2G网络向3G平滑演进的若干关键技术探讨

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一、概述
    对于移动运营商来说，3G网络建设是一个长期的过程，期间必将是“混合”的时代，既有2G网络，又有3G网络，二者相互依存，互为补充。移动运营商要成功实现由2G向3G的转型，2G网络的支撑至关重要。从传统2G的网络规模角度来看，经过多年的建设，2G网络的覆盖优势是3G网络在一定时间内无法比拟的。因此，在3G网络建设初期，2G网络应作为一个覆盖范围广阔的底层网络为移动用户提供基本话音业务和数据业务，而3G应凭借自身的先进技术在部分地区为有需求的用户提供高速的移动多媒体业务。通过在2G网络基础上平滑演进，提供3G业务，用2G与3G组成“一个网络，两种接入，无缝覆盖，无缝业务”的模式，实现3G与2G网络的长期协调发展，做到以最低投资提供最大容量和最大的覆盖面，最终实现网络的平滑演进。因此，移动运营商在建设3G网络的初期阶段应该把握如下三点原则：
    （1）2G网络稳定优先原则2G网络是当前也是未来一段时间内移动运营商业务收入的重要来源，3G网络建设应尽量减少对2G网络业务质量的影响，保证当前网络的稳定性。
    （2）2G和3G网络互相补充、均衡发展原则3G网络应该充分依托现有2G网络作为语音和数据业务覆盖的补充，同时能够充分体现3G系统在组网、容量、以及数据业务方面的优势，并和2G网络一道均衡发展。
    （3）充分利用现有网络资源原则3G网络建设应该充分利用现有的2G网路资源，避免重复建设，最大限度考虑现有的信令网、汇接网、同步网、传输网、Boss系统等公共资源的重用。
    基于上述三点建网原则，移动运营商在进行3G网络建设时，可从无线接入网、核心网、业务网几个层面考虑，实现2G与3G网络的协调发展。在无线接入网层面上，可以通过2G和3G网络之间的互操作，从而实现业务均衡和无缝漫游的目的。同时，对于3G网络的站址、室内分布系统、机房、天馈线等基础设施，可以共用2G网路的相关设施，充分利用2G现网的基础设施和建网经验，平稳快速地进行3G无线接入网路的建设。在核心网层面上，完全可以利用现有网络中的信令网、汇接网、同步网、传输网、Boss系统等资源，特别是软交换技术的网络资源。这样，既可以保护原有的投资，又可以节约网络建设的成本。3G网络的业务平台也可以在现有2G网络中的业务平台基础上进行必要的升级，以实现业务平滑演进。
    纵观2G与3G网络之间的异同，我们引入3G网络的关键问题在于无线接入网的建设，而建设无线接入网的关键又在于2G和3G之间的网络互操作和网络协同规划，所以本文将主要讨论如何实现2G和3G之间的网络互操作，以及网络的协同规划和优化。
    二、2G网络向3G演进的模型
    目前，中国现有移动通信网络主要有GSM/GPRS和CDMA20001X，分别可以提供速率为114kbit/s和153kbit/s的数据业务。其中，由于WCDMA和cdma2000分别基于现有GSM/GPRS和IS-95网络上提出的3G标准，所以从2G网络向3G最有可能的演进路线将是GSM向WCDMA过渡，以及IS-95朝cdma2000演进。当然，由于TD-SCDMA除接入网与WCDMA不同之外，其核心网基本与WCDMA一样，因此另一条演进路线有可能由GSM向TD-SCDMA发展。具体3G网络的演进路线如图1所示。

