Структура Iu интерфейса и его характеристики

Iu интерфейс используют в UMTS для взаимодействия между подсистемами радиодоступа UTRAN и ядром сети CN. На рис. 6.12 показана логическая архитектура Iu интерфейса. Для раздельной работы с канальными и пакетными коммутаторами и передачей вещания (BC – broadcast) в CN выделены логические домены: CS, PS и BC Domain. На этом уровне определены 3 логических вида Iu интерфейса:

1. Iu (CS) для работы между RNC и CS доменом в режиме коммутации каналов (на уровне устройств это участок RNC – MSC);

2. Iu(PS) для работы между RNC и PS доменом в режиме коммутации пакетов (на уровне устройств это участок RNC – SGSN);

3. Iu(BC) для работы между RNC и BC доменом (для управления сетью радиодоступа).

Со стороны CN точкой доступа в UTRAN является RNC. Каждый RNC всех действующих подсистем RNS соединяется с каждым из 3-х доменов в CN. При этом соединения RNC с BC и PS доменами должны быть однократным, а при работе в режиме с коммутацией каналов RNC может иметь соединения с несколькими CS доменами.

Все 3 вида интерфейсов работают в пакетном режиме на основе интерфейсов ATM и IPv6, включая Iu(CS), но при соблюдении индивидуальных параметров QoS по надежности, допустимым временным задержкам и необходимости резервирования каналов.

Архитектура ядра сети может быть раздельной и комбинированной. В первом случае сигнализацию и пользовательские данные передают в CS и PS домены по раздельным соединениям. При комбинированной архитектуре пользовательские данные также передают раздельно, а данные сигнализации со стороны RNC передают по общему соединению, а в CN разделяют на уровне SCCP ОКС 7.

Рис. 6.12.. Логическая архитектура Iu интерфейса.

Общие параметры обслуживания подсистемы радиодоступа и абонентов выставляют в UTRAN для доменов CN, независимо от вида коммутаторов (пакетных или канальных).

Iu интерфейс используют для выполнения следующих задач:

1. выделение, обслуживание и освобождение радиочастотного ресурса;

2. установление всех процедур и их параметров, кроме тех, которые связаны с UE;

3. проведение процедур локализации;

4. проведение процедур эстафетной передачи (handover) внутри системы связи одного оператора, между разными операторами и между различными технологиями радиодоступа UTRA-FDD и UTRA-TDD;

5. поддержка услуг радиовещания в каждой соте;

6. разделение абонентов (UE) на уровне протоколов для использования определенного вида управления сигнализацией;

7. перенос сообщений сигнализации NAS (Non Access Stratum – «недоступный слой») между ядром сети и абонентским оборудованием, например для отдельных процедур протоколов MM, SM, CM, коротких сообщений (SMS);

8. предоставление доступа к нескольким CN доменам от одного абонента;

9. резервирование каналов для потоков пакетных данных;

10. обеспечение услуг MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Services – услуга распределенного мультимедийного радиовещания).

11. выделение информации от UTRAN к CN;

12. выбор обслуживания (вида услуги) для выполнения различных заявок CN к UTRAN.

Iu интерфейс используют для работы в транспортной сети CN и сети радиодоступа (в UTRAN), поэтому в общей структуре интерфейса было выделено два слоя (уровня): слой сети радиодоступа (Radio Network Layer - RNL) и слой транспортной сети (Transport Network Layer - TNL). Кроме того, по Iu интерфейсу передают пользовательские данные и команды управления, для которых выделены соответствующие плоскости: пользовательских данных (User Plane) и управления (Control Plane). На рис. 6.13 показана общая структура Iu интерфейса.

Рис. 6.13. Структура Iu интерфейса для пользовательских данных и управления.

Для передачи сигнализации и пользовательских данных слоя радиосети в Iu интерфейсе используют плоскость пользовательских данных в транспортном слое (Transport Network User Plane) [23].

Сигнализацию в плоскости пользовательских данных транспортной сети передают с помощью SCCP и MTP3b. SCCP (Signaling Connection Control Part –часть управления сигнальными соединениями) ОКС 7 поддерживает передачу сообщений сигнализации между RNC и CN. Функции SCCP используют RANAP; при этом выделяют отдельное SCCP соединение для каждого активного абонента или для услуги MBMS (распределенного мультимедийного радиовещания). RANAP предусматривает различные схемы адресации SCCP: SSN (Sub-System Number), SPC (Signaling Point Code) и GT (Global Title). Конкретную схему адресации устанавливает оператор.

