3G移动通信的全IP化扁平化演进

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全IP网络3G移动通信的 全IP化扁平化演进

侯自强

中国科学院声学研究所 北京 100190

始于上世纪80年代末的3G研究主要定位于移动多媒体通信，被视为宽带ISDN的无线延伸。本世纪初3GPP推出的第一代商业化版本R99完全是基于ATM电路交换技术。1995年互联网商业化发展迅速，1998年ITU宣布电信业未来将走向分组化，自此电信业经历了一个IP化的进程。同样在过去10年中3GPP也经历了一个IP化的扁平化进程。如图1所示。

第一阶段是核心网的IP化。R4版中开始引入IP传输和软交换，R5版则实现了完全IP化用IP传输取代ATM。第二阶段是无线链路的分组化IP化。在R5中实现下行链路高速分组化HSDPA，在R6中实现上行链路高速分组化。第三阶段是核心网的扁平化。在R7中开始引入直接隧道，进一步发展I-HSPA，而从R8版本则开始发展LTE/SAE。I.3G核心网的分组化思路

目前我国3G网络建设已经实现了快速扩张，完成了主要城市覆盖，开始进入到需要进一步巩固、完善和提高的阶段。改善覆盖、提高容量、降低成本成为运营商关注的焦点。在这个2G和3G网络并存的时期，2G网络主要提供全国大面积覆盖，以话音业务为主，同时承担农村信息化消除数字鸿沟的责任；而3G将主要提供城市移动互联网业务，包括数字娱乐、新媒体、现代服务业和物联网业务等。因此，在核心网体系结构设计中，我们应该考虑以分组数据业务为主而不是以话音业务为主，建议不再保留以话音业务为主的2G原有形态。事实上，移动互联网业务的特点是：视频等新业务的开展导致流量大增，而收入并非同步增长而只是缓慢增长，如图2所示。

图2 互联网业务收入与其流量同比示意图

语音时代

网络流量

现网成本

网络成本

超过收入

收入

时期

数据时代

图1 3GPP中IP化扁平化演进

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106 2010.1

China Communications

图3 移动通信系统成本分析

但流量超过一定值，其成本超过收入时将出现亏损，不能健康持续发展。因此，运营商必须降低带宽成本，才能适应移动互联网的需求。目前

3G HSPA

的带宽成本较2G 已经有了大幅度下降，可以满足移动互联网的业务需求，而核心网和回传电路如果仍然采用原有的方案，则在成本上将无法满足移动互联网流量快速增长的需求。图3给出了移动通信系统OPEX 和CAPEX 的组成情况。从中可见，核心网和传输网络的成本约占35%，必须大幅度降低该部分的带宽成本才能适应移动互联网业务的需求。

II.核心网的扁平化

本文首先讨论分组核心网的成本。目前的3G 核心网沿袭了2G 核心网的结构，基站通过SGSN 连接分组核心网再经过GGSN 连接互联网。数据在分组核心网中经过拆包再重组打包。这种结构即增加成本又增加时延。一些主流设备企业，如诺基亚发展了I-HSPA 系统，不再保留分组核心网，跳过SGSN 直接连接互联网。如图4所示。

这种模式不仅可以大幅度降低成本还可以减少时延，而且便于未来向LTE 和4G 过渡。目前，3GPP 已经将这种扁平化目标列入HSPA 演进日程。

推出采用直接隧道的体系结构的方案，在HSPA+ R7中用户平面增加Node B 通过RNC 经直接隧道连接GGSN 的通道。在Flat HSPA+R7中，取消RNC （部分RNC 功能融入基站） , Node B 基站经直接隧道连接GGSN 。如图5所示。而LTE SAE 的核心网已经采用了这种扁平化的结构。

其中HSPA R7已经在2008年推出，Flat HSPA R7将在2009—2010年推出，业界普遍认为，在核心网的建设中采用Flat HSPA R7可以降低核心网成本约40%。

这种扁平的体系结构将用户平面中的 IP 数据直接地从基站连接到GGSN IP 路由器—ISP 的边缘路由器或有对接协议的其他ISP ，即将蜂窝基站从某种程度上转化成了IP 路由器。该连接链路可以使用任何可利用的链接技术，目前大多使用E1专线并开始逐渐使用如以太网等更有效的现代IP 键路层技术。

图5 HSPA扁平化的演进

图4 I-HSPA

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III.以太网城域网链路回传技术探讨

有数据显示，目前我国三家电信运营商已经建设了近30万个基站，至 2011年底将建设约50万个基站。目前核心网是在原2G 网的基础上扩建的，仍然采用原有的结构。而回传电路仍然采用数字专线E1等电路。而其容量远不能满足全负荷数据业务的需求。如目前CDMA-EVDO 的单基站的容量可达27Mb/s, 而回传电路一般仅为4个E1即8Mb/s 。核心网的带宽和RNC 的容量更是远远不能满足数据业务全负荷运营的需求。

因此，减少回传电路成本是降低成本的另外一个重要途径。现有E1/TDM 回传电路适用于话音业务，成本太高并不能满足移动互联网高带宽的需求，建议采用运营商级以太网提供回传电路可以大幅度降低成本（图6给出了采用E1和城域以太网作为回传电路的成本比较）。运营商在城域光网上直接架构城域以太网提供回传电路可以大幅度降低CAPEX 和 OPEX, 配合采用扁平化的核心网体系结构可以大幅度降低3G 网络的建设和运营成本。这样才能在收入缓慢平稳增长的情况下，满足流量急剧增长的需求。

目前一些设备制造商开始提供多种回传链路以满足用户不同的需求。 图7给出了爱立信提供的三种回传电路方案。

当单站容量小于6Mb/s 时采用ATM/E1，容量10Mb/s 以上时采用E1加ADSL/IP 方案，容量在20Mb/s 以上时采用城域以太网方案。目前，我国部署的3G 网络基本采用HSPA,全负荷时容量在

20Mb/s 以上，可考虑全力发展城域以太网提供回传电路。IV.结论

按照我国目前发展3G 及移动互联网的总体思路，核心网的建设应该采用Flat HSPA R7的扁平结构，而传输连接应该由城域以太网来提供。这种扁平体系结构中的基站是一个路由器，是城域以太网连接运营商的边缘路由器。对运营商而言，建设3G 核心网以现有宽带固网为基础，比拓宽现有移动核心网更方便，成本更低。电信运营商要实现向LTE 平稳过渡，就应该加快实现体系结构的扁平化。今天各运营商都面临回传链路拓宽升级和核心网的建设，而尽快实现IP 化扁平化是当务之急，要坚定不移地加速推进。

『作者简介』

侯自强（1937-），数字信号处

理、通信技术专家。曾任中国科学院秘书长，声学研究所所长。现任中国科学院声学研究所研究员、工业和信息化部通信科技委委员。曾获国家科技进步一等奖。

图7 三种回传电路方案

Optimal Lub TN solution