移动核心网络转型的选择——移动软交换

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1、引言
　　从全球范围来看，当前电信运营商正加快进入战略转型期。这种转型将是围绕着业务、网络、运营三个环节进行，三者紧密结合而又相互影响、相互促进，是一项长期的系统工程。NGN深度参与了转型过程，已经成为运营商进行网络转型的基础架构和核心技术，为业务转型提供了有力的支持，并且直接促进了运营商的转型。今天，国内外的主流运营商正在以全网向NGN演进为目标，加速全面战略转型工作。
2、移动核心网的演进趋势
　　2.1　移动核心网的演进路线
　　移动核心网遵循的是从电路域、分组域并存，到分组域为主、电路域为辅，再到未来全IP网络的演进路线：
　　◆在2.5G里面提出电路域和分组域分离的概念；
　　◆R99在核心网基于传统MSC：网络分为电路域和分组域；
　　◆在R4阶段在电路域实现了控制和承载的分离，即软交换的概念；
　　◆在R5&R6阶段，提出了全IP的网络架构，在分组域增加了多媒体子系统（IMS）对业务进行控制，基于SIP协议进行控制，实现端到端的IP业务。
　　从用户数量和业务收入上看，2G/2.5G是目前业务收入的主体，现阶段用户最需要的还是话音业务。如何最经济有效地解决用户这部分需要是当前考虑的主要问题。在3GPP技术体制中，无线网在R4及R5/R6（HSDPA/HSUPA）阶段仍然同时支持分组域和电路域的共同演进。在技术标准和产业链等各个方面，IMS还不具备大规模商用部署的条件。基于电路域实时话音业务，将在相当长的时间内与分组域业务共存。因此R4是GSM网络演进中的一个必须经历的阶段。
　　IMS引入后在较长时间里将和软交换共存。在共存阶段，实时话音业务在软交换的电路域上实现；多媒体增值业务在IMS平台上实现。IMS网络上推广非实时的协同业务（如Push-to-X等），逐步培养用户在IMS网络下业务体验，增加新的利润来源；在无线接入网络支持VoIP（Rel7）情况下，在IMS上进行端到端的实时性话音业务（VoIP）试验；待整个IMS网络对实时业务支持和用户体验成熟时，逐步将实时性话音业务从电路域网络转向IMS网络，最终让电路域退出历史舞台。2G、3G、无线接入、宽带接入将统一接入到融合的IMS核心网络上。
　　2.2　R4软交换的优势和定位
　　使用R4移动软交换组网，相关各种关键技术如BICC、控制和承载分离等都已经得到充分的验证，是业界当前的主流选择。R4移动软交换承接IETF的承载控制分离思想，已具备下列优势：
　　（1）成本优化。在机房环境成本方面，由于设备普遍采用了最新技术，占地、耗电、空调等成本都能大大降低。集中控制的软交换可以保证更少的局所，这在目前业界流行的大本地网组网方式上更能体现。在传输资源成本方面，由于采用IP作为承载网络，成本上至少可优化50%。在维护人员成本方面，由于软交换设备普遍基于IP、JAVA、CORBA等通用技术，操作维护趋于一致、网管网络搭建趋于简化，这将使维护成本大大优化。具体的成本节省情况如表1所示：
    表1　R4移动软交换组网成本优化情况
    类别      可预见的节省    备注
    占地面积和功耗    60%-70%    并且不断提升
    局所数量    50%    甚至更多
    传输资源    50%-60%　
    人员数量    20%    目前比较难量化（是否裁员）
　　资料来源：Unstrung Insider
　　（2）快速业务引入。在网络架构方面，由于业务基本在软交换上完成，而不影响MGW，仅需升级少量软交换，方便了业务的引入。在设备改造方面，部分设备提供商的软交换采用先进的通用平台，业务开发周期可大大加快。
　　（3）面向网络的演进和融合。考虑到IMS已是被业界一致认可的核心网络发展的目标，而R4 NGN设备在IMS阶段仍能互通，而采用通用平台的移动软交换网络设备更能保证其平滑演进至IMS，从而确保网络的可演进性。
　　（4）网络稳定性和可靠性。考虑到电信设备提供商普遍在研发中采用严格的质量控制流程，而电信运营商在设备准入、入网测试等方面也有较高门槛，经过近两年R4软交换设备在2G网络的采用和运行，表明移动软交换设备已完全达到规模商用的能力。
　　目前，业界对移动软交换的定位如下：
　　◆承担移动核心网络的TMSC、GMSC、VMSC的新建或替换；
　　◆作为业务汇接网关使用，用于汇接10010客服、炫铃及其他业务；
　　◆用做2G/3G网络的MSC，并提供2G到3G核心网络的平滑演进。
3、面向未来的移动软交换解决方案
　　3.1　选择移动软交换的关键因素