    图1 中国3G网络演进路线示意图

    图1所示的各种无线接入技术都有各自的特点和优势。目前，无线接入网技术没有确定，不排除同时存在各种接入技术的可能性，同时终端用户对3G网络的期望比较高，潜在3G通信运营商之间的竞争也异常激烈。移动运营商在了解未来移动通信网络主要关键技术的基础上，利用和整合现有资源，从而灵活和高效地利用不同无线接入网技术来为用户提供无缝、高质量的移动网络，并对公共关键网络节点和资源进行整合，已成为了领先的关键。有以下几点需要考虑：
    （1）核心网络的建设要为未来的宽带业务和灵活的无线接入技术提供支撑。
    （2）网络维护管理系统要为不同的无线接入网络提供无缝的维护管理平台。
    （3）传输网络的建设为未来的宽带业务提供支撑。
    （4）无线接入设备站点资源（基站和室内分布系统）的改造、整合和储备。
    三、2G和3G协同规划及优化
    目前移动运营商已拥有成熟的2G网络，在满足用户语音需求上已不成问题，因此在3G发展初期应首先在数据业务需求大的发达城市或区域建设3G网络，然后逐渐扩大覆盖范围。由于3G网络采用CDMA接入方式，是干扰受限系统，建网时应该按照“一步规划，分步实施”的原则。首先做好长期的网络规划，然后按照移动通信普及率和业务发展需求在不同地区逐步推进。在建设过程中，对现有网络进行优化，以降低成本，提高服务质量。
    1.协同规划2G和3G网络
    在2G和3G无线接入网络的协同规划中，需要考虑在满足不同的话务和业务管理需求下，为不同层次、不同地域的用户提供相应的业务服务。在这个原则下，考虑如何共用2G网络的相关设施，如网络的站址、室内分布系统、机房、传输、电源等基础设施以及其他公共关键网络节点和资源。
    （1）业务连续性进行3G网络规划时首先考虑满足长期业务发展（特别是数据业务）的需要，对业务及网络部署等方面进行统一设计规划，然后根据实际业务发展状况、市场策略等在不同区域分步推进。在开始部署3G网络时，2G网络也会不断发展，所以很多业务在3G和2G网络都会同时提供。要继续发挥2G和2.5G网络业务成熟的优势，并在3G发展初期主要覆盖高密度用户区和数据业务集中区的前提下，实现3G与2G和2.5G网络的平滑切换。这样，当用户在两个网络中移动时，才能够保证业务的连续性。
    （2）共站的可能性对于移动运营商来说，由于已经拥有了庞大的GSM网络，因而同时拥有数目众多的GSM站址。在进行3G网络系统建设时，应该结合2G网络合理安排网络布局，充分利用已有的2G网络站址来实施3G网络。这样不仅可以节约大量的基础设施投资，而且可以降低寻找新站址的难度，节约大量的时间，从而加快网络的建设速度。
    2G和3G网络的站间距的差异直接关系到两个系统是否可以共用站址。如果两个系统的站间距差异过大，则不能共用站址或可共用的比例极低；如果两个系统的站间距差异较小，则完全可以共用站址。以WCDMA系统为例，理论上WCDMA的覆盖范围小于GSM900，但大于GSM1800。由于GSM网络容量的增加，导致GSM的小区半径进一步缩小，特别是在城市和城市密集地区，GSM的小区半径更小，使得WCDMA与GSM的小区半径非常接近，因此，WCDMA和GSM在较大范围内可以实现共站。除了站间距，还有许多因素决定是否可以共用站址，如机房面积、塔顶面积和承重等。
    （3）2G和3G网络关键节点2G与3G网络协同规划，除了无线接入网络，还包括共同的核心网络、共同的网络管理系统、共享的传输网络等公共资源，如图2所示。

