关键词：3G 核心网 GSM 演进
一、引言
随着移动通信、数据通信和光通信的飞速发展，其带来的需求日益膨胀。通信业务的不断发展和频谱资源的日益短缺，两者共同驱动了3G的产生。所谓3G是相对于2G的GSM、窄带CDMA（IS-95）和2.5G的GPRS等而提出的。其核心是人们对高速数据传输和移动多媒体等方面的渴望而提出的在移动通信体制上的突破，即在第二代TDMA体制上向第三代CDMA体制方向的发展。
第三代移动通信系统在标准上主要集中在WCDMA和cdma2000等两种，它们都是基于CDMA技术的系统，突出的特点是能提供高速率的电路和分组业务，其空中接口的最高速率可达2Mbps。
本文中所提的3G 是指基于GSM的演进系统WCDMA ，重点是论述网络侧（核心网CN）的演进和相关设备。在WCDMA_CN中，分为R99和Rel 4/5（2001年以前称R00）两个阶段。Rel 4/5是全IP的核心网，目前标准化过程仍在进行；R99阶段也已完成，ZXW10-CN是中兴通讯WCDMA核心网的相应产品，其所采用的技术是R99。
二、WCDMA（R99）核心网概述
1. 核心网网络
因需求导致了对带宽更高的要求，使2G/2.5G的技术体制在无线接入侧和核心网络侧都暴露出较大的局限性，而WCDMA（3G）技术体制由于采用了CDMA技术和ATM网络协议结构，使得在无线接入侧和核心网络侧，都以宽带系统来设计，和2G/2.5G相比有着无可比拟的优势。WCDMA采用DS-CDMA多址方式，空中接口的码片速率是3.84Mcps，载波带宽5MHz。核心网基于MAP，支持宽带业务，其中高速移动环境支持144kb/s，步行慢速移动环境支持384kb/s，室内支持2Mb/s的数据传输速率。
R99核心网分为电路域（CS）和分组域（PS）两部分。CS 域和PS域分别是在GSM phase 2+的电路核心网和GPRS核心网的基础演变而来的。CS域主要处理传统的电路型业务如电话、语音及ISDN等，PS域则处理有关的分组数据业务。WCDMA要求实现与GSM网络的全兼容，核心网技术标准是在现有的GSM/GPRS基础上发展的，它把GSM MAP 协议作为上层核心网协议。GSM网络的语音和分组数据业务是由MSC/GSN不同的网络节点实现的，WCDMA（R99）依然采用这种处理方式，将语音和数据分别处理。
在核心网侧，为了支持高速数据业务，提高数据的传输速率，3GPP在核心网和无线接入网之间增加了ATM接口，即将2G中GSM的A接口与2.5G中GPRS的Gb接口用Iu接口替代。
基于3GPP的R99基本网络结构图如图1所示。
图1 WCDMA R99 的网络结构和接口
R99核心网CS域将实现用户能够在任何时候、任何地点、任何服务网中获得与在归属环境"看起来相同、感觉相同"的业务。在业务方面不仅要完全支持GSM Phase 2阶段以上和GPRS的业务，还要对未来的业务进行支持，并且系统要提供与现有固定网一致的较高的服务质量。3G可以通过协商业务量和QoS特征的方式支持高比特率的承载业务，还可以有效地支持突发和不对称业务，支持 Internet接入、移动多媒体、多呼叫等业务。在应用方面，通过增强和综合，提供定位服务和移动智能业务等。
3G PS域就是3G的GPRS部分，其主要的功能实体包括SGSN、GGSN、CGF等。SGSN主要和UTRAN相连，负责移动用户的移动性管理、接入控制、鉴权、路由选择、地址翻译和映像、数据包的中转、流量控制、QoS管理等功能。GGSN则主要与外部数据网相连，作为GPRS的外部数据网关，它主要负责用户和网络间分组数据包的封装和中转、消息的传递、地址翻译和映像和部分移动性管理工作。CGF的主要作用则是收集SGSN和GGSN的计费数据，传送到计费系统中进行处理。
R99核心网PS域为移动用户主要提供承载数据业务，包括点对点数据业务(PTP)和点对多点数据业务(PTM)，同时还支持补充业务和短消息业务，提供以GPRS承载业务为基础的各种电信业务，如网络应用业务。其中PTP又包括数据包类型的、无连接的PTP和虚电路类型的、面向连接的PTP业务，而面向连接的PTP为两个用户或多个用户之间传送多路数据分组建立逻辑虚电路(PVC)。
2. Iu接口：Iu_CS 和Iu_PS
