基于IP承载的3G信令网研究

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摘要　基于IP承载的信令网已经成为3G核心网发展的重点，为了适应IP信令网发展趋势，通过对基于IP承载的3G信令网接口及协议的研究，得出适合3G信令网的应用协议，并结合现有No.7信令网情况，提出IP信令网组网引入方案。
1、前言
　　随着全球信息技术飞速发展，人们对移动多媒体技术的需求也日益迫切，并且随着3G牌照发放时间的日趋临近，3G网络规划逐渐成为各大运营商的主要关注内容。而同时，软交换技术采用业务、控制、承载全分离的结构，使得业务接入手段多样化，为3G业务的开展提供了便利。
　　在3G核心网建设中，承载方式IP化也是网络发展的大趋势，此前的GPRS、2G软交换网中的媒体流、即将开始建设的3G R4核心网电路域及分组域以及未来的IMS业务流均已采用或将要采用IP承载方式。随着媒体流的IP承载化，信令消息承载的IP化也成为业界关注的重点问题。在R4阶段，信令应用层与七号信令相同，底层承载有TDM和IP两种方式。而R5阶段以后的IMS网络信令消息不再是七号信令，而是基于IP技术的信令，如SIP等。
　　基于3G R4版本的信令网主要指MSC Server/HLR/SCP/SMSC之间的信令转接网络。传统的信令网均采用TDM承载，在未来的R4核心网中，可以采用TDM、ATM或者基于IP的SIGTRAN这3种方式。本文主要对基于IP承载的3G信令网做一浅析。
2、3G核心网及信令的发展
　　2.1　3G信令网的演进
　　3GPP定义的3G核心网现在已经演进出R99、R4、R5、R6和R7版本。R99版本继承了2G（GSM/GPRS）所有的业务和功能。核心网从逻辑上分为CS域和PS域，其CS域可以采用TDM或者ATM的传输方式，PS域基于GPRS技术，网络采用分组交换技术。
　　R4版本继承了R99所有业务和功能，其核心网采用TDM/ATM/IP方式组网。R4版本是一个革命性的版本，其核心网主要是在电路域引入了软交换的概念，将信令控制和语音承载相分离，MSC可以用组合或MSC SERVER、MGW分离结构实现。控制和承载相分离，易于向下一代网络演进。R4版本的3G核心网引入了分布式的网络架构，同时信令也从传统的基于TDM的承载方式开始向IP承载演进，而高层使用的仍是No.7信令应用部分。
　　R5版本继承了R4所有业务和功能。并且在R4版本的基础上引入了IP多媒体子系统（IMS）域，在IMS域实现各种业务的融合。软交换思想在R5版本已经得到完整体现。R6版本在R5版本基础上详细定义了接口和功能，并且定义了WLAN接入的能力。R7的版本其最大的特性就是固定网络的接入，并引用TISPANR1标准支持xDSL接入。应该说R7的版本是未来IMS作为核心网络，作为固定和移动网络或者是作为NGN核心网络的一个基础的版本。
　　从上述3G网络及信令的发展来看，R5/R6版本的IMS域根据设备厂家的不同采用新建节点或在现有节点上（硬件平台相同）迭加的方式实现功能，其功能及信令是全新的，不存在从现有网络演进的问题。对于现有信令网的演进主要集中在核心网CS域，而由于在R4版本以后CS域没有发生变化，因此现有信令网的演进主要针对R4版本的演进。
　　2.2　3G信令网接口与协议
　　3G R4核心网中接口及协议与R99不同，如图1所示。

