从GSM+GPRS到3G技术体系的演进

0、前言

　　如何把世界上最大规模的GSM网络（更准确地说，是GSM+GPRS网络）顺利演进到3G技术体系系统非常重要。本文就GSM+GPRS演进到3G WCDMA的策略进行探讨并给出自己的思考和心得。

　　2G到3G的发展既是业务的推动，也是技术不断发展的必然，当然，这中间有着复杂的过程，首先2G系统因为数据通信业务需要，GSM从单一的电路交换只支持通话业务升级到2.5G，即GPRS、GSM+GPRS在核心网络中分成电路域（CS）和分组交换域（PS），这样一来，就使得形成的GSM+GPRS移动通信系统不仅仅能支持话音通信，而且可以支持低速数据通信和短消息。

　　基于GSM技术发展而来的宽带CDMA即WCDMA技术与2G移动通信技术在结构上有很大不同，而是和2.5G的结构上有些相似，除了结构上的问题外，3G采用的技术为CDMA，这也与2G采用的FDD TDMA标准制式不同。

　　TDMA时分多址，是通信中的基本多址技术之一，在2G（GSM）移动通信系统中多被采用，时分多址的基本概念是把时间分割成周期性的帧，每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，进行发送和信号的接收。

　　CDMA码分多址，它是在数字技术的分支-扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术，CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使得原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去，接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。

　　GSM+GPRS和3G在体系架构上基本相同，都由用户终端、无线网侧和核心网组成，其到3G的演进主要体现在无线网侧与核心网两大部分。

　　1、无线网侧的演进

　　GSM+GPRS的无线网侧与WCDMA的无线网侧差异特别大，要完成从GSM+GPRS到3G无线网侧的演进需要抛弃掉原有的体系重新建设3G的无线网体系。

　　GSM+GPRS的无线接入网部分由基站BTS和基站控制器BSC组成，BSC通过A接口与核心网MSC/VLR相连，通过Gb接口与核心网分组域的SGSN相连。

　　3G WCDMA无线网是一个在全新的频段上用更高频谱效率的技术构建的网络。UTRAN的基本单元RNC和Node B与核心网CN通过Iu和Iub接口连接，且均采用ATM传输。

　　它们与GSM+GPRS的无线接口和接入方式完全不同，因此WCDMA的无线接入部分将会重新部署。WCDMA无线网通过空中接口与用户终端相连，RTT可以实现高速144Kbps的接入速率；中速情况下可以实现384Kbps的接入速率；室内情况下可以实现2Mbps的接入速率；根据带宽需求实现的可变比特速率信息传递；一个连接中可以同时支持具有不同QoS要求的业务；满足不同业务的延时要求（从实时要求的语音业务到尽力而为的数据业务）。

　　无线侧平滑过渡解决方案：

　　● 原有GSM+GPRS设备进行升级的组网方案

　　对于存在GSM+GPRS网络的运营商来说，网络建设在原有的GSM+GPRS无线网基础上考虑升级的解决方案存在技术上的问题。采用无线网络控制器（即RNC）升级的方式，作为无线侧升级后的组网方案。

　　采用上述升级方式的主要困难在于让BSC设备升级成具有RNC功能的设备，技术实现上非常困难。首先，BSC和RNC的无线网络层协议差异性大，差异性是完全革命性的；其次，传输网络层和物理层相差也非常大，一个是基于电路交换，一个是基于ATM交换；其三，用户面的处理完全不同，BSC对于用户面基本是透明的，而RNC对用户面有很复杂的处理。

　　基于以上分析，BSC设备和RNC设备不存在共用设备问题，它们两者的结合不会有任何成本的节省，反而会增加设备的复杂度，所以现在主流厂家基本都不考虑采用这种升级的方式。

　　● 在原有GSM+GPRS设备上进行叠加的组网方案

　　对于无线侧网络的演进，目前普遍认同的方案是在原GSM+GPRS设备的基础上进行3G网络的叠加。

　　采用叠加方式后，GSM+GPRS无线网络和3G无线网络之间没有直接连接。至于与核心网的连接，与核心网采用的演进方式有关。

　　需要说明的是，虽然GSM+GPRS无线网络和3G无线网络从组网结构上看没有直接连接，但Iub和Abis口共用传输是没有问题的。

　　2、核心网侧演进方案

　　2.1 核心网侧演进的三种解决方案

　　与WCDMA系统在无线侧无法平滑演进所不同的是，核心网侧是可以演进的。根据核心网侧电路域和分组域的演进方式不同，下面提出三种解决方案。

　　● 核心网全升级过渡

　　对于现有的GSM+GPRS网络，有的通信设备厂商支持从GSM+GPRS网络向3G系统的演进，并提供全面的解决方案。这些通讯设备厂商的核心网升级方案是在原有的GSM+GPRS核心网的基础上，通过硬件的更新和软件的升级来实现向WCDMA系统的演进。

