CDMA网络接入EPC的关键技术分析

关 琳，谢沛荣

（中国电信股份有限公司广东研究院 广州 510630）

1 引言

EPS是目前可预见的未来移动网络演进的方向，支持多种接入技术使之为整个移动产业联盟和网络融合提供了一个新的平台。EPS的目标是“制定一个具有高数据率、低延迟、高安全和QoS、数据分组化、支持多种无线接入技术为特征的具有可移植性的系统框架结构”。EPS定义了一个新的核心网络架构——EPC（evolved packet core），支持不同网络（如LTE、HSPA/HSPA+、非 3GPP等）的接入，非 3GPP接入网包括 CDMA的无线网络 HRPD、WLAN、WiMAX等异构网络。

CDMA的无线网络HRPD要支持和LTE互操作时必须要升级为eHRPD网络。eHRPD网络接入EPC的网络架构如图1所示。

CDMA网络接入EPC核心网由于涉及3GPP和3GPP2两大标准组织之间协议和规范的转换，需要一些特别的关键技术才能实现，本文将对这些关键技术进行介绍，从而分析得出CDMA网络在接入EPC时如何实现3GPP2和3GPP技术的转换和承接。

2 关键技术分析

2.1 承载管理

eHRPD与EPC/LTE网络中都有承载的概念，但二者是有区别的。eHRPD接入EPC时，UE和eAN之间为无线承载，在eAN与HSGW之间仍然使用HRPD的承载概念，如主A10连接、辅A10连接，HSGW到P-GW之间为PMIP隧道。UE通过eHRPD接入EPC的某个PDN连接服务由无线承载、HSGW到eAN之间的A10连接及HSGW和PDN GW之间的IP连接串联组成。

UE通过LTE的E-UTRAN接入EPC的某个PDN连接服务有以下两种情况：当EPC网络S5/S8接口基于GTP时，服务由一条EPS承载提供，1个EPS承载串联了1个无线承载、1个S1承载和1个S5/S8承载；当S5/S8接口基于PMIP时，服务由1条EPS承载串接1条S-GW到PDN GW之间的PMIP隧道提供，其中EPS承载串联了1个无线承载和1个S1承载。

承载与QoS是密切相关的，不同的承载能够提供不同的QoS应用。HSGW提供3类承载，分别针对不同QoS要求的数据流。

（1）BE 数据流的承载

SO72辅连接承载无HDLC封装的BE业务流，支持数据流的聚合承载。SO59主连接可用于承载具有HDLC封装的BE业务流，支持数据流的聚合承载。

（2）实时性QoS的数据流承载

SO64辅连接承载带HDLC封装的数据流，支持多个PDN的承载聚合。

（3）高实时性QoS数据流承载

SO67辅连接承载无HDLC封装数据流，不进行数据流的聚合承载。

UE和eAN之间以及eAN与HSGW之间仍然使用flow profile ID、flowID等HRPD的QoS概念。UE至HSGW之间的数据流承载模型如图2所示。

如：用户的应用1属于 PDN-1，采用 IP Flow 1；应用 2属于PDN-2，采用IP Flow 2。上行数据由UE映射到RLP Flow 1的无线承载中去，eAN再通过承载聚合，IP Flow 1及IP Flow 2都绑定到SO72的A10连接上。HSGW根据不同的TFT模板，如：IP Flow 1对应的TFT-1，IP Flow 2对应的 TFT-2，将用户应用 1映射到 PDN-1，应用2映射到PDN-2。下行数据流由HSGW完成IP流到A10连接的映射。

由上述分析可知，eHRPD接入EPC网络的承载管理实现流程为：由用户发起具有特定QoS要求的应用，UE将其匹配为相应的flow profile ID、flowID，再由UE及HSGW分别完成上行无线承载及下行A10连接的映射，从而为不同的QoS应用提供不同的承载保证。

2.2 多PDN连接服务

PDN的概念首先是在EPS中提出的，指提供UE和PLMN的外部分组数据网络的IP连接，称为PDN连接服务。HRPD中并没有PDN的概念，PDN是eHRPD中引入的，参考EPS的标识，eHRPD中的PDN也采用APN来标识，UE必须配置APN，缺省的PDN可以不配置APN。

随着业务种类的丰富，UE同时建立多个PDN连接的需求越来越强烈，而HRPD不支持多PDN连接，给业务运营带来极大不便。eHRPD接入EPC后支持多PDN连接。

要支持多PDN连接，UE及其他网元必须增加相应功能。首先，由于每个PDN连接都会给用户分配IP地址，因此为了支持多PDN，UE必须支持多IP地址。其次，在建立PDN连接时，由UE分配PDN ID来表示某个PDN连接。UE和HSGW之间的PPP协商过程中，由于加入了PDN ID来标识不同的PDN连接，因此UE和HSGW必须支持VSNCP。

