移动网络扁平化架构探讨

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1、电信科学2010年第7期1引言移动通信最初的网络结构只为语音业务而设计，这一时期，运营商70的创收都源于语音服务。 随着通信技术的不断更新和社会的不断进步，传统简单的语音业务已远不能满足人们的需求。 特别是近几年，互联网在全世界范围内迅速普及，各类新业务和新应用不断涌现，从而迫使运营商由原来的只提供语音业务转向语音与数据业务并行发展。数据业务的高速发展给移动通信行业带来了新的产业模式。然而，业务流量的激增也促发了新的问题：互联网P2P技术的运营模式以及物联网所引发的商业链等因素的冲击对网络的承载能力提出了更高的要求。流经移动网络的数据流量突飞猛涨， 从而加大了设备投资与维护，利润上升空间平缓，

2、这将导致每比特数据流所创造的价值呈现负增长，增量不增收的局面使运营商沦为管道提供商的危机进一步加大。 事实上，如何最大化地从单位比特数据流中获取最大利润是运营商最关心的，也是急待解决的问题。为有效解决创收与成本之间的矛盾，移动运营商纷纷着手转型，尝试推出全业务运营，开辟有效的增收渠道。 从技术层面看，移动运营商不仅要在无线接口与无线传输上有所突破，扁平化网络架构演进也是克服此矛盾的有效手段之一。 鉴于此，本文简要回顾了3GPP、3GPP2和WiMAX标准组织下的移动网络架构演进及其发展现状，着重探讨3GPP的LIPA/SIPTO架构和阿尔卡特朗讯的基于BSR网络架构。2移动网络架构演进现状扁平

3、架构的最主要目的是构建一个低时延和低成本的网络架构，与此同时，利用更少的设备，实现端到端QoS保障和稳定的移动性支持。 在扁平化架构设计上，既要考网络架构的扁平化研究一直是移动运营商十分关注的话题。 扁平化架构可以有效解决运营商所面临的增量不增收的窘境。 本文简要回顾了几大国际标准化组织在网络架构方面所做出的贡献及其最新进展，并进行了分析比较。关键词网络架构；扁平化；基站路由器移动网络扁平化架构探讨*徐峰，严学强（上海贝尔股份有限公司上海201206）摘 要研究与开发*2009年国家重大专项：全IP宽带移动网络架构及关键技术 研究43研究与开发虑现有网络的投资回报又要考虑彼此间的相互兼容。2.

4、13GPP网络架构演进3GPP标准组织致力于制定第三代移动通信及其未来移动通信系统的技术规范和技术报告。 鉴于篇幅所限，本小节主要讲述增强型3G网络架构与EPS网络架构。（1）增强型3G网络架构：Direct Tunnel（DT）DT是一项增强的3G网络功能技术，它的目的是制定出一个适合于HSPA无线技术的低时延架构。 通过采用更加优化的传输路线，DT传输使用户数据流量能够绕过SGSN节点，更甚者RNC与SGSN节点被同时绕过，使所需的数据链路数量进一步减少，从而提高传输效率，还可降低运维成本。TR 25.9991提出了3种可行的备选方案，具体介绍如下。 保留RNC的DT架构：用户面的流量途经

5、SRNC节点并绕过SGSN节点直接到GGSN节点， 而控制面则仍需经由SGSN节点完成。 这种模式对现有网络的破坏性最小，与当前的技术最兼容，但它仍没有彻底去除RNC节点。 保留RNC控制面的DT架构：RNC的控制面功能继续保留下来，可以独立于用户面单独进行升级。 用户面可绕过RNC节点，有两种实现途径：一种是基站节点通过SGSN和GGSN建立IP通路；另一种是基站节点直接与GGSN建立IP通路， 这种方式效率较高。 取消RNC节点的DT架构：RNC功能完全集成到基站节点，基站节点与核心网中的GGSN有直接的用户面连接，SGSN节点用于控制面继续保留。 基站节点之间可实现互通。 事实上，这种结

