3G信令網(wǎng)組網(wǎng)方案研究

摘要　針對3G的R4版本，提出了兩種適用于中國的可行的信令網(wǎng)組網(wǎng)方案，對這兩種方案進行了分析比較，并針對M3UA的缺陷給出了改進方案。

隨著3G技術(shù)和設(shè)備的逐漸成熟，3G組網(wǎng)的研究已經(jīng)成為了移動運營企業(yè)關(guān)注的熱點。從3GPP制定的WCDMA標(biāo)準(zhǔn)來看，目前有R99、R4、R5、R6四個版本可供選擇，但基本上成熟且可用的版本主要以R99和R4為主。

R99引入了無線接入網(wǎng)（RAN）和WCDMA空中接口技術(shù)，它的核心網(wǎng)繼承了基于TDM技術(shù)的GSM/GPRS核心網(wǎng)。這種核心網(wǎng)既不利于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展，又不利于未來網(wǎng)絡(luò)的演進和融合。

而R4版本將移動交換中心（MSC）拆分成MSC服務(wù)器（MSC Server）和媒體網(wǎng)關(guān)（MGW）兩個實體，可以通過集中設(shè)置MSC Server、分散放置MGW的方式，達到大容量、廣覆蓋、少局所的目的。同時采用基于IP的承載網(wǎng)，大大節(jié)省構(gòu)建傳輸網(wǎng)的成本。因此R4是現(xiàn)階段最適用于中國移動網(wǎng)絡(luò)的3G版本，受到運營商的普遍關(guān)注。作為3G業(yè)務(wù)的核心支撐網(wǎng)的R4信令網(wǎng)，它的組網(wǎng)自然就成為了3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的焦點和難點之一。

一、R4階段信令網(wǎng)的功能

R4網(wǎng)絡(luò)中的核心設(shè)備MSC Server之間采用的是與承載無關(guān)的呼叫控制協(xié)議（BICC）。3GPP已經(jīng)明確說明，BICC信令承載在IP網(wǎng)絡(luò)，它采用的協(xié)議棧是BICC/第三層用戶適配層（M3UA）/流控制傳輸協(xié)議（SCTP）/IP、MSC Server與MGW之間的H.248協(xié)議。另外，MSC Server和歸屬位置寄存器（HLR）、業(yè)務(wù)控制節(jié)點（SCP）、短信業(yè)務(wù)控制器（SMSC）、非結(jié)構(gòu)化補充數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中心（USSDC）等設(shè)備間將繼承2G網(wǎng)絡(luò)中的用于用戶移動性管理、智能業(yè)務(wù)、短消息業(yè)務(wù)或非結(jié)構(gòu)化補充數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（USSD）的移動應(yīng)用部分（MAP）或CAMEL應(yīng)用部分（CAP）信令。R4信令網(wǎng)同樣要像2G的信令網(wǎng)一樣，能夠完成GT翻譯和七號信令連接控制部分（SCCP）尋址，以實現(xiàn)3G網(wǎng)絡(luò)中的相應(yīng)業(yè)務(wù)。

因此，R4信令網(wǎng)的主要功能就是完成BICC信令接續(xù)，并負責(zé)移動應(yīng)用、智能業(yè)務(wù)、短消息業(yè)務(wù)和USSD等業(yè)務(wù)的GT翻譯和SCCP尋址。

二、R4信令網(wǎng)組網(wǎng)考慮

1.TMSC server引入的必要性

理論上講，由于IP地址的可達性，R4信令網(wǎng)中各MSC Server之間可以采用平面組網(wǎng)方式，即網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)。這種組網(wǎng)方式在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小或網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的初期是完全適用的。但是隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，這種組網(wǎng)方式還是存在一定的缺陷。

