[原创]3G接入网UTRAN中的ATM技术应用

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一、关于3G
3G，也就是第三代移动通信系统，可以说是目前通信领域最时髦的词汇之一。3G是能够提供多种类型、高质量的多媒体业务，实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，与Internet相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类通信的通信系统。由于其诸多的优点，极大吸引了全世界各个运营商、设备制造商与广大用户。
尽管目前全球电信行业持续低迷，但移动通信在20世纪末开始的飞速发展仍在继续，截止2002年7月，我国的移动用户达1.7亿，并以每月300万的速度增长。在韩国、西欧一些发达国家以及我国上海，移动电话的普及率已经超过固定电话。而3G技术为移动用户提供了丰富的业务，拥有无限的市场潜力。
那么，3G是如何发展起来的呢？首先出现的移动通信系统是20世纪80年代的模拟通信，话音质量差，保密性差，是为1G；80年代末，发展出数字化的2G系统，现在最流行的GSM和CDMA是其中两个主要代表，2G系统主要传递话音和低速数据，是窄带通信系统，目前国内99%的移动用户都是GSM用户；1996年左右，出现了过渡性的2.5G，如GPRS、IS-95B等，能够以超过100K的速率传递数据；下一步就是3G，可高速传递数据，实现移动网络的多媒体业务，理论最高速率达2Mbps。
国际电联（ITU）在1996年将3G命名为IMT-2000，这是一个大的框架结构，主要为了促进各3G技术提案的融合，实现在不同3G网络中的全球漫游。 目前ITU对3G的研究主要由3GPP和3GPP2承担。前者以欧洲WCDMA为基础，集合了诺基亚、西门子等共同研究3G，后者以美国CDMA2000为基础，集合了朗讯，摩托罗拉等研究3G。 我国的TD-SCDMA也是3G技术提案之一。本文主要针对WCDMA技术提案进行讨论。
虽然全球电信业面临不景气，3G的投资和发展遇到种种困难，但从目前技术发展和用户需求来看，从2G最终过渡到3G，提供高速多媒体业务和全球漫游，是移动通信发展的必然趋势。
二、ATM技术在UTRAN中的应用

                  图一  WCDMA网络结构
图一是WCDMA网络的基本结构，UTRAN是WCDMA的接入网络，包括无线网络控制器RNC和基站NodeB，分别相当于GSM网络中的BSC和BTS。RNC通过Iu接口与核心网的MSC或SGSN设备连接，通过Iub接口与NodeB连接。UE是用户设备，通过Uu空中接口与NodeB的射频部分进行通信。
为了保证3G网络中高速多媒体业务的实时性和QOS，在3G的R99和R4阶段广泛采用了ATM交换技术，图一中的Iu、Iub接口都是以ATM作为用户面和控制面数据的承载。将来在R5阶段可能会采用全IP的方式组网。ATM是在分组交换技术上发展起来的快速分组交换。它综合汲取了分组交换高效率和电路交换高速率的优点，针对分组交换速率低的弱点，用电路交换完全与协议处理几乎无关的特点，通过高性能LSI的硬件设备来提高处理速度，以实现高速化，因此，可以说ATM技术是在克服了分组交换和电路交换方式的局限性的基础上产生的。ATM技术经过多年的发展，已经被大量通信网所采用，但近年来IP协议的不断发展及基于IP的应用的激增都对ATM产生了极大的挑战。就ATM本身而言，是一种相当完美的技术，以信元交换为特征的的ATM网络也得到了很大的发展，在广域网方面满足了用户数据传输的要求，灵活的带宽控制和QOS保障也使为用户提供一些实时数据、图象和语音结合的多媒体业务成为可能。但同时它的弱点也十分明显，例如ATM标准的尽善尽美使其设备价格不菲；其协议体系的复杂性造成了ATM系统研制、配置、管理和故障定位的难度；端到端的信元连接停留在理想状态使有些应用具体做时无法很好地实现。当然除了自身的问题，IP技术的极速发展和成功，使大量高层应用和低层链路技术向IP层汇集，产生了诸如IP over SDH和IP over WDM等新技术，使ATM的发展受到了阻力。随着IP网络QOS机制和交换技术的完善，IP作为承载是未来的发展趋势。