在多PDN连接服务中，eHRPD与LTE接入有一个显著不同点：eHRPD中可以把不同PDN服务的IP流复用在一个RLP和A10承载中，使用PDN ID来区分；而LTE不支持多PDN的承载复用，不同PDN的业务流只能放在不同的承载中。

图3是多PDN连接及承载复用的实现流程，以将多个PDN连接的BE数据流绑定到SO59主连接上为例。

由以上流程可知，实现多PDN连接及承载复用流程主要为：终端发起eHRPD会话建立请求后，首先eAN/PCF为用户向HSGW请求建立SO59的主A10承载，此时终端通过VSNCP消息协商，发起到默认PDN的连接，并与HSGW完成VSNCP的相互协商，HSGW为用户建立到默认PDN GW的PMIP隧道，并向终端指示相应的PDN连接建立成功。然后终端发起额外的PDN连接请求，同样与HSGW完成VSNCP消息协商，HSGW为用户建立到指定PDN GW的PMIP隧道，并向终端指示相应的PDN连接建立成功。默认PDN GW的数据发送给HSGW，HSGW将数据流汇聚到主A10承载上。指定PDN GW的数据发送给HSGW，HSGW将数据流汇聚到主A10承载上。HSGW将会话的数据流通过主A10承载发送给eAN/PCF。不同PDN上的数据流通过GRE封装报头前面的PDN-ID字段进行指示。

由以上分析可知，支持多PDN接入是eHRPD区别于HRPD的一个重要特征，eHRPD网络可通过承载复用技术将多个PDN连接的IP流放入一个承载中进行传输。要实现多PDN接入技术，UE和HSGW都需要增加功能和协议栈。

2.3 PMIPv6技术

代理移动 IPv6（PMIPv6）是移动 IP（MIP）技术的一种。移动IP技术的初衷是解决便携式计算机在游牧环境下的即插即用问题，随着移动通信的发展，MIP技术也被用于保证终端在移动环境下（特别是切换时）的通信不中断。在eHRPD系统中，无线接入网通过使用PMIPv6的S2a接口与PDN-GW连接，从而接入EPC核心网。

PMIPv6协议主要包括本地移动锚点（LMA）与移动接入网关 （MAG）两个功能实体。其中，LMA相当于PMIPv6域中的家乡代理（HA）网元，负责维护移动节点家乡地址（MN-HoA）与代理转交地址（Proxy-CoA）间的绑定关系。而MAG则代替移动节点向LMA进行注册登记。利用PMIPv6协议，移动节点无需支持移动IP协议，即可实现在跨MAG切换时保持IP地址不变。PMIPv6架构如图4所示。

在实际的eHRPD网络中，MAG功能实体位于HSGW网元中，LMA功能实体位于PDN-GW中。移动节点1在eHRPD网络附着注册时，HSGW/MAG1通过接入认证过程可获取移动节点的惟一标识及移动节点对应的PDN-GW/LMA1地址，然后HSGW/MAG2构造含MN标识与Proxy-CoA1地址的注册消息，并发送至MN对应的PDN-GW/LMA1；PDN-GW/LMA1为移动节点分配MN-HoA1并通过注册确认消息告知HSGW/MAG1；后者则通过路由通告（RA）消息把MN-HoA1告知MN1。

在代理移动IP注册完成后，LMA1就把MN1的MN-HoA1地址与MAG1的Proxy-CoA1地址进行了绑定，任何目标地址为MN-HoA1的IP包都会经由LMA1与MAG1间的隧道最终发送给移动节点。当MN1位置发生变动，从MAG1服务区切换到MAG2服务区时，MAG2会使用MN-HoA1与Proxy-CoA2再次向LMA1发起PMIPv6注册请求，LMA1在刷新MN-HoA1与Proxy-CoA2的绑定关系后将返回确认信息。此后，LMA1收到的目标地址为MN-HoA1的数据包都会经由MAG2与LMA2间的隧道转送至移动节点。

PMIPv6对移动节点是完全透明的，移动节点无需支持移动IP协议栈与相关的MIP客户端功能，而是由MAG代理MN完成MIP相关的所有操作。PMIPv6原来只能在IPv6环境下使用，后来通过扩展又实现了对终端与传输网络的IPv4支持。

通过PMIPv6协议，HSGA/MAG把移动节点锚定在一个相对固定的PDN-GW/LMA上，一方面保证了移动节点跨MAG切换时通信的连续性，另一方面也使得eHRPD网络能接入到EPC系统中。

