全业务运营下网络技术与发展趋势

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本文摘自《无线电通信技术》2012年06期。

【作者】 袁超伟； 刘冰滨；

专家简介：袁超伟（I960—),男，1994年毕业于西安交通大学，获博士学位。现为北京邮电大学信息与通信工程学院教授、博士生导师。现在研究方向主要包括未来移动通信（未来移动通信关键技术、无线资源管理、流量分析、网络规划与优化、移动安全等）、无线宽带接入、无线视频监控、现代信号处理、无线局域网、移动增值业务、无线网络质量测试系统、网络监控等，完成多项国家级及部级科研项目，公开发表论文100多篇，出版专著译著共7部，获得发明专利8项。

【机构】 北京邮电大学信息与通信工程学院； 澳门科技大学资讯科技学院；

【摘要】 随着全业务运营时代的到来,各通信运营商都要实现固定和移动多接入融合通信语音业务并能同时面向集团客户、家庭客户和个人客户提供丰富的语言增值业务,中国通信行业正面临着全业务运营下的激烈竞争,随着技术的进步,各通信运营商迫切需要了解全业务运营下网络技术与发展趋势,围绕着全业务运营下网络技术与发展趋势展开论述。主要介绍了实现全业务运营需要的网络技术,分析了每种网络技术的优缺点,指出了实现全业务运营需要的网络技术与发展趋势。

【关键词】 全业务； 网络技术； IMS； LTE； WLAN；

0 引言

随着2008年电信业重组、2009年第三代移动通信系统(3G)牌照的发放，中国通信行业终止了固定、移动分业经营的历史，开创了全业务运营的局面。在新的竞争环境下，中国通信行业话音业务竞争更加激烈、业务捆绑将成为最常见的竞争手段、固网业务和互联网业务成为了市场竞争的重要元素,如何推进融合和做精业务成为了中国通信行业的面临全业务竞争的必然趋势。随着通信技术的发展,为了满足未来网络建设需求，推进核心网络、接入网融合,提高全业务市场竞争的能力，向客户提供个性化的多媒体业务服务能力，同时降低网络运营成本,是中国通信行业的奋斗目标。IP多媒体子系统（IMS)技术的引入一方面可实现移动固定电话的融合、实现了对业务控制，提供多媒体和互联网业务融合能力；另一方面促进中国通信业核心网络融合与演进，实现对网络资源的整合并降低成本投资风险。通信运营商以业务驱动为导向，在解决多网融合压力需求和融合核心网的前提下建设IP多媒体子系统网络是一种可行的选择；智能网（IN)是在原有通信网络的基础上设置的一种附加网络结构，其目的是在多厂商环境下快速引入新业务,并能安全加载到现有的电信网上运行。智能网的基本思想是将呼叫控制功能与业务控制功能分离，即交换机只完成基本的呼叫控制功能。在电信网中设置一些新的功能节点（业务交换点（SSP)、业务控制点(SCP)、智能外设（IP)和业务管理系统（SMS)等），智能业务由这些功能节点协同原来的交换机共同完成。当用户使用某种智能网业务时，具有SSP功能的程控交换机识别是智能网业务呼叫时,就暂停对该呼叫的处理,通过7号信令网向SCP发出询问请求,在SCP运行相应的业务逻辑,查询有关的业务数据和用户数据，然后SCP向SSP下达控制命令，控制SSP完成相应的智能网业务。在交换机中增加新业务时,要对呼叫处理程序及相关数据进行修改，在呼叫处理的适当环节增加必要的程序和数据。虚拟用户交换机简称Centrex,实际上就是将市话交换机上部分用户定义为一个虚拟小交换机用户群，该用户群内的用户不仅拥有普通市话用户的所有功能,而且拥有用户小交换机（PABX)功能，因此Centex是实现全业务运营的网络技术之一；3GPP Re-lease6版本中采用了基于流的计费架构，拓展支持无线局域网（WLAN)接入方式。WLAN可以作为并列的接入系统提供IMS业务,并且使用统一的鉴权和计费;在热点地区，WLAN以低的建设成本、较低的费率和很高的接入速率成为最好的技术选择，同时WLAN也是对3G网络的补充。GSM网络是中国通信运营商最重要的网络基础，将在今后较长时间内作为话音、短信业务等基础业务的平台；建设、运营好3G是中国通信业责无旁贷的使命和责任，3G网络将主要承载手机终端的移动数据业务,并同时承载部分话音业务,WLAN是对蜂窝网络在承载无线数据方面的重要补充，将主要承载个人电脑(PC)、手机及第三方WLAN终端的互联网数据业务;LTE(Long Term Evolution)是中国通信业的未来,要坚持TDD/FDD融合的发展方向，将主要承载高速数据业务,并具备承载话音业务功能。

