移動通信網變革承載移動互聯網夢想成真

李曉明

（中國移動通信集團設計院有限公司河北分公司，石家莊 050021）

1 引言

移動互聯網（Mobile Internet, MI)是當今最熱詞之一。當ICT創新達人推出新業務時，人們體驗MI業務過程中，都會發現是移動通信網絡的互聯和傳遞。本文沿著移動網絡代際變革發展看其承載MI業務的夢想，展望未來MI將更加高效、隨時隨地方便地承載許許多多新型業務。

中國互聯網信息中心發布的中國互聯網絡發展狀況統計報告顯示，2014年中國網民規模6.49億，手機網民5.57億，網民中使用手機上網的人群占比85.8%。工業和信息化部發布了2015年3月份通信業經濟運行情況報告顯示，我國MI用戶規模近9億。傳統互聯網應用大量向MI遷移，幾乎所有的常見互聯網應用都能在MI中找到自己的位置。而且MI還適應移動化和移動終端的特點，開發出極具特色的軟件應用商店和位置服務等新型服務，開創了互聯網的新藍海。如果用最原始最純的互聯網定義看，今天的移動通信網已經變為最大的MI。其內部早已全IP化，通過SIM或USIM卡將各種終端互聯，通過各種網關和路由器將傳統的電話網、Internet、企業網、物聯網、云計算設備等互聯。

2 移動通信網變革代際分期

如圖1所示，移動通信網大約每隔10年出現一種新技術替代，數字通信代替模擬，CDMA代替GSM等，又被OFDM+MIMO代替，努力提高頻譜利用率、系統容量、廣深覆蓋、保密性、接口標準等性能，滿足人們對語音、數據、圖形、圖像等多媒體通信需求，需要的頻帶資源越來越多，不得已向更高頻段延伸，盡量平滑演進、壓縮制式種類，標準趨近，有利互聯互通。

3 移動獨立信令網的建立承載了短信的火爆

為保障移動終端通信高效穩定可靠，1998年我國開始規劃建設移動七號信令網，采取全網雙平面分級架構。31個省（市、區）的省會城市均建有一對HSTP，同平面內的HSTP部分網狀網相連，成對HSTP以C鏈路相連，各省建有一對或多對LSTP上連所屬省HSTP，下連省內各移動核心網元（作為SP），完成全網的信令轉接。七號信令網的建成為話務網、智能網、后來的GPRS、彩鈴等網絡和業務提供了信令保障，更為MI雛形業務——短信業務提供了互聯傳遞平臺。在核心網側信令分組在獨立建設的信令網（64 kbit/s或2 Mbit/s電路）中傳遞，在無線側是靠隨路邏輯信道傳遞（9.6 kbit/s數據業務速率)，提供了隨處接收發送短信的可能，造就了短消息業務在隨后十幾年中的輝煌。

短消息業務（SMS）通過移動通信系統的無線控制信道SCCP層協議和信令網MTP協議，傳送長度小于140 byte信息，屬于一種非實時、非語音的數據通信業務。SMS系移動網上最早開始、現在普及率最高、屬于第一代的無線數據服務。

完整的短消息處理平臺包括短信中心和短信網關。短信中心負責短消息的存儲轉發，短信網關負責各類短信業務跨網轉接。例如，根據接入業務的不同，將網關劃分為夢網網關、行業網關、互通網關等，分別負責夢網業務接入，如SP等；EC/SI等集團客戶接入；互通網關通過專線實現了中國移動與中國電信、中國聯通、互聯網及其他網絡之間SMS的網間互聯互通。

4 GPRS/EDGE建立PS域開啟了向移動互聯網變革

4.1 GPRS開創了移動通信網的分組域

SMS采用分組方式開展無線數據服務火爆之后，引發出GPRS。GPRS技術采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發結構、無線調制標準、跳頻規則、TDMA幀結構，通過疊加分組域，實現在不影響電路交換方式提供話音業務的同時，用分組交換的方式，提供9.05～ 171.2 kbit/s的數據傳輸速率接入Internet/ISP/公司內部網等，俗稱2.5 G，開啟了移動通信網向MI的變革。

