CN100550904C - 一种采用用户面协议栈的两层节点架构的演进网络和头压缩方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用户面协议栈，应用于两层节点架构的无线演进网络，包括IP接入网关(IAGW)用户面协议栈、边缘无线基站(ERS)用户面协议栈和用户终端(UE)用户面协议栈；所述IAGW用户面协议栈包括：L1层、L2层、IP层和高层；所述ERS用户面协议栈在与IAGW之间的E-I接口侧包括与IAGW用户面协议栈对等的L1层、L2层、IP层和高层；在无线接口侧包括：无线L1层、低层和头压缩层；所述UE用户面协议栈包括与ERS无线接口侧对等的无线L1层、低层和头压缩层。本发明还公开了一种在所述两层节点架构下的头压缩方法，实现所述ERS与UE之间的空口数据包的头压缩。

Description

一种采用用户面协议栈的两层节点架构的演进网络和头压缩方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种两层节点结构的演进网络用户面协议栈，以及应用于该种用户面协议栈的数据包包头压缩方法。

背景技术

通用移动通信系统(Universal Mobile Telecommunications System，UMTS)是采用WCDMA空中接口技术的第三代移动通信系统，通常也把UMTS系统称为WCDMA通信系统。UMTS系统采用了与第二代移动通信系统类似的结构，包括无线接入网络(Radio Access Network，RAN)和核心网络(CoreNetwork，CN)。其中无线接入网络用于处理所有与无线有关的功能，而CN处理UMTS系统内所有的话音呼叫和数据连接，并实现与外部网络的交换和路由功能。CN从逻辑上分为电路交换域(Circuit Switched Domain，CS)和分组交换域(Packet Switched Domain，PS)。UTRAN、CN与用户设备(User Equipment，UE)一起构成了整个UMTS系统。其系统结构如图1所示。

UTRAN即陆地无线接入网，它包含一个或几个无线网络子系统(RadioNetwork Subsystem，RNS)。一个RNS由一个无线网络控制器(Radio NetworkController，RNC)和一个或多个基站(NodeB)组成。RNC与CN之间的接口是Iu接口，NodeB和RNC通过Iub接口连接。在UTRAN内部，无线网络控制器之间通过Iur接口互联，Iur接口可以通过RNC之间的直接物理连接或通过传输网连接。RNC用来分配和控制与之相连或相关的NodeB的无线资源。NodeB则完成Iub接口和Uu接口之间的数据流的转换，同时也参与一部分无线资源管理。UTRAN的结构如图2所示。

在UMTS网络中，为了提高无线空中接口数据传输的效率，提高无线资源的使用率，在RNC和UE之间使用了压缩/解压缩操作。该操作由RNC中的分组数据聚合协议(Packet Data Convergence Protocol，PDCP)实现，它负责把从SGSN-RNC的GTP(GPRS Tunneling Protocol；GPRS隧道协议)隧道中解出的外网IP数据包进行头压缩，压缩后的IP包头大小是压缩前的几十分之一。该操作极大提高了实时性业务等载荷占包大小比例非常小的业务的传输效率。头压缩可以使用不同的压缩算法，例如有IP头压缩(IP HeaderCompression，IPHC)，即RFC2507压缩算法；还有健壮头压缩(Robust HeaderCompression，ROHC)，即RFC3095等，这些算法可以压缩不同类型的数据报头，例如可以压缩传输控制协议及网络互连协议(Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP)、实时传输协议(RTP)或者用户数据报协议(UDP)等。

考虑到未来网络的竞争能力，3GPP目前正在考虑网络在未来的演进方式，有很多种演进方案在3GPP展开了讨论，网络演进的目的是希望提供一种低时延、高数据速率、高系统容量和覆盖、低成本、完全基于IP的网络。

目前比较流行的有两层节点架构和三层节点架构的演进网络，如图3所示为两层节点架构的演进网络。在这种架构下，边缘无线站(Edge Radio Station，ERS)是演进后的Node B，具有现有技术中RNC的大部分功能，并可能采取新的物理层技术，如正交频分复用(Orthogonal Frquency Division Multiplexing，OFDM)技术等；IP接入网关(IP Access Gateway，IAGW)具有现有技术中服务GPRS支持节点(Serving GPRS Support Node，SGSN)的大部分功能以及网关GPRS支持节点(Gateway GPRS Support Node，GGSN)的功能。