В модели ОКС 7 сообщения подсистемы SCCP передают по сети с использованием нижнего уровня MTP3b (Message Transfer Part 3 bearer – подсистема доставки сообщений, 3 уровень). При работе на участке MSC - RNC доступ к RANAP осуществляют по MTP3b коду точки доступа.

В [19] определены 9 функций, выполняемых Iu интерфейсом:

1. управление RAB (Radio Access Bearer – канал радиодоступа);

2. управление радиоресурсами;

3. управление Iu – соединениями;

4. управление плоскостью пользовательских данных в слое сети радиодоступа (RNL);

5. управление мобильностью (Mobility Management - MM);

6. обеспечение безопасности;

7. обслуживание и доступа к сети;

8. согласование в сети;

9. управление услугой MBMS.

Рассмотрим реализацию протоколов передачи информации по Iu интерфейсу в режимах коммутации пакетов и коммутации каналов [23 - 28].

Интерфейс Iu(CS) работает на участке CN CS домен – RNС. Полная структура протоколов представлена на рис. 6.14.

Интерфейс Iu(PS) работает на участке CN PS домен – RNC. Полная структура протоколов представлена на рис.6.15.

Нижний уровень, общий для всех Iu интерфейсов, это физический уровень (Physical Layer = Iu Layer 1), который выполняет следующие основные функции:

1. сопряжение с физической средой переноса сигналов;

2. передача тактовых сигналов;

3. генерирование и передача сигналов оповещения (alarm);

4. последовательная доставка сигналов;

5. управление качеством передачи.

Физический уровень может работать в синхронном или асинхронном режиме. Синхронный физический уровень выполнен на основе одной из предложенных технологий: PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy – плезиохронная цифровая иерархия), SDH (Synchronous Digital Hierarchy – синхронная цифровая иерархия) или SONET (Synchronous Optical Network – синхронная оптическая сеть). Такой синхронный физический уровень разделен на два подуровня:

- подуровень подчиненной физической среды PMD (Physical Media Dependent);

- подуровень сходимости передачи TC (Transmission Convergence).

Рис. 6.14. Структура протоколов Iu (CS) – интерфейса.

Рис. 6.15. Структура протоколов Iu (PS) – интерфейса.

Каналы подуровня PMD должны соответствовать одному из стандартов PDH / SDH / SONET, и пропускную способность каналов оператор может выбрать на этапе проектирования в диапазоне от 1,544 Мбит/с (PDH T1 или J1) до 622,08 Мбит/с (SONET STS-12c или SDH STM-4).

При использовании асинхронных соединений допускают только следующие технологии: Ethernet L1 и подходящие протоколы «точка - точка» (point - to - point) или «точка – множество точек» (point – to - multipoint).

Физический уровень соединен с уровнем ATM через сервисные точки доступа PHY-SAP (Services Access Point).

Перейдем к рассмотрению протоколов транспортного уровня и уровня радиодоступа протоколов плоскости управления (Control Plane). В радиосети для управления используют протокол RANAP, в части транспортного уровня сети все протоколы дополнительно объединены в плоскость пользовательских данных (TNUP – Transport Network User Plane). В общем случае TNUP, как часть плоскости управления, можно рассматривать, как группу протоколов, обрабатывающих и передающих сигнальные сообщения RANAP с / на физический уровень.

Части TNUP для интерфейсов Iu (CS) и Iu (PS) различны в части стеков протоколов ATM передачи, а стеки протоколов IP передачи имеет одинаковую структуру.

Уровень информационных соединений (Data Link Layer) позволяет работать с пакетами двух различных технологий: ATM и IP. При этом IP передача должна поддерживать протокол «точка – точка» PPP (Point to Point Protocol) с HDLC кадрами (High level Data Link Control – высокоуровневое управление информационными соединениями). При использовании низкоскоростных каналов физического уровня (1,5 – 2 Мбит/с) заголовки IPv6 дополнительно сжимают.

