ＵＭＢ網絡架構

摘要：超移動寬帶(UMB)無線接入技術能以非常高的速率實現IP分組的有效無線傳送，同時，即使在小區邊緣，也可提供無縫移動和最佳的服務質量(QoS)，而不會降低頻率再用。UMB系統利用高度創新的扁平化網絡架構，簡化了核心網和網絡接口，從而易于實現網絡擴展。UMB架構的一個主要原則是無縫移動。網絡架構的設計是關鍵所在，有利于實現在UMB網絡內和不同技術間的無縫切換。革新性的概念可實現基站間的快速交換，同時最大限度地減少開銷和提供簡化的網絡接口。新的隧道機制提供在數據-鏈路層(層2)和IP層(層3)的信令交換，實現了跨基站的快速移動。本文探討了UMB網絡架構的主要特性，并對不同架構設計選擇進行了深入分析。

關鍵詞：超移動寬帶；扁平化；網絡架構

超移動寬帶(UMB)無線接入技術是無線通訊技術的革新，可以提供行業領先的高速數據吞吐量、低延時和高服務質量(QoS)，為用戶帶來增強的移動寬帶體驗。UMB技術在物理空中接口和較上層采用自下而上的設計，支持帶寬密集的移動業務和并發的VoIP和數據業務，具有更大的靈活性。UMB網絡設計的目標是：

●無縫移動；

●為廣泛的應用提供QoS，包括延時敏感業務；

●高效的頻率再用部署；

●通過簡化網元間的接口，實現不同廠商設備的互通；

●簡化管理，減少網元數量；

●增強網絡的可擴展性和業務部署的靈活性。

采用UMB技術，易于對網絡進行擴展，服務于不同場景下的基站，滿足不同覆蓋率和容量的需求。UMB網絡采用分布式網絡架構使負載分散到各個網元，從而簡化了總體設計。利用標準IP元件，運營商易于進行網絡擴展，減少時間和成本。UMB網絡架構的主要特性大致總結如下：

●扁平化的網絡架構不需要采用中心基站控制器(BSC)；

●匯聚-接入網絡(CAN)設計實現無縫移動；

●多路由特性實現了基站間的快速交換，為延時敏感應用提供了必要的支持；

●層2和層3隧道機制簡化了網絡接口；

●將層3切換與層1切換去耦合，確保快速而高效的跨基站移動。

1 UMB：扁平化的網絡架構

基于扁平化網絡架構的UMB解決方案與傳統的分層架構明顯不同，后者定義了多層的控制和互連平臺。在傳統的分層架構中，接入終端(AT)通過唯一的空中接口協議棧與多個基站(BS)通信。稱為基站控制器(BSC)的集中控制實體保持各個BS之間協議狀態的協調[1-3]。

采用扁平架構的UMB網絡不需要BSC這樣的集中控制實體，如圖1所示，相當于傳統分層架構中基站的UMB演進基站(eBS)將傳統BS、BSC的功能以及分組數據服務節點(PDSN)的某些功能融于一身，使網絡部署更為簡單。由于建網所需的元件數量減少，網絡變得更加可靠、靈活、易于部署，而且運營成本更低廉。eBS間的相互影響大大減少，使eBS接口更為簡單，從而促進了多廠商的互通。

傳統分層的移動寬帶無線接入網絡依靠多種節點提供用戶流量服務，如BS、BSC、PDSN和移動IP歸屬代理；而eBS可直接與Internet連接，提供服務。因而可降低延時、減少投資和維護成本，同時降低節點間的相互影響，以提供端到端的QoS。

1.1 UMB匯聚接入網絡

UMB網絡架構的一個核心概念是匯聚接入網絡(CAN)，通過它無縫集成UMB與現有的3G核心網。UMB CAN的范例如圖2所示，該網絡與CDMA2000 1x EV-DO網絡實現互通。

