Teknillinen Korkeakoulu Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto Teletekniikan laboratorio Marko Halme Iu-rajapinta S-38.128 Teletekniikan erikoistyö (3 ov) Jättöpäivä 20.7.1999 Tekijä: Ohjaaja: Petri Karttunen
Iu-rajapinta 1 TIIVISTELMÄ Tässä tutkielmassa selvitetään, UMTS:n Iu-rajapinnan toiminnallista jakoa ja sen toteutusta määritellyillä protokolla-arkkitehtuureilla. Iu-rajapinta kytkee radioliityntäverkon (UTRAN) yhteyksien ja palveluiden kytkemisestä, tilaajaliittymien ja liikkuvuuden hallinnasta sekä ulkoisiin verkkoihin kytkeytymisestä vastaavaan runkoverkkoon (CN). UTRAN tarjoaa yhteisen joukon radioverkon kantajapalveluita ohjaus- ja käyttäjätiedon siirtoon matkaviestimien ja runkoverkon välillä Iu-rajapinnan yli. Koko UMTS-järjestelmä on mallinnettu jakamalla se toiminnallisuuden mukaisiin kerroksiin. Iu-rajapinta toteuttaa tätä jakoa määrittelemällä radioverkkokerroksen radioliityntää koskevan toiminnallisuuden hallitsemiseen ja kuljetusverkkokerroksen radioverkkokerroksen tiedon siirtämiseen rajapinna yli. GSM:n verkkoalijärjestelmäpohjaisessa runkoverkossa on piirikytkettyjen palveluiden ja pakettikytkettyjen palveluiden tuottaminen jaettu niille omistautuneihin verkkoalueisiin. Tämän takia Iu-rajapinnasta on määritelty kaksi fyysistä ilmentymää. Näillä ilmentymillä on yhteinen radioverkkokerros, mutta erilaiset kuljetusverkkokerrokset. Iu-rajapinnan kaksi ilmentymää rikkovat Iu-rajapinnan alkuperäistä suunnitteluperiaatetta ilmentymien mahdollisimman pitkälle viedystä yhtenäisyydestä. IP:n tuominen ATM:n rinnalle lisää merkittävästi toteutuksen monimutkaisuutta tuomatta mitään merkittävää lisäarvoa Iu-rajapinnan toiminnoille tai suorituskyvylle. Laadun hallinta radioverkon kantajapalveluilla ja alempien protokollakerroksilla sekä rajapinnoilla on merkittävin avoin kysymys koko UMTS:ssä. Kokonaisuudessaan Iu-rajapinta on avoin, hyvin määritelty rajapinta, jota voidaan käyttää liittämään eri laitevalmistajien verkkoelementtejä toisiinsa UMTS-verkon rakentamiseksi.
Iu-rajapinta 2 SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ... 1 SISÄLLYSLUETTELO... 2 SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO... 3 1. JOHDANTO... 5 2. STANDARDOINTI... 5 3. UMTS-JÄRJESTELMÄ... 7 3.1 VERKKOARKKITEHTUURI... 7 3.1.1 Radioliityntäverkko...8 3.1.2 Runkoverkko...9 3.1.3 Toiminnalliset kerrokset...9 3.2 PALVELUT... 10 4. IU-RAJAPINNAN PERIAATTEET... 11 4.1 IU-RAJAPINNAN STANDARDOINTI... 11 4.2 IU-RAJAPINNAN YLEISET PERIAATTEET... 12 4.3 YLEINEN PROTOKOLLA-ARKKITEHTUURI... 12 4.3.1 Ohjaustaso...13 4.3.2 Käyttäjätaso...13 4.3.3 Siirtoverkon ohjaustaso...14 5. RADIOVERKKOKERROS... 14 5.1 RANAP...14 5.1.1 RANAP-proseduurit...15 5.1.2 RANAP-merkiantoyhteyden toimintatavat...18 5.2 IU-RAJAPINNAN KÄYTTÄJÄTASON PROTOKOLLA... 19 5.2.1 Siirtotavat...19 5.2.2 Läpinäkyvämoodi...19 5.2.3 Tukevamoodi...21 6. KULJETUSVERKKOKERROS... 23 6.1 IU-RAJAPINTA PIIRIKYTKETTYYN VERKKOALUEESEEN... 23 6.1.1 Protokolla-arkkitehtuuri...24 6.1.2 Yhteiset protokollakerrokset...24 6.1.3 Siirtoverkon käyttäjätaso radioverkon ohjaustasolla...26 6.1.4 Siirtoverkon käyttäjätaso radioverkon käyttäjätasolla...27 6.1.5 Siirtoverkon ohjaustaso...27 6.2 IU-RAJAPINTA PAKETTIKYTKETTYYN VERKKOALUEESEEN... 28 6.2.1 Protokolla-arkkitehtuuri...28 6.2.2 Yhteiset protokollakerrokset...29 6.2.3 Siirtoverkon käyttäjätaso radioverkon ohjaustasolla...29 6.2.4 Siirtoverkon käyttäjätaso radioverkon käyttäjätasolla...29 6.2.5 Siirtoverkon ohjaustaso...31 7. JOHTOPÄÄTÖKSET... 31 LÄHTEET... 33
Iu-rajapinta 3 SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO 3GPP ALCAP AMR AS CDMA CC CM CN CRC MDC MM 3 rd Generation Partnership Project ETSI:n, TTC:n, ARIB:n, TTA:n, T1:n ja CWTS:n muodostama yhteenliittymä maailmanlaajuisen UMTS:n standardoimiseksi Yleinen termi kuljetustekniikoiden merkiantoprotokollille Adaptive Multi-Rate codec Adaptiivinen moninopeuskoodekki Access Stratum Radioverkkoon ja radiopääsyyn liittyvien toimintojen ja protokollien kerros Code Division Multiple Access Koodijaettu monipääsytekniikka Call Control Puhelunohjausprotokolla Connection Management Yhteyden hallinta protokollaryhmä, johon kuuluu esimerkiksi CC Core Network UMTS:n palveluiden ja yhteyksien kytkennästä sekä UMTS:n liittämisestä ulkopuolisiin verkkoihin vastaava alijärjestelmä, runkoverkko. Cyclic Redundancy Check Jaksolliseen koodiin perustuva virhetarkistus Macro Diversity Combining Reittitoisteyhdistely Mobility Management Liikkuvuuden hallinta -protokolla
Iu-rajapinta 4 NAS RAN RNS SAP UE UMTS UTRA UTRAN WCDMA Non-Access Stratum Radioverkkoon ja radiopääsyyn liittymättömien ja riippumattomien toimintojen ja protokollien kerros Radio Access Network Radioverkko Radio Network System Radioverkkojärjestelmä Service Access Point Palvelunsaantipiste User Equipment Matkaviestin Universal Mobile Telecommunication System 3GPP:n määrittelemä maailmalaajuinen kolmannen sukupolven matkaviestinjärjestelmä UMTS Terrestrial Radio Access 3GPP:n valitsema WCDMA:han perustuva radiopääsysuunnitelma, skeema. Universal Terrestrial Radio Access Network UMTS:n maanpäällinen radiopääsyverkko Wideband CDMA Laajakaistainen CDMA
Iu-rajapinta 5 1. JOHDANTO UMTS (Universal Mobile Telecomunications System) on kolmannen sukupolven matkaviestinjärjestelmä. UMTS:n tarkoitus on tuoda korkealaatuinen langaton leveäkaistainen monimediaviestintä massamarkkinoille. Palveluntarjonta on alkamassa vuonna 2001 Japanissa ja Euroopassa vuonna 2002. Ammattipiireissä UMTS:stä usein käytetään puhekielen lyhennettä '3G'. Tutkimukseni tarkoitus on selvittää, millainen on Iu-rajapinnan toiminnallinen jako ja sen toteutus määritellyissä protokolla-arkkitehtuureissa. Tutkimuksen suorittamista hieman rajoittaa keskeneräinen standardointi, joten työn sisältö perustuu tämän hetkisiin luonnoksiin vuoden 1999 lopussa valmistuvasta ensimmäisestä julkaisusta, julkaisu 99. Perusperiaatteet ovat jo kuitenkin vakaita ja tulevat yksityiskohdat eivät tule muuttamaan niitä vuoden 1999 julkaisun osalta. Luvussa 2 esittelen UMTS:n standardointia. Luvussa 3 tutkitaan UMTS:n verkkoarkkitehtuuria sekä UMTS:n merkittävimpiä konsepteja, ominaisuuksia ja palveluita. Seuraavaksi keskitytään Iu-rajapinnan suunnittelun ja toteutuksen periaatteisiin luvussa 4. Samalla tutkitaan tarkemmin Iu-rajapinnan standardointia. Luvussa 5 tutkitaan radioverkon toiminnallisuuden toteutusta radioverkkokerroksella. Nämä toiminnallisuudet tarvitsevat luvussa 6 esiteltäviä kuljetusverkkokerroksen palveluita. Luku 7 tekee johtopäätökset Iurajapinnasta. 2. STANDARDOINTI UMTS on yksi jäsen ITU-T:n (International Telecommunication Union Telecommunication standardization sector) kolmannen sukupolven matkapuhelinjärjestelmien maailmanlaajuista perhettä, niin sanottua IMT-2000:tta (International Mobile Telecommunications 2000) [1]. UMTS:n standardointia varten ETSI, TTC, ARIB, TTA, T1 ja CWTS muodostivat yhteisen standardointiprojektin nimeltä 3GPP (3 rd Generation Partnership Project) [2]. Näitä alueellisia standardisointiorganisaatioita kutsutaan myös partnereiksi. 3GPP:n toimintaan voi osallistua myös yksityisiä jäseniä eli yksityisiä tietoliikennealan valmistajia ja operaattoreita kuten Nokia, Ericsson, Lucent, France Télécom, NTT DoCoMo tai BT. Yritysjäsenien tulee olla jo valmiiksi alueellisten standardisointiorganisaatioiden jäseniä.