　　根据网络的演进趋势，运营商在选择软交换时，主要要考虑以下几个关键因素：
　　◆商用成熟度：取得总部的入网证，在全球和国内广泛的应用，并且得到总部的认可；
　　◆经济性：软交换产品必须有高密度低功耗的特性，能节省投资成本和运营成本，实现“大容量、少局所”的目标；
　　◆网络安全性：软交换必须有良好的安全备份机制，以增强核心网的安全性和可靠性；
　　◆良好的互通性：设备能严格遵循国标和企标，必须与现网厂商的设备有良好的互通性，能保证异厂家软交换的互通性；
　　◆新业务：开放的业务接口，快速的新业务开发能力；
　　◆网络演进：在能够保障2G业务质量的同时，平滑支持3G；软交换平滑地支持全IP的IMS网络，能升级为MGCF和IM-MGW。
　　3.2　移动软交换组网方式
　　采用移动软交换设备组网，核心网络拓扑分为大本地网和小本地网两种方案。
　　（1）小本地网组网
　　小本地网网络组织方式是软交换负责一个本地网（地市级）的移动业务，MSC Server和MGW可以合设，也可以分布设置在不同机房，但MSC Server只管理一个本地网内的MGW。
　　小本地网适用场合在用户密集地区，网络建设中需要解决的问题主要是容量问题。传统2G交换机容量小、局点多、网络结构复杂；小本地网充分利用软交换设备的大容量、高集成度的优势，实现大容量、少局所的目标，尽可能的简化网络拓扑，从而提高网络质量。
　　（2）大本地网组网
　　大本地网组网方式是软交换负责多个本地网的移动业务，MSC Server和MGW分布式设置；通常MSC Server设置在省会或中心城市，管理多个本地网的MGW。
　　大本地网适用场合是在非用户密集、地广人稀的地区。这些地区，传统的2G网络建设不能经济性地解决广覆盖的问题，利用软交换分布式架构，Server集中设置，MGW就近接入，实现本地话务就近吸收，从而可以经济地解决非用户密集地区的广覆盖问题。
　　3.3　2G与3G融合组网策略
　　移动NGN的核心网技术无论对于2G的接入还是将来3G的接入都可以提供灵活支撑。在核心网层面上，运用移动NGN技术，通过分布式的开放组网方式，能够有效地将当前移动网络融合到新的3G网络。同时，运营商在核心网方面的提前建设，能够帮助其在将来3G部署中提高核心竞争力，实现3G牌照发放后的快速部署。在3G刚刚开始阶段，不可避免地会有相当长一段2G和3G共存的过渡时期，在该时期，应当考虑两个网络业务量的合理分配及吸收。
　　（1）在3G网络发展初期
　　3G的网络覆盖应优先考虑中心城市和经济发达区域，因为这些地方的高端客户较多，选用3G网络的概率较高；2G网络还是主要的无线接入网，提供广覆盖功能。
　　在这段时期，一般3G用户都是高端用户，数量相对较少。应支持3G用户优选3G网络。在网络负荷低、网络业务相对丰富的前提下，3G用户感受会比较好，这有利于运营商的品牌形象提升和吸引新的高端客户的加入。
　　（2）3G网络发展中后期
　　3G网络和2G网络都能提供广覆盖能力，3G网络覆盖面接近甚至可能超过2G网络；2G网络的主要作用是维持低端用户（依旧是2G用户），同时为双模用户提供冗余功能。
　　在这段时期，较大量用户向3G网络迁移；如果在话务忙时，3G网络负荷紧张的前提下，应能够支持依据用户的服务等级，限制对双模用户的接入（如果用户服务等级比较低，让其使用2G网络，以此降低3G网络的负荷，来保证3G网络的服务质量）；支持基于负荷或业务的控制策略，保证两网负荷均衡。
4、河北联通的软交换建设
　　4.1　分阶段部署软交换
　　河北联通联合相关规划设计院和核心网供应商，对河北联通的核心网制定了软交换发展规划，共分为三个阶段：
　　（1）阶段一：引入软交换
　　在有大规模网络扩容和网络调整需求的地市引入软交换系统，满足河北联通2006年的网络发展需求，同时验证阿尔卡特移动软交换在河北联通组建端局的可行性和互通性。
　　（2）阶段二：软交换规模部署
　　利用软交换大容量的特性，实施本地网的端局合并，形成全网软交换组网，同时逐步建设配套的集中维护体制。
　　（3）阶段三：软交换向3G/IMS演进
　　利用软交换实现2G/3G业务的统一规划，根据网络演进的趋势，软交换平滑地升级成为IMS的MGCF、CSCF和IM-MGW等网元。
　　河北联通GSM交换容量存在扩容需求，端局负荷大，应对旅游旺季、国庆、中秋等节日话务高峰较为困难；现网MSC处理能力偏低；传统MSC功耗大、占用机房面积多、对空调等配套设施要求高，扩容困难。引入软交换，利用大容量、高密度、分离架构的特点，能完美地解决上述问题。
　　根据上述原则，河北联通采用大本地网方案（如图1），为满足2006年底GSM网用户发展需求在GSM网扩容工程中，在几个地市先期部署软交换技术方案。