首先，從管理角度來看，隨著網(wǎng)絡(luò)的擴容，每增加一個MSC Server，其他所有的MSC Server就需要配置相應(yīng)的路由數(shù)據(jù)，維護和管理都很麻煩。其次，從技術(shù)角度來看，在R4網(wǎng)絡(luò)中雖然不用考慮基于點到點的TDM傳輸鏈路，但是需要考慮每個網(wǎng)元所能支持的M3UA鏈路（SCTP偶聯(lián)）數(shù)，因為每個網(wǎng)元所支持的偶聯(lián)數(shù)是有限的，也就是說它只能與有限的網(wǎng)元建立信令關(guān)系。

我們可以通過定量分析，看看在一個比較成熟的R4網(wǎng)絡(luò)中，是否需要按照分級結(jié)構(gòu)進行組織。

目前，北京移動公司的移動用戶已超過900萬，考慮到3G用戶是高端用戶，而且北京是一個經(jīng)濟發(fā)達的直轄市，所以以450萬作為一個R4發(fā)展比較好的省的參考用戶數(shù)應(yīng)該比較合理。

而大多數(shù)廠家一套MSC Server的容量一般在100萬左右�？紤]到安全和冗余，一對MSC Server完全可以為80萬人口的管理域提供服務(wù)。這樣，一個省內(nèi)只需要部署6對、12套MSC Server即可為全省的用戶提供3G服務(wù)。由于每個MSC Server還可能與HLR、SCP、SMSC、USSDC等實體建立偶聯(lián)，如果采用平面組網(wǎng)方式，這樣一套MSC Server為了與其他網(wǎng)元建立信令關(guān)系，就需要支持超過1 000條M3UA鏈路。而目前很多廠家的設(shè)備尚不能支持1 000條偶聯(lián)。因此，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，平面型網(wǎng)絡(luò)必然向分級網(wǎng)絡(luò)演進。演進的途徑就是引進匯接移動交換中心服務(wù)器（TMSC Server），由其負責(zé)BICC呼叫信令的接續(xù)和管理，同時也減少了對偶聯(lián)的需求。

在R4網(wǎng)絡(luò)中，TMSC Server不是簡單的TMSC，它不具有承載控制功能，所以不能用2G的眼光簡單地把它看成是話務(wù)網(wǎng)的一部分。實際上，由于TMSC Server只負責(zé)BICC信令的接續(xù)和處理，應(yīng)該將其看成是信令網(wǎng)的一部分。

2.獨立IP STP引入的必要性

在R4網(wǎng)絡(luò)中，仍然繼承了2G的用戶移動性管理、智能網(wǎng)業(yè)務(wù)和短消息等業(yè)務(wù)，對GT的翻譯和SCCP尋址的需求依然存在。由于R4網(wǎng)絡(luò)是一個基于IP分組交換技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)，隨著網(wǎng)絡(luò)的演進和發(fā)展，傳統(tǒng)MAP和CAP信令必將承載在IP之上，即會出現(xiàn)IP HLR、IP SCP等實體。如果GT的翻譯和SCCP的尋址仍然依賴于2G網(wǎng)絡(luò)中的信令轉(zhuǎn)接點（STP），必將增加路由的復(fù)雜度和不確定因素，造成傳輸資源的浪費。

因此，獨立IP STP的出現(xiàn)是個必然趨勢。在實際的演進過程中，IP STP可以從2G的STP升級而來，也可能是從信令網(wǎng)關(guān)（SG）演進而來。

獨立IP STP的引入，一方面增強了GT翻譯和SCCP路由能力，另一方面也可以保證所有端點屏蔽其他IP SP的IP地址和端口，提高安全性。此外，IP STP的引入也可以進一步降低對偶聯(lián)數(shù)的需求。

3.BICC信令是否有必要經(jīng)過IP STP轉(zhuǎn)接

在傳統(tǒng)的七號信令網(wǎng)絡(luò)中，如果已經(jīng)存在MSC到STP的TDM鏈路，為了節(jié)約TDM鏈路，一般不會再建設(shè)MSC到TMSC之間的TDM鏈路。

