基于軟交換的2G移動(dòng)通信本地網(wǎng)組網(wǎng)方案

摘要　軟交換和3C技術(shù)日趨成熟，而3G運(yùn)營牌照遲遲未發(fā)，為此移動(dòng)運(yùn)營商開始尋求在傳統(tǒng)2G核心網(wǎng)中的軟交換解決方案，一方面可以滿足2G網(wǎng)絡(luò)不斷增長的需求，另一方面可以為移動(dòng)運(yùn)營商今后部署3G網(wǎng)絡(luò)積累經(jīng)驗(yàn)。對基于軟交換技術(shù)的2G移動(dòng)本地網(wǎng)組網(wǎng)方案進(jìn)行了探討，并闡述了其給運(yùn)營商帶來的優(yōu)勢。

1、將軟交換技術(shù)引入移動(dòng)本地網(wǎng)

軟交換技術(shù)為通信運(yùn)營商提供了技術(shù)轉(zhuǎn)型和戰(zhàn)略發(fā)展的機(jī)遇，是運(yùn)營商提升核心競爭力的重要技術(shù)手段之一。隨著軟交換技術(shù)的逐步成熟，無論是固網(wǎng)運(yùn)營商還是移動(dòng)運(yùn)營商，開始紛紛試水軟交換應(yīng)用。軟交換技術(shù)率先在長途網(wǎng)和匯接網(wǎng)獲得了應(yīng)用，并逐步向接入網(wǎng)和移動(dòng)本地網(wǎng)滲透。

對于現(xiàn)有移動(dòng)運(yùn)營商來說，將軟交換技術(shù)引入移動(dòng)本地網(wǎng)，為其解決2G交換網(wǎng)存在的問題提供了機(jī)遇。目前2G移動(dòng)運(yùn)營商，其交換網(wǎng)絡(luò)的瓶頸主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）設(shè)備容量小、處理能力低�，F(xiàn)網(wǎng)交換機(jī)容量小，處理能力低，數(shù)量多，并不符合“大容量，少局所”的發(fā)展趨勢。

2）設(shè)備陳舊，機(jī)房面積被大量占用。對于運(yùn)營商來說，機(jī)房面積是相當(dāng)寶貴的資源，而現(xiàn)網(wǎng)交換機(jī)大多數(shù)設(shè)備陳舊，機(jī)房利用率低。

3）業(yè)務(wù)提供能力差，升級費(fèi)用高，周期長。

4）設(shè)備利用率不均勻，話務(wù)無法動(dòng)態(tài)調(diào)整。由于現(xiàn)有MSC（移動(dòng)交換中心）之間缺乏有效的資源共享機(jī)制和技術(shù)，MSC之間無法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的負(fù)荷均衡。

5）本地網(wǎng)維護(hù)力量薄弱，故障恢復(fù)時(shí)間長，影響了服務(wù)質(zhì)量。

6）缺乏容災(zāi)機(jī)制。

現(xiàn)有移動(dòng)通信運(yùn)營商所面對的這些問題是傳統(tǒng)2G交換技術(shù)所無法解決的，而移動(dòng)軟交換技術(shù)將使這些問題迎刃而解。

2、移動(dòng)軟交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議體系

2.1　移動(dòng)軟交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[1]

移動(dòng)軟交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在移動(dòng)軟交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，傳統(tǒng)MSC（mobile switching center，移動(dòng)交換中心）被分割為MSC服務(wù)器（MSC server）和MSC媒體網(wǎng)關(guān)（MSC MGW），實(shí)現(xiàn)了控制面與用戶面的分離。所有的控制功能集中在MSC server中，而交換功能由媒體網(wǎng)關(guān)（MGW）完成。

MSC server通過標(biāo)準(zhǔn)的H.248協(xié)議完成對話務(wù)等交換過程的控制，同時(shí)MSC server通過傳統(tǒng)的MAP（mobile application part，移動(dòng)應(yīng)用部分）信令與HLR（home location register，歸屬位置寄存器）交互，通過傳統(tǒng)的BSSAP（base station system application part，基站子系統(tǒng)應(yīng)用部分）信令完成對接入網(wǎng)絡(luò)的控制。而在MSC server之間可以通過ISUP（ISDN user part，ISDN用戶部分）協(xié)議或者BICC（bearer independent call control，承載獨(dú)立呼叫控制）協(xié)議完成呼叫的建立。

