徐 峰，嚴學強

（上海貝爾股份有限公司 上海 201206）

1 引言

移動通信最初的網絡結構只為語音業(yè)務而設計，這一時期，運營商70%的創(chuàng)收都源于語音服務。隨著通信技術的不斷更新和社會的不斷進步，傳統(tǒng)簡單的語音業(yè)務已遠不能滿足人們的需求。特別是近幾年，互聯(lián)網在全世界范圍內迅速普及，各類新業(yè)務和新應用不斷涌現(xiàn)，從而迫使運營商由原來的只提供語音業(yè)務轉向語音與數據業(yè)務并行發(fā)展。數據業(yè)務的高速發(fā)展給移動通信行業(yè)帶來了新的產業(yè)模式。然而，業(yè)務流量的激增也促發(fā)了新的問題：互聯(lián)網P2P技術的運營模式以及物聯(lián)網所引發(fā)的商業(yè)鏈等因素的沖擊對網絡的承載能力提出了更高的要求。流經移動網絡的數據流量突飛猛漲，從而加大了設備投資與維護，利潤上升空間平緩，這將導致每比特數據流所創(chuàng)造的價值呈現(xiàn)負增長，增量不增收的局面使運營商淪為管道提供商的危機進一步加大。事實上，如何最大化地從單位比特數據流中獲取最大利潤是運營商最關心的，也是急待解決的問題。

為有效解決創(chuàng)收與成本之間的矛盾，移動運營商紛紛著手轉型，嘗試推出全業(yè)務運營，開辟有效的增收渠道。從技術層面看，移動運營商不僅要在無線接口與無線傳輸上有所突破，扁平化網絡架構演進也是克服此矛盾的有效手段之一。鑒于此，本文簡要回顧了3GPP、3GPP2和WiMAX標準組織下的移動網絡架構演進及其發(fā)展現(xiàn)狀，著重探討3GPP的LIPA/SIPTO架構和阿爾卡特朗訊的基于BSR網絡架構。

2 移動網絡架構演進現(xiàn)狀

扁平架構的最主要目的是構建一個低時延和低成本的網絡架構，與此同時，利用更少的設備，實現(xiàn)端到端QoS保障和穩(wěn)定的移動性支持。在扁平化架構設計上，既要考慮現(xiàn)有網絡的投資回報又要考慮彼此間的相互兼容。

2.1 3GPP網絡架構演進

3GPP標準組織致力于制定第三代移動通信及其未來移動通信系統(tǒng)的技術規(guī)范和技術報告。鑒于篇幅所限，本小節(jié)主要講述增強型3G網絡架構與EPS網絡架構。

（1）增強型 3G 網絡架構：Direct Tunnel（DT）

DT是一項增強的3G網絡功能技術，它的目的是制定出一個適合于HSPA無線技術的低時延架構。通過采用更加優(yōu)化的傳輸路線，DT傳輸使用戶數據流量能夠繞過SGSN節(jié)點，更甚者RNC與SGSN節(jié)點被同時繞過，使所需的數據鏈路數量進一步減少，從而提高傳輸效率，還可降低運維成本。TR 25.999[1]提出了3種可行的備選方案，具體介紹如下。

·保留RNC的DT架構：用戶面的流量途經SRNC節(jié)點并繞過SGSN節(jié)點直接到GGSN節(jié)點，而控制面則仍需經由SGSN節(jié)點完成。這種模式對現(xiàn)有網絡的破壞性最小，與當前的技術最兼容，但它仍沒有徹底去除RNC節(jié)點。

·保留RNC控制面的DT架構：RNC的控制面功能繼續(xù)保留下來，可以獨立于用戶面單獨進行升級。用戶面可繞過RNC節(jié)點，有兩種實現(xiàn)途徑：一種是基站節(jié)點通過SGSN和GGSN建立IP通路；另一種是基站節(jié)點直接與GGSN建立IP通路，這種方式效率較高。

·取消RNC節(jié)點的DT架構：RNC功能完全集成到基

站節(jié)點，基站節(jié)點與核心網中的GGSN有直接的用戶面連接，SGSN節(jié)點用于控制面繼續(xù)保留?；竟?jié)點之間可實現(xiàn)互通。事實上，這種結構設計比前面兩種模式更接近3GPPR8版本中的EPS架構。

（2）EPS 網絡架構

迫于WiMAX等移動通信技術的競爭壓力，并繼續(xù)保證3GPP系統(tǒng)在移動通信領域的技術和標準的競爭優(yōu)勢，3GPP標準組織于2004年啟動了長期演進（LTE）和系統(tǒng)架構演進（SAE）兩大計劃的標準工作。

