从GSM到WCDMA 传输网如何变身

回顾过去20多年的发展历程，移动通信系统先后经历了AMPS、TACS等采用模拟技术的第一代移动通信系统和GSM、IS-95 CDMA等采用数字技术的第二代移动通信系统，正逐渐在向WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等第三代移动通信系统发展。在本文中，笔者将通过对蜂窝移动通信技术发展的跟踪，对GSM蜂窝移动通信系统从第二代向第三代(WCDMA)演进的方案进行说明，并对传输网络如何适应这一变化提供解决方案。

　　移动通信向3G演进 IMT-2000及其标准

　　第三代移动通信系统的发展可以追溯到1985年成立的FPLMTS，这个组织经过多年的发展，在1995年被正式更名为国际移动电信2000系统(IMT-2000)，其所支持的网络是第三代移动通信网络。IMT-2000的主要目标是要将包括卫星通信系统在内的所有网络融合为可以替代众多网络功能的统一系统，其目的在于形成全球统一频率、统一标准、实现全球漫游和提供多种业务的服务。第三代移动通信系统最终将是一个提供全球无缝覆盖并能实现全球漫游通信的系统。而为了真正实现全球通信，卫星通信系统将是第三代移动通信系统不可缺少的重要组成部分。

　　在2001年的时候，国际电联接受的第三代移动通信系统标准主要有三个，即美国提出的CDMA2000，欧洲和日本提出的WCDMA和我国提出的TD-SCDMA。它们除了频谱利用率高、覆盖范围广、性能好、可以适应宽带多媒体通信要求等共同特点外，还有自身的技术特点。2007年10月，国际电联正式接受还处于发展阶段的WiMAX成为3G标准。由于本文只讨论GSM到WCMDA演进时传输的问题，所以下面只描述一下WCDMA。WCDMA即宽带CDMA技术，其码速率为3.84Mchip/s，载波宽度为5MHz，采用FDD方式，因此需要成对规划频率。WCDMA系统的核心网是基于GSM-MAP，同时通过网络扩展方式提供在基于ANSI-41的核心网上运行的能力，可以从第二代GSM系统逐步演进;支持一条连线上传输多条并行业务，支持高速率的分组接入;采用更加灵活的系统操作，包括支持基站间的异步操作、支持自适应天线阵技术与多用户检测技术、支持非平衡频带下采用时分双工的模式，采用单信元频率复用等。WCDMA标准由第三代合作伙伴计划组织(3GPP)制订，目前有R99、R4、R5三个版本完成定稿，正在进行R6版本的制订工作。目前全球已开通的WCDMA网络基本上都是基于R99这个版本的，这主要是因为其可以利用已有的GSM/GPRS核心网络。

　　GSM向WCDMA演进

　　向移动用户提供高速率的数据业务是推动第二代向第三代发展的重要因素。对于现有GSM系统，一般仅能够提供9.6kb/s的电路型数据业务。如果将多个时隙复用在一起，用户最高数据速率为57.6kb/s，该种方式被称为高速电路交换业务。此后出现的通用分组数据业务(GPRS)，在核心网络首次引入了分组交换的方式，成为GSM向第三代网络演进的必经之路，通常被称为二代半技术。由于在GPRS无线接口采用了新的信道编码方式，对于用户提供的最高速率为171kb/s，一般为108kb/s。考虑到保护运营商已有第二代网络的利益，在演进的第一阶段可采用GPRS系统来实现，为拥护提供速率可达到100多kb/s的数据服务，在第二阶段，可以采用一种新的高电平调制方式的EDGE来提高调制的有效性，它使得用户数据速率可达到384kb/s。EDGE技术可以说是GSM系统的边缘技术，即它能达到的最高能力此后再过渡到WCDMA或其他3G系统。

　　对于3G的运营者来说，虽然是网络的演进，但其无线接入部分仍需要建全新的无线基站设备进行无线覆盖。在网络部分则会采用演进的方式，即在初期将针对话音和数据业务分别接入到不同的交换网络。电路型和分组型的交换网络都是增强的GSM和GPRS核心网络。随着网络的进一步发展，此后会出现全IP网络，即一个核心网络能够同时承载话音和数据业务，并采用IP技术。

