IPRAN 技术

IP-RAN 接入技术RAN的全ip化是UMTS实现全IP架构过程的一部分。

在RAN中，最重要的功能之一就是移动性管理。

原有的基于ATM的移动性管理技术在全IP的RAN架构中并不适用。

在分析全IP的RAN架构中对移动性管理的新的要求基础上，提出了结合MPLS技术和移动IP技术来解决移动性管理的新的开放的应用架构，并且描述了在这种应用架构下移动IP的协议过程；简要分析了这种应用架构带来的好处，提出还需要改进的地方和实现的技术难点。

关键词：移动IP；IP-RAN；MPLS；LSP一、引言从GPRS过渡而来的UMTS系统将系统分为2个部分：无线接入网路（RAN）部分和核心网部分。

传统的RAN的底层承载采用ATM 技术。

但是，整个UMTS体系有向全IP方向发展的趋势，RAN的全IP化过程也是其中的一部分。

在RAN中，最为重要的功能之一是移动性管理。

传统的移动性管理技术是基于ATM技术来实现，其基本过程为：(1)如果UE（用户设备）在同一个RNC的不同NODE B之间移动，RNC 控制旧NODE B释放原有无线链路，同时控制当前NODE B建立新的无线链路。

RNC将切换期间的数据缓存，导入到新的无线链路中传送给UE，达到无损的链路切换；(2)如果UE在不同的RNC的不同NODE B之间移动，由当前RNC 负责控制当前NODE B建立新的无线链路，原RNC负责控制旧的NODEB拆除原有无线链路。

原RNC将切换期间的数据通过Iur接口传送到当前RNC中，再由当前RNC传送给UE，达到无损的链路切换。

由此可见，Iur和Iub是解决UE的移动性管理的重要的接口，而且这种移动性管理是通过链路的无损切换（通过复杂的信令保证）达到的，所以也称为第二层移动性管理技术。

当RAN过渡到全IP的架构时，如果仍然采用第二层的移动性管理技术就需要将传统移动性管理的相关信令从基于ATM的信令改为基于IP的信令，同时要采取复杂的协议确保信令传输的可靠性与实时性，这样会使得移动性管理的架构变得很复杂，而且信令的开销很大。

另一方面，由于在未来的UMTS全IP结构中，接入网部分不光是WCDMA接入网，而且还可能是WLAN等其他无线接入网络［２］。

原有的第二层移动性管理并不能解决不同接入技术的网络之间的互通性问题，也就是说，多模UE从其他网络移动到RAN中时，会导致通信的中断。

移动IP［６］是一种新的解决主机移动性计算的技术。

它是在简单IP的网络层增加路由策略，以较小的信令开销解决移动性问题，而且由于它屏蔽了底层网络的异质性，这就增加了与其他接入网络的互通能力。

因此采用移动IP来解决RAN中的移动性管理是一个很好的想法。

但是，在传统的移动IP结构中，当UE移动时，需要重新向家乡代理和通信节点（CN）进行注册。

如果访问网络距离家乡网络较远，而且链路状况不好时，需要很长的时间完成重新注册过程；在相邻的外地网络之间移动时，则需要较长时间完成转交过程。

此外，传统的移动IP并没有安全方面的措施。

这对电信级的服务来说是不能容忍的。

因此，移动IP不适合直接应用于RAN中。

目前有研究机构提出了对移动IP的改进措施，通过分层外地代理结构和快速转交过程［７］来解决访问网络较远时的注册问题和UE在相邻外地网络之间移动时的快速、可靠的转交问题。

但是，这些应用方案依然达不到通信的电信级服务要求。

在3GPP的R5架构中［３］，建议采用MPLS来架构RAN，这也是符合UMTS全IP化的要求。

该结构中，充分利用了MPLS技术能够提供一定的通信的QoS的特点，来传输NODE B和对应的RNC之间的信令和用户数据。

但是，其中的移动性管理依然采用的是基于链路层的技术。

本文在R5标准的RAN架构的基础上，提出了结合MPLS和经过优化的移动IP技术来解决其中的移动性问题的方案，用来替代传统的基于第二层的移动性管理技术。

这里主要是对移动IP的应用架构进行研究，具体的信令格式不在本文研究范围内。

二、应用移动IP的基于MPLS的RAN架构利用MPLS技术构造一个RAN的框架结构如图1所示。

在逻辑上，RNC1管理NODE B1和NODE B2，RNC2管理NODE B3。

在该架构中，NODE B作为LER（标签边缘路由器），RNC和中间路由器作为LSR（标签交换路由器），另外设置一个网关路由器作为LER。

当然，也可以在几个RNC中推选出一个RNC作为网关路由器，所有域内的RNC通过该网关路由器与核心网SGSN相连接。

各个RNC之间是直接连接的，它们之间的通信不通过网关路由器。

在该架构中，我们采用分层的移动IP应用框架。

RAN中各个网络实体充当的功能是：NODE B作为最低一级的FA（也称为本地外地代理）；RNC作为二级FA；网关路由器作为最高级FA（简称FAG）。

三、MPLS协议配置在MPLS域中配置LSP（标签交换路径）可以有2种方式：静态方式和动态方式。

因为在RAN中，NODE B和RNC、RNC和RNC之间是逻辑上关联的［１］。

为了简化LSP的配置开销，我们采用静态配置的LSP通道来连接NODE B和RNC、RNC和RNC。

根据具体的通信的需要，本文提供了２种可选的配置模式：基本配置模式和增强配置模式。

1．基本配置模式因为LSP本身是单向通道，同时也是适应了IP业务的非对称性的特点，所以我们在任意两点之间需要配置一对LSP通道（上行和下行）。

又因为RAN中的信令和数据要求的QoS不一样，所以这里对信令和数据建立各自的LSP通道。

考虑到NODE B和RNC之间的Iub接口，RNC和FAG之间的Iu接口，RNC和RNC之间的Iur接口中的信令是不同的，所以我们将信令通道分段实现，这样可以增加RAN中信令的灵活性,而数据通道是直接连接FAG和每一个NODE B（其中经过相应的RNC）。