UMB無線接入網的中心是eBS，相當于目前3G BS和BSC的組合。eBS連接到公共的接入網關(AGW)，AGW提供了AT到分組數據網的IP連接點。

1.2 UMB網元UMB網絡主要網元定義如下。

1.2.1 接入終端

AT是為用戶提供IP數據連接的用戶設備，一般是移動電話、個人數字助理(PDA)或便攜式電腦。

1.2.2 演進基站

eBS提供AT進行無線接入網連接所采用的空中(OTA)信令和用戶數據傳輸。eBS的其它功能包括：

●為AT提供層2連接點；

●作為前向和反向鏈路的層1連接點；

●OTA發送/接收的無線鏈路協議(RLP)層的分組加/解密；

●OTA傳送調度；

●頭壓縮。

eBS還提供以下一些重要功能：

●前向鏈路服務eBS (FLSE)——服務于前向鏈路物理層；

●反向鏈路服務eBS (RLSE)——服務于反向鏈路物理層；

●信令無線網絡控制器 (SRNC)——作為會話錨點存儲AT的會話信息，并作為一個到AT的永久路由；

●數據連接點(DAP)——接收所有來自公共AGW數據分組。

此外，eBS還可以查看用戶的IP分組，并且可以優化OTA調度或者執行其他增殖服務功能。

1.2.3 接入網關

AGW提供網絡的用戶IP連接點，即AGW是移動終端的第一跳路由器。AGW運行層3以上的業務，包括即時處理(Hot-lining)、策略實施等業務。

1.2.4 信令無線網絡控制器

在CAN中，信令無線網絡控制器(SRNC)維護AT的無線接入特定信息、會話參考信息(協商空中接口上下文的會話存儲點)，支持空閑態管理，具有在AT空閑時提供尋呼控制功能，還負責AT的接入認證。SRNC功能可由eBS提供，或位于獨立的實體中。

1.2.5 認證、鑒權和計費功能

認證、鑒權和計費(AAA)功能實體提供與AT使用網絡資源相關的認證、鑒權和計費功能。

1.2.6 歸屬代理

歸屬代理(HA)用于提供在3GPP2分組數據網絡中AT的移動解決方案，以及演進網絡中不同技術支持的網絡間的移動。

1.2.7 分組數據服務節點

PDSN是在現有EV-DO或CDMA2000 1X分組數據網絡中提供用戶IP連接點的節點。

1.2.8 策略和計費規則功能

策略和計費規則功能(PCRF)實體制訂了AGW的規則，目標是：

●檢測屬于業務數據流的分組；

●為業務數據流提供策略控制；

●為業務數據流提供適用的計費參數。

2 移動管理

2.1 主要功能和概念

在移動管理方面，UMB受益于高度創新的網絡設計，可實現更快速的切換、網絡靈活的擴展性和真正的分布式接入設計。

采用UMB網絡架構，運營商可以實行完全移動管理，并取得最佳服務質量。UMB的移動管理有以下一些主要概念。

2.1.1 多路由

多路由位于UMB網絡架構的核心。UMB AT包含了對應于每個基站的獨立的空中接口協議棧，每個協議棧都稱為一條路由。AT還包含了一個由擁有AT路由的所有eBS組成的路由集，該多路由采用不同的eBS來表示AT包含的多個路由。一個重要特性是每個eBS只有在加入到路由集后才可以被設置為服務eBS。一個路由集在任意時刻可以最少包含6條路由。如果AT是空閑的，它只有一條SRNC路由。

而且，每個eBS包含與每條路由相關的連接狀態。該連接狀態包括參數值以及有助于保持eBS和AT間連接的算法狀態，例如發射/接收緩沖器、RLP中提供上層分組可靠傳送的序列號、不同流量授權的QoS和授權的媒體接入控制(MAC)資源。

由于AT包含與每個eBS不同的路由，而連接狀態為eBS的本地狀態，當AT從eBS傳遞到另一個eBS時，兩個eBS之間不傳送連接狀態信息。這樣，eBS之間信令的復雜性就得以大幅度降低。

2.1.2 公共會話

盡管每個eBS擁有獨立的路由，所有eBS與AT卻共享一個公共會話，定義了AT和eBS協商和存儲的協議類型和協議屬性集。

2.1.3 個體

會話由一個或多個個體組成。個體定義了通信期間AT和eBS之間采用的協議類型和屬性。當AT和路由集中所有eBS之間的會話是公共會話時，每個eBS單獨協商一個應用于其路由的個體。

