为3G UMTS陆地无线接入网 构建高品质的分组传送网络

做为21世纪前十年最热门的话题，第三代移动通信系统相关技术及网络建设在全球已是备受瞩目。跟90年代中期后得以迅猛发展的互联网一样，3G系统将更好的以更灵活的方式实现Any-to-any的通信和信息资源共享。无论是从技术方向、网络演进、业务承载、还是业务种类及应用发展的角度来看，最终的3G系统可以看作是一套端到端的基于IP的综合应用系统。运营商能否从3G投资中尽快获得回报，主要将取决于这套“IP应用系统”的设计、底层分组传输网络实施的质量，业务的开发拓展和营运的模式。

1. 商业运营的3G移动通信系统的关键组成部分

从技术的角度定义3G系统，3G的系统由终端设备，无线接入网络，核心网络组成。而实际当中营运商应从商业的角度去划分3G系统的组成并适当的进行资源的调配。充分考虑到运营商建设3G系统的投资回报，3G系统可分为以下4大部分：

• 无线接入网络及终端：移动运营商的无线接入网络的建设直接决定了3G网络的服务质量。而3G移动终端的性能价格比一直是决定用户接受程度的一个关键因素。
• 3G电路域分组域核心网络：完成对各种语音数据多媒体等业务的处理和交换，并实现与现有运营商的业务网络的实现互联。
• 3G的RAN/CN网络的分组传送网络:为3G系统提供高效率、低成本、高可用的、易维护、可管理的基于IP技术的底层传送网络。
• 3G的系统应用及支撑平台：现有资源应用、新应用的拓展、移动特色的资费策略、应用的服务范围等等，是决定运营商3G市场份额的决定因素。

在3G系统的演进设计实施过程中，分组传送网络是非常重要的一个环节：它将承载3G系统所有的网络流量，它将决定的3G系统的可用性，和网络服务的可用性。而无线接入网络（RAN）的方案的设计实施关系到整个3G系统架构的未来演进兼容性和扩展性，关系到运营商的已投资设备的再利用和新投入设备的投资保护。

无线接入网络（RAN）包括从基站(BTS/NodeB)到基站控制器(BSC/RNC), 基站控制器(BSC/RNC)之间，以及基站控制器(BSC/RNC)与核心网移动交换局的网元之间的接口。2G-2.5G-3G的网络演进正是网络业务基于TDM向网络业务基于分组（ATM/IP）的演讲过程。RAN网络在数据链路层/网络层面越来越智能化，具备协议意识。伴随着终端业务的不同需要传输网络提供丰富的服务质量保护机制、网络路由计算保护迂回等，在可靠性的基础上使得无线网络运营商的网络达到最优化，最经济的目的。3G系统的最终演进方向是面向全IP的,包括无线接入网络和核心网络部分。 在不同的3G系统标准中无线接入网络（Radio Access Network RAN） 的演进方向可归纳为以下图示。本文将针对UMTS系统的演进讨论UTRAN部分的分组传送网络的建设的需要考虑的相关问题。

图一

2. 3GPP UMTS UTRAN网络的网络结构

UTRAN 是由一系列的无线网络子系统RNS组成的，每个RNS都通过Iu接口与核心网络相连接。考虑到UMTS网络演进的方向，这表明必须保证UMTS的UTRAN网络在不同的阶段必须连接到3种不同类型的核心网络上去（电路交换，分组交换，IP IMS）。运营商在设备投资时在充分考虑UTRAN传送网络的平滑演进（基于标准兼容性）的同时，必须充分考虑传送网络的高可靠性，扩展性，可管理性，最优化的成本投入（网络成本和运营成本），以及标准的、开放的体系结构。

UMTS UTRAN 网络接口包括Iu、Iur和Iub接口，承载的业务流种类包括语音/数据/多媒体， 控制信令，网管信息等等。而近期实施的UMTS系统R99或R4版本则在业务的承载协议均为ATM，未来的R5/R6版本的业务的承载协议均为IP。

图二： UMTS系统R99/R4 UTRAN架构

针对目前建网可采用的3GPP R99或R4的阶段， 我们从UTRAN传输网络层面更细节的角度分析，如图一所示。可以看到：在Iub接口上的用户平面即U－plane上（包括CS和PS的用户平面）将基于ATM AAL2；在通往电路域的Iu－cs 接口上， 将是用户平面基于AAL2，信令平面基于AAL5；在通往分组域的Iu－ps 接口上，将是将是用户平面基于AAL5，信令平面基于AAL5；而在支持处理移动性和软切换的Iu-r接口上，用户平面基于AAL2，信令平面基于AAL5。