1 IMS技术

1.1 IMS优势分析

IMS支持包括PON、PBX、WLAN和LTE等多种接入方式,并可实现与手机融合的各种业务与应用，从而通过移动网络优势带动全业务运营，即：①IMS支持各类适用于企业用户的接入方式，包括PON、PBX、LAN等；②IMS支持各类适用于家庭用户的接入方式,包括LAN/家庭网关、WLAN等;③IMS支持各类适用于个人用户的接入方式,包括WLAN和LTE等,并可实现与现网手机融合的各类业务与应用。因为IMS开放的网络和业务能力使应用组合更加灵活,从而能快速满足市场多样化的业务需求，丰富用户的业务体验,也就是IMS可提供形式丰富的多媒体业务能力，如音视频、即时消息和文件传输等,提升用户体验,从而引入差异化竞争优势;通过将IMS提供的CT能力（如点击拨号）与企业内部的OA系统、通信客户端以及常用办公软件相结合，满足企业定制化融合通信需求。通过将IMS提供的CT能力（如即时消息、点击拨号等能力）与互联网网站、常用互联网应用以及浏览器集合，丰富了互联网用户的个性化应用。虽然IMS的全业务终极目标网络是相同的,但是由于通信运营商现有网络、业务和网络资源不同，决定了运营商在向目标演进的路线也不一样。

1.2 IMS的需求和主要特性

IMS为SIP业务提供一个平台，会话控制基于SIP；IMS网络采用IPv6和IPv4地址；用户业务接入全部由归属网络控制;IMS与下层IP接入网络相独立,3GPP的协议标准包括电路域和分组域网络、3GPP2的协议标准只在分组网络上、I-WLAN可以接入IMS系统；通过Go接口建立SIP对话和GPRS会话之间的关联,实现QoS和计费管理。

1.3 IMS主要功能实体

IMS的主要功能实体包括呼叫会话控制功能(CSCF)、归属用户服务器（HSS)、媒体网关控制功能（MGCF)、IP多媒体-媒体网关功能（IM-MGW)、多媒体资源功能控制器（MRFC)、多媒体资源功能处理器（MRFP)、签约定位器功能（SLF)、中断网关控制功能（BGCF)、信令网关（SGW)、应用服务器（AS)、多媒体域业务交换功能（IM-SSF)以及业务能力服务器（OSA-SCS)；IMS主要接口是SIP、Diameter和H.248;IMS基本功能有用户管理、用户注册和认证、用户接入、信令路由、信令压缩和业务触发等。

2无线局域网（WLAN)技术

2.1 WLAN技术简介

使用无线通信技术进行网络连接的计算机局域网（LAN)就是WLAN(Wireless LAN),最早作为有线以太网的补充及拓展，现在发展为重要的无线数据业务技术,WLAN成本低、速率高能够很好地满足热点地区的数据业务需求，是3G网络的补充接入方式,WLAN的优势是速率较高，满足高速无线上网需求,设备价格低廉,建设成本低,技术较成熟,在国外已有丰富的应用；WLAN的不足是功率受限,覆盖较小,移动性较差,工作在自由频段,容易受到干扰。