具体的信令通道和数据通道的配置如表1和表2所描述。

2.增强配置模式在UMTS中，用户的服务质量(QoS)是在用户PDP上下文激活过程中确定的［４］。

UMTS将用户要求的QoS分为4类：会话类别、流类别、交互类别、背景类别。

每个类别服务的QoS参数是不一样的：时延的敏感性、时延抖动的敏感性、丢报率的要求等等［５］。

所以需要对这四类的服务分别对待。

增强配置模式是在基本配置模式的基础上加以改进：信令通道的LSP配置保持不变，每个NODE B和FAG之间的上行的数据通道由一条改为4条，分别对应４类不同的服务质量（包括带宽的预留、处理优先级等）。

下行LSP通道也相应地改为４条。

无论在基本配置模式还是增强配置模式中，所有在同一个NODE B中的UE共享上行数据通道和下行数据通道。

下面，基于基本配置模式来描述改进的移动IP的协议流程。

四、移动IP的协议流程这里只是描述RAN中的有关移动IP的协议流程，而UE的其他信令流程，如PDP上下文激活过程的相关信令仍然走以上的LSP信令通道，具体不在本文研究范围内。

假设每个NODE B必须知道域中的FAG的地址。

在NODE B的定时路由器广播中，NODE B会通知UE该域中FAG的地址信息和NODE B本身的地址信息。

FAG地址的作用用来充当UE的COA（临时转交地址）。

下面我们从信令过程和数据传送过程对移动IP在IP-RAN中的应用作一个详细的描述。

1.移动IP的信令过程在移动IP中，最为关键的信令过程有2个，一个是注册过程，另一个是转交过程。

下面的信令过程中包含这两个方面。

(1)UE从外部进入NODE B1(2,3)范围UE从接收到的NODE B1发送的路由器广播信息中知道NODE B1的地址信息，发现是进入异地网络，并且从该路由器广播信息中获得FAG地址。

UE会发送注册请求信息给NODE B1(注册信息请求中，包含有UE的静态家乡地址，如10.1.1.1，并将FAG地址作为COA)，NODE B1接收到注册请求信息后，将UE家乡IP地址和对应的无线信道绑定，形成转发路由表，如表3所示。

然后将注册请求信息加上NODE B1的地址通过S-LSP5信令通道中传送到RNC1中，RNC1检查该注册请求信息，发现在路由表没有有关UE的绑定信息，则认为UE是从外部进入RNC1范围的。

RNC1修改转发路由表，添加UE的绑定。

具体路由表参见表4所示(1'是LSP1在该路由器的入口标签，非实际的标签值,下同)。

RNC1将注册请求信息再加上RNC1的地址通过S-LSP1信令通道送给FAG，FAG检查转发路由表中没有UE相关绑定,认为是UE从外部网络进入RAN中。

FAG将注册请求信息后发送给家乡代理,当家乡代理将注册响应信息送给FAG后，FAG将该响应信息放入S-LSP2信令通道中送给RNC1。

同时，FAG在转发路由表中添加对UE的绑定。

FAG 的路由表如表5所示。

RNC1通过S-LSP6将注册响应信息送给NODE B1，NODE B1最后将该信息通过无线信道送给UE。

注册过程完成。

如果FAG收到家乡代理的注册拒绝信息，则通知RNC1和NODE B1删除关于UE的绑定信息。

NODE B1通知UE注册被拒绝，然后NODE B1释放相应的无线链路。

(2) UE从NODE B1范围移动到NODE B2范围UE从接收到的NODE B2发送的路由器广播信息中判断出已经进入一个异地网络。

UE发送注册请求信息给当前NODE B2,NODE B2在转发路由表中添加对UE的绑定，转发路由表与NODE B1的形式相同（具体略）。

同时NODE B2将注册请求信息通过信令通道S-LSP7中送给RNC1,RNC1发现有关UE以前的绑定信息（UE和LSP1,2的绑定，参见表4）。

于是，RNC1代替家乡地址产生一个注册响应信息，并通过S-LSP8传给NODE B2，同时更新自己的路由表项，将UE重新绑定到LSP3、4中，NODE B2通过无线信道将注册响应信息送给UE。

同时RNC1通过S-LSP6通知NODE B1删除关于UE的绑定，释放相关的无线链路。

并且通过S-LSP1通知FAG修改相应的路由信息，FAG在转发路由表中将UE绑定到LSP4上。

这样对于UE的家乡代理和CN来说，UE没有移动。

(3) UE从NODE B1范围移动到NODE B3范围UE从接收到的NODE B3发送的路由器广播信息中判断出已经进入一个异地网络。

UE发送注册请求信息给当前NODE B3，NODE B3在转发路由表中添加对UE的绑定，转发路由表与NODE B1的形式相同（具体略）。

同时NODE B3将注册请求信息添加自己的地址后放在信令通道S-LSP9中送给RNC2，RNC2发现没有有关UE以前的绑定信息。

所以认为UE是从外地进入RNC2，RNC2将自己的地址添加到注册请求信息中通过信令通道S-LSP3送给FAG。