3G移動(dòng)核心網(wǎng)R4演進(jìn)方案

摘要　用戶數(shù)量增長放緩，市場(chǎng)趨于飽和，用戶的ARPU值直線下降，傳統(tǒng)的電信運(yùn)營商受到Internet的巨大沖擊，市場(chǎng)競(jìng)爭加劇等問題，不斷督促著設(shè)備提供商和電信運(yùn)營商建設(shè)更有成本優(yōu)勢(shì)、更強(qiáng)大、方便未來演進(jìn)的下一代移動(dòng)核心網(wǎng)絡(luò)。通過網(wǎng)絡(luò)融合和業(yè)務(wù)融合來減少OPEX和CAPEX，從而保護(hù)投資，通過增強(qiáng)基于語音的多媒體業(yè)務(wù)，促使用戶更多的使用網(wǎng)絡(luò)，提高網(wǎng)絡(luò)利用率。為了突破現(xiàn)有移動(dòng)核心網(wǎng)設(shè)備的性能瓶頸，必須向基于IP的、兼容2G/3G的移動(dòng)軟交換核心網(wǎng)演進(jìn)。本文詳細(xì)介紹了移動(dòng)核心網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，R4網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)，最后對(duì)R4的成熟度進(jìn)行了分析，并最終提出了3G核心網(wǎng)R4的演進(jìn)方案。

1、引言

目前，全球電信運(yùn)營商面臨的共同問題：用戶數(shù)量增長放緩，市場(chǎng)趨于飽和，用戶的ARPU值直線下降，傳統(tǒng)的電信運(yùn)營商受到Internet的巨大沖擊，市場(chǎng)競(jìng)爭加劇。這不斷督促著設(shè)備提供商和電信運(yùn)營商建設(shè)更有成本優(yōu)勢(shì)、更強(qiáng)大、更方便未來演進(jìn)的下一代移動(dòng)核心網(wǎng)絡(luò)。通過網(wǎng)絡(luò)融合和業(yè)務(wù)融合來減少OPEX和CAPEX，從而保護(hù)投資，通過增強(qiáng)基于語音的多媒體業(yè)務(wù)，促使用戶更多的使用網(wǎng)絡(luò)，提高網(wǎng)絡(luò)利用率。為了突破現(xiàn)有移動(dòng)核心網(wǎng)設(shè)備的性能瓶頸，必須向基于IP的、兼容2G/3G的移動(dòng)軟交換核心網(wǎng)演進(jìn)。

2、移動(dòng)核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

3GPP組織制定3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，3G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)分成R99，R4，R5，R6等階段。由兼容傳統(tǒng)的GSM，GPRS網(wǎng)絡(luò)逐漸向全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行演進(jìn)，最終形成全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

R99版本（3GPP TS 23.002）于1999年4月形成第一個(gè)版本，2000年3月全部完成。R99的核心網(wǎng)繼承了GSM以及GPRS核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特征，MSC負(fù)責(zé)呼叫控制建立和承載交換，同時(shí)整合VLR功能以控制用戶服務(wù)數(shù)據(jù)。MSC之間的信令和話務(wù)傳輸使用TDM承載方式，在UTRAN與MSC之間使用ATM承載方式。對(duì)于每一個(gè)話務(wù)鏈接，必須創(chuàng)建一條獨(dú)立的電路（時(shí)隙），而電路只能用于話務(wù)或信令中的一種（見圖1）。

圖1　R99網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

R4（3GPP TS 23.002）于2003年完成，提出了承載獨(dú)立的電路交換核心網(wǎng)絡(luò)的概念（3GPP TS 23.205）。也就是將MSC拆分成MSC-Server和MGW兩個(gè)網(wǎng)元，實(shí)現(xiàn)了呼叫控制與承載的分離。這樣可以按需擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)的控制或承載容量，并建立IP交換骨干網(wǎng)，向全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)（見圖2）。

圖2　控制與承載的分離

3、R4網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

3.1　降低成本

承載獨(dú)立的核心網(wǎng)絡(luò)能提供和傳統(tǒng)核心網(wǎng)相同的服務(wù)容量，而基于IP技術(shù)的話務(wù)通信使得移動(dòng)運(yùn)營商的運(yùn)營成本大大降低，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中只有幾臺(tái)少數(shù)昂貴的MSC-Server，便于統(tǒng)一維護(hù)管理。而負(fù)責(zé)承載的多局所網(wǎng)元是相對(duì)便宜的MGW，MGW還有著體積小、耗電少、維護(hù)簡單的特點(diǎn)，這樣在機(jī)房規(guī)模、網(wǎng)元數(shù)量、維護(hù)人員等方面都可優(yōu)化開支。

3.2　提高網(wǎng)絡(luò)利用率

呼叫控制和承載的分離使得移動(dòng)運(yùn)營商可根據(jù)業(yè)務(wù)需求獨(dú)立地對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量進(jìn)行擴(kuò)充的優(yōu)化，同時(shí)一個(gè)通用的IP交換骨干網(wǎng)被用于話務(wù)、數(shù)據(jù)、信令的傳輸，這樣精簡了傳輸網(wǎng)的復(fù)雜度，從而大幅提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