　　GSM+GPRS网络在建设时都有一定的冗余，冗余对网络起着一定的保护作用，避免网络业务量增加时出现阻塞以保持网络的稳定性。这种冗余为核心网的升级、扩容提供了可能，但由于近年来移动用户数迅猛攀升，GSM+GPRS核心网的冗余已经很小，强行升级、扩容势必影响网络的稳定性；而对网络侧而言，即使现在通过升级能够暂时满足组网的需求，在将来网络向全IP演进的过程中，还是需要新建3G的核心网，从网络发展的角度来看，升级并不能为运营商建网节省成本。

　　站在运营商的角度看，系统的稳定可靠和设备的性能价格比是最值得关心的。核心网的建设只占整个移动网建设成本的20%左右，核心网升级并不能为运营商节约多少成本，但却极大地降低了网络性能，使得设备的性能价格比降低。这种升级带来的系统无疑是极不稳定的，从战略角度来看，运营商只有建设一个高质量、高起点的精品网络才能在未来激烈的竞争中赢得用户，而承担如此大的风险通过升级方式来进行WCDMA系统演进，毫无疑问不是首选和最佳方案。

　　● 叠加、升级组合建网

　　从GSM+GPRS网络到WCDMA网络演进的一种方式是叠加升级组合的建网方式，这种建网方案主要是将原有GSM+GPRS网络的电路域进行叠加、分组域进行升级的一种组网方式。

　　从技术角度来看，WCDMA网络设计时充分考虑了网络的继承性，3G系统叠加在GSM+GPRS的核心网上不存在技术上的屏障。3G系统的UTRAN可以接入3G系统的核心网，满足3G业务需要；GSM+GPRS系统的BSS既可接入已有的网络，也可同时接入3G网络，实现相关的业务功能。

对于电路域而言，3G网络的底层承载采用的是ATM承载，从而使GSM+GPRS到3G的升级在实现上不可能，同时会带来很多问题，这些在前面已有论述。现在在热点地区，话务量已经达到800Erl/Km2，随着数据业务的引入，据预测三年内话务量可达2500-3000Erl/Km2，而根据GSM+GPRS网络建设初期的设计，网络承载能力最多可达1000Erl/Km2，所以针对话务热点地区现在急需增加网络容量。电路域由于两代网络之间底层承载完全不同，无法升级，对电路域进行叠加是一个比较明智的选择。

　　对于分组域的一种演进方案是升级，从保护运营商投资的角度来看，分组域进行升级演进是一种可以参考的方案。例如，有的通讯设备制造商的GPRS和3G的PS域是采用同一硬件平台设计的，在GSM+GPRS到3G演进时，只需增加部分接口硬件并进行相关软件升级即可。这样既最大限度地保护了运营商的投资，又保证3G网络的稳定性，便于网络向R4/R5网络的演进。

　　从投资者的角度来看，本文提供的该解决方案，由于基于GPRS系统的过渡，可以使运营商在节省信令网络、传输网络、智能网络和网管、电力系统、以及HLR等网络设备方面的投资的前提下，不会降低网络的性能。

　　但需注意的是，采用这种PS域升级的方案的前提是GSM+GPRS的GPRS和3G的PS域设备的硬件平台可以兼容，并有向全IP演进的能力。如现网上已有的GPRS设备的硬件平台无法升级到3G则应考虑采用下一节方案。

　　如果采用现有GPRS的SGSN和GGSN升级为PS域，首先会影响现有GPRS网络的稳定性，其次升级后设备为GPRS用户提供服务，同时又为WCDMA用户提供服务，随着WCDMA用户的增加，系统在扩容上需要进一步投资。并且现在GPRS网上设备SGSN的交换方式有很多厂商是采用窄带电路交换方式，即使是采用宽带ATM交换的系统，由于其结构老化，处理机的处理能力、业务支持能力也无法满足3G业务的需求，从而成为WCDMA数据高速交换的瓶颈，不利于以后新业务的发展。

