3G传输网构建浅析

从传输网的角度而言，在三个3G主流标准WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA中，WCDMA的业务侧接口种类最多。另外，在全球已颁发的3G执照中，有接近甚至超过80%是基于WCDMA的执照，这样，对于WCDMA的技术及其组网研究最有典型意义，因此，本文主要分析WCDMA传输网络构建的解决方案，而相关的分析或结论也适用于CDMA2000和TD-SCDMA的传输网络。

　　一、3G业务特点和传输接口

　　1.3G业务特点

　　与目前已有的GSM/GPRS和窄带CDMA业务相比较，3G业务表现出如下一些主要特点：

　　◆传送带宽需求大

　　在IMT-2000最主要的目标和特征中，其中一条就是支持移动高速多媒体业务，即在室内环境支持2Mbit/s，步行/室外到室内支持384kbit/s以及车速环境支持144Kbit/s。在目前已经商用化的WCDMA系统中，已经实现了384kbit/s的用户速率，这相对目前GPRS提供的用户速率而言(30～40kbit/s)，速率提高了10倍左右。相应地，若按照相同比例考虑，则传送带宽则要增大10倍左右。若从接口方面而言，基站到基站控制器之间提供的接口为可选的2Mbit/s和155Mbit/s，而传统的2G提供的都是2Mbit/s的接口。另外，从业务颗粒而言，对于3G业务而言，除了2Mbit/s之外，还可提供Nx2Mbit/s的业务。因此，3G新业务的引入对于传送网的带宽需求相对2G或2.5G系统而言增加很多。

　　◆业务多样性

　　在3G业务中，除了传统的语音业务外，最主要的业务是数据类业务，如多媒体流、通用上网、消息类服务、定位服务和基于商务和个人的特有服务等等。由于数据类业务的突发性很强，这对于3G业务的传输网络提出了一些新的要求，即不但要求高带宽，而且要求高的带宽利用率和强大的多业务处理能力。

　　这些特点表明，在3G传输网络的承载业务中，不但要承载已有的2G或2.5G的业务，而且要承载新型高速的3G业务，这就对于3G的传输网的承载技术提出了相应的要求，如既要有严格保证业务质量的TDM方式，又要有充分利用带宽和传输效率的分组方式如ATM和FE/GE等。

　　2.3G传输接口

　　WCDMA目前有四个版本，即R99、R4、R5和R6等。其中R99版本标准已经成熟，而R4版本目前也基本完成，而R5和R6版本正在制订之中，其最终目的是实现全IP的网络构架。考虑到目前3G标准的成熟性、3G商用的情况和3G传输网络构建的实际需求等因素，本文的分析以R99版本为主，其网络模型如图1中所示(图中仅画出与传输网密切相关部分)，主要由两部分组成，即无线接入网络(UTRAN)和核心网(CN)组成。从图1可以看出，UTRAN主要由基站(Node B)和无线网络控制器(RNC)来组成，其主要是负责处理与无线接入相关的功能，而CN主要由电路域的MSC/VLR(移动交换中心/拜访位置寄存器)及GMSC(关口移动交换中心)和分组域的SGSN(服务GPRS支持节点)及GGSN(网管GPRS支持节点)等组成，其主要负责处理语音呼叫及数据连接与外部网络的交换与路由等功能。此外，3G网络在不同参考点之间定义了相应的传输接口，主要的接口类型的定义如下:

