移动通信网变革承载移动互联网梦想成真

李晓明

（中国移动通信集团设计院有限公司河北分公司，石家庄 050021）

1 引言

移动互联网（Mobile Internet, MI)是当今最热词之一。当ICT创新达人推出新业务时，人们体验MI业务过程中，都会发现是移动通信网络的互联和传递。本文沿着移动网络代际变革发展看其承载MI业务的梦想，展望未来MI将更加高效、随时随地方便地承载许许多多新型业务。

中国互联网信息中心发布的中国互联网络发展状况统计报告显示，2014年中国网民规模6.49亿，手机网民5.57亿，网民中使用手机上网的人群占比85.8%。工业和信息化部发布了2015年3月份通信业经济运行情况报告显示，我国MI用户规模近9亿。传统互联网应用大量向MI迁移，几乎所有的常见互联网应用都能在MI中找到自己的位置。而且MI还适应移动化和移动终端的特点，开发出极具特色的软件应用商店和位置服务等新型服务，开创了互联网的新蓝海。如果用最原始最纯的互联网定义看，今天的移动通信网已经变为最大的MI。其内部早已全IP化，通过SIM或USIM卡将各种终端互联，通过各种网关和路由器将传统的电话网、Internet、企业网、物联网、云计算设备等互联。

2 移动通信网变革代际分期

如图1所示，移动通信网大约每隔10年出现一种新技术替代，数字通信代替模拟，CDMA代替GSM等，又被OFDM+MIMO代替，努力提高频谱利用率、系统容量、广深覆盖、保密性、接口标准等性能，满足人们对语音、数据、图形、图像等多媒体通信需求，需要的频带资源越来越多，不得已向更高频段延伸，尽量平滑演进、压缩制式种类，标准趋近，有利互联互通。

3 移动独立信令网的建立承载了短信的火爆

为保障移动终端通信高效稳定可靠，1998年我国开始规划建设移动七号信令网，采取全网双平面分级架构。31个省（市、区）的省会城市均建有一对HSTP，同平面内的HSTP部分网状网相连，成对HSTP以C链路相连，各省建有一对或多对LSTP上连所属省HSTP，下连省内各移动核心网元（作为SP），完成全网的信令转接。七号信令网的建成为话务网、智能网、后来的GPRS、彩铃等网络和业务提供了信令保障，更为MI雏形业务——短信业务提供了互联传递平台。在核心网侧信令分组在独立建设的信令网（64 kbit/s或2 Mbit/s电路）中传递，在无线侧是靠随路逻辑信道传递（9.6 kbit/s数据业务速率)，提供了随处接收发送短信的可能，造就了短消息业务在随后十几年中的辉煌。

短消息业务（SMS）通过移动通信系统的无线控制信道SCCP层协议和信令网MTP协议，传送长度小于140 byte信息，属于一种非实时、非语音的数据通信业务。SMS系移动网上最早开始、现在普及率最高、属于第一代的无线数据服务。

完整的短消息处理平台包括短信中心和短信网关。短信中心负责短消息的存储转发，短信网关负责各类短信业务跨网转接。例如，根据接入业务的不同，将网关划分为梦网网关、行业网关、互通网关等，分别负责梦网业务接入，如SP等；EC/SI等集团客户接入；互通网关通过专线实现了中国移动与中国电信、中国联通、互联网及其他网络之间SMS的网间互联互通。

4 GPRS/EDGE建立PS域开启了向移动互联网变革

4.1 GPRS开创了移动通信网的分组域

SMS采用分组方式开展无线数据服务火爆之后，引发出GPRS。GPRS技术采用与GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则、TDMA帧结构，通过叠加分组域，实现在不影响电路交换方式提供话音业务的同时，用分组交换的方式，提供9.05～ 171.2 kbit/s的数据传输速率接入Internet/ISP/公司内部网等，俗称2.5 G，开启了移动通信网向MI的变革。

