解析通信技術從GSM+GPRS到3G的演進

  0、前言

　　如何把世界上最大規(guī)模的GSM網(wǎng)絡（更準確地說，是GSM+GPRS網(wǎng)絡）順利演進到3G技術體系系統(tǒng)非常重要。本文就GSM+GPRS演進到3G WCDMA的策略進行探討并給出自己的思考和心得。

　　2G到3G的發(fā)展既是業(yè)務的推動，也是技術不斷發(fā)展的必然，當然，這中間有著復雜的過程，首先2G系統(tǒng)因為數(shù)據(jù)通信業(yè)務需要，GSM從單一的電路交換只支持通話業(yè)務升級到2.5G，即GPRS、GSM+GPRS在核心網(wǎng)絡中分成電路域（CS）和分組交換域（PS），這樣一來，就使得形成的GSM+GPRS移動通信系統(tǒng)不僅僅能支持話音通信，而且可以支持低速數(shù)據(jù)通信和短消息。

　　基于GSM技術發(fā)展而來的寬帶CDMA即WCDMA技術與2G移動通信技術在結(jié)構(gòu)上有很大不同，而是和2.5G的結(jié)構(gòu)上有些相似，除了結(jié)構(gòu)上的問題外，3G采用的技術為CDMA，這也與2G采用的FDD TDMA標準制式不同。

　　TDMA時分多址，是通信中的基本多址技術之一，在2G（GSM）移動通信系統(tǒng)中多被采用，時分多址的基本概念是把時間分割成周期性的幀，每一個幀再分割成若干個時隙向基站發(fā)送信號，在滿足定時和同步的條件下，進行發(fā)送和信號的接收。

　　CDMA碼分多址，它是在數(shù)字技術的分支—擴頻通信技術上發(fā)展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術，CDMA技術的原理是基于擴頻技術，即將需傳送的具有一定信號帶寬的信息數(shù)據(jù)，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調(diào)制，使得原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去，接收端使用完全相同的偽隨機碼，與接收的帶寬信號作相關處理，把寬帶信號換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號作相關處理，把寬帶信號換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號即解擴，以實現(xiàn)信息通信。

　　GSM+GPRS和3G在體系架構(gòu)上基本相同，都由用戶終端、無線網(wǎng)側(cè)和核心網(wǎng)組成，其到3G的演進主要體現(xiàn)在無線網(wǎng)側(cè)與核心網(wǎng)兩大部分。

1、無線網(wǎng)側(cè)的演進

　　GSM+GPRS的無線網(wǎng)側(cè)與WCDMA的無線網(wǎng)側(cè)差異特別大，要完成從GSM+GPRS到3G無線網(wǎng)側(cè)的演進需要拋棄掉原有的體系重新建設3G的無線網(wǎng)體系。

　　GSM+GPRS的無線接入網(wǎng)部分由基站BTS和基站控制器BSC組成，BSC通過A接口與核心網(wǎng)MSC/VLR相連，通過Gb接口與核心網(wǎng)分組域的SGSN相連。

　　3G WCDMA無線網(wǎng)是一個在全新的頻段上用更高頻譜效率的技術構(gòu)建的網(wǎng)絡。UTRAN的基本單元RNC和Node B與核心網(wǎng)CN通過Iu和Iub接口連接，且均采用ATM傳輸。

　　它們與GSM+GPRS的無線接口和接入方式完全不同，因此WCDMA的無線接入部分將會重新部署。WCDMA無線網(wǎng)通過空中接口與用戶終端相連，RTT可以實現(xiàn)高速144Kbps的接入速率；中速情況下可以實現(xiàn)384Kbps的接入速率；室內(nèi)情況下可以實現(xiàn)2Mbps的接入速率；根據(jù)帶寬需求實現(xiàn)的可變比特速率信息傳遞；一個連接中可以同時支持具有不同QoS要求的業(yè)務；滿足不同業(yè)務的延時要求（從實時要求的語音業(yè)務到盡力而為的數(shù)據(jù)業(yè)務）。

　　無線側(cè)平滑過渡解決方案：

　　●原有GSM+GPRS設備進行升級的組網(wǎng)方案

　　對于存在GSM+GPRS網(wǎng)絡的運營商來說，網(wǎng)絡建設在原有的GSM+GPRS無線網(wǎng)基礎上考慮升級的解決方案存在技術上的問題。采用無線網(wǎng)絡控制器（即RNC）升級的方式，作為無線側(cè)升級后的組網(wǎng)方案。

　　采用上述升級方式的主要困難在于讓BSC設備升級成具有RNC功能的設備，技術實現(xiàn)上非常困難。首先，BSC和RNC的無線網(wǎng)絡層協(xié)議差異性大，差異性是完全革命性的；其次，傳輸網(wǎng)絡層和物理層相差也非常大，一個是基于電路交換，一個是基于ATM交換；其三，用戶面的處理完全不同，BSC對于用戶面基本是透明的，而RNC對用戶面有很復雜的處理。