2.2WLAN的基本技术

WLAN体系结构主要包括分布式系统（DS)、ServiceSetID服务集识别码（SSID)；Basic Service Set(BSS),-群计算机设定相同的BSS名称，即可自成一个group,而此BSS名称，即所谓BSS ID;扩展服务集合（ESS),DS和多个BSS允许IEEE802.11构成一个任意大小和复杂的无线网络。IEEE802.11b把这种网络称为扩展服务集网络。同样，ESS也有一个标识的名称,即ESSID。MIMO(多入多出）技术(802.11n)a3,MIMO技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。它可以定义为发送端和接收端之间存在多个独立信道,也就是说天线单元之间存在充分的间隔，因此消除了天线间信号的相关性,提高信号的链路性能增加了数据吞吐量，研究表明，在瑞利衰落信道环境下,OFDM(正交频分复用）系统14非常适合使用MIMO技术来提高容量，因此将MIMO技术与OFDM技术相结合是下一代移动通信技术发展的趋势,OFDM是对于宽带无线网络传输的一种关键的多路复用方案。WLAN能实现自动速率调配，即根据无线信道质量动态调节速率（802.11g：6,9,12,18,24,36,48,54Mbps,自适应；802.11b：1,2,5.5,11Mbps,自适应;802.11a：6,9,12,18,24,36,48,54Mbps,自适应）。WLAN能实现CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance),即发送前侦听(载波侦听查看介质是否空闲;避免冲撞一通过随机的时间等待,使信号冲突发生的概率减到最小）。WLAN的实际吞吐率（802.11g最大空口带宽为54Mbps,此为物理层传输速率。实际应用层速率约22~24Mbps；802.11b最大空口带宽为11Mbps,实际应用层速率约5Mbps左右）。

2.3 WLAN与3G融合步骤

根据3GPP的定义，WLAN与3G的融合分为6个阶段:①网络分开建设，只在计费帐单上统一；②认证/计费结合，WLAN只提供IP连接业务；③WLAN用户可以获得PS分组域业务，如IMS,LCS,Presence,MBMS等;④在WLAN与3G之间的切换提供一致性的业务,即允许一定的中断和丢包,但不需要重建业务;⑤支持WLAN与3G之间的无缝切换，时延及丢包影响不超过在3G内部的切换；⑥提供WLAN与3GCS域业务之间的无缝切换。

3 LTE技术

3.1 LTE技术简介

LTE技术是3GPP在2004年提出的3G演进版本,它定义了一种适应3GPP无线接入系统向高速、低时延和优化数据包传输的无线接入技术演进架构。LTE与现有3GPP的R6、R7系统结构上有很大不同，增强型通用陆地无线接入网（EUTRAN)在整个体系上趋于扁平化，减少了中间节点数量。这种系统结构和体系的改变使得LTE较现有UTRAN结构接口减少，同时降低了成本,并且更易于对设备进行维护管理;在性能上便于减少数据传输延迟的实现。LTE主要实现的目的是提供用户更高的数据速率、更高的小区容量、更低的延迟时间、降低用户以及运营商的成本。3GPP于2009年3月发布了第一版（R8),R8版本为LTE标准的基础版本。R8版本展开2项非常重要的演进标准化项目一LTE和系统架构演进（SAE),还进行了其他一系列的增强和完善工作。主要内容包括:3G长期演进、3G系统架构演进、3G家庭节点与家庭演进型节点。2010年3月发布了第二版（R9),R9版本为LTE的增强型版本，主要增加了支持多流（Beamforming)、eMBMS、SON和Home eNB等新功能。R9版本主要内容有：对移动网络和WLAN网络之间的无缝漫游和业务连续性的需求研究、对WiMAX/LTE移动性的支持、对WiMAX/UMTS移动性的支持以及对IMS紧急呼叫的扩展性的支持。2011年3月基本完成了LTE Release10版本即LTE~Advanced(LTE-A)版本，该版本主要增加了增强的上下行MIMO、载波聚合、无线中继和增强的小区间干扰协调新功能。从目前标准进展情况来看，3GPP TD-LTE和LTE FDD标准制定进度一致。

