Internet-HSPA

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(luò)架構(gòu)上的扁平化趨勢，指出Internet-HSPA在3G向LTE演進(jìn)過程中具有承前啟后的作用，分析了無線網(wǎng)絡(luò)扁平化的關(guān)鍵技術(shù)及其給網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)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(guān)鍵詞]3GLTEHSPA/HSPA+Internet-HSPA扁平化

從GSM到WCDMA，再到HSPA/HSPA+，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的空口技術(shù)不斷演進(jìn)，數(shù)據(jù)速率飛速提高。根據(jù)國外眾多運(yùn)營商的經(jīng)驗(yàn)，伴隨著3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的完善，3G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將會(huì)呈現(xiàn)快速增長的趨勢，單位比特的業(yè)務(wù)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(luò)運(yùn)營商適應(yīng)未來網(wǎng)絡(luò)寬帶化的迫切需求。LTE能很好地滿足終端用戶和運(yùn)營商的需求，但LTE產(chǎn)業(yè)鏈的成熟尚需時(shí)日。針對目前這種需求與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不平衡狀態(tài)，3GPP(3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計(jì)劃)在目前3G/3.5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下引入了類LTE的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)——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(luò)體驗(yàn)和資費(fèi)。

1無線扁平化技術(shù)現(xiàn)狀

國外眾多的3G/3.5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)HSPA引入后，網(wǎng)絡(luò)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(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)量平均會(huì)增長到引入前的數(shù)倍，并且這種增長趨勢還會(huì)繼續(xù)保持(如圖1所示)。在這樣的情況下，相關(guān)網(wǎng)元(RNC、SGSN、GGSN)需要快速擴(kuò)容以適應(yīng)大數(shù)據(jù)量的需求。新網(wǎng)元的引入，將會(huì)使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兊脧?fù)雜，同時(shí)也將使運(yùn)營商的設(shè)備投資和運(yùn)營維護(hù)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(luò)結(jié)構(gòu)如圖2最左邊所示，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)按照BTS→RNC→SGSN→GGSN的順序傳遞，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆發(fā)式增長將同步對BTS、RNC、SGSN和GGSN都帶來巨大的擴(kuò)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(wù)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(shí)也節(jié)約了SGSN引入的額外傳輸時(shí)延。

在此基礎(chǔ)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(wù)按照BTS-GGSN的順序傳遞，進(jìn)一步避免了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)爆發(fā)對RNC的投資需求。同時(shí)更顯著的節(jié)約了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。

需要強(qiáng)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(jié)構(gòu)，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(luò)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(diǎn)：

◆Direct Tunnel：在RNC和GGSN之間建立數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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(luò)的扁平化向前更邁進(jìn)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(jìn)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(luò)架構(gòu)平滑發(fā)展而來，具有完全兼容現(xiàn)有3G網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，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(luò)架構(gòu)，lP化和扁平化使得數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的每比特成本明顯降低，終端用戶的體驗(yàn)明顯提升。

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

2無線扁平化的其他關(guān)鍵技術(shù)

(1)宏分集

扁平化架構(gòu)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(luò)的性能。在Internet-HSPA架構(gòu)下，實(shí)現(xiàn)MDC跟傳統(tǒng)WCDMA網(wǎng)絡(luò)一樣需要Iur接口支持，在實(shí)現(xiàn)機(jī)制上完全相同。Internet-HSPA基站(I-BTS)之間的接口是標(biāo)準(zhǔn)的Iur接口，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下MDC在RNC內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同。MDC在I-BTS內(nèi)實(shí)現(xiàn)即可。

(2)MBMS

Internet-HSPA同樣支持MBMS，扁平化架構(gòu)下的MBMS增強(qiáng)，在3GPP R8協(xié)議25.346中標(biāo)準(zhǔn)化了Internet-HSPA下的MBMS實(shí)現(xiàn)方式。

(3)尋呼

在Internet-HSPA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(zhuǎn)發(fā)。若某個(gè)I-BTS檢測到相應(yīng)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(shè)置為同一個(gè)位置區(qū)。

3無線扁平化架構(gòu)的優(yōu)勢與劣勢

3，1無線扁平化架構(gòu)的優(yōu)勢

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

(1)RTT時(shí)延

降低時(shí)延是扁平化IP架構(gòu)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(shí)延)。圖5是在商用網(wǎng)絡(luò)中的測試結(jié)果，從該測試可以看到，Internet-HSPA對RTT時(shí)延平均有約50％的改進(jìn)。

(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(cè)傳輸網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求明顯降低。如圖6的

仿真結(jié)果所示，Internet-HSPA可帶來19％-38％的接入側(cè)傳輸帶寬節(jié)約，從而減少了傳輸網(wǎng)絡(luò)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(luò)架構(gòu)下的RNC(Radio Network Controller，無線網(wǎng)絡(luò)控制器)將可能成為制約網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。假設(shè)某個(gè)網(wǎng)絡(luò)有1500個(gè)基站，每個(gè)基站在HSPA+時(shí)代的吞吐量為65Mbps。則整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量需求將達(dá)100G。按照當(dāng)前市場上RNC的處理能力(假設(shè)為2Gbps)，則需要約50個(gè)RNC。這樣，每臺(tái)RNC所能處理的基站數(shù)僅為30個(gè)，將使無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兊梅浅?fù)雜。同時(shí)，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(luò)的運(yùn)營帶來諸多的不變。

由于Internet-HSPA架構(gòu)下無需RNC，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化。也不會(huì)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(luò)架構(gòu)是扁平化的，不存在集中式控制網(wǎng)元，因而網(wǎng)元單點(diǎn)故障影響相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)明顯減小。同時(shí)，結(jié)合Iu-Flex技術(shù)，幾乎可以徹底消除單點(diǎn)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(luò)結(jié)構(gòu)，所有相關(guān)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(biāo)準(zhǔn)化的接口

Internet-HSPA是3GPP標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所有的接口都是3GPP標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的lur接口，無特別需求。

◆與MSC的接口：標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)程度的認(rèn)可，目前眾多廠商已有和Internet-HSPA核心網(wǎng)絡(luò)成功IOT(InterOperability Test，互操作測試)的案例。

3.2扁平化架構(gòu)可能的缺點(diǎn)

扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使Node B直接和核心網(wǎng)絡(luò)相連。由于終端的移動(dòng)性，將導(dǎo)致大量的信令直接匯聚到核心網(wǎng)絡(luò)，對核心網(wǎng)絡(luò)信令處理能力的要求更高。這是扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)帶來的唯一負(fù)面影響。但由于IT產(chǎn)品天然的特性，核心網(wǎng)絡(luò)信令處理能力已大幅度提高，且將變得更加強(qiáng)大，信令處理需求增加所帶來的影響將很快因技術(shù)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(luò)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(wù)傳送平臺(tái))傳輸網(wǎng)上。

若傳輸網(wǎng)絡(luò)無法提供1P接口，IP over ATM技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)的Iu-CS/PS接口和Gn接口，I-BTS可以直接應(yīng)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(wù)。

6結(jié)語

隨著3G業(yè)務(wù)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(luò)發(fā)展的必然趨勢。未來的LTE是理想的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，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(shù)，使IP化和扁平化在目前的3G網(wǎng)絡(luò)上成為現(xiàn)實(shí)。Internet-HSPA的所有接口完全符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)由于引入Internet-HSPA對現(xiàn)網(wǎng)的改動(dòng)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(shí)現(xiàn)面向未來的投資保護(hù)。