GSM/WCDMA混合组网策略浅析

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1、GSM网络演进的整体考虑
　　随着3G的日益临近，国内运营商正筹备各种资源为3G建设做准备。特别是对于我国GSM网络运营商，GSM用户数以及网络规模均居全球前列对3G的到来做好充分准备显得尤为迫切。目前从全球商用规模、技术成熟度、终端、产业链、兼容性等方面看，GSM网络向WCDMA网络的演进，特别是3GPP R4版本的3G网络演进属于比较平滑的过渡。
　　但GSM运营商在考虑3G规划前必须面对这样的事实：
　　◆GSM网络在中国已经发展多年，当前GSM网络的建设已经相当成熟，具有良好的覆盖性和稳定性。
　　◆中国移动电话的渗透率还相当低，仅25%左右，随着经济日益发展，新增移动用户还将继续发展，未来很长一段时间内，话音业务仍将是移动网络的主要收入来源。
　　因此现有的GSM网络未来仍会是良好的语音业务承载网，是一个可持续发展的移动通信网络，无论是从技术发展、满足用户需求、网络承载能力以及全球的漫游，还是从自身网络投资保护的角度考虑，GSM网络仍然具有存在价值。未来很长一段时间内GSM与WCDMA是和谐共存，共同发展的网络。
　　本文试图从WCDMA核心网元的建设、GSM网络的升级以及GSM/WCDMA网络的互通等方面去探讨混和组网的一些策略，以期对即将开展的3G建设提供些许参考。
2、WCDMA核心网元建设策略
　　WCDMA R4版本网络引入了软交换的技术体制，实现了承载和控制相分离的网络结构，网络由GSM阶段传统TDM中心节点交换型向典型的分组话音分布式体系演进，同时也相对于GSM网络引入了不少新的网元，比如MSC Server、MGW、SG等。
　　对于已拥有庞大GSM网络的移动运营商来说，WCDMA核心网网元的建设必须立足于现有GSM网络资源，整体上需要把握如下建设原则：
　　◆2G网络稳定优先原则
　　GSM网络是当前也是未来一段时间内运营商业务收入的重要主体，3G网络建设应尽量减少对GSM网络业务质量的影响，保证当前GSM网络的稳定性。
　　◆3G/2G相互补充、均衡发展原则
　　3G网络应能够充分依托现有GSM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、以及数据业务上的优势，和2G网络均衡发展。
　　◆充分利用网络现有资源原则
　　WCDMA网络建设充分利用现有的GSM网络资源，避免重复建设。最大限度考虑现有的信令网、本地网、汇接网、承载网、同步网、传输网、BOSS系统等公共资源的重用。
　　因此WCDMA核心网网元的建设可采用如下策略：
　　2.1　MSC Server+MGW
　　R4网络中MSC由MSC Server和MGW取代。在3G网络建设中，如果采用对MSC进行改造的方式不仅难度大，而且对现网的影响也极大，不符合“2G网络稳定优先原则”。因此，采取新建MSC Server和MGW的方式。
　　对于MSC Server的设置，应基于“集中放置、集中管理”的原则，集中设置在省会城市，一个MSC Server可以服务于一个或若干个移动业务本地网。并且为便于传输电路组织，MSC Server应尽量靠近IP承载网核心路由器机房。MSC Server还应考虑一定的安全备份机制，目前根据厂家的设备支持能力，可以分别考虑1+1或者N+1的方式，后期再结合MGW以及RNC的设备能力考虑引进Iu-Flex安全备份方式。
　　对于MGW的设置，初期也应坚持集中化原则，MGW集中设置在省会城市。后期再逐步下放，根据当地3G用户发展情况在本地网内建设独立的MGW。并且为便于传输电路组织，MGW应尽可能和与之相连的RNC同机房设置。初期，可以暂不考虑MGW的备份。但需要通过认真的话务分析，确保MGW上的话务均衡。
　　2.2　HLR
　　R4中HLR的功能与GSM网相同，仍是用于管理移动用户的数据库设备，只是在功能协议上存在如下改变：
　　◆对用户数据的定义存在差别：WCDMA由于引入了新的业务和功能以及用户信息更加丰富，使得HLR中存放的用户签约信息的信息量较GSM用户更加丰富。
　　◆鉴权机制存在差别：3G HLR同时支持多个2G鉴权算法和多个3G鉴权算法，并且具有鉴权5元组向鉴权3元组的转换运算能力，能够针对不同的用户采用相应的算法。
　　◆采用MAP协议存在差别：3G HLR应支持3GPP TS29.002定义的MAP协议，与GSM阶段MAP Phase2+相比，由于引入了一些新的业务和功能，包括定位业务、号码可携性业务、智能业务的增强等。
　　2G HLR的以上差别与3G HLR通过软件升级即可实现。对于现有的2G运营商，在部署WCDMA网络时，其3G用户的主要来源将是其GSM网络的现有用户，尤其是高端用户、时尚用户、大客户，这部分用户的特点是通信需求量大，沟通面广，十分重视号码的稳定性，因此，为了满足这部分用户号码平滑迁移的要求，3G HLR通常采用由2G HLR升级的方式。
　　2.3　CMN
　　在采用软交换架构的WCDMA R4版本技术组建全国大网时，不同省份MSC Server之间需要进行BICC信令互通，完成控制平面的局间寻址及路由分析，如果大量MSC Server完全扁平化连接将会浪费大量长途链路（TDM承载）或建立大量SCTP连接（IP承载），影响网络的可扩展性和易维护性。
　　因此引入CMN（Call Media Node，呼叫协调节点），主要完成MSC Server之间的信令链路汇聚和被叫号码分析功能，以实现BICC信令在MSC Server之间的传递。CMN不需要负责任何承载面媒体网关的资源控制。CMN一般会采用分级汇接的方式来构建，具体设置方案与3G网络的规模以及MSC Server的设置有关。
　　（1）在WCDMA建设初期，MSC Server容量以及分布决定了其间的BICC信令转接量不是太大，CMN节点可按大区方式设置，在此方式下，大区间的BICC信令需经过两次转接，如图1所示：