Iub：定义了Node B到RNC之间接口，接口类型为IMA E1和STM-1(ATM)等；

　　Iur：定义了RNC到RNC之间的接口，接口类型为IMA El和STM-1(ATM)等；

　　Iu-CS：定义了RNC到核心网电路域MSC之间的接口，接口类型为IMA El和STM-1/4(ATM)等；

　　Iu-PS：定义了RNC到核心网分组域SGSN之间的接口，接口类型为IMA E1和STM-l/4(ATM)等；

　　核心网内部电路域接口：接口类型为E1、STM-N的TDM等接口；

　　核心网内部分组域接口：接口类型为GE、FE等接口；

　　PSTN网管接口：接口类型为E1、STM-N的TDM等接口；

　　数据网网管接口：GE、FE、POS、STM-1/4的ATM等接口。

　　另外，R4版本相对于R99版本而言，主要有两点变化，一是在核心网电路域实现承载与控制的分离(采用软交换技术)，二是将TD-SCDMA归于WCDMA之中，而R4版本的这些新变化对于传输网络而言影响不大(基于分层的缘由，除TDM之外，可选择更多的承载技术，如ATM和IP等)，因此，虽然本文讨论时以R99版本为基准，但所有讨论结果都适合于R4版本。

　　从上面的描述中我们看到，3G网络相对于2G网络而言，不但在带宽需求、业务种类等方面，而且在网络的传输接口(主要体现在UTRAN网络中，CN中的传输接口与传统2G网络一致)上都有着与2G网络截然不同的特性，而所有这些特性将对于如何构建合理、高效和安全的3G传输网络起着至关重要的作用。

　　二、3G传输网构建探讨

　　1.3G传输网分层

　　根据城域传送网的分层结构，3G传输网也按照接入层、汇聚层和核心层三层来划分。考虑到3G网络的结构(即分割为UTRAN和CN)，同时兼顾到Node B、RNC、MSC等设备节点的实际安装位置和数量等，可分配不同的3G业务节点到不同的传输层面中去。如RNC和MSC通常位于同一机房，而且数量也相差不大，因此可将RNC和MSC等一起归并到3G传输网的核心层，而Node B数量较大，且分布比较分散，这样可将3G业务从Node B到RNC之间的传输归并到3G传输网的接入层和汇聚层之中，这样，3G传输网的基本结构如图2中所示。

在3G传输网中，接入层和汇聚层主要负责3G业务从Node B到RN C之间的接入与传输，而核心层主要负责RNC到MSC、RNC之间、MSG/GMSC之间、RNC到SGSN以及SGSN/GGSN等设备功能节点之间业务的传输，同时提供与外部网络，如PSTN和Internet等的接口。

　　2.3G传输网承载技术

　　考虑到3G业务的特点、3G网络的传输接口以及3G网络的整体构架，同时兼顾到3G传输网络的分层结构，目前在3G传输可选择的承载技术主要有ATM、SDH、MSTP和光纤直驱(鉴于成本关系，部分光纤资源紧张的地方可考虑WDM技术)等。下面简要分析适合3G传输网的承载技术。

　　(1)3G传输网核心层承载技术

　　对于3G传输网核心层而言，其主要由两部分组成：即由RNC到3G核心网之间的传输部分(包括RNC之间的传输)以及3G核心网内部业务的传输部分构成。对于3G核心网内部业务的传输，3G传输网与2G传输网没有明显的差别，即电路域采用TDM方式传输(即SDH)，而分组域的核心路由器之间采用光纤直驱或者TDM传输，因此，在本文中不再过多讨论与其相关的技术或方案。而在此讨论的3G传输网核心层仅指承担从RNC到MSC或者SGSN传输任务以及RNC之间的传输任务的部分。

　　鉴于3G网络基于ATM架构，表面上在3G传输核心层采用ATM技术似乎是最合适的选择，但实际上由于ATM交换机的高成本特性、ATM网络的低普及性、对于TDM业务传输支持的不完善性以及整体网络管理统一的高难度性等方面的因素，ATM技术并不是最适宜的选择。

　　另外可以选用的技术就是传统SDH技术或者新一代SDH即MSTP技术。MSTP技术由于除了具有传统SDH技术的所有优点之外，还具备FE/GE和ATM等数据信号的接入与统计复用功能，可实现FE/GE、ATM和TDM等综合业务一起高效传送，是非常适合3G业务的传输技术。但考虑到3G业务在传输到RNC之前，数据业务一般都经过了汇聚处理，MSTP的多业务处理功能的优势不是特别明显(即大多数情况直接采用SDH透传即可实现传送功能)，因此，在已有SDH网络且带宽比较丰富的情形下，兼顾到最大化地利用已有投资，可在短期内考虑直接采用SDH技术来组建3G核心网络。