图1　R4核心网接口与协议

　　Mc接口，MSC Server与MGW间的界面。MSC Server通过Mc接口对MGW的承载连接行为进行控制和监视。Mc的应用层协议主要基于H.248及其扩展Q.1950。此外，3GPP29.232对H.248进行扩展，以实现移动环境的特有应用。Mc接口可以基于ATM或IP承载，其相应的协议栈如下：纯IP连接时，协议栈为H.248/SCTP/IP，也可以将M3UA加在SCTP上。为了更好地与基于H.248的固定软交换系统进行互通，在纯IP连接时，可选采用UDP承载，即H.248/UDP/IP。纯ATM连接时，协议栈为H.248/MTP3B/SSCF/SSCOP/AAL5/ATM；混合ATM，IP连接时，协议栈为H.248/M3UA/SCTP/IP。
　　Nc接口是MSC Server间的接口，采用与承载无关的呼叫控制协议-BICC协议，用承载和控制分离的方式解决移动ISUP的呼叫控制功能。Nc接口可以基于ATM/IP/TDM承载，相应的协议栈是：IP承载时，为BICC/M3UA/SCTP/IP或BICC/SCTP/IP；ATM承载时，为BICC/MTP3B/SAAL/AAL5；TDM承载时，为BICC/MTP3/MTP2/MTP1。
　　Nb接口是MGW间的接口，主要是为使用ATM或IP方式承载电路域的业务，包括语音和数据业务。虽然Nb接口的协议比较复杂，但由于3GPP规范中已经有明确规定，所以在该接口上有关协议的争论较少，易于统一。Nb接口规范遵循SGPPTS29.414和TS29.415，支持两种ATM和IP两种承载方式。但是不同的承载方式，Nb接口的控制信令也不同。以ATM方式作为承载时，Nb接口的用户平面和控制平面都在两个MGW之间直接传输。用户平面基于AAL2，协议栈为AAL2 SAR SSCS（1.366.1）/AAL2（1.363.2）/ATM；控制平面基于AAL5，协议栈为AAL2连接信令（Q.2630.2）/用于MTP3B的AAL2信令传送转接（Q.2150.1）/MTP3b/SSCF-NNI/SSCOP/AAL5/ATM。采用IP承载时，Nb接口的用户平面和控制平面的传输路径不同。用户平面基于RTP，直接在两个MGW之间传输，其协议栈为RTP/UDP/IP；控制平面采用Q.1970，需要通过Mc和Nc接口的隧道传输。
　　对移动通信中，信令业务主要是MAP和CAP信令，这两种呼叫无关的信令主要完成移动用户的位置更新、路由查询和智能网业务相关操作等。MAP和CAP均采用MAP（CAP）/TCAP/SCCP/MTP的协议栈，也就是说MAP信令和CAP信令需要SCCP的GT寻址功能来实现路由查询。在2G网络中，信令网中STP的一个主要功能就是进行GT翻译和消息转发。在3GPP R4网络中，基于SCCP层的寻址方式没有改变，STP的GT翻译和消息转发功能仍然是必须的，仍然需要信令网进行MAP和CAP的承载和转发。因此，在组建R4网络时，仍然需要一个信令网提供信令路由和转发功能。
　　此外，在R4网络中，除了产生信令的SP点本身和用于信令转接的STP以外，还需要有一个功能实体用于与目前2G电路型交换网中的七号信令网相连，将窄带七号信令转换为适于在IP网中传送的信令，即信令网关（SG）节点，该节点可以单独设置，也可以与MSC Server、MGW、STP等网元合设。
　　综上所述，IP信令网首先是解决MAP和CAP协议的IP承载问题（BICC协议和H.248协议则不需要IP信令网承载），而对于信令的路由和转发功能则既可以由传统的No.7信令网络实现，也可以构建IP STP的信令网。在这种情况下具有互通功能的网关出现在IP网和SCN网交界处，分别完成不同媒体流和不同信令之间的承载传送和转换。其中，信令网关SG和媒体网关控制器MGC之间通过SIGTRAN传送信令。这要求SG和MGC都能够支持SIGTRAN协议。
3、SIGTRAN协议
　　3.1　SIGTRAN协议简介
　　信令传输协议SIGTRAN（Signaling Transport Protocol）协议簇是IETF的SIGTRAN工作组制定的PSTN信令与IP互通规范，该协议簇支持通过IP网络传输传统电路交换网SCN（Switched Circuit Network）信令。SIGTRAN协议栈支持SCN信令协议分层模型定义的层间标准原语接口，从而保证已有的SCN信令应用可以未经修改地使用，同时利用标准的IP传输协议作为传输底层，通过增加自身的功能来满足SCN信令的特殊传输要求。
　　SIGTRAN由两层协议组成：传输模块和适配模块。传输协议使用流控制传输协议SCTP（Stream Control Transmission Protocol，流控制传输协议）作为传输层协议，其目的是为了保证信令的可靠传输。SCTP上层用户是SCN信令的适配模块，对SCN信令的协议分层模型中各层协议的适配，负责分别位于SCN和IP中的两层协议的层间原语的传输。SIGTRAN协议栈结构如图2所示。