圖1 移動通信發展階段示意圖

圖2 GPRS/EDGE系統的基本網絡結構示意圖

GPRS在GSM系統基礎上構建，絕大部分部件都不需要作硬件改動，只需作軟件升級，包括增加新的MAP信令和GPRS信令等。需要增加的功能實體包括：SGSN（服務GPRS支持節點,與MSC在同一等級水平，并跟蹤單個MS的存儲單元，實現安全功能和接入控制，通過幀中繼連接到基站系統)、GGSN（網關GPRS支持節點,支持與外部IP網的互通)；BSC處增加PCU；共用GSM基站但基站要進行軟件更新；采用新的具有GPRS功能的移動臺；使用封裝和隧道技術：數據分組用特定的GPRS協議信息打包并在MS和GGSN之間傳輸；增加新的移動性管理程序；通過路由器實現GPRS骨干網互聯，見圖2所示。GPRS帶來的好處見表1所示。

4.2 EDGE技術承載了數據業務加速的體驗

采用GPRS技術移動通信網與Internet互聯后，提高數據業務速率提到日程上來，引發出EDGE。EDGE在GPRS技術基礎上升級和演進支持GSM網絡提供準3G服務的技術，有人稱它為“2.75 G”技術。它不影響GPRS核心網的網絡架構，見圖2所示，影響主要體現在Gb接口流量的增加，改進一些現有GSM應用的性能和效率。在無線側仍采用相同的頻段及TDMA幀結構,主要影響BSC、BTS以及終端。采用多時隙操作和8PSK調制方式，將GSM GMSK的信號空間從2擴展到8，因此每個符號可以包括的信息是原來的4倍。8PSK的符號率保持在271 kbit/s，每個時隙可以得到69.2 kbit/s的總速率，并且仍然能夠完成GSM頻譜屏蔽。它定義了幾個信道編碼方案來確保各種信道環境的魯棒性，使用了鏈路自適應技術以實現編碼和調制方案之間的動態轉換。它通過使用一個高速每時隙28.8 kbit/s的無線接口速率來支持電路交換服務。支持所有服務的多時隙通信得到的速率是單時隙通信的8倍，分組數據無線通信速率峰值可高達554 kbit/s。

EDGE能夠充分利用現有GSM資源，只需對網絡軟件及硬件做一些較小的改動，就能夠向移動用戶提供諸如互聯網瀏覽、視頻電話會議和高速電子郵件傳輸等無線多媒體服務，即在3G商業化之前提前為用戶提供個人多媒體通信業務，被運營商視為代際變革之間投資和成本低，提供高速數據業務，還能對原有系統進行容量升級的可行性選擇。

表1 電路型與分組型無線數據業務的特征對比

圖3 WAP模型

5 WAP承載了手機小屏幕小計算能力也能上網的需求

新的問題又出現了，為克服當時移動通信網絡和終端在傳輸Internet數據方面存在網絡時延、網絡帶寬、終端處理和顯示能力等方面的局限性， WAP論壇組織將移動通信技術和Internet結合起來，通過提供通用的平臺，把Internet網上HTML語言描述的信息轉換成用WML語言描述的信息，顯示在手機屏上。

WAP系統模型見圖3所示，由WAP網關、WAP內容服務器和WAP手機3部分組成。WAP網關是移動網絡與Internet間的協議翻譯器。網關與服務器之間通過HTTP1.1協議進行通信，互聯網業務提供者幾乎可以不改變信息的內容，只要增加網點設備就可以向移動用戶提供信息服務；WAP內容服務器存儲著大量的信息，供WAP手機用戶來訪問、查詢、瀏覽。WAP手機內含WAP微瀏覽器和無線電話接口（WTAI），負責解釋WML和WMLScript。WAP的目標是盡可能通過豐富的網絡功能來補償移動設備的限制。可以說，WAP架起了移動網絡與Internet及企業網之間業務應用的橋梁，是手機替代PC上網時代開啟的標志，使互聯網延伸到每一個WAP手機。

WAP系統可由以下幾個實體組成：WAP網關、防火墻、接入服務器、域名服務器（可選）、各種（WWW、E-mail等）應用服務器（可選），具體系統構成見圖4所示。

根據底層承載WAP業務網絡的不同,可將WAP的組網方式劃分為：電路方式、短消息方式和GPRS方式3種。

6 3G建立促進移動互聯網應用的體驗

3G （ITU命名為IMT-2000)通過減少制式種類，分配相對統一的頻段，盡量平滑演進，核心網側電路域引入控制和承載分離結構，分組域無重大改變，但運營商引入IMS域；無線側重新設計了網元Node B及RNS，擴展無線資源、實施新的調制技術等，提供比2G更大的系統容量、更優良的通信質量，更豐富多彩的語音、數據和多媒體業務，使得全球的互通改善，網速大大提高，快速移動時速率144 kbit/s，步行移動時384 kbit/s，靜止使用時2 Mbit/s。見圖2和圖5所示。

