蔡慶宇 孫軍林 肖 俊

[摘要]文章介紹了從3GPP R6到R7、R8在無線網(wǎng)絡架構上的扁平化趨勢，指出Internet-HSPA在3G向LTE演進過程中具有承前啟后的作用，分析了無線網(wǎng)絡扁平化的關鍵技術及其給網(wǎng)絡及運營帶來的益處及可能的挑戰(zhàn)，研究了Internet-HSPA的分組域和電路域組網(wǎng)方案。

[關鍵詞]3GLTEHSPA/HSPA+Internet-HSPA扁平化

從GSM到WCDMA，再到HSPA/HSPA+，移動通信網(wǎng)絡的空口技術不斷演進，數(shù)據(jù)速率飛速提高。根據(jù)國外眾多運營商的經(jīng)驗，伴隨著3G網(wǎng)絡覆蓋的完善，3G數(shù)據(jù)業(yè)務將會呈現(xiàn)快速增長的趨勢，單位比特的業(yè)務收入也將不可避免地呈下降趨勢。

因此，降低單位比特成本成為無線網(wǎng)絡運營商適應未來網(wǎng)絡寬帶化的迫切需求。LTE能很好地滿足終端用戶和運營商的需求，但LTE產(chǎn)業(yè)鏈的成熟尚需時日。針對目前這種需求與網(wǎng)絡結構的不平衡狀態(tài)，3GPP(3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃)在目前3G/3.5G網(wǎng)絡架構下引入了類LTE的網(wǎng)絡結構——扁平化的Internet-HSPA，可在對終端沒有任何特殊要求的情況下，使目前的3G/3.5G用戶提前享受到因IP化和扁平化所帶來的全新網(wǎng)絡體驗和資費。

1無線扁平化技術現(xiàn)狀

國外眾多的3G/3.5G網(wǎng)絡運營經(jīng)驗表明，當HSPA引入后，網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)量將呈現(xiàn)指數(shù)式的爆發(fā)增長，在引入HSPA后半年左右的時間內(nèi)，數(shù)據(jù)量平均會增長到引入前的數(shù)倍，并且這種增長趨勢還會繼續(xù)保持(如圖1所示)。在這樣的情況下，相關網(wǎng)元(RNC、SGSN、GGSN)需要快速擴容以適應大數(shù)據(jù)量的需求。新網(wǎng)元的引入，將會使網(wǎng)絡拓撲變得復雜，同時也將使運營商的設備投資和運營維護成本同數(shù)據(jù)量成正比例上升。

3GPP R6及之前版本的網(wǎng)絡結構如圖2最左邊所示，數(shù)據(jù)業(yè)務按照BTS→RNC→SGSN→GGSN的順序傳遞，數(shù)據(jù)業(yè)務的爆發(fā)式增長將同步對BTS、RNC、SGSN和GGSN都帶來巨大的擴容需求。

3GPP R7版本針對這種情況，引入了DT(DirectTunnel，直接隧道)功能，使得數(shù)據(jù)業(yè)務可以不經(jīng)過SGSN而直連GGSN。按照BTS→RNC→GGSN的順序傳遞，從而避免了大數(shù)據(jù)量對SGSN的投資需求，同時也節(jié)約了SGSN引入的額外傳輸時延。

在此基礎上，3GPP在R7中還引入了從基站直接通過Direct Tunnel連接GGSN。即Internet-HSPA(High Speed Packet Access，高速分組接入)功能，數(shù)據(jù)業(yè)務按照BTS-GGSN的順序傳遞，進一步避免了數(shù)據(jù)業(yè)務爆發(fā)對RNC的投資需求。同時更顯著的節(jié)約了數(shù)據(jù)傳輸時延。

需要強調(diào)的是，Internet-HSPA和3GPP R8中開始引入的LTE具有完全相似的lP化和扁平化組網(wǎng)結構，且Internet-HSPA所有的網(wǎng)元均可以通過純軟件升級到LTE。

R7為扁平化網(wǎng)絡提供的兩種解決方案：RNC和GGSN之間的Direct Tunnel，以及Internet-HSPA有如下特點：

◆Direct Tunnel：在RNC和GGSN之間建立數(shù)據(jù)業(yè)務的Direct Tunnel，用戶平面分組數(shù)據(jù)不再需要經(jīng)過SGSN，從而節(jié)約了較多的SGSN投資。