图2　SIGTRAN协议栈结构

　　SIGTRAN可以将一体化的SS7演进成为层间分离的SS7，通过MTP2/MTP3间的层间原语，保证与电路相关的应用部分信息在IP网上的完整传送，这就是SIGTRAN的应用[1]。
　　3.2　SIGTRAN适配协议比较与选择
　　无论SIGTRAN协议适配层采用M2UA、M2PA还是M3UA，SIGTRAN都能完成MTP3用户消息的可靠传送，使得No.7所支持的业务也能在软交换体系中实现。但M2UA、M2PA、M3UA存在着一定的差异，导致其在实际应用中的不同。如表1所示：

表1　适配层协议比较[1]

　　M2UA协议立足于解决直联方式的No.7与IP互通。但由于SG仅实现MTP1、MTP2功能，对SS的处理能力要求较高，代理SS的SG与TDM SP/STP连接的所有信令链路，均需要在SS中配置，可以看作SS通过SG直接与SG所连接的所有TDM SP/STP直接相连；同时，信令网管理功能较差[2]。因此，M2UA目前应用较少。
　　在R4信令组网时可以选择的SIGTRAN协议有M3UA和M2PA。3GPP的规范里采用的是M3UA协议，目前所有设备厂商的MSC Server、HLR、SCP、SGSN、MGW等都提供M3UA协议作为上层应用协议（BICC、MAP、CAP）的承载。在网络不存在IP STP这样的信令转接设备时，各存在信令关系的设备之间建立SCTP偶联后通过M3UA就可以承载应用协议。当网络存在IP STP这样的信令转接设备时，信令需要通过IP STP进行DPC和SCCP层转发，采用M3UA和M2PA都可以实现。
　　从M3UA的定义和原理上看，严格意义上说由于M3UA本身是一种用户层适配协议转接的消息，或者说是IP SP间的点到点协议[3]。M3UA的大部分管理消息都没有指出消息需要到达的目的信令点，从IP STP到IP网节点的转接只能进行一跳信令转接，无法支持下一跳的操作，如果需要解决这个问题就必须对M3UA协议做适当扩展，在管理消息中增加目的信令点域。因而M3UA并不适合作为IP信令网的骨干网协议，适合作为IP SP的边缘接入协议。
　　由于M2PA仅仅是链路层的对等适配协议，其目的在于将传统的基于TDM的七号信令网完全改造为基于IP网络的七号信令网，适用范围更广泛，既可以用于信令网关也可以用于信令网上的STP，所以使用M2PA在组网和寻址方面仍可以沿用传统的基于TDM 的SS7的建网思路。在网络内部使用M2PA可以沿用成熟的SS7建网原则[4]。
　　由于M3UA是3GPP的在R4中规定的信令传输协议，目前所有厂商的3G网元设备都支持，而M2PA只有少数厂商的3G网元设备支持，因此从设备选型范围考虑M3UA更适合。但是在信令网网络中心（IP STP之间），目前M2PA协议具有优势，能够满足组网的功能需求，而M3UA协议还等待增强和完善。对于信令网网络边缘（IPSTP与各个3G网元设备MSC Server/HLR/SCP之间），M2PA和M3UA协议都各有特点，都能满足组网的功能需求。由于M3UA强大的选路功能机制，如OPC+DPC+CIC等，可以在网络边缘使用可以利用M3UA协议，使得MSC Server/HLR/SCP配置更灵活，提供冗余备份能力[5]。
4、3G信令网组网分析
　　虽然目前基于M3UA+M2PA的IP信令网仍然处于小规模组网及试验阶段，但是包括中国移动，中国联通在内的国内移动运营商都在积极构建IP承载网，以适应未来的3G及软交换的需要。而我国的长途七号信令网经过多年的建设已具备相当的规模，因而在IP信令网的建设过程中必须优先考虑现网网络设备升级改造的合理性，投资的大小，以及组网方案的稳定性、安全性。
　　由于在移动通信网络中，信令节点要满足MAP/CAP信令路由能力，考虑到全国信令网每个节点的信令路由能力的需求都相当大，因此需要在IP信令网中引入IP STP节点，以完成SCCP GT翻译功能。而由于平面组网限制网络的扩展性，对网络节点信令路由选择要求较高，所以建议3G全IP信令网应采用分层结构建设，并在网络中引入汇接层（TMSC Server或CMN）来有效减少呼叫路由和信令路由的数量。
　　由此可见IP信令网的主要组网思想为引入IP STP完成GTT和信令转接功能，使IP信令网具有良好的可扩展性和可维护性。MSC Server，IP HLR、IP SCP等IP SP采用M3UA接入IP信令网，满足3GPP标准要求。IP STP间使用MTP3/M2PA/SCTP/IP协议栈，在IP信令网中保留MTP3功能可以继承原有的信令网管理和维护体制，同时又利用了基于IP的信令传送，降低了信令消息的传送成本。
　　IP STP的建设方案可以参考我国传统No.7信令网骨干层面的建设方案，即：建网初期在全国分大区设置IP STP对以保证安全性，所有IP STP之间网状相连，各IP SP点与成对IP STP均相连，IP信令网目标网结构图如图3所示。