LTE（即 EUTRAN）與 SAE（即 EPC）組成演進的分組網絡，整個系統(tǒng)命名為EPS。EPS實現(xiàn)了移動通信領域在3G之后的一次階段性革命，通過引入一些全新的技術思路和設計理念，大大提升了移動通信系統(tǒng)的通信能力。相比2G/3G網絡，EPS是進一步扁平化的架構，它將Node B節(jié)點與RNC節(jié)點融合為單一的eNode B節(jié)點，完全取消了CS域，同時進一步增強了IMS域對整個網絡的業(yè)務控制能力，提供一個全IP化的分組核心網，可支持3GPP的UTRAN、GERAN的接入和非 3GPP的 WLAN、WiMAX、cdma2000的接入[2,3]。

2.2 3GPP2網絡架構演進

3GPP2組織成立于1999年1月，也是一個致力于第三代及其未來通信系統(tǒng)規(guī)范制定的協(xié)作組織。目前,3GPP2主要負責cdma2000標準化工作及演進架構的標準制定。

對比3GPP2的2/3G架構，UMB網絡不再需要BSC集中控制實體。eBS將傳統(tǒng)BS和BSC的功能以及PDSN的某些功能融于一身，使網絡部署更為簡單，AGW為用戶提供了與分組數據網的IP連接點。UMB系統(tǒng)利用高度創(chuàng)新的扁平化網絡架構，簡化了網絡接口設計，從而易于實現(xiàn)網絡擴展。

由于種種原因，3GPP2沒有按照預訂的UMB方案演進，而UMB也已成為歷史，但是它的設計理念卻是反映未來網絡發(fā)展趨勢的典型代表之一。目前，全球主流CDMA電信運營商都確定未來向LTE網絡演進的方向邁進。當無線側部署LTE之后，核心網必然會部署EPC，現(xiàn)有CDMA接入網也會逐步演進并接入到EPC核心網當中?，F(xiàn)階段，3GPP2網絡與EPS網絡之間的良好互通是實現(xiàn)CDMA網絡成功演進到EPS網絡的關鍵。

2.3 WiMAX網絡架構

WiMAX技術是以IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16e-2005系列標準為基礎的寬帶無線接入技術，具有性能強、效率高和成本低等特點。WiMAX作為一種面向最后一公里接入的標準，具有重要的現(xiàn)實意義與戰(zhàn)略價值。WiMAX標準雖然制定時間不長，但是產業(yè)化發(fā)展非常迅速。2007年10月19日，國際電信聯(lián)盟（ITU）正式批準了無線寬帶技術WiMAX成為3G標準，標志著WiMAX也正式成為IMT-2000家族的一名成員，與 WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA并列，成為ITU的全球3G標準。與3GPP和3GPP2組織的3G系統(tǒng)相比，WiMAX架構的簡潔性部分因素是由于WiMAX是更新的技術，在開發(fā)過程中吸取了3G的很多經驗教訓，不存在任何反向兼容問題或者遺留包袱。WiMAX網絡的快速部署和良好的特性對3GPP來說是極大的挑戰(zhàn)。從某種意義上說，WiMAX在移動網絡架構扁平化過程中擔當助推力的角色。

WiMAX承載鏈路中主要包含基站和ASN-GW，兩者一起構成ASN架構?；就ǔ儆谖锢碓O備，完成物理層與MAC功能。ASN-GW往往是一個獨立的設備，作為執(zhí)行點和決策點，它既可支持承載面又可支持控制面功能，負責提供與外部分組數據網的IP連接。控制功能主要包含移動性管理、計費和認證，可能還包括RRM；承載功能主要包含用戶面轉發(fā)、策略執(zhí)行和信息包檢測等方面。

WiMAX論壇網絡工作組提供了3種ASN模式，如圖 1所示[4]，參照RRM的處理方式來定義。

·模式A：RRM由基站和ASN-GW分攤；

·模式B：ASN集成到基站中；

·模式C：RRM集成到基站中，ASN-GW單獨設置。

模式C是一種包含獨立基站和ASN-GW節(jié)點的分布式架構，是目前最受歡迎的一種備選方案。在這種模式中，由于RRM功能融入基站節(jié)點，ASN-GW產品的市場對非無線設備供應商敞開了，尤其是IP網絡設備供應商。這種開放性可以促進供應商之間的創(chuàng)新和良性競爭，與當前的3G網絡形成鮮明對比。目前,3G網絡中由于基站和無線控制器密切集成，彼此關聯(lián)度很高，因此運營商不得不從一家供應商那里購買RAN設備。

