移动通信“四世同堂”——解析LTE网络互操作策略[转载]

全球的经济发展极度不均衡，这也在一定程度上影响了移动通信在各地的应用进程。举例来说，2009年初中国颁发了3G牌照，而同年年底，北欧的LTE小规模商用网络便投入了使用；业界预计2010年底，将会有22个LTE网络开始提供商业服务，而即便到了2011年，仍将有不少第三世界国家的 2G网络还无法实现全国范围的覆盖。

　　无线网络并不像基站和手机间的无线电波那样虚无缥缈，其框架中的骨干部分是由有线网络构成的，只有"最后一公里"由基站系统和终端交互完成。所以，经过多年的高速发展，无线网络已经从一张白纸变成了类似交通网的情况：从马路到高速公路，从田间垄到盘山道，从高速铁路到海空航线，层层叠叠，盘根错节。

　　当新一代移动通信技术闪亮登场之时，它不但需要从方方面面超越老一代技术，同时还需要面对现存网络给它带来的种种限制。

　　LTE（Long Term Evolution,长期演进）项目是3G的演进，始于2004年3GPP的多伦多会议。LTE并非人们普遍误解的4G技术，而是3G与4G技术之间的一个过渡，是3.9G的全球标准，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。在20MHz频谱带宽下能够提供下行326Mbit/s与上行86Mbit/s的峰值速率。改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。3GPP长期演进（LTE）项目是近两年来3GPP启动的最大的新技术研发项目，这种以OFDM/FDMA为核心的技术可以被看作"准4G"技术。3GPP LTE项目的主要性能目标包括：在20MHz频谱带宽能够提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率；改善小区边缘用户的性能；提高小区容量；降低系统延迟，用户平面内部单向传输时延低于5ms,控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms,从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms;支持100Km半径的小区覆盖；能够为350Km/h高速移动用户提供>100kbps的接入服务；支持成对或非成对频谱，并可灵活配置1.25 MHz到20MHz多种带宽。

　　移动通信的四世同堂

　　运营商的困境

　　为什么现存网络会成为新技术的绊脚石？这并不是技术层面的问题。虽然早在协议制定阶段就已实现了对老技术的全面超越，但是运营商并不会因此对网络进行全面替换，除了频谱和基站资源等限制外，最主要的是经济因素。

　　从成本管理的角度看，移动通信运营业的一大特点是固定成本巨大而单位变动成本很小，也就是说，运营商为运营牌照和网络建设的支出往往是一个天文数字，而其用户每增加一分钟的通话而新增的成本是几乎可以忽略不计的。在这样的行业里，前期决策十分重要，一旦规模投入就很难回头：已经投入的资金都将成为沉没成本无法挽回，其规模将远大于选择不同方案所产生的机会成本。所以运营商的决策往往具有连贯性，每项技术的投入策略都会一直持续到"收获的季节",这是现代企业经济决定战略的典型例证，从环保的角度看，也抑制了重复建设和过度投资。

　　多制式系统共存

　　面对残酷的竞争，运营商希望能找到一个两全其美的办法：既能保护投资，充分利用现网资源，又可以充分满足终端用户的业务需求。

　　全球主流设备制造商也深刻意识到了运营商的这种困境，纷纷绞尽脑汁，为运营商整理思绪，提供客户化综合解决方案。如今，多制式网络在一定时期内共存已成为业界共识。也就是说，同一家运营商将同时运营2G、3G、LTE甚至4G网络，而且会成为一种普遍现象，并将存在相当长的时间。

　　以大类技术划分，2G/3G/4G在不久的将来将实行三代同堂，如果划分细一些，从GSM到LTE-A,将会出现四代甚至更多代通信技术的市场共存，形成原因也来源于细分市场：

　　●2G网络虽已年迈，但对于语音和短消息用户而言依旧游刃有余；

　　●3G网络年富力强，可以应对从语音到数据业务的大部分场景，但是对数据业务的支持有限，对于高速，高吞吐率的业务力不从心；

　　●LTE和4G网络正在茁壮成长，是高速数据业务的福音，但在目前看来，初期的商用网络无法全面支持传统语言业务，与互联网、WiFi等宽带技术相比，高昂的数据业务资费也将在一段时间内阻碍价格敏感用户的进入。