◆Internet-HSPA：Internet-HSPA使3G網(wǎng)絡的扁平化向前更邁進了一步。如圖3所示，控制平面數(shù)據(jù)建立在Node B和SGSN之間，用戶平面數(shù)據(jù)通過Direct Tunnel建立在Node B和GGSN之間。這樣，不僅節(jié)約了SGSN的投資，更進一步節(jié)約了RNC的投資。

Internet-HSPA是基于R6及之前傳統(tǒng)的3G網(wǎng)絡架構平滑發(fā)展而來，具有完全兼容現(xiàn)有3G網(wǎng)絡的特點，終端無需做任何改變。

Internet-HSPA同R8中引入的LTE具有完全相似的網(wǎng)絡架構，lP化和扁平化使得數(shù)據(jù)業(yè)務的每比特成本明顯降低，終端用戶的體驗明顯提升。

Internet-HSPA已獲得全球運營商的廣泛認同。如圖4所示。到目前為止，已有約10個運營商已經(jīng)或開始建設商用網(wǎng)絡(如和記黃埔、dU等跨國運營商)，更多的運營商正積極開展試商用試驗(如Vodafone、T-Mobile等跨國巨頭)。

2無線扁平化的其他關鍵技術

(1)宏分集

扁平化架構下宏分集(MDC，Mac ro Diversity Combination)并不是必需的，但宏分集能夠提高網(wǎng)絡的性能。在Internet-HSPA架構下，實現(xiàn)MDC跟傳統(tǒng)WCDMA網(wǎng)絡一樣需要Iur接口支持，在實現(xiàn)機制上完全相同。Internet-HSPA基站(I-BTS)之間的接口是標準的Iur接口，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡結構下MDC在RNC內(nèi)實現(xiàn)不同。MDC在I-BTS內(nèi)實現(xiàn)即可。

(2)MBMS

Internet-HSPA同樣支持MBMS，扁平化架構下的MBMS增強，在3GPP R8協(xié)議25.346中標準化了Internet-HSPA下的MBMS實現(xiàn)方式。

(3)尋呼

在Internet-HSPA網(wǎng)絡架構下。尋呼信息通過Iu-CS控制面直接傳輸?shù)絀-BTS，無需經(jīng)過RNC轉發(fā)。若某個I-BTS檢測到相應的終端處于URA_PCH狀態(tài)，則該I-BTS將發(fā)起終止Iu接口上的尋呼消息。

傳統(tǒng)BTS和I-BTS可以被相同對待。從而設置為同一個位置區(qū)。

3無線扁平化架構的優(yōu)勢與劣勢

3，1無線扁平化架構的優(yōu)勢

由于空中接口和傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構完全相同，Internet-HSPA不會對現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡和終端產(chǎn)生任何影響。同時，先進的扁平化架構，使得Internet-HSPA在RTT時延、傳輸帶寬節(jié)約、RNC/SGSN容量瓶頸消失、網(wǎng)絡安全性等方面具有明顯的優(yōu)勢。

(1)RTT時延

降低時延是扁平化IP架構的一大優(yōu)勢，數(shù)據(jù)將不再需要經(jīng)過傳統(tǒng)的Iub和Iu-PS接口，而是通過Direct Tunnel連接到GGSN，從而可以節(jié)約RTT(Round-Trip Time，環(huán)回時延)。圖5是在商用網(wǎng)絡中的測試結果，從該測試可以看到，Internet-HSPA對RTT時延平均有約50％的改進。

(2)傳輸帶寬節(jié)約

由于不再需要Node B和RNC之間的Iub接口，Iub接口上的公共信道傳輸和用戶數(shù)據(jù)的協(xié)議包頭等開銷都不再需要，因此對接入側傳輸網(wǎng)絡的帶寬需求明顯降低。如圖6的

仿真結果所示，Internet-HSPA可帶來19％-38％的接入側傳輸帶寬節(jié)約，從而減少了傳輸網(wǎng)絡投資的需求。

(3)RNC瓶頸消失

在大數(shù)據(jù)量的情況下，傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構下的RNC(Radio Network Controller，無線網(wǎng)絡控制器)將可能成為制約網(wǎng)絡的瓶頸。假設某個網(wǎng)絡有1500個基站，每個基站在HSPA+時代的吞吐量為65Mbps。則整個無線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)流量需求將達100G。按照當前市場上RNC的處理能力(假設為2Gbps)，則需要約50個RNC。這樣，每臺RNC所能處理的基站數(shù)僅為30個，將使無線網(wǎng)絡的拓撲變得非常復雜。同時，隨著數(shù)據(jù)流量的逐漸增大，頻繁的NodeB歸屬變更也將給網(wǎng)絡的運營帶來諸多的不變。