雖然WiMAX論壇認為不值得為了細化RRM而增加復雜性，但仍有多家大型供應商基于性能優(yōu)勢而支持模式A——這種結構最接近3G中采用的傳統(tǒng)RNC理念。

模式B是一種高度集成的結構，它將基站和ASN-GW融為一體，是一種更分布式的架構。針對模式B業(yè)界還處于探討過程當中，已有研究人員建議未來WiMAX網絡架構應朝向這一模式發(fā)展。

3種ASN模式的比較見表1。

2.4 現(xiàn)有網絡架構的總體特征

縱觀上述三大標準組織下的網絡架構演進路線，我們可以發(fā)現(xiàn)從EPS到UMB和WiMAX，所有提議的無線系統(tǒng)都是基于扁平化網絡架構的，如圖2所示。盡管各個標準組織存在根深蒂固的利益問題，而對于網絡究竟應該是什么樣的，看法還是比較一致。從本質上說，在用戶面，移動網絡正朝著一個基本上是雙節(jié)點的架構轉變——基站和接入網關。當前提出的扁平網絡架構在具體的實施方法中尚存在一些差異，但大部分都很類似。

宏觀角度來看，這種相互類似的通用網絡架構（如圖3所示）主要包含基站節(jié)點、移動性管理節(jié)點、接入網關節(jié)點（AGW），功能描述如下。

·基站節(jié)點：作為接入網核心設備，主要負責無線資源管理、加密、頭壓縮和物理層與數據鏈路層相關功能；

·移動管理節(jié)點：主要負責包含會話管理和移動性管理在內的所有用戶面與控制面信令管理；

·AGW：作為核心網的主要和移動安靠節(jié)點，負責數據的匯聚、授權及策略控制等功能，并為基站節(jié)點與外部分組數據網絡建立IP連接。

長期以來，核心網技術和無線接入技術都捆綁在一起，即每一種無線接入技術都有各自的核心網技術，這種閉塞的方式不利于網絡的長期發(fā)展。通用的架構思想可使無線接口演進（基站）和核心網演進相分離，采取一種可以把多種無線接入融入到統(tǒng)一核心網中的方法，最大化地發(fā)揮各自優(yōu)勢，甚至像即插即用那么簡單。

表1 3種ASN模式比較

3 LIPA/SIPTO網絡架構

面對迅猛增長的業(yè)務和數據流量，移動運營商面臨的壓力也越來越大。按照現(xiàn)有的網絡設計思路，用戶訪問Internet的數據包需經過移動網絡的各個核心網網元，甚至兩個相距較近的終端之間的通信都需要將信息輸送到核心網內部再返回到通信另一方。這種做法的好處是不必變動太多已有網元和接口協(xié)議，但將耗費大量不必要的傳輸費用，也同樣增加了網絡的負擔。實際上，從運營商角度來說，這部分流經核心網和回程網上的信息是額外負擔。為緩解當前不堪重負的網絡，并有效地降低傳輸成本，3GPP標準組織在Release 10中提出了本地IP訪問（LIPA）和選擇性IP流量卸載（SIPTO），根據應用場景大致分為 3種[5]：

·LIPA：面向家庭基站子系統(tǒng)的家庭/企業(yè)本地IP網絡訪問；

·SIPTO：面向家庭基站子系統(tǒng)的流量卸載（如互聯(lián)網流量）；

·SIPTO：面向宏蜂窩網絡（針對3G與LTE網絡）的流量卸載（如互聯(lián)網）。

LIPA網絡架構如圖4所示，在傳統(tǒng)網絡設計思路中，終端用戶如果要訪問家庭/企業(yè)內部網絡的電話、打印機、電腦等IP設備，數據需要傳送到核心網處再返回到本地網絡（圖4中實線所示）。數據需要兩次流經回程網，從而占用大量網絡資源。而LIPA的提出是使傳輸數據不必迂回至核心網，而通過本地基站和網關直接到達目的地（虛線所示），從而實現(xiàn)傳輸路徑的優(yōu)化設計。

SIPTO網絡架構如圖5所示，IP數據的路徑從家庭基站/宏基站和本地網關（L-GW）直達外部Internet，無需經過核心網設備（虛線所示所示）。

LIPA/SIPTO的引入不僅是業(yè)務的驅使，也是網絡發(fā)展趨勢的體現(xiàn)。從用戶角度考慮，LIPA/SIPTO是一種網絡優(yōu)化設計方案，使網絡架構向扁平化方向又邁出了重要一步。由于傳輸路徑的優(yōu)化，LIPA/SIPTO可以減輕核心網負擔，降低傳輸費用，克服增量不增收的矛盾。同時，數據包轉發(fā)路徑的大大縮短也能降低傳輸時延，進一步提高了用戶業(yè)務體驗。然而，LIPA/SIPTO還處于研究階段，在以后大規(guī)模實現(xiàn)過程中，將面臨許多問題，下面列出幾方面問題進行簡要探討。