一個eBS所協商的個體可以為另一個eBS所采用，而無需進行任何新的協商。這樣，在路由集中增加新的eBS所需的時間得以大大減少。主要優點為：

●在現網中，增加一個新的eBS到路由集非常迅速。

● eBS間接口非常簡單，幾乎不需要對eBS配置進行協調。

2.1.4 前向鏈路服務實體

前向鏈路服務實體是在前向鏈路提供層1連接的eBS。

2.1.5 反向鏈路服務實體

它在反向鏈路提供層1連接eBS。

圖3所示為對于會話和個體的eBS和AT之間的聯系。eBS和AT共享一個公共會話，而每條路由可選擇其自己的個體。

2.2 層1切換機制

根據主要功能和概念的定義，層1切換機制表述如下：

●在信道狀況測量的基礎上，AT在路由集中確定一個適當的eBS作為層1連接點(一個用于FLSE，一個用于RLSE)。

●相同或不同的eBS均可提供FLSE和RLSE功能。

●隨著信道狀況的變化，AT采用支持FLSE和RLSE快速切換的物理層信道選擇的FLSE和RLSE與網絡通信。

●當AT從一個eBS切換到另一個時，采用新服務eBS對應的路由傳送分組。

UMB網絡設計的差異特性如下：

●在添加到路由集時，由于目標eBS被設定為服務eBS，而eBS間不進行連接態信息交換，因此eBS間接口大大簡化，可在切換期間實現層1FLSE實體和RLSE實體的快速切換。

●系統為延時敏感應用提供QoS，而無需采用低頻率復用等折衷手段。

●AT包含一個有效集，允許FLSE和RLSE通過物理層信令進行快速交換。在切換前將eBS加入有效集，同時與新的eBS建立連接。這樣，當AT切換到eBS時，由于目標eBS已準備好接受AT的業務，eBS間可進行極快速的倒換。

在一個層1切換中，當AT從源eBS倒換到目標eBS后，到源eBS的路由中可能存在數據分組的殘余或碎片，仍需要傳送到AT。隧道機制可確保切換時不丟失分組。

隧道機制提供層1eBS交換的無損無縫切換，而不需要BSC或集中控制器。

●采用eBS間的一個層2隧道將數據分組碎片或完全緩沖的分組(前一個源eBS留下的)傳送到目標eBS。

●采用eBS間的一個層3隧道將緩存在前一個eBS的無碎片IP分組傳送到目標eBS，將OTA信令傳送到AT。

●目標路由承載代表源路由的分組OTA，并將其傳送到AT。

2.3 層2通信的要點

當eBS加入路由集后需要與AT交換消息來維持連接狀態，即使它并非當前路由。層2通信對該過程有促進作用。

在傳統網絡中，如果一個AT必需與非服務BS通信，則接口需要對BS間的協議進行翻譯。例如，將服務BS的OTA協議轉換為網絡協議。

在UMB網絡設計中，路由集中添加了eBS后，eBS和AT之間即建立一個層2通信。采用個體的定義協議和屬性，新的eBS 和AT之間建立一種聯系。AT和路由集中的一個eBS之間的所有交換通過該eBS和服務eBS之間的層2隧道進行通信。這也稱為盲隧道，其上服務eBS盲目地將分組傳送到AT，而不經過內容翻譯(如AT與eBS之間與報告無線測量相關的事務、QoS請求和授權等)。因此，eBS與AT之間運行的協議與服務eBS提供的傳送業務無關，無需翻譯eBS間的協議。

2.4 層3切換要點

如上文所述，一個eBS可提供4種功能：FLSE、RLSE、SRNC和DAP。采用這樣的網絡設計，無需將這些功能指定到單個eBS，而路由集中不同的eBS可為AT和網絡間的給定連接提供任意上述4種功能。

AGW可用作AT的層3連接點。AGW將指定到AT的分組發送到提供DAP功能的eBS。如果將DPA功能分配給eBS，則DAP eBS和AGW建立在兩者間綁定的代理移動IP(PMIP)。

在層1交換和切換時，如果DAP eBS不同于新的FLSE eBS，當AGW發送指定到AT的分組時，網絡的設計使DAP eBS可以采用層3隧道將分組轉發到FLSE eBS。

層1交換可觸發AT向當前作為FLSE的eBS發送DAP移動請求。盡管DAP和FLSE最好位于相同的eBS，但是，我們并不希望過于頻繁地移動DAP功能，因為移動會造成DAP和AGW間更新負載的綁定，同時需要移動會話參考eBS。為避免這種情況，eBS通過對有關DAP移動請求頻率的屬性進行規定來引導AT。