Iu-rajapinta 6 3GPP tuottaa eheän kokonaisuuden teknisiä määrittelyitä (Technical Specification, TS) UMTS:lle. Eheä kokonaisuus tarkoittaa, että määrittelyiden perusteella voi rakentaa koko UMTS-järjestelmän, joka on yhteensopiva muiden valmistajien järjestelmien kanssa avoimien rajapintojen osalta. 3GPP valmistelee, hyväksyy ja ylläpitää tekniset määrittelyt. Ensimmäisen julkaisun pitäisi olla valmis vuoden 1999 lopussa. Kuvassa 3GPP:n organisaatio esitellään 3GPP:n rakenne. Se muodostuu neljästä teknisestä määrittelyryhmästä (Technical Specification Group, TSG) ja projektin koordinointiryhmästä (Project Co-ordination Group, PCG). Tekniset määrittelyryhmät jakautuvat tehtäväkohtaisiin työryhmiin (Working Group, WG). PCG Project Co-ordination Group TSG CN Core Network TSG T Terminals TSG SA Service and System Aspects TSG RAN Radio Access Network WG N1 MM, CC, SM (Iu) WG T1 Conformance Testing WG S1 Services and Capabilities WG R1 Radio Layer 1 WG N2 CAMEL, MAP WG T2 Services and Capabilities WG S2 System Architecture WG R2 Radio Layer 2, 3RR WG N3 Interworking WG T3 USIM WG S3 Security WG R3 Architecture (Iu, Iur, Iub & O&M) WG S4 Codec Aspects WG R4 Radio Performance WG S5 Network Management ITU Ad Hoc Kuva 1. 3GPP:n organisaatio [3] Työryhmät runkoverkkomäärittelyryhmässä (TSG Core Network, TSG CN) vastaavat palveluiden tilaamiseen ja kytkentään liittyvistä määrittelyistä. Sen piiriin kuuluvat ilmatierajapinnan verkkokerroksen, sijainnin seurannan (roaming) ja kytkentäverkon solmujen välisten rajapintojen ja protokollien määrittely. Lisäksi ryhmä määrittelee, miten runkoverkko liitetään ulkoisiin verkkoihin kuten PSTN, ISDN tai Internet. [5] Päätelaitemäärittelyryhmässä (TSG Terminals) määritellään päätelaitteiden yhteensopivuusja suorituskykyvaatimukset, palveluiden päästä-päähän sovittamiseen liittyvät asiat ja UMTS:n tilaajan tunnisteyksikkö (USIM). [6] Palvelu- ja järjestelmämäärittelyryhmä (TSG Service and System Aspects, TSG SA) vastaa UMTS:n yleistä järjestelmäarkkitehtuurin ja järjestelmätason palvelukyvykkyyksien (service
Iu-rajapinta 7 capability) suunnittelusta. Tämä sisältää mm. toimintojen sijoittamisen määriteltyihin alijärjestelmiin, palveluiden, palvelukyvykkyyksien ja arkkitehtuurin ja laskutuksen kehittäminen sekä turvallisuusominaisuuksien määrittely. [7] Radioliityntäverkkomäärittelyryhmä (TSG Radio Access Network, TSG RAN) vastaa ilmatierajapinnan ja radioverkkoarkkitehtuurin sekä siihen liittyvien toimintojen, rajapintojen ja protokollien määrittelystä. Yhtenä työryhmistä toimii arkkitehtuuriryhmä, joka vastaa Iurajapintojen määrittelystä.[8] 3. UMTS-JÄRJESTELMÄ UMTS-järjestelmä on mallinnettu toiminnallisin ja fyysisin perustein. Seuraava kuva esittää fyysisin perustein mallinnetun UMTS-järjestelmän. Se jakaa järjestelmän verkkoalueisiin (domain). Kuva esittää myös UMTS-järjestelmän referenssipisteet. Home Network Domain [Zu] Cu Uu Iu [Yu] Serving Network Domain Transit Network Domain USIM Domain Mobile Equipment Domain Access Network Domain Core Network Domain User Equipment Domain Infrastructure Domain Kuva 2. UMTS:n verkkoalueet ja referenssipisteet [9] Matkaviestinalue (User Equipment domain) koostuu radiolähetystä, sovelluksia ja tilaajaa koskevista toiminnoista. Liityntäverkkoalue (Access Network domain) hallitsee liityntäverkon resursseja ja tarjoaa tilaajille pääsyn palveluihin. Palveleva verkkoalue (Serving Network domain) osana runkoverkkoa (Core Network domain) tarjoaa siihen yhteydessä oleville matkaviestimille paikalliset toiminnot kuten puheluiden ja palveluiden kytkemisen ja käyttäjätiedon siirron. Kotiverkkoalue (Home Network domain) vastaa matkaviestimen sijainnista riippumattomista toiminnoista kuten tilaajaliittymien hallinnasta. [9] Toiminnalliseen jakoon palataan myöhemmin kappaleessa 3.1.3. 3.1 VERKKOARKKITEHTUURI 3GPP:n määrittelemä UMTS:n verkkoarkkitehtuuri perustuu GSM:n verkkoalijärjestelmästä (Network Subsystem) kehitettyyn runkoverkko (Core Network, CN) ja ETSI:n ja ARIB:n
Iu-rajapinta 8 yhteistyönä kehittämään WCDMA-radiopääsysuunnitelmaan, UTRA:an, perustuva radioliityntäverkko (Universal Terrestrial Radio Access Network, UTRAN), katso kuvaa UMTS:n verkkoarkkitehtuuri [10] UTRAN Uu Iub Iu RNS Core Network UE Node B Node B RNC WMSC/ VLR MAP GMSC PLMN/ PSTN/ ISDN UE RNS Iur Gs MAPe HLR SCP CAP Node B UE Node B RNC 3G- SGSN Gn GGSN Internet Intranet Kuva 3. UMTS:n verkkoarkkitehtuuri [10] Matkaviestimiä (User Equipment, UE) käytetään UMTS-verkkoon liittymiseen ja palveluiden tilaamiseen. Ne ovat yhteydessä radioliityntäverkkoon ilmatierajapinnan Uu yli. Radioliityntäverkko erottaa kaikki sen käyttämään tekniikkaan liittyvän toiminnallisuuden muusta liitynnän tarvitsemasta toiminnallisuudesta [9]. UTRAN:in tarjoaman Iu-rajapinnan yli kytketty runkoverkko huolehtii radioverkkoriippumattomasta toiminnallisuudesta, tietoliikenne- ja UMTS:n verkkopalveluista kuten tilaaja- ja liikkuvuuden hallinnasta. 3.1.1 Radioliityntäverkko UMTS:n radioliityntäverkko koostuu radioverkkojärjestelmistä (Radio Network System, RNS). Radioverkkojärjestelmä hallitsee solujensa radioresursseja ja allokoi niitä yhteyden muodostamiseksi matkaviestimen ja runkoverkon välillä. Yhdessä radioverkkojärjestelmässä on yksi radioverkko-ohjain (Radio Network Controller, RNC) ja yksi tai useampia tukiasemia (Node B). Radioverkko-ohjain on vastuussa radioverkkojärjestelmän resurssien hallinnasta. Tukiasema on vastuussa radiolähetyksestä ja -vastaanotosta yhdessä tai useammassa solussa. Radioliityntäverkko tukee kaksisuuntaista reittitoistetta (macro diversity) eli matkaviestin on rinnakkain yhteydessä useampaan soluun. Näistä reittitoistehaaroista (macro diversity branch) tuleva informaatio yhdistellään radioverkko-ohjaimessa. Kun matkaviestin liikkuu radioliityntäverkon palvelualueella (Service Area), lisätään uusia, parempia haaroja