Рассмотрим стеки ATM и IP передачи сигнальных сообщений RANAP для работы с CS доменом. Раздельно они представлены на рис. 6.16.

Рис. 6.16. Стек протоколов ATM и IP передачи Iu (CS).

Для связи RANAP и SCCP, независимо от стека протоколов, используют SCCP-SAP (сервисная точка доступа). Оператор может установить, какую именно технологию передачи нужно применить для SCCP сообщений.

В ATM стеке протоколов MTP3-B обеспечивает маршрутизацию сообщений, разделение и передачу сигнальных сообщений.

Блок SAAL-NNI (Signaling ATM Adaptation Layer – Network Node Interface – слой адаптации ATM сигнализации для интерфейса узлов сети) используют для управления, контроля и удаленной работы со статусом соединений. При этом перед запуском транспортной сети в эксплуатацию необходимо сконфигурировать сети как PVC (постоянная виртуальная сеть). В блоке SAAL-NNI объединены три подуровня: SSCF, SSCOP и AAL5. SSCF (Service Specific Coordination Function – протокол функции согласования специальных услуг) – уровень, который нужен для работы SSCOP. SSCOP (Service Specific Connection Orient Protocol – протокол для подключения специальных услуг) – содержит процедуры установления, освобождения соединений и обеспечения надежной передачи информации между сигнальными элементами. Технология AAL5 (ATM Adaptation Layer 5 – 5-ый уровень адаптации ATM) используют для согласования верхнего и нижнего слоев стека.

В IP стеке протоколов использованы разработки, получившие название ОКС 7 поверх IP [29]. Этой технологией занимается рабочая группа SIGTRAN, входящая в IETF. В стеке на рис. 6.16 использованы 2 протокола из стека SIGTRAN: SCTP и M3UA. M3UA (MTP Level 3 User Adaptation Layer – уровень адаптации пользовательских приложений MTP3) является адаптивным слоем для SCCP. Протокол работает между шлюзом сигнализации и контроллером транспортного шлюза. Протокол SCTP (Stream Control Transmission Protocol – протокол передачи потоков управления) обеспечивает перенос сигнальных сообщений между SP (сигнальными точками). Одна SP предоставляет другой SP перечень своих IP адресов вместе с портами SCTP, что устанавливает соответствие между кодами SP и их IP адресами и портами. Протокол позволяет упорядочить сигнальные сообщения в разных потоках, обеспечивает перенос сигнализации с подтверждением, без ошибок и дублирования, с требуемой очередностью. В стандарте определено, что сети работает по протоколу IP версии 6 (IPv6), а IPv4 не обязателен, но рекомендован.

Стеки ATM и IP передачи сигнальных сообщений RANAP для работы с PS доменом представлены на рис. 6.17. Описание протоколов и характеристик работы аналогично стеку CS домена.

Рис. 6.17. Стек протоколов ATM и IP передачи Iu (PS).

Канал RANAP выделяют по запросу. После выделения собирают информацию о количестве обслуживающих функций и сервисов стека, которую передают для непосредственной работы в SCCP.

Рассмотрим стек протоколов слоя транспортной сети в управляющей плоскости Transport Network Control Plane – TNCP.
Группу протоколов TNCP используют в интерфейсе Iu (CS). На рис. 6.18 показана структура управляющей плоскости. Стек предназначен для передачи ALCAP (Access Link Control Application Part – прикладной части управления соединениям доступа) сообщений по Iu – интерфейсу на основе ATM передачи (т.е. TNCP Iu (CS) – это канал для передачи сообщений ALCAP).

Рис. 6.18. Стек протоколов TNCP в Iu (CS) интерфейсе.

Логически стек протоколов передачи разделяют на два их функциям: сигнальный протокол Q.2630.2 и протоколы преобразования сигнализации для передачи по физическому слою.

Протокол Q.2630.2 – AAL2 сигнальный протокол, который позволяет динамически устанавливать AAL2 соединения для работы в режиме коммутации каналов.

В качестве группы преобразования сигнализации используют протоколы Q.2150.1 - протокол AAL2 MTP3b преобразования сигнализации, MTP3b, SSCF-NNI (Service Specific Coordination Function – Network Node Interface), SSCOP (Service Specific Connection Oriented Protocol), AAL5.