图3　IP信令网目标网组网图

　　但是IP信令网的建设必然是一个长期的过程，在其长期演进过程中，结合我国现有TDM No.7信令网的组网关系，考虑引入IP信令网的有效方案主要有以下两种[6]，如图4所示。

图4　IP信令网组网方案图

　　方案一：目前我国信令网中有HSTP兼做LSTP，或已建LSTP的情况，而这两种情况又将面临不需要新建LSTP或有扩建LSTP的需求的情况。对有扩建LSTP需求的省份，方案一建议使用IP STP设备建设LSTP，并要求今后新建HLR、SCP等设备均支持IP信令接口功能。省内新建的LSTP，通过IP STP逐步分担HSTP业务，并最终升级为HSTP后，对现有HSTP进行替换。
　　这种方案情况下，省内支持IP信令的网元直接与IP LSTP相连，不支持IP信令的网元仍保持原有的连接方式（与现有LSTP相连）。省际信令消息仍由现有长途No.7信令网疏通，省内由LSTP疏通。
　　该方案通过新建支持IP信令的新网元，控制原有LSTP不再扩容，对现有HSTP的省际信令进行部分分流，通过与其他省IP LSTP运用MTP3/M2PA/SCTP/IP方式疏通部分省际信令，逐步降低现有骨干信令网负荷，最终达到替换现有HSTP、形成IP信令网目标网的目的。与省际信令逐步改为支持IP的网元间通过IP承载网直联，最终IP LSTP完全作为HSTP使用，达到IP信令网目标网结构。
　　方案二：在现有长途信令网的基础上平行建设一张全新的IP信令网，期间，省内信令通过现有LSTP疏通，省间支持IP信令的网元之间，或支持IP信令的网元与不支持IP信令的网元间采用两级组网方式。原有不支持IP信令的网元之间的省际信令采用现有省际信令疏通方式。随着支持IP信令的网元逐步增加，最终达到目标网结构。
　　这种方案能够避免两个平面之间的HSTP之间进行互通，对现有网络影响较小，同时也能避免信令在STP间过多的跳接。但也要面临对网元是否支持IP信令进行判断，选择合适路由的问题。
　　两种方案比较，方案二的新建叠加网策略网络结构清晰，数据修改方便，维护管理要求较低；但方案一可靠性较强，较易防范IP网QoS、丢包率、时延等特性对传输信令的制约，安全性较高，是一种较为稳妥的方案。
5、结束语
　　信令网是移动网络中的重要组成部分，基于IP承载的信令网在投资成本，管理维护，适应新业务需求等方面均有优势。采用SIGTRAN技术构建新一代IP信令网，将简化信令网结构，提高信令容量，降低信令传输成本，有利于向融合的全IP网络演进，适应3G业务的全面开展。
　　参考文献
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　　2　中华人民共和国通信行业标准YD/T 1445-2006 No.7信令与IP互通适配层技术规范消息传递部分（MTP）第二级用户适配层（M2UA）.Technical specification of adaption layer for No.7 signalling interworking with IP Message Transfer Part（MTP）lever 2 User Adaption layer（M2UA）[S].2006.4
　　3　中华人民共和国通信行业标准YD/T 1317-2004 No.7信令与IP互通适配层技术规范消息传递部分（MTP）第三级对等适配层（M3UA）.Technical specification of adaption layer for No.7 signalling interworking with IP Message Transfer Part（MTP）lever 3 User Adaption layer（M3UA）[S].2002.6
　　4　中华人民共和国通信行业标准YD/T 1316-2004 No.7信令与IP互通适配层技术规范消息传递部分（MTP）第二级对等适配层（M2PA）.Technical specification of adaption layer for No.7 signalling interworking with IP Message Transfer Part（MTP）lever 2 Peer-to-peer Adaption layer（M2PA）[S].2002.6
　　5　陶志强.WCDMA R4版本信令网组网分析[J].电信技术.2006（11）：26-30
　　6　孙媛、金毅.七号信令IP化的演进分析[J].电信工程技术与标准化.2007（1）：81-88