全業務運營下網絡技術與發展趨勢

袁超偉，劉冰濱

(1.北京郵電大學信息與通信工程學院，北京 100876;2.澳門科技大學資訊科技學院，澳門)

0 引言

隨著2008年電信業重組、2009年第三代移動通信系統(3G)牌照的發放，中國通信行業終止了固定、移動分業經營的歷史，開創了全業務運營的局面［1］。在新的競爭環境下，中國通信行業話音業務競爭更加激烈、業務捆綁將成為最常見的競爭手段、固網業務和互聯網業務成為了市場競爭的重要元素，如何推進融合和做精業務成為了中國通信行業的面臨全業務競爭的必然趨勢。隨著通信技術的發展，為了滿足未來網絡建設需求，推進核心網絡、接入網融合，提高全業務市場競爭的能力，向客戶提供個性化的多媒體業務服務能力，同時降低網絡運營成本，是中國通信行業的奮斗目標。IP多媒體子系統(IMS)技術［2-12］的引入一方面可實現移動固定電話的融合、實現了對業務控制，提供多媒體和互聯網業務融合能力;另一方面促進中國通信業核心網絡融合與演進，實現對網絡資源的整合并降低成本投資風險。通信運營商以業務驅動為導向，在解決多網融合壓力需求和融合核心網的前提下建設IP多媒體子系統網絡是一種可行的選擇;智能網(IN)是在原有通信網絡的基礎上設置的一種附加網絡結構，其目的是在多廠商環境下快速引入新業務，并能安全加載到現有的電信網上運行。智能網的基本思想是將呼叫控制功能與業務控制功能分離，即交換機只完成基本的呼叫控制功能。在電信網中設置一些新的功能節點(業務交換點(SSP)、業務控制點(SCP)、智能外設(IP)和業務管理系統(SMS)等)，智能業務由這些功能節點協同原來的交換機共同完成。當用戶使用某種智能網業務時，具有SSP功能的程控交換機識別是智能網業務呼叫時，就暫停對該呼叫的處理，通過7號信令網向SCP發出詢問請求，在SCP運行相應的業務邏輯，查詢有關的業務數據和用戶數據，然后SCP向SSP下達控制命令，控制SSP完成相應的智能網業務。在交換機中增加新業務時，要對呼叫處理程序及相關數據進行修改，在呼叫處理的適當環節增加必要的程序和數據。虛擬用戶交換機簡稱Centrex，實際上就是將市話交換機上部分用戶定義為一個虛擬小交換機用戶群，該用戶群內的用戶不僅擁有普通市話用戶的所有功能，而且擁有用戶小交換機(PABX)功能，因此Centrex是實現全業務運營的網絡技術之一;3GPP Release6版本中采用了基于流的計費架構，拓展支持無線局域網(WLAN)接入方式 。WLAN可以作為并列的接入系統提供IMS業務，并且使用統一的鑒權和計費;在熱點地區，WLAN以低的建設成本、較低的費率和很高的接入速率成為最好的技術選擇，同時WLAN也是對3G網絡的補充。GSM網絡是中國通信運營商最重要的網絡基礎，將在今后較長時間內作為話音、短信業務等基礎業務的平臺;建設、運營好3G是中國通信業責無旁貸的使命和責任，3G網絡將主要承載手機終端的移動數據業務，并同時承載部分話音業務，WLAN是對蜂窩網絡在承載無線數據方面的重要補充，將主要承載個人電腦(PC)、手機及第三方WLAN終端的互聯網數據業務;LTE(Long Term Evolution)是中國通信業的未來，要堅持TDD/FDD融合的發展方向，將主要承載高速數據業務，并具備承載話音業務功能。