　　从上面的讨论中可以看到，MSTP是组建3G传输网核心层比较适合的技术(一般选择的线路速率是STM-64)，但在已有SDH网络且带宽富裕的情况下可在短期内考虑采用SDH技术。

　　(2)3G传输网接入与汇聚层承载技术

　　由于Node B比较分散且数目较多，3G业务从Node B到RNC之间的传输一般要经过3G传输网的接入层与汇聚层。从2.2中的传输接口的描述中，我们看到Node B提供的传输接口为IMA 2Mbit/s或者STM-1(ATM)，因此，可以实现该接口传输的技术主要有ATM、传统的SDH和MSTP技术等。对于ATM技术而言，鉴于文章前面阐述的缺点，其并不适合在国内的网络中承载3G业务。另外，由于3G业务中数据业务是主要业务，其具有的突发性和高带宽性等特性，若采用传统的SDH技术来承载3G传输网接入层和汇聚层的业务，则仅能采用透传的方式来实现，带宽利用率很低(总是根据数据业务的峰值来分配带宽)，对于传输网的压力过大。而且，对于额外的数据业务接入，如FE等无能为力。因此，近来发展势头很强劲的MSTP技术因其多业务处理能力而成为3G传输网接入层(一般选择的线路速率是STM-1或STM-4)与汇聚层(一般选择的线路速率是STM-16)承载3G业务的首选技术。

　　虽然MSTP技术是目前3G传输网较适宜的承载技术，但由于Node B和RNC等的业务接口都规定了可采用不同的方式，如IMA 2Mbit/s和STM-1/4(ATM)等，而选择何种业务接口来进行3G业务传输，则成为3G传输网构建的关键因素。下面根据Node B和RNC选择不同的业务接口来讨论3G传输网的构建方案。

　　3.3G传输网构建方案浅析

　　(1)Node B采用IMA El

　　当Node B采用IMA E1(NXEl)(这也是3G网络初始构建时的最普遍应用的情形)时，对于RNC功能节点而言，具有两种组织方案，一种就是直接采用IMA E1(NXEl)方式，如图3(图中示意了通用的网络结构)中所示。此时IMA E1信号从Node B接入到MSTP后，在3G传输网的接入层和汇聚层不经过任何IMA的处理，而把IMA El的终结功能直接放置在RNC节点上进行，也即此时MSTP设备仅仅是对于IMA E1进行了透传。

这种构建方案最明显的不足有两点：首先，由于没有在3G传输网接入或者汇聚层对于IMA El进行汇聚处理，带宽浪费严重，没有体现MSTP设备的优势；此外，由于RNC直接采用IMA E1与MSTP设备进行连接，这对于RNC的IMA—El的数量提出了很高的要求，增加了设备成本，同时对于机房的电缆维护增加了负担。

　　另外一种组织方案是，RNC采用STM-1(ATM)接口，此时，需要在3G传输网络进行相关的IMA El的终结处理。根据IMA E1在传输网络中终结的不同位置，可以细分为两种情形，即在传输网接入层终结，或是在汇聚层终结，其分别如图4和图5中所示。

如果IMA E1在接入层的MSTP设备上终结，则要求MSTP具有IMA El的终结功能和STM-1 ATM的VP-Ring功能，这样，Node B的接入业务NXEl终结后，和其它Node B的接入业务动态共享一个VC-4时隙，可充分提高接入层的带宽利用率。这样，汇聚后的IMA E1业务在3G传输层直接透传就可以STM-1(ATM)接口与RNC对接。这种方案的明显优势是，RNC采用STM-I(ATM)接口可降低RNC的制造成本和维护成本，另外，在3G传输网的接入层可充分利用传输带宽资源。当然，这种方案也有其不足之处，最显著的就是，由于Node B数量比较大，由于接入层的所有MSTP都要具有ATM(包括IMA)处理功能，这样，网络的整体建造成本就会显著增加。另外，由于接入层采用的一般是STM-1速率的MSTP设备，这样传输网无法携带其它的业务，如传统的2G业务等。

