CDMA網(wǎng)絡(luò)接入EPC的關(guān)鍵技術(shù)分析

關(guān) 琳，謝沛榮

（中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院 廣州 510630）

1 引言

EPS是目前可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的方向，支持多種接入技術(shù)使之為整個(gè)移動(dòng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和網(wǎng)絡(luò)融合提供了一個(gè)新的平臺(tái)。EPS的目標(biāo)是“制定一個(gè)具有高數(shù)據(jù)率、低延遲、高安全和QoS、數(shù)據(jù)分組化、支持多種無(wú)線接入技術(shù)為特征的具有可移植性的系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)”。EPS定義了一個(gè)新的核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)——EPC（evolved packet core），支持不同網(wǎng)絡(luò)（如LTE、HSPA/HSPA+、非 3GPP等）的接入，非 3GPP接入網(wǎng)包括 CDMA的無(wú)線網(wǎng)絡(luò) HRPD、WLAN、WiMAX等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

CDMA的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)HRPD要支持和LTE互操作時(shí)必須要升級(jí)為eHRPD網(wǎng)絡(luò)。eHRPD網(wǎng)絡(luò)接入EPC的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

CDMA網(wǎng)絡(luò)接入EPC核心網(wǎng)由于涉及3GPP和3GPP2兩大標(biāo)準(zhǔn)組織之間協(xié)議和規(guī)范的轉(zhuǎn)換，需要一些特別的關(guān)鍵技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)，本文將對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹，從而分析得出CDMA網(wǎng)絡(luò)在接入EPC時(shí)如何實(shí)現(xiàn)3GPP2和3GPP技術(shù)的轉(zhuǎn)換和承接。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 承載管理

eHRPD與EPC/LTE網(wǎng)絡(luò)中都有承載的概念，但二者是有區(qū)別的。eHRPD接入EPC時(shí)，UE和eAN之間為無(wú)線承載，在eAN與HSGW之間仍然使用HRPD的承載概念，如主A10連接、輔A10連接，HSGW到P-GW之間為PMIP隧道。UE通過(guò)eHRPD接入EPC的某個(gè)PDN連接服務(wù)由無(wú)線承載、HSGW到eAN之間的A10連接及HSGW和PDN GW之間的IP連接串聯(lián)組成。

UE通過(guò)LTE的E-UTRAN接入EPC的某個(gè)PDN連接服務(wù)有以下兩種情況：當(dāng)EPC網(wǎng)絡(luò)S5/S8接口基于GTP時(shí)，服務(wù)由一條EPS承載提供，1個(gè)EPS承載串聯(lián)了1個(gè)無(wú)線承載、1個(gè)S1承載和1個(gè)S5/S8承載；當(dāng)S5/S8接口基于PMIP時(shí)，服務(wù)由1條EPS承載串接1條S-GW到PDN GW之間的PMIP隧道提供，其中EPS承載串聯(lián)了1個(gè)無(wú)線承載和1個(gè)S1承載。

承載與QoS是密切相關(guān)的，不同的承載能夠提供不同的QoS應(yīng)用。HSGW提供3類承載，分別針對(duì)不同QoS要求的數(shù)據(jù)流。

（1）BE 數(shù)據(jù)流的承載

SO72輔連接承載無(wú)HDLC封裝的BE業(yè)務(wù)流，支持?jǐn)?shù)據(jù)流的聚合承載。SO59主連接可用于承載具有HDLC封裝的BE業(yè)務(wù)流，支持?jǐn)?shù)據(jù)流的聚合承載。

（2）實(shí)時(shí)性QoS的數(shù)據(jù)流承載

SO64輔連接承載帶HDLC封裝的數(shù)據(jù)流，支持多個(gè)PDN的承載聚合。

（3）高實(shí)時(shí)性QoS數(shù)據(jù)流承載

SO67輔連接承載無(wú)HDLC封裝數(shù)據(jù)流，不進(jìn)行數(shù)據(jù)流的聚合承載。

UE和eAN之間以及eAN與HSGW之間仍然使用flow profile ID、flowID等HRPD的QoS概念。UE至HSGW之間的數(shù)據(jù)流承載模型如圖2所示。