1 IMS技術

1.1 IMS 優勢分析

IMS支持包括PON、PBX、WLAN和LTE等多種接入方式，并可實現與手機融合的各種業務與應用，從而通過移動網絡優勢帶動全業務運營，即:①IMS支持各類適用于企業用戶的接入方式，包括PON、PBX、LAN等;② IMS支持各類適用于家庭用戶的接入方式，包括LAN/家庭網關、WLAN等;③ IMS支持各類適用于個人用戶的接入方式，包括WLAN和LTE等，并可實現與現網手機融合的各類業務與應用。因為IMS開放的網絡和業務能力使應用組合更加靈活，從而能快速滿足市場多樣化的業務需求，豐富用戶的業務體驗，也就是IMS可提供形式豐富的多媒體業務能力，如音視頻、即時消息和文件傳輸等，提升用戶體驗，從而引入差異化競爭優勢;通過將IMS提供的CT能力(如點擊撥號)與企業內部的OA系統、通信客戶端以及常用辦公軟件相結合，滿足企業定制化融合通信需求。通過將IMS提供的CT能力(如即時消息、點擊撥號等能力)與互聯網網站、常用互聯網應用以及瀏覽器集合，豐富了互聯網用戶的個性化應用。雖然IMS的全業務終極目標網絡是相同的，但是由于通信運營商現有網絡、業務和網絡資源不同，決定了運營商在向目標演進的路線也不一樣。

1.2 IMS的需求和主要特性

IMS為SIP業務提供一個平臺，會話控制基于SIP;IMS網絡采用IPv6和IPv4地址;用戶業務接入全部由歸屬網絡控制;IMS與下層IP接入網絡相獨立，3GPP的協議標準包括電路域和分組域網絡、3GPP2的協議標準只在分組網絡上、I-WLAN可以接入IMS系統;通過Go接口建立SIP對話和GPRS會話之間的關聯，實現QoS和計費管理。

1.3 IMS主要功能實體

IMS的主要功能實體包括呼叫會話控制功能(CSCF)、歸屬用戶服務器(HSS)、媒體網關控制功能 (MGCF)、IP多媒體 -媒體網關功能 (IMMGW)、多媒體資源功能控制器(MRFC)、多媒體資源功能處理器 (MRFP)、簽約定位器功能 (SLF)、中斷網關控制功能 (BGCF)、信令網關(SGW)、應用服務器(AS)、多媒體域業務交換功能(IM-SSF)以及業務能力服務器(OSA-SCS);IMS主要接口是SIP、Diameter和H.248;IMS基本功能有用戶管理、用戶注冊和認證、用戶接入、信令路由、信令壓縮和業務觸發等。

2 無線局域網(WLAN)技術

2.1 WLAN技術簡介

使用無線通信技術進行網絡連接的計算機局域網(LAN)就是WLAN(Wireless LAN)，最早作為有線以太網的補充及拓展，現在發展為重要的無線數據業務技術，WLAN成本低、速率高能夠很好地滿足熱點地區的數據業務需求，是3G網絡的補充接入方式，WLAN的優勢是速率較高，滿足高速無線上網需求，設備價格低廉，建設成本低，技術較成熟，在國外已有豐富的應用;WLAN的不足是功率受限，覆蓋較小，移動性較差，工作在自由頻段，容易受到干擾。

2.2 WLAN的基本技術

WLAN體系結構主要包括分布式系統(DS)、Service Set ID服務集識別碼(SSID);Basic Service Set(BSS)，一群計算機設定相同的BSS名稱，即可自成一個group，而此BSS名稱，即所謂BSSID;擴展服務集合(ESS)，DS和多個BSS允許 IEEE802.11構成一個任意大小和復雜的無線網絡。IEEE802.11b把這種網絡稱為擴展服務集網絡。同樣，ESS也有一個標識的名稱，即ESSID。MIMO(多入多出)技術(802.11n)［13］，MIMO 技術能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統的容量和頻譜利用率。它可以定義為發送端和接收端之間存在多個獨立信道，也就是說天線單元之間存在充分的間隔，因此消除了天線間信號的相關性，提高信號的鏈路性能增加了數據吞吐量 ，研究表明，在瑞利衰落信道環境下，OFDM(正交頻分復用)系統［14］非常適合使用MIMO技術來提高容量，因此將 MIMO技術與OFDM技術相結合是下一代移動通信技術發展的趨勢，OFDM是對于寬帶無線網絡傳輸的一種關鍵的多路復用方案。WLAN能實現自動速率調配，即根據無線信道質量動態調節速率(802.11g:6，9，12，18，24，36，48 ，54 Mbps，自適應;802.11b:1，2，5.5，11 Mbps，自適應;802.11a:6，9，12，18，24，36，48，54 Mbps，自適應)。WLAN能實現 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)，即發送前偵聽(載波偵聽——查看介質是否空閑;避免沖撞——通過隨機的時間等待，使信號沖突發生的概率減到最小)。WLAN的實際吞吐率(802.11 g最大空口帶寬為54 Mbps，此為物理層傳輸速率。實際應用層速率約22～24 Mbps;802.11b最大空口帶寬為11 Mbps，實際應用層速率約5 Mbps左右)。