Группу протоколов TNUP используют для передачи пользовательских данных (нагрузка от абонентов) с уровня Iu UP протокола. TNUP различны для Iu (CS) и Iu(PS) интерфейсов, и, кроме того, разделены на стеки протоколов для ATM и IP технологий.

Рассмотрим стек TNUP Iu (CS). На рис. 6.19 раздельно приведены стеки ATM и IP передачи пользовательских данных.

Рис. 6.19. Стек протоколов TNUP Iu (CS) ATM и IP передачи пользовательских данных.

В АТМ варианте для динамического установления AAL2 соединения используют протокол Q.2630.2. Кроме того, поверх AAL2 используют специальный подуровень SAR SSCS (Segmentation and Reassembly Service Specific Convergence Sublayer) для сегментации и восстановления данных [27].

Для передачи данных в этом же направлении на основе IP-технологий используют протоколы RTP/UDP/IP. Опционально вместо RTP (Real time Transport Protocol) можно применять RTCP (Real time Transport Control Protocol). Если его используют, то номера портов RTP и RTCP объединяют в блок номеров портов. При передаче данных с коммутацией каналов на основе пакетных технологий RTP / RTCP / UDP / IP нужно, чтобы выделенный/зарезервированный канал RAB в части транспортной сети (RNC – CN – GMSC) имел данные о RNC / CN IP адресах и RTP / UDP портах.

Рассмотрим стек TNUP Iu (PS). На рис. 6.20 раздельно приведены стеки ATM и IP передачи пользовательских данных.

По направлению к PS домену в качестве носителя пользовательских данных выбрана технология GTP-U (GPRS Tunneling Protocol User – туннельный протокол GPRS для пользовательских данных). Для установления, модификации или освобождения GTP-U туннелей используют сигнализацию RANAP.

Из сравнения стеков протоколов TNUP Iu (CS) и Iu (PS) следует, что для передачи пользовательских данных в режиме коммутации каналов выбрана технология AAL2 (ATM Adaptation Layer 2 – 2-ой уровень адаптации технологии ATM), а для работы в режиме коммутации пакетов используют технология AAL5 (ATM Adaptation Layer 5 – 5-ый уровень адаптации технологии ATM). Это обусловлено тем, что технология AAL2 разрабатывалась для поддержки услуг передачи данных с переменной битовой скоростью, но чувствительной к задержкам, а технология AAL5 предназначена для передачи нагрузки, нечувствительной к задержкам.

Рис. 6.20. Стек протоколов TNUP Iu (PS) ATM и IP передачи пользовательских данных.

Для передачи пользовательских данных по интерфейсу Iu(BC) в транспортном уровне используют протокол TCP/IP.

В Iu (CS) и Iu (PS) интерфейсах все пользовательские каналы, которые передают в части TNUP, устанавливает, изменяет и освобождает RANAP.

Обратимся к протоколам слоя радиосети. Для этого уровня группой 3GPP были специально разработаны два протокола:

1. протокол RANAP (Radio Access Network Application Part – прикладная часть сети радиодоступа), который относят к плоскости управления слоя радиосети (Radio Network Control Plane - RNCP) Iu - интерфейса;

2. Iu UP Protocol - протокол плоскости пользовательских данных слоя радиосети (Radio Network User Plane - RNUP) Iu - интерфейса;

Прикладная часть RANAP обеспечивает всю сигнализацию между UTRAN и CN в Iu – интерфейсе. Услуги RANAP разделены на четыре группы:

1. Услуги общего управления, обеспечивающие соединение между RNC и доменами CN через точки доступа общего управления (General Control SAP);

2. Услуги извещения, их предоставляют группе специальных абонентов или всем абонентам в специальной зоне со стороны CN через точки доступа извещения (Notification SAP);

3. Услуги выделенного управления для работы с отдельным абонентом со стороны CN через точки доступа выделенного управления (Dedicated Control SAP);

4. Услуги управления MBMS.