3.3　平滑升級(jí)

由于MSC-Server可由MSC軟硬件升級(jí)而成，設(shè)備改造周期大大縮小，對(duì)現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)影響較小。而MGW是獨(dú)立的新網(wǎng)元，其引入不影響現(xiàn)網(wǎng)MSC的業(yè)務(wù)，只需在MSC-Server上修改數(shù)據(jù)即可。

3.4　支持網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)

考慮到IMS（IP-based Multimedia Subsystem）被確認(rèn)為移動(dòng)核心網(wǎng)未來發(fā)展方向，R4的設(shè)備在IMS階段仍可通用，例如大量的MGW作為話務(wù)的承載局，只需要對(duì)其部分TDM傳輸接口進(jìn)行改造，就可直接運(yùn)用于R5，R6全I(xiàn)P的IMS網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)了運(yùn)營商投資。

4、R4網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)

R4網(wǎng)絡(luò)通過直接拆分MSC的呼叫控制和承載功能來實(shí)現(xiàn)，在這一過程中現(xiàn)網(wǎng)MSC到其他網(wǎng)元（例如SCP HLR）的接口不變，即現(xiàn)有業(yè)務(wù)不受影響。登網(wǎng)手機(jī)不會(huì)意識(shí)到單獨(dú)MSC與MSC-Server/MGW的區(qū)別。因此，我們可以認(rèn)為R4的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是核心網(wǎng)內(nèi)部的變化，不會(huì)對(duì)其他網(wǎng)元、接口、子系統(tǒng)產(chǎn)生影響，特別是對(duì)GPRS設(shè)備。

（1）MSC-Server的主要職責(zé)是鏈接管理。它負(fù)責(zé)所有的呼叫控制信令，例如呼叫建立、呼叫轉(zhuǎn)移、位置更新、路由、切換、計(jì)費(fèi)、話務(wù)統(tǒng)計(jì)等。同時(shí)負(fù)責(zé)“指揮”MGW。MSC-Server負(fù)責(zé)CS域中主叫和被叫的呼叫，響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)用戶層信令（3GPP TS 24.008），通過Nc接口傳輸呼叫控制信令，通過Mc接口控制MGW。

（2）MGW（Media Gateway）同時(shí)負(fù)責(zé)來自電路交換網(wǎng)絡(luò)的TDM承載和來自多媒體流網(wǎng)絡(luò)的IP或ATM承載，例如話務(wù)交換、回音控制、鈴音的廣播等。它通過Mc接口接受來自MSC-Server的控制信令，通過Iu和Nb接口傳輸控制承載。

（3）Mc接口定義在MSC-Server和MGW之間，應(yīng)用H.248協(xié)議以及3GPP定義的相關(guān)擴(kuò)充。H.248協(xié)議由ITU-T和IETF聯(lián)合開發(fā)，支持獨(dú)立的呼叫控制實(shí)體和承載實(shí)體。

（4）Nc接口定義在MSC-Server之間，應(yīng)用承載獨(dú)立話務(wù)控制協(xié)議（BICC），BICC在ITU-T Q.1902中定義，用于建立各種類型承載。

（5）Nb接口定義在MGW之間，實(shí)現(xiàn)承載控制和傳輸（見圖3）。

圖3　R4網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)元與接口

5、R4成熟度分析

隨著電信網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)逐漸成熟，它逐漸成為下一代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)。在R4中，核心網(wǎng)電路域引入了分層結(jié)構(gòu)，承載層與控制層分離，控制層與業(yè)務(wù)層分離。目前看來，這種軟交換的組網(wǎng)方式已成為下一代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)，在全球范圍內(nèi)，這種分層的軟交換結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)進(jìn)行了廣泛地實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，分層結(jié)構(gòu)被證明是可行的，是比較成熟的。

在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通用化方面，早期移動(dòng)通信交換機(jī)的全部硬件直至芯片都是某個(gè)廠家專有的，而目前的移動(dòng)通信交換機(jī)芯片已基本采用通用芯片，但硬件板的設(shè)計(jì)和操作系統(tǒng)等仍是由廠家專有。由于電信設(shè)備相對(duì)的不開放性，導(dǎo)致電信界的技術(shù)發(fā)展相對(duì)不如IT的技術(shù)發(fā)展日新月異，且成本相對(duì)較高。