Iu-rajapinta 9 aiheuttamatta keskeytystä palvelulle. Tätä ominaisuutta kutsutaan pehmeäksi kanavanvaihdoksi (Soft Handover). Pehmeää kanavanvaihto-ominaisuutta tuetaan yli radioverkkojärjestelmän, minkä takia on määritelty Iur-rajapinta radioverkkojärjestelmien yli kappaleessa 3.1 esitetyn toiminnallisen jaon toteuttamiseksi. Samasta syystä radioverkkojärjestelmillä on loogiset roolit suhteessa matkaviestimen yhteyteen. Matkaviestimen muodostaessa ensimmäistä yhteyttään runkoverkkoon radioverkkojärjestelmä, johon se silloin on yhteydessä, kutsutaan palvelevaksi radioverkkojärjestelmäksi (Serving RNS). Se vastaa matkaviestimen yhteydestä, ja niitä on yksi jokaiselle matkaviestimelle. Pehmeän kanavanvaihdon myötä radioverkkojärjestelmiä, joiden kautta haaroja kulkee, kutsutaan haararadioverkkojärjestelmäksi (Drift RNS). Matkaviestimen kaikkien haarojen kulkiessa yhden haararadioverkkojärjestelmän kautta voidaan suorittaa palvelevan radioverkkojärjestelmän uudelleensijoittaminen (Serving RNS Relocation). Kovaa kanavanvaihtoa (Hard Handover) tuetaan esimerkiksi tilanteissa, joissa suoritetaan taajuuksien välinen kanavanvaihto (Inter Frequence HO) tai Iur-rajapintaa ei ole toteutettu. 3.1.2 Runkoverkko Radioliityntäverkon ja runkoverkon välinen toiminnallinen jako mahdollistaa erityypisten runkoverkkojen liittämisen UTRAN:iin. 3GPP:n standardoiman UMTS:n runkoverkko perustuu GSM:n verkkoalijärjestelmään, joka jakautuu kahteen verkkoalueeseen (domain). Piirikytketty runkoverkkoalue koostuu WMSC-VLR:stä ja yhdyskeskuksesta (Gateway MSG) ja tarjoaa piirikytkettyjä puhe- ja datapalveluita sekä kytkettävyyttä muihin piirikytkettyihin verkkoihin. Pakettikytketty runkoverkkoalue koostuu 3G-SGSN:stä ja GGSN:stä ja tarjoaa pakettikytkettyjä Internetpalveluita sekä kytkettävyyttä muihin IP-kytkettyihin verkkoihin. Kotirekisteri (HLR) ja palvelukytkentäpiste (SCP) liikkuvuus-, tilaaja- ja älyverkkopalvelut. 3.1.3 Toiminnalliset kerrokset UMTS:n tarjoamat tiedonsiirtopalvelut toteutetaan radioverkon kantajapalveluina (Radio Access Bearer, RAB) matkaviestimen ja runkoverkon välillä. RAB kattaa kaikki radioliityntään vaadittavat toiminnot. RAB tarjoaa sekä ohjaus- että käyttäjätiedon kuljetuksen sekä piiri- että pakettikytketylle liikenteelle halutulla palvelulaadulla. Liityntä
Iu-rajapinta 10 tarvitsee lisäksi muuta toiminnallisuutta. Tämä toiminnallisuujako on mallinnettu kuvan Toiminnalliset kerrokset mukaisesti. CM, MM, GMM, SM & user data Non-Access Stratum SAP SAP Radio Protocols Radio Protocols Iu protocols Iu protocols Access Stratum UE Uu UTRAN Iu CN Kuva 4. Toiminnalliset kerrokset [11] Radiopääsykerros (Access Stratum, AS) sisältää kaiken radioliityntään tarvittavan toiminnallisuuden ja toiminnallisuuden toteuttamiseen tarvittavat ohjaus- ja käyttäjätason protokollat. AS toteuttaa käyttätiedon kuljetuksen eli RAB:t ja RAB:ien hallinnan. Radiopääsyyn liittymätön kerros (Non-Access Stratum, NAS) koostuu muista liittymän toiminnoista. Näitä toimintoja ovat yhteydenohjaus (Connection Management, CM), liikkuvuuden hallinta (Mobility Management, MM & GPRS MM, GMM) ja istunnon hallinta (Session Management, SM). Lisäksi NAS:n läpi kulkee käyttäjätieto. AS tarjoaa palveluitaan NAS:lle palvelusaantipisteiden (Service Access Point, SAP) kautta. [11] 3.2 PALVELUT UMTS tarjoaa kahdenlaisia tietoliikennepalveluita (telecommunication service). Verkkopalvelut (bearer service) ovat palvelulaatuhallintaa tukevia käyttäjätiedon siirtopalveluita. Verkkopalvelut luovat palvelualusta, jonka päälle voidaan rakentaa nopeasti standardoimattomia, operaattorikohtaisia tiedonsiirtosovelluksia. Telepalvelut (teleservice) määrittelevät kaikki tarvittavat tiedonsiirto-ominaisuudet, kuten esimerkiksi puhe- tai videokoodekit, matkaviestimissä, keskuksissa ja jopa erikoispalvelimissa. UMTS määrittelee vain peruspuhe- ja hätäpuhelupalvelut sekä lyhytsanomapalvelut. [12] Teleservices Bearer service TE TAF MT UMTS network Transit network Terminating network TE ME Kuva 5. UMTS:n perustietoliikennepalvelut [12]
Iu-rajapinta 11 Verkkopalvelut toteutetaan RAB:eilla ja ovat siis toteutettu radiopääsykerroksella (AS). Telepalveluiden lisäominaisuudet kuuluvat NAS:lle. Verkkopalvelut jaetaan neljään liikenneluokkaan: kysymys-vastaus luokka (conversational class), virtaava luokka (streaming class), interaktiivinen luokka (interactive class) ja taustaluokka (backgroung class). Verkkopalveluille ja samalla RAB:ille on määritelty seuraavan taulukon laatuattribuutit. Taulukko 1. Verkkopalveluiden laatuattribuutit [13] Liikenneluokka Kysymys-vastaus Virtaava Interaktiivinen Tausta Maksimi bittinopeus X X X X Järjestyksen säilyminen X X X X SDU-koko tieto X Luotettavuus X X X Siirtoviive X X Taattu bittinopeus X X Liikenteen käsittelyprioriteetti X Allokointi- ja pitoprioriteetti X X X X 4. IU-RAJAPINNAN PERIAATTEET UMTS-järjestelmässä Iu-rajapinnalla on kaksi fyysisistä ilmentymää (instance), kuten kuvasta UMTS:n verkkoarkkitehtuuri [10] voidaan havaita. Iu-rajapinta kytkee sekä piirikytketyn että pakettikytketyn runkoverkkoalueen yhteiseen radioverkkoon. 4.1 IU-RAJAPINNAN STANDARDOINTI Pääasiallisen vastuun avoimen Iu-rajapinnan standardoinnista kantaa TSG RAN WG 3, joka vastaa UTRAN:n arkkitehtuurin ja rajapintojen määrittelystä. TSG CN WG 1 huolehtii Iurajapinnan yli kuljetettavien ilmatierajapinnan verkkokerrosprotokollien, kuten liikkuvuuden hallinta (Mobility Management, MM) ja puhelunohjaus (Call Control, CC), standardoinnista. Samalla se huolehtii verkkokerrosprotokollien liittämisestä radioverkkokerroksen ohjaustason sovellusosaan, katso lukua 4.3. Näiden kahden ryhmän koordinoinnista ja yleisestä arkkitehtuurin määrittelystä, myös rajapintojen osalta, vastaa TSG SA WG 2. TSG RAN WG 3:n tuottamat määrittelyt hyväksyy ja mahdolliset ristiriitatilanteet ratkaisee TSG RAN. Iu-rajapinnan periaatteita ja toteutusta kuvaa joukko teknisiä määrittelyitä ja teknisiä raportteja (Technical Report, TR). Seuraavassa on lueteltu Iu-rajapintaa koskevat määrittelyt.