2.3 WLAN與3G融合步驟

根據3GPP的定義，WLAN與3G的融合分為6個階段:①網絡分開建設，只在計費帳單上統一;②認證/計費結合，WLAN只提供 IP連接業務;③WLAN用戶可以獲得 PS分組域業務，如 IMS，LCS，Presence，MBMS等;④ 在WLAN與3G之間的切換提供一致性的業務，即允許一定的中斷和丟包，但不需要重建業務;⑤支持WLAN與3G之間的無縫切換，時延及丟包影響不超過在3G內部的切換;⑥提供WLAN與3G CS域業務之間的無縫切換。

3 LTE技術

3.1 LTE 技術簡介

LTE技術是3GPP在2004年提出的3G演進版本，它定義了一種適應3GPP無線接入系統向高速、低時延和優化數據包傳輸的無線接入技術演進架構。LTE與現有3GPP的R6、R7系統結構上有很大不同，增強型通用陸地無線接入網(E-UTRAN)在整個體系上趨于扁平化，減少了中間節點數量。這種系統結構和體系的改變使得LTE較現有UTRAN結構接口減少，同時降低了成本，并且更易于對設備進行維護管理;在性能上便于減少數據傳輸延遲的實現。LTE主要實現的目的是提供用戶更高的數據速率、更高的小區容量、更低的延遲時間、降低用戶以及運營商的成本。3GPP于2009年3月發布了第一版(R8)，R8版本為LTE標準的基礎版本。R8版本展開2項非常重要的演進標準化項目—LTE和系統架構演進(SAE)，還進行了其他一系列的增強和完善工作。主要內容包括:3G長期演進、3G系統架構演進、3G家庭節點與家庭演進型節點。2010年3月發布了第二版(R9)，R9版本為LTE的增強型版本，主要增加了支持多流(Beamforming)、eMBMS、SON和Home eNB等新功能。R9版本主要內容有:對移動網絡和WLAN網絡之間的無縫漫游和業務連續性的需求研究、對WiMAX/LTE移動性的支持、對WiMAX/UMTS移動性的支持以及對IMS緊急呼叫的擴展性的支持。2011年3月基本完成了LTE Release10版本即LTE-Advanced(LTE-A)版本，該版本主要增加了增強的上下行MIMO、載波聚合、無線中繼和增強的小區間干擾協調新功能。從目前標準進展情況來看，3GPP TD-LTE和LTE FDD標準制定進度一致。

3.2 LTE 系統架構

LTE系統網絡結構與3G系統相比進行了簡化，出于達到簡化信令流程，縮短延時的目的，在LTE系統架構中，RAN將演進成E-UTRAN，且只有一個結點eNodeB。E-UTRAN舍棄了RNC-NodeB結構，完全由eNodeB組成。eNodeB具有現有3GPP R5/R6/R7的Node B功能和大部分的無線網絡控制(RNC)功能，包括物理層功能(HARQ等)、MAC、RRC、調度、無線接入控制和移動性管理等等。在新的LTE框架中，原先的Iu，將被新的接口S1替換。Iub和Iur將被X2替換，aGW主要分為移動性管理實體(MME)和用戶面實體(UPE)。LTE核心網稱為分組核心演進(EPC)網絡，2004年12月3GPP在希臘雅典會議啟動了面向全IP的分組域核心網的演進項目SAE，并在WI階段更新為EPC。

無線接入技術由于雙工方式的不同而分為LTE FDD和TD-LTE，LTE FDD和TD-LTE兩種技術大同小異，共用所有的規范，在基本物理層參數和技術、高層信令以及網絡接口等公共部分相互一致。二者的差異主要體現在因雙工方式不同而采用的不同技術，特別是TD-LTE特殊子幀、上下行時隙配置和TDD優化技術(智能天線技術、信道測量與調度等等)等方面與LTE FDD完全不同。