从整个网络结构看，R99核心网与GSM、GPRS之间差异较小，主要差别是在无线资源网络（RNS）和核心网（CN）之间增加了Iu接口，相应地在有关协议层等方面进行了补充和改变。
核心网的CS域Iu接口部分称为Iu_CS，PS域Iu接口部分称为Iu_PS。Iu接口又分为Iu控制平面和Iu用户平面，Iu控制平面传送信令，Iu用户平面传送用户数据。Iu_CS和Iu_PS分别对应于GSM的A接口和GPRS的Gb接口。Iu口的传输采用ATM，将ATM看作L1、L2技术，上层业务改变较小，主要是使用ATM的PVC作为承载。
图2是Iu_CS的协议结构
Iu-CS与A接口之间的最大差别还是底层的差别。从图2的协议栈可以看出，lu接口建立在ATM的基础之上；而A接口的信令建立在七号信令的SCCP层之上。A接口采用64kbps的地面电路承载用户面数据，而Iu在用户平面采用ATM的AAL2适配协议承载用户面数据，AAL2连接是由Q.2630.1协议动态建立；在控制平面上，对宽带和窄带信令都要实现。
同样，对于Iu_PS接口，由于在核心网和接入网之间增加了Iu接口，有关协议和处理也进行了改变。底层主要承载在ATM的AAL5适配层上，物理层一般采用STM-1（155Mbps）的光接口。R99的PS域就是构建在IP之上，PS域的GTP隧道是采用IP承载的。图3显示的是Iu_PS的协议结构。
从图3可以看出，由于底层承载采用ATM技术，相应地增加了ATM适配层AAL5，AAL5主要完成上层信令到ATM信元的转换，这是一个重要变化。RANAP主要是负责封装和承载高层信令，并处理3G_SGSN和无线接入网之间的信令。GTP协议则对PTP分组数据协议的PDUs进行封装。
三、 基于Rel 4/5的全IP网络
在WCDMA（R99）版本中，考虑到与现有GSM系统兼容以及IP技术对实时业务支持不足的问题，核心网结构采用话音电路业务和数据业务分离。在Rel 4/5版本中，关于核心网网元有以下主要变动：
图4是基于Rel 4/5的网络结构，可以看出这样的网络结构可以支持R99 CS域的终端。同固定网中PSTN正向与IP骨干网结合的趋势相一致，移动网将逐步与IP网络融合，IP将作为用户语音、数据以及信令的统一载体。
图4 基于Rel 4/5的网络结构
全IP网络的特点是：（1）网络结构是基于分组技术，以便同时实现实时和非实时业务；（2）网络结构基于演进的性能加强的GPRS网络；（3）所有的IP接口和相关的网络接口应支持实时多媒体业务；（4）IP用于所有数据和信令的下层传输。
通过在IP网上构建逻辑独立的信令处理服务器处理控制信令（相当于MSC/SGSN的信令处理能力），构建业务应用服务器提供业务，从而实现"业务/控制/交换/适配"的逻辑分离。整个网络结构分为五部分：移动网络；同时支持UTRAN和GPRS技术的移动接入网络，以及其它方式的接入系统；GPRS网络；呼叫控制；连接外部网络的网关。全IP网络是通信发展的趋势，只是目前技术尚未完全成熟，难以马上实施。一旦VoIP和IP QoS技术成熟，即可在IP上实现语音、数据的统一传输，实现移动网络与IP网络的统一。全IP网络是第三代移动网络的发展趋势，目前可以通过语音/数据一体化平台构建3G核心网络，实现向全IP网络的平滑过渡。
四、中兴通讯3G核心网演进策略
中兴通讯商用WCDMA基于R99版，网络侧将提供全部CS域和PS域的网元，包括与CAMEL、LCS等相关的实体网元。在业务方面，支持基本电信和承载业务，同时实现包括CAMEL3、LCS等业务。
由于3G在无线接入网络上发生了质的变化，因此在考虑演进方案时，会出现多种演进方式。
总体来说，针对已拥有2G和未有2G网络，且获 3G牌照的运营商，会出现两类演进情况。对于未有2G网络的运营商来说，由于没有2G网络的负担，可以尽量采用较新的技术，建设全新的网络是合适的，这样可以越过GSM网络，直接增加3G的网络节点构建3G的核心网络，提供3G业务，从而满足运营商的需求。对于这种情况，中兴通讯3G演进方案建议直接建设3G的核心网CN和接入网UTRAN。