　　WCDMA传输网络解决方案 WCDMA网络对传输的特殊要求

　　3G对传输网络的需求从结构上与2G有了很大的差别。在GSM/GPRS的2G网中，传输网络分为两个部分：基站到中心节点之间的传输和中心节点之间的传输。

　　基站到中心节点之间的传输：在GSM/GPRS系统中，一般一个基站通过1至多个E1电路接入传输网络的155/622M接入传输层，进入针对一定区域业务进行汇聚的2.5G汇聚传输层，再通过10G骨干层最终连接到安装在中心节点的BSC。

　　中心节点之间的传输：中心节点包括移动交换局、移动关口局、移动长途局、移动数据中心等，业务单位以E1为主，也有部分数据业务。这些机房一般都通过传输网骨干层节点连接在一起。在3GPP R99网络的核心网部分，WCDMA和GSM使用相同的核心网络，与GPRS的核心网相似，分为电路交换域(CS)和分组交换域(PS)，但WCDMA的编码解码器和MSC在一起，而在GSM/GPRS网络中，编码解码器和基站控制器在一起。此外，3GPP R99还引入了新的无线接入网络UTRAN，其中基站BTS改造为Node B，BSC改造为RNC。在3GPP R4网络中，核心网的CS域被分为控制层和连接层。控制层主要控制呼叫的建立、进程的管理、计费等相关功能，连接层主要用来传送用户的数据。PS域则和R99的没有区别。由于分层结构的引入，可以采用新的承载技术如ATM、IP来传输电路域的语音和信令。R5则进一步向纯IP网演进。

传输网络解决方案

　　针对3G网络结构的不同部分，我们需要提供不同的传输解决方案。

　　核心网(CN)传输解决方案：3G传输核心层解决的是RNC、MSC、SGSN、GMSC、GGSN等之间的传输问题，需要提供电路域和分组域的传输，分组域的传输包括IP核心路由器之间的传输和SGSN/GGSN与路由器之间的传输两部分。就WCDMA R99版本来看，3G传输核心层的业务侧接口速率有E1、STM-1/4、FE、GE。随着核心层的技术演进，在R4版本中，MSC分离为MSC Server和MGW，接口类型也由原来的TDM演进为TDM/IP/ATM。在R5版本中，由于电路域和分组域的融合，传输节点数目减少，网络将得到简化，容量需求将会大幅度提升。同时在核心网中，由于业务已经经过收敛和汇聚，承载网主要提供TDM/ATM/IP的透传，可以直接在over SDH/WDM网络进行大容量业务传输，对部分业务也可以采用ATM VP-RING或以太共享环提高带宽的利用率。

　　UTRAN部分的传输解决方案：UTRAN业务的接口有Iu接口、Iur接口和Iub接口三大类。其中Iu接口为RNC与核心网之间的接口，Iur接口为RNC与RNC之间的接口，Iub接口则是RNC与Node B之间的接口。接口类型主要为ATM和IMAE1。对Iu接口和Iur接口而言，由于RNC已经对业务进行了收敛和汇聚，所以直接对这些接口提供透传即可，组网方式也可以参考核心网的传输组网方式。我们更关心的是如何对Iub接口提供安全、灵活、高效的传输解决方案。

　　由于Iub可以采用将多个E1捆绑的IMA E1接口或ATM接口，不同接口的选择对移动传输组网的要求也不尽相同，从而使得移动传输组网面临比较复杂的局面。一种简单的思路是为UTRAN建设一套独立的ATM网络，RNC和Node B全部采用ATM接口，这样可以发挥ATM的统计复用、QoS保证等优势。但ATM交换设备十分昂贵，相对于3G网络前期业务少、带宽需求低的情况是很不经济的。而且作为一个基础网，实践证明了它对其他业务并非最佳解决方案，也不是技术的发展趋势。另外，ATM在采用光纤组网时自愈方面还存在全网连接的自动配置和恢复时间问题，无法满足电信级服务质量的要求。