　　全球移动通讯系统Global System of Mobile communication就是众所周知的GSM,是当前应用最为广泛的移动电话标准。全球超过200个国家和地区超过10亿人正在使用GSM电话。GSM标准的无处不在使得在移动电话运营商之间签署"漫游协定"后用户的国际漫游变得很平常。 GSM 较之它以前的标准最大的不同是他的信令和语音信道都是数字式的，因此GSM被看作是第二代 （2G）移动电话系统。 这说明数字通讯从很早就已经构建到系统中。GSM是一个当前由3GPP开发的开放标准。

　　"3G"（英语 3rd-generation）或"三代"是第三代移动通信技术的简称，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音（通话）及数据信息（电子邮件、即时通信等），其代表特征是提供高速数据业务。 相对第一代模拟制式手机（1G）和第二代GSM、CDMA等数字手机 （2G），第三代手机（3G）一般地讲，是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统，未来的3G必将与社区网站进行结合，WAP与web的结合是一种趋势。3G与2G的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够在全球范围内更好地实现无线漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。

　　4G是第四代移动通信及其技术的简称，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。 4G系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps,并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。而在用户最为关注的价格方面，4G与固定宽带网络在价格方面不相上下，而且计费方式更加灵活机动，用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。 很明显，4G有着不可比拟的优越性。

　　综上所述，没有一种网络可以覆盖所有用户的需求，即便不考虑保护现网投资，由于目标细分市场的覆盖面小，依赖单一制式网络的运营商在激烈的市场竞争中也将处于越来越明显的劣势地位。

　　系统间互操作策略

　　系统间互操作是多制式网络实现互联互通的关键技术，只有实现互联互通才能充分利用现有网络并发挥各网络优势，满足各目标用户群的差异化需求。

　　众所周知，技术的前向兼容比后向兼容容易，毕竟现有技术是可知的，在经济可行时，前向兼容是广受欢迎的；而对于未来技术的预测是非常困难的，后向兼容的难度也呈指数级增长。通信系统同样如此，新生技术应努力向前兼容，具体到互操作策略，新的制式首先应满足向旧制式的切换。

　　4G标准将于2010年第四季度确定，在产业链形成前不宜作为立足点，退而求其次，我们选择准4G技术--LTE,与GPRS之于 GSM,HSPA之于UMTS,EV-DO之于CDMA2000不同，LTE名曰"演进",实为"革命",她并不是3G的增强型技术，而是LTE- Advanced的先导，其采用了与后者完全相同的系统架构SAE.同被称为3.x G技术的HSPA/HSPA+采用的则是UMTS系统架构，向4G升级将是一次天文数字般的投入，而LTE向4G的演进将更多体现在软件升级方面，二者的成本差异决定了LTE无可比拟的战略地位。

　　LTE系统间互操作背景及需求

　　由于本文涉及系统互操作，有必要先对各制式系统侧的惯用名称做一对应介绍：LTE对应E-UTRAN,UMTS和HSPA对应UTRAN,GSM和EDGE对应GERAN,CDMA对应1xRTT,其演进至3G标准的CDMA2000则对应HRPD.

　　HSPA英文全称为HSPA High-Speed Packet Access

　　WCDMA的R99和R4系统能够提供的最高上下行速率分别为64kbps和384kbps,为了能够与CDMA1XEV-DO抗衡，WCDMA在R5规范中引入了HSDPA,在R6规范中引入了HSUPA,HS-DPA和HSUPA合称为HSPA.

　　HSDPA（高速下行分组接入）在下行链路上能够实现高达14.4Mbit/s的速率。通过新的自适应调制与编码以及将部分无线接口控制功能从无线网络控制器转移到基站中，实现了更高效的调度以及更快捷的重传，HSDPA的性能得到了优化和提升。

　　HSUPA（高速上行分组接入）在上行链路中能够实现高达5.76Mbit/s的速度。基站中更高效的上行链路调度以及更快捷的重传控制成就了HSUPA的优越性能。

　　LTE作为新建系统，如何做到与现有网络优势互补呢？中兴通讯是一家全球领先的通信设备商，也是近年全球增速迅猛的通信解决方案提供商，我们以其解决方案为依托，介绍LTE的部署方案以及系统间互操作策略。

　　如图1所示， LTE拥有支持高速数据业务、大吞吐率和高用户容量的优势，但也面临着可用频谱资源频段过高，暂时不支持语音业务的不利局面。E-UTRAN可能在相当长的一段时间内，将只是作为核心商务区的连续覆盖，因为该区具有人口密度大，高速业务需求高的特点，而核心商务区的面积相对全覆盖，所需基站数量较少，语音业务可以由现存 GERAN或UTRAN支撑。根据同样的原理，UTRAN用于城区覆盖，GERAN的频点最低，全覆盖所需成本也是最低的。

