Internet-HSPA

[摘要]文章介绍了从3GPP R6到R7、R8在无线网络架构上的扁平化趋势，指出Internet-HSPA在3G向LTE演进过程中具有承前启后的作用，分析了无线网络扁平化的关键技术及其给网络及运营带来的益处及可能的挑战，研究了Internet-HSPA的分组域和电路域组网方案。

[关键词]3G　LTE　HSPA/HSPA+　Internet-HSPA　扁平化

从GSM到WCDMA，再到HSPA/HSPA+，移动通信网络的空口技术不断演进，数据速率飞速提高。根据国外众多运营商的经验，伴随着3G网络覆盖的完善，3G数据业务将会呈现快速增长的趋势，单位比特的业务收入也将不可避免地呈下降趋势。

因此，降低单位比特成本成为无线网络运营商适应未来网络宽带化的迫切需求。LTE能很好地满足终端用户和运营商的需求，但LTE产业链的成熟尚需时日。针对目前这种需求与网络结构的不平衡状态，3GPP(3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划)在目前3G/3.5G网络架构下引入了类LTE的网络结构――扁平化的Internet-HSPA，可在对终端没有任何特殊要求的情况下，使目前的3G/3.5G用户提前享受到因IP化和扁平化所带来的全新网络体验和资费。

1　无线扁平化技术现状

国外众多的3G/3.5G网络运营经验表明，当HSPA引入后，网络的数据量将呈现指数式的爆发增长，在引入HSPA后半年左右的时间内，数据量平均会增长到引入前的数倍，并且这种增长趋势还会继续保持(如图1所示)。在这样的情况下，相关网元(RNC、SGSN、GGSN)需要快速扩容以适应大数据量的需求。新网元的引入，将会使网络拓扑变得复杂，同时也将使运营商的设备投资和运营维护成本同数据量成正比例上升。

3GPP R6及之前版本的网络结构如图2最左边所示，数据业务按照BTSRNCSGSNGGSN的顺序传递，数据业务的爆发式增长将同步对BTS、RNC、SGSN和GGSN都带来巨大的扩容需求。

3GPP R7版本针对这种情况，引入了DT(DirectTunnel，直接隧道)功能，使得数据业务可以不经过SGSN而直连GGSN。按照BTSRNCGGSN的顺序传递，从而避免了大数据量对SGSN的投资需求，同时也节约了SGSN引入的额外传输时延。

在此基础上，3GPP在R7中还引入了从基站直接通过Direct Tunnel连接GGSN。即Internet-HSPA(High Speed Packet Access，高速分组接入)功能，数据业务按照BTS-GGSN的顺序传递，进一步避免了数据业务爆发对RNC的投资需求。同时更显著的节约了数据传输时延。

需要强调的是，Internet-HSPA和3GPP R8中开始引入的LTE具有完全相似的lP化和扁平化组网结构，且Internet-HSPA所有的网元均可以通过纯软件升级到LTE。

R7为扁平化网络提供的两种解决方案：RNC和GGSN之间的Direct Tunnel，以及Internet-HSPA有如下特点：

Direct Tunnel：在RNC和GGSN之间建立数据业务的Direct Tunnel，用户平面分组数据不再需要经过SGSN，从而节约了较多的SGSN投资。

Internet-HSPA：Internet-HSPA使3G网络的扁平化向前更迈进了一步。如图3所示，控制平面数据建立在Node B和SGSN之间，用户平面数据通过Direct Tunnel建立在Node B和GGSN之间。这样，不仅节约了SGSN的投资，更进一步节约了RNC的投资。

Internet-HSPA是基于R6及之前传统的3G网络架构平滑发展而来，具有完全兼容现有3G网络的特点，终端无需做任何改变。

Internet-HSPA同R8中引入的LTE具有完全相似的网络架构，lP化和扁平化使得数据业务的每比特成本明显降低，终端用户的体验明显提升。

Internet-HSPA已获得全球运营商的广泛认同。如图4所示。到目前为止，已有约10个运营商已经或开始建设商用网络(如和记黄埔、dU等跨国运营商)，更多的运营商正积极开展试商用试验(如Vodafone、T-Mobile等跨国巨头)。

2　无线扁平化的其他关键技术

(1)宏分集

扁平化架构下宏分集(MDC，Mac ro Diversity Combination)并不是必需的，但宏分集能够提高网络的性能。在Internet-HSPA架构下，实现MDC跟传统WCDMA网络一样需要Iur接口支持，在实现机制上完全相同。Internet-HSPA基站(I-BTS)之间的接口是标准的Iur接口，与传统网络结构下MDC在RNC内实现不同。MDC在I-BTS内实现即可。

(2)MBMS

Internet-HSPA同样支持MBMS，扁平化架构下的MBMS增强，在3GPP R8协议25.346中标准化了Internet-HSPA下的MBMS实现方式。

(3)寻呼

在Internet-HSPA网络架构下。寻呼信息通过Iu-CS控制面直接传输到I-BTS，无需经过RNC转发。若某个I-BTS检测到相应的终端处于URA_PCH状态，则该I-BTS将发起终止Iu接口上的寻呼消息。

