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关键词 3G WCDMA 传输 SDH ATM
1、引言
随着3G不断深入发展，各大移动通信运营商无不展开紧锣密鼓的应战方案。为了提高企业核心竞争力，使企业尽快地从单一的移动通信运营商转变为多业务综合通信运营商，本着传输先行的原则，必须建设一个能够满足现有和以后业务发展的传送平台。对于传输网的规划和建设也必须充分利用现有资源，有计划按步骤逐步扩容和改造。本文就以大多数运营商现有的SDH传输网为基础，讨论了可行的3G传输网演进方案。
2、3G传输网结构和传输需求分析
2.1 3G网络的结构
WCDMA网络模型如图1所示，由RAN和CN两部分组成。R99版本在网络结构上的核心网继承了GSM/GPRS核心网结构，接入网则引入WCDMA；R4版本在核心方面引入了分组语音承载和基于Server/MGW的网络架构，接入网方面则主要是对R99版本的完善和优化，在Iub带宽需求上与R99没有太大变化；到R5后，由于HSDPA高速下行分组接入的引入，每用户数据速率会进一步升高，基站单小区的吞吐量最高可以达到8～10Mbit/s，对传输带宽的需求将较大幅度提升。3G网络最终是要实现全IP承载。
对于初期的WCDMA来说，传输网络需要解决的问题包括三个方面，一是核心网内交换和分组网元的互联，二是RNC与核心网的业务传输，第三是RNC到Node B之间的ATM业务承载。实际中，3G传输网主要分为接入层、汇聚层和骨干层传输。在3G建网模式中，RNC与核心网设备通常安装在中心节点中，在传输组网时可将RNC规划到骨干层，于是骨干层承担核心网网元间的连接以及RNC与核心网的传输。而Node B处于网络的边缘，数量庞大且分散在城乡各处，与RNC之间的业务连接必须通过城域传输网(传输网的接入层和汇聚层)来完成。在实际的业务传输中，基站设备全部直接由城域光传送网进行覆盖是不现实的，也采取多种方式来解决接入问题。因此，3G传输网的问题实质上就是3G运营商如何把Node B侧封装为ATM格式的数据安全、高效地传输至RNC侧。以下主要讨论Node B与RNC之间的传输方案。
实际设备在Node B侧常具有若干个E1，IMA E1和STM-1接口；在RNC侧，常具有大量的E1，IMA E1和通道化STM-1/4接口。本文将重点讨论Iub接口的传输方案。
2.2 网络结点传输需求分析
(1)Node B和RNC之间传输链路的计算
●总带宽：
W(total)=Node B支持的cell数目×每小区平均用户×(语音忙时吞吐率×α+数据忙时吞吐率×β)；
参数释义：α/β：语音/数据效率折算系数，α=2.1，β=1.2。
●单根链路的有效带宽：
E1链路的带宽：W(link)=a×2.048Mbit/s；公式中：a为E1传输负荷因子，一般取为0.7。
●根据上式可得电接口E1配置原则：
E1的数量=总带宽/单位链路带宽=W(total)/W(link)；注意：在Iub接口配置成光接口时，一个基站最大的容量配置时也远远小于155Mbit/s的容量，此时利用光接口主要是组网方面的考虑。
(2)Node B单站的传输需求
对于WCDMA来说，Node B的接入带宽需求由于用户干扰、临区干扰、扩频编码等因素，每个载频扇区的5MHz频谱资源不可能全部进行有效传输，经无线部门测定核实，每个载频扇区的有效传输带宽可以等效为65个8kbit/s的语音信道或3个384kbit/s的数据用户。另外，考虑到传输网络的容量冗余保护和额外的开销，可得不同站型Iub需要E1数量为：单载单扇区需要1个E1；单载三扇，需要2个E1；二载三扇，需要4个E1；三载三扇，需要6个E1；四载三扇，需要8个E1。由此可见，相对于2G基站1-2个E1的带宽需求来看，3G基站的带宽需求扩大了3-4倍。考虑3G建网之后将在热点地区逐步采用HSDPA技术，这些点将达到至少10M带宽的需求。目前，主流厂商的Node B设备提供E1，IMAE1和STM-1接口。
(3)RNC的接入带宽需求