图1　CMN节点按大区方式设置

　　（2）在WCDMA建设后期，随着省际的BICC信令交互量增大，原有大区设置的CMN无法满足容量要求的情况下，可考虑按全网集中设置方式、新建若干CMN节点。在此方式下，大区间的BICC信令只需经过一次转接即可完成，如图2所示：

图2　CMN节点全网集中设置

　　2.4　分组域网元
　　WCDMA分组域相对于2G GPRS来说变化不大，没有增加新的网元。现有的SGSN/GGSN设备基本可以通过板卡升级和软件升级同时满足2G BSS以及3G RAN的接入。
　　然而由于3G数据业务的优势，随着3G网的发展，3G数据业务量增长很快，SGSN主要用于处理大数据量的分组包，因此建议新建3G SGSN。而GGSN只是为分组数据包提供接入路由功能，可考虑以升级改造的方式实现GSM/WCDMA的共用，这样也保障了3G用户在3G网与2G网之间切换时，数据业务的不间断。
3、GSM网络升级策略
　　GSM网络在WCDMA建设开始后，从业务收入上来说仍将是运营商的主打网络。同样也要面临着逐步的扩容以及升级需求。从GSM网络自身的技术发展以及GSM/WCDMA混和组网的特性来看，对GSM网络升级可从以下两方面来考虑：
　　（1）引入软交换技术，满足平滑升级的要求。
　　（2）升级GSM网元至目标版本，满足混和组网的互操作特性。
　　3.1　GSM现网引入软交换
　　随着3GPP R4版本的技术以及设备成熟度提高，移动软交换的引入成为核心网络演进的必然。对现有的GSM网络引入软交换技术，也是2G/3G核心网达到网元共用、网络融合的必经之路。
　　现有的GSM网无论从设备寿命还是设备规模上来说，还有较长的生命周期，对运营商而言，GSM网络中进行软交换技术升级，必须分阶段逐步实施。
　　（1）第一步：长途汇接层面引入软交换
　　通过在长途汇接层面引入软交换减轻2G TDM长途汇接网的扩容压力。在控制层面引入TMSC Server，用于汇接不同大区或省际的BICC信令；媒体层面引入IP扁平化承载网，疏通省际的长途话务。
　　（2）第二步：本地网端局层面引入软交换
　　对于本地网因扩容压力而需要新建2G MSC，可直接引入移动软交换端局设备MSC Server/MGW。
　　初期根据2G组网要求，GSM移动软交换端局MGW之间，以及和现有TDM设备之间采用TDM承载、话务及信令疏通方式和现有传统TDM端局保持一致。随着软交换向端局的引入，可逐步使软交换端局之间话务承载向IP化过渡。保证未来2G/3G核心网在承载平面的一体化传输，有助于两网融合。
　　3.2　GSM网元升级支持互操作
　　在3G建设初期，WCDMA网络难以做到全国覆盖（事实上也没有必要）。在这种情况下，有必要通过升级GSM网元，满足2G/3G系统间互操作功能，包括切换、漫游等，保证用户业务的连续性和可获得性。引起2G/3G系统间互操作的需求主要包括：
　　（1）由于移动性管理（MM）带来的互操作需求
　　主要由于3G建设初期，仍需要2G进行有益的覆盖补充，这就要求GSM网络支持2G/3G之间的小区重选、3G到2G的语音切换。通过升级改造无线侧的BSC网元以及交换侧的MSC、SGSN网元，使之能够识别3G网元发出的相关重选参数以及切换参数，并能够对之作出相应的处理。
　　（2）由于3G终端接入2G网络带来的互操作需求
　　由于R99协议和GSM协议的不兼容性，比如对QoS字段，GSM定义为5字节，R99定义为13字节，导致R99终端与GSM现网有严重的不兼容性。而R4终端是在R99终端基础上进行扩展的，因此，需要通过升级改造无线侧的BSC网元以及交换侧的MSC、SGSN网元，使之满足3G终端的接入需求。
　　（3）由于2G/3G共用号码资源带来的互操作需求
　　前面的HLR建设策略已经分析过，由于2G/3G用户共用号码资源，为减少号码迁移带来的麻烦，需要对现有的2G HLR升级支持2G/3G用户的共同存储。对其升级改造目的是满足3G用户的数据存储（包括3GPP R6定义的ARD字段、可视电话签约字段等）、3G的五元组鉴权支持、3GPP 29.002规定的MAP V3协议支持、可视电话的回落检测支持等功能。
4、GSM/WCDMA网络互通策略
　　运营商在综合考虑2G/3G发展的同时，必须考虑到它们之间的话路、信令等互通，以达到2G/3G一张网的运营目标。
　　4.1　话路网互通
　　在3G建设的初期，考虑到网间结构的稳定性，对于WCDMA电路域网络和其它运营商之间的互联互通网络结构保持不变，和2G网络共用现有的网间互联互通GMSC。
　　对于GSM运营商内部的GSM/WCDMA网络之间的话路互通，根据话路路由可分为两种情况：
　　（1）同一本地网内GSM/WCDMA之间的话务互通：
　　可以考虑采用的方式如下
　　方式a：3G MGW配置TDM接口，和本地GSM网端局之间采用TDM直达电路互通；
　　方式b：利用3G新建MSC Server+MGW兼做2G/3G关口局；
　　方式c：建设基于软交换架构的关口局用于WCDMA和2G网络之间的互通。
　　对于以上几种方式，分别适用于不同的网络情况。
　　方式a适用于WCDMA端局网元较少的本地网中，且MGW与TDM交换机（GMSC、2G MSC）之间的互通话务量达到一定规模；
　　方式b适用于WCDMA端局网元较多的本地网；
　　方式c适合于2G/3G端局较多的大本地网。
　　运营商可以综合考虑本地网的网元设置、承载资源以及设备接口能力来确定本地互通模式。
　　（2）GSM/WCDMA之间的长途话务互通
　　处于不同本地网的2G、3G用户，其间的长途话务有两种疏通途径：
　　方案a：利用原有的GSM长途汇接网
　　3G MGW采用TDM方式或者通过2G/3G互通局接入现有GSM长途汇接网，由TDM汇接网来疏通，长途话务路由遵循现有汇接网网络组织原则。其话路路由如图3所示：