目前3GPP關于EPC相關國際標準包括3個版本R8、R9和R10，其中3GPP R8定義了全新的EPS(LTE+EPC)架構以及該架構下各個網元之間接口協議，同時，R8也討論定義了SRVCC、CS Fall Back和Home NodeB等功能。3GPP R9版本較R8版本改動很小，主要改動是Gn/Gp SGSN支持雙棧功能。EPC系統主要由移動管理設備(MME)、服務網關(SGW)、分組數據網關(P-GW)、計費網關(CG)、策略和計費控制單元(PCRF)、歸屬簽約用戶服務器(HSS)和域名服務器(DNS)等功能單元組成。其中，S-GW和P-GW可以合設，也可以分設。LTE系統框架定義的基本原則是:信令與數據傳輸在邏輯上是獨立的，E-URTAN與演進后的分組交換核心網在功能上是分開的，RRC連接的移動性管理完全由E-URTAN進行控制，接口上的功能應定義得盡量簡化，多個邏輯節點可以在同一個物理網元上實現。

3.3 LTE主要技術特征

LTE下行鏈路的峰值數據速率在20 MHz下行鏈路頻譜分配的條件下，可以達到100 Mbps(5 bps/Hz)(網絡側2發射天線，UE側2接收天線條件下);上行鏈路的峰值數據速率在20 MHz上行鏈路頻譜分配的條件下，可以達到50 Mbps(2.5 bps/Hz)(UE側一發射天線情況下)。從駐留狀態到激活狀態，也就是類似于從Release 6的空閑模式到CELL_DCH狀態，控制面的傳輸延遲時間小于100 ms，這個時間不包括尋呼延遲時間和NAS延遲時間;從睡眠狀態到激活狀態，也就是類似于從Release 6的CELL_PCH狀態到Release 6的CELL_DCH裝態，控制面傳輸延遲時間小于50 ms。頻譜分配是5 MHz的情況下，每小區至少支持200個用戶處于激活狀態。空載條件即單用戶單個數據流情況下，小的IP包傳輸時間延遲小于5 ms。

下行鏈路:與Release 6 HSDPA的用戶面流量相比，每MHz的下行鏈路平均用戶流量要提升3到4倍。此時HSDPA是指1發1收，而LTE是2發2收。上行鏈路:與Release 6增強的上行鏈路用戶流量相比，每MHz的上行鏈路平均用戶流量要提升2到3倍。此時增強的上行鏈路UE側是一發一收，LTE是1發2收。下行鏈路:在滿負荷的網絡中，LTE頻譜效率(用每站址、每Hz、每秒的比特數衡量)的目標是Release 6 HSDPA的3到4倍。上行鏈路:在滿負荷的網絡中，LTE頻譜效率(用每站址、每Hz、每秒的比特數衡量)的目標是Release 6增強上行鏈路的2到3倍。E-UTRAN可以優化15 km/h以及以下速率的低移動速率時移動用戶的系統特性。能為15～120 km/h的移動用戶提供高性能的服務。可以支持蜂窩網絡之間以120～350 km/h(甚至在某些頻帶下，可以達到500 km/h)速率移動的移動用戶的服務。對高于350 km/h的情況，系統要能盡量實現保持用戶不掉網。吞吐量、頻譜效率和LTE要求的移動性指標在5 km半徑覆蓋的小區內將得到充分保證，當小區半徑增大到30 km時，只對以上指標帶來輕微的弱化。同時需要支持小區覆蓋在100 km以上的移動用戶業務。E-UTRA可以應用不同大小的頻譜分配，上下行鏈路上，可以包括有1.25 MHz、1.6 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz 以 及20 MHz，支持成對或非成對的頻譜分配情況［15-18］。

3.4 LTE的商用趨勢

2009年12月15日，Teliasonera公司在北歐建設了第1個LTE商用網絡，截止2011年7月6日，81個國家的218個運營商投資LTE網絡，62個國家的166家運營商部署LTE網路，24個LTE網絡已經實現商用，預計到2012年底至少81個LTE網路能夠實現商用。從目前LTE網絡部署情況看，新獲得TDD頻率的運營商急于部署TD-LTE網絡以便盡快開展市場運營，希望TD-LTE技術及產業鏈盡快成熟，如日本的軟銀公司和印度的Reliance Industries公司等等。擁有一定TDD頻率的傳統運營商，也對TD-LTE技術表現出較大的關注，如Vodafone，FranceTelicom和Bharti公司等運營商。在我國政府相關部門的大力支持下，中國移動聯合TDD產業鏈各方，克服困難，開拓創新，建設了一張具有我國自主知識產權的TD-SCDMA網絡，為其網絡演進技術TD-LTE的發展提供了廣闊的市場空間，為TD-LTE技術成為名副其實的國際標準奠定了堅實的技術基礎。