對于基于IP信令承載的R4網(wǎng)絡(luò)來說，由于網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)引入了TMSC Server和IP STP，MSC Server與TMSC Server和IP STP之間的偶聯(lián)原本就有，所以BICC信令既可以從MSC Server經(jīng)過IPSTP接續(xù)到TMSC Server（準(zhǔn)直聯(lián)方式），也可以不經(jīng)過IP STP直接接續(xù)到TMSC Server（直聯(lián)方式）。

但是在IP技術(shù)作為承載的信令網(wǎng)中，BICC信令沒有必要經(jīng)過IP STP來轉(zhuǎn)接。而且，如果BICC信令經(jīng)過IP STP轉(zhuǎn)接，一方面會增加IP STP的負荷，另一方面可能會增加網(wǎng)絡(luò)的不可靠性。所以對于BICC呼叫，不建議采用準(zhǔn)直聯(lián)方式。

三、3G R4的信令網(wǎng)組網(wǎng)方案

1.方案概述

在3G的R4信令網(wǎng)中，從協(xié)議的成熟度和設(shè)備的支持能力來看，目前所能預(yù)見到的主要是采用M3UA/SCTP/IP或信息傳輸部分第3級（MTP3）/點對點適配層（M2PA）/SCTP/IP的方式，并針對信令協(xié)議適配層的特點，把不需要同2G或PSTN互通的信令在IP信令網(wǎng)上傳送。對于要與PSTN或2G網(wǎng)進行互通的功能，可以利用IP信令網(wǎng)中IP STP的SG功能予以實現(xiàn)。

2.方案一：M3UA+M2PA方案

（1）方案一的基本思路

在這種方案下，IP STP的接入側(cè)采用了M3UA協(xié)議，而IP信令網(wǎng)的核心（IP-STP/SG間）采用了以MTP3為基礎(chǔ)的協(xié)議，MTP3下的承載可以采用M2PA協(xié)議。這個方案的一個優(yōu)點就是利用MTP3的路由關(guān)聯(lián)的完善性，提供了在IP STP間的網(wǎng)絡(luò)可靠性。

在這種方案下，IP STP的接入側(cè)之所以采用了M3UA協(xié)議，主要有以下幾方面考慮：

●IP STP設(shè)備從SG設(shè)備發(fā)展而來，目前的主導(dǎo)方式是采用M3UA協(xié)議實現(xiàn)IP與七號信令的互通；

●目前，多數(shù)廠家的IP SP設(shè)備采用M3UA協(xié)議。從發(fā)展的眼光看，信令網(wǎng)的變化不應(yīng)引起邊緣節(jié)點的升級；

●3GPP定義的BICC的協(xié)議傳送基于M3UA協(xié)議。

在網(wǎng)間使用M2PA+MTP3協(xié)議的主要考慮是既可以利用傳統(tǒng)信令網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)可靠性，又可以利用IP傳送網(wǎng)高帶寬、低成本的特點。

（2）方案的變化

因此在方案一的基礎(chǔ)上，有些技術(shù)研究單位和設(shè)備廠家也提出了能否在SG上就把M2PA協(xié)議作為IP網(wǎng)與信令網(wǎng)互通的一個基準(zhǔn)，從而確保未來在信令網(wǎng)層面能實現(xiàn)統(tǒng)一示。

在這個方案變化中，由于全程使用了MTP3+M2PA的形式，從而使網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度得到了簡化，同時我們也可以把這種組網(wǎng)理解為傳統(tǒng)七號信令網(wǎng)實現(xiàn)IP承載化的一個方案，即現(xiàn)有的七號信令設(shè)備增加IP接口就可形成IP信令網(wǎng)。