如：用戶的應(yīng)用1屬于 PDN-1，采用 IP Flow 1；應(yīng)用 2屬于PDN-2，采用IP Flow 2。上行數(shù)據(jù)由UE映射到RLP Flow 1的無(wú)線承載中去，eAN再通過(guò)承載聚合，IP Flow 1及IP Flow 2都綁定到SO72的A10連接上。HSGW根據(jù)不同的TFT模板，如：IP Flow 1對(duì)應(yīng)的TFT-1，IP Flow 2對(duì)應(yīng)的 TFT-2，將用戶應(yīng)用 1映射到 PDN-1，應(yīng)用2映射到PDN-2。下行數(shù)據(jù)流由HSGW完成IP流到A10連接的映射。

由上述分析可知，eHRPD接入EPC網(wǎng)絡(luò)的承載管理實(shí)現(xiàn)流程為：由用戶發(fā)起具有特定QoS要求的應(yīng)用，UE將其匹配為相應(yīng)的flow profile ID、flowID，再由UE及HSGW分別完成上行無(wú)線承載及下行A10連接的映射，從而為不同的QoS應(yīng)用提供不同的承載保證。

2.2 多PDN連接服務(wù)

PDN的概念首先是在EPS中提出的，指提供UE和PLMN的外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的IP連接，稱為PDN連接服務(wù)。HRPD中并沒(méi)有PDN的概念，PDN是eHRPD中引入的，參考EPS的標(biāo)識(shí)，eHRPD中的PDN也采用APN來(lái)標(biāo)識(shí)，UE必須配置APN，缺省的PDN可以不配置APN。

隨著業(yè)務(wù)種類的豐富，UE同時(shí)建立多個(gè)PDN連接的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，而HRPD不支持多PDN連接，給業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)帶來(lái)極大不便。eHRPD接入EPC后支持多PDN連接。

要支持多PDN連接，UE及其他網(wǎng)元必須增加相應(yīng)功能。首先，由于每個(gè)PDN連接都會(huì)給用戶分配IP地址，因此為了支持多PDN，UE必須支持多IP地址。其次，在建立PDN連接時(shí)，由UE分配PDN ID來(lái)表示某個(gè)PDN連接。UE和HSGW之間的PPP協(xié)商過(guò)程中，由于加入了PDN ID來(lái)標(biāo)識(shí)不同的PDN連接，因此UE和HSGW必須支持VSNCP。

在多PDN連接服務(wù)中，eHRPD與LTE接入有一個(gè)顯著不同點(diǎn)：eHRPD中可以把不同PDN服務(wù)的IP流復(fù)用在一個(gè)RLP和A10承載中，使用PDN ID來(lái)區(qū)分；而LTE不支持多PDN的承載復(fù)用，不同PDN的業(yè)務(wù)流只能放在不同的承載中。

圖3是多PDN連接及承載復(fù)用的實(shí)現(xiàn)流程，以將多個(gè)PDN連接的BE數(shù)據(jù)流綁定到SO59主連接上為例。

由以上流程可知，實(shí)現(xiàn)多PDN連接及承載復(fù)用流程主要為：終端發(fā)起eHRPD會(huì)話建立請(qǐng)求后，首先eAN/PCF為用戶向HSGW請(qǐng)求建立SO59的主A10承載，此時(shí)終端通過(guò)VSNCP消息協(xié)商，發(fā)起到默認(rèn)PDN的連接，并與HSGW完成VSNCP的相互協(xié)商，HSGW為用戶建立到默認(rèn)PDN GW的PMIP隧道，并向終端指示相應(yīng)的PDN連接建立成功。然后終端發(fā)起額外的PDN連接請(qǐng)求，同樣與HSGW完成VSNCP消息協(xié)商，HSGW為用戶建立到指定PDN GW的PMIP隧道，并向終端指示相應(yīng)的PDN連接建立成功。默認(rèn)PDN GW的數(shù)據(jù)發(fā)送給HSGW，HSGW將數(shù)據(jù)流匯聚到主A10承載上。指定PDN GW的數(shù)據(jù)發(fā)送給HSGW，HSGW將數(shù)據(jù)流匯聚到主A10承載上。HSGW將會(huì)話的數(shù)據(jù)流通過(guò)主A10承載發(fā)送給eAN/PCF。不同PDN上的數(shù)據(jù)流通過(guò)GRE封裝報(bào)頭前面的PDN-ID字段進(jìn)行指示。