圖4 WAP系統構成示意圖

圖5 移動通信網絡3G的演進

3G時代，大量MI應用得到推廣。移動寬帶上網：手機收發語音郵件、寫博客、聊天、搜索、下載圖鈴等。手機辦公：與傳統PC OA系統相比，擺脫了傳統OA局限于局域網的桎梏，辦公人員可以隨時隨地與單位的信息系統保持聯系，完成辦公、執法、等功能。手機商務：手機可以實時訪問數據庫、商務信息和處理業務，極大地提高了效率。手機視頻通話：在手機屏幕上看到雙方影像。手機電視：TDSCDMA和CMMB等標準的建設推動了整個行業的發展。手機音樂：只要在手機上安裝一款手機音樂軟件，就能通過手機網絡，隨時隨地讓手機變身音樂魔盒，輕松收納無數首歌曲，下載速度更快。手機購物：手機商城查詢商品信息并在線支付購買，甚至是購買大米、洗衣粉這樣的日常生活用品。手機網游：與電腦的網游相比，方便攜帶，隨時可以玩，這種利用了碎片時間的網游是年輕人的新寵。

3G時代手機終端發生了巨大變化，成為基于MI技術的終端設備，是通信業和計算機工業相融合的產物--智能手機。

7 LTE網絡激發出“互聯網+” 的提出

4G時代，LTE（Long Term Evolution，長期演進)使移動通信網制式更加統一，提供更多頻率資源和頻段更為趨同，大量新技術使網絡更加高效、寬帶、開放、互聯。無線側只有一種網元eNode B，eNode B之間可直接互聯并直接上掛核心網，以OFDM替代CDMA，引入MIMO，提供20 MHz的帶寬資源并可載波聚合使用。LTE標準框架包含TDD和FDD兩種制式。TD-LTE是我國擁有自主知識產權的TD-SCDMA的后續演進技術，下行為100 Mbit/s，上行為50 Mbit/s，是3G網絡數據傳輸速度的10倍，并可逐步演進至更高的1 Gbit/s無線接入速率，同時控制面延遲小于100 ms，用戶面時延小于5 ms。演進的分組核心網（EPC）采用3GPP R8版本架構，主要由移動管理設備（MME)、服務網關（S-GW)、分組數據網網關（P-GW)、計費網關（CG)、策略和計費控制單元（PCRF)、歸屬簽約用戶服務器（HSS)、域名服務器（DNS)等功能單元組成。于是演進中的核心網成為融合的方式，由電路域、分組域、IMS域和新建的DRA信令網構成，實現HSS/HLR、MME/SGSN、SAE GW/GGSN以及CG、DNS、PCRF融合，如圖6所示。

圖6 LTE網絡演進架構圖

隨著4G網絡的建成使得每用戶享受帶寬更多，更便捷，于是激發出MI的許多新業務服務各行各業，激發出“互聯網+”的提出。根據近日預測，到2018年，移動數據流量將增長11倍。在流經無線網絡的190 EB數據中，將有一半以上經由LTE網絡。為滿足用戶的這一需求LTE網絡還將采取許多新技術升級。目前，可考慮的有：（1）采用EPC與（vEPC）虛擬演進的分組核心網相結合這一重要的新興創新技術。EPC代表的是廣泛應用的3GPP核心網絡架構的下一代演進，能夠憑借互聯網協議更快地在網絡中傳輸數據分組，而非使用電路交換域。vEPC技術在無線網絡中將EPC功能進行了虛擬化，使其更多地以云服務的形式獲得交付。（2）網絡功能虛擬化（NFV）是一種虛擬多個網絡節點以便大規模提供通信服務的服務器虛擬化變體。為提高以太網的可擴展性、靈活性及效率，NFV將網絡功能從專屬設備（如路由器與交換機）轉移到了運行虛擬化技術的通用型服務器。（3）在回程網絡中，運營商在滿足日益增長的LTE網絡帶寬需求方面將面臨相當大的挑戰。運營商必須確保數據分組網絡的時效性與同步性均精確無誤，并對流量進行智能管理。增強回程的關鍵在于通常所說的綜合無線接入網（CRAN）。CRAN技術支持開發更大型的基站群。（4）去程網絡容量擴展，以便傳輸從射頻頭到基站的通用公共射頻接口（CPRI）流量。作為射頻頭到基站的行業標準接口規范，CPRI成就了一個完美接口，并且是大部分射頻基站產品的主要通道。