以某中型城市为例，如果一个RNC覆盖500个基站，每个基站平均需要4个E1，那么最极端情况是需要RNC同时提供等效2000个E1的接口。此外，RNC还需提供至MSC，SGSN，相邻RNC等设备的电路。从以上现有商用实际设备的端口能力来看，RNC设备的接口数完全够用，如果要降低Node B接入对RNC所需提供的2Mbit/s接口数量的话，可以通过通道化的STM-1接口来取代大量2Mbit/s接口进行互联。目前，主流厂商的RNC设备提供E1，IMAE1，信道化STM-1接口和非信道化STM-1接口。
2.3 3G传输网需求分析
3G WCDMA采用更高的频率，基站覆盖范围略低于GSM.CDMA但随着移动网络技术特别是天线技术的进步，加上载频覆盖效率的提升，WCDMA网络基站的综合覆盖效率会与GSM网络基站基本相同或者略高，因此在无线本地网如果要实现相同的覆盖效果，WCDMA与GSM基站的数量应该基本相当。
以某中型城市为例，Node B基站数量需求为500。在实际规划预测中，市区部分，3G基站按6个2M，3G室内覆盖是按照2个2M；郊区部分，3G基站按照4个2M，3G室内覆盖按照平均1.5个2M；HSDPA则按每个点10M带宽，即5个2M。若平均下来每个Node B的带宽需求为4个E1，则一共需要2000个E1的基站带宽接入量。目前，运营商的省内骨干网多为2.G SDH环，考虑到一半的容量用作环保护，则每个骨干网可以提供的满负荷容量为8×63(504)个E1，则保守估计也需要建设5个左右的骨干网，来将Node B的业务接入量最终汇聚到1-2个RNC，同时汇聚层大约需要10个汇聚层环网组成。一般认为，每个汇聚环网可带6-8个接入环，每个接入环带不超过6个Node B，平均到每个汇聚环承载的3G业务量可达300多个E1，再加上网络承载的2G，2.5G业务电路和数据接入电路，随着3G业务的发展，现有汇聚、核心层2.5Gbit/s，10Gbit/s网络容量将显得更加有限。而随着3G各种应用快速发展，业务中将出现大量的突发数据业务，因此在传输骨干网扩容的同时在汇聚层面进行ATM业务汇聚也很有必要。
3、可行性方案比较
以上已经讨论过，对于WCDMA，连接RNC与Node B的Iub接口是传输的主要业务。由于Iub可采用IMA E1或ATM STM-1，不同接口的选择对传输组网的要求也不同，从而使传输组网面临比较复杂的局面。下面按Iub可采用的物理接口分别进行分析。
(1)全部采用ATM STM-1
传送方式：通过光纤直连方式或通过SDH，MSTP或ATM网络完成传送。
分析：光纤直连方式需要大量光纤资源，网络可维护性和安全性受限，实际中无法应用；通过ATM网络通过PVC可以实现分组业务的传送，但现有ATM网络不够健全，且成本太高，管理复杂；通过SDH网络透传占用大量静态配置带宽，网络资源快速消耗，对传输网压力太大；通过MSTP网络的ATM VP-Ring功能可以进行统计复用完成带宽收敛，但需要对现有SDH接入网进行改造，使所有Node B的传输节点要提供ATM STM-1接口，并提供ATM处理，成本太高。
结论：Node B与RNC通过ATM STM-1方式在3G初期应用较少。RNC与Node B之间可通过IMA E1互通，这样通过常规SDH，微波，LMDS，FSO，SHDSL等手段均可实现3G基站的接入，真正地简化了3G网络建设初期所面临的ATM传送问题。
(2)采用N×E1 IMA接口进行业务互联
分析：将若干Node B的N×E1 IMA通过SDH网络透传至RNC，此时RNC会有大量的2M接口，建设成本和维护压力巨大，且无法实现带宽的统计复用，带宽效率低；也可考虑通过在与RNC相连的汇聚点引入ATM交换机来完成若干Node B的N×E1 IMA到ATM STM-1的汇聚，并与RNC进行ATM STM-1的直连，以减少RNC侧大量2M接口需求，但引入ATM机将额外增加硬件成本，网络管理和维护复杂，且此时未能利用ATM的统计复用功能。借助MSTP+IMA功能在汇聚传输节点处，将Node B的N×E1 IMA汇聚成ATM STM-1接口，这要求接入传输网为支持IMA处理功能的MSTP网络，需要对已有网络进行全面改造，将大幅度增加传输建设成本；鉴于目前大多数厂商RNC设备均可提供信道化STM-1接口，也可考虑采用该方式：E1在SDH网络透传，在与RNC对接的汇聚SDH节点处将Node B的N×E1 IMA汇聚成信道化的STM-1接口，这对现有传输网不用进行任何改造。