由于UTRAN传输网络层中ATM功能的存在，组网时需要理解UMTS所提供的用户业务等级，网络控制信息及协议的特点。从而充分理解3G系统对数据链路层ATM交换功能的必要性要求，以便实际组网时选择采用满足UTRAN系统业务流量需求的、最优化的方式组网。

2.1. UMTS的业务等级

UMTS系统规范定义了4种业务QoS类别（3GPP TS 23.107 V5.5.0）。即会话业务种类(Conversational)，流业务种类(Streaming)，交互业务种类(Interactive)，背景业务种类(Background)。下表为基本特点介绍。

流量等级 会话业务种类 Conversational 流业务种类 Streaming 交互业务种类 Interactive 背景业务种类 Background 基本特点 需要具有较低的延迟、较低的抖动延迟变化，以及较低的误差容限。此类业务对数率的大小不作特别的要求，通常是流量基本恒定的，而且通常要求双向业务流速率对称。 流类业务对容许误差有着较高的要求，但对延迟和抖动的要求则较低。这是因为接收应用一般会对业务流进行缓冲，从而流数据可以以同步方式向用户进行播放。 典型的请求／响应类型事务组成，交互类业务的特征是对容许误差有较高的要求。而对延迟容限的要求则要比会话类业务情况下的要求低一些。抖动(延迟变化)对于交互类业务来说不是一个主要问题。 对业务较小的延迟约束(或者也可以没有任何延迟约束) 典型应用 语音业务是典型的会话类应用，它不需要很高的数据速率，但对延迟很敏感 音频流和视频流是两种典型的流类业务 WEB流揽 邮件下载

2.2. UTRAN组网对ATM层面的功能要求

技术上存在多种组网方式可为UTRAN网络提供相应的ATM交换功能（原理基本相同，包括基于独立的ATM交换网络、内置ATM进入RNC系统或在MSTP上实现）。在实际组网中考虑到设备成本、未来网络扩展需要，必须认真分析Iu-b，Iu-r,Iu网络结构及承载业务流向的特点，充分理解3G UTRAN传输网络层需要的ATM功能及能力，最终决定最优化的UTRAN底层传送网络结构。

针对3GPP的R99，R4的阶段，图二说明组网时在UTRAN网元间存在的必要的ATM VC连接：包括用户层面的连接，无线网络层、传输网络层的控制连接，网络管理等等。可以看到既便在UTRAN组网的初期阶段，也将在网络中出现大量的VCs交叉连接，而且各种VCs根据其传送流量的特点要求着不同的ATM服务等级。

图三： UTRAN传输网络层的二层VC连接示意图

为减少RNC设备成本，必须在RNC侧考虑实现VC的汇聚， 并且传输网络层必须具备相应的管理手段去建立、监控所有的ATM VCs连接，并充分的网络手段保证VCs连接的可靠性（可迂回，不中断）。在Iu-b接口，ATM VCs汇聚是必要的功能（大量的Node B的ATM端口的汇聚到少量的RNC物理端口上）。NodeB应具备E1 IMA 和 STM-1的物理接口，并可采用ATM预汇聚功能，共享ATM回传链路可以实现Node-B数据/语音/媒体流等应用的复用, 从而提高回传链路的带宽利用率。 而在Iu,Iu-r接口上，ATM交换功能是必备的功能(在少量的RNC端口上实现大量的VC交叉连接)。RNC物理接口应为STM-1；通过ATM交换节点/网络实现VC交换和汇聚。

2.3. 理解UTRAN组网所必备的ATM QoS保证机制及相关技术

同时由于在各种协议接口上存在的大量的VC复用，为保证高优先的VC上的流量的可靠传输，满足业务对带宽、时延、丢包率等各个方面的QOS要求，必须要求所提供的ATM交换功能的网元内部及组成的网络范围内：具备完善的ATM QoS 能力，包括流量管理、带宽控制机制、路由信令等各个方面。在ATM交换功能节点之间, PNNI 定义了包括路由和信令在内的交换机之间的互操作能力。PNNI协议的路由部分用来在交换机之间和交换机组之间分发拓扑和地址信息。这些拓扑信息和地址信息将被用来计算网络的路由。连接UTRAN网元间的ATM连接将是SPVC。 连接接纳控制CAC用于在建立SPVC连接时所网络资源是否能够满足所提交的该连接的业务合约(traffic contract)。业务合约包括业务描述符(traffic descriptor)即业务参数(traffic parameters)和服务质量QoS参数。PNNI为传送网络层面的SPVC提供最优化路由选择，并在网络设备或中继故障时提供路由迂回，从而实现对上层应用的保护功能。