　　LTE系统间互操作策略

　　在新网建设中，既要保证新引入技术可以切实提高用户体验，又要考虑现网用户业务的连续性和新系统的引入给原系统所带来的影响，同时还需要考虑LTE产业链的发展情况。在LTE网络部署的不同阶段，系统间互操作的策略分别如下：

　　●测试与小规模商用

　　任何一种新制式网络在商用之前都必须做充分的测试，目前LTE实验局遍布全球，即将拉开高速增长期的序幕。全球领先的主流运营商选择在某些大城市的核心商务区和其他热点地区引入E-UTRAN,该阶段主要为室内静态应用场景，绝大部分商用终端以数据卡形式出现，主要业务为互联网宽带接入。综上可知，此阶段对系统间互操作需求较小，此时系统通过小区重选和重定向功能来支持用户的移动性需求。

　　●逐步扩大范围

　　随着无线宽带业务的进一步发展，网络用户逐步增加，E-UTRAN覆盖范围将逐步扩充，该阶段LTE应支持语音功能，但仍以数据业务为主，终端日渐丰富，业务覆盖人口小于40%,对数据业务的系统间互操作有强烈需求。此时应考虑支持数据业务的移动性功能，包括eNB内/间切换、E-UTRAN与 UTRAN/GERAN间的分组域切换等等。

　　●大规模商用

　　随着产业链的成熟和需求的增长，E-UTRAN终将大规模部署，覆盖城市的全部区域和其他大部分区域。该阶段要求网络完全支持语音呼叫业务，LTE手机成为主要终端形态，业务覆盖人口大于70%,对语音业务和数据业务的系统间互操作有强烈需求。

　　网络升级策略

　　以上是针对多制式网络共存问题的LTE部署策略，但正如前文所述，系统的后向兼容是很困难的，要实现系统间互操作的硬件支持，需要升级 UTRAN/GERAN设备使之全面支持3GPP R8协议乃至后续版本，但硬件升级意味着新增成本压力以及对现网稳定性的影响。所以具体采取何种方式需要根据运营商具体情况定制解决方案。以RAN侧为立足点，中兴通讯提供几种典型方式供运营商参考：

　　●UTRAN/GERAN设备不升级

　　由于种种原因，运营商不具备网络升级条件，此时eNB设备支持前向兼容，随着LTE的部署，系统支持从E-UTRAN到UTRAN/GERAN 的小区重选、重定向、数据及语音的单向切换；由UTRAN/GERAN到E-UTRAN只支持小区重选，而且时间较长，影响用户的业务体验。

　　●UTRAN/GERAN设备全面升级

　　现网设备全面升级支持R8协议，小区重选、重定向、数据切换均可以在多制式网络中灵活实现。这需要在2G/3G的系统设备中增加广播信息、重定向（包含测量配置）及系统间切换功能。

　　●UTRAN/GERAN设备少量升级

　　运营商对现网进行选择性升级，使之支持部分R8协议功能，这样可以实现E-UTRAN和UTRAN/GERAN之间的小区重选、重定向，以及数据和语音业务的单向切换。和方案2相比，现网只需增加广播信息和重定向功能，这样在同时覆盖多种RAN的区域，LTE拥有最高的优先级，用户将优先驻留于 E-UTRAN.这种方案是在性能和投入成本之间选取的折衷方案。

　　UTRAN - UMTS Terrestrial Radio Access Network - UMTS 陆地无线接入网。UTRAN 是一种全新的接入网，是 UMTS 最重要的一种接入方式，适用范围最广。第三代移动通信（3g）可提供话音、数据、图像等多媒体业务，采用几种主要的空中接口，数据速率高达144 kbit/s~2 mbit/s,终端多种多样，实现全球无缝连接。3g由核心网（CN）、UMTS 陆地无线接入网（UTRAN）、用户设备（UE）三大部分组成，CN主要完成用户认证、位置管理、呼叫连接控制、用户信息传送等功能。UTRAN分为无线不相关和无线相关两部分，前者完成与 CN 的接口，实现向用户提供 QOS 保证的信息处理和传送以及用户和网络控制信息的处理和传送；无线相关部分处理与 UE 的无线接入（用户信息传送、无线信道控制、资源管理等）。UE 主要完成无线接入、信息处理等。UTRAN 可使用 ATM 和 IP 两种传送方式，基于 ATM 的 UTRAN 标准较成熟，相关产品已进入试用阶段；基于 IP 的 UTRAN 具有网络资源利用率高、节省运营成本、满足 INTERNET 和内联网的广泛使用引起的 IP 联网设备的降价要求、符合网络向全ip方向发展趋势等优点，引起研究的热潮