圖1　移動(dòng)軟交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖1中，UTRAN（UMTS terrestrial radio access network，陸地?zé)o線接入網(wǎng)）為3G無線接入網(wǎng)，GERAN（GSM/EDGE radio access network，GSM/EDGE無線接入網(wǎng)）為2G/2.5G無線接入網(wǎng)，HSS（home subscriber server）為歸屬用戶服務(wù)器。

基于移動(dòng)軟交換構(gòu)建的移動(dòng)核心交換網(wǎng)絡(luò)，可以分為接入層、承載層、控制層和業(yè)務(wù)層：

1）接入層：為用戶接至軟交換網(wǎng)絡(luò)提供各種接入手段，并將信息轉(zhuǎn)換成能夠在IP網(wǎng)上傳遞的信息格式。接入層內(nèi)的設(shè)備主要包括信令網(wǎng)關(guān)和媒體網(wǎng)關(guān)等。

2）承載層：承載層的任務(wù)是將接入層的各種媒體網(wǎng)關(guān)、控制層中的軟交換機(jī)、業(yè)務(wù)層中的各種服務(wù)器平臺等各軟交換網(wǎng)網(wǎng)元連接起來。承載層可以是IP網(wǎng)絡(luò)，也可以利用現(xiàn)有TDM（time division  multiplexing，時(shí)分復(fù)用）網(wǎng)絡(luò)。

3）控制層：其功能是完成各種呼叫控制，并負(fù)責(zé)相應(yīng)業(yè)務(wù)處理信息的傳送。

4）業(yè)務(wù)層：提供軟交換網(wǎng)絡(luò)各類業(yè)務(wù)所需的業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)資源以及媒體資源，包括應(yīng)用服務(wù)器、媒體服務(wù)器等設(shè)備。

2.2　移動(dòng)軟交換協(xié)議體系[2]

1）MSC server之間Nc接口協(xié)議：采用BICC、SIP-T（session initiation protocol for telephone，用于電話的會話初始化協(xié)議）或ISUP協(xié)議，BICC協(xié)議是ITU-T推薦的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，是在ISUP協(xié)議基礎(chǔ)上發(fā)展而來，協(xié)議版本較為穩(wěn)定；SIP-T是IETF推薦的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，主要是對原SIP進(jìn)行擴(kuò)展。而ISUP協(xié)議主要在采用TDM方式承載時(shí)使用。

2）MGW與MSC server之間Mc接口協(xié)議：采用Megaco/H.248協(xié)議。Megaco/H.248是媒體網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議，協(xié)議簡單，功能強(qiáng)大，且擴(kuò)展性好。

3）SG（signaling gateway，信令網(wǎng)關(guān)）與MSC server之間協(xié)議：采用Sigtran協(xié)議。Sigtran底層采用SCTP（stream control transmission protocol，流控制傳輸協(xié)議）。高層可采用用戶適配層協(xié)議M3UA（MTP3 user adaptation layer，MTP第三級用戶適配層）和M2UA（MTP2 user adaptation layer，MTP第二級用戶適配層）。采用M3UA轉(zhuǎn)接點(diǎn)方式時(shí)，SG和軟交換機(jī)均需要具備獨(dú)立的信令點(diǎn)編碼；采用M2UA和M3UA代理方式時(shí)，SG和軟交換機(jī)共用同一信令點(diǎn)編碼。

4）MGW之間Nb接口協(xié)議：包括用戶平面和控制平面兩個(gè)方面。以ATM方式承載時(shí)，用戶平面和控制平面在兩個(gè)MGW之間直接傳輸。用戶平面基于AAL2協(xié)議，控制平面為基于AAL5協(xié)議。以IP方式承載時(shí)，用戶平面和控制平面的傳輸路徑不同。用戶平面基于RTP（real-time translation protocol，實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議），直接在兩個(gè)MGW之間傳輸；控制平面采用IPBCP（IP bearer control protocol，IP承載控制協(xié)議）（ITU-T Q.1970），需要通過Mc和Nc接口的隧道傳輸。

3、方案分析和探討

3.1　方案闡述

依據(jù)移動(dòng)軟交換的組網(wǎng)思路，該方案采用MSC server和MGW分離設(shè)置方式，MSC server集中設(shè)置在中心城市，而MGW分散到各個(gè)移動(dòng)本地網(wǎng)。MSC server控制的MGW個(gè)數(shù)依據(jù)具體情況設(shè)定。

本文通過一個(gè)2G移動(dòng)本地網(wǎng)軟交換組網(wǎng)來闡述這一解決方案。軟交換MSC server和MGW設(shè)備接入現(xiàn)有2G網(wǎng)絡(luò)，與相關(guān)網(wǎng)元的連接方式見圖2。