在我國政府相關部門的統一組織下，TD-LTE的研發工作已經取得突破性進展，達到了和LTE FDD可競爭的先進水平，基本具備了規模應用的條件。國際上許多已擁有TDD頻率的電信運營商都希望中國企業能夠帶動TD-LTE技術在全球的大規模應用。

因此，國家統籌安排了“新一代寬帶無線移動通信網”科技重大專項2010ZX03002-009 TD-LTE規模技術試驗，在上海、南京、杭州、廣州、深圳和廈門等6個城市建設TD-LTE規模技術試驗網絡，建設規模包括:核心網在6個城市建設獨立的EPC測試設備，其中上海、南京、杭州、廣州和深圳建設2套獨立的核心網測試設備，廈門建設1套獨立的核心網測試設備;無線網6個城市共建設1100個室外宏基站，110個室內分布基站。TD-LTE規模技術試驗網使用頻率資源為60 MHz，D頻段(2575～2615 MHz)主要用于室外宏基站，E頻段(2350～2370 MHz)主要用于室內覆蓋基站。目前中國移動分階段網絡建設與配套改造工作進展順利，在政府相關部門的領導下，正在按計劃積極開展網絡各方面的測試工作。

4 結束語

全業務運營是推動電信走向融合的重要引擎。在新的市場環境下，國內運營商重組推動了全業務運營時代的到來。面對全業務運營這個新的發展階段，不同運營商由于資源、能力和發展狀況各不相同，轉型模式也會不同。在新的競爭格局下無論是新電信、新聯通還是中國移動都將是機遇與挑戰并存。全業務運營將引領國內運營商進入一個新的發展階段。

無論從用戶規模還是從盈利能力看，重組后的中國移動依然是國內最強的電信運營商，如果中國移動能夠成功實現轉型，全業務運營將為中國移動創造一個新的發展機遇。全業務運營的核心競爭力是有良好的網絡技術支撐，以及高效的管理機制。掌握了解全業務運營下的網絡技術與發展趨勢至關重要。本文是我個人的觀點，僅供參考。

［1］紀弘.全業務下移動核心引入IMS的策略討論［J］.移動通信，2008，32(22):45-47.

［2］廖青，袁超偉，趙晶玲，等.3G知識問答［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［3］張智江，李永，劉洪寧，等.IMS業務關鍵技術與實現［M］.北京:人民郵電出版社，2008:6-11.

［4］柴曉蕾，李輝，馮平.IMS實驗網的研究與實現［J］.電子測試，2009(07):34-36，61.

［5］楊放春，孫其博.軟交換與IMS技術［M］.北京:北京郵電大學出版社，2007:53-59.

［6］劉清亮，林朝暉.IMS技術發展及標準化的進展情況［J］. 郵電設計技術，2009(22):10-14.

［7］李海花.提供固定業務和移動業務的IMS［J］.電信科學，2006，22(4):41-44.

［8］劉富春，陳利民.中國移動IMS發展現狀與演進分析［J］. 移動通信，2010(13):11-15.

［9］黃芳.移動通信網引入IMS策略研究［J］.數據通信，2009(3):9-11.

［10］朱曉潔.IMS業務開放模式及應用討論［J］.移動通信，2010(13):16-19.

［11］孫銳.基于IMS的呼叫中心系統設計初探［J］.中國新通信，2010(19):75-77.

［12］朱德飛.IMS終端在漫游時的緊急號碼處理方案之研究［J］.科技傳播，2010(18):219.

［13］黃韜，袁超偉，楊睿哲，等.MIMO相關技術與應用［M］.北京:機械工業出版社，2007:11-68.

［14］楊睿哲，袁超偉，丁義，等.多用戶OFDM系統子載波比特分配算法［J］.北京郵電大學學報，2008，31(04):112-116.

［15］袁超偉，賈曉蕓，黃韜.移動泛在網絡中的安全問題［N］.中國計算機報，2007.5.29