此外，LTE網絡還將利用毫米波技術來擴大數據管道。毫米波是60 GHz及以上的無線頻率，這一頻率的帶寬與數據傳送速率可達到兆赫茲級頻率的200倍。毫米波技術提供了從基站到無線接入網的關鍵連接，并能夠在到達無線接入網（RAN）之前將多個基站菊鏈在一起。毫米波還可以直接向CRAN傳輸通用公共射頻接口流量。相關開發內容主要包括針對微波鏈路的4K QAM、領先的提高網絡調幅的方式以及廣泛應用的光纖回程網絡與蜂窩基站間10 GE的連接（替代1 GE連接），所有這些均有助于實現最佳性能，但還將取決于集成的高性能處理器。

要想加快網絡傳送速率，人們還須大幅提升基站處理器的能力，利用基站中的多核處理器、MIMO技術、基站數字信號處理（DSP）以及Fabric網絡等創新技術，為數據分組提供多個通道，緩解網絡擁堵。

人們已經意識到，LTE將是一個長期的演進過程，除綜合使用上述創新技術外，還將會有許多新的演進技術出現提高LTE網絡的速度、容量以及安全性，以便運營商能夠提供穩健的新型設備應用、更快速的連通能力以及更好的用戶體驗。從消費者的角度而言，LTE網絡升級之后可以進行更快的數據下載與上傳、減少盲點、支持更連續的數據流，用戶體驗會因此大幅提升。此外，LTE更快的速度也能讓應用開發商更游刃有余地構建更佳的移動游戲、在線交易、移動社交等新體驗。

8 5G將是“移動互聯網+”時代

2G用數字技術提高了頻譜利用率，借助信令網承載了移動終端跨網短信互通，分組域與WAP技術開啟了向MI的變革，支持窄帶數據通信；3G采用CDMA技術，提供更多的頻率資源，引入控制和承載分離結構，再提高頻譜利用率，發展了諸如圖像、音樂、視頻流等高帶寬多媒體通信，并提高了語音通話安全性，解決了部分MI相關網絡及高速數據傳輸問題，促進MI應用的體驗；4G采用OFDM +MIMO專為MI而設計，加大頻譜帶寬，還引入IMS域，從網速、容量、穩定性上相比之前的技術都有了跳躍性的提升，激發出“互聯網+”。5G（IMT-2020）將是“移動互聯網+”、云計算、物聯網、大數據應用時代，對網間互聯、數據流量的需求激增。據預測，2020年聯網設備數量將增加100倍，數據流量將比2010年增長1 000倍。至于速率需求可能非常分散，有靜止大速率寬頻帶需求，也有小速率小流量需求，有高速大數據需求，也有高速小速率小流量需求，有廣覆蓋大容量高帶寬需求，也有深度覆蓋，人與設備和設備與設備的特殊速率與容量需求。

因此，5G的技術需求可以這樣理解，需要更高效的技術，更高的頻譜效率（相對4G提高10倍），所用頻譜總帶寬比4G提高10倍，更低的功耗（能量效率也要提升10倍），更安全、智能、用戶體驗好的網絡。整個通信網絡容量將提高1 000倍，速率是4G的100倍（短距離傳輸速率是10!20 Gbit/s），以支撐2020年用戶急劇增長、隨時隨地可接入性等的MI業務需求。

中國對5G的愿景是以“3G追趕、4G同行、5G引領”為目標。

5G全球統一標準已成共識。為滿足愿景與需求，各種技術紛紛登場，但類似2G/3G/4G那樣替代顛覆式的技術至今沒出現。從移動通信網的代際演變，IP網絡、WLAN演進，云計算、物聯網的應用，可以看出，5G時代采取融合網絡，延續使用基礎設施資源，并實現與2G/3G/4G的共存，通過集成多種技術來滿足不同的需求。5G核心網側將是基于IPV6技術，扁平化、靈活、安全、可控流量、流向的，通過分布云的移動核心信息傳遞功能、分布式軟件架構和邏輯GW及網絡功能虛擬化，適應多應用平臺，有利UE在GW之間無縫切換等技術，將垂直網絡架構演進為分布式水平網絡架構。目前的核心網從光纖傳輸到上層應用，層數過多、路徑網元數量多。業內有呼吁基于SDN/NFV的平臺技術。無線側會出現大規模MIMO、3D波束成型、有源天線系統（AAS)、超密集組網、全頻譜接入、新型多址技術、新型多載波技術、先進調制編碼技術、終端直通技術、靈活雙工技術、全雙工等。劃分更多的頻譜資源，主要在原有頻段的復用和5GHz以上頻段的選擇。

總之，移動通信網已經一代一代的演進成為移動互聯網，每一個“移動互聯網+”的夢想都要靠它承載。