圖2　2G移動(dòng)本地網(wǎng)軟交換組網(wǎng)示意圖

3.1.1　引入軟交換的本地網(wǎng)話路網(wǎng)組織

移動(dòng)本地網(wǎng)引入軟交換設(shè)備后，其話路網(wǎng)組織方式與現(xiàn)有2G網(wǎng)絡(luò)完全相同，具體連接方式是：

●本地網(wǎng)MGW和各自歸屬匯接區(qū)的TMSC2（trunk MSC，匯接局）以及TMG（trunk media gateway，長途軟交換匯接局）設(shè)置中繼電路，用以疏通其長途話務(wù)；

●MGW與本地網(wǎng)內(nèi)的GW設(shè)置直達(dá)電路，用以疏通互聯(lián)互通話務(wù)；

●MGW與本地網(wǎng)內(nèi)的其他移動(dòng)端局之間依據(jù)現(xiàn)網(wǎng)情況設(shè)置直達(dá)中繼，用以疏通本地網(wǎng)內(nèi)的話務(wù)。

3.1.2　引入軟交換的本地網(wǎng)信令網(wǎng)結(jié)構(gòu)

軟交換MSC server獨(dú)立于本地網(wǎng)之外集中設(shè)置，它負(fù)責(zé)移動(dòng)性管理、呼叫處理等信令處理功能，MGW不處理任何信令消息。MSC server將作為2G網(wǎng)元接入現(xiàn)有2G網(wǎng)絡(luò)的七號信令網(wǎng)，MSC server支持多信令點(diǎn)功能，server和MGW都支持和設(shè)置內(nèi)置SG（信令網(wǎng)關(guān)）。

本方案中MSC server將擁有兩個(gè)信令點(diǎn)編碼和兩個(gè)MSC ID（MSC號碼），從邏輯上將MSC server及所轄的2個(gè)MGW劃分為兩個(gè)移動(dòng)交換端局。

MSC server與其負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)區(qū)歸屬信令轉(zhuǎn)接區(qū)的一對LSTP（low level signaling transfer point，低級信令轉(zhuǎn)接點(diǎn)）設(shè)置信令鏈路，采用TDM方式承載的2 Mbit/s信令鏈路。

通過MGW內(nèi)置的信令網(wǎng)關(guān)，軟交換端局與本地網(wǎng)內(nèi)的其他MSC、GW和TMSC2設(shè)置直聯(lián)信令鏈路，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)ISUP消息的疏通。同一server下的2個(gè)MGW由于虛擬為不同的交換端局，所以到網(wǎng)元都要開設(shè)直達(dá)信令鏈。

MSC server與所負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)區(qū)的HLR不設(shè)置直達(dá)信令鏈路，二者之間的MAP信令消息通過HLR所屬信令匯接區(qū)的一對LSTP轉(zhuǎn)接。MSC server與智能網(wǎng)SCP、短消息中心SMC、長途軟交換TMG及其他未設(shè)置直聯(lián)信令鏈路的SP之間的信令也全部通過LSTP轉(zhuǎn)接。

BSC與MSC server之間的BSSAP信令全部通過MGW的內(nèi)置SG進(jìn)行轉(zhuǎn)接。MSC server與所管轄的MGW之間的信令采用IP承載方式�；�于Sigtran協(xié)議，MGW的內(nèi)置SG將七號信令轉(zhuǎn)化為IP格式。

3.1.3　承載（傳輸）方式的選擇

對于軟交換端局來說，由于其業(yè)務(wù)與控制相分離，所以業(yè)務(wù)和信令要分別考慮承載方式。

3.1.3.1　業(yè)務(wù)承載

軟交換端局的業(yè)務(wù)承載支持IP/ATM/TDM等方式。軟交換端局的MGW設(shè)備要和本地網(wǎng)的其他MSC、GW以及TMSC等設(shè)置中繼電路，由于對端局向只能提供TDM接口（E1或是STM-1光口），所以業(yè)務(wù)承載也只能是采用TDM方式。

3.1.3.2　信令承載

軟交換端局的信令承載支持IP/ATM/TDM等方式。軟交換局的MSC server設(shè)備要和LSTP以及本地網(wǎng)其他MSC和GW設(shè)置信令鏈路，由于對端局向只能提供基于TDM承載的七號信令，所以軟交換局的信令承載也只能是采用TDM方式。