　　基于以上分析，BSC設備和RNC設備不存在共用設備問題，它們兩者的結(jié)合不會有任何成本的節(jié)省，反而會增加設備的復雜度，所以現(xiàn)在主流廠家基本都不考慮采用這種升級的方式。
 
    ●在原有GSM+GPRS設備上進行疊加的組網(wǎng)方案

　　對于無線側(cè)網(wǎng)絡的演進，目前普遍認同的方案是在原GSM+GPRS設備的基礎上進行3G網(wǎng)絡的疊加。

　　采用疊加方式后，GSM+GPRS無線網(wǎng)絡和3G無線網(wǎng)絡之間沒有直接連接。至于與核心網(wǎng)的連接，與核心網(wǎng)采用的演進方式有關。

　　需要說明的是，雖然GSM+GPRS無線網(wǎng)絡和3G無線網(wǎng)絡從組網(wǎng)結(jié)構(gòu)上看沒有直接連接，但Iub和Abis口共用傳輸是沒有問題的。

2、核心網(wǎng)側(cè)演進方案

　　2.1　核心網(wǎng)側(cè)演進的三種解決方案

　　與WCDMA系統(tǒng)在無線側(cè)無法平滑演進所不同的是，核心網(wǎng)側(cè)是可以演進的。根據(jù)核心網(wǎng)側(cè)電路域和分組域的演進方式不同，下面提出三種解決方案。

　　●核心網(wǎng)全升級過渡

　　對于現(xiàn)有的GSM+GPRS網(wǎng)絡，有的通信設備廠商支持從GSM+GPRS網(wǎng)絡向3G系統(tǒng)的演進，并提供全面的解決方案。這些通訊設備廠商的核心網(wǎng)升級方案是在原有的GSM+GPRS核心網(wǎng)的基礎上，通過硬件的更新和軟件的升級來實現(xiàn)向WCDMA系統(tǒng)的演進。

　　GSM+GPRS網(wǎng)絡在建設時都有一定的冗余，冗余對網(wǎng)絡起著一定的保護作用，避免網(wǎng)絡業(yè)務量增加時出現(xiàn)阻塞以保持網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。這種冗余為核心網(wǎng)的升級、擴容提供了可能，但由于近年來移動用戶數(shù)迅猛攀升，GSM+GPRS核心網(wǎng)的冗余已經(jīng)很小，強行升級、擴容勢必影響網(wǎng)絡的穩(wěn)定性；而對網(wǎng)絡側(cè)而言，即使現(xiàn)在通過升級能夠暫時滿足組網(wǎng)的需求，在將來網(wǎng)絡向全IP演進的過程中，還是需要新建3G的核心網(wǎng)，從網(wǎng)絡發(fā)展的角度來看，升級并不能為運營商建網(wǎng)節(jié)省成本。

　　站在運營商的角度看，系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠和設備的性能價格比是最值得關心的。核心網(wǎng)的建設只占整個移動網(wǎng)建設成本的20%左右，核心網(wǎng)升級并不能為運營商節(jié)約多少成本，但卻極大地降低了網(wǎng)絡性能，使得設備的性能價格比降低。這種升級帶來的系統(tǒng)無疑是極不穩(wěn)定的，從戰(zhàn)略角度來看，運營商只有建設一個高質(zhì)量、高起點的精品網(wǎng)絡才能在未來激烈的競爭中贏得用戶，而承擔如此大的風險通過升級方式來進行WCDMA系統(tǒng)演進，毫無疑問不是首選和最佳方案。

　　●疊加、升級組合建網(wǎng)

　　從GSM+GPRS網(wǎng)絡到WCDMA網(wǎng)絡演進的一種方式是疊加升級組合的建網(wǎng)方式，這種建網(wǎng)方案主要是將原有GSM+GPRS網(wǎng)絡的電路域進行疊加、分組域進行升級的一種組網(wǎng)方式。

　　從技術角度來看，WCDMA網(wǎng)絡設計時充分考慮了網(wǎng)絡的繼承性，3G系統(tǒng)疊加在GSM+GPRS的核心網(wǎng)上不存在技術上的屏障。3G系統(tǒng)的UTRAN可以接入3G系統(tǒng)的核心網(wǎng)，滿足3G業(yè)務需要；GSM+GPRS系統(tǒng)的BSS既可接入已有的網(wǎng)絡，也可同時接入3G網(wǎng)絡，實現(xiàn)相關的業(yè)務功能。
對于電路域而言，3G網(wǎng)絡的底層承載采用的是ATM承載，從而使GSM+GPRS到3G的升級在實現(xiàn)上不可能，同時會帶來很多問題，這些在前面已有論述?，F(xiàn)在在熱點地區(qū)，話務量已經(jīng)達到800Erl/Km2，隨著數(shù)據(jù)業(yè)務的引入，據(jù)預測三年內(nèi)話務量可達2500-3000Erl/Km2，而根據(jù)GSM+GPRS網(wǎng)絡建設初期的設計，網(wǎng)絡承載能力最多可達1000Erl/Km2，所以針對話務熱點地區(qū)現(xiàn)在急需增加網(wǎng)絡容量。電路域由于兩代網(wǎng)絡之間底層承載完全不同，無法升級，對電路域進行疊加是一個比較明智的選擇。