Услуги RANAP реализованы на основе внутренних функций RANAP:

1. Динамическое обслуживание RNC, позволяет оперативно подключать и снимать управление и передачу данных между RNC через CN;

2. Общее управление RAB со стороны CN: установление канала, модификация и изменение;

3. Ведение очередей выделения RAB;

4. Частичное управление RAB со стороны RNC, эта функция в некоторых случаях позволяет RNC освобождать RAB;

5. Освобождение соединений Iu интерфейса в слое TNL;

6. Функция ведения SRNS контекста (Serving RNS) в режиме пакетной передачи позволяет передавать между RNC и CN данные для оперативных внутрисистемных изменений;

7. Управление загруженностью Iu интерфейса для равномерного распределения нагрузки в плоскости управления;

8. Переконфигурирование Iu интерфейса;

9. Пейджинг (вызов) UE;

10. Передача RNC общего идентификатора UE (UE Common ID);

11. Отслеживание перемещения абонента и активности абонентского оборудования;

12. Управление передачей NAS сообщений;

13. Обеспечение безопасности в сети при работе с данными из UTRAN;

14. Функция оценки объема передаваемых данных в RAB;

15. Обработка всех общих ошибок работы по Iu интерфейсу;

16. Обмен служебной информацией между CN и RNC;

17. RANAP управляет всеми MBMS функциями Iu интерфейса.

Протокол Iu UP расположен в RNUP: части логической структуры Iu- интерфейса. Его применяют в канальном и пакетном режимах коммутации для передачи пользовательских данных (нагрузки от абонента), передаваемых по индивидуальному каналу RAB между слоем транспортной сети и высшими слоями (протоколы радио-интерфейса и протоколы NAS). Соединения по интерфейсу Iu UP выделяют, модифицируют и освобождают одновременно с ассоциированным каналом RAB. Iu UP работает в доступном слое (Access Stratum) и является точкой доступа к NAS – потокам данных. В [28] выделено 2 режима работы Iu UP:

- прозрачный режим (Transparent Mode - TrM);

- режим поддержки (Support Mode - SM) заранее установленного размера SDU - данных (Service Data Unit – элемент данных обслуживания);

В пакетах PDU (Protocol Data Unit – протокольная единица данных) передают SDU данные (разделенные на кадры субпотоки RAB), дополненные управляющей информацией Iu UP протокола.

Iu UP работает в прозрачном режим, когда канал RAB используют для передачи пользовательских данных при последовательной доставке SDU –элементов (рис. 6.21, пример передачи в одном направлении). В этом режиме работают туннели по протоколу GTP-U для передачи PDU – данных. В настоящее время в спецификации [24] предложен прозрачный режим работы версии 1. В этом режиме передают кадры произвольной длины n октетов, которая зависит от вида передаваемых данных, например IP пакет.

Рис. 6.21. Прозрачный режим Iu UP протокола

Работу в режиме поддержки ведут, когда для передачи пользовательских данных и PDU - элементов нужно дополнительное управление для прямого взаимодействия между двумя слоями Iu UP (рис. 6.22, пример передачи в одном направлении).

В режиме поддержки Iu UP предоставляет следующие услуги:

1. передача пользовательских данных;

2. инициализация;

3. управление скоростью передачи;

4. выравнивание временных характеристик передачи;

5. обслуживание кадров / потоков с ошибками;

6. классификация кадров по качеству обслуживания.

Рис. 6.22. Режим поддержки Iu UP протокола

В Iu UP протоколе в режиме поддержки используют три группы функций: работы с кадрами (frame), процедур управления и специальные функции потоков данных NAS. Функция работы с кадрами обрабатывает информацию из различных полей кадра Iu UP протокола, проверяет корректность данных в полях управления, ведет нумерацию кадров и проверку на целостность и четность всего кадра. Функции процедур управления непосредственно реализуют услуги этого протокола. Процедура управления скоростью работает с потоком RAB (RAB sub Flow Combination - RFC) и на основе данных индикатора скорости RFCI (RFC Indicator) выбирает функцию, которая обеспечивает передачу данных на внешний слой (нижний или высший) с указанной скоростью. Процедуру (услуга) инициализации используют для предварительных установок характеристик передачи данных, в первую очередь, размера SDU элементов. Процедура выравнивания временных характеристик управляет задержками при передаче нисходящих потоков в сторону RNC. Процедура управления ошибками не исправляет ошибки, но обеспечивает обмен информацией на Iu интерфейсе при появлении ошибок. Специальные функции потоков данных NAS классифицируют качество кадров и предоставляют эту информацию CN и UTRAN.