由于Internet-HSPA架構下無需RNC，傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構下RNC的瓶頸問題將不再存在，單站數(shù)據(jù)量大幅度增加，或者增加基站都不會導致網(wǎng)絡拓撲發(fā)生變化。也不會存在頻繁的基站重歸屬的問題。

(4)更好的安全性能

由于Internet-HSPA的網(wǎng)絡架構是扁平化的，不存在集中式控制網(wǎng)元，因而網(wǎng)元單點故障影響相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡結構明顯減小。同時，結合Iu-Flex技術，幾乎可以徹底消除單點故障帶來的影響。

(5)軟件升級即可支持LTE

如前文所述，Internet-HSPA具有同LTE相似的網(wǎng)絡結構，所有相關網(wǎng)元均可通過純軟件升級支持LTE，無需任何的硬件替換。

(6)3GPP標準化的接口

Internet-HSPA是3GPP標準化的網(wǎng)絡結構，所有的接口都是3GPP標準定義的，與其他網(wǎng)元的接口名稱及需求如下：

◆與其他RNC的接口：標準的lur接口，無特別需求。

◆與MSC的接口：標準的lu-CS接口，無特別需求。由于Internet-HSPA基站是基于IP協(xié)議棧的，則需要MSC具有SIGTRAN能力。

◆與PS核心網(wǎng)的接口：標準的Iu-ps接口和Gn接口，無特別需求。由于Node B和GGSN之間通過Direct Tunnel直接連接，需要SGSN開通Direct Tunnel功能，否則用戶面數(shù)據(jù)將通過SGSN后才能連接到GGSN。

由于Internet-HSPA在全球范圍內(nèi)得到相當程度的認可，目前眾多廠商已有和Internet-HSPA核心網(wǎng)絡成功IOT(InterOperability Test，互操作測試)的案例。

3.2扁平化架構可能的缺點

扁平化的網(wǎng)絡結構，使Node B直接和核心網(wǎng)絡相連。由于終端的移動性，將導致大量的信令直接匯聚到核心網(wǎng)絡，對核心網(wǎng)絡信令處理能力的要求更高。這是扁平化網(wǎng)絡結構帶來的唯一負面影響。但由于IT產(chǎn)品天然的特性，核心網(wǎng)絡信令處理能力已大幅度提高，且將變得更加強大，信令處理需求增加所帶來的影響將很快因技術的更新而日漸式微。

4無線扁平化對傳輸網(wǎng)的需求

Internet-HSPA本身對傳輸網(wǎng)絡無直接改造需求，只需要通過IP接口直接承載在MSTP(Multi-service transport platform，多業(yè)務傳送平臺)傳輸網(wǎng)上。

若傳輸網(wǎng)絡無法提供1P接口，IP over ATM技術也可以將IP承載在現(xiàn)有的SDH(Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字體)傳輸網(wǎng)上。

5無線扁平化的組網(wǎng)方案

Internet-HSPA基站I-BTS可以提供3GPP標準的Iu-CS/PS接口和Gn接口，I-BTS可以直接應用于現(xiàn)網(wǎng)之中。

如前文描述，分組域信令面數(shù)據(jù)通過Iu-PS接口和SGSN相連，分組域用戶面數(shù)據(jù)利用Direct Tunnel通過Gn接口和GGSN相連。

對于電路域數(shù)據(jù)，如圖7所示，I-BTS可通過Iu-CS接口直接連接到MSC，以提供語音和可視電話等業(yè)務。

6結語

隨著3G業(yè)務的蓬勃發(fā)展，降低每比特成本的需求使IP化和扁平化成為無線網(wǎng)絡發(fā)展的必然趨勢。未來的LTE是理想的網(wǎng)絡技術，但尚需等待產(chǎn)業(yè)鏈的成熟。針對目前的現(xiàn)狀，3GPP R7定義的Internet-HSPA充分借鑒了LTE的IP化和扁平化技術，使IP化和扁平化在目前的3G網(wǎng)絡上成為現(xiàn)實。Internet-HSPA的所有接口完全符合3GPP標準，同時由于引入Internet-HSPA對現(xiàn)網(wǎng)的改動少。對現(xiàn)有終端無任何特別的要求，且Internet-HSPA的所有網(wǎng)元均可通過軟件升級到LTE。

因此，現(xiàn)階段引入Internet-HSPA，既可以降低每比特成本，又能夠充分實現(xiàn)面向未來的投資保護。