　　● 完全叠加建网

　　从GSM+GPRS网络向3G系统的演进的另一种方案是建设完全叠加网。整个网络根据现有GSM+GPRS组网不同区别对待：

　　对于GSM+GPRS电路域本地网采用完全叠加的方案。因为长途网一般仅起到话务转接的作用，与GSM作用相同，建议WCDMA同GSM共享长途网资源，这样对现网的影响也不是很大，WCDMA R99电路域采用的是七号信令，可以与GSM共享七号信令网。

　　对于分组域，WCDMA网络PS域骨干网与现有的GPRS骨干网共享，WCDMA网络PS域省网新建SGSN和GGSN，并且由于WCDMA的PS域与现网GPRS在流程以及核心网的协议非常相似，省网的CG、DNS和路由器等设备与GPRS现网共用。

　　2.2 核心网叠加方案的主要优点

　　避免了对现有GSM+GPRS业务的影响；易于网络规划和实施；充分保障了现有网络的稳定性；容量不受原有网络的限制。

　　这种方案通过核心网的叠加来引入宽带接入、补充新的频谱和核心网资源，达到分流语音和数据业务、刺激业务增长的目的，从而促进3G系统的发展。

　　值得注意的是，GSM+GPRS网络与3G系统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系统网络的高频谱利用率，当3G系统网络空闲时，对语音业务也可考虑优先使用3G网络。采用叠加方式建设3G网络，不仅有利于3G网络建设的逐步推进，而且为网络向基于3GPP R4/R5的全IP网络演进扫清了障碍。

　　2.3 演进策略建议：

　　总体来说，针对即将拥有3G牌照的运营商，一般会面临三种建网选择：新建、升级、叠加，当然实际情况往往会采用其中两种或三种组合策略。

　　对于原本就没有建设GSM+GPRS移动通信网络的运营商来说，由于没有原来网络的负担，可以尽量采用较新的技术，建设全新的网络非常适宜，这样越过GSM+GPRS网络，直接增加3G的网络节点构建3G的核心网络和3G无线接入网，提供3G业务。对此，本文提供的3G演进方案建议直接建设核心网CN和接入网UTRAN，已经有设备制造商可以提供全套WCDMA端到端的解决方案，包括所有的系统设备：Node B、RNC、MSC/VLR、SGSN、GGSN、HLR、CG、OMC、SC、MMSC以及综合业务管理平台等等。针对已经建设GSM+GPRS网络的运营商，面临的是如何从GSM+GPRS向3G进行平稳、无缝的演进。此时运营商最为关注的是：WCDMA网络的引入应尽可能减小对现有GSM+GPRS网络运营的影响；尽可能地利用现网资源，更重要的是尽可能地保护GSM+GPRS到3G网络发展上新的投资，同时确保这种投资可以保障网络向全IP平滑演进而不会出现某种障碍；终端用户的业务可以从GSM+GPRS平滑过渡到WCDMA.

　　本文充分考虑了上述情况，完全支持从GSM+GPRS网络向WCDMA系统的平滑演进策略，网络建设根据运营商现有网络情况提供不同的解决方案。对于原来GPRS网络初建时已经考虑到了与3G PS域兼容，并且可以通过软件升级过渡到3G的运营商，采用PS域升级、CS域叠加的演进方案。

　　而对于大多数现网情况，GPRS网络无法只是通过软件升级过渡到3G的PS域，因此建议采用完全叠加网的方案。即网络建设时在原有GSM+GPRS本地网络基础上，叠加3G核心网，可同时接入3G的无线接入网UTRAN和GSM+GPRS的无线接入网BSS，在提供3G丰富多彩的业务的同时，与现有GSM+GPRS网络实现业务互通，并为GSM+GPRS业务的平滑演进提供了保证。新建的3G核心网已经从规划上充分考虑到网络向全IP演进的趋势，为全IP的演进扫除了障碍。建设完全叠加网是对现网运营影响最小的解决方案，维护和提升精品网络、高品质服务的运营形象，为新一代网络运营创造了更广阔的发展空间。

　　3、结论

　　从现有GSM+GPRS网络演进到WCDMA网络时，不论采用哪种演进策略，都可以充分考虑如何改造和利用当前已有的长途骨干网、信令网、智能网、关口局及HLR/AUC、SC等设备。这样既最大限度地保护了运营商在GSM/GPRS等方面的已有投资，又可以使运营商根据自己地区的业务开展情况和经营状况，逐步、渐进地提供丰富的3G系统业务，从而达到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。这充分体现了WCDMA系统对GSM+GPRS现网设施的继承性和保护。