該方案最大的阻力就在于涉及到端設(shè)備的改造。由于目前很多端設(shè)備，如MSC Server都是只支持M3UA而不支持M2PA，如果采用該方案，就要求所有的端設(shè)備都支持M2PA，這對網(wǎng)絡(luò)的改造量非常大。而且，M2PA本身也具有自身的缺點，并不見得是很好的解決方案。

但從某種角度上講，這個方案的變化也存在著一些嚴(yán)重的缺陷：

●如果邊緣采用M2PA方式，意味著所有的IP節(jié)點要繼續(xù)支持七號信令協(xié)議，所以對現(xiàn)有設(shè)備的改造問題是困擾邊緣設(shè)備使用M2PA的一個主要問題；

●M2PA本身與SCTP一起構(gòu)成傳統(tǒng)七號信令系統(tǒng)的MTP2層，對協(xié)議棧而言，顯得比較臃腫，效率不高。

3.方案二：純M3UA方案

考慮到在IP STP的接入側(cè)采用了M3UA，提出了在IP STP之間也使用M3UA協(xié)議。

但由于M3UA協(xié)議在最初制定時，更多的考慮是用在IP網(wǎng)絡(luò)和七號網(wǎng)絡(luò)的互通上，它缺乏網(wǎng)絡(luò)級的管理功能。將其用在IP SP之間尚可接受，如果用在IP STP之間，它也就只能起到傳送信令消息的功能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某一偶聯(lián)或某一STP出現(xiàn)故障，它就無法保證消息不被丟棄。換句話說，采用M3UA所提供的網(wǎng)絡(luò)可靠性相對較差。

4.不同方案間的分析比較

顯然，方案一和方案二各有各的優(yōu)缺點，而且這兩個方案的優(yōu)缺點的本質(zhì)是M3UA和M2PA的差別。

對于M3UA，它的優(yōu)點是協(xié)議棧簡單，使得BICC和SCCP協(xié)議繞過七號信令系統(tǒng)中復(fù)雜的MTP協(xié)議而直接承載在IP層之上，完成了應(yīng)用協(xié)議在底層上從TDM技術(shù)向IP技術(shù)的平滑過渡。采用M3UA，人們可以完全不用關(guān)注底層，不用考慮信令消息是通過TDM鏈路還是通過IP鏈路來傳遞和檢驗，而直接關(guān)注于上層應(yīng)用協(xié)議的內(nèi)容。說白了，從事BICC、MAP或CAP的工程技術(shù)人員，沒有必要再去了解七號信令系統(tǒng)中的MTP協(xié)議。

但是M3UA本身只定義了應(yīng)用服務(wù)器進程（ASP）和SG、IP SP和IP SP之間的應(yīng)用場景，并沒有涉及到IP STP和IP STP的應(yīng)用場景，它的很多信令網(wǎng)管理消息并不能應(yīng)用于IP STP之間，正是M3UA這種先天上的缺失，造成了以M3UA組成的信令網(wǎng)路由上的不可靠性。此外，M3UA本身也不支持倒換機制。

而對于M2PA，它的優(yōu)勢是支持MTP3的原語，可以利用MTP3層的完善的信令網(wǎng)網(wǎng)管功能來保障IP信令網(wǎng)的可靠性。但是M2PA本身也具有很多先天設(shè)計上的缺陷。首先，M2PA保留了MTP2的FSN和BSN，這與SCTP的TSN和C_TSN的功能是重疊的，可以說，M2PA和SCTP這兩層共同完成了傳統(tǒng)七號信令系統(tǒng)中MTP2的主要功能。這種冗余無疑造成協(xié)議棧的臃腫和效率的降低。此外，為了無縫支持MTP3的倒換功能，M2PA只能通過一個流來發(fā)送數(shù)據(jù)消息，這使得SCTP多流傳遞的優(yōu)勢沒有發(fā)揮出來。另外，M2PA本身提供的類似七號信令鏈路的定位機制其實在基于IP技術(shù)的SCTP偶聯(lián)中所發(fā)揮的也就是一個模擬再現(xiàn)的作用，并沒有什么實質(zhì)性的意義。