传统BTS和I-BTS可以被相同对待。从而设置为同一个位置区。

3　无线扁平化架构的优势与劣势

3，1　无线扁平化架构的优势

由于空中接口和传统网络架构完全相同，Internet-HSPA不会对现有的无线网络和终端产生任何影响。同时，先进的扁平化架构，使得Internet-HSPA在RTT时延、传输带宽节约、RNC/SGSN容量瓶颈消失、网络安全性等方面具有明显的优势。

(1)RTT时延

降低时延是扁平化IP架构的一大优势，数据将不再需要经过传统的Iub和Iu-PS接口，而是通过Direct Tunnel连接到GGSN，从而可以节约RTT(Round-Trip Time，环回时延)。图5是在商用网络中的测试结果，从该测试可以看到，Internet-HSPA对RTT时延平均有约50％的改进。

(2)传输带宽节约

由于不再需要Node B和RNC之间的Iub接口，Iub接口上的公共信道传输和用户数据的协议包头等开销都不再需要，因此对接入侧传输网络的带宽需求明显降低。如图6的 仿真结果所示，Internet-HSPA可带来19％-38％的接入侧传输带宽节约，从而减少了传输网络投资的需求。

(3)RNC瓶颈消失

在大数据量的情况下，传统网络架构下的RNC(Radio Network Controller，无线网络控制器)将可能成为制约网络的瓶颈。假设某个网络有1500个基站，每个基站在HSPA+时代的吞吐量为65Mbps。则整个无线网络的数据流量需求将达100G。按照当前市场上RNC的处理能力(假设为2Gbps)，则需要约50个RNC。这样，每台RNC所能处理的基站数仅为30个，将使无线网络的拓扑变得非常复杂。同时，随着数据流量的逐渐增大，频繁的NodeB归属变更也将给网络的运营带来诸多的不变。

由于Internet-HSPA架构下无需RNC，传统网络架构下RNC的瓶颈问题将不再存在，单站数据量大幅度增加，或者增加基站都不会导致网络拓扑发生变化。也不会存在频繁的基站重归属的问题。

(4)更好的安全性能

由于Internet-HSPA的网络架构是扁平化的，不存在集中式控制网元，因而网元单点故障影响相比传统网络结构明显减小。同时，结合Iu-Flex技术，几乎可以彻底消除单点故障带来的影响。

(5)软件升级即可支持LTE

如前文所述，Internet-HSPA具有同LTE相似的网络结构，所有相关网元均可通过纯软件升级支持LTE，无需任何的硬件替换。

(6)3GPP标准化的接口

Internet-HSPA是3GPP标准化的网络结构，所有的接口都是3GPP标准定义的，与其他网元的接口名称及需求如下：

与其他RNC的接口：标准的lur接口，无特别需求。

与MSC的接口：标准的lu-CS接口，无特别需求。由于Internet-HSPA基站是基于IP协议栈的，则需要MSC具有SIGTRAN能力。

与PS核心网的接口：标准的Iu-ps接口和Gn接口，无特别需求。由于Node B和GGSN之间通过Direct Tunnel直接连接，需要SGSN开通Direct Tunnel功能，否则用户面数据将通过SGSN后才能连接到GGSN。

由于Internet-HSPA在全球范围内得到相当程度的认可，目前众多厂商已有和Internet-HSPA核心网络成功IOT(InterOperability Test，互操作测试)的案例。

3.2　扁平化架构可能的缺点

扁平化的网络结构，使Node B直接和核心网络相连。由于终端的移动性，将导致大量的信令直接汇聚到核心网络，对核心网络信令处理能力的要求更高。这是扁平化网络结构带来的唯一负面影响。但由于IT产品天然的特性，核心网络信令处理能力已大幅度提高，且将变得更加强大，信令处理需求增加所带来的影响将很快因技术的更新而日渐式微。

4　无线扁平化对传输网的需求

Internet-HSPA本身对传输网络无直接改造需求，只需要通过IP接口直接承载在MSTP(Multi-service transport platform，多业务传送平台)传输网上。

若传输网络无法提供1P接口，IP over ATM技术也可以将IP承载在现有的SDH(Synchronous Digital Hierarchy，同步数字体)传输网上。

5　无线扁平化的组网方案

Internet-HSPA基站I-BTS可以提供3GPP标准的Iu-CS/PS接口和Gn接口，I-BTS可以直接应用于现网之中。

如前文描述，分组域信令面数据通过Iu-PS接口和SGSN相连，分组域用户面数据利用Direct Tunnel通过Gn接口和GGSN相连。

对于电路域数据，如图7所示，I-BTS可通过Iu-CS接口直接连接到MSC，以提供语音和可视电话等业务。

6　结语

随着3G业务的蓬勃发展，降低每比特成本的需求使IP化和扁平化成为无线网络发展的必然趋势。未来的LTE是理想的网络技术，但尚需等待产业链的成熟。针对目前的现状，3GPP R7定义的Internet-HSPA充分借鉴了LTE的IP化和扁平化技术，使IP化和扁平化在目前的3G网络上成为现实。Internet-HSPA的所有接口完全符合3GPP标准，同时由于引入Internet-HSPA对现网的改动少。对现有终端无任何特别的要求，且Internet-HSPA的所有网元均可通过软件升级到LTE。

因此，现阶段引入Internet-HSPA，既可以降低每比特成本，又能够充分实现面向未来的投资保护。