探讨核心网中侧Iu接口的实现方法

　　摘要：为使UTRAN接入CN,3G的标准化组织3GPP定义了UTRAN与CN之间的接口,称为Iu接口。该接口用于传送无线接入承载管理信息和用户业务数据,实现对宽带用户的支持。该接口为开放标准接口。在3GPPR99和R4版本中,Iu接口采用ATM承载。随着IP技术的发展,传输网络正逐渐向IP体制演变,从R5版本后,Iu接口也引入了IP承载方式,包括IPv4和IPv6两种协议。本文对基于IP的Iu接口进行了剖析,并提出了核心网侧Iu接口的一种实现方案。
　　关键词：Iu接口;SCTP;M3UA;SCCP;RANAP;IuUP
　　
　　1Iu接口协议研究
　　1.1Iu接口定位
　　Iu接口作为CN与UTRAN之间唯一的通信渠道,在3G系统中的定义如图1所示。
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　　Iu接口核心网侧分为3个域:Iu-CS(电路交换域)、Iu-PS(分组交换域)和Iu-BC(广播域),一个CN可以与若干个RNC(无线网络控制器)连接。Iu-CS为电路域MSC与RNC之间的接口,实现电路域AMR语音、可视电话流媒体业务的支持;Iu-PS为分组域SGSN与RNC之间的接口,实现分组域数据流业务的支持;Iu-BC实现小区广播功能。Iu-CS和Iu-PS是完全独立的2部分,分别定义了不同的协议栈,二者之间不存在接口关系。Iu-CS和Iu-PS采用相同的协议架构,从传输层次上分为传输网络层和无线网络层;从功能上分为控制面和业务面。Iu-BC只有一个平面,同时包含控制面信
　　息和用户面信息。
　　1.2IP体制下Iu接口协议结构
　　如图2所示,在IP体制下,Iu-CS和Iu-PS的控制面协议由SCTP(StreamControlTransportProtocol)、M3UA(SS7MessageTransferPart3UserAdaptationLayer)、SCCP(SS7SignallingConnectionControlPart)和RANAP(RadioAccessNetworkApplicationPart)构成。Iu-CS用户面协议由UDP、RTP(Real-TimeTransportProtocol)和IuUP(UserPlane)构成,Iu-PS用户面协议由UDP、GTP-U和IuUP构成。
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　　1.2.1控制面无线网络层协议
　　RANAP是Iu接口的信令协议,包含所有针对无线网络层的控制消息,通过传输网络层提供的无连接服务和面向连接服务进行传输。Iu接口信令协议主要包括RAB管理、MS移动性管理、寻呼和NAS(NonAccessStratum)消息透明传递等功能。RANAP的功能通过各种基本过程(EP)实现,每个功能包含一个或多个EP。从消息的传送方式上看,基本过程可以分为
　　2类:面向连接型和无连接型。前者在属于特定UE的专用信令连接上传送,后者在公共的信令连接上传送。
　　基本过程从应答方式上分为3类:
　　①CLASS1:有应答(成功/失败)。本类型基本过程包含成功应答和失败应答。“失败”是指过程执行失败并收到对端失败应答或者定时器超时而未收到应答;
　　②CLASS2:无应答。本类型基本过程总被假定为成功执行;
　　③CLASS3:多应答(1个或多个应答)。本类型基本过程包含多个应答。
　　1.2.2控制面传输网络层协议
　　SCCP为CN和RNC之间的传输信令提供通道,SCCP支持多个用户部分,其中包含RANAP。在Iu接口上SCCP提供0类无连接业务和2类面向连接业务。无连接型EP通过0类业务实现,面向连接型EP通过2类业务实现。M3UA由IETFSIGTRAN(信令传输工作组)提出,对SS7的MTP3消息进行适配。M3UA支持任何SS7的MTP用户部分(如SCCP等),通过M3UA使得MTP的用户部分可以实现在IP上等同于在SS7上的无缝操作。SCTP由IETFSIGTRAN提出,用于在低层不保证可靠传输的IP网络上,通过自身的证实和重发机制保证用户数据在2个SCTP端点间无差错、无重复地可靠传输,是一种可靠的通用传输层协议。采用此协议可以保证Iu接口控制面信令M3UA的可靠性、完备性和正确性。
　　1.2.3用户面协议
　　IuUP(用户平面)位于Iu接口用户平面的无线网络层,用来传输和无线接入承载捆绑的用户数据。IuUP有2种运行模式:透明模式和支持模式。在透明模式下,高层应用要求IuUP只传输用户数据而无其他特殊要求,协议不进行任何成帧和控制操作,只在高层和传输层之间透明地传输用户数据,例如CS域的可视电话和PS域的分组数据业务等。支持模式目前只定义了预定义SDU(ServiceDataUnit)大小一种模式,用户平面按照预先定义的大小分段用户数据分成数据段,并完成用户数据的过程控制(如初始化、速率控制等),例如CS域的AMR(自适应多速率声码器)话音业务。
　　2核心网侧Iu接口实现方案
　　2.1业务处理流程
　　2.1.1CS域业务处理流程
　　CS域业务处理流程如下:
　　①CS域终端用户通过控制面完成位置更新、TMSI(TemporaryMobileSubscriberIdentity)分配和鉴权认证,实现终端的入网注册;
　　②CN侧RANAP向RNC发送RAB指派请求(RadioAccessBearerASSIGNMENTREQUEST),包括RAB的各项参数和用户平面信息,同时启动一个IuUP的实例;
　　③RNC根据RAB指派请求中的参数建立无线信道,划分RAB子流,分配RFCI(RABsubFlowCombinationIndicator),根据BindingID(IP地址和UDP端口号)和业务相关信息,创建IuUP实例;