　　鉴于图4中的IMA El的终结方案有很多不利的因素，我们再来分析一下在汇聚层终结IMA E1方案的优缺点。此时在3G传输网的接入层，IMA E1仅与普通的IMA 2Mbit/s一样进行透传，而IMA E1的终结功能主要由汇聚层的MSTP设备来执行。此时RNC仍然提供的是STM 1(ATM接口)，相对于IMA E1接口，同样可以降低RNC的制造成本和维护成本。但对于MSTP设备而言，优势则比较明显。首先，由于在接入层都采用IMA E1的透传方式，传统2G基站的接入SDH仍然可以使用，不需要额外的改造，这样即可以使用原有设备，而且也不用在新建的传输接入层中大量采用ATM(包括IMA)板卡，这样可以实现成本的双重节省。另外，在汇聚层IMA El终结后，采用VP-Ring共享环的方式在各个汇聚节点共享固定的时隙，可充分提高传输带宽的利用率。

　　从前面的论述中我们可以看到，在汇聚层终结IMA El是比较好的3G传输网络构建方案。

　　(2)Node B采用STM-1(ATM)

　　当Node B采用STM-1(ATM)接口时，RNC采用的接口亦为STM-l(ATM)。此时3G传输网络的构建方方式如图6中所示

此时Node B直接采用STM-1(ATM)接口接入业务，而接入层MSTP设备节点采用VP-Ring的方式来在各个接入点之间共享传输带宽。该种方案的一个优点是在3G业务迅速增长时系统升级方便，但由于Node B比较分散且数量较多(原有接入层传输设备都需升级)，而且要求RNC需要提供大量的STM-1(ATM)接口，这样，3G网络的初期建设将会显著增加成本的投入，因此，该方案在3G传输网络建设的初期不宜推广，但在3G业务量很大的局部地域，可采用该种方式的组建方案。

　　纵上所述，Node B采用IMA E1接口并且在3G传输网的汇聚层终结IMA E1是目前比较合适的3G传输网络构建方案。但由于实际组织3G传输网络的制约条件的复杂性(如网络规划、标准的完善、地域的分布、业务的分布和建设的周期等等)，可根据实际情况选择建构方案。

　　三、3G传输网演进的考虑

　　3G网络的目标网络是全IP网络(包括用户业务和信令等)，因此在建构3G传输网时，必须要考虑未来传输网络的演进。在目前R99版本的3G网络中，UTRAN的传输接口主要是ATM接口，CN中主要是TDM和FE/GE接口，而当从R4、R5到R6版本逐渐演进时，采用IP的传输网络逐渐从CN扩展到UTRAN。因此，在选择3G传输网络的构建技术和方案时，必须要考虑到传输网络未来升级的简单性和低成本性。从前面的论述中我们提到，MSTP是目前比较适合构建3G传输网络的技术，其从最初的支持FE/GE/ATM透传，到目前支持FE/GE/ATM交换、内嵌RPR(弹性分组环)和内嵌MPLS(多协议标记交换)等各个不同的发展过程，对于数据业务的处理功能在不断的演进和提高，因此，MSTP技术完全可以满足3G网络在不断演进过程中的传输要求。

　　四、结束语

　　3G传输网络对于2G传输网络而言，最显著的特征就是业务带宽、业务特性和传输接口等变化比较大。考虑到3G业务在应用初期带宽需求不是主要问题(用户较少、宽带数据业务服务商较少等等因素)，因此本文主要讨论了基于业务特性和传输接口等方面的3G传输网络的构建影响因素及方案。从前面讨论的结果来看，在3G传输网络的建设初期，在Node B采用IMA E1接口并且在3G传输网的汇聚层终结IMA E1是目前比较合适的3G传输网络构建方案。