    图2 2G和3G共享网络示意图

    理论上，基站资源中除了基站主体设备外，其他公共资源都可以考虑共用，包括天线、馈线、传输、电源等。如GSM和WCDMA系统可以共用同一个塔架，分别安装独立的天线系统，但需要注意的是两个不同系统的天线之间至少要有30dB的隔离度，以防止产生干扰。当安装GSM天、馈线系统的塔架的承重或固定位置不允许加装WCDMA的馈线系统时，可以考虑两个系统共享同一馈线系统。电源方面，应综合考虑电源设备的负荷能力和安全性，以决定是否需要新建电源系统。传输方面，除了电路数量外也可以利用原有资源。核心网络及网络管理系统等方面，在进行建设及投资规划时，尽可能整合利用现有网络资源，满足不同的接入技术，为以后网络用户和业务的增长提供发展空间。
    2.协同优化2G和3G网络
    类似2G网络系统，3G网络规划的主要目的是提供良好的信号覆盖，以及如何利用现有的2G网络对3G网络进行支撑。
    （1）增大网络覆盖为了进一步扩大3G的网络覆盖，我们可以采用新建基站的方式，从而使得网络结构更加合理，并且在增加信号覆盖的同时提升网络质量。但是，由于3G网络采用CDMA接入方式，属于自干扰系统，新增基站会造成同频干扰增加，因此要按照预先规划的网络结构，适当增加，而不能像GSM那样大量使用。除此之外，还可以采用升高天线，调整天线角度等措施，达到增大网络覆盖的目的。
    （2）扩大网络容量话务量均衡、容量参数控制以及增加功率放大器是扩大网络容量的主要方法，当然增加基站也可以进一步扩大网络容量，但是由于3G网络的自身特点，对于新建基站的方式一定要慎重。
    四、2G和3G的互操作问题
    1.网络互操作的功能
    对于拥有2G网络的移动运营商在3G网络建设和运营初期，由于投资、网络发展的限制，导致初期的3G网络不能做到连续覆盖或者在连续覆盖区域内部不能做到无缝覆盖，因此，需要2G网络提供支持使得3G用户能够在3G网络覆盖不理想的区域下使用2G网络的话音和数据服务。网络互操作就是要使得用户能够在2G和3G网络之间进行切换。这就是说，要使得具有多种无线接入能力的终端可以在3G网络覆盖区域享受到丰富多彩且快速的高质量服务，而在3G网络覆盖区域之外，2G网络也能为用户提供连续不断的，比较满意的服务。随着3G移动网络的发展，3G与2G网络会共同覆盖相同的地区，因此3G与2G网络的负载分担与平衡机制可以优化无线资源的利用与终端用户的感受，如话音业务以及低速数据可以更多地让2G网络承担，而让3G网络承担高速的数据业务，以最大限度满足用户对移动服务的需求。
    2.2G和3G网络互操作包含的主要内容
    2G和3G网络互操作主要包括空闲模式下的网络互操作和连接模式下的网络互操作两个方面。前者主要是指空闲状态下双模用户终端UE如何进行PLMN定位和重定位、小区选择和重选、以及位置登记；后者主要是指双模UE的3G向2G单向的CS切换和双向的PS切换。
    （1）2G和3G网络空闲模式互操作当2G和3G网络共存时，用户开机后UE首先进行PLMN的选择。一旦选择完成，就开始搜寻属于该PLMN的小区。终端搜寻到符合条件的小区，便可从系统广播消息中获取邻小区的信息。根据这些信息，UE就可以在这些小区中选择一个信号较好的驻留下来并进行位置更新。具体流程如图3所示。

    图3 空闲模式下小区选择/重选过程示意图

    双模UE在空闲模式下如何选择一个网络进行登录和被寻呼，以及建立网络连接，其策略尤为重要。下面讨论UE空闲模式下的网络策略：
    ①3G网络为先的策略该种策略的原则显而易见，只要有3G网络覆盖，UE就登录在3G小区。使用户尽量感受到3G网络的覆盖，享受3G网络带来的新潮与快乐。这样可以减少UE附着在2G网络的机会，使在双网并存的区域视频电话总能顺利建立与使用。
    该种策略具体体现在如下参数设置策略：在空闲模式下只要UE测量到的CPICHEc/NO信号质量高于sRatSearch+qQualMin，就让UE留在3G网络。当Ec/NO信号质量低于sRatSearch+qQualMin，UE就开始对2G邻区进行测量，与3G小区一起进行排序。
    ②根据用户以往使用两种网络的频率大小的策略该策略主要是根据用户以往使用2G和3G网络的频率大小来决定接入到2G网络，还是3G网络。若用户以往登陆使用2G网络的次数远多于使用3G网络的次数，UE自动接入到2G网络中信号最强的小区，否则，UE将接入到3G网络中信号最强的小区。该策略考虑了用户习惯和用户类型，具有一定的智能性，因为高端用户往往驻留在3G网络上，而低端用户则使用2G网络更多一些。
    ③手机驻留在信号强度最大的小区的策略UE总是选择登录在信号强度最强的小区。该策略往往适应一些特殊场合，实现该种策略需要把sRatSearch设置为较大值，如8。3G网络信号质量低于sRatSearch+qQualMin后，那么UE将基于最强信号强度对小区进行选择。由于UE从2G网络小区重选到3G网络小区主要基于对Ec/NO的测量（通常FDDQOFF设置为0（负无穷）），只要Ec/NO超过一定门限，UE将马上重选到3G系统。之后由于Ec/NO处于临界点附近，而2G网络小区信号较强，UE又有可能会重选到2G系统，因此可能带来乒乓效应，这是需要避免的。
    综上所述，不论使用哪种策略，其最终目的只有两个，即尽量减少异系统切换频率和尽量使网络容量最大化。
    （2）2G和3G网络连接模式互操作2G、3G网络之间的切换包含电路域切换和分组域切换。其切换流程大致为：首先双模终端根据当前小区导频信号质量触发3A事件，并上报小区信号测量结果，RNC根据收到的测量报告，向核心网发起迁移请求；之后核心网下发重定位命令，RNC再下发切换命令消息给UE，最后完成切换过程。
    2G、3G网络连接模式下的网络互操作主要包括双模UE的3G网络向2G网络单向CS切换和双向PS切换。下面将分别讨论CS业务切换策略和PS业务切换策略：
    （1）2G网络连接模式下的CS业务切换策略
    ①3G网络为先原则是只要3G信号质量符合既定条件，可以把2G系统上的CS业务切换到3G系统。
    把ISHOLEV设置为很大的值，如99，不管2G网络的负荷，即IRAT算法的第一条件轻易就符合了，只要3G网络质量好于MRSL的门限，那么IRAT切换就可以触发。
    ②2G系统中的电话在2G网络中结束基于2G网络的成熟与稳定，而语音质量在3G与2G网络中是大致一样的。可以采取让在2G系统发起的话音留在2G系统中，直到电话在2G网络中终止。这将使2G到3G网络的切换的发生最少化。把IS-HOLEV设置为0，在2G网络服务小区不发生拥塞的情况下，系统将禁止IRAT切换从2G系统发生，即使3G网络的质量高于MRSL。呼叫结束后，UE将根据空闲模式的策略进行选网或小区重选。
    （2）PS业务切换策略空闲模式下的参数合理设置可以使PS连接重选3G网络小区，一旦3G网络质量满足要求，就让GPRS业务重选到3G网络，以利用快速的3G网络。
    2G和3G网络之间的业务切换如图4所示。