（1）計費

移動業(yè)務IP化的趨勢下，計費問題和網絡的服務質量一直是運營商關注的焦點。好的計費策略可以為運營商帶來更多的利潤，并能夠更好地為用戶提供網絡差異化服務。網絡架構的變化需要在計費策略的實現(xiàn)上引入新的特征。LIPA/SIPTO如果仍堅持采用動態(tài)策略機制，則核心網PCC決策節(jié)點（如PCRF節(jié)點）需要與每個本地網關對接并進行策略控制，并且與它們也相距甚遠，因而，家庭/企業(yè)網絡的巨大數量將導致這部分開銷極大。目前，普遍認可的觀點是對LIPA與SIPTO數據流量進行靜態(tài)策略控制。在LIPA架構中，由于用戶面數據流量傳輸僅僅發(fā)生在本地內部網絡，并沒有占用核心網和回程網資源，傳統(tǒng)的按流量/時間計費方式很可能并不合適，而采用包月手段或許更能為廣大用戶所接受。SIPTO數據流量盡管無需迂回到核心網，但仍將占用回程網資源。網絡部署初期不必對流量進行精細化控制，按流量/時間等粗放型控制更利于SIPTO快速應用。當將來網絡真正發(fā)展成熟并且資源非常豐富之時，可以逐步將粗放型的靜態(tài)策略轉移到精細化的動態(tài)控制機制中。

（2）本地網關安置

目前主流觀點有兩種：L-GW與基站節(jié)點合設，L-GW與基站節(jié)點單獨設置。家庭網絡中，可以考慮將兩部分合并為一個物理實體，當然這將增加家庭基站的成本。企業(yè)內部網絡可考慮將兩部分單獨設置從而有效保障業(yè)務連續(xù)性，一個L-GW同時支持多個基站節(jié)點也利于成本控制。而對于宏蜂窩網絡，在UMTS系統(tǒng)中，一個RNC節(jié)點分管多個基站節(jié)點，可以考慮本地網關與RNC節(jié)點合設；而在EPS網絡中，由于RNC節(jié)點取消，eNodeB的覆蓋范圍也相對縮小，如果將本地網關內置在eNodeB中，這將導致頻繁的切換，這樣反而有悖于SIPTO理念。因此，實際部署時可考慮在eNodeB節(jié)點之上的鄰近位置單獨設置一個本地網關，來管理多個基站節(jié)點。

（3）空閑模式數據緩存與尋呼

在EPS網絡中，用戶處于空閑模式時，PDN網絡的下行IP數據終止于S-GW節(jié)點，從而觸發(fā)對終端用戶的尋呼。在LIPA/SIPTO模式中，下行數據是否需要緩存至本地網關中要分以下兩種情況：如果本地網關支持S-GW功能，可效仿傳統(tǒng)EPS網絡模式執(zhí)行尋呼功能；如果本地網關不支持S-GW功能，這部分數據流量需要回轉至核心網S-GW節(jié)點，由其觸發(fā)尋呼功能并將數據再經由回程網送至終端用戶。另外，對于LIPA模式，只有當用戶身處家庭/企業(yè)本地網絡時才可為LIPA數據觸發(fā)尋呼。

（4）PDN 連接

傳統(tǒng)網絡中，在默認承載建立過程中網絡側為用戶分配IP地址。當網絡支持LIPA/SIPTO時，用戶附著過程可同時為其建立LIPA/SIPTO和non-LIPA/non-SIPTO形式的默認承載，這樣用戶將獲取兩個IP地址，對同一個PDN可支持同時進行LIPA/SIPTO數據傳輸和non-LIPA/non-SIPTO數據傳輸。

當然，LIPA/SIPTO的設計過程中還有很多問題需要關注，如業(yè)務連續(xù)性支持、對固定回程網造成的影響等等，這些話題都需在3GPP標準中逐一澄清。

4 BSR網絡架構

第三代CDMA系統(tǒng)中，RNC和多個基站可以支持軟切換，從而為移動終端提供空間分集。對于傳統(tǒng)語音系統(tǒng)來說，這尤為重要，因為空間分集可以抵消周期性衰落對語音業(yè)務的負面影響。軟切換技術擴大了蜂窩系統(tǒng)的容量，同時也實現(xiàn)了無縫移動性。然而，支持軟切換需要付出較大的代價。軟切換下活動集中的基站必須保持良好的同步，否則信號合成將失敗。要實現(xiàn)基站同步，每個參與其中的基站都需要一個消除時延抖動的緩沖區(qū)，該緩沖區(qū)的大小與這些鏈路中任意一條的預計最大抖動值相一致。但時延抖動緩沖區(qū)在傳輸語音和IP數據時表現(xiàn)出了相當長的時延。