上述演进网络架构目前还在讨论之中，3GPP目前还没有对其协议栈开始进行研究。

现有3G网络的用户面协议栈如图4所示，包括：L1层、L2层、媒体接入控制层(MAC)、无线链路控制层(RLC)、分组数据聚合协议层(PDCP)、用户数据报协议/互连网协议层(UDP/IP)、用户面GPRS隧道协议层(GTP-U)。

在现有技术下，头压缩是由图4中的Uu接口的PDCP协议栈来完成，而在接入网和核心网络之间的Iu-PS接口还没有头压缩的功能。因此接入网和核心网之间的IP传输时延和传输效率问题并没有得到解决。PDCP实现头压缩功能的基本流程是：UTRAN在Uu接口通过RRC协议建立RB承载时，在其消息中包含有PDCP-Info信息单元，该信息单元携带有压缩算法和压缩参数，UE在接收到该消息后将根据这些参数配置PDCP实体，设置压缩类型参数(profiles)，并比较PDCP-Info信息单元携带的压缩参数与自身的支持的能力等，比如，如果发现PDCP-info中的最大上下文标识参数(MAX_CID)大于其自身能力，UE则会通过UE能力信息过程(UE CAPABILITYINFORMATION)同UTRAN协商该参数，并把UE能力传送变量(UE_CAPABILITY_TRANSFERRED)存储的值更新为在该RRC连接上最近一次发送给UTRAN的值，另外UE也可以通过带内信令(即ROHC包和反馈包)来协商profiles(压缩剖面)等配置参数。当协商好参数后，UE就可以根据应用层IP流的特征按照压缩算法建立上下文(Context)，Context建立起来后在该承载上的所有IP流就可以根据该压缩算法进行压缩。上行数据流到达UTRAN的PDCP协议层后，该协议按照建立的Context解压缩包，解压成功后将包转交GTP-U层进行下一步的处理，下行数据流的处理过程同理。在Iu-PS接口，数据包将进行隧道封装和传递，没有再对包进行压缩的功能。

由以上描述可知，现有技术中头压缩的功能是在RNC实现的，由于现有的网络存在诸多的问题，如时延高、数据速率低、节点多、投资成本高等，3GPP目前的LTE(Long Term Evolution)项目正在制定一种演进网络的架构，因此产生了如上所述的两层节点和三层节点的候选架构。目前LTE除了提出了框架性的架构外，没有提出任何协议架构方面的细节，更没有对演进架构的头压缩方法提出任何解决方案。

另外，在未来网络演进架构中，CS域将消失，只有PS域存在，话音将通过VOIP(Voice over IP；基于IP的语音呼叫)的形式由PS域承载，这就意味着未来的接入网和核心网之间将有大量的VOIP的RTP包，而在RTP包中包头字节占到80％以上，因而这将极大的浪费回程(backhaul)的带宽、传输效率和传输时延，因此需要在新的网络架构中重新考虑一套头压缩的完整解决方案。

发明内容

本发明提供一种基于两层节点结构的演进网络的用户面协议栈及相应的头压缩方法，完善两层节点结构的演进网络功能。

本发明提供的采用用户面协议栈的基于两层节点结构的演进网络包括：IP接入网关(IAGW)用户面协议栈、边缘无线基站(ERS)用户面协议栈和用户终端(UE)用户面协议栈；