图1 移动通信发展阶段示意图

图2 GPRS/EDGE系统的基本网络结构示意图

GPRS在GSM系统基础上构建，绝大部分部件都不需要作硬件改动，只需作软件升级，包括增加新的MAP信令和GPRS信令等。需要增加的功能实体包括：SGSN（服务GPRS支持节点,与MSC在同一等级水平，并跟踪单个MS的存储单元，实现安全功能和接入控制，通过帧中继连接到基站系统)、GGSN（网关GPRS支持节点,支持与外部IP网的互通)；BSC处增加PCU；共用GSM基站但基站要进行软件更新；采用新的具有GPRS功能的移动台；使用封装和隧道技术：数据分组用特定的GPRS协议信息打包并在MS和GGSN之间传输；增加新的移动性管理程序；通过路由器实现GPRS骨干网互联，见图2所示。GPRS带来的好处见表1所示。

4.2 EDGE技术承载了数据业务加速的体验

采用GPRS技术移动通信网与Internet互联后，提高数据业务速率提到日程上来，引发出EDGE。EDGE在GPRS技术基础上升级和演进支持GSM网络提供准3G服务的技术，有人称它为“2.75 G”技术。它不影响GPRS核心网的网络架构，见图2所示，影响主要体现在Gb接口流量的增加，改进一些现有GSM应用的性能和效率。在无线侧仍采用相同的频段及TDMA帧结构,主要影响BSC、BTS以及终端。采用多时隙操作和8PSK调制方式，将GSM GMSK的信号空间从2扩展到8，因此每个符号可以包括的信息是原来的4倍。8PSK的符号率保持在271 kbit/s，每个时隙可以得到69.2 kbit/s的总速率，并且仍然能够完成GSM频谱屏蔽。它定义了几个信道编码方案来确保各种信道环境的鲁棒性，使用了链路自适应技术以实现编码和调制方案之间的动态转换。它通过使用一个高速每时隙28.8 kbit/s的无线接口速率来支持电路交换服务。支持所有服务的多时隙通信得到的速率是单时隙通信的8倍，分组数据无线通信速率峰值可高达554 kbit/s。

EDGE能够充分利用现有GSM资源，只需对网络软件及硬件做一些较小的改动，就能够向移动用户提供诸如互联网浏览、视频电话会议和高速电子邮件传输等无线多媒体服务，即在3G商业化之前提前为用户提供个人多媒体通信业务，被运营商视为代际变革之间投资和成本低，提供高速数据业务，还能对原有系统进行容量升级的可行性选择。

表1 电路型与分组型无线数据业务的特征对比

图3 WAP模型

5 WAP承载了手机小屏幕小计算能力也能上网的需求

新的问题又出现了，为克服当时移动通信网络和终端在传输Internet数据方面存在网络时延、网络带宽、终端处理和显示能力等方面的局限性， WAP论坛组织将移动通信技术和Internet结合起来，通过提供通用的平台，把Internet网上HTML语言描述的信息转换成用WML语言描述的信息，显示在手机屏上。

WAP系统模型见图3所示，由WAP网关、WAP内容服务器和WAP手机3部分组成。WAP网关是移动网络与Internet间的协议翻译器。网关与服务器之间通过HTTP1.1协议进行通信，互联网业务提供者几乎可以不改变信息的内容，只要增加网点设备就可以向移动用户提供信息服务；WAP内容服务器存储着大量的信息，供WAP手机用户来访问、查询、浏览。WAP手机内含WAP微浏览器和无线电话接口（WTAI），负责解释WML和WMLScript。WAP的目标是尽可能通过丰富的网络功能来补偿移动设备的限制。可以说，WAP架起了移动网络与Internet及企业网之间业务应用的桥梁，是手机替代PC上网时代开启的标志，使互联网延伸到每一个WAP手机。

WAP系统可由以下几个实体组成：WAP网关、防火墙、接入服务器、域名服务器（可选）、各种（WWW、E-mail等）应用服务器（可选），具体系统构成见图4所示。

根据底层承载WAP业务网络的不同,可将WAP的组网方式划分为：电路方式、短消息方式和GPRS方式3种。

6 3G建立促进移动互联网应用的体验

3G （ITU命名为IMT-2000)通过减少制式种类，分配相对统一的频段，尽量平滑演进，核心网侧电路域引入控制和承载分离结构，分组域无重大改变，但运营商引入IMS域；无线侧重新设计了网元Node B及RNS，扩展无线资源、实施新的调制技术等，提供比2G更大的系统容量、更优良的通信质量，更丰富多彩的语音、数据和多媒体业务，使得全球的互通改善，网速大大提高，快速移动时速率144 kbit/s，步行移动时384 kbit/s，静止使用时2 Mbit/s。见图2和图5所示。

