移動核心網(wǎng)的發(fā)展歷程和演進趨勢

文/馬為貞 董雪娥 鄧彩利

1 前言

移動通信從1G模擬系統(tǒng)到2G數(shù)字、再到3G、4G以及正在建設(shè)的5G，經(jīng)過5代的發(fā)展歷程，業(yè)務(wù)從最初的簡單通話到高清語音，再到高速數(shù)據(jù)和5G時代業(yè)務(wù)的泛在化，移動通信技術(shù)逐漸走向更廣泛的應(yīng)用。

2 我國移動通信發(fā)展歷史

（1）1987年11月18日，第一個模擬蜂窩移動電話系統(tǒng)在廣東省郵電局建成并投入商用。

（2）1995年，原郵電局正式開通GSM網(wǎng)絡(luò)，2000年中國移動剝離后由中國移動經(jīng)營。

（3）1995年7月19日，中國聯(lián)通GSM數(shù)碼移動電話網(wǎng)絡(luò)正式開通。

（4）1998年，CDMA（IS95）網(wǎng)絡(luò)由中國聯(lián)通承建，2008年由中國電信經(jīng)營。

（5）2002年5月17日，中國移動率先在全國范圍內(nèi)正式推出GPRS業(yè)務(wù)。

（6）2008年4月，中國移動3G TDSCDMA試商用放號。

（7）2009年5月17日，中國聯(lián)通3G WCDMA試商用放號。

（8）2009年3月，中國電信推出CDMA2000網(wǎng)絡(luò)并投入商用。

（9）2013年7月，中國聯(lián)通開放4G網(wǎng)絡(luò)，2015年12月8日，正式發(fā)布4G+網(wǎng)絡(luò)。

（10）2013年12月18日，中國移動開放4G網(wǎng)絡(luò)。

（11）2014年2月3日，電信4G正式在全國開放運行。

3 2G核心網(wǎng)技術(shù)

2G（含2.5G）核心網(wǎng)技術(shù)包括GSM、GPRS、CDMA（IS95）。GSM、CDMA（IS95）技術(shù)分別是由歐洲和北美的標準組織提出的，僅提供語音和短信業(yè)務(wù)，GPRS是基于GSM體系下演進的分組數(shù)據(jù)承載技術(shù)，存在兼容性差、安全性不高、數(shù)據(jù)速率低等問題。

圖1：3G/4G融合組網(wǎng)圖

圖2：4G全IP組網(wǎng)架構(gòu)

圖3：5G核心網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)

GSM建網(wǎng)初期，采用大區(qū)制組網(wǎng)，關(guān)口局和端局合設(shè),局間采用比較成熟的SS7 TUP、MAP信令。GSM建網(wǎng)中期，設(shè)立獨立關(guān)口局，移網(wǎng)端局開始軟交換改造，但仍為TDM承載，局間信令改造為SS7 ISUP信令，采取N+1容災(zāi)方式組網(wǎng)。GPRS（2.5G）在原GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上疊加了支持高速分組數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率提高到100 kbit/s以上，后又升級到EDGE(2.75G)，最高速率達 384kbit/s。2019年，中國聯(lián)通GSM網(wǎng)絡(luò)陸續(xù)推出服務(wù)。

4 3G核心網(wǎng)技術(shù)

3G技 術(shù) 包 括WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三種制式，分別由歐洲、北美、中國提出。WCDMA基于GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的升級，CDMA2000基于CDMA（IS95）網(wǎng)絡(luò)演進，TD-SCDMA核心網(wǎng)采用WCDMA技術(shù)標準。3G系統(tǒng)容量更大、語音質(zhì)量和安全性能更高，可提供高速數(shù)據(jù)、電視圖像等。

圖4：4G/5G融合組網(wǎng)演進思路

4.1 電路域軟交換組網(wǎng)

3G時代，隨著用戶規(guī)模劇增，大區(qū)制組網(wǎng)改造為各地市獨立組網(wǎng)，仍采用N+1容災(zāi)方式，逐步實現(xiàn)Mc口、Nc口、Nb口、Iu-CS口IP化改造。同期關(guān)口局改造成兩雙平面軟交換設(shè)備。

4.2 電路域MSC POOL組網(wǎng)

