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从GSM+GPRS到3G技术体系的演进

  0、前言

  如何把世界上最大规模的GSM网络(更准确地说,是GSM+GPRS网络)顺利演进到3G技术体系系统非常重要。本文就GSM+GPRS演进到3G WCDMA的策略进行探讨并给出自己的思考和心得。

  2G到3G的发展既是业务的推动,也是技术不断发展的必然,当然,这中间有着复杂的过程,首先2G系统因为数据通信业务需要,GSM从单一的电路交换 只支持通话业务升级到2.5G,即GPRS、GSM+GPRS在核心网络中分成电路域(CS)和分组交换域(PS),这样一来,就使得形成的 GSM+GPRS移动通信系统不仅仅能支持话音通信,而且可以支持低速数据通信和短消息。

  基于GSM技术发展而来的宽带CDMA即WCDMA技术与2G移动通信技术在结构上有很大不同,而是和2.5G的结构上有些相似,除了结构上的问题外,3G采用的技术为CDMA,这也与2G采用的FDD TDMA标准制式不同。

  TDMA时分多址,是通信中的基本多址技术之一,在2G(GSM)移动通信系统中多被采用,时分多址的基本概念是把时间分割成周期性的帧,每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号,在满足定时和同步的条件下,进行发送和信号的接收。

  CDMA码分多址,它是在数字技术的分支-扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术,CDMA技术的原理是基于扩频技术,即将需传送的 具有一定信号带宽的信息数据,用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制,使得原数据信号的带宽被扩展,再经载波调制并发送出去,接收端使用完全相 同的伪随机码,与接收的带宽信号作相关处理,把宽带信号换成原信息数据的窄带信号作相关处理,把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩,以实现信息通 信。

  GSM+GPRS和3G在体系架构上基本相同,都由用户终端、无线网侧和核心网组成,其到3G的演进主要体现在无线网侧与核心网两大部分。

  1、无线网侧的演进

  GSM+GPRS的无线网侧与WCDMA的无线网侧差异特别大,要完成从GSM+GPRS到3G无线网侧的演进需要抛弃掉原有的体系重新建设3G的无线网体系。

  GSM+GPRS的无线接入网部分由基站BTS和基站控制器BSC组成,BSC通过A接口与核心网MSC/VLR相连,通过Gb接口与核心网分组域的SGSN相连。

  3G WCDMA无线网是一个在全新的频段上用更高频谱效率的技术构建的网络。UTRAN的基本单元RNC和Node B与核心网CN通过Iu和Iub接口连接,且均采用ATM传输。

  它们与GSM+GPRS的无线接口和接入方式完全不同,因此WCDMA的无线接入部分将会重新部署。WCDMA无线网通过空中接口与用户终端相 连,RTT可以实现高速144Kbps的接入速率;中速情况下可以实现384Kbps的接入速率;室内情况下可以实现2Mbps的接入速率;根据带宽需求 实现的可变比特速率信息传递;一个连接中可以同时支持具有不同QoS要求的业务;满足不同业务的延时要求(从实时要求的语音业务到尽力而为的数据业务)。

  无线侧平滑过渡解决方案:

  ● 原有GSM+GPRS设备进行升级的组网方案

  对于存在GSM+GPRS网络的运营商来说,网络建设在原有的GSM+GPRS无线网基础上考虑升级的解决方案存在技术上的问题。采用无线网络控制器(即RNC)升级的方式,作为无线侧升级后的组网方案。

  采用上述升级方式的主要困难在于让BSC设备升级成具有RNC功能的设备,技术实现上非常困难。首先,BSC和RNC的无线网络层协议差异性大,差异 性是完全革命性的;其次,传输网络层和物理层相差也非常大,一个是基于电路交换,一个是基于ATM交换;其三,用户面的处理完全不同,BSC对于用户面基 本是透明的,而RNC对用户面有很复杂的处理。

  基于以上分析,BSC设备和RNC设备不存在共用设备问题,它们两者的结合不会有任何成本的节省,反而会增加设备的复杂度,所以现在主流厂家基本都不考虑采用这种升级的方式。

  ● 在原有GSM+GPRS设备上进行叠加的组网方案

  对于无线侧网络的演进,目前普遍认同的方案是在原GSM+GPRS设备的基础上进行3G网络的叠加。

  采用叠加方式后,GSM+GPRS无线网络和3G无线网络之间没有直接连接。至于与核心网的连接,与核心网采用的演进方式有关。

  需要说明的是,虽然GSM+GPRS无线网络和3G无线网络从组网结构上看没有直接连接,但Iub和Abis口共用传输是没有问题的。

  2、核心网侧演进方案

  2.1 核心网侧演进的三种解决方案

  与WCDMA系统在无线侧无法平滑演进所不同的是,核心网侧是可以演进的。根据核心网侧电路域和分组域的演进方式不同,下面提出三种解决方案。

  ● 核心网全升级过渡

  对于现有的GSM+GPRS网络,有的通信设备厂商支持从GSM+GPRS网络向3G系统的演进,并提供全面的解决方案。这些通讯设备厂商的核心网升级方案是在原有的GSM+GPRS核心网的基础上,通过硬件的更新和软件的升级来实现向WCDMA系统的演进。