　　對于分組域的一種演進方案是升級，從保護運營商投資的角度來看，分組域進行升級演進是一種可以參考的方案。例如，有的通訊設備制造商的GPRS和3G的PS域是采用同一硬件平臺設計的，在GSM+GPRS到3G演進時，只需增加部分接口硬件并進行相關軟件升級即可。這樣既最大限度地保護了運營商的投資，又保證3G網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，便于網(wǎng)絡向R4/R5網(wǎng)絡的演進。

　　從投資者的角度來看，本文提供的該解決方案，由于基于GPRS系統(tǒng)的過渡，可以使運營商在節(jié)省信令網(wǎng)絡、傳輸網(wǎng)絡、智能網(wǎng)絡和網(wǎng)管、電力系統(tǒng)、以及HLR等網(wǎng)絡設備方面的投資的前提下，不會降低網(wǎng)絡的性能。

　　但需注意的是，采用這種PS域升級的方案的前提是GSM+GPRS的GPRS和3G的PS域設備的硬件平臺可以兼容，并有向全IP演進的能力。如現(xiàn)網(wǎng)上已有的GPRS設備的硬件平臺無法升級到3G則應考慮采用下一節(jié)方案。

　　如果采用現(xiàn)有GPRS的SGSN和GGSN升級為PS域，首先會影響現(xiàn)有GPRS網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，其次升級后設備為GPRS用戶提供服務，同時又為WCDMA用戶提供服務，隨著WCDMA用戶的增加，系統(tǒng)在擴容上需要進一步投資。并且現(xiàn)在GPRS網(wǎng)上設備SGSN的交換方式有很多廠商是采用窄帶電路交換方式，即使是采用寬帶ATM交換的系統(tǒng)，由于其結(jié)構(gòu)老化，處理機的處理能力、業(yè)務支持能力也無法滿足3G業(yè)務的需求，從而成為WCDMA數(shù)據(jù)高速交換的瓶頸，不利于以后新業(yè)務的發(fā)展。

　　●完全疊加建網(wǎng)

　　從GSM+GPRS網(wǎng)絡向3G系統(tǒng)的演進的另一種方案是建設完全疊加網(wǎng)。整個網(wǎng)絡根據(jù)現(xiàn)有GSM+GPRS組網(wǎng)不同區(qū)別對待：

　　對于GSM+GPRS電路域本地網(wǎng)采用完全疊加的方案。因為長途網(wǎng)一般僅起到話務轉(zhuǎn)接的作用，與GSM作用相同，建議WCDMA同GSM共享長途網(wǎng)資源，這樣對現(xiàn)網(wǎng)的影響也不是很大，WCDMA R99電路域采用的是七號信令，可以與GSM共享七號信令網(wǎng)。

　　對于分組域，WCDMA網(wǎng)絡PS域骨干網(wǎng)與現(xiàn)有的GPRS骨干網(wǎng)共享，WCDMA網(wǎng)絡PS域省網(wǎng)新建SGSN和GGSN，并且由于WCDMA的PS域與現(xiàn)網(wǎng)GPRS在流程以及核心網(wǎng)的協(xié)議非常相似，省網(wǎng)的CG、DNS和路由器等設備與GPRS現(xiàn)網(wǎng)共用。
 
    2.2　核心網(wǎng)疊加方案的主要優(yōu)點

　　避免了對現(xiàn)有GSM+GPRS業(yè)務的影響；易于網(wǎng)絡規(guī)劃和實施；充分保障了現(xiàn)有網(wǎng)絡的穩(wěn)定性；容量不受原有網(wǎng)絡的限制。

　　這種方案通過核心網(wǎng)的疊加來引入寬帶接入、補充新的頻譜和核心網(wǎng)資源，達到分流語音和數(shù)據(jù)業(yè)務、刺激業(yè)務增長的目的，從而促進3G系統(tǒng)的發(fā)展。