通過對M3UA和M2PA的分析，就不難看出這兩種方案的優(yōu)缺點了。

（1）方案一的優(yōu)缺點

對于方案一，它的優(yōu)點是：

●IP STP間采用M2PA協(xié)議，使得IP信令網(wǎng)的路由能力繼續(xù)依靠MTP3予以保證，路由的完善性同傳統(tǒng)的七號網(wǎng)絡(luò)相同；

●在信令網(wǎng)的核心仍可以通過倒換機制進一步保證消息傳遞的可靠性，但在信令網(wǎng)的邊緣仍未能提供倒換機制，除非采用方案一的變種，即全程使用M2PA的方案。倒換機制可以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，但是這種提高也是有限的。

方案一的缺點：

●網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點要支持復(fù)雜的MTP3協(xié)議；

●網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備要支持多種協(xié)議，可能會出現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換兼容的問題，給未來的運營維護帶來困難；

●M2PA和SCTP的功能重疊，帶來協(xié)議棧的臃腫和效率降低；

●不能發(fā)揮出SCTP的多流的優(yōu)勢。

（2）方案二的優(yōu)缺點

對于方案二，它的優(yōu)點是：

●IP STP間采用M3UA協(xié)議，使得IP信令網(wǎng)中IP STP的協(xié)議棧簡單清晰，不需要多種協(xié)議間的轉(zhuǎn)換；

●對于工程技術(shù)人員來說，不需要再繼續(xù)了解七號信令系統(tǒng)復(fù)雜的MTP協(xié)議，而只關(guān)注于IP技術(shù)以及相應(yīng)的應(yīng)用層協(xié)議；

●協(xié)議統(tǒng)一、便于管理維護；

●可以充分利用SCTP的多流的優(yōu)勢。

方案二的缺點：

●目前的M3UA協(xié)議不具備組大網(wǎng)的條件，會限制發(fā)展；

●相關(guān)的M3UA的改進工作比較多，從標(biāo)準(zhǔn)制定到研發(fā)和測試，工作量較大。

顯然，在未對M3UA進行擴展的前提下，方案一是一個比較實用的方案。

5.方案二的實施過程

如果采用方案二進行組網(wǎng)，其發(fā)展過程可能是如下步驟。

第一步：M3UA不完善前只引入一對IP STP。

按照目前的情況，R4網(wǎng)絡(luò)的MSC Server節(jié)點數(shù)量控制在每省一對的話，初期的IP STP可以先采用一對，此時不需要涉及M3UA的改造問題。3G網(wǎng)內(nèi)的GT翻譯（采用新網(wǎng)號）可以由IP STP只翻譯一次，選擇到目的地。當(dāng)3G用戶呼叫2G網(wǎng)用戶時，IP STP作為SG，將SCCP信令消息翻譯到對應(yīng)省的30個HSTP上即可，反之，也可以由2G網(wǎng)的STP將消息翻譯到IP STP上，與此同時啟動M3UA協(xié)議的擴展工作。

第二步：M3UA完善后，引入多對STP。

當(dāng)M3UA協(xié)議擴展完善后，M3UA協(xié)議可以提供完備的路由功能，并在進行了完備的測試后，就可以再考慮引入新的IP STP設(shè)備，此時只需要再對原有的IP STP上的M3UA協(xié)議進行升級，就可以保證信令網(wǎng)具有較高的可靠性。如果有條件，對IP SP的M3UA協(xié)議也進行升級，完善鏈路級和鏈路組級的倒換機制，這樣，采用M3UA作為信令網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的信令網(wǎng)基本上就具備了MTP3協(xié)議所能提供的網(wǎng)絡(luò)可靠性。