ATM交换设备和网络必须既要处理由于大于系统处理能力的通信量而引起的长期拥塞，又要处理由于通信中的突发性传输而引起的短期拥塞。而实际上ATM的QoS的保证技术能力取决于交换设备对国际标准的支持，及厂商硬件设备流量管理技术的实施程度。

3. R99/R4 阶段UTRAN 传送网络组网方案建议

实际的UTRAN传送层组网方可采用多种方式：基于现有SDH的TDM连接方式；基于SDH＋ATM交换节点或内置在RNC系统的方式；基于MSTP平台上所提供的ATM功能模块的方式组网。 但无论采用何种方式，最终必须满足3G 无限网络层对传送网络层功能的需要。

在目前的3G系统外场测试中，针对Iub接口，有些3G系统的无线厂家仅简单的使用SDH会聚外场Node B的ATM E1线路到RNC（在RNC上提供E1或者信道化的STM-1端口），基于ATM协议而利用SDH 提供简单的点到点TDM连接功能；由于试验阶段RNC及核心网络网元数量很少，物理上集中放置，所以也仅需要少量的SDH连接。采用SDH组网，并没有考虑ATM层面的路由信令所实现的VC链路保护功能；同时忽略了Iu-r及Iu接口的传送网络的具体实现（试验阶段RNC及核心网络网元数量很少，物理上集中放置）。 明显的，这只是一个短期的策略，在面向商用的3G网络系统时必须考虑UTRAN系统及3G核心网络网元的投入成本，并通过优化的传送网络实现3G系统设备资源及运营商现有网络资源的最充分利用。

3.1. R99/R4 阶段UTRAN 传送网络组网方案建议

在针对UMTS的不同阶段（R99/R4/R5），思科提供基于兼容的、面向不同阶段的网络技术解决方案，并充分保证RAN网络从基于ATM的R99/R4 UTRAN向全IP/MPLS的网络过渡。

图四

思科的解决方案基于通用的信元模式(Cellmode)的IP+ATM的MPLS多业务交换平台 -- MGX系列。MGX支持ATM论坛和IETF的众多标准，通过高密度的E1接口实现IU-b接口的汇聚，同时提供高密度的STM1实现Iu接口所毕业的交换功能；更重要的是通过MGX交换网络所支持的PNNI，TM4.0等功能实现对UTRAN系统最优的分组传送和业务的服务质量保证.

3.2. R5/R6 阶段UTRAN传送网络组网方案建议

在面向全IP的网络的R5/R6 IMS 阶段，在R4 UTRAN传送网络解决方案的基础上，可将MGX网络元素升级为支持IP路由能力的节点; 而在新的基站点再采用新的路由交换设备满足R5/R6 RAN网络的实际组网要求。在NodeB侧采用满足电信网络要求的CSR(Cell Site Router), 而在局端放置高端口密度的会聚路由设备设备。思科公司具备广泛的产品线可以满足R5/R6的组网要求。

图五

思科的解决方案面向不同阶段(R99/R4/R5)的网络阶段，提供支持无缝演进的优化的分组网络传送方案，并充分保证RAN网络从基于ATM的R99 UTRAN向全IP/MPLS的网络过渡。出于运营商对RAN传输网络的可靠性要求，在传送网络设计中充分考虑设备级的可靠性要求和网络级的高可用性；出于运营商经济性的考虑，充分考虑移动运营商的现有的网络资源，而采用相应的技术以充分提高分组传输网络的带宽有效性。此外在针对CDMA2000的RAN系统部分，充分考虑其演进路径（1xRTT -- 1xEV-DO阶段 或直接到1xEV-DV）,思科提供行业验证的基于IP交换路由的RAN传输系统。

Cisco自1997年便开始了面向移动数据通信系统产品的研发，并参与制定了大量的3GPP、3GPP2 的标准规范。目前Cisco已与国内外主要的3G供应商开展紧密的合作关系，共同对3G系统的试验和商用网络系统的实施开展了大量的工作，积累了丰富的经验。已经可针对3G的核心网络、无线RAN的分组传输网络进行全面深入的研究，并提出相应的3G网络系统设备，包括针对3G基础网络结构和3G的增值业务部分。我们相信，基于先进优化的3G基础网络结构体系和2.5G/3G的增值业务服务平台，并结合Cisco在光传输、交换路由、网络安全、鉴权认证、内容存贮等众多方面领先的技术，移动运营商可以充分优化他们的网络并提供高质量的移动语音和数据服务，并且从运营管理的有效性、对等IP网络架构的扩展性、网络的投资回报等方面得到好处，从而更好的为移动用户提供服务。

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