  GSM+GPRS网络在建设时都有一定的冗余,冗余对网络起着一定的保护作用,避免网络业务量增加时出现阻塞以保持网络的稳定性。这种冗余为核心网的 升级、扩容提供了可能,但由于近年来移动用户数迅猛攀升,GSM+GPRS核心网的冗余已经很小,强行升级、扩容势必影响网络的稳定性;而对网络侧而言, 即使现在通过升级能够暂时满足组网的需求,在将来网络向全IP演进的过程中,还是需要新建3G的核心网,从网络发展的角度来看,升级并不能为运营商建网节 省成本。

  站在运营商的角度看,系统的稳定可靠和设备的性能价格比是最值得关心的。核心网的建设只占整个移动网建设成本的20%左右,核心网升级并不能为运营商 节约多少成本,但却极大地降低了网络性能,使得设备的性能价格比降低。这种升级带来的系统无疑是极不稳定的,从战略角度来看,运营商只有建设一个高质量、 高起点的精品网络才能在未来激烈的竞争中赢得用户,而承担如此大的风险通过升级方式来进行WCDMA系统演进,毫无疑问不是首选和最佳方案。

  ● 叠加、升级组合建网

  从GSM+GPRS网络到WCDMA网络演进的一种方式是叠加升级组合的建网方式,这种建网方案主要是将原有GSM+GPRS网络的电路域进行叠加、分组域进行升级的一种组网方式。

  从技术角度来看,WCDMA网络设计时充分考虑了网络的继承性,3G系统叠加在GSM+GPRS的核心网上不存在技术上的屏障。3G系统的UTRAN 可以接入3G系统的核心网,满足3G业务需要;GSM+GPRS系统的BSS既可接入已有的网络,也可同时接入3G网络,实现相关的业务功能。

  对于电路域而言,3G网络的底层承载采用的是ATM承载,从而使GSM+GPRS到3G的升级在实现上不可能,同时会带来很多问题,这些在前面已有论 述。现在在热点地区,话务量已经达到800Erl/Km2,随着数据业务的引入,据预测三年内话务量可达2500-3000Erl/Km2,而根据 GSM+GPRS网络建设初期的设计,网络承载能力最多可达1000Erl/Km2,所以针对话务热点地区现在急需增加网络容量。电路域由于两代网络之间 底层承载完全不同,无法升级,对电路域进行叠加是一个比较明智的选择。

  对于分组域的一种演进方案是升级,从保护运营商投资的角度来看,分组域进行升级演进是一种可以参考的方案。例如,有的通讯设备制造商的GPRS和3G 的PS域是采用同一硬件平台设计的,在GSM+GPRS到3G演进时,只需增加部分接口硬件并进行相关软件升级即可。这样既最大限度地保护了运营商的投 资,又保证3G网络的稳定性,便于网络向R4/R5网络的演进。

  从投资者的角度来看,本文提供的该解决方案,由于基于GPRS系统的过渡,可以使运营商在节省信令网络、传输网络、智能网络和网管、电力系统、以及HLR等网络设备方面的投资的前提下,不会降低网络的性能。

  但需注意的是,采用这种PS域升级的方案的前提是GSM+GPRS的GPRS和3G的PS域设备的硬件平台可以兼容,并有向全IP演进的能力。如现网上已有的GPRS设备的硬件平台无法升级到3G则应考虑采用下一节方案。

  如果采用现有GPRS的SGSN和GGSN升级为PS域,首先会影响现有GPRS网络的稳定性,其次升级后设备为GPRS用户提供服务,同时又为 WCDMA用户提供服务,随着WCDMA用户的增加,系统在扩容上需要进一步投资。并且现在GPRS网上设备SGSN的交换方式有很多厂商是采用窄带电路 交换方式,即使是采用宽带ATM交换的系统,由于其结构老化,处理机的处理能力、业务支持能力也无法满足3G业务的需求,从而成为WCDMA数据高速交换 的瓶颈,不利于以后新业务的发展。

  ● 完全叠加建网

  从GSM+GPRS网络向3G系统的演进的另一种方案是建设完全叠加网。整个网络根据现有GSM+GPRS组网不同区别对待:

  对于GSM+GPRS电路域本地网采用完全叠加的方案。因为长途网一般仅起到话务转接的作用,与GSM作用相同,建议WCDMA同GSM共享长途网资源,这样对现网的影响也不是很大,WCDMA R99电路域采用的是七号信令,可以与GSM共享七号信令网。

  对于分组域,WCDMA网络PS域骨干网与现有的GPRS骨干网共享,WCDMA网络PS域省网新建SGSN和GGSN,并且由于WCDMA的PS域与现网GPRS在流程以及核心网的协议非常相似,省网的CG、DNS和路由器等设备与GPRS现网共用。

  2.2 核心网叠加方案的主要优点

  避免了对现有GSM+GPRS业务的影响;易于网络规划和实施;充分保障了现有网络的稳定性;容量不受原有网络的限制。

  这种方案通过核心网的叠加来引入宽带接入、补充新的频谱和核心网资源,达到分流语音和数据业务、刺激业务增长的目的,从而促进3G系统的发展。

  值得注意的是,GSM+GPRS网络与3G系统核心网络的叠加存在,不是竞争而是相互协作、互补的关系。为了充分挖掘3G系统网络的高频谱利用率,当 3G系统网络空闲时,对语音业务也可考虑优先使用3G网络。采用叠加方式建设3G网络,不仅有利于3G网络建设的逐步推进,而且为网络向基于3GPP R4/R5的全IP网络演进扫清了障碍。

  2.3 演进策略建议:

  总体来说,针对即将拥有3G牌照的运营商,一般会面临三种建网选择:新建、升级、叠加,当然实际情况往往会采用其中两种或三种组合策略。

  对于原本就没有建设GSM+GPRS移动通信网络的运营商来说,由于没有原来网络的负担,可以尽量采用较新的技术,建设全新的网络非常适宜,这样越过 GSM+GPRS网络,直接增加3G的网络节点构建3G的核心网络和3G无线接入网,提供3G业务。对此,本文提供的3G演进方案建议直接建设核心网CN 和接入网UTRAN,已经有设备制造商可以提供全套WCDMA端到端的解决方案,包括所有的系统设备:Node B、RNC、MSC/VLR、SGSN、GGSN、HLR、CG、OMC、SC、MMSC以及综合业务管理平台等等。针对已经建设GSM+GPRS网络的 运营商,面临的是如何从GSM+GPRS向3G进行平稳、无缝的演进。此时运营商最为关注的是:WCDMA网络的引入应尽可能减小对现有GSM+GPRS 网络运营的影响;尽可能地利用现网资源,更重要的是尽可能地保护GSM+GPRS到3G网络发展上新的投资,同时确保这种投资可以保障网络向全IP平滑演 进而不会出现某种障碍;终端用户的业务可以从GSM+GPRS平滑过渡到WCDMA.

  本文充分考虑了上述情况,完全支持从GSM+GPRS网络向WCDMA系统的平滑演进策略,网络建设根据运营商现有网络情况提供不同的解决方案。对于 原来GPRS网络初建时已经考虑到了与3G PS域兼容,并且可以通过软件升级过渡到3G的运营商,采用PS域升级、CS域叠加的演进方案。

  而对于大多数现网情况,GPRS网络无法只是通过软件升级过渡到3G的PS域,因此建议采用完全叠加网的方案。即网络建设时在原有GSM+GPRS本 地网络基础上,叠加3G核心网,可同时接入3G的无线接入网UTRAN和GSM+GPRS的无线接入网BSS,在提供3G丰富多彩的业务的同时,与现有 GSM+GPRS网络实现业务互通,并为GSM+GPRS业务的平滑演进提供了保证。新建的3G核心网已经从规划上充分考虑到网络向全IP演进的趋势,为 全IP的演进扫除了障碍。建设完全叠加网是对现网运营影响最小的解决方案,维护和提升精品网络、高品质服务的运营形象,为新一代网络运营创造了更广阔的发 展空间。

  3、结论

  从现有GSM+GPRS网络演进到WCDMA网络时,不论采用哪种演进策略,都可以充分考虑如何改造和利用当前已有的长途骨干网、信令网、智能网、关 口局及HLR/AUC、SC等设备。这样既最大限度地保护了运营商在GSM/GPRS等方面的已有投资,又可以使运营商根据自己地区的业务开展情况和经营 状况,逐步、渐进地提供丰富的3G系统业务,从而达到优化自己的网络资源配置、简化网络结构和便于运营、管理的目的。这充分体现了WCDMA系统对 GSM+GPRS现网设施的继承性和保护。

详细方案来自:http://www.azstv.com

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