Iu-rajapinta 12 Taulukko 2. 3GPP:n Iu-rajapinnan tekniset määrittelyt Alue Numero Nimi TSG Iu-rajapinnan yleiset periaatteet ja vaatimukset 23.930 Iu Principles SA UTRAN:n yleinen kuvaus 25.401 UTRAN Overall Description RAN Iu-rajapinnan yleiset asiat ja periaatteet 25.410 UTRAN Iu Interface: General Aspects and Principles RAN Iu-rajapinnan fyysinen kerros 25.411 UTRAN Iu Interface Layer 1 RAN Iu-rajapinnan merkiannon kuljetus 25.412 UTRAN Iu Interface Signalling Transport Iu-rajapinnan merkinantosovellus 25.413 UTRAN Iu Interface RANAP Signalling RAN RAN Iu-rajapinnan käyttäjätiedon kuljetuspalvelu ja kuljetuspalvelun merkinanto 25.414 UTRAN Iu Interface Data Transport and Transport Signalling RAN Iu-rajapinnan käyttäjätaso 25.415 Iu Interface CN-UTRAN User Plane Protocols RAN 4.2 IU-RAJAPINNAN YLEISET PERIAATTEET Koska Iu-rajapinnan katsotaan kuuluvan osaksi UTRAN:ia, tavoitteena on, että Iu-rajapinnat olisivat mahdollisimman yhtenäiset. Iu-rajapinnalla runkoverkon suuntaan samaa periaatetta noudatetaan riippumatta siitä, mihin runkoverkkoalueeseen ollaan yhteydessä. Nämä periaatteet on tiivistetty kolmeen suunnittelulähtökohtaan Iu-rajapinnan osalta. [14] UTRAN tarjoaa yhteisen joukon radioverkon kantajapalveluita (RAB) runkoverkolle riippumatta UTRAN:iin kytketystä runkoverkkoelementistä, WMSC tai 3G-SGSN. UTRAN:n ja runkoverkon välillä on yhtenäinen toiminallisuuden jako riippumatta UTRAN:iin kytketystä runkoverkkoelementistä, WMSC tai 3G-SGSN. Radioverkon ohjaustason merkinanto ei ole riippuvainen kuljetuskerrosten valinnasta. On kuitenkin annettu mahdollisuus, että tarvittaessa joitakin verkkoalueeseen liittyviä erikoisominaisuuksia voidaan toteuttaa. 4.3 YLEINEN PROTOKOLLA-ARKKITEHTUURI UTRAN jakaa Iu-rajapinnat kahteen kerrokseen ja kolmeen tasoon, katso kuvaa Iurajapintojen referenssimalli [11]. Referenssimallin sisältämä toiminnallisuus ja protokollat
Iu-rajapinta 13 sijaitsevat kokonaan radiopääsykerroksella (AS). Malli perustuu kerrosten ja tasojen loogiseen riippumattomuuteen, joka johtaa siihen, että protokolla tai kokonainen protokollapino voidaan vaihtaa niin halutessa [11]. Radioverkkokerros Ohjaustaso SS7:n sovellusosa Käyttäjätaso Käyttäjäliikenteen tietovirrat Kuljetusverkkokerros Siirtoverkon käyttäjätaso Siirtoverkon ohjaustaso ALCAP Siirtoverkon käyttäjätaso Merkinannon siirtopalvelu Merkinannon siirtopalvelu Käyttäjäliikenteen siirtopalvelu ATM Fyysinen kerros Kuva 6. Iu-rajapintojen referenssimalli [11] Pystysuunnassa referenssimalli jakaa rajapinnan radioverkkokerrokseen (radio network layer) ja kuljetusverkkokerrokseen (transport network layer). Radioverkkokerros koostuu kaikista UTRAN:iin liittyvistä asioista. Kuljetusverkkokerros perustuu jo standardoituun kuljetustekniikkaan. UTRAN ei aseta mitään lisävaatimuksia valitulle kuljetustekniikalle standardoitujen ominaisuuksien lisäksi. [11] 4.3.1 Ohjaustaso Pystysuunnassa käyttäjätaso koostuu sovellusosan protokollassa ja sovellusprotokollan sanomien kuljetukseen tarvittavasta merkinannon siirtopalvelusta (signalling bearer). Sovellusprotokollan tehtäviä on mm RAB:ien pystytys. Palveluiden parametrit ovat yleisiä, eivätkä liity suoraan mihinkään kuljetustekniikkaan, katso taulukko Verkkopalveluiden laatuattribuutit [13]. Merkinannon siirtopalvelu voi olla sama kuin siirtoverkon ohjaustasolla. [9] 4.3.2 Käyttäjätaso Käyttäjätaso koostuu käyttäjien tietovirroista (data stream) ja käyttäjäliikenteen siirtopalvelusta (data bearer). Tietovirtojen siirtoa kuvaa yksi tai useampi käyttäjätasoprokolla, katso lukua 5.2. [9]
Iu-rajapinta 14 4.3.3 Siirtoverkon ohjaustaso Siirtoverkon ohjaustason tehtävänä on muodostaa käyttäjäliikenteen siirtopalvelun yhteyksiä käyttäjätason käytettäväksi ohjaustason toimeksiannosta. Taso koostuu käyttäjäliikenteen siirtopalvelun kuljetustekniikasta riippuvasta merkinantoprotokollasta (ALCAP) ja protokollan tarvitsemasta merkinannon siirtopalvelusta. Yhteyksien muodostus ja ohjaus tapahtuvat reaaliajassa. Siirtoverkon ohjaustaso toimii kokonaan kuljetusverkkokerroksella, eikä tarvitse radioverkkokerroksen radioteknologiasta riippuvaa tietoa toimiakseen. Siirtoverkon ohjaustaso käyttää vain yleisiä kantajapalvelun määritelmiä (bearer parameters). Tämä mahdollistaa sovellusprotokolla täydellisen riippumattomuuden käyttäjätason käyttäjäliikenteen siirtopalvelusta. ALCAP:ia ei käytetä merkinannon siirtopalveluyhteyksien muodostamiseen. Nämä yhteydet muodostetaan verkonhallinnalla. Iu-rajapinnan verkonhallinta voi käyttää samoja protokollia kuin ALCAP, mutta nämä eivät kuulu standardoinnin piiriin. [9] 5. RADIOVERKKOKERROS Radioverkkokerroksella toimivat UTRAN:n ohjaus- ja käyttäjätasot, katso kuvaa Iurajapinnan radioverkkokerros. Ohjaustaso RANAP Käyttäjätaso Radioverkkokerros Käyttäjätasoprotokolla Kuva 7. Iu-rajapinnan radioverkkokerros Ohjaustason tehtävänä on hallita RAB:ja ja tarjota palvelunsaantipiste (SAP) radiopääsyyn liittymättömän kerroksen (NAS) protokollille. Käyttäjätaso tarjoaa palvelunsaantipisteen käyttäjäliikenteelle ja kuljettaa sen RAB:lla. 5.1 RANAP Ohjaustason radioverkkokerroksen protokollana Iu-rajapinnalla toimii RANAP (Radio Access Network Application Part). Se on yhteiskanavamerkinantojärjestelmän (SS7) sovellusosa (Application Part), joka on erityisesti suunniteltu Iu-rajapinnalle käytettäväksi. RANAP:ia käytetään sekä piiri- että pakettikytkellä runkoverkko-osalla. Se määrittelee kaikki mekanismit runkoverkon ja UTRAN:n välisten proseduurien käsittelemiseksi. Tämän lisäksi
Iu-rajapinta 15 RANAP kuljettaa läpinäkyvästi NAS:lla toimivien ilmatierajapinnan verkkokerrosprotokollien sanomia matkaviestimelle UTRAN:n yli. Merkinannon hallitsemiseksi RANAP erottaa yksittäiset matkaviestimet protokollatason tunnisteella. [14] Proseduurit muodostuvat perusproseduureista (Elementary Procedure). Perusproseduuri on radioverkkojärjestelmän ja runkoverkon välisen vuorovaikutuksen (interaction) yksikkö. Perusproseuduuri sisältää aloitussanoman ja mahdollisen vastaussanoman. Perusproseduurit luokitellaan vastaussanoman olemassaolon perusteella vastauksellisiin ja vastauksettomiin. Vastaussanoma ilmoittaa, onko sanoma vastaanotettu tai proseduuri suoritettu loppuun onnistuneesti vai proseduurin suoritus epäonnistunut tai ajastin lauennut. [15] 5.1.1 RANAP-proseduurit Perusproseduureista muodostetuilla 15 proseduurilla voidaan muodostaa, ylläpitää ja purkaa RAB:ja, hakea (page) matkaviestintä seurata tilaajan liikettä palvelualueella (Service Area), ja siirtää NAS-sanomia. Seuraavassa proseedurit on esitelty. [15] 5.1.1.1 Relocation-proseduuri Relocation-proseduuri käytetään palvelevan radioverkkojärjestelmän toiminnallisuuden uudelleen sijoittamiseen toiseen radioverkkojärjestelmään. Pehmeää kanavanvaihtoa käytettäessä Relocation-proseduuria käytetään, kun kaikki matkaviestimen reittitoistehaaroista kulkevat yhden haararadioverkkojärjestelmän kautta. Tämä tapahtuu ilman, että käyttöönannettuja radioresoursseja joudutaan muuttamaan. Kovassa kanavanvaihdossa vaihdetaan palvelevan radioverkkojärjestelmän sijainti samalla, kun vaihdetaan käytettävät radioresurssit. 5.1.1.2 Radio Access Bearer Assignment -proseduuri Radio Access Bearer Assignment proseduurilla pystytetään, uudelleenneuvotellaan tai puretaan RAB:ja yhdelle matkaviestimelle. Yhdellä proseduurilla voidaan saman aikaisesti käsitellä yhtä tai useampaa RAB:ia. Tätä proseduuria voidaan käyttää vasta sitten, kun radioliityntäverkko ja matkaviestin ovat muodostaneet merkinantoyhteyden RRCprotokollalla.