3G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通用化是有目共睹的。在硬件平臺(tái)方面，普遍被業(yè)界認(rèn)可的是ATCA（Advanced Telecom Computing Architecture）平臺(tái)，這個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)由PICMG提出，以適應(yīng)下一代移動(dòng)通信的應(yīng)用，提供比現(xiàn)有的基于設(shè)備供應(yīng)商專有設(shè)備更強(qiáng)大的功能和通用性。ATCA較為開放，目前已有超過100家廠商參與ATCA的開發(fā)與應(yīng)用，包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商、電腦OEM廠商、計(jì)算機(jī)應(yīng)用平臺(tái)供應(yīng)商以及第三方軟硬件銷售商。其中像Motorola，Intel硬件廠商都提供商用的ATCA硬件。在操作系統(tǒng)方面，目前業(yè)界趨勢(shì)是電信級(jí)Linux像Redhat，Novell等公司都提供商用軟件。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備平臺(tái)通用化能在成本優(yōu)化、快速業(yè)務(wù)引入、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定和質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)和融合等方面滿足下一代移動(dòng)核心網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)要求。尤其是在網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)和融合方面，由于采用和IT界類似的分工方式，下層如硬件、以至操作系統(tǒng)，普遍繼承了IT界的最新技術(shù)，從而提供了電信、IT網(wǎng)絡(luò)融合良好的基礎(chǔ)和可能。

我們同時(shí)也看到基于IP的電信網(wǎng)尚未成熟。作為電信級(jí)的網(wǎng)絡(luò)，要求具備高度的可靠性、可用性、規(guī)模性和安全性，對(duì)服務(wù)質(zhì)量的要求有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。IP協(xié)議針對(duì)數(shù)據(jù)通信的特點(diǎn)，建立了盡力而為的機(jī)制，但是，IP如果要提供電信級(jí)的服務(wù)，在技術(shù)上還有一些問題需要完善，尤其是服務(wù)質(zhì)量和安全方面，目前還沒有高度有效的保證措施。在核心網(wǎng)部分全面使用IP技術(shù)的時(shí)機(jī)還未成熟，所以R4是網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)中的不可或缺的重要環(huán)節(jié)。

6、向R4的演進(jìn)

6.1　向R4演進(jìn)的第一步

由傳統(tǒng)核心網(wǎng)向混合組網(wǎng)的過度演變。2G網(wǎng)絡(luò)一般由傳統(tǒng)非軟交換的MSC組成，控制和承載集中在單個(gè)網(wǎng)元實(shí)體中（見圖4）。通過向網(wǎng)絡(luò)中引入基于ACTA平臺(tái)的MGW軟交換，逐步分擔(dān)來自無線網(wǎng)絡(luò)或其他網(wǎng)絡(luò)的話務(wù)承載，建立TDM/ATM/IP混合組網(wǎng)（見圖5）。對(duì)于軟交換和非軟交換移動(dòng)核心網(wǎng)混合組網(wǎng)，從2G移動(dòng)核心網(wǎng)角度來看，新建的3G軟交換MGW相當(dāng)于新建的端局MSC，不影響現(xiàn)有2G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。從3G軟交換角度來看，新建的軟交換MGW與2G移動(dòng)核心網(wǎng)是獨(dú)立的，但是承載了2G業(yè)務(wù)并與2G移動(dòng)核心網(wǎng)互通。這個(gè)演進(jìn)步驟風(fēng)險(xiǎn)小，有利于建設(shè)維護(hù)管理的經(jīng)驗(yàn)積累。

圖4　傳統(tǒng)核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖5　核心網(wǎng)引進(jìn)多媒體網(wǎng)關(guān)

6.2　向R4演進(jìn)的第二步

當(dāng)混合網(wǎng)絡(luò)中多局所MGW承擔(dān)起了絕大多數(shù)的話務(wù)承載后，將非軟交換的MSC替換成軟交換的MSC-Server，建立全網(wǎng)軟交換的R4網(wǎng)絡(luò)。這樣的網(wǎng)絡(luò)支持2G/3G多協(xié)議一體化，同時(shí)支持GSM，3GPP R99/R4協(xié)議棧，控制層MSC-Server和承載層MGW既可作為2G MSC，也可作為R99的MSC或R4的MSC-Server/MGW網(wǎng)元，能夠滿足少局所、大容量的運(yùn)營要求。還支持雙歸屬網(wǎng)絡(luò)容災(zāi)，通過將一個(gè)或多個(gè)MGW同時(shí)連接到兩個(gè)MSC-Server上，這兩個(gè)MSC-Server符合分擔(dān)，互為備份，極大地提高了大容量網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的容災(zāi)能力（見圖6）。

圖6　R4網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

7、結(jié)束語

以上是對(duì)移動(dòng)核心網(wǎng)演進(jìn)的一種方案的分析，總的來說，隨著3G的到來，采用傳統(tǒng)的2G MSC設(shè)備擴(kuò)容，不利于保護(hù)投資。只有將軟交換引入移動(dòng)核心網(wǎng)改造，建立3G R4網(wǎng)絡(luò)，才能適應(yīng)今后的發(fā)展。真正做到同時(shí)支持2G，3G網(wǎng)絡(luò)，將來還可在R4全網(wǎng)軟交換化的基礎(chǔ)上，通過軟硬件升級(jí)演進(jìn)到R5/R6 IMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。