图4 WAP系统构成示意图

图5 移动通信网络3G的演进

3G时代，大量MI应用得到推广。移动宽带上网：手机收发语音邮件、写博客、聊天、搜索、下载图铃等。手机办公：与传统PC OA系统相比，摆脱了传统OA局限于局域网的桎梏，办公人员可以随时随地与单位的信息系统保持联系，完成办公、执法、等功能。手机商务：手机可以实时访问数据库、商务信息和处理业务，极大地提高了效率。手机视频通话：在手机屏幕上看到双方影像。手机电视：TDSCDMA和CMMB等标准的建设推动了整个行业的发展。手机音乐：只要在手机上安装一款手机音乐软件，就能通过手机网络，随时随地让手机变身音乐魔盒，轻松收纳无数首歌曲，下载速度更快。手机购物：手机商城查询商品信息并在线支付购买，甚至是购买大米、洗衣粉这样的日常生活用品。手机网游：与电脑的网游相比，方便携带，随时可以玩，这种利用了碎片时间的网游是年轻人的新宠。

3G时代手机终端发生了巨大变化，成为基于MI技术的终端设备，是通信业和计算机工业相融合的产物--智能手机。

7 LTE网络激发出“互联网+” 的提出

4G时代，LTE（Long Term Evolution，长期演进)使移动通信网制式更加统一，提供更多频率资源和频段更为趋同，大量新技术使网络更加高效、宽带、开放、互联。无线侧只有一种网元eNode B，eNode B之间可直接互联并直接上挂核心网，以OFDM替代CDMA，引入MIMO，提供20 MHz的带宽资源并可载波聚合使用。LTE标准框架包含TDD和FDD两种制式。TD-LTE是我国拥有自主知识产权的TD-SCDMA的后续演进技术，下行为100 Mbit/s，上行为50 Mbit/s，是3G网络数据传输速度的10倍，并可逐步演进至更高的1 Gbit/s无线接入速率，同时控制面延迟小于100 ms，用户面时延小于5 ms。演进的分组核心网（EPC）采用3GPP R8版本架构，主要由移动管理设备（MME)、服务网关（S-GW)、分组数据网网关（P-GW)、计费网关（CG)、策略和计费控制单元（PCRF)、归属签约用户服务器（HSS)、域名服务器（DNS)等功能单元组成。于是演进中的核心网成为融合的方式，由电路域、分组域、IMS域和新建的DRA信令网构成，实现HSS/HLR、MME/SGSN、SAE GW/GGSN以及CG、DNS、PCRF融合，如图6所示。

图6 LTE网络演进架构图

随着4G网络的建成使得每用户享受带宽更多，更便捷，于是激发出MI的许多新业务服务各行各业，激发出“互联网+”的提出。根据近日预测，到2018年，移动数据流量将增长11倍。在流经无线网络的190 EB数据中，将有一半以上经由LTE网络。为满足用户的这一需求LTE网络还将采取许多新技术升级。目前，可考虑的有：（1）采用EPC与（vEPC）虚拟演进的分组核心网相结合这一重要的新兴创新技术。EPC代表的是广泛应用的3GPP核心网络架构的下一代演进，能够凭借互联网协议更快地在网络中传输数据分组，而非使用电路交换域。vEPC技术在无线网络中将EPC功能进行了虚拟化，使其更多地以云服务的形式获得交付。（2）网络功能虚拟化（NFV）是一种虚拟多个网络节点以便大规模提供通信服务的服务器虚拟化变体。为提高以太网的可扩展性、灵活性及效率，NFV将网络功能从专属设备（如路由器与交换机）转移到了运行虚拟化技术的通用型服务器。（3）在回程网络中，运营商在满足日益增长的LTE网络带宽需求方面将面临相当大的挑战。运营商必须确保数据分组网络的时效性与同步性均精确无误，并对流量进行智能管理。增强回程的关键在于通常所说的综合无线接入网（CRAN）。CRAN技术支持开发更大型的基站群。（4）去程网络容量扩展，以便传输从射频头到基站的通用公共射频接口（CPRI）流量。作为射频头到基站的行业标准接口规范，CPRI成就了一个完美接口，并且是大部分射频基站产品的主要通道。