Iu-rajapinta 16 5.1.1.3 Iu Release -proseduuri Proseduurilla vapautetaan kaikki yhden matkaviestimen ohjaus- ja käyttäjätason resurssit Iurajapinnalla. Proseduuria käytetään onnistuneen Relocation-proseduurin, UTRAN:n pakottamasta syystä tai runkoverkon ja matkaviestimen transaktion päättymisen jälkeen. 5.1.1.4 Overload Control -proseduuri Overload Control proseduuria käytetään yksinkertaiseen radioverkkokerroksen merkinannon vuonohjaukseen. Sitä käytetään silloin, kun joko runkoverkon tai radioliityntäverkon prosessointi tai merkinantoyhteys ylikuormittuu. 5.1.1.5 Reset-proseduuri Reset:llä uudelleen alustetaan runkoverkon tai UTRAN:n puoli Iu-rajapinnasta virhetilanteen sattuessa. Proseduuri alustaa koko radioverkko-ohjaimen uudelleen. Runkoverkon puolella uudelleenkäynnistys voidaan rajoittaa koskemaan vain kyseistä Iu-ilmentymää vastaaviin prosesseihin. 5.1.1.6 Common Id-proseduuri Common Id proseduurilla runkoverkko siirtää käyttäjän kansainvälisen matkaviestintilaajan numeron (IMSI) radioverkkoon tiedoksi siitä, että matkaviestin on saapunut kyseisen radioverkkojärjestelmän palvelualueelle. IMSI:n avulla radioverkko-ohjain pystyy tarkistamaan, onko sillä jo merkinantoyhteys matkaviestimen kanssa, kun runkoverkko aloittaa yhteyden muodostuksen hakuproseduurilla. 5.1.1.7 Paging-proseduuri Käyttäjätason yhteyden pystytys joutilaalle (idle) matkaviestimelle aloitetaan yhteyden luomisella runkoverkon ja matkaviestimen välille haulla. 5.1.1.8 Trace Invocation-proseduuri Trace Invocation:llä runkoverkko pyytää UTRAN:ia tekemään pöytäkirjaa matkaviestimen ja UTRAN:n välisen yhteyden tapahtumista ja parametreistä. yhden
Iu-rajapinta 17 5.1.1.9 Cipher Mode Control -proseduuri Cipher Mode Control proseduurilla runkoverkko ohjaa salauksen toimintatilaa UTRAN:ssa. Proseduurilla valitaan haluttu salausalgoritmi ja avain ja käynnistetään sekä ohjaus- että käyttäjätason tiedon salaus. 5.1.1.10 CN Information Broadcast -proseduuri Runkoverkko asettaa ja muuttaa UTRAN:n yleislähetyskanavalla lähettämää järjestelmätietoa. Proseduurilla siirrettävä ja kanavalla lähetettävä tieto on läpinäkyvää radioverkolle. Proseduurissa siirretään myös UTRAN:lle tieto siitä, millä maantieteellisellä alueella yleislähetyskanavan asetettu järjestelmätieto lähetetään. 5.1.1.11 Direct Transfer-proseduuri RANAP pystyy siirtämään läpinäkyvästi Iu-rajapinnan yli ylemmän kerroksen merkinantosanomia matkaviestimen ja runkoverkon välillä. UTRAN:n ei tarvitse tulkita näitä sanomia vaan siirtää ne RRC-yhteyttä pitkin matkaviestimelle. Tätä palvelua käyttävät ilmatierajapinnan verkkokerroksen protokollat kuten CM, MM tai SM. Nämä sanomat kuljetetaan Direct Transfer sanomien parametreina. 5.1.1.12 Initial UE Message -proseduuri Initial UE Message aloittaa Iu-rajapinnan merkinantoyhteyden pystytyksen radioverkkoohjaimen suunnasta silloin, kun ensimmäinen verkkokerroksen merkinantosanoma saapuu matkaviestimen suunnasta esimerkiksi haku-sanoman vastaukseksi tai liikkuvuuden hallinnan (MM) sijainnin päivittämiseksi. Proseduuri siirtää verkkokerroksen sanoman läpinäkyvästi UTRAN:n läpi. 5.1.1.13 Location Reporting Control -proseduuri Runkoverkko voi käynnistää UTRAN:n raportoimaan siihen yhteydessä olevan matkaviestimen paikkatietoja. Proseduuria käytetään raportoinnin käynnistämiseen, muuttamiseen ja keskeyttämiseen. 5.1.1.14 Location Reporting -proseduuri Location Reporting siirtää paikkatietoraportteja radioverkosta runkoverkkoon.
Iu-rajapinta 18 5.1.1.15 Error Indication -proseduuri Virheilmoitusproseduuria käytetään siirtämään RANAP:n toimintaan liittyviä virheilmoitussanomiem kuljettamiseksi Iu-rajapinnan yli. 5.1.2 RANAP-merkiantoyhteyden toimintatavat Seuraava taulukko ilmaisee proseduurien käyttämät merkinantoyhteyden toimintatavat eli moodit. Moodi ilmaisee sen, onko proseduuri yleinen (global) vai matkaviestinkohtainen (dedicated). Yleisellä proseduurilla käsitellään koko Iu-rajapinnan ilmentymää kuten esimerkiksi radioverkon uudelleenalustuksessa. Matkaviestinkohtaisilla proseduureilla vaikutetaan yhteen matkaviestimeen tai sen yhteyksiin. Yleiset proseduurit käyttävät yhteydetöntä SCCP-merkinantoyhteyttä ja matkaviestinkohtaiset käyttävät yhteydellistä SCCP-yhteyttä. Taulukko 3. Proseduurien yhteysmoodit [15] Proseduuri Moodi Relocation Matkaviestinkohtainen Radio Access Bearer Assignment Iu Release Overload Control Reset Common Id Paging Trace Invocation Cipher Mode Command CN Information Broadcast Direct Transfer Initial UE Message Location Reporting Control Location Report Error Indication Matkaviestinkohtainen Matkaviestinkohtainen Yleinen Yleinen Matkaviestinkohtainen Yleinen Matkaviestinkohtainen Matkaviestinkohtainen Yleinen Matkaviestinkohtainen Matkaviestinkohtainen Matkaviestinkohtainen Matkaviestinkohtainen Yleinen
Iu-rajapinta 19 5.2 IU-RAJAPINNAN KÄYTTÄJÄTASON PROTOKOLLA Iu-rajapinta käyttää käyttäjätasoprotokollaa (Iu User Plane [UP] Protocol) käyttäjäliikenteen siirtämiseen rajapinnan yli. Käyttäjätasoprotokolla tarjoaa palvelusaantipisteen radiopääsyyn liittymättömälle kerrokselle (NAS). Osana radiopääsykerrosta protokolla vastaa kaikista NAS:n tietovirtojen käsittelyyn ja siirtämiseen palvelusaantipisteiden välillä tarvittavista palveluista ja toiminnoista. Yhtä käyttäjätasoprotokollailmentymää kohden voi olla yksi tai useampi tietovirta. Palvelusaantipiste tunnetaan nimellä DC SAP (Dedicated Control SAP). [16] Käyttäjätasoprotokolla on käytännössä kehysprotokolla Iu-rajapinnan yli. Se on yhteinen kummallekin runkoverkkoalueelle. Sen suunnittelulähtökohdaksi on otettu palvelulähtöisyys ennemminkin kuin runkoverkkoalue- tai telepalvelulähtöisyys. Tämä tarkoittaa, että protokolla on käytetystä runkoverkkoalueesta ja telepalvelusta riippumaton muuten kuin aivan erityisten ominaisuuksien osalta, se sisältää joukon toimintoja, joita käynnistetään RABkohtaisesti, ja tarjoaa joustavuutta vielä tuntemattomien palveluiden toteuttamiseksi [17]. Protokolla myös huolehtii liittymisestä kuljetusverkkokerrokseen. Yhteyden muodostuksen aloittamisesta protokollalla vastaa palveleva radioverkko-ohjain. [16] 5.2.1 Siirtotavat Käyttäjätasoprotokolla tukee kahta pääsiirtomoodia, joista toinen jakautuu vielä kahteen alisiirtomoodiin [17] [18]. Päämoodit ovat läpinäkyvätapa (transparent mode) ja tukevatapa (support mode). Seuraavassa on tutkittu niiden ominaisuuksia ja käyttötarkoitusta hieman tarkemmin. 5.2.2 Läpinäkyvämoodi Läpinäkyvää moodia käyttävät RAB:t, jotka eivät tarvitse muita erityisiä ominaisuuksia käyttäjätasoprotokollalta kuin käyttäjätiedon siirron. Seuraava kuva havainnollistaa läpinäkyvän moodin toimintaa. Kuten kuvasta näkyy läpinäkyvämoodi ei prosessoi siirrettävää tietoa.
