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）

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，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，既要考虑现有网络的投资回报又要考虑彼此间的相互兼容。

2.1 3GPP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 25.999[1]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，这种结构设计比前面两种模式更接近3GPPR8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]。

2.2 3GPP2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，AGW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。

2.3 WiMAX网络架构

WiMAX技术是以IEEE 802.16-2004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。

WiMAX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。

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，核心网技术和无线接入技术都捆绑在一起，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，最大化地发挥各自优势，甚至像即插即用那么简单。

表1 3种ASN模式比较

3 LIPA/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步。由于传输路径的优化，LIPA/SIPTO可以减轻核心网负担，降低传输费用，克服增量不增收的矛盾。同时，数据包转发路径的大大缩短也能降低传输时延，进一步提高了用户业务体验。然而，LIPA/SIPTO还处于研究阶段，在以后大规模实现过程中，将面临许多问题，下面列出几方面问题进行简要探讨。

（1）计费

移动业务IP化的趋势下，计费问题和网络的服务质量一直是运营商关注的焦点。好的计费策略可以为运营商带来更多的利润，并能够更好地为用户提供网络差异化服务。网络架构的变化需要在计费策略的实现上引入新的特征。LIPA/SIPTO如果仍坚持采用动态策略机制，则核心网PCC决策节点（如PCRF节点）需要与每个本地网关对接并进行策略控制，并且与它们也相距甚远，因而，家庭/企业网络的巨大数量将导致这部分开销极大。目前，普遍认可的观点是对LIPA与SIPTO数据流量进行静态策略控制。在LIPA架构中，由于用户面数据流量传输仅仅发生在本地内部网络，并没有占用核心网和回程网资源，传统的按流量/时间计费方式很可能并不合适，而采用包月手段或许更能为广大用户所接受。SIPTO数据流量尽管无需迂回到核心网，但仍将占用回程网资源。网络部署初期不必对流量进行精细化控制，按流量/时间等粗放型控制更利于SIPTO快速应用。当将来网络真正发展成熟并且资源非常丰富之时，可以逐步将粗放型的静态策略转移到精细化的动态控制机制中。

（2）本地网关安置

目前主流观点有两种：L-GW与基站节点合设，L-GW与基站节点单独设置。家庭网络中，可以考虑将两部分合并为一个物理实体，当然这将增加家庭基站的成本。企业内部网络可考虑将两部分单独设置从而有效保障业务连续性，一个L-GW同时支持多个基站节点也利于成本控制。而对于宏蜂窝网络，在UMTS系统中，一个RNC节点分管多个基站节点，可以考虑本地网关与RNC节点合设；而在EPS网络中，由于RNC节点取消，eNodeB的覆盖范围也相对缩小，如果将本地网关内置在eNodeB中，这将导致频繁的切换，这样反而有悖于SIPTO理念。因此，实际部署时可考虑在eNodeB节点之上的邻近位置单独设置一个本地网关，来管理多个基站节点。

（3）空闲模式数据缓存与寻呼

在EPS网络中，用户处于空闲模式时，PDN网络的下行IP数据终止于S-GW节点，从而触发对终端用户的寻呼。在LIPA/SIPTO模式中，下行数据是否需要缓存至本地网关中要分以下两种情况：如果本地网关支持S-GW功能，可效仿传统EPS网络模式执行寻呼功能；如果本地网关不支持S-GW功能，这部分数据流量需要回转至核心网S-GW节点，由其触发寻呼功能并将数据再经由回程网送至终端用户。另外，对于LIPA模式，只有当用户身处家庭/企业本地网络时才可为LIPA数据触发寻呼。

（4）PDN 连接

传统网络中，在默认承载建立过程中网络侧为用户分配IP地址。当网络支持LIPA/SIPTO时，用户附着过程可同时为其建立LIPA/SIPTO和non-LIPA/non-SIPTO形式的默认承载，这样用户将获取两个IP地址，对同一个PDN可支持同时进行LIPA/SIPTO数据传输和non-LIPA/non-SIPTO数据传输。