由以上分析可知，支持多PDN接入是eHRPD區(qū)別于HRPD的一個(gè)重要特征，eHRPD網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)承載復(fù)用技術(shù)將多個(gè)PDN連接的IP流放入一個(gè)承載中進(jìn)行傳輸。要實(shí)現(xiàn)多PDN接入技術(shù)，UE和HSGW都需要增加功能和協(xié)議棧。

2.3 PMIPv6技術(shù)

代理移動(dòng) IPv6（PMIPv6）是移動(dòng) IP（MIP）技術(shù)的一種。移動(dòng)IP技術(shù)的初衷是解決便攜式計(jì)算機(jī)在游牧環(huán)境下的即插即用問(wèn)題，隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，MIP技術(shù)也被用于保證終端在移動(dòng)環(huán)境下（特別是切換時(shí)）的通信不中斷。在eHRPD系統(tǒng)中，無(wú)線接入網(wǎng)通過(guò)使用PMIPv6的S2a接口與PDN-GW連接，從而接入EPC核心網(wǎng)。

PMIPv6協(xié)議主要包括本地移動(dòng)錨點(diǎn)（LMA）與移動(dòng)接入網(wǎng)關(guān) （MAG）兩個(gè)功能實(shí)體。其中，LMA相當(dāng)于PMIPv6域中的家鄉(xiāng)代理（HA）網(wǎng)元，負(fù)責(zé)維護(hù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)家鄉(xiāng)地址（MN-HoA）與代理轉(zhuǎn)交地址（Proxy-CoA）間的綁定關(guān)系。而MAG則代替移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向LMA進(jìn)行注冊(cè)登記。利用PMIPv6協(xié)議，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)無(wú)需支持移動(dòng)IP協(xié)議，即可實(shí)現(xiàn)在跨MAG切換時(shí)保持IP地址不變。PMIPv6架構(gòu)如圖4所示。

在實(shí)際的eHRPD網(wǎng)絡(luò)中，MAG功能實(shí)體位于HSGW網(wǎng)元中，LMA功能實(shí)體位于PDN-GW中。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)1在eHRPD網(wǎng)絡(luò)附著注冊(cè)時(shí)，HSGW/MAG1通過(guò)接入認(rèn)證過(guò)程可獲取移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的惟一標(biāo)識(shí)及移動(dòng)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的PDN-GW/LMA1地址，然后HSGW/MAG2構(gòu)造含MN標(biāo)識(shí)與Proxy-CoA1地址的注冊(cè)消息，并發(fā)送至MN對(duì)應(yīng)的PDN-GW/LMA1；PDN-GW/LMA1為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分配MN-HoA1并通過(guò)注冊(cè)確認(rèn)消息告知HSGW/MAG1；后者則通過(guò)路由通告（RA）消息把MN-HoA1告知MN1。

在代理移動(dòng)IP注冊(cè)完成后，LMA1就把MN1的MN-HoA1地址與MAG1的Proxy-CoA1地址進(jìn)行了綁定，任何目標(biāo)地址為MN-HoA1的IP包都會(huì)經(jīng)由LMA1與MAG1間的隧道最終發(fā)送給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)MN1位置發(fā)生變動(dòng)，從MAG1服務(wù)區(qū)切換到MAG2服務(wù)區(qū)時(shí)，MAG2會(huì)使用MN-HoA1與Proxy-CoA2再次向LMA1發(fā)起PMIPv6注冊(cè)請(qǐng)求，LMA1在刷新MN-HoA1與Proxy-CoA2的綁定關(guān)系后將返回確認(rèn)信息。此后，LMA1收到的目標(biāo)地址為MN-HoA1的數(shù)據(jù)包都會(huì)經(jīng)由MAG2與LMA2間的隧道轉(zhuǎn)送至移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。