網絡的設計實現了DAP移動或層3切換從層1切換中去耦合，從而使1層切換的發生頻率高于DAP移動。

2.5 AGW間切換

總的來說，網絡采用Mesh拓撲結構，若干eBS連接到單個AGW。相同路由集中的eBS應連接到相同的AGW。當路由集中增加的eBS連接到不同的AGW時，發生AGW間的切換。

AGW間切換如eBS間切換一樣輕松，不會發生數據中斷。AGW間不需要接口。無縫AGW間切換采用層2隧道機制，以“中斷前先建立”的模式實現，如圖4所示。

對于一個AGW間切換，不同AGW下相鄰eBS間建立層2隧道。在AGW間切換過程中，AT由一個DAP eBS提供，短期內eBS-AGW對間包含兩條PMIP隧道。此間，AT保持兩個AGW的兩個IP接口處于切換狀態。一旦AT和目標AGW間的通信穩定建立，路由集將擁有新的DAP eBS，而目標AGW將連接新的PMIP。

2.6 系統間切換

UMB網絡允許進行無縫系統間切換。例如，UMB和EV-DO網絡間可進行切換，而不會發生業務中斷。

對于一個系統間切換，雙模AT需協商一個EV-DO會話，建立一個PPP連接，并通過在AT和EV-DO無線接入網間建立鏈路層隧道支持，從而在UMB安裝一個TFT。雙模AT通過離調過程，監視EV-DO和UMB網絡無線接口上的信號，以進行1層切換。AGW可采用PMIP或客戶端移動IP建立與歸屬代理的連接，以進行3層切換。

2.7 尋呼設計和功能

UMB網絡設計中，尋呼功能更為簡單和輕便。不同于傳統的中心節點，基于BSC的尋呼的尋呼區為AT所有，SRNC通過單一的eBS追蹤AT的注冊來維護該功能。此過程描述如下：

(1) 當AT從連接態轉換到空閑態時，除了SRNC路由外，刪除所有路由。AT執行SRNC遠程注冊，包括AT從其注冊的最終地點移動了一個集距離以上時的重注冊。在這情況下，AT建立具有本地eBS的路由，將注冊信息傳遞給會話參考(SR)eBS。

(2) 如果分組到達時AT處于空閑態，DAP eBS向SR eBS發送尋呼請求，然后，SR eBS將該尋呼請求發送到最后注冊的eBS。SR eBS的尋呼要求最后注冊的eBS將尋呼請求傳遞到給定半徑范圍內的相鄰的eBS。換言之，SR eBS還通過將請求傳遞到最后注冊的eBS，從而為AT提供主要的尋呼支持。這樣，與SR eBS僅追蹤一個eBS即AT注冊的最后的eBS的方式相比，尋呼功能變得更為簡單。

3 結束語

扁平化架構的UMB解決方案是一種簡化的網絡設計，為帶寬密集業務提供了卓越的移動管理支持。采用扁平化的網絡架構，不需要集中BSC等網元，大大減少了互通所需的網絡節點數量。

無論是AT的eBS間、AGW間還是系統間轉換，UMB CAN都可實現無縫和快速的切換，同時最大限度地減少開銷。因此，合理的系統設計可為包括延時敏感應用在內的各種應用提供QoS。

網絡架構的設計盡可能地保持了無線接入網和核心網間接口的簡單。例如，避免了eBS間的連接態的協調或傳送，以及避免了與另一個eBS連接的分組進行翻譯，因此大大簡化了eBS間接口。

這樣還有助于運營商隨時對UMB網絡進行部署和擴展，并將促進多廠商的互通。

4 參考文獻

[1] 3GPP2 C.S0084-0 v 2.0. Ultra Mobile BroadbandTM (UMBTM) air interface specification [S]. 2007.

[2] 3GPP2 A.S0020. Interoperability Specification (IOS) for Ultra Mobile Broadband (UMB) radio access network interfaces [S]. 2007.

[3] Robust Header Compression (ROHC): Framework and four profiles: RTP， UDP， ESP， and uncompressed [R]. RFC 3095. 2001.

收稿日期：2008-02-04

作者簡介

Rao Yallapragada，博士畢業于亞特蘭大喬治亞理工大學。高通移動寬帶市場發展部高級總監。曾牽頭高通移動寬帶商業戰略的競爭分析工作，成功領導了CDMA2000技術的市場運作。