6、构设计比前面两种模式更接近3GPP R8版本中的EPS架构。（2）EPS网络架构迫于WiMAX等移动通信技术的竞争压力， 并继续保证3GPP系统在移动通信领域的技术和标准的竞争优势，3GPP标准组织于2004年启动了长期演进（LTE）和系统架构演进（SAE）两大计划的标准工作。LTE（即EUTRAN）与SAE（即EPC）组成演进的分组网络，整个系统命名为EPS。EPS实现了移动通信领域在3G之后的一次阶段性革命，通过引入一些全新的技术思路和设计理念，大大提升了移动通信系统的通信能力。 相比2G/3G网络，EPS是进一步扁平化的架构， 它将Node B节点与RNC节点融合为单一的eNode B节

7、点，完全取消了CS域，同时进一步增强了IMS域对整个网络的业务控制能力，提供一个全IP化的分组核心网， 可支持3GPP的UTRAN、GERAN的接入和非3GPP的WLAN、WiMAX、cdma2000的接入2,3。2.23GPP2网络架构演进3GPP2组织成立于1999年1月，也是一个致力于第三 代 及 其 未 来 通 信 系 统 规 范 制 定 的 协 作 组 织 。 目 前,3GPP2主要负责cdma2000标准化工作及演进架构的标准制定。对比3GPP2的2/3G架构，UMB网络不再需要BSC集中控制实体。eBS将传统BS和BSC的功能以及PDSN的某些功能融于一身，使网络部署更为简单，A

8、GW为用户提供了与分组数据网的IP连接点。UMB系统利用高度创新的扁平化网络架构，简化了网络接口设计，从而易于实现网络扩展。由于种种原因，3GPP2没有按照预订的UMB方案演进，而UMB也已成为历史，但是它的设计理念却是反映未来网络发展趋势的典型代表之一。 目前，全球主流CDMA电信运营商都确定未来向LTE网络演进的方向迈进。当无线侧部署LTE之后，核心网必然会部署EPC，现有CDMA接入网也会逐步演进并接入到EPC核心网当中。 现阶段，3GPP2网络与EPS网络之间的良好互通是实现CDMA网络成功演进到EPS网络的关键。2.3WiMAX网络架构WiMAX技术是以IEEE 802.16-200

9、4和IEEE 802.16e-2005系列标准为基础的宽带无线接入技术， 具有性能强、效率高和成本低等特点。WiMAX作为一种面向最后一公里接入的标准，具有重要的现实意义与战略价值。WiMAX标准虽然制定时间不长，但是产业化发展非常迅速。2007年10月19日，国际电信联盟（ITU）正式批准了无线宽带技术WiMAX成为3G标准， 标志着WiMAX也正式成为IMT-2000家 族 的 一 名 成 员 ， 与WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA并列， 成为ITU的全球3G标准。 与3GPP和3GPP2组织的3G系统相比，WiMAX架构的简洁性部分因素是由于WiMAX是更新的技术，在开发过

10、程中吸取了3G的很多经验教训， 不存在任何反向兼容问题或者遗留包袱。WiMAX网络的快速部署和良好的特性对3GPP来说是极大的挑战。 从某种意义上说，WiMAX在移动网络架构扁平化过程中担当助推力的角色。WiMAX承载链路中主要包含基站和ASN-GW，两者一44电信科学2010年第7期起构成ASN架构。 基站通常属于物理设备，完成物理层与MAC功能。ASN-GW往往是一个独立的设备，作为执行点和决策点，它既可支持承载面又可支持控制面功能，负责提供与外部分组数据网的IP连接。 控制功能主要包含移动性管理、计费和认证，可能还包括RRM；承载功能主要包含用户面转发、策略执行和信息包检测等方面。WiM

11、AX论坛网络工作组提供了3种ASN模式，如图1所示4，参照RRM的处理方式来定义。 模式A：RRM由基站和ASN-GW分摊； 模式B：ASN集成到基站中； 模式C：RRM集成到基站中，ASN-GW单独设置。模式C是一种包含独立基站和ASN-GW节点的分布式架构，是目前最受欢迎的一种备选方案。 在这种模式中，由于RRM功能融入基站节点，ASN-GW产品的市场对非无线设备供应商敞开了，尤其是IP网络设备供应商。 这种开放性可以促进供应商之间的创新和良性竞争，与当前的3G网络形成鲜明对比。 目前,3G网络中由于基站和无线控制器密切集成，彼此关联度很高，因此运营商不得不从一家供应商那里购买RAN设备。