3.2 LTE系统架构

LTE系统网络结构与3G系统相比进行了简化，出于达到简化信令流程，缩短延时的目的，在LTE系统架构中，RAN将演进成EUTRAN,且只有一个结点eNodeB。EUTRAN舍弃了RNC+nodeB结构，完全由eNodeB组成。eNodeB具有现有3GPPR5/R6/R7的NodeB功能和大部分的无线网络控制(RNC)功能,包括物理层功能(HARQ等)、MAC、RRC、调度、无线接入控制和移动性管理等等。在新的LTE框架中，原先的Iu,将被新的接口S1替换。Iub和Iur将被X2替换，GW主要分为移动性管理实体（MME)和用户面实体（UPE)。LTE核心网称为分组核心演进（EPC)网络,2004年12月3GPP在希腊雅典会议启动了面向全IP的分组域核心网的演进项目SAE,并在WI阶段更新为EPC。

无线接入技术由于双工方式的不同而分为LTE FDD和TDD LTE,LTE FDD和TDD LTE两种技术大同小异,共用所有的规范,在基本物理层参数和技术、高层信令以及网络接口等公共部分相互一致。二者的差异主要体现在因双工方式不同而采用的不同技术,特别是TDITE特殊子帧、上下行时隙配置和TDD优化技术（智能天线技术、信道测量与调度等等）等方面与LTEFDD完全不同。
目前3GPP关于EPC相关国际标准包括3个版本R8、R9和R10,其中3GPPR8定义了全新的EPS(LTE+EPC)架构以及该架构下各个网元之间接口协议，同时,R8也讨论定义了SRVCC、CS FallBack和Home NodeB等功能。3GPPR9版本较R8版本改动很小，主要改动是Gn/GpSGSN支持双栈功能。EPC系统主要由移动管理设备（MME)、服务网关（S-GW)、分组数据网关(P-GW)、计费网关（CG)、策略和计费控制单元(PCRF)、归属签约用户服务器（HSS)和域名服务器（DNS)等功能单元组成。其中，S~GW和P~GW可以合设，也可以分设。LTE系统框架定义的基本原则是:信令与数据传输在逻辑上是独立的,EURTAN与演进后的分组交换核心网在功能上是分开的,RRC连接的移动性管理完全由E4JRTAN进行控制,接口上的功能应定义得尽量简化，多个逻辑节点可以在同一个物理网元上实现。

3.3 LTE主要技术特征

LTE下行链路的峰值数据速率在20MHz下行链路频谱分配的条件下，可以达到100Mbps(5bps/Hz)(网络侧2发射天线,UE侧2接收天线条件下）；上行链路的峰值数据速率在20MHz上行链路频谱分配的条件下，可以达到50Mbps(2.5bps/Hz)(UE侧一发射天线情况下)。从驻留状态到激活状态,也就是类似于从Release6的空闲模式到CELL_DCH状态,控制面的传输延迟时间小于100ms,这个时间不包括寻呼延迟时间和NAS延迟时间;从睡眠状态到激活状态，也就是类似于从Release6的CELL_PCH状态到Release6的CELL_DCH装态,控制面传输延迟时间小于50ms。频谱分配是5MHz的情况下，每小区至少支持200个用户处于激活状态。空载条件即单用户单个数据流情况下,小的IP包传输时间延迟小于5ms。

