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UMB网络架构分析

2009-7-26 17:09| 投稿: net

摘要:      作 者:Rao Yallapragada   超移动宽带(UMB)无线接入技术是无线通讯技术的革新,可以提供行业领先的高速数据吞吐量、低延...
     作 者:Rao Yallapragada   超移动宽带(UMB)无线接入技术是无线通讯技术的革新,可以提供行业领先的高速数据吞吐量、低延时和高服务质量(QoS),为用户带来增强的移动宽带体验。UMB技术在物理空中接口和较上层采用自下而上的设计,支持带宽密集的移动业务和并发的VoIP和数据业务,具有更大的灵活性。UMB网络设计的目标是:   无缝移动;   为广泛的应用提供QoS,包括延时敏感业务;   高效的频率再用部署;   通过简化网元间的接口,实现不同厂商设备的互通;   简化管理,减少网元数量;   增强网络的可扩展性和业务部署的灵活性。   采用UMB技术,易于对网络进行扩展,服务于不同场景下的基站,满足不同覆盖率和容量的需求。UMB网络采用分布式网络架构使负载分散到各个网元,从而简化了总体设计。利用标准IP元件,运营商易于进行网络扩展,减少时间和成本。UMB网络架构的主要特性大致总结如下:   扁平化的网络架构不需要采用中心基站控制器(BSC);   汇聚-接入网络(CAN)设计实现无缝移动;   多路由特性实现了基站间的快速交换,为延时敏感应用提供了必要的支持;   层2和层3隧道机制简化了网络接口;   将层3切换与层1切换去耦合,确保快速而高效的跨基站移动。   1UMB:扁平化的网络架构   基于扁平化网络架构的UMB解决方案与传统的分层架构明显不同,后者定义了多层的控制和互连平台。在传统的分层架构中,接入终端(AT)通过唯一的空中接口协议栈与多个基站(BS)通信。称为基站控制器(BSC)的集中控制实体保持各个BS之间协议状态的协调[1-3]。   采用扁平架构的UMB网络不需要BSC这样的集中控制实体,如图1所示,相当于传统分层架构中基站的UMB演进基站(eBS)将传统BS、BSC的功能以及分组数据服务节点(PDSN)的某些功能融于一身,使网络部署更为简单。由于建网所需的元件数量减少,网络变得更加可靠、灵活、易于部署,而且运营成本更低廉。eBS间的相互影响大大减少,使eBS接口更为简单,从而促进了多厂商的互通。   传统分层的移动宽带无线接入网络依靠多种节点提供用户流量服务,如BS、BSC、PDSN和移动IP归属代理;而eBS可直接与Internet连接,提供服务。因而可降低延时、减少投资和维护成本,同时降低节点间的相互影响,以提供端到端的QoS。   1.1UMB汇聚接入网络   UMB网络架构的一个核心概念是汇聚接入网络(CAN),通过它无缝集成UMB与现有的3G核心网。UMB CAN的范例如图2所示,该网络与CDMA2000 1x EV-DO网络实现互通。   UMB无线接入网的中心是eBS,相当于目前3G BS和BSC的组合。eBS连接到公共的接入网关(AGW),AGW提供了AT到分组数据网的IP连接点。   1.2UMB网元   UMB网络主要网元定义如下。   1.2.1接入终端   AT是为用户提供IP数据连接的用户设备,一般是移动电话、个人数字助理(PDA)或便携式电脑。   1.2.2演进基站   eBS提供AT进行无线接入网连接所采用的空中(OTA)信令和用户数据传输。eBS的其它功能包括:   为AT提供层2连接点;   作为前向和反向链路的层1连接点;   OTA发送/接收的无线链路协议(RLP)层的分组加/解密;   OTA传送调度;   头压缩。   