PMIPv6對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)是完全透明的，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)無(wú)需支持移動(dòng)IP協(xié)議棧與相關(guān)的MIP客戶端功能，而是由MAG代理MN完成MIP相關(guān)的所有操作。PMIPv6原來(lái)只能在IPv6環(huán)境下使用，后來(lái)通過(guò)擴(kuò)展又實(shí)現(xiàn)了對(duì)終端與傳輸網(wǎng)絡(luò)的IPv4支持。

通過(guò)PMIPv6協(xié)議，HSGA/MAG把移動(dòng)節(jié)點(diǎn)錨定在一個(gè)相對(duì)固定的PDN-GW/LMA上，一方面保證了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)跨MAG切換時(shí)通信的連續(xù)性，另一方面也使得eHRPD網(wǎng)絡(luò)能接入到EPC系統(tǒng)中。

2.4 QoS轉(zhuǎn)換與映射

eHRPD與EPC系統(tǒng)使用的是兩套截然不同的QoS參數(shù)，因此在接入EPC時(shí)，需要進(jìn)行QoS的轉(zhuǎn)換與映射。

eHRPD網(wǎng)絡(luò)使用Flow Profile ID來(lái)標(biāo)識(shí)業(yè)務(wù)流的QoS。Flow Profile ID相當(dāng)于QoS索引，每一個(gè)Flow Profile ID都對(duì)應(yīng)一組詳細(xì)的QoS參數(shù)，如Flow Profile ID為0表示BE類業(yè)務(wù)；Flow Profile ID為5表示保證速率為32 kbit/s，時(shí)延小于100 ms，丟包率小于1%的業(yè)務(wù)流。具體的Flow Profile ID參數(shù)與具體QoS的映射關(guān)系在3GPP2 C.R1001-F中定義。

在 EPS 中標(biāo)識(shí) QoS 采用的是 QCI、ARP、MBR、GBR、MBR與AMBR。

QCI（QoS等級(jí)標(biāo)識(shí)）是EPS系統(tǒng)中最重要的QoS參數(shù)。EPS系統(tǒng)中的每一個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流（SDF）都與一個(gè)QCI相關(guān)聯(lián)，同一IP-CAN會(huì)話內(nèi)與相同的QCI與ARP相關(guān)聯(lián)的多個(gè)SDF組成一個(gè)SDF集合。QCI參數(shù)用于控制分組包的轉(zhuǎn)發(fā)處理，如調(diào)度權(quán)重、準(zhǔn)入門(mén)限、排隊(duì)管理門(mén)限、鏈路層協(xié)議配置等。

ARP（分配與保持優(yōu)先級(jí)）參數(shù)決定了在資源受限情況下系統(tǒng)是接受還是拒絕承載建立或修改請(qǐng)求。參數(shù)GBR（保證比特速率）代表了預(yù)期能夠由GBR承載提供的比特速率，參數(shù)MBR（最大比特速率）則限制了GBR承載能提供的比特速率，它表示了GBR承載提供期望數(shù)據(jù)速率的上限。參數(shù)AMBR（匯聚最大比特速率）限制了共享AMBR這一參數(shù)的所有承載所能提供的總速率。

表1是3GPP定義的標(biāo)準(zhǔn)QCI特性，其中：

資源類型用來(lái)決定與業(yè)務(wù)或者承載級(jí)別的GBR值相關(guān)的專有網(wǎng)絡(luò)資源能否被恒定地分配；

優(yōu)先級(jí)用來(lái)區(qū)分相同UE的SDF集合，也用來(lái)區(qū)分不同UE的SDF集合，每個(gè)QCI都與一個(gè)優(yōu)先級(jí)相關(guān)聯(lián)，優(yōu)先級(jí)1是最高的優(yōu)先級(jí)別；

數(shù)據(jù)包時(shí)延預(yù)算 (PDB)用于表示數(shù)據(jù)包在UE和PDN-GW之間可能被延遲的時(shí)間，引入PDB參數(shù)的目的是支持時(shí)序和鏈路層功能的配置；