6.M3UA需要完善的內(nèi)容

我們以前提到，M3UA不完善主要表現(xiàn)在倒換機制和路由管理、擁塞控制方面。其中，對網(wǎng)絡(luò)影響最大的是路由管理方面的缺陷。

（1）倒換機制

在傳統(tǒng)七號信令系統(tǒng)的MTP3協(xié)議中，當(dāng)鏈路在鏈路組內(nèi)或鏈路組間發(fā)生倒換時，會通過COO/COA消息中的“最后收到的消息的FSN”參數(shù)通知對端本端在倒換前最后收到的消息的順序號。這樣對端就能夠在倒換后的鏈路上發(fā)送這個順序號之后的后續(xù)消息，保證鏈路在倒換過程中沒有消息被丟棄。

M3UA鏈路（SCTP傳輸通路）在正常情況下的切換不會發(fā)生消息的丟棄，但是在異常中斷的情況下，消息的丟失不可避免。因為，當(dāng)傳輸通路出現(xiàn)異常故障導(dǎo)致業(yè)務(wù)量在不同的傳輸通路之間切換時，新的通路并不知道發(fā)生故障的通路中哪些已發(fā)送的消息還未被證實，從而無法在新的通道上重發(fā)這些消息，這樣所有的這些未被證實的消息就會被丟棄。這就有點像MTP3協(xié)議中的緊急倒換，所以，消息的丟棄是難免的。此外，M3UA也不支持M3UA鏈路組（SCTP端點）間的倒換，即不能將原本發(fā)往IP STP1的消息在倒換之后發(fā)給IP STP2。

因此，M3UA要保證所傳送的消息不被丟棄，必須完善鏈路級和鏈路組級的倒換機制。具體做法就是引入MTP3的倒換消息以及相關(guān)的處理程序。

（2）路由管理

M3UA協(xié)議提供了DUNA和DAVA消息，分別表示目的地不可用和目的地可用，但是只規(guī)定SG和ASP之間采用這兩個消息的程序，并沒有規(guī)定IP STP之間的程序。這樣，當(dāng)IP STP1向IP STP2發(fā)送關(guān)于某個IP SP（假設(shè)是IP SP1）的DUNA消息，表示IP SP1不可達時，IP STP2并不會向與IP STP2相連的所有IP SP廣播這條DUNA消息。這樣，IP STP2側(cè)的這些IP SP并不知道IP SP1已經(jīng)故障，就有可能繼續(xù)向IP SP1發(fā)送消息。

倒換機制不完善，則消息的丟失只會發(fā)生在SCTP檢測出IP SP故障所用的時間段之內(nèi)，當(dāng)SCTP端點檢測出了故障，之后的消息會被M3UA緩存起來，等到另一個IP SP激活之后再發(fā)送這些消息。但是，路由管理功能的不完善，將使整個網(wǎng)絡(luò)處于一種分割的盲目的狀態(tài)，發(fā)出去的消息隨時都可能被丟棄。

因此，完善M3UA協(xié)議，必須完善IP STP之間的一些路由管理程序。

（3）擁塞管理

M3UA的其他七號信令網(wǎng)管理消息（SSNM），如信令網(wǎng)擁塞（SCON）消息也存在類似的問題。IP STP2也不會向與之相連的所有IP SP廣播SCON消息，這樣IP STP2側(cè)的這些IP SP還是可能繼續(xù)向發(fā)生擁塞的IP SP發(fā)送大量的信令消息。這個問題不是很嚴(yán)重，但是為了提高信令網(wǎng)的可靠性，也可以對IP STP之間的SCON消息傳送程序做進一步的完善。

四、結(jié)語

現(xiàn)階段，R4無疑是中國移動運營商的首選。但是目前，對于R4信令網(wǎng)的組網(wǎng)方案一直還處在研究階段，而且沒有一種十全十美的方案。如果采用方案一，則需要端設(shè)備支持M2PA，如果采用方案二，要需要完善M3UA，以保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性。無論方案如何，未來信令網(wǎng)的IP化的趨勢已經(jīng)日趨明顯。