eBS还提供以下一些重要功能:   前向链路服务eBS(FLSE)——服务于前向链路物理层;   反向链路服务eBS(RLSE)——服务于反向链路物理层;   信令无线网络控制器(SRNC)——作为会话锚点存储AT的会话信息,并作为一个到AT的永久路由;   数据连接点(DAP)——接收所有来自公共AGW数据分组。   此外,eBS还可以查看用户的IP分组,并且可以优化OTA调度或者执行其他增殖服务功能。   1.2.3接入网关   AGW提供网络的用户IP连接点,即AGW是移动终端的第一跳路由器。AGW运行层3以上的业务,包括即时处理(Hot-lining)、策略实施等业务。   1.2.4信令无线网络控制器   在CAN中,信令无线网络控制器(SRNC)维护AT的无线接入特定信息、会话参考信息(协商空中接口上下文的会话存储点),支持空闲态管理,具有在AT空闲时提供寻呼控制功能,还负责AT的接入认证。SRNC功能可由eBS提供,或位于独立的实体中。   1.2.5认证、鉴权和计费功能   认证、鉴权和计费(AAA)功能实体提供与AT使用网络资源相关的认证、鉴权和计费功能。   1.2.6归属代理   归属代理(HA)用于提供在3GPP2分组数据网络中AT的移动解决方案,以及演进网络中不同技术支持的网络间的移动。   1.2.7分组数据服务节点   PDSN是在现有EV-DO或CDMA2000 1X分组数据网络中提供用户IP连接点的节点。   1.2.8策略和计费规则功能   策略和计费规则功能(PCRF)实体制订了AGW的规则,目标是:   检测属于业务数据流的分组;   为业务数据流提供策略控制;   为业务数据流提供适用的计费参数。   2移动管理   2.1主要功能和概念   在移动管理方面,UMB受益于高度创新的网络设计,可实现更快速的切换、网络灵活的扩展性和真正的分布式接入设计。   采用UMB网络架构,运营商可以实行完全移动管理,并取得最佳服务质量。UMB的移动管理有以下一些主要概念。   2.1.1多路由   多路由位于UMB网络架构的核心。UMB AT包含了对应于每个基站的独立的空中接口协议栈,每个协议栈都称为一条路由。AT还包含了一个由拥有AT路由的所有eBS组成的路由集,该多路由采用不同的eBS来表示AT包含的多个路由。一个重要特性是每个eBS只有在加入到路由集后才可以被设置为服务eBS。一个路由集在任意时刻可以最少包含6条路由。如果AT是空闲的,它只有一条SRNC路由。   而且,每个eBS包含与每条路由相关的连接状态。该连接状态包括参数值以及有助于保持eBS和AT间连接的算法状态,例如发射/接收缓冲器、RLP中提供上层分组可靠传送的序列号、不同流量授权的QoS和授权的媒体接入控制(MAC)资源。   由于AT包含与每个eBS不同的路由,而连接状态为eBS的本地状态,当AT从eBS传递到另一个eBS时,两个eBS之间不传送连接状态信息。这样,eBS之间信令的复杂性就得以大幅度降低。   2.1.2公共会话   尽管每个eBS拥有独立的路由,所有eBS与AT却共享一个公共会话,定义了AT和eBS协商和存储的协议类型和协议属性集。   2.1.3个体   会话由一个或多个个体组成。个体定义了通信期间AT和eBS之间采用的协议类型和属性。当AT和路由集中所有eBS之间的会话是公共会话时,每个eBS单独协商一个应用于其路由的个体。  一个eBS所协商的个体可以为另一个eBS所采用,而无需进行任何新的协商。这样,在路由集中增加新的eBS所需的时间得以大大减少。主要优点为:   在现网中,增加一个新的eBS到路由集非常迅速。   eBS间接口非常简单,几乎不需要对eBS配置进行协调。   2.1.4前向链路服务实体   前向链路服务实体是在前向链路提供层1连接的eBS。   2.1.5反向链路服务实体   它在反向链路提供层1连接eBS。   图3所示为对于会话和个体的eBS和AT之间的联系。eBS和AT共享一个公共会话,而每条路由可选择其自己的个体。   