Iu-rajapinta 20 Iu Interface UTRAN CN RNL-SAP Non-Access Stratum Access Stratum Iu UP Layer in transparent mode Iu UP Layer in transparent mode Radio Interface Protocols TL-SAP: AAL-SAP/ GTP-SAP TL-SAP: AAL-SAP/ GTP-SAP Kuva 8. Läpinäkyvämoodi [19] Päätös läpinäkyvän moodin käytöstä tekee runkoverkko RAB:n pystytyksen yhteydessä perustuen esimerkiksi RAB:n ominaisuuksiin. Moodin käyttö viestitetään ohjaustasolla jokaisen RAB:n pystytyksen ja uudelleensijoituksen yhteydessä. Käyttäjätasoprotokolla ilmaisee sisäisesti moodin käytön käyttäjätasoa muodostettaessa. Moodia ei voida vaihtaa ilman, että samalla vaihdetaan RAB:ia. Kuljetuskerroksen palvelusaantipisteen valinnan AAL-SAP:iin tai GTP-SAP:iin sitoo käytetty runkoverkkoalue, katso kappaletta 6. [17] Läpinäkyvää moodia voidaan käyttää pakettikytketyn verkkoalueen GTPprotokollatietoyksiköiden (Protocol Data Unit, PDU) tai piirikytketyn verkkoalueen rajoittamaton digitaalisen tiedonsiirron (Unrestricted Digital Information, UDI) protokollatietoyksiköiden siirtoon. Seuraavassa on kuvattu läpinäkyvän moodin PDU:n kehysrakenne. [17] Bits 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 Payload 4... Octets n Kuva 9. Läpinäkyvämoodin protokollatietoyksikön kehysrakenne [17]
Iu-rajapinta 21 PDU:illa ei ole otsikkokenttiä (header field) ja niiden pituus on vaihteleva, eivätkä ne sisällä pituuden ilmoittavaa kenttää. 5.2.3 Tukevamoodi Tukevaa moodia käyttävät vastaavasti ne RAB:t, jotka tarvitsevat erityisiä ominaisuuksia käyttäjätiedon siirron lisäksi. Tukevamoodi sisältää kaksi alimoodia, joita käsitellään hieman myöhemmin. Seuraava kuva havainnollistaa tukevan moodin toimintaa. Kuvassa näkyvät myös siirrettävää tietoa prosessoivat toiminnot. Iu Interface UTRAN CN RNL-SAP Non-Access Stratum Access Stratum Iu UP Layer in support mode Iu UP Layer in support mode Radio Interface Protocols NAS Data Streams specific functions Frame Handler functions Procedure Control Functions Procedure Control Functions NAS Data Streams specific functions Frame Handler functions TL-SAP: AAL-SAP/ GTP-SAP TL-SAP: AAL-SAP/ GTP-SAP Kuva 10. Tukevamoodi [19] Kuten läpinäkyvälle moodille päätöksen moodin käytöstä tekee runkoverkko RAB:n pystytyksen yhteydessä perustuen esimerkiksi RAB:n ominaisuuksiin. On kuitenkin huomattava, että kaikki RAB:t eivät tarvitse samoja ominaisuuksia tukevassa moodissa. Moodin käyttö viestitetään ohjaustasolla ja käyttäjätasoprotokollalla kuten läpinäkyvässä moodissa. Moodia ei voida vaihtaa ilman, että samalla vaihdetaan RAB:ia. Kuljetuskerroksen palvelusaantipisteen valinnan sitoo käytetty runkoverkkoalue, katso kappaletta 6. [17] Tukevaa moodia voidaan käyttää AMR-koodekin protokollatietoyksiköiden siirtoon, koska ne tarvitsevat prosessointiohjaus- ja tietovirtakohtaisia toimintoja. Seuraavassa on kuvattu ensimmäisessä vaiheessa standardoitavan tukevan moodin PDU:n kehysrakenne.
Bytes Iu-rajapinta 22 Bits 7 6 5 4 3 2 1 0 PME PCE PDU Type Frame Number Procedure Control Bitmap RAB Format Selection Control Field M M O 1 2 3 Frame Control Part Frame Procedure Control Part PCE Time Alignment Control Field O 4 PCE Abnormal Event Control Field O 5 PCE Initialization Control Field Frame Header Check Frame Payload Check Sum Sum Payload Fields O 6 M 7 C 8-n Frame Check Sum Part Frame Payload Part C: Conditional = Ehdollinen M: Mandatory = Pakollinen O: Optional = Valinnainen Kuva 11. Tukevanmoodin protokollatietoyksikön kehysrakenne Tyyppi 0 [19] Verrattuna läpinäkyvään moodiin tukevamoodi lisää otsakekentän, joka sisältää kolme osaa: kehyksen ohjausosa (Frame Control Part), kehyksen prosessoinnin ohjausosa (Frame Procedure Control Part) ja kehyksen virheentarkistusosa (Frame Check Sum Part). Hyötykuormakentän koko riippuu käytetystä alimoodista. 5.2.3.1 Määritellyt palvelutietoyksikkökoot Määriteltyjä SDU-kokoja käytetään silloin, kun tiedetään NAS-yhteyden käyttävän vain ennaltatunnettuja kokoja. Hyvänä esimerkkinä käy AMR-koodekki, jonka käyttämä SDUkoko riippuu koodekin käyttämästä tilasta. Tämä tila voi vaihdella yhteyden aikana. SDUkoot neuvotellaan käyttäjätasoprokollayhteyden muodostuksen yhteydessä. SDU-kokojen ennaltamäärittely helpottaa verkkoelementtien toteutusta, koska silloin se pystyy varautumaan yhden yhteyden vaatimuksiin. 5.2.3.2 Vaihtelevamittaiset palvelutietoyksikköt Toinen vaihtoehto on, että SDU-koot voivat vaihdella. Tällöin SDU:hun liitetään koon ilmaiseva kenttä. Tämä vaatii, että verkkoelementtien täytyy valmistautua käsittelemään peräkkäin saapuvia rajattomasti vaihtelevia SDU:ita. 5.2.3.3 Tuettavat toiminnot [16] Frame Handler toiminto Tämä toiminto huolehtii palvelutietoyksikköjen (Service Data Unit, SDU) kehystämisestä ja kehyksen poistosta. Se asettaa kehyksen ohjausosan PDU:hun ja
Iu-rajapinta 23 huolehtii, että siinä on oikea semantiikka ja oikeat arvot. Samalla se huolehtii kytkeytymisestä kuljetusprotokollien kanssa. Procedure Control toiminnot Nämä toiminnot ohjaavat käyttäjätasoprotokollakeroksen proseduureja. Näitä proseduureja ovat mm aloitustiedon (initialisation information) vaihto yhteydenmuodostuksessa ja protokollakehyksien lähetysajan tahdistus. Nämä toiminnot myös vastaavat kehyksen prosessoinnin ohjausosasta. NAS Data Streams kohtaiset toiminnot Nämä toiminnot voivat rajoitetusti manipuloida kehyksien hyötykuormaa. Samalla ne ovat vastuussa virhesumman laskemisesta ja tarkistamisesta. 6. KULJETUSVERKKOKERROS Kuljetusverkko kerroksen tehtävänä on tukea radioverkkokerroksen toiminnallisuutta. Kerros perustuu jo standardoituihin tekniikoihin, joita käytetään UMTS:n vaatimilla tavoilla. Kuljetusverkkokerroksella toimii kaksi tasoa. Siirtoverkon käyttäjätaso palvelee sekä radioverkkokerroksen ohjaustasoa että käyttäjätasoa. Näillä kahdella tasolla on omat suorituskykyvaatimuksensa. Ohjaustasolla kuljetusverkon tulee täyttää merkinannolle asetetut vaatimukset luotettavasta merkiantosanomien siirrosta. Käyttäjätasolla täytyy tukea RAB:eiden suorituskykyvaatimuksia rajapinnan osalta. Sitä varten on määritelty kaksi erillistä siirtoverkon käyttäjätasoa. Siirtoverkon ohjaustason tehtävänä on muodostaa radioverkon käyttäjätason tarvitsemat siirtoyhteydet. Kuljetuverkkokerroksesta on kaksi fyysistä ilmentymää UMTS-järjestelmässä kahdelle verkkoalueelle. Yksi palvelee piirikytkettyjä puhe- ja datapalveluita WMSC:n suuntaan ja toinen pakettikytkettyjä palveluita 3G-SGSN:n suuntaan. Näitä varten on luvussa 4 esitettyjen periaatteiden vastaisesti määritelty kaksi siirtoverkon käyttäjätasoa. Iu-rajapinnan kahta ilmentymää on tutkittu tarkemmin seuraavissa kappaleissa. 6.1 IU-RAJAPINTA PIIRIKYTKETTYYN VERKKOALUEESEEN Iu-rajapinta piirikytkettyyn verkkoalueeseen tukee UTRAN:n kytkemistä WMSC:hen. Pääasialliset käyttäjäpalvelut, joita RAB:eilla tuetaan, ovat reaaliaikaisia puhe- ja