    图4 2G和3G网络之间的业务切换

    3.2G和3G网络互操作中出现的问题
    （1）异系统乒乓重选效应异系统的乒乓重选主要是由于双模终端UE是根据Ec/IO的变化情况触发2G或3G网络小区重选。当3G网络服务小区的导频信号质量Ec/IO减去Qquamin小于异系统启动门限SsearchRAT时会引起UE进行异系统测量，同时若2G网络小区的信号质量满足小区重选准则且其持续时间大于小区重选延迟时间Treselections时，UE则会选择到2G网络小区；而当3G网络服务小区的Ec/IO值又大于FDD_Qmin门限时，UE又会重新选择到3G网络小区。所以若EC/IO变化比较剧烈，那么将会导致异系统的乒乓重选问题，同时如果小区重选延迟时间设置过小的话，则加大乒乓重选的概率。在实际网络优化过程中，可以采取以下调整措施以减小乒乓重选的概率：
    ①拉大SsearchRAT和FDD_Qmin的间隔。按照缺省参数，Qqualimin设置为-18dB，SsearchRAT设置为4dB，FDD_Qmin设置为-12dB，因此在2G网络中只要3G导频信号质量Ec/IO大于-12 dB，UE则会重选到3G网络；在3G网络中的导频信号质量Ec/IO只要小于-14 dB，UE就会重选到2G网络中。可以看出，缺省参数的配置使得小区重选的频率基本由3G CPICH Ec/IO的信号波动来决定。只要波动超过2 dB，就会发生乒乓重选。由于3G CPICH EC/IO低于-14 dB时UE很容易掉网，所以只能增大FDD_Qmin以拉大SsearchRAT和FDD_Qmin的间隔，从而减少发生乒乓重选的概率。
    ②增大Treselection值。缺省配置为1s，可以把Treselection设置成5s，这样从时间上，可以减少小区重选的频率。
    （2）异系统切换掉话问题由于3G网络使用的频段为2000MHz，其电波的穿透能力相对于900MHz明显变弱，所以当用户进入未经室内覆盖的楼宇或电梯中3G网络信号会迅速下降15 dB左右，导致正在通话的UE来不及切换到2G网络中就掉话了。对于这种情况，我们要提高压缩模式契动门限，使得用户在进入电梯之前就切换到2G网络，避免发生掉话。
    五、结束语
    由于用户需求呈现多样化趋势，为了吸引更多的新用户加入，占有更大的市场分额，3G网络的后续发展策略应要包括新业务的推出、降低服务成本和提高服务质量等。在网络建设中，除了考虑市区室外覆盖之外，还必须考虑人口密集地区的室内覆盖，引入的设备类型除了标准的室内型宏蜂窝基站之外，还有超大容量室内型基站、紧凑型室外宏蜂窝基站、微蜂窝基站、大功率微蜂窝基站、射频远端单元等设备。为了解决热点区域、地铁、隧道等特殊地形的覆盖，通常会采用分布式天线系统或射频泄漏电缆。在网络成熟期，3G网络框架结构已经成形，覆盖需求已经实现，大规模的网络建设已经完成。为了进一步提高服务质量，网络规划建设的重点将从全面网络建设变为局部网络区域优化调整工作。根据网络性能统计和用户投诉反映，对网络单元布局、参数等进行优化调整实现，其中包括基站搬迁和增加新站点等。