UMTS和cdma2000等CDMA系統(tǒng)采用軟切換來傳輸數據，而更新的傳輸方式則又回到了采用CDMA或OFDM數據信道的TDMA傳輸技術，如HSDPA、WiMAX等系統(tǒng)?；咀孕懈鶕漕l狀態(tài)確定合適的發(fā)送次數。這也意味著很難做到在同一時間內讓多個基站發(fā)送統(tǒng)一信號，因此，這一技術不再采用軟切換來傳輸數據。另外，在移動性方面，雖然保留了軟切換活動集，但保留它的目的只是為了提供多個基站和終端之間的射頻同步，而不是為了下行數據傳輸。憑借這些傳輸技術，支持下行軟切換的必要性逐步減弱了，因此，分層架構的蜂窩系統(tǒng)的必要性也相應地減弱了。事實上，扁平的蜂窩系統(tǒng)就足夠了。BSR的扁平化網絡架構如圖6所示。

2007年，阿爾卡特朗訊率先推出的BSR（UMTS產品）是貝爾實驗室的創(chuàng)新性成果，它將3G移動網絡的關鍵組件基站、RNC、SGSN和GGSN集成在單一網元[6]。憑借貝爾實驗室的傳統(tǒng)優(yōu)勢和BSR產品線，阿爾卡特朗訊已成為這一技術的領先倡導者。

BSR采用更為簡易的移動IP協(xié)議，提出將微移動（無線承載重定位）與宏移動性（IP移動性）緊密結合在一起的不丟包快速重定位設計思路。當一個第二層錨點（UMTS中的RNC功能）從舊的BSR重定位到新的BSR時，IP數據流量通過三角路由轉到新的BSR上，避免丟失IP數據包。三角路由將始終保持運行，直到新的BSR已經在歸屬代理（home agent）重新注冊它的轉交地址。

圖7所示為傳統(tǒng)的層級化UMTS網絡和BSR網絡在架構方面的主要區(qū)別。在圖7（a）中，增加一個新的Node B節(jié)點就必須改變RNC和SGSN的配置，并且可能需要擴容。與此相比，在圖7（b）中增加一個新的BSR對其他節(jié)點的影響很小，因為去除了網絡層級，并且可能使時延和投資支出同時降低30%還多。另外，由于BSR是一個純IP接入設備，便于靈活地實現(xiàn)網絡擴容，具備良好的即插即用特性，利于提供各種基于IP的新業(yè)務。值得注意的是，雖然這些基站路由器集成了接入網和核心網的功能，它們仍然遵循規(guī)范，繼續(xù)支持手機所需要的RNC、SGSN和GGSN功能。

現(xiàn)如今市場上的產品一般不針對主流的宏蜂窩基站應用，它還尚未對市場造成巨大影響，但是這一產品理念正在影響著未來移動網絡架構設計方面的決策。

5 結束語

本文簡要回顧了移動網絡架構的演進。扁平化的架構減少了網絡分級，進一步精簡了網絡節(jié)點，網絡部署和網絡維護更加簡單，傳輸時延也進一步降低，利于提升用戶體驗。與此同時，可大大降低投資并為移動運營商提高創(chuàng)收。

可以看出，移動網絡架構一直朝著扁平化方向發(fā)展。然而，最終的全扁平化又將呈現(xiàn)出什么特征，當前的EPS架構距離全扁平化終點到底還有多遠，未來統(tǒng)一的全扁平化網絡如何適應數據業(yè)務時代不同應用（如P2P、云計算、M2M）的特征，都是值得進一步研究的問題。

1 3GPP TR 25.999.High speed packet access(HSPA)evolution

2 3GPP TS 23.401.General packet radio service (GPRS)enhancements for evolved universal terrestrial radio access network(E-UTRAN)access

3 3GPP TS 23.402.Architecture enhancements for non-3GPP acceses

4 Semin Sim,Seung-Jae Han,Joon-Sang Park,et al.Seamless IP mobility support for flat architecture mobile WiMAX networks.IEEE Communications Magazines,2009,6(6):142～148

5 3GPP TR 23.829.Local IP access and selected IP traffic offload

6 Bauer M.The UMTS base station router.Bell Labs Tech J,2007,11(4):93～111