為提升網(wǎng)絡(luò)容災(zāi)能力，各地市端局優(yōu)化改造為MSC POOL，組網(wǎng)架構(gòu)見圖5。RNC部署NNSF功能，實現(xiàn)MGW媒體面容災(zāi)，但BSC版本不支持暫無法實現(xiàn)。

4.3 分組域組網(wǎng)

3G分組域沿用GPRS體系結(jié)構(gòu)。WCDMA網(wǎng)絡(luò)HSDPA理論下行速率可達7.2Mbit/s，HSPA+下行速率可達14.4Mbps。

5 4G核心網(wǎng)技術(shù)

4G核心網(wǎng)采用基于全IP的EPC架構(gòu)，支持2G/3G/4G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合組網(wǎng)，兼容PLMN，結(jié)構(gòu)見圖1。傳輸速率最高可達100 Mbit/s。

EPC系統(tǒng)設(shè)計之初不支持語音業(yè)務(wù)，在VoLTE技術(shù)尚不成熟階段，目前語音業(yè)務(wù)通過CSFB技術(shù)實現(xiàn)。中國聯(lián)通回落至3G網(wǎng)絡(luò)，具有語音和數(shù)據(jù)同時在線的優(yōu)勢。

6 核心網(wǎng)的演進趨勢

6.1 電路域發(fā)展方向

考慮到IMS+EPC+LTE架構(gòu)設(shè)備建設(shè)周期和網(wǎng)絡(luò)成熟期，電路域仍將保留較長時間，直到語音業(yè)務(wù)在4G/5G穩(wěn)定實現(xiàn)。

為推進IP化進展，固移網(wǎng)間TDM電路有待IP化。聯(lián)通建設(shè)有承載A/B兩張IP網(wǎng)。移網(wǎng)接入承載B網(wǎng)，固網(wǎng)核心IMS網(wǎng)同時接入承載網(wǎng)A/B兩張網(wǎng)。目前固移網(wǎng)間話務(wù)通過融合關(guān)口局和固網(wǎng)匯接局間TDM電路進行疏通，擬定融合關(guān)口局到固網(wǎng)IMS網(wǎng)開通SIP電路，疏通固移網(wǎng)間話務(wù)。

受網(wǎng)絡(luò)演進和投資回收期不確定等因素影響，部分TDM電路將不會進行IP化改造。第一，核心網(wǎng)SERVER到省內(nèi)HSTP的2M高速信令鏈路仍采用TDM承載，疏通C/D/E口信令。目前河南省一對HSTP為新替換設(shè)備，信令網(wǎng)運行穩(wěn)定且滿足業(yè)務(wù)需求，短期內(nèi)沒有IP化改造的規(guī)劃。第二，目前互聯(lián)互通電路全部為TDM承載，三家運營商均已實現(xiàn)固移網(wǎng)關(guān)口局融合，采用雙平面網(wǎng)狀網(wǎng)架構(gòu)，各家運營商在短期內(nèi)不會提出互聯(lián)互通電路IP化改造需求。

IP化改造后，IP化方向業(yè)務(wù)運行穩(wěn)定，端局和關(guān)口局備用TDM電路可以拆除，并實施TDM電口板下電退網(wǎng)，光口板作為備用端口保留，拆除占用面積大的DDF架，釋放機房空間資源和傳輸資源。

6.2 組建全IP網(wǎng)IMS+EPC+LTE架構(gòu)

VoLTE技術(shù)通過VoIMS+SRVCC方案實現(xiàn)LTE網(wǎng)絡(luò)下的語音業(yè)務(wù)，組建IMS+EPC+LTE全IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，見圖2。全部業(yè)務(wù)承載于4G網(wǎng)絡(luò)上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與語音業(yè)務(wù)在同一網(wǎng)絡(luò)下的統(tǒng)一，電路域語音業(yè)務(wù)逐漸向LTE網(wǎng)絡(luò)遷移，核心網(wǎng)進入分組域為主、電路域為輔階段。

6.3 5G網(wǎng)絡(luò)演進

6.3.1 5G技術(shù)特點和標準發(fā)布

5G核心網(wǎng)引入軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）、網(wǎng)絡(luò)切片等新興技術(shù)，具有高速率（最高達20Gbps）、大容量、低時延（低至幾毫秒）等特點，可提供車聯(lián)網(wǎng)、遠程醫(yī)療等全新體驗。目前3GPP 5G R15NSA（非獨立組網(wǎng)）和SA（獨立組網(wǎng)）兩種組網(wǎng)標準均已凍結(jié)，各運營商已進入5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)沖刺階段。