MSC server和LSTP等只有信令關(guān)系的網(wǎng)元也采用TMD方式承載，通過E1電路直連；MSC server和MSC/GW等與MGW有業(yè)務(wù)電路的網(wǎng)元連接采用通過MGW內(nèi)置SG的方式實(shí)現(xiàn)信令直連。

由于MSC server集中設(shè)置，而MGW分散在各本地網(wǎng)，server和MGW之間的Mc接口大部分將在異地機(jī)房之間實(shí)現(xiàn)，為此Mc接口包括H.248和Sigtran轉(zhuǎn)換的七號信令等協(xié)議采用IP方式承載。

3.1.4　承載網(wǎng)建設(shè)方案

對于移動(dòng)運(yùn)營商來說，目前大規(guī)模構(gòu)建IP承載專網(wǎng)的條件和時(shí)機(jī)并不成熟，為此可考慮利用現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)資源包括IP城域網(wǎng)、城域傳輸網(wǎng)/MSTP（multi-service transport platform，多業(yè)務(wù)傳送平臺）網(wǎng)絡(luò)以及骨干互聯(lián)網(wǎng)來構(gòu)建IP承載網(wǎng)，作為過渡期的解決方案。隨著IP承載專網(wǎng)的逐步形成，話務(wù)和控制信息均遷移到IP承載網(wǎng)，形成以IP為統(tǒng)一承載的核心網(wǎng)絡(luò)。

3.1.5　中繼電路設(shè)置

由于業(yè)務(wù)承載采用了傳統(tǒng)的TMD方式，為此可參照傳統(tǒng)2G交換網(wǎng)模式來計(jì)算需求的中繼電路數(shù)。根據(jù)各本地網(wǎng)的話務(wù)流量流向比例，以及網(wǎng)絡(luò)組織方案，可以得到各本地網(wǎng)內(nèi)MGW到各網(wǎng)元的電路需求。

3.1.6　信令鏈路計(jì)算

根據(jù)各地的話務(wù)流量流向比例，相關(guān)信令計(jì)算參數(shù)，以及網(wǎng)絡(luò)組織方案，可以得到各本地網(wǎng)內(nèi)MSC sever/MGW到各網(wǎng)元的信令鏈路需求。在進(jìn)行信令計(jì)算時(shí)，需考慮兩部分內(nèi)容——七號信令消息和H.248控制消息的計(jì)算。

3.1.7　網(wǎng)管和計(jì)費(fèi)建設(shè)

對于軟交換端局的網(wǎng)管系統(tǒng)，采取集中設(shè)置方案，MSC server及各本地網(wǎng)的MGW設(shè)備經(jīng)路由器上傳輸網(wǎng)接入該網(wǎng)管系統(tǒng)。

軟交換端局的計(jì)費(fèi)信息將由MSC server采集，并傳給營帳計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。

3.2　MSC server容災(zāi)備份機(jī)制

對于軟交換端局來說，由于其MSC server具有大容量的特點(diǎn)，為此其容災(zāi)備份機(jī)制顯得尤為重要。對于MSC server的容災(zāi)備份，不同的廠家采用了不同的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，下面介紹兩種業(yè)內(nèi)較為成熟的解決方案。

3.2.1　雙歸屬備份

雙歸屬（dual homing）是指同一個(gè)媒體網(wǎng)關(guān)（MGW）歸屬于兩個(gè)MSC server。正常運(yùn)行情況下，MGW只注冊到一個(gè)MSC server上，而當(dāng)該MSC server發(fā)生故障時(shí)，MGW可注冊到另一個(gè)MSC server上，繼續(xù)為此MGW下管理的用戶提供業(yè)務(wù)，這樣充分保證了網(wǎng)絡(luò)的安全性。

N+1備份組網(wǎng)方案是指MSC server以“N個(gè)主用、1個(gè)作為純備份”的方式進(jìn)行雙歸屬組網(wǎng)，即“N”個(gè)MSC server作為主用，最后“1”個(gè)MSC server作為其他N個(gè)MSC server的備份，其典型組網(wǎng)如圖3所示。

圖3　N+1備份組網(wǎng)方案（N=2）

上圖中server B自身不帶業(yè)務(wù)，僅作為server A和server C的備份server。server B通過心跳鏈路與server A和server C保持同步，一旦發(fā)現(xiàn)異常，即進(jìn)行切換。