下行链路：与Release6 HSDPA的用户面流量相比,每MHz的下行链路平均用户流量要提升3到4倍。此时HSDPA是指1发1收，而LTE是2发2收。上行链路:与Release6增强的上行链路用户流量相比,每MHz的上行链路平均用户流量要提升2到3倍。此时增强的上行链路UE侧是一发一收，LTE是1发2收。下行链路：在满负荷的网络中，LTE频谱效率（用每站址、每Hz、每秒的比特数衡量）的目标是Release6HSDPA的3到4倍。上行链路:在满负荷的网络中，LTE频谱效率（用每站址、每Hz、每秒的比特数衡量）的目标是Release6增强上行链路的2到3倍。EUTRAN可以优化15km/h以及以下速率的低移动速率时移动用户的系统特性。能为15-120km/h的移动用户提供高性能的服务。可以支持蜂窝网络之间以120~350km/h(甚至在某些频带下，可以达到500km/h)速率移动的移动用户的服务。对高于350km/h的情况，系统要能尽量实现保持用户不掉网。吞吐量、频谱效率和LTE要求的移动性指标在5km半径覆盖的小区内将得到充分保证，当小区半径增大到30km时,只对以上指标带来轻微的弱化。同时需要支持小区覆盖在100km以上的移动用户业务。E4JTRA可以应用不同大小的频谱分配，上下行链路上，可以包括有1.25MHz、1.6MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz以及20MHz,支持成对或非成对的频谱分配情况。

3.4 LTE的商用趋势

2009年12月15日，Teliasonera公司在北欧建设了第1个LTE商用网络，截止2011年7月6日，81个国家的218个运营商投资LTE网络,62个国家的166家运营商部署LTE网路,24个LTE网络已经实现商用，预计到2012年底至少81个LTE网络能够实现商用。从目前LTE网络部署情况看，新获得TDD频率的运营商急于部署TD~LTE网络以便尽快开展市场运营，希望TD~LTE技术及产业链尽快成熟,如日本的软银公司和印度的Reliance Industries公司等等。拥有一定TDD频率的传统运营商，也对TD~LTE技术表现出较大的关注，如Vodafone,France Telicom和Bharti公司等运营向。在我国政府相关部门的大力支持下，中国移动联合TDD产业链各方,克服困难,开拓创新，建设了一张具有我国自主知识产权的TD-SCDMA网络,为其网络演进技术TD-LTE的发展提供了广阔的市场空间,为TD~LTE技术成为名副其实的国际标准奠定了坚实的技术基础。在我国政府相关部门的统一组织下,TD-LTE的研发工作已经取得突破性进展,达到了和LTE FDD可竞争的先进水平，基本具备了规模应用的条件。国际上许多已拥有TDD频率的电信运营商都希望中国企业能够带动TD~LTE技术在全球的大规模应用。

因此，国家统筹安排了“新一代宽带无线移动通信网”科技重大专项2010ZX03002409TD-LTE规模技术试验,在上海、南京、杭州、广州、深圳和厦门等6个城市建设TD~LTE规模技术试验网络，建设规模包括:核心网在6个城市建设独立的EPC测试设备,其中上海、南京、杭州、广州和深圳建设2套独立的核心网测试设备，厦门建设1套独立的核心网测试设备;无线网6个城市共建设1100个室外宏基站,110个室内分布基站。TD~LTE规模技术试验网使用频率资源为60MHz,D频段(2575~2615MHz)主要用于室外宏基站，E频段（2350~2370MHz)主要用于室内覆盖基站。目前中国移动分阶段网络建设与配套改造工作进展顺利，在政府相关部门的领导下,正在按计划积极开展网络各方面的测试工作。

4结束语

全业务运营是推动电信走向融合的重要引擎。在新的市场环境下，国内运营商重组推动了全业务运营时代的到来。面对全业务运营这个新的发展阶段,不同运营商由于资源、能力和发展状况各不相同，转型模式也会不同。在新的竞争格局下无论是新电信、新联通还是中国移动都将是机遇与挑战并存。全业务运营将引领国内运营商进入一个新的发展阶段。

无论从用户规模还是从盈利能力看，重组后的中国移动依然是国内最强的电信运营商，如果中国移动能够成功实现转型,全业务运营将为中国移动创造一个新的发展机遇。全业务运营的核心竞争力是有良好的网络技术支撑，以及高效的管理机制。

掌握了解全业务运营下的网络技术与发展趋势至关重要。本文是我个人的观点，仅供参考。

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