此外，LTE网络还将利用毫米波技术来扩大数据管道。毫米波是60 GHz及以上的无线频率，这一频率的带宽与数据传送速率可达到兆赫兹级频率的200倍。毫米波技术提供了从基站到无线接入网的关键连接，并能够在到达无线接入网（RAN）之前将多个基站菊链在一起。毫米波还可以直接向CRAN传输通用公共射频接口流量。相关开发内容主要包括针对微波链路的4K QAM、领先的提高网络调幅的方式以及广泛应用的光纤回程网络与蜂窝基站间10 GE的连接（替代1 GE连接），所有这些均有助于实现最佳性能，但还将取决于集成的高性能处理器。

要想加快网络传送速率，人们还须大幅提升基站处理器的能力，利用基站中的多核处理器、MIMO技术、基站数字信号处理（DSP）以及Fabric网络等创新技术，为数据分组提供多个通道，缓解网络拥堵。

人们已经意识到，LTE将是一个长期的演进过程，除综合使用上述创新技术外，还将会有许多新的演进技术出现提高LTE网络的速度、容量以及安全性，以便运营商能够提供稳健的新型设备应用、更快速的连通能力以及更好的用户体验。从消费者的角度而言，LTE网络升级之后可以进行更快的数据下载与上传、减少盲点、支持更连续的数据流，用户体验会因此大幅提升。此外，LTE更快的速度也能让应用开发商更游刃有余地构建更佳的移动游戏、在线交易、移动社交等新体验。

8 5G将是“移动互联网+”时代

2G用数字技术提高了频谱利用率，借助信令网承载了移动终端跨网短信互通，分组域与WAP技术开启了向MI的变革，支持窄带数据通信；3G采用CDMA技术，提供更多的频率资源，引入控制和承载分离结构，再提高频谱利用率，发展了诸如图像、音乐、视频流等高带宽多媒体通信，并提高了语音通话安全性，解决了部分MI相关网络及高速数据传输问题，促进MI应用的体验；4G采用OFDM +MIMO专为MI而设计，加大频谱带宽，还引入IMS域，从网速、容量、稳定性上相比之前的技术都有了跳跃性的提升，激发出“互联网+”。5G（IMT-2020）将是“移动互联网+”、云计算、物联网、大数据应用时代，对网间互联、数据流量的需求激增。据预测，2020年联网设备数量将增加100倍，数据流量将比2010年增长1 000倍。至于速率需求可能非常分散，有静止大速率宽频带需求，也有小速率小流量需求，有高速大数据需求，也有高速小速率小流量需求，有广覆盖大容量高带宽需求，也有深度覆盖，人与设备和设备与设备的特殊速率与容量需求。

因此，5G的技术需求可以这样理解，需要更高效的技术，更高的频谱效率（相对4G提高10倍），所用频谱总带宽比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、用户体验好的网络。整个通信网络容量将提高1 000倍，速率是4G的100倍（短距离传输速率是10!20 Gbit/s），以支撑2020年用户急剧增长、随时随地可接入性等的MI业务需求。

中国对5G的愿景是以“3G追赶、4G同行、5G引领”为目标。

5G全球统一标准已成共识。为满足愿景与需求，各种技术纷纷登场，但类似2G/3G/4G那样替代颠覆式的技术至今没出现。从移动通信网的代际演变，IP网络、WLAN演进，云计算、物联网的应用，可以看出，5G时代采取融合网络，延续使用基础设施资源，并实现与2G/3G/4G的共存，通过集成多种技术来满足不同的需求。5G核心网侧将是基于IPV6技术，扁平化、灵活、安全、可控流量、流向的，通过分布云的移动核心信息传递功能、分布式软件架构和逻辑GW及网络功能虚拟化，适应多应用平台，有利UE在GW之间无缝切换等技术，将垂直网络架构演进为分布式水平网络架构。目前的核心网从光纤传输到上层应用，层数过多、路径网元数量多。业内有呼吁基于SDN/NFV的平台技术。无线侧会出现大规模MIMO、3D波束成型、有源天线系统（AAS)、超密集组网、全频谱接入、新型多址技术、新型多载波技术、先进调制编码技术、终端直通技术、灵活双工技术、全双工等。划分更多的频谱资源，主要在原有频段的复用和5GHz以上频段的选择。

总之，移动通信网已经一代一代的演进成为移动互联网，每一个“移动互联网+”的梦想都要靠它承载。