Iu-rajapinta 24 datapalveluita. Nämä palvelut vaativat lyhyitä viiveitä ja tiukkaa synkronointia. Seuraavassa käsitellään tarvittavaa protokolla-arkkitehtuuria ja sen tarjoamia palveluita kuljetusverkkokerroksen kolmelle tasolle. 6.1.1 Protokolla-arkkitehtuuri Seuraavassa kuvassa esitellään Iu-rajapinnan protokolla-arkkitehtuuri piirikytketyille palveluille. Kuljetusverkkokerros Radioverkkokerros Ohjaustaso Käyttäjätaso RANAP Iu UP Protocol Siirtoverkon käyttäjätaso Siirtoverkon ohjaustaso Siirtoverkon käyttäjätaso Q.2630.1 SCCP Q.2150.1 MTP3b MTP-3B SSCF-NNI SSCF-NNI SSCOP SSCOP AAL5 AAL5 AAL2 ATM Physical Layer Kuva 12. Iu-rajapinnan protokolla-arkkitehtuuri piirikytkettyyn verkkoalueeseen [14] Rajapinnalla on toteutettu kaikki kolme tasoa. Arkkitehtuuri perustuu yhteisille fyysisen ja siirtoverkkokerroksille. Tämä mahdollistaa yhteisen transmissio- ja kuljetusverkon käytön kaikille tasoille. Näiden kerrosten päälle on rakennettu tasot niiden yksilöllisten vaatimusten mukaan. 6.1.2 Yhteiset protokollakerrokset Iu-rajapinnalla kaikille tasoille yhteisiä kerroksia ovat OSI-mallin kaksi alinta kerrosta. Fyysinen taso tarjoaa bittitason transmission fyysisen siirtomedian yli ja siirtoverkkokerros solmujen välisten linkkien muodostuksen, ylläpidon ja purun, virhetilanteista palautumisen ja datan kehystyksen. 6.1.2.1 ATM-kerros ATM-kerros tarjoaa ylemmälle kerrokselle I.361-mukaisen yhteydellisen solukytkentäisen tiedonsiirtopalvelun. Palvelu takaa solujärjestyksen säilymisen. Se tarjoaa ylemmistä kerroksista riippumattoman palvelun.
Iu-rajapinta 25 6.1.2.2 Fyysinen kerros Fyysisen kerroksen tehtävänä on tarjota liityntäpinta fyysiselle kerrokselle, solujen kohdistaminen, solujärjestyksen säilyminen, transmissiolaadun hallinta, linjakellon erottaminen ja fyysisen kerroksen hälytyksien erottaminen ja muodostaminen. Ylemmälle kerrokselle tarjottava palvelu on riippumaton käytetystä fyysisen kerroksen tekniikasta. Muiden siirtoverkkojen, kuten SDH- tai PDH-linkkien, väliintuloa ei kielletä. Samoin fyysisen yhteyden osittainen käyttö (fractional use) tai käänteinen kanavointi (Inverse Multiplexing on ATM, IMA) ovat mahdollisia. Fyysinen kerros perustuu jo standardoituihin siirtotekniikoihin. Hyväksytyt tekniikat, niiden nopeudet ja referenssit standardeihin on listattu seuraavassa. [20] Taulukko 4. Fyysisen kerroksen tekniikat Tekniikka Nopeus (Mbps) Referenssi ETSI STM-4 622 G.957 SONET STS-12c 622 T1.105-1995 SONET STS-3c 155 T1.105-1995 ETSI STM-1 155 I.432.2 & G.703 ETSI STM-1 155 I.432.2 & G.957 ITU STS-1 51 T1.105-1995 ITU STM-0 51 ITU STM-0 51 G.957 J2 6,3 JT-G.703 & JT-G.704 E2 8 G.703 & G.704 E3 34 G.751 T3 45 G.703 & G.704 E1 2 ETS 300 420, G.704, TBR 013 & AF-PHY-0064.0000 E1 2 G.703, G.704 & AF-PHY-0064.0000 J1 1,5 Jt-431-a J1 1,5 JT-G.703 & JT-G.704 T1 1,5 G.703, G.704 & AF-PHY-0016.0000
Iu-rajapinta 26 6.1.3 Siirtoverkon käyttäjätaso radioverkon ohjaustasolla Siirtopalvelun tehtävänä on kuljettaa RANAP-sanomia. Tämä aiheuttaa siirtopalvelulle vaatimuksia. Sen pitää pystyä takamaan luotettava siirto ohjaustason merkinantosanomille sekä yhteydellisessä että yhteydettömässä moodissa. Erottaakseen yksittäisten matkaviestimien transaktiot siirtopalvelu tarjoaa niille erilliset, itsenäiset yhteydet. Siirtopalvelu valvoo 'matkaviestinyhteyksiä' ja tarjoaa tilatietoa yhteyksistä ylemmille kerroksille. Samalla se tarjoaa verkko- ja reititystoimintoja, merkiantoverkon redundanssisuutta ja kuorman tasausta. Seuraavassa on esitelty piirikytketyn verkkoalueen merkinannon siirtopalvelu protokollapinoa. [21] SCCP SCCP tarjoaa neljä palveluluokkaa sovellusosan sanomien siirtoa varten: yhteydetön perusluokka (basic connectionless class), yhteydetön luokka solujärjestyksen säilymisellä (in-sequence delivery connectionless class), yhteydellinen perusluokka (basic connection-oriented class) ja vuo-ohjattu yhteydellinen luokka (flow control connection-oriented class). Yhteydellisellä palveluyhteydellä SCCP tunnistaa yksittäisten matkaviestimien yhteydet ja pystyy muodostamaan yhteydellisiä palveluyhteyksiä matkaviestinkohtaisesti. Palveluiden käyttöä ovat kuvattu taulukossa Proseduurien yhteysmoodit [15]. MTP3b MTP3b tarjoaa merkinantosanomille reititys-, erottelu- ja jakelutoiminnot. Lisäksi se huolehtii merkinantolinkin hallinnasta, kuormantasauksesta ja linkin vaihdosta yhdessä linkkiryhmässä. SSCF SSCF sovittaa MTP3-kerroksen sanomat SSCOP:n kuljetettavaksi. SSCOP SSCOP tehtävänä on muodostaa ja purkaa SSCOP-yhteyksiä sekä taata luotettava merkinantosanomien vaihto merkinanto-olioiden välillä. Luotettavan sanomavaihdon toteuttamiseksi on määritelty virheenkorjaus uudelleenlähettämällä,
