MPLS、基于AAL2的解决方案等。

　　SCTP是IETF新提供的一种用于IP网络中传送信令的协议，已在3GPP R99协议中引入。目前3GPP已基本同意SCTP作为全IP UTRAN中各标准接口RNL控制面承载的解决方案。各标准接口的协议栈大致如图1所示。

图1 各标准接口的协议栈

　　根据各接口的功能需求不同，各接口上使用的适配层会有所不同。Iub口由于功能需求较简单，可能会不需要适配层。Iur/Iu口有两种选择：一种是沿用R99中的协议栈，适配层用SCCP/M3UA；一种是考虑简化协议和提高效率，适配层用SUA。

　　UTRAN各接口上RNL层用户面都有虚连接存在，建立这种虚连接有两种基本解决方案：一种是通过RNL层控制面信令，在接口的两端交换传输网络层（TNL）的虚连接标识（一般包括两部分，一是端点IP地址，一是该IP地址内的一个传输承载标识），通过这种方式，TNL无需增加控制面协议，如R99中的Iu_ps口；还有一种解决方案是增加TNL控制面协议，通过TNL控制面流程建立、管理和拆除这些虚连接。具体选择哪种解决方案与RNL用户面承载采用的协议有关。

　　为利用IP已有的路由技术和网络结构，尽可能继承传统IP网络的优点，IP UTRAN的网络结构应基于已有IP网络架构，再结合UTRAN的特点，如图2所示。

图2 引入IP传输后的UTRAN网络结构

　　从图2中可以看到，RNC通过边缘路由器接入IP网络，NodeB有三种接入方式，一种是与R99中的相同，与它的控制RNC通过链路方式连接；一种是作为一个网络节点，通过边缘路由器接入到IP网络；还有一种方式是通过其它NodeB接入到IP网络。

　　QoS问题是IP传输需要解决的一个关键问题。IP层的QoS要求最终来自上层需求，IP传输除满足用户面、控制面和管理面的需求外，还要考虑非UTRAN业务。为保证QoS要求，必须提供分段功能，以减小大数据包的传输时延给小数据包实时传输带来的影响。分段的策略根据需求可以包括应用层分段、IP层分段和链路层分段。相应的层协议必须提供序列号信息以便在接收端重组。另外，为保证QoS要求，在链路层和UDP层必须提供错误检测功能。QoS在执行中的识别和分类主要采用两种方式，一种是基于传输承载识别来对QoS进行分类，另一种是把QoS信息放在包头和标签中。

　　由于当前UTRAN全IP方案还在制定之中，3GPP的R4只完成了其中一部分，很多问题还没有定论，剩下的工作被留在R5中解决，因此真正推出商用的UTRAN全IP设备可能要到2004年以后。另一方面，3G的商用已从今年底开始展开，所以引入IP传输时一般已存在ATM UTRAN网络，必须考虑与3GPP R99协议的后向兼容，即与ATM节点共存和互通的问题。IP UTRAN和ATM UTRAN的互通根据两端的节点类别可以分成IP RNC与ATM RNC互通、IP NodeB与ATM RNC互通、IP RNC与ATM NodeB互通三种情况，其中以IP RNC与ATM RNC互通为主。根据3GPP制定的一个原则，IP UTRAN与ATM UTRAN的无线网络层基本保持一致，不同的只是传输网络层，所以在考虑互通问题时只考虑传输网络层的互通。互通问题有两种基本解决方案，一种是由处于IP UTRAN边缘连接ATM RNC的IP RNC兼容ATM UTRAN的TNL，如图3。

图3 IP UTRAN与ATM UTRAN互通方案一

　　还有一种是在IP UTRAN与ATM UTRAN之间用专用的互通单元IWU相连，如图4。

图4 IP UTRAN与ATM UTRAN互通方案二

　　采用第一种方式，处于IP UTRAN边缘的RNC必须同时支持ATM传输和IP传输，其它IP RNC不需支持ATM传输。采用第二种方式，所有IP RNC都不需支持ATM传输，但IWU必须同时支持IP和ATM传输，并具有从一侧到另一侧建立传输层连接并建立对应关系的控制功能，同时支持上层数据的转发。