图3　利用GSM长途汇接网的话路由

　　方案b：利用新建的3G IP承载专网
　　遵循长途话务“就近入R4，就远出R4”的原则，对于3G用户呼叫外省2G用户，通过本地MGW将省际话务就近接入本地3G IP承载网内，在受话端通过当地2G/3G互通局接至当地的2G网。其话路路由如图4所示：

图4　利用3G IP承载专网的话路路由

　　以上两种长途话务疏通方案可通过图5进行描述，虚线示意方案a利用原有的GSM长途汇接网疏通路由，实线示意方案b利用新建的3G IP承载专网疏通路由。
　　运营商可结合自己的网络特点进行选择，如果原有的TDM长途汇接资源比较丰富，未来一段时间内可以承担2G网络自身的长途话务量，同时也能对2G/3G之间的长途话务进行有效疏通，在充分利用现有资源的前提下可以考虑采用方案a。

图5　GSM/WCDMA网间长途话务疏通

　　而方案b主要针对TDM长途汇接网扩容压力大的运营商，可以考虑把2G/3G之间的长途互通话务经由3G IP承载网疏通。并且从TDM扩容成本以及承载方向来看，语音业务的IP承载也是未来的趋势。运营商甚至可以提前把现有的2G长途话务逐步割接到IP承载网上，来缓解TDM长途资源的扩容压力。
　　4.2　信令网互通
　　3G网络向全IP网络的演进是一个循序渐进的过程，未来3G信令网在较长的一段时间内面临着基于电路交换的No.7信令与基于IP网的信令互通的问题。具体解决方案是采用SG（信令网关）将窄带No.7信令转换为适于在IP网中传送的信令，以解决No.7信令与基于IP网的信令互通的问题。
　　对于信令网关的设置，在R4引入初期业务量不大的时候，可以考虑SG与MGW合设的方式，当信令业务量增大时再考虑设置独立的SG。SG中主要采用IETF制定的SIGTRAN协议解决这一问题。SIGTRAN协议底层为传输层（SCTP），上层为适配层（UA协议）。根据适配方式的不同，适配层协议又分为用户适配层协议（M2UA或M3UA）和端对端适配层协议（M2PA），这些适配协议分别有不同的应用场合。M2UA和M2PA相比较，应首选M2PA，这样SG具有更大的智能；它们和M3UA相比较，应该优先选用M3UA，因为此时不必对IP的节点分配No.7信令点的编码，同时IP网的节点也不需具有MTP3的功能，这样对IP网中节点的协议暂不必进行太大的改动，比较易于管理。
5、总结
　　对于即将来临的3G时代，GSM网络并不会随着3G网络的建成而迅速消失，尽管从长期发展的眼光来看，2G GSM网络最终还是会被3G网络所取代。但运营商可能会在相当长的一段时期面临GSM/WCDMA混和共存的事实，提前做好混和组网相关策略的研究对现有投资的保护、网络的平滑过渡都是大有好处的。