结论：在3G传输网建设初期，考虑到充分利用现有资源，可利用SDH网络透传Node B的N×E1 IMA，在接入RNC的汇聚结点处汇聚成信道化的STM-1接口。虽然IMA接口方式具有方便灵活的特点，但目前业界3G厂家对IMA的支持情况各不相同，由于原有的3G网络设备是基于ATM网络进行开发的，而国内3G技术的跟进较晚，在研发之初对国内网络情况的适配性做了一定的准备，在RNC和Node B的接口上进行了较多的IMA接口处理，如华为RNC的E1接口能力达到2000个，而国外厂家如Nokia，Ericsson虽然在RNC上也做了一些IMA改进，但支持的IMA E1数量不多，普遍在100个左右，不能满足中型以上城市的Node B接入，从而提出了另一种Node B HUB方式。
(3)采用HUB Node B与RNC连接的方式
分析：边缘Node B和Hub Node B之间E1信号采用透传方式；Hub Node B内置ATM交换单元。其Iub侧为STM-1接口时，在传输层需借助MSTP的VP-Ring技术梳理带宽；若Hub Node B的Iub侧仍为N×E1接口，此时借助MSTP+IMA功能在汇聚传输节点处，将N×E1汇聚成ATM STM-1接口；或者通过SDH网络完成N×E1到信道化STM-1的转换。
结论：在Hub Node B(普通Node B内置一个基于AAL2的ATM交换单元)中，对外围基站接入的IMA E1进行转换，多个E1统计复用为ATM STM-1后与RNC互通，解决RNC提供E1能力不足的问题，同时也避免了外围基站覆盖时的STM-1压力。但是，这种方案也带来其它传输问题。Hub Node B由于机房条件的限制，考虑到安全因素，不可能带太多的外围Node B，若带外围Node B数量为5-6个，对于一个较大城市(3G频率高于GSM，基站数量不少于GSM，假设某中型城市Node B接入点为500个)，Hub Node B的数量超过80，若Hub Node B的Iub侧为STM-1接口时，这就意味着RNC到Node B HUB层面需要有80个155M接口需要传送，透传和光纤直连显然不可取，而城域网MSTP的ATM VP-Ring功能可成功解决这一问题。
4、结束语
基于以上讨论，本人认为SDH传输网向3G传输网的演进过程是一个逐步扩容和改造的过程。
(1)在骨干层：3G带来的RNC与Node B之间调度的中继电路将是一个庞大的数字。随着HSDPA技术的应用以及更多155M以上大颗粒电路的转接需求的出现，加之原有2G交换的扩容和数据业务的发展，骨干网急需扩容并逐步升级，可实现通过10G设备强大的组网能力组成网状网(MESH网)，使环网中的任意两点间都有高速的直达通路，利于业务的快速灵活疏导。
(2)在接入层和汇聚层：需要逐步优化和扩容，同时增加网络的地理覆盖范围。在3G的建设初期，3G基站或室内覆盖的接入可以采用SDH网络透传的方式，在与RNC对接的传输节上直接采用N×E1 IMA的方式或汇聚的信道化STM-1方式，也可同时结合HUB Node B方式，虽然带宽利用率不是很高，但ATM特性和处理全部在3G业务结点进行，业务网和传输网完全独立，网络层次清晰，可充分利用现有资源。
随着3G业务的发展同时考虑3G业务不均匀的特点，RNC需预留大量的E1端口或信道化的STM-1端口用于扩容，投资费用高昂。为了提高带宽利用率可在数据量较大的地区对相应的汇聚环进行MSTP改造，以增加ATM统计复用功能，此时可通过汇聚节点内置ATM卡实现VP-ring来进行业务量的统计复用和汇聚，节省汇聚和骨干层的带宽，同时减少RNC STM-1(ATM)接口数量。目前，MSTP上的ATM功能由于种种原因还不够完善，例如ATM板卡缺少IMA E1处理功能，且VP-ring不支持VC12颗粒，同时ATM的业务管理、拥塞管理等还不够健全。但随着3G的发展，以成熟SDH技术为基础的MSTP也将不断完善，同时向全IP承载方向发展演进。