　　除上面描述的问题外，目前引入IP传输的研究热点还有：IP版本、传输带宽利用率、层1和层2的独立性、节点同步、安全问题、Iu_cs和Iu_ps融合问题等。

　　2. 第二阶段：UTRAN结构改革

　　在第一阶段引入IP传输后，只能说为网络大融合准备了条件，要真正迈向网络大融合， 必须对当前UTRAN结构进行改革。

　　在当前UTRAN结构中，RNC和NodeB间关系是固定的，这种方式有违当前网络向模块化和灵活性发展的大趋势。另外，无线资源管理的大部分功能都集中在RNC，从无线口接入的所有数据流都要从RNC接往核心网，RNC成为当前UTRAN的一大瓶颈。IP技术的一大优点是适合各种不同特性的业务，允许在一个网络中融合各种无线接入技术，当前UTRAN结构不能满足多种无线接入融合的要求，所以必须对UTRAN结构进行改革，以充分发挥IP的长处。

　　构建的新一代无线接入网必须解决以上问题，以使网络具有分布式结构，有很强的灵活性，可以按模块化方式进行配置，并能解决RNC瓶颈问题，支持多种无线技术，具有开放的结构和接口，使传输资源和无线资源得到更大程度的优化。另外，还要使无线网络层和传输网络层尽量分离，并尽量继承现有协议。其它要考虑的问题还有如安全性保障等。基于以上要求，构建下一代UTRAN结构如图5。

图5 分布式UTRAN结构

　　图5中构建了一个分布式UTRAN结构，支持多种无线技术，具有公共的网络单元和平台。其中的操作维护服务器（O&M Server）和无线资源管理服务器（RRM Server）都是公共的，运营商可以把它们作为一种资源进行灵活配置。无线网络接入服务器（RNC Server）继承原RNC控制面除无线资源管理外的功能，如支持RANAP协议，与核心网连接，另外，RNC Server还完成对RAN GW的控制功能。无线接入网网关主要完成用户面数据到核心网的路由。从这个结构中可以看到，原RNC功能被拆成了三部分，一是无线资源管理，二是除无线资源管理外的控制面功能，三是用户面功能。这种方式可以使各设备功能趋于单一，实现简单。另外，由于控制面和用户面的分离，使得用户面数据可以直接经网关接往核心网，有效地消除了原RNC瓶颈问题，并能减少数据传输时延。
采用这种方式需要解决的一个关键问题是无线接入层如MAC/RLC协议的处理，一种有效的解决方案是把它下放到NodeB中实现。因为经NodeB的数据量较少，实现无线接入层协议不会引起瓶颈问题，而且在NodeB上处理后可直接分成控制面和用户面，控制面信令可直接路由到RRM Server或RNC Server，用户面数据流可直接路由到网关。

　　3. 第三阶段：UTRAN与CN的统一

　　如图5所示，在完成UTRAN网络结构改革后，UTRAN的网络结构已基本上与全IP核心网的网络结构相同，在此基础上完成UTRAN和核心网的融合顺理成章。结合图5中UTRAN结构和全IP核心网结构，两网融合后大致如图6。

图6 UTRAN和CN统一后的网络结构

　　在图6中，UTRAN的IP网和CN的IP网统一成一个网，各功能实体全部挂在大网的边缘，处于一个平等的地位。随着各实体的功能单一化，各实体间的接口也将趋于单一。其中，各类应用服务器主要包括无线资源管理服务器和核心网侧各类应用服务器。对于UMTS内部的业务在IP网内部完成路由和交互，如果业务跨不同的网，将通过媒体网关实现不同网络间的互通。根据互通协议，可能需要一个互通控制服务器来完成互通流程的控制。

　　对照图5和图6，可以看到，UTRAN和CN的融合将使用户面数据不再需经两个网和其间的网关，可大大减小用户面数据传输时延，Iu口的瓶颈也将彻底消除。采用这种结构，进一步增加了网络的灵活性，资源利用率将得到进一步提高。另外，设备功能更专一，从而降低设备的复杂度。在这种结构下，CN可直接参与NodeB的控制，一些只与CN相关的功能将不再需要RNC的转发，使功能划分更清晰，并可大大节省传输资源。

　　三、 结束语

　　UTRAN引入IP传输已是大势所趋，可能在明年甚至今年年底就要引入，它的网络结构虽然不一定严格按本文所述方式演进，但为提高网络性能和资源利用率，受网络大融合环境的影响，肯定会在当前UTRAN结构上有所改动，分布式和支持不同无线技术是它演进的一个大方向。目前，国内外几乎所有知名通信设备厂商都在研究UTRAN全IP技术，积极探讨下一步技术发展方向。中兴通讯在这方面也有很大的投入，目前研究方向主要集中在解决IP传输的关键技术问题上，并取得了一定的成果，在CWTS成立的UTRAN演进小组中也担当了重要角色，相信在下一阶段UTRAN演进过程中能在第一时间推出自己的全IP商用设备。