2.4 QoS转换与映射

eHRPD与EPC系统使用的是两套截然不同的QoS参数，因此在接入EPC时，需要进行QoS的转换与映射。

eHRPD网络使用Flow Profile ID来标识业务流的QoS。Flow Profile ID相当于QoS索引，每一个Flow Profile ID都对应一组详细的QoS参数，如Flow Profile ID为0表示BE类业务；Flow Profile ID为5表示保证速率为32 kbit/s，时延小于100 ms，丢包率小于1%的业务流。具体的Flow Profile ID参数与具体QoS的映射关系在3GPP2 C.R1001-F中定义。

在 EPS 中标识 QoS 采用的是 QCI、ARP、MBR、GBR、MBR与AMBR。

QCI（QoS等级标识）是EPS系统中最重要的QoS参数。EPS系统中的每一个业务数据流（SDF）都与一个QCI相关联，同一IP-CAN会话内与相同的QCI与ARP相关联的多个SDF组成一个SDF集合。QCI参数用于控制分组包的转发处理，如调度权重、准入门限、排队管理门限、链路层协议配置等。

ARP（分配与保持优先级）参数决定了在资源受限情况下系统是接受还是拒绝承载建立或修改请求。参数GBR（保证比特速率）代表了预期能够由GBR承载提供的比特速率，参数MBR（最大比特速率）则限制了GBR承载能提供的比特速率，它表示了GBR承载提供期望数据速率的上限。参数AMBR（汇聚最大比特速率）限制了共享AMBR这一参数的所有承载所能提供的总速率。

表1是3GPP定义的标准QCI特性，其中：

资源类型用来决定与业务或者承载级别的GBR值相关的专有网络资源能否被恒定地分配；

优先级用来区分相同UE的SDF集合，也用来区分不同UE的SDF集合，每个QCI都与一个优先级相关联，优先级1是最高的优先级别；

数据包时延预算 (PDB)用于表示数据包在UE和PDN-GW之间可能被延迟的时间，引入PDB参数的目的是支持时序和链路层功能的配置；

数据包丢失率(PLR)定义为已经被发送端链路层处理但没有被接收端成功传送到上层SDU的比率，因此，PLR参数实际上体现了非拥塞情况下数据包丢失率的上限。

在互操作过程中，3GPP2规定由HSGW进行两种不同QoS参数的转换，由HSGW维护3GPP2的Flow Profile ID 与 3GPP的 QoS三元组间的映射关系。

表1 标准QCI特性

在eHRPD与EPC两套QoS参数映射过程中，需遵循以下原则。

（1）EPC QoS参数向eHRPD QoS参数映射时

基于业务的相似性做3GPP QCI与3GPP2 Flow Profile ID的关联，如图5所示，对于与某QCI关联的多个Flow Profile ID，根据3GPP中GBR值选取速率适合的Flow Profile ID。

（2）eHRPD QoS参数向EPC QoS参数映射时

根据3GPP2 Flow Profile ID特性选择相关联的3GPP QCI，根据3GPP2 Flow Profile ID的速率确定3GPP GBR。

在3GPP与3GPP2标准中，eHRPD系统接入EPC时，QoS参数的转换都在HSGW网元进行。这种方式在实际部署实施时缺点很明显：一方面对HSGW的功能要求较高，需要每个HSGW都去做QoS转换；另一方面也不利于QoS的策略集中管控，在较分散放置的每个HSGW上分别做转换规则配置管理，大大增加了网络维护难度。

对此，建议把QoS参数映射功能统一到由PCRF（策略与计费规则功能）执行。PCRF网元在网络中放置较为集中，由PCRF配置QoS参数转换规则能大大降低维护难度与成本。此外，按照网络融合的趋势，PCRF将是所有接入网络的策略管控网元，PCRF承担QoS转换工作也可以极大减轻现有网络的升级改造难度。

3 结束语

随着CDMA产业链的不断萎缩，CDMA运营商未来将向3GPP阵营靠拢似乎是业界的趋势，EPS的出现给这一发展道路带来了曙光。CDMA网络如何接入EPC，从而完成网络的融合和整合，是CDMA运营商极为关心的问题。本文通过对CDMA接入EPC的一些关键技术的分析，阐明了网络演进和平滑过渡中一些重要问题的解决途径。

1 3GPP TS 23.402.Architecture enhancements for non-3GPP accesses(Release 8)

2 3GPP TS 29.275.Proxy mobile IPv6(PMIPv6)based mobility and tunnelling protocols,Stage 3(Release 8)

3 3GPP TS 23.203.Policy and charging control architecture（Release9）

4 3GPP2 A.S0022-0.Interoperability specification(IOS)for evolved high rate packet data(eHRPD)radio access network interfaces and interworking with enhanced universal terrestrial radio access network(EUTRAN)

5 3GPP2X.S0057-0E-UTRAN-eHRPD.Connectivityandinterworking:core network aspects

6 3GPP2 C.R1001.Administration of parameter value assignments for cdma2000 spread spectrum standards

7 IETF RFC5213.Proxy mobile IPv6