12、虽然WiMAX论坛认为不值得为了细化RRM而增加复杂性，但仍有多家大型供应商基于性能优势而支持模式A这种结构最接近3G中采用的传统RNC理念。模式B是一种高度集成的结构，它将基站和ASN-GW融为一体，是一种更分布式的架构。 针对模式B业界还处于探讨过程当中， 已有研究人员建议未来WiMAX网络架构应朝向这一模式发展。3种ASN模式的比较见表1。2.4现有网络架构的总体特征纵观上述三大标准组织下的网络架构演进路线，我们可以发现从EPS到UMB和WiMAX，所有提议的无线系统都是基于扁平化网络架构的，如图2所示。 尽管各个标准组织存在根深蒂固的利益问题，而对于网络究竟应该是什么样的，看法还是比较

13、一致。 从本质上说，在用户面，移动网络正朝着一个基本上是双节点的架构转变基站和接入网关。 当前提出的扁平网络架构在具体的实施方法中尚存在一些差异，但大部分都很类似。宏观角度来看，这种相互类似的通用网络架构（如图3所示）主要包含基站节点、移动性管理节点、接入网关节点（AGW），功能描述如下。 基站节点：作为接入网核心设备，主要负责无线资源管理、加密、头压缩和物理层与数据链路层相关功能； 移动管理节点：主要负责包含会话管理和移动性管理在内的所有用户面与控制面信令管理；AGW：作为核心网的主要和移动安靠节点，负责数据的汇聚、授权及策略控制等功能，并为基站节点与外部分组数据网络建立IP连接。长期以来，

14、 核心网技术和无线接入技术都捆绑在一表13种ASN模式比较模式分类模块描述优点缺点模式A集中式平台，RRM由基站和ASN-GW分摊支持软切换基站和ASN-GW供应商之间很难兼容模式B分布式平台，基站和ASN-GW集成小规模实施简单且成本较低大规模实施成本较高且复杂模式C分布式平台，RRM在基站中，独立的ASN-GW更易于采用不同供应商的基站和 ASN-GW软切换难度大，基站之间需要传输信号45研究与开发起，即每一种无线接入技术都有各自的核心网技术，这种闭塞的方式不利于网络的长期发展。通用的架构思想可使无线接口演进（基站）和核心网演进相分离，采取一种可以把多种无线接入融入到统一核心网中的方法，最

15、大化地发挥各自优势，甚至像即插即用那么简单。3LIPA/SIPTO网络架构面对迅猛增长的业务和数据流量，移动运营商面临的压力也越来越大。 按照现有的网络设计思路， 用户访问Internet的数据包需经过移动网络的各个核心网网元，甚至两个相距较近的终端之间的通信都需要将信息输送到核心网内部再返回到通信另一方。这种做法的好处是不必变动太多已有网元和接口协议，但将耗费大量不必要的传输费用，也同样增加了网络的负担。实际上，从运营商角度来说， 这部分流经核心网和回程网上的信息是额外负担。为缓解当前不堪重负的网络， 并有效地降低传输成本，3GPP标 准 组 织 在Release 10中 提 出 了 本 地

16、IP访 问（LIPA）和选择性IP流量卸载（SIPTO），根据应用场景大致分为3种5：LIPA：面向家庭基站子系统的家庭/企业本地IP网络访问；SIPTO：面向家庭基站子系统的流量卸载（如互联网流量）；SIPTO：面向宏蜂窝网络（针对3G与LTE网络）的流量卸载（如互联网）。LIPA网络架构如图4所示，在传统网络设计思路中，终端用户如果要访问家庭/企业内部网络的电话、打印机、电脑等IP设备， 数据需要传送到核心网处再返回到本地网络（图4中实线所示）。 数据需要两次流经回程网，从而占用大量网络资源。 而LIPA的提出是使传输数据不必迂回至核心网，而通过本地基站和网关直接到达目的地（虚线所示），从而实现传输路径的优化设计。SIPTO网络架构如图5所示，IP数据的路径从家庭基站/宏基站和本地网关（L-GW）直达外部Internet，无需经过核心网设备（虚线所示所示）。LIPA/SIPTO的引入不仅是业务的驱使，也是网络发展趋势的体现。 从用户角度考虑，LIPA/SIPTO是一种网络优化设计方案， 使网络架构向扁平化方向又迈出了重要一46电