2.2层1切换机制   根据主要功能和概念的定义,层1切换机制表述如下:   在信道状况测量的基础上,AT在路由集中确定一个适当的eBS作为层1连接点(一个用于FLSE,一个用于RLSE)。   相同或不同的eBS均可提供FLSE和RLSE功能。   随着信道状况的变化,AT采用支持FLSE和RLSE快速切换的物理层信道选择的FLSE和RLSE与网络通信。   当AT从一个eBS切换到另一个时,采用新服务eBS对应的路由传送分组。   UMB网络设计的差异特性如下:   在添加到路由集时,由于目标eBS被设定为服务eBS,而eBS间不进行连接态信息交换,因此eBS间接口大大简化,可在切换期间实现层1FLSE实体和RLSE实体的快速切换。   系统为延时敏感应用提供QoS,而无需采用低频率复用等折衷手段   AT包含一个有效集,允许FLSE和RLSE通过物理层信令进行快速交换。在切换前将eBS加入有效集,同时与新的eBS建立连接。这样,当AT切换到eBS时,由于目标eBS已准备好接受AT的业务,eBS间可进行极快速的倒换。   在一个层1切换中,当AT从源eBS倒换到目标eBS后,到源eBS的路由中可能存在数据分组的残余或碎片,仍需要传送到AT。隧道机制可确保切换时不丢失分组。   隧道机制提供层1eBS交换的无损无缝切换,而不需要BSC或集中控制器。   采用eBS间的一个层2隧道将数据分组碎片或完全缓冲的分组(前一个源eBS留下的)传送到目标eBS。   采用eBS间的一个层3隧道将缓存在前一个eBS的无碎片IP分组传送到目标eBS,将OTA信令传送到AT。   目标路由承载代表源路由的分组OTA,并将其传送到AT。   2.3层2通信的要点   当eBS加入路由集后需要与AT交换消息来维持连接状态,即使它并非当前路由。层2通信对该过程有促进作用。   在传统网络中,如果一个AT必需与非服务BS通信,则接口需要对BS间的协议进行翻译。例如,将服务BS的OTA协议转换为网络协议。   在UMB网络设计中,路由集中添加了eBS后,eBS和AT之间即建立一个层2通信。采用个体的定义协议和属性,新的eBS 和AT之间建立一种联系。AT和路由集中的一个eBS之间的所有交换通过该eBS和服务eBS之间的层2隧道进行通信。这也称为盲隧道,其上服务eBS盲目地将分组传送到AT,而不经过内容翻译(如AT与eBS之间与报告无线测量相关的事务、QoS请求和授权等)。因此,eBS与AT之间运行的协议与服务eBS提供的传送业务无关,无需翻译eBS间的协议。 2.4层3切换要点   如上文所述,一个eBS可提供4种功能:FLSE、RLSE、SRNC和DAP。采用这样的网络设计,无需将这些功能指定到单个eBS,而路由集中不同的eBS可为AT和网络间的给定连接提供任意上述4种功能。   AGW可用作AT的层3连接点。AGW将指定到AT的分组发送到提供DAP功能的eBS。如果将DPA功能分配给eBS,则DAP eBS和AGW建立在两者间绑定的代理移动IP(PMIP)。   在层1交换和切换时,如果DAP eBS不同于新的FLSE eBS,当AGW发送指定到AT的分组时,网络的设计使DAP eBS可以采用层3隧道将分组转发到FLSE eBS。   层1交换可触发AT向当前作为FLSE的eBS发送DAP移动请求。尽管DAP和FLSE最好位于相同的eBS,但是,我们并不希望过于频繁地移动DAP功能,因为移动会造成DAP和AGW间更新负载的绑定,同时需要移动会话参考eBS。为避免这种情况,eBS通过对有关DAP移动请求频率的属性进行规定来引导AT。   网络的设计实现了DAP移动或层3切换从层1切换中去耦合,从而使1层切换的发生频率高于DAP移动。   2.5AGW间切换   总的来说,网络采用Mesh拓扑结构,若干eBS连接到单个AGW。