數(shù)據(jù)包丟失率(PLR)定義為已經(jīng)被發(fā)送端鏈路層處理但沒(méi)有被接收端成功傳送到上層SDU的比率，因此，PLR參數(shù)實(shí)際上體現(xiàn)了非擁塞情況下數(shù)據(jù)包丟失率的上限。

在互操作過(guò)程中，3GPP2規(guī)定由HSGW進(jìn)行兩種不同QoS參數(shù)的轉(zhuǎn)換，由HSGW維護(hù)3GPP2的Flow Profile ID 與 3GPP的 QoS三元組間的映射關(guān)系。

表1 標(biāo)準(zhǔn)QCI特性

在eHRPD與EPC兩套QoS參數(shù)映射過(guò)程中，需遵循以下原則。

（1）EPC QoS參數(shù)向eHRPD QoS參數(shù)映射時(shí)

基于業(yè)務(wù)的相似性做3GPP QCI與3GPP2 Flow Profile ID的關(guān)聯(lián)，如圖5所示，對(duì)于與某QCI關(guān)聯(lián)的多個(gè)Flow Profile ID，根據(jù)3GPP中GBR值選取速率適合的Flow Profile ID。

（2）eHRPD QoS參數(shù)向EPC QoS參數(shù)映射時(shí)

根據(jù)3GPP2 Flow Profile ID特性選擇相關(guān)聯(lián)的3GPP QCI，根據(jù)3GPP2 Flow Profile ID的速率確定3GPP GBR。

在3GPP與3GPP2標(biāo)準(zhǔn)中，eHRPD系統(tǒng)接入EPC時(shí)，QoS參數(shù)的轉(zhuǎn)換都在HSGW網(wǎng)元進(jìn)行。這種方式在實(shí)際部署實(shí)施時(shí)缺點(diǎn)很明顯：一方面對(duì)HSGW的功能要求較高，需要每個(gè)HSGW都去做QoS轉(zhuǎn)換；另一方面也不利于QoS的策略集中管控，在較分散放置的每個(gè)HSGW上分別做轉(zhuǎn)換規(guī)則配置管理，大大增加了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)難度。

對(duì)此，建議把QoS參數(shù)映射功能統(tǒng)一到由PCRF（策略與計(jì)費(fèi)規(guī)則功能）執(zhí)行。PCRF網(wǎng)元在網(wǎng)絡(luò)中放置較為集中，由PCRF配置QoS參數(shù)轉(zhuǎn)換規(guī)則能大大降低維護(hù)難度與成本。此外，按照網(wǎng)絡(luò)融合的趨勢(shì)，PCRF將是所有接入網(wǎng)絡(luò)的策略管控網(wǎng)元，PCRF承擔(dān)QoS轉(zhuǎn)換工作也可以極大減輕現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)改造難度。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著CDMA產(chǎn)業(yè)鏈的不斷萎縮，CDMA運(yùn)營(yíng)商未來(lái)將向3GPP陣營(yíng)靠攏似乎是業(yè)界的趨勢(shì)，EPS的出現(xiàn)給這一發(fā)展道路帶來(lái)了曙光。CDMA網(wǎng)絡(luò)如何接入EPC，從而完成網(wǎng)絡(luò)的融合和整合，是CDMA運(yùn)營(yíng)商極為關(guān)心的問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)CDMA接入EPC的一些關(guān)鍵技術(shù)的分析，闡明了網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)和平滑過(guò)渡中一些重要問(wèn)題的解決途徑。

1 3GPP TS 23.402.Architecture enhancements for non-3GPP accesses(Release 8)

2 3GPP TS 29.275.Proxy mobile IPv6(PMIPv6)based mobility and tunnelling protocols,Stage 3(Release 8)

3 3GPP TS 23.203.Policy and charging control architecture（Release9）

4 3GPP2 A.S0022-0.Interoperability specification(IOS)for evolved high rate packet data(eHRPD)radio access network interfaces and interworking with enhanced universal terrestrial radio access network(EUTRAN)

5 3GPP2X.S0057-0E-UTRAN-eHRPD.Connectivityandinterworking:core network aspects

6 3GPP2 C.R1001.Administration of parameter value assignments for cdma2000 spread spectrum standards

7 IETF RFC5213.Proxy mobile IPv6