　　④RNC的IuUP通过类型为14的PDU(ProtocolDataUnit)向CN发送Initialisation(包括IuUP版本号、RFCI、SDU大小等);
　　⑤CN对这些参数和业务支持能力进行确认,向RNC发送InitialisationACK;
　　⑥RNC向CN发送RAB指派响应(RABASSIGNMENTRESPONSE),其中包含RNC的业务面IP和UDP端口号。完成连接建立,实现业务通信。
　　2.1.2PS域业务处理流程
　　PS域业务处理流程如下:
　　①PS域终端用户通过控制面完成MS的GPRS附着、PTMSI分配和鉴权认证,实现PS域终端用户的入网注册;
　　②CN侧RANAP向RNC发送RAB指派请求,包括RAB参数(如TEID、上下行速率、误码率、GTP开始序号等),同时启动一个IuUP的实例;
　　③RNC根据RAB指派请求中的参数建立无线信道,向SGSN发送RAB响应(包括RNC的IP和TEID)。完成GTP隧道建立,实现分组业务通信。
　　2.2方案系统结构
　　Iu接口的实现涉及到多种协议、多种编码方式(如RANAP的ASN.1PER、SCCP的F/V/O指针编码等)及协议间的交互流程。基于上述研究,方案采用模块化设计,其结构组成如图3所示。
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　　系统分为6个子系统:维护子系统、RANAP子系统、SCCP子系统、M3UA子系统、SCTP子系统和IuUP子系统。图中虚线部分为核心网中与Iu接口之间存在交互关系的功能模块。
　　2.2.1维护子系统
　　维护子系统负责Iu接口的维护和管理,维护子系统本身并不是Iu接口协议的功能实体,但维护子系统是保证整个Iu接口运行的支撑部分,完成其他子系统的初始化、参数配置和Iu接口运行状态监视。
　　2.2.2RANAP子系统
　　RANAP子系统负责ASN.1PER编解码、协议数据合法性处理、流量控制、寻呼、复位、安全模式控制、迁移、用户面资源指派和NAS消息承载等。本子系统是Iu接口控制面与高层处理(CC&MM和SGSN)的接口层,是Iu接口对外功能的表现部分。RANAP子系统根据注册实例的ID确定其服务对象(CS或者PS),实现Iu-CS和Iu-PS在逻辑上的分离。采用实例注册方式,RANAP子系统支持多个RNC的接入,而且根据需要,可以实现Iu-CS和Iu-PS物理上的分离与合并。实例ID对应关系如表1所示。
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　　2.2.3SCCP子系统
　　SCCP子系统完成对RANAP子系统的承载和透明传递。SCCP子系统实现基本无连接类业务(即0类无连接业务,不需要消息按顺序传递)对RANAP子系统中无连接EP的支持,基本面向连接类业务(即2类有连接业务)完成对RANAP子系统中面向连接EP的支持。SCCP子系统由面向连接控制(SCOC)、无连接控制(SCLC)和路由控制(SCRC)3个功能模块共同完成。本子系统中SCCP寻址方式采用SSN寻址方式。
　　2.2.4M3UA子系统
　　M3UA子系统完成对SCCP的承载。M3UA子系统由发送消息处理、接收消息处理、路由关键字管理和AS/ASP维护4个功能模块组成。M3UA子系统中ASP(ApplicationServerProcess)采用IPSP(IPServerProcess)模式,寻址采用DPC+OPC寻址方式。
　　2.2.5SCTP子系统
　　SCTP子系统完成对M3UA的承载。在本方案中,基于效率考虑,SCTP与M3UA采用紧耦合方式实现,二者之间通过原语通信。根据3GPP建议,CN侧的SCTP和M3UA为服务器端。SCTP子系统通过原始套接字(协议号为0x84)方式完成与TCP/IP协议栈的通信。
　　2.2.6IuUP子系统
　　IuUP子系统完成用户面的功能。对于透明式,完成数据透明传输;对于支持模式,完成业务数据的封装、解封装和校验,同时完成IuUP实例的初始化、校时、速率控制、差错事件处理和帧分类等控制功能,实现CN与RNC之间的业务通信。
　　2.3方案实现流程
　　Iu接口作为服务器端,完成初始化,等待RNC的通信请求。实现流程如下:
　　①作为服务器端启动SCTP和M3UA,建立SCTP偶联
　　②激活M3UA的ASP和AS(ApplicationServer);
　　③进行SCCP协议测试和服务定位;
　　④完成RANAP协议复位和恢复;
　　⑤接收RNC发起的SCCP层的CR(ConnectRequest)消息,净荷为RANAP初始化UE(UserEquipment)消息;
　　⑥SCCP子系统响应CC(ConnectConfirm)消息,同时把承载的初始化UE消息发送给RANAP子系统;
　　⑦RANAP子系统解码后,把NAS和相关信息绑定到一个CID(CallID)通知SGSN或者CC&MM;RANAP子系统接收CC&MM或者SGSN特定CID的NAS,通过直传消息发送给RNC;
　　⑧IuUP子系统接收到请求,创建实例并进入服务;
　　⑨通信结束后,RANAP子系统发起IuRelease,同时删除IuUP实例。
　　3结束语
　　通过对Iu接口协议结构、功能和工作流程的分析,提出了同时支持Iu-CS和Iu-PS的核心网侧Iu接口解决方案。该方案采用逻辑独立的功能实体实现Iu-CS和Iu-PS,使核心网设备实现方式更加灵活,既可以采用分布式也可以采用集中式,具有良好的可配置性和移植性。该设计方案已经应用到具体的工程项目中,取得了良好的效果。