相同路由集中的eBS应连接到相同的AGW。当路由集中增加的eBS连接到不同的AGW时,发生AGW间的切换。   AGW间切换如eBS间切换一样轻松,不会发生数据中断。AGW间不需要接口。无缝AGW间切换采用层2隧道机制,以“中断前先建立”的模式实现,如图4所示。   对于一个AGW间切换,不同AGW下相邻eBS间建立层2隧道。在AGW间切换过程中,AT由一个DAP eBS提供,短期内eBS-AGW对间包含两条PMIP隧道。此间,AT保持两个AGW的两个IP接口处于切换状态。一旦AT和目标AGW间的通信稳定建立,路由集将拥有新的DAP eBS,而目标AGW将连接新的PMIP。   2.6系统间切换   UMB网络允许进行无缝系统间切换。例如,UMB和EV-DO网络间可进行切换,而不会发生业务中断。   对于一个系统间切换,双模AT需协商一个EV-DO会话,建立一个PPP连接,并通过在AT和EV-DO无线接入网间建立链路层隧道支持,从而在UMB安装一个TFT。双模AT通过离调过程,监视EV-DO和UMB网络无线接口上的信号,以进行1层切换。AGW可采用PMIP或客户端移动IP建立与归属代理的连接,以进行3层切换。   2.7寻呼设计和功能   UMB网络设计中,寻呼功能更为简单和轻便。不同于传统的中心节点,基于BSC的寻呼的寻呼区为AT所有,SRNC通过单一的eBS追踪AT的注册来维护该功能。此过程描述如下:   (1)当AT从连接态转换到空闲态时,除了SRNC路由外,删除所有路由。AT执行SRNC远程注册,包括AT从其注册的最终地点移动了一个集距离以上时的重注册。在这情况下,AT建立具有本地eBS的路由,将注册信息传递给会话参考(SR)eBS。   (2)如果分组到达时AT处于空闲态,DAP eBS向SR eBS发送寻呼请求,然后,SR eBS将该寻呼请求发送到最后注册的eBS。SR eBS的寻呼要求最后注册的eBS将寻呼请求传递到给定半径范围内的相邻的eBS。换言之,SR eBS还通过将请求传递到最后注册的eBS,从而为AT提供主要的寻呼支持。这样,与SR eBS仅追踪一个eBS即AT注册的最后的eBS的方式相比,寻呼功能变得更为简单。   3结束语   扁平化架构的UMB解决方案是一种简化的网络设计,为带宽密集业务提供了卓越的移动管理支持。采用扁平化的网络架构,不需要集中BSC等网元,大大减少了互通所需的网络节点数量。   无论是AT的eBS间、AGW间还是系统间转换,UMB CAN都可实现无缝和快速的切换,同时最大限度地减少开销。因此,合理的系统设计可为包括延时敏感应用在内的各种应用提供QoS。   网络架构的设计尽可能地保持了无线接入网和核心网间接口的简单。例如,避免了eBS间的连接态的协调或传送,以及避免了与另一个eBS连接的分组进行翻译,因此大大简化了eBS间接口。   这样还有助于运营商随时对UMB网络进行部署和扩展,并将促进多厂商的互通。   4参考文献   [1]3GPP2C.S0084-0v 2.0. Ultra Mobile BroadbandTM (UMBTM) air interface specification [S]. 2007.   [2]3GPP2A.S0020.Interoperability Specification (IOS) for Ultra Mobile Broadband (UMB) radio access network interfaces [S]. 2007.   [3]RobustHeaderCompression (ROHC): Framework and four profiles: RTP, UDP, ESP, and uncompressed [R]. RFC 3095. 2001.
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