　　我们也可以采用传统的SDH网传输3G无线接入业务，主要是使用多个E1捆绑的IMA E1接口或STM-1接口，通过ATM over SDH方式进行透传。其优点是能充分利用现有资源，节省投资，可快速开通3G业务。缺点是灵活性差，当利用STM-1接口时，存在传输效率不高问题，而当采用IMA E1接口时，会大量耗费RNC侧的E1接口，对RNC侧接口的压力会很大。由于IMA机制的限制，一般需预留大量E1端口用于Node B扩容，RNC投资费用会很高，且由于多个Node B之间带宽无法实现共享，对传输带宽需求也很大。

　　若采用RNC侧提供ATM接口而Node B为IMA E1接口的两种接口混用的方式虽然降低了RNC的接口压力和传输网的改造费用，但RNC与Node B之间必须进行ATM信号的处理，实现IMA E1到ATM的转换，这样就需要在RNC和传输网之间接入一个独立的ATM交换机进行信号的终结和转换。这样虽然降低了RNC的投资费用，却又增加了ATM交换机包括一套独立的ATM网管系统的费用，且由于IMA E1要求多个E1接口在ATM交换机上必须连续，所以ATM交换机还需预留大量的E1端口用于扩容，成本也会很高。

　　因此，我们可以考虑采用能够支持ATM的MSTP设备。它的优点是MSTP技术代表了现有传输网的发展方向，是基于SDH的传输网络平台，有些厂家的产品不但可以提供传统的TDM业务传输，还可以提供多种业务接口和处理能力，包括完善的ATM汇聚/交换，二层以太网的汇聚/交换，支持ATM业务的VP/VC交换以及ATM VPring等功能，通过业务汇聚实现对ATM带宽的收敛从而提高传输网带宽利用率，使用VPring还可以提供3G业务的多层保护从而提高了承载网的安全性。

WCDMA传输网络建议方案

　　在建设3G传输网络时，我们必须考虑可扩展性、可维护性、可管理性、兼容性和安全性。可扩展性要求网络规划具有前瞻性，使传输网快速而经济地扩容和升级。可维护性要求实现有效的分层管理，便于快速定位故障。可管理性指网络应有丰富的网络管理功能，能完成业务实时调配、告警故障定位、性能在线测试等操作。兼容性指3G系统应兼容于已部署的大量GSM、GPRS的2G和2.5G设备，使网络漫游互通和平滑演进。安全性要求传输网对个人移动业务的安全性提供保障。

　　在3G建网初期，业务对带宽的需求并不大，完全可以通过在现网基础上进行改造和扩容来实现，但从战略的角度来看，扩容和改造还必须考虑设备的再次升级能力。随着3G业务的不断开展，完全采用透传方式的传输网将面临巨大的传输压力，我们可以选择将接入层安装在Node B节点的接入节点升级或更新成具备IMA E1处理能力的MSTP设备，直接将来自Node B的IMA E1解封装进行处理后统计复用到VC-4，在Node B间构成一个容量为VC-4的ATM VPring，即环上的各Node B共享一个VC-4，在汇聚层、骨干层通过STM-1接口送给RNC。由于Node B的数量太大，这样配置的成本会比较高。

　　我们还可以将汇聚节点升级或替换成具备ATM交换能力的MSTP设备，接入层SDH设备将IMA E1透明传输汇集到汇聚节点后由MSTP设备对信号进行统计复用汇聚成VC4再通过STM-1口送给RNC，这样只需通过对少量汇聚节点的配置就可以大大提高带宽的利用率，但这仅仅是适应3G初期建设的过渡方案，很难充分利用MSTP网络对多业务的处理优势，不利于3G业务的进一步开展。随着3G业务的迅猛发展，我们仍应采用全程全网的MSTP网络进行业务承载，并为3G将来的全IP化做好准备。

　　随着IMT-2000无线接口技术标准的确定，显然3G现在已经不在是技术问题，而更多的是政策或经济方面的因素阻挡着它的大规模应用。随着中国电信业重组序幕的拉开，中国的3G时代必将很快到来，从网络资源和经济性的角度来看，我们应该充分利用现有资源，将传输网建设和发展成既适应3G发展需要，又结合现有网络基础，业务传输质量和带宽利用率并重的传输网络。