移动网络架构的发展现状和演进趋势

1.现有网络架构及其局限

在业务需求迅速增长以及业务类型不断丰富的发展趋势下，基于现有网络架构的移动通信系统面临着严峻挑战。

传统网络架构遵从一种“竖井模式”，包括运行模式和部署模式两个方面。从现有网络架构的运行方式来看，无论是访问互联网的数据业务还是与其他用户的信息交互业务，均不可避免数据流全程穿越接入网和核心网、最终又回归到接入网的过程。如图7-5a所示，以WCDMA这种典型的3G网络结构为例，控制面数据和用户面数据均需要经过RNC—SGSN—GGSN的处理和转发接入业务平台或访问互联网。从现有网络架构的部署方式来看，任何一个网络都只能是针对某种业务的最优化设计，无法完美支持和无障碍容纳不断涌现的丰富业务类型。因此，每一种业务类型的增加都将是对网络功能和基础架构的粗犷累加，造成多网络并存、孤岛式发展的局面，如图7-6所示。

传统网络架构基于一种集中式的管理和控制机制。如图7-5a所示，无线网络侧，RNC统一实现对用户的移动性管理、网络资源优化、链路维护等功能；核心网处，SGSN集中负责分组数据包的路由转发、链路管理、鉴权加密等功能。即便是在对等数据业务蓬勃发展、流量分布本地化渐成趋势的今天，集中管控仍然是现有网络所遵从的主要方式。

图7-5 网络架构“扁平化”演进

图7-6 现有网络架构的“竖井式”部署

分析如上所述的“竖井式”运行和部署方式以及集中式管控机制，不难发现，在应对迅猛发展的移动互联网业务方面，现有网络架构存在诸多局限性：

1）现有架构下运营商投资收益失衡：随着用户数目和无线业务需求的迅速增长，现有“竖井式”运行模式下核心网处海量数据汇聚，从而对核心网网元的处理能力和容量提出更高的要求，引发运营维护和升级的支出急剧提升；同时，现有“竖井式”部署模式要求通过新网络的添加和相关资源的配备支持不断出现的新业务类型，造成网络架构的日趋臃肿以及成本的迅速增长。根据咨询公司Informa的测算结果，从2008年到2013年，数据流量将增长17倍，而相应的数据业务营收增长预计将只有180%。图7-7所示为iiMedia对2006～2011年3G业务ARPU（每用户平均收入）值的数据统计结果，从中也可以看出：在现有网络架构下，运营商在网络建设和技术研究方面的投资过高，导致无法将迅速增长的数据流量转化为成比例的回报。对运营商而言，如何控制网络建设和运营开支的快速增长、扭转数据业务长期“增量不增收”的尴尬局面是亟待解决的问题。

图7-7 2006～2011年全球3G业务ARPU值变化（数据来源：iiMedia Research）(www.xing528.com)

2）现有架构下用户体验不尽如人意：基于现有网络架构下的“竖井式”运行模式，信令和媒体信息传输必须经过“接入网—核心网—接入网”的过程，这种无增益的数据本地上传和回传造成网络时延较长。基于“竖井式”的部署模式，不可避免出现多种网络、多种制式、多种技术的拼接和切换，从而导致用户感知度增大，特别是在移动场景下将更为明显；同时，数据流在核心网处的汇聚和处理必然造成网络利用率不足，影响网络容量，最终导致用户体验欠佳。而对运营商而言，良好的用户体验无疑是保证较高的用户忠诚度、推动运营商制胜的关键所在。

3）现有架构下可扩展性先天不足：现有网络架构下，“竖井式”的部署模式将导致网络资源的分散，以及不同网络和不同业务之间的相对独立和难以协作与融合，从而不利于网络功能及资源的交叉调用和有效共享。同时，在对等业务普遍存在、本地流量占据主导的趋势下，对传输流管理和控制的重任仍需要核心网集中承担，这使得网络的正常运行过分依赖于中心控制节点，造成现有网络架构的管控效率低下、灵活性欠佳、可拓展性不足等问题。

2.网络架构的演进趋势

从运营商角度来看，单纯通过网元数目的增加和设备的升级来解决业务类型不断丰富、流量迅速增长与现网能力不足之间的矛盾并非长久之计，而通过网络结构的革新降低建网成本和运营维护开销、改进网络性能、提高网络扩展性和业务提供能力，才是更为根本的手段。在此需求的推动下，众多解决方案应运而生：

1）3GPP的直通隧道解决方案：3GPP演进到LTE R7阶段，通过采用直接隧道^[5]，即旁路SGSN、直接在eNode B和GW（相当于GGSN）之间建立通道的方法，实现了分组域网络的扁平化，如图7-5b所示。新的网络架构剔除了RNC，将其部分功能下移并入基站侧，一部分功能集成到核心网。接入网和核心网的两层网络结构可以有效降低传输时延、满足实时业务的低时延要求，同时也因减少网络实体而可节省建网和运营维护成本。

2）3GPP的LIPA/SIPTO解决方案：本地IP接入（LIPA）技术和IP数据分流（SIPTO）技术^[6]在网络扁平化的进程中又迈出了重要一步。基于LIPA技术，UE可以通过功能增强的家庭基站H（e）NB访问家庭/企业内部的IP资源，实现H（e）NB内的业务分流；而SIPTO技术则可通过家庭基站或宏网络基站使UE直接访问互联网。在上述策略中，数据业务不经过核心网转发，直接访问IP网络。该策略可以减小数据传递时延、提升用户体验，同时也能缓解核心网压力并节约传输成本。

3）中国移动的C-RAN解决方案：C-RAN^[7]是一种融合集中处理技术、多制式融合技术以及实时云型基础设施为一身的无线接入网。具体地，采用分布式RRH和集中式BBU基带池实现集中处理；通过基于通用处理器的多标准软件定义无线电（SDR）实现多制式融合；通过虚拟基站与资源融合使得基带处理平台趋于云化。此方案将有效减小网络能耗、降低网络成本，同时也使网络容量的提升和资源的有效利用成为可能。

4）华为的SingleRAN解决方案：包括统一平台基站、统一部署、统一运维三个层面。通过高配置基站使一个模块、通过一次部署就能够支持GSM/UMTS/LTE等多种无线制式，实现有效的资源集中共享和统一的网络融合管理，打造可盈利的移动宽带网络。

5）中兴的Uni-RAN解决方案：强调多制式多频段的灵活组网和基于软件升级的平滑演进。通过基于SDR的新一代基站实现多制式融合、满足高速网络的平滑演进需求，通过统一管理和统一运营维护减小成本、实现有效节能。

从上述技术方案来看，结构扁平化、资源集中化、多制式融合以及处理云化是未来网络架构演进的一致趋势。上述方案能够促进网络的统一建设和统一运营维护，可以在一定程度上提高网络效率、减小运营商支出、改善用户体验，但仍然无法解决或全部解决如前所述的诸多问题。因此，在网络架构演进的大趋势下，提出新的移动通信网络演进方案以实现运营商成本的压缩和用户体验的保证，建立适应用户新需求的业务部署模式以及适应业务融合的有效管控机制，仍然是学术界与产业界不断努力的方向。