所述IAGW用户面协议栈包括：L1层、L2层、IP层和高层；

所述ERS用户面协议栈在与IAGW之间的E-I接口侧包括与IAGW用户面协议栈对等的L1层、L2层、IP层和高层；在无线接口侧包括：无线L1层、低层和头压缩层；

所述UE用户面协议栈包括与ERS无线接口侧对等的无线L1层、低层和头压缩层；

所述头压缩层实现空口数据包的包头压缩；

所述低层实现媒体接入控制和无线链路控制；

所述高层实现传输和移动性管理。

所述无线L1层使用正交频分复用技术和/或多入多出技术进行数据传输。

所述高层采用GPRS隧道协议和/或移动IP代理协议实现隧道传输和移动性管理。

所述E-I接口采用IP协议或异步传输模式进行数据传输。

所述低层还实现分组数据聚合协议PDCP的数据无损迁移管理。

所述低层和头压缩层合并为一层；该合并后的协议层至少实现空口数据包的包头压缩、无损迁移、媒体接入控制和无线链路控制。

本发明提供一种头压缩方法，应用于本发明提供的基于两层节点结构的演进网络，实现所述ERS与UE之间的空口数据包的头压缩，包括：

A、所述ERS和UE协商两者的能力信息，确定头压缩参数；

B、建立所述ERS和UE之间用于传送压缩包的头压缩上下文(Context)；

C、根据建立的头压缩上下文对数据流中的数据包进行头压缩或解压缩。

所述步骤A包括：

A1、所述ERS根据选择的压缩协议配置相应的头压缩参数；并在与UE的无线承载建立过程中将所述头压缩参数通知给UE；

A2、UE接收头压缩参数，创建头压缩实体，设置压缩格式；并与所述ERS之间进行能力信息协商，确定头压缩参数。

根据本发明的上述方法，当UE接收到无线承载建立中的头压缩实体信息HC-info信元后，若该信元中携带的最大上下文标识(MAX-CID)参数值大于UE支持的健壮头压缩上下文会话最大值，则UE触发能力信息协商。

所述能力信息协商具体包括：

UE将其支持的健壮头压缩上下文会话最大值反馈给所述ERS中的无线控制协议层；

所述无线控制协议层向UE发送UE能力信息确认消息；

UE收到所述确认消息后，更新UE能力传送变量的值为其支持的健壮头压缩上下文会话最大值。

所述头压缩参数信息通过HC-info信元中的头压缩信息单元携带。

根据本发明的上述方法，若所述ERS与UE之间传送的起始数据流是上行数据流，则由UE发起头压缩上下文的建立过程；

若所述ERS与UE之间传送的起始数据流是下行数据流，则由ERS发起头压缩上下文的建立过程。

根据本发明的上述方法，所述步骤C中，在上行数据流中，UE根据建立的头压缩上下文压缩流数据包，并将压缩后的数据包交由其低层和无线L1层处理，通过空中接口传送给所述ERS；ERS中的头压缩层根据建立的头压缩上下文对接收的数据包进行解压缩，恢复成原始分组数据；

在下行数据流中，ERS根据建立的头压缩上下文压缩流数据包，并将压缩后的数据包交由其低层和无线L1层处理，通过空中接口传送给所述UE；UE中的头压缩层根据建立的头压缩上下文对接收的数据包进行解压缩，恢复成原始分组数据。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明采用两层节点演进网络架构，节点数大大减少，用户面协议栈的分层结构和节点分布合理，用户面的时延将显著降低。

2.本发明将头压缩放置在边缘无线站ERS，使得头压缩更靠近空口，实时传输时延(RTT)显著降低，包的协商和上下文的重建速度显著加快，压缩效率将明显提高。

3.本发明提出的二层节点演进网络架构下的头压缩位置避免了将头压缩放置在IAGW侧带来的诸多缺点，如处理负荷集中，单点故障，E-I接口误码率高、多跳路由影响头压缩的工作等。

4.本发明能满足演进的全IP网络的高速率、低时延、大量Voip的传输要求。

总之，使用本发明提供的二层节点演进网络架构及压缩方法，可以对空口的数据做高效的压缩，节省空口的传输带宽，降低用户面的传输时延，提高数据传输的资源使用效率。

附图说明

图1为UMTS系统结构示意图；

图2为UTRAN网络结构图；

图3为两层节点演进网络架构示意图；

图4为现有3GPP系统的用户面协议栈；

图5为本发明提供的基于两层节点演进网络的用户面协议栈。

具体实施方式

参见图5，为本发明提供的基于两层节点演进网络的用户面协议栈。网络侧只有两层节点，ERS和IAGW。

用户面协议栈包括IAGW用户面协议栈、ERS用户面协议栈和用户终端(UE)用户面协议栈。

在IAGW用户面协议栈中包括：L1层、L2层、IP层和高层(Upper Layer)；

ERS用户面协议栈在与IAGW之间的E-I接口侧包括与IAGW用户面协议栈对等的L1层、L2层、IP层和高层；在无线接口侧包括：无线(Radio)L1层、低层(Lower Layer)和头压缩(Header Compression，HC)层；