6.3.2 5G組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

5G核心網(wǎng)采用控制轉(zhuǎn)發(fā)分離架構(gòu)，實現(xiàn)移動性管理和會話管理的獨立進行，組網(wǎng)見圖3。用戶面上去除承載概念，QoS參數(shù)直接作用于會話中的不同流。通過不同的用戶面可同時建立多個不同的會話并由多個控制面網(wǎng)元同時管理，實現(xiàn)本地分流和遠端流量的并行操作：

6.3.3 5G NSA分析

GSMA預(yù)測，從全球范圍來看，4G還將有多年的高速發(fā)展期，從承載網(wǎng)絡(luò)流量占比角度來說，其重要性在一段時間內(nèi)將持續(xù)超過5G。目前業(yè)界傾向采取5GNSA循序漸進組網(wǎng)方式,見圖4。第一階段是升級EPC網(wǎng)，對接LTE和NR，完成eMBB大流量業(yè)務(wù)。第二階段在vEPC基礎(chǔ)上平滑升級支持NGC,新建5G AMF網(wǎng)元與MME對接，承載部分專網(wǎng)業(yè)務(wù)。第三階段擴建5G核心網(wǎng)并接入所有4G和5G基站，實現(xiàn)mMTC大連接、URLLC低時延等業(yè)務(wù)。

6.3.4 5G SA分析

從核心網(wǎng)穩(wěn)定性、發(fā)展趨勢等角度分析，更適于采取5G SA組網(wǎng)方式。

目前VoLTE已全國商用，新建IMS核心設(shè)備，同時電路域、分組域所有設(shè)備均升級改造。隨著5G網(wǎng)絡(luò)全面建成，不超5年，4G高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢又將被5G替代，相當于投入時間和資金建設(shè)的VoLTE網(wǎng)絡(luò)僅僅實現(xiàn)了語音業(yè)務(wù)，再一次面臨網(wǎng)絡(luò)資源利用率持續(xù)下降的局面，建設(shè)投資回收率較低。因此，直接全面鋪設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)更具有前景和優(yōu)勢。

7 3G/4G/5G融合組網(wǎng)分析

中國聯(lián)通3G/4G/5G混合組網(wǎng)，出現(xiàn)部分用戶語音業(yè)務(wù)不能實現(xiàn)的訴求，原因在于3G網(wǎng)覆蓋不全和用戶終端不支持4G，目前3G的高速數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢已被4G替代，為實現(xiàn)傳統(tǒng)語音業(yè)務(wù)無縫覆蓋,一方面需要加強3G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，同時加快VoLTE的演進，將是5G網(wǎng)絡(luò)全面建成之前所要面臨的問題。

在5G新技術(shù)革新的挑戰(zhàn)下3G/4G/5G網(wǎng)絡(luò)如何融合演進，將是一項嚴峻而有歷史意義的重大決策。移動通信網(wǎng)絡(luò)融合演進既要降低建設(shè)成本，還要符合網(wǎng)絡(luò)發(fā)展方向，同時還要保證網(wǎng)絡(luò)運行的高效穩(wěn)定。統(tǒng)籌考慮各種因素，多部門聯(lián)動制定切實可行的融合演進方案是一項復(fù)雜的工程，需考慮的因素主要包括：

（1）演進新技術(shù)及新建設(shè)備成熟度

（2）網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資成本、建設(shè)周期、回收周期

（3）網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀、運維成本、現(xiàn)網(wǎng)改造帶來的網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定性

（4）網(wǎng)絡(luò)演進帶來的用戶感知和訴求調(diào)查

（5）目前3G/4G用戶數(shù)量、無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋比率

（6）用戶使用各類終端的比例

（7）新技術(shù)終端的價格、接受人群的區(qū)域和比例

（8）社會發(fā)展進步帶來潛在客戶的數(shù)量

8 結(jié)束語

總結(jié)通信技術(shù)發(fā)展規(guī)律，掌握科技前沿動向，實施網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的最佳策略，才能在市場競爭中占據(jù)主導(dǎo)地位。