Iu-rajapinta 27 merkiantoyhteyden vuonohjaus, virheistä ilmoittaminen ATM:n kerroshallinnalle ja merkinantolinkin ylläpidon varmistus [22]. AAL5 ATM-sovituskerros 5 sovittaa SSCOP:n vaatimukset ATM-kerroksen siirtopalvelua varten. SSCF:n, SSCOP:n ja AAL5:n muodostama pino tunnetaan myös merkinannon ATMsovituskerroksena (Signalling AAL,SAAL). 6.1.4 Siirtoverkon käyttäjätaso radioverkon käyttäjätasolla Käyttäjätason siirtopalveluprotokolla on ATM-sovituskerros 2. AAL2 on suunniteltu sovelluksille, jotka käyttävät vaihtelevaa ja suhteellisen hidasta siirtonopeutta ja suhteellisen pieniä pakettikokoja sekä ovat herkkiä siirtoviiveen vaihteluille. Hyvä esimerkki tälläisestä yhteydestä on koodattu puhe matkapuhelinjärjestelmässä. Korkean siirtohyötysuhteen aikaansaamiseksi AAL2 kanavoi monta edellä kuvatun kaltaista yhteyttä, AAL2-yhteyttä, yhdelle ATM-yhteydelle. AAL2 käyttää vakiosiirtonopeuksista ATM-yhteyttä. Yksittäiset AAL2-yhteydet tunnistetaan toisistaan kanavatunnisteella (Channel Indentifier, CID). 6.1.5 Siirtoverkon ohjaustaso Siirtoverkon ohjaustaso muodostaa käyttäjätasolle siirtoyhteyden ohjaustason pyynnöstä. Kuten kappaleessa 4.3.3 todettiin, taso on riippuvainen käyttäjäliikenteen siirtopalvelusta, joka piirtkytketylle liikenteelle on AAL2. Tämä perusteella on valittu AAL2:n merkinantoprotokolla Q.2630.1 ALCAP:ksi. Merkinantosanomien kuljettamiseksi on määritelty MTP3b ja SAAL kuten ohjaustasolla luotettavan siirtoyhteyden saamiseksi. Q.2630.1 ja MTP3b kerrosten sovittamiseksi tarvitaan muunninkerrosta (Signalling Transport Converter, STC) Q.2150.1. [23] Q.2630.1 Merkinantoprotokolla muodostaa, ylläpitää ja purkaa päästä-päähän pisteestäpisteeseen AAL2-yhteyksiä AAL2-kykenevien solmujen yli. AAL2-yhteyksille käytetään sisäisiä (embedded) E.164-osoitteita ja AESA-muunnosta NSAPosoitemuodoista. Q.2630.1 tukee liikenteenhallintamekanismeja
Iu-rajapinta 28 vaihtelevanopeuksisien reaaliaikaisten AAL2-yhteyksien muodostamiseksi. Q.2630.1 pystyy neuvottelemaan seuraavista laatuparametreista yhteyden muodostuksen aikana. Nämä liikenteenhallintaparametrit tunnetaan nimellä linkkiominaisuudet (Link Characteristics). [24] Taulukko 5. Q.2630.1:n linkkiominaisuudet Ominaisuus Maksimi CPS-SDU bittinopeus Keskimääräinen CPS-SDU bittinopeus Maksimi CPS-SDU:n koko Keskimääräinen CPS-SDU:n koko 6.2 IU-RAJAPINTA PAKETTIKYTKETTYYN VERKKOALUEESEEN Iu-rajapinta pakettikytkettyyn verkkoalueeseen tukee UTRAN:n kytkemistä 3G-SGSN:ään. Pakettikytketyn verkkoalueen palvelut ovat IP-pohjaisia Internet-palveluita. Tällä hetkellä niiden tarvitsemat laatupalvelut ovat vielä kehittymässä, mikä näkyy välillisesti myös rajapinnan protokolla-arkkitehtuurissa. Seuraavassa käsitellään määriteltyä protokollaarkkitehtuuria ja pakettikytketyn liikenteen tarvitsemia tasoja. 6.2.1 Protokolla-arkkitehtuuri Seuraavassa kuvassa esitellään Iu-rajapinnan protokolla-arkkitehtuuri pakettikytkettyyn verkkoalueeseen.
Iu-rajapinta 29 Radioverkkokerros Ohjaustaso Käyttäjätaso RANAP Iu UP Protocol Kuljetusverkkokerros Siirtoverkon käyttäjätaso SCCP Siirtoverkon ohjaustaso Siirtoverkon käyttäjätaso MTP3b CTP GTP-U SSCF-NNI SSCOP IP UDP IP AAL5 AAL5 ATM Physical Layer Kuva 13. Iu-rajapinnan protokolla-arkkitehtuuri pakettikytkettyyn verkkoalueeseen [14] Kuten voidaan havaita, rajapinnalla ei määritellä siirtoverkon ohjaustasoa. Tämän lisäksi ohjaustasolle on määritelty vaihtoehtoiset ratkaisut. Kuten piirikytketyn liikenteen Iurajapinnalle kaksi OSI-mallin alinta kerrosta ovat yhteisiä kaikille tasoille. 6.2.2 Yhteiset protokollakerrokset Iu-rajapinta käyttää samoja fyysisen ja siirtoyhteyskerroksen tekniikoita myös piirikytketyn verkkoalueen suuntaa. Katso kappaleet 6.1.2.1 ja 6.1.2.2. 6.2.3 Siirtoverkon käyttäjätaso radioverkon ohjaustasolla Merkinannon siirtopalvelu pakettikytketyyn verkkoalueeseen siirtoverkon käyttäjäosa tarjoaa vaihtoehdon kappaleessa 6.1.3 käsitellyn SAAL-pohjaisen signalointiyhteyden lisäksi SCCPsanomien kuljetukseen. Se perustuu Internet Protokollaan (IP) ja IETF:n SIGTRANtyöryhmän parhaillaan määrittelemään yleiseen kuljetusprotokollaan (Common Transport Protocol, CTP). IP tarjoaa MTP3:n kaltaiset reititys-, erotus- ja jakelutoiminnot. CTP:n tehtävänä on tarjota SS7:ää vastaavat luotettavuus-, turvallisuus-, yhteydenmuodostus- ja laatupalvelut. ATM-sovituskerros on AAL5, jonka liityntäpinta IP:hen on IETF:n standardien RFC 2225 ja RFC 1483 mukaiset 'Classical IP over ATM' ja 'Multiprotocol Encapsulation over AAL5'. 6.2.4 Siirtoverkon käyttäjätaso radioverkon käyttäjätasolla Radioverkon käyttäjätasolla pakettikytketyn verkkoalueen suuntaan rikotaan yhtäläisyyden periaatetta, katso kappaletta 4.2. AAL2:n sijasta käytetään kuvan Iu-rajapinnan protokolla-
Iu-rajapinta 30 arkkitehtuuri pakettikytkettyyn verkkoalueeseen [14] esittämää protokollapinoa. Seuraavassa on esitelty siirtoverkon käyttäjätaso [23]. GTP-U GPRS:ssä Gn- ja Gp-rajapinnoilla käytettyä tunnelointiprotokollan (GPRS Tunnelling Protocol, GTP) käyttäjätasoa käytetään myös UMTS:n Iu-rajapinnalla Gn- ja Gp-rajapintojen lisäksi. GTP:n tehtävänä on kuljettaa ylemmän käyttäjätason paketteja tunneloimalla ne GTP-polulle (GTP path). Polku on kahden verkkoelementin välinen yhteys, ja haluttaessa lähettää sanoma tiettyyn verkkoelementtiin osoitetaan sinne vievää polkua. GTP kanavoi usean käyttäjän yhteydet yhdelle polulle antamalla kaikkien matkaviestimen jokaiselle yhteydelle tunnelitunnisteen (Tunnel ID, TID) yhdellä polulla. GTP kapseloi radioverkkokerroksen SDU:t GTP-kehykseen PDU:iksi. GTP:n tunneliyhteydet ovat yhteydettömiä. [25] UDP UDP ja IP muodostavat GTP:n käyttämät yhteydettömät polut verkkoelementtien välille. UDP tarjoaa epäluotettavan yhteydettömän kuljetusyhteyden IETF-standardin RFC 768 mukaisesti. GTP:n käyttämä porttinumero on 3386. [23] IP Sekä IP versio 4 (RFC 791) että IP versio 6 (RFC 2460) voidaan käyttää. Kuten edellä todettu IP on yhteydetön verkkokerrosprotokolla, jonka avulla GTP-kehykset voidaan reitittää verkkoelementtien välillä. [23] AAL5 IP-paketit kuljetetaan AAL5-virtuaaliyhteyksillä. Virtuaaliyhteydet voivat olla UMTS-verkkoelementtien välisiä pisteestä-pisteeseen yhteyksiä tai IP-kerroksella reitittävien solmujen välillä. Kahden verkkoelementin välillä voi olla monta virtuaaliyhteyttä. 'Classical IP over ATM' vaatii yksiyhteen suhdetta IP-osoitteen ja virtuaaliyhteyden välille. Osoitteen ja yhteyden assosiointi tapahtuu vasteelementeissä Iu-rajapinnan yli. [23]