　　GERAN: 全称GSM EDGE Radio Access Network. 理论上应用GPRS技术用户最高可达到160kbit/s的速率，但目前市场上的GPRS手机终端一般采用3+1时隙，每个用户实际仅能达到40kbit/s的速率。GPRS的多时隙操作模式在一定程度上提高了数据传输速率。由于GPRS仍然采用与GSM相同的GMSK的调制方式，无法达到3G要求的384kbit/s数据速率的广域覆盖和大约2Mbit/s数据速率的局域覆盖，因此有必要采用更为先进的通信和信号处理技术，以进一步扩大GSM系统的容量。

　　语音业务策略

　　关于语音业务，上文已有介绍，但是由于现阶段的LTE语音协议刚刚冻结，E-UTRAN对语音业务的支撑力度不够，以手机形式出现的LTE终端近期也无法投入商用，所以在未来的一段时间内仍然需要UTRAN/GERAN继续支撑语音业务。所以现存的系统间语音切换，只包括由E-UTRAN向 UTRAN/GERAN的单向切换，目前的互操作策略包括SRVCC（Single Radio Voice Call Continuity）和CSFB（Circuit Switched FallBack）策略等。前者是基于IMS的系统间语音切换解决方案，旨在保证移动用户语音业务的连贯性，切换是在分组交换域完成的；后者充分利用 UTRAN/GERAN的电路交换域，当LTE用户发起语音业务时，将自动切换至3G/2G网络的CS域。

　　系统间共享策略

　　四世同堂意味着多代人同享一片蓝天、厅堂和院落，多制式网络并存同样要做到基础设施的共享，既显着降低了运营商的设备投资成本，又可以实现通信行业的低碳理念，可谓一举多得。

　　●站址共享

　　基站站址共享最容易被首先想到，在设备体积允许的情况下，站址共享可以在不同程度上实现租赁、工勘、线缆和基站环境所需的其他成本的节约。尽管受到网络频段和覆盖面积等因素的制约，站址共享仍应该作为优先考虑的方案。在上述LTE系统间互操作策略中，早期LTE应用于核心商务区，并不要求实现连续覆盖，在这个阶段就可以大量采用站址共享的方法。

　　●设备共享

　　系统设备共享是运营商最希望的，但是这对早期产品的后向兼容性提出了很高的要求，而大部分设备提供商并不支持多制式系统设备的共享。中兴通讯的无线系统设备统一平台在此时得到了青睐，其无线系统设备采用统一的MicroTCA硬件平台架构以及SDR软件平台。统一平台一方面加大了设备零件的通用性，降低了产品成本；另一方面，不同制式网络的小区可以共享基带单元，如图2所示，同一个BBU可以同时连接分别支持G/U/L的RRU,实现了三模网络的设备资源共享，使设备共享率达到新的高度。

　　图2 系统设备共享案例

　　●网络共享

　　从广义上讲，共享不同网络的共用部分都可以称为网络共享，但是在业界，网络共享有其特定含义：它特指不同运营商之间的网络共享，网络制式并不是其关注重点。网络共享涉及运营商之间的博弈：从通常角度看，运营商是竞争关系，但是网络建设投资数额巨大，每个运营商建一张网又严重浪费，所以在网络共享方面的合作是一种明智之举。除了上文提及的站址等方面的共享，同制式网络还可以实现基站共享、传输共享、频谱共享和区域漫游等策略。从设备实现角度看，硬件没有增加多少复杂度，关键是软件部分实现系统设备与不同运营商的业务及统计系统的匹配等工作，使得共享网络的运营商总成本得到切实下降。

　　系统间互操作解决方案是实现多制式网络共存的关键策略，与网络共享、网络传输等方案有机组合，可以实现对现有网络的最大化利用，大大降低了设备投资成本和日常运维成本，使运营商轻装上阵，在激烈的市场竞争中保持可观的成本优势。