3.2.2　MSC in pool備份

pool（池）的概念是在3GPP WCDMA R5版中引入的。在R5版本中，引入了Iu-Flex技術(shù)，即一個(gè)RNC（radio network controller，無線網(wǎng)絡(luò)控制器）可以同時(shí)接入多個(gè)MSC server，MSC server之間負(fù)荷分擔(dān)，多個(gè)MSC server組成一個(gè)“server池”，共同控制幾個(gè)位置區(qū)。當(dāng)一個(gè)MSC server發(fā)生故障時(shí)，RNC可以將故障MSC server的事務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)給其他MSC server處理，這樣實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了對MSC server的容災(zāi)備份。

同樣，這一概念也適用于現(xiàn)有基于移動(dòng)軟交換技術(shù)的2G（GSM）網(wǎng)絡(luò)，若干MSC server組成池，連接許多BSC，BSC覆蓋區(qū)域組合成MSC池服務(wù)區(qū)域，其組網(wǎng)如圖4所示。

圖4　MSC server in pool組網(wǎng)示意圖

3.2.3　兩種備份方案的比較

MSC server雙歸屬方案源自于固定軟交換，有一定的工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，方案相對成熟；而MSC server in pool方案問世時(shí)間不長，體系相對復(fù)雜，工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)不足，大多數(shù)設(shè)備廠商尚未實(shí)現(xiàn)這一解決方案。

MSC server in pool方案是3GPP標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)方式，以N+1的冗余，實(shí)現(xiàn)了1+1的備份效果，某MSC server失效時(shí)，其他MSC server會自動(dòng)接管業(yè)務(wù)。而雙歸屬方案是一種非標(biāo)準(zhǔn)方案。

雙歸屬方案，備份server和主用server進(jìn)行倒換時(shí)，原主用server中沒有及時(shí)吐出的話單將丟失，而且通話和呼叫會全部中斷。

MSC server in pool方案除了備份機(jī)制之外，還具有其他優(yōu)勢——有效地實(shí)現(xiàn)資源共享和負(fù)荷均衡，降低移動(dòng)性管理次數(shù)，減少位置更新和切換，降低網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的復(fù)雜度等。

雙歸屬方案適合于跨地域的大本地網(wǎng)組網(wǎng)模式，可以有效地減少路由迂回；對于用戶密集的大城市或特大城區(qū)，如果存在多個(gè)MSC server，建議采用MSC server in pool方案。

然而在實(shí)際組網(wǎng)時(shí)，具體采用何種容災(zāi)方案與設(shè)備類型有很大關(guān)系，因?yàn)椴煌�設(shè)備廠商提供的容災(zāi)備份方案不盡相同。

3.3　軟交換2G移動(dòng)本地網(wǎng)的優(yōu)勢[3]

與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)相比，基于軟交換技術(shù)的2G移動(dòng)本地網(wǎng)將具備以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

實(shí)現(xiàn)集中維護(hù)，削減了建設(shè)周期和成本：由于MSC server集中設(shè)置，數(shù)據(jù)維護(hù)工作可以集中進(jìn)行，工作量和投入可以降低到現(xiàn)網(wǎng)的1/N。同時(shí)，MGW的擴(kuò)容由于幾乎不涉及龐大的數(shù)據(jù)設(shè)置工作，其擴(kuò)容工作主要包括硬件擴(kuò)容和增開電路，大大減少了工程建設(shè)周期和工程管理成本。

提升了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)升級和開發(fā)能力：軟交換機(jī)MSC server與SSP（service switching points）統(tǒng)一設(shè)置，由MSC server統(tǒng)一業(yè)務(wù)處理，這樣業(yè)務(wù)升級和加載只是對MSC server進(jìn)行升級，無需MGW的參與，一方面大大提升了網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)提供能力。另一方面網(wǎng)絡(luò)的安全性進(jìn)一步提高。

實(shí)現(xiàn)了備份容災(zāi)：這不僅提升了網(wǎng)絡(luò)的安全性，而且實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)之間的負(fù)荷均衡和資源共享。

有效保護(hù)運(yùn)營商的投資：在獲得3G牌照后，運(yùn)營商可以在上述2G軟交換核心網(wǎng)的基礎(chǔ)上向3G平滑演進(jìn)。

4、結(jié)束語

隨著資費(fèi)的降低和新業(yè)務(wù)的涌現(xiàn)，2G網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容需求依然在不斷增長，與此同時(shí)，軟交換和3G技術(shù)日趨成熟，移動(dòng)運(yùn)營商在傳統(tǒng)2G核心網(wǎng)中引入軟交換勢在必然，這不僅有利于今后核心網(wǎng)絡(luò)向3G網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)過渡，而且由于軟交換設(shè)備容量大、集成度高，可以大大節(jié)省機(jī)房和配套資源，減少維護(hù)人員，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及運(yùn)營的成本。

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