当然，LIPA/SIPTO的设计过程中还有很多问题需要关注，如业务连续性支持、对固定回程网造成的影响等等，这些话题都需在3GPP标准中逐一澄清。

4 BSR网络架构

第三代CDMA系统中，RNC和多个基站可以支持软切换，从而为移动终端提供空间分集。对于传统语音系统来说，这尤为重要，因为空间分集可以抵消周期性衰落对语音业务的负面影响。软切换技术扩大了蜂窝系统的容量，同时也实现了无缝移动性。然而，支持软切换需要付出较大的代价。软切换下活动集中的基站必须保持良好的同步，否则信号合成将失败。要实现基站同步，每个参与其中的基站都需要一个消除时延抖动的缓冲区，该缓冲区的大小与这些链路中任意一条的预计最大抖动值相一致。但时延抖动缓冲区在传输语音和IP数据时表现出了相当长的时延。

UMTS和cdma2000等CDMA系统采用软切换来传输数据，而更新的传输方式则又回到了采用CDMA或OFDM数据信道的TDMA传输技术，如HSDPA、WiMAX等系统。基站自行根据射频状态确定合适的发送次数。这也意味着很难做到在同一时间内让多个基站发送统一信号，因此，这一技术不再采用软切换来传输数据。另外，在移动性方面，虽然保留了软切换活动集，但保留它的目的只是为了提供多个基站和终端之间的射频同步，而不是为了下行数据传输。凭借这些传输技术，支持下行软切换的必要性逐步减弱了，因此，分层架构的蜂窝系统的必要性也相应地减弱了。事实上，扁平的蜂窝系统就足够了。BSR的扁平化网络架构如图6所示。

2007年，阿尔卡特朗讯率先推出的BSR（UMTS产品）是贝尔实验室的创新性成果，它将3G移动网络的关键组件基站、RNC、SGSN和GGSN集成在单一网元[6]。凭借贝尔实验室的传统优势和BSR产品线，阿尔卡特朗讯已成为这一技术的领先倡导者。

BSR采用更为简易的移动IP协议，提出将微移动（无线承载重定位）与宏移动性（IP移动性）紧密结合在一起的不丢包快速重定位设计思路。当一个第二层锚点（UMTS中的RNC功能）从旧的BSR重定位到新的BSR时，IP数据流量通过三角路由转到新的BSR上，避免丢失IP数据包。三角路由将始终保持运行，直到新的BSR已经在归属代理（home agent）重新注册它的转交地址。

图7所示为传统的层级化UMTS网络和BSR网络在架构方面的主要区别。在图7（a）中，增加一个新的Node B节点就必须改变RNC和SGSN的配置，并且可能需要扩容。与此相比，在图7（b）中增加一个新的BSR对其他节点的影响很小，因为去除了网络层级，并且可能使时延和投资支出同时降低30%还多。另外，由于BSR是一个纯IP接入设备，便于灵活地实现网络扩容，具备良好的即插即用特性，利于提供各种基于IP的新业务。值得注意的是，虽然这些基站路由器集成了接入网和核心网的功能，它们仍然遵循规范，继续支持手机所需要的RNC、SGSN和GGSN功能。

现如今市场上的产品一般不针对主流的宏蜂窝基站应用，它还尚未对市场造成巨大影响，但是这一产品理念正在影响着未来移动网络架构设计方面的决策。

5 结束语

本文简要回顾了移动网络架构的演进。扁平化的架构减少了网络分级，进一步精简了网络节点，网络部署和网络维护更加简单，传输时延也进一步降低，利于提升用户体验。与此同时，可大大降低投资并为移动运营商提高创收。

可以看出，移动网络架构一直朝着扁平化方向发展。然而，最终的全扁平化又将呈现出什么特征，当前的EPS架构距离全扁平化终点到底还有多远，未来统一的全扁平化网络如何适应数据业务时代不同应用（如P2P、云计算、M2M）的特征，都是值得进一步研究的问题。

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