                图二  I.321（B-ISDN）ATM协议模型
移动通信的无线协议结构使用了简化的OSI分层结构，即物理层、链路层、网络层，一般叫做物理层、传输层、无线网络层。在纵向将协议分成两个平面：控制面和用户面。所谓控制面就是利用信令进行呼叫和连接的建立、监视和释放。用户面也采用分层结构，负责用户信息流的传送，也有一定控制功能，如流量控制和差错控制等。无线协议如此划分，与图二中ITU-T 的I.321协议参考模型十分类似。I.321是ATM的协议模型，它包括三个平面：用户面、控制面和管理面，而在每个面中又是分层的：物理层、ATM层、AAL层和高层。对应控制面和用户面AAL分SAAL和AAL层。SAAL是控制面信令的承载，AAL是用户面数据的承载。UTRAN中的接口使用ATM，所以两个协议模型如此类似也是必然的。下面以图三中UTRAN的Iu接口协议栈为例加以说明。
从图三可以看出，Iu接口协议栈自底向上分为物理层、ATM层、传输层和无线网络层。在传输层纵向划分为传输网络控制面和传输网络用户面，在无线网络层纵向分为无线网络控制面和无线网络用户面。
ATM层定义了UNI、NNI信元格式，负责信元头的插入和信元交换，严格说来ATM层既有OSI的2层功能也有3层功能。ATM的适配层包括SAR、流量参数和QOS。根据不同的业务需求和服务类型，AAL层划分了多种类型，AAL2和AAL5的特征使之广泛应用于UTRAN各接口的承载，简单说来，话音和实时性较强的Iu、Iur、Iub等接口用户面数据由AAL2承载，而分组数据和信令数据由AAL5承载（如无线网络控制面数据）。Q.2630.1（Q.AAL2）是负责AAL2建立、释放、管理的控制信令协议，属于传输网络控制面协议。
                图三  Iu接口协议栈
ATM是特殊的面向连接的协议，不提供任何确认机制。虽然ATM提供了从AAL0到AAL5多种类型的适配层协议，但没有一种AAL支撑简单的点到点的可靠传输，于是在AAL层定义了SSCOP实现此功能，SSCOP只用于控制信令，不用做数据传输。
为了有效可靠地承载信令，在传输网络层使用分层结构，从下到上分别是SAAL（AAL5交换）、MTP3B和SCCP。再往上就是应用层的如NBAP（NodeB应用部分）、RANAP（无线接入网络应用部分）等。SAAL作为底层承载，采用AAL5交换，向MTP3B提供可靠的面向连接的数据传输，在OSI的7层体系中，可对应理解为数据链路层；MTP3B用于ATM网络中传送信令（MTP3用在TDM信令承载网中），MTP3B完成信令消息的传递和分发，包括消息识别、消息分配、消息路由控制三个功能，可理解为OSI的网络层；SCCP（信令连接控制部分）是MTP3B的增强，建立面向连接或无连接的网络服务。具体说来，MTP3B以信令链路、OSP、DSP等寻找路由，SCCP则结合了SSN子系统号，SSN区分使用SCCP的App实体，如RANAP、RNSAP、SCCP管理等。
在传输网络控制面内，与传输网络用户面协议一一对应。传输网络用户面的各连接都是由控制面信令控制的。无线网络用户面底层承载为AAL2，适合传送实时性强的话音数据。所以该协议栈为电路域的接口协议。如果是分组域，则承载就是AAL5。
以上可以看出，根据话音数据、分组数据的特点，UTRAN采用不同的ATM适配层协议，对于控制信令采用了AAL5，其他用到的AAL还包括AAL0和AAL1（如RNC实现电路仿真业务CES）。此外，UTRAN中还使用了IMA（ATM反向复用技术）、IPOA（IP与ATM结合的技术）等ATM技术，在此不做详细先容。
三、结束语
本文简单先容了ATM技术在UTRAN中的应用，限于篇幅，没有涉及ATM层（如NNI、UNI等）以及AAL的QOS保证和流量参数等内容，这些内容将在以后的文章中论及。
3G作为不可遏止的潮流，已经越来越快地走近大家的生活。移动通信的快速发展也带动了数据、固网、有线等业务的发展。未来的网络必然是融合的，业务多样性、宽带的、智能的网络。无论是设备制造商还是运营商，抢滩3G市场必将带来新一轮发展和增长的机遇。