在UE用户面协议栈中包括与ERS无线接口侧对等的Radio L1层、低层和头压缩层。

Radio L1是演进网络的物理层，可使用OFDM、MIMO(Multiple InputMultiple Output，多入多出)等技术，以提高空口频谱效率。L1层和L2层与现有技术的L1、L2用户面协议层具有相同的功能。

Lower Layer层主要实现MAC和RLC的功能，如加密、重传、信道映射等，同时实现无损迁移的支持。

Upper Layer层可选择的技术包括GPRS隧道协议(GPRS TunnellingProtocol，GTP)，移动IP代理协议(Proxy Mobile IP，PMIP)等，这些协议是为了实现隧道传输和移动性管理而设计的。

ERS和UE中的对等HC层主要实现空口IP数据包的头压缩的功能，具体的压缩算法可以选择专门针对无线链路高误码率、高时延特点设计的现有技术中的相应压缩算法，IP数据包的头压缩处理流程基本类似现有3G系统的数据包压缩流程。

UE与RES之间的接口为空口(Ux)；RES与IAGW之间的接口为E-I接口，使用IP传输或其它传输技术，如异步传输模式(Asynchronous TransferMode，ATM)等。

基于本发明提供的上述用户面协议栈，在这种两层节点演进网络架构下的空口数据头压缩的具体工作流程如下：

第一步：头压缩参数的配置和协商。

以RFC3095压缩算法为例，压缩采用的配置参数包括CID_INCLUSION_INFO(Context标识包含信息)、MAX-CID(最大Context标识)、PROFILES等，在ERS启动后保存在内存中。在建立无线承载(RB)时，头压缩参数通过RRC协议的RB建立过程通知UE，头压缩参数通过下列信息单元携带：

无线接入承载建立信息(RAB information for setup)单元-＞无线承载建立信息(RB information to setup)单元-＞头压缩实体信息(HC info)单元-＞头压缩信息(head compression information)单元中，其中“-＞”表示信息单元之间的包含关系。

UE接收到头压缩参数后，将根据这些参数配置HC实体，设置profiles，比较接收的头压缩参数与自身支持的能力等。当UE在接收到RB建立消息并分析了HC-info信息单元后，将同UE_CAPABILITY_TRANSFERRED变量存储的值进行比较，比如，如果发现HC-info中的参数MAX_CID大于其自身能力，如MAX_CID参数值大于UE支持的健壮头压缩上下文会话最大值(Maximum number of ROHC context sessions)，UE将触发UE CAPABILITYINFORMATION过程，将其支持的Maximum number of ROHC context sessions反馈给ERS中的无线控制协议层，ERS中的无线控制协议层对该值确认后将发送UE能力信息确认消息(UE_CAPABILITY_INFORMATION_CONFIRM)给UE；UE接收到该消息后，将把UE_CAPABILITY_TRANSFERRED变量的值更新为在该RRC连接上最近一次发送给ERS的值。由此完成了UE的压缩算法和压缩参数配置过程。

头压缩参数的具体协商流程与现有技术相同，如可以通过ROHC带内信令(ROHC包和反馈包)来实现。

第二步：头压缩Context的建立。

当RAB承载和RB承载都建立起来并完成信令处理过程后，将开始数据传输过程。如果起始数据流是上行数据流，则由UE发起头压缩Context建立的过程；如果起始是下行数据流，则由ERS发起头压缩Context建立的过程。头压缩Context在压缩器和解压器之间动态形成，一个新的流的最初传输的包并不压缩，两端利用最初的IP包的特征来建立流的数据包头压缩context。context包含数据包头的静态字段值和字段值的变化模式等信息，一旦头压缩context建立，就可以最大限度地压缩包头。在特定的时间段(如在错误恢复时)需要发送非压缩的包以重建流context，重建完成后就回到压缩模式。Context的建立将由选择的压缩算法根据不同流的特征来动态建立，Context的具体建立方法与现有技术相同，在此不详述。

第三步：压缩与解压缩。

在上行数据流中，UE根据建立的头压缩上下文压缩流数据包，并将压缩后的数据包交由其低层和Radio L1层处理，通过空中接口传送给所ERS；ERS中的头压缩层根据建立的头压缩上下文对接收的数据包进行解压缩，恢复成原始分组数据。