　　值得注意的是，GSM+GPRS網(wǎng)絡與3G系統(tǒng)核心網(wǎng)絡的疊加存在，不是競爭而是相互協(xié)作、互補的關系。為了充分挖掘3G系統(tǒng)網(wǎng)絡的高頻譜利用率，當3G系統(tǒng)網(wǎng)絡空閑時，對語音業(yè)務也可考慮優(yōu)先使用3G網(wǎng)絡。采用疊加方式建設3G網(wǎng)絡，不僅有利于3G網(wǎng)絡建設的逐步推進，而且為網(wǎng)絡向基于3GPP R4/R5的全IP網(wǎng)絡演進掃清了障礙。

　　2.3　演進策略建議：

　　總體來說，針對即將擁有3G牌照的運營商，一般會面臨三種建網(wǎng)選擇：新建、升級、疊加，當然實際情況往往會采用其中兩種或三種組合策略。

對于原本就沒有建設GSM+GPRS移動通信網(wǎng)絡的運營商來說，由于沒有原來網(wǎng)絡的負擔，可以盡量采用較新的技術，建設全新的網(wǎng)絡非常適宜，這樣越過GSM+GPRS網(wǎng)絡，直接增加3G的網(wǎng)絡節(jié)點構(gòu)建3G的核心網(wǎng)絡和3G無線接入網(wǎng)，提供3G業(yè)務。對此，本文提供的3G演進方案建議直接建設核心網(wǎng)CN和接入網(wǎng)UTRAN，已經(jīng)有設備制造商可以提供全套WCDMA端到端的解決方案，包括所有的系統(tǒng)設備：Node B、RNC、MSC/VLR、SGSN、GGSN、HLR、CG、OMC、SC、MMSC以及綜合業(yè)務管理平臺等等。針對已經(jīng)建設GSM+GPRS網(wǎng)絡的運營商，面臨的是如何從GSM+GPRS向3G進行平穩(wěn)、無縫的演進。此時運營商最為關注的是：WCDMA網(wǎng)絡的引入應盡可能減小對現(xiàn)有GSM+GPRS網(wǎng)絡運營的影響；盡可能地利用現(xiàn)網(wǎng)資源，更重要的是盡可能地保護GSM+GPRS到3G網(wǎng)絡發(fā)展上新的投資，同時確保這種投資可以保障網(wǎng)絡向全IP平滑演進而不會出現(xiàn)某種障礙；終端用戶的業(yè)務可以從GSM+GPRS平滑過渡到WCDMA。

　　本文充分考慮了上述情況，完全支持從GSM+GPRS網(wǎng)絡向WCDMA系統(tǒng)的平滑演進策略，網(wǎng)絡建設根據(jù)運營商現(xiàn)有網(wǎng)絡情況提供不同的解決方案。對于原來GPRS網(wǎng)絡初建時已經(jīng)考慮到了與3G PS域兼容，并且可以通過軟件升級過渡到3G的運營商，采用PS域升級、CS域疊加的演進方案。

　　而對于大多數(shù)現(xiàn)網(wǎng)情況，GPRS網(wǎng)絡無法只是通過軟件升級過渡到3G的PS域，因此建議采用完全疊加網(wǎng)的方案。即網(wǎng)絡建設時在原有GSM+GPRS本地網(wǎng)絡基礎上，疊加3G核心網(wǎng)，可同時接入3G的無線接入網(wǎng)UTRAN和GSM+GPRS的無線接入網(wǎng)BSS，在提供3G豐富多彩的業(yè)務的同時，與現(xiàn)有GSM+GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)業(yè)務互通，并為GSM+GPRS業(yè)務的平滑演進提供了保證。新建的3G核心網(wǎng)已經(jīng)從規(guī)劃上充分考慮到網(wǎng)絡向全IP演進的趨勢，為全IP的演進掃除了障礙。建設完全疊加網(wǎng)是對現(xiàn)網(wǎng)運營影響最小的解決方案，維護和提升精品網(wǎng)絡、高品質(zhì)服務的運營形象，為新一代網(wǎng)絡運營創(chuàng)造了更廣闊的發(fā)展空間。

3、結(jié)論

　　從現(xiàn)有GSM+GPRS網(wǎng)絡演進到WCDMA網(wǎng)絡時，不論采用哪種演進策略，都可以充分考慮如何改造和利用當前已有的長途骨干網(wǎng)、信令網(wǎng)、智能網(wǎng)、關口局及HLR/AUC、SC等設備。這樣既最大限度地保護了運營商在GSM/GPRS等方面的已有投資，又可以使運營商根據(jù)自己地區(qū)的業(yè)務開展情況和經(jīng)營狀況，逐步、漸進地提供豐富的3G系統(tǒng)業(yè)務，從而達到優(yōu)化自己的網(wǎng)絡資源配置、簡化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和便于運營、管理的目的。這充分體現(xiàn)了WCDMA系統(tǒng)對GSM+GPRS現(xiàn)網(wǎng)設施的繼承性和保護。