然而大多数情况下，面临的是如何从GSM/GPRS向3G进行平稳、无缝演进。一种方案是采用核心网升级方式，即在原有的GSM/GPRS核心网基础上，通过硬件的更新和软件的升级来实现3G演进。但是，站在运营商的角度看，运营商最关心的是系统的稳定可靠和设备的性能价格比，这种方案不是首选和最佳方案。因为：2G核心网在设计建设时冗余甚小，而冗余是对网络起着保护作用的，强行升级、扩容势必影响网络的稳定性；同时针对网络侧而言，全IP是核心网的目标，升级又增添了2G电路交换的包袱，给将来的全IP的网络演进带来困难；从运营成本来讲，核心网只占整个移动网建设成本的20%左右。
另一种方案是，开始时在中心地区利用第二代核心网，通过互通功能单元IWU为3G的接入网UTRAN提供接入GSM/GPRS的能力，此时可以满足部分移动用户对话音、高速数据通讯和Internet访问的业务需求，如图5 所示。这样移动用户利用双模终端，可以在继续保持原有的移动漫游和用户应用特性的同时，实现3G的部分业务。随着3G用户的不断发展，GSM/GPRS核心网无法对日益增长的3G业务提供支持，此时将引入3G核心网。IWU功能是将窄带A/Gb接口转换成宽带Iu接口，从而通过GSM/GPRS核心网，连接3G的UTRAN实现3G业务。这种升级方案关键是互通功能单元IWU的成本，但事实上，其成本很大，甚至达到建设一个局的费用，显然也不足取。
图5 通过IWU接入3G UTRAN
因此，中兴通讯的核心网演进策略将更多地倾向于采用建设叠加网的方案，即采取将3G的核心网叠加在GSM核心网上，以满足中心城市和3G业务热点地区对3G业务的需求，并逐步扩大3G核心网覆盖范围和容量，两种核心网通过网关进行互通，利用原有GSM网络覆盖资源解决漫游问题，如图6所示。
图6 采用叠加网方式演进
通过3G核心网的叠加，引入了宽带接入，补充了新的频谱和核心网资源，结果分流了语音和数据业务，刺激了业务增长，从而最终使3G得到了真实的发展。从技术上来说，由于3GPP在规范WCDMA网络技术时充分考虑了网络的继承性，因此在核心网的演进技术上不存在障碍。同时3G的UTRAN可以接入3G核心网，实现3G的功能。
此时，3G_SGSN和3G_MSC/VLR是2G_SGSN和2G_MSC/VLR的设备演进。采用这种叠加方式演进，可以充分利用已有的HLR/AUC、SC等设备，并沿用移动信令网，在中兴通讯的GSM的MSC及GPRS的GSN节点上通过增加少量的硬件设备和软件的升级得以实现。这样最大限度地保护了运营商在GSM/GPRS等方面的已有投资，运营商又可以根据自己地区，结合当时的实际情况，逐步、渐进地提供丰富的3G业务。
此外，对运营商而言达到了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，这种演进叠加策略充分体现了3G对GSM/GPRS网络设施的继承性和保护。值得注意的是，GSM/GPRS网络与3G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网络的高频谱利用率，当3G网络空闲时，对语音业务也可考虑优先使用3G网络。而且这样做，由于有GPRS的存在，对于3G高速率业务，移动用户可以在3G建设的初期可以得到漫游支持。在发展到一定程度以后，将开始演进到基于Rel 4/5的全IP网络。
五、结束语
严格地讲，3G核心网的演进不仅包括网络设备的演进，而且还应涵盖业务上的过渡。因为网络设备的演进，目的是分层次地将各类业务引入。重要的是，对于运营商来说可以根据不同的市场需求，在不同地区、不同时间采用不同的方式，通过网络设备的演进、更新，渐进地引入2.5G/3G 业务。所以，3G的演进本质上就是3G业务的过渡也不无道理。
实事求是地说，2G向3G的过渡需要较长时间，在设计演进策略时应考虑和二代的兼容问题，与此同时由于当前电信网络有向全IP的演化和发展趋势，所以还应充分考虑将来向Rel 4/5阶段的平滑过渡问题。从另一重要方面来说，保护运营商已有的网络设备投资，充分利用现有的GSM网络，进行演进式、平滑过渡，是中兴通讯在制定3G演进方案考虑的最重要因素。
从市场角度来说，第三代移动通信的出现，对我们设备制造商而言，商机和挑战并存，在通信设备市场进行一次新的洗牌再所难免。
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