在下行数据流中，ERS根据建立的头压缩上下文压缩流数据包，并将压缩后的数据包交由其低层和Radio L1层处理，通过空中接口传送给所UE；UE中的头压缩层根据建立的头压缩上下文对接收的数据包进行解压缩，恢复成原始分组数据。

使用本发明提供的二层节点演进网络架构及压缩方法，可以对空口的数据做高效的压缩，节省了该接口的传输带宽，降低了用户面的传输时延，提高了数据传输的资源使用效率。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1、一种采用用户面协议栈的两层节点架构的演进网络，包括IP接入网关IAGW用户面协议栈、边缘无线基站(ERS)用户面协议栈和用户终端UE用户面协议栈，其特征在于：

所述IAGW用户面协议栈包括：L1层、L2层、IP层和高层；

所述ERS用户面协议栈在与IAGW之间的E-I接口侧包括与IAGW用户面协议栈对等的L1层、L2层、IP层和高层；在无线接口侧包括：无线L1层、低层和头压缩层；

所述UE用户面协议栈包括与ERS无线接口侧对等的无线L1层、低层和头压缩层；

所述头压缩层实现空口数据包的包头压缩；

所述低层实现媒体接入控制和无线链路控制；

所述高层实现传输和移动性管理。

2、如权利要求1所述的演进网络，其特征在于，所述无线L1层使用正交频分复用技术和/或多入多出技术进行数据传输。

3、如权利要求1所述的演进网络，其特征在于，所述高层采用GPRS隧道协议和/或移动IP代理协议实现隧道传输和移动性管理。

4、如权利要求1所述的演进网络，其特征在于，所述E-I接口采用IP协议或异步传输模式进行数据传输。

5、如权利要求1所述的演进网络，其特征在于，所述低层还实现分组数据聚合协议PDCP的数据无损迁移管理。

6、如权利要求1所述的演进网络，其特征在于，所述低层和头压缩层合并为一层；该合并后的协议层至少实现空口数据包的包头压缩、无损迁移、媒体接入控制和无线链路控制。

7、一种头压缩方法，应用权利要求1所述的演进网络，实现所述ERS与UE之间的空口数据包的头压缩，其特征在于，该方法包括：

A、所述ERS和UE协商两者的能力信息，确定头压缩参数；

B、建立所述ERS和UE之间用于传送压缩包的头压缩上下文Context；

C、根据建立的头压缩上下文对数据流中的数据包进行头压缩或解压缩。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤A包括：

A1、所述ERS根据选择的压缩协议配置相应的头压缩参数；并在与UE的无线承载建立过程中将所述头压缩参数通知给UE；

A2、UE接收头压缩参数，创建头压缩实体，设置压缩格式；并与所述ERS之间进行能力信息协商，确定头压缩参数。

9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，当UE接收到无线承载建立中的头压缩实体信息HC-info信元后，若该信元中携带的最大上下文标识MAX-CID参数值大于UE支持的健壮头压缩上下文会话最大值，则UE触发能力信息协商。

10、如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述能力信息协商具体包括：

UE将其支持的健壮头压缩上下文会话最大值反馈给所述ERS中的无线控制协议层；

所述无线控制协议层向UE发送UE能力信息确认消息；

UE收到所述确认消息后，更新UE能力传送变量的值为其支持的健壮头压缩上下文会话最大值。

11、如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述头压缩参数信息通过HC-info信元中的头压缩信息单元携带。

12、如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤B中，若所述ERS与UE之间传送的起始数据流是上行数据流，则由UE发起头压缩上下文的建立过程；

若所述ERS与UE之间传送的起始数据流是下行数据流，则由ERS发起头压缩上下文的建立过程。

13、如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤C中，在上行数据流中，UE根据建立的头压缩上下文压缩流数据包，并将压缩后的数据包交由其低层和无线L1层处理，通过空中接口传送给所述ERS；ERS中的头压缩层根据建立的头压缩上下文对接收的数据包进行解压缩，恢复成原始分组数据；

在下行数据流中，ERS根据建立的头压缩上下文压缩流数据包，并将压缩后的数据包交由其低层和无线L1层处理，通过空中接口传送给所述UE；UE中的头压缩层根据建立的头压缩上下文对接收的数据包进行解压缩，恢复成原始分组数据。

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