图1　河北联通软交换组网结构

　　在软交换网络部署过程中，河北联通按照IP承载网络的建设要求，对IP网络进行细致的测试和规划，保证了NGN业务的可靠、安全地部署和运行。本期河北联通规划了一个基于多业务的IP/MPLS软交换承载网（如图2），能够提供如下功能：

图2　河北联通软交换承载网

　　◆提供强大的IP/MPLS VPN区分承载多业务；
　　◆对用户及业务可感知、可区分、可控制、可管理，并提供精细化、差异化的端到端QoS服务；
　　◆结构扁平、层次清晰的高可靠性网络，并具备强健的安全性和良好的可扩展性；
　　◆具备开通语音、视频、3G、商用VPN等多种业务的能力，支持多业务，支持未来IMS、固定移动融合全业务承载的特性。
　　MSC Server和MGW双归上联到业务路由器上，提供了承载层面的设备和链路冗余保护。H.248专线网络则构建在业务路由器为核心的一个VPN网络之上。每台阿尔卡特7750业务路由器提供多个155M POS上行，连接到不同的传输环，保证NGN整体网络的可靠性。使用MPLS Fast Reroute技术的link protection方式，实现快速链路切换到另一路径，其转换时间与SDH网络相当。
　　河北联通基于该IP承载网规划，分步实施承载网IP化。本期，该MPLS承载网的信令VPN上承载MSC Server和MGW之间的H.248等控制信息，管理VPN上承载Telnet、SNMP等维护消息。
　　在话务组网上，在2G阶段，BSC和MSC之间的A接口仍然采用TDM接口，MGW之间话务采取TDM承载。这样就避免了由于TDM和IP之间转换而导致的时延加大、抖动加剧，从而导致业务QoS下降的问题。另外，语音VPN将在3G阶段开通。
　　本期软交换话音的疏通方式和现有的传统设备保持一致：
　　◆对于同一本地网内的MGW之间的话务，通过MGW间直连的TDM链路进行疏通；
　　◆对于跨本地网的MGW之间的话务，通过石家庄和唐山的一对TMSC汇接中心进行转接。
　　在3G阶段，通过引入TFO/TrFO改善语音质量，在CS域的核心网内压缩和复用语音带宽实现资源优化，并且为走向全IP的网络（R5、R6）作好准备。
　　随着网络演进的深化，TDM承载发展为IP承载，本期建设的MGW在硬件上只需将部分接口卡按需更换或增加分组接口卡，配合软件版本的更新即可支持IP承载。
　　4.2　河北联通的移动核心网特点
　　河北联通的移动核心网具备了以下特点：
　　（1）基于成熟商用的软交换产品
　　河北联通所选用的阿尔卡特移动软交换在国内外都有大量的商用经验。全球第一大移动软交换大规模商用网，美国的T-Mobile USA，采用了阿尔卡特移动软交换；另外，在北美、欧洲，如Cingluar，沃达丰、Orange等全球一流运营商都采用了阿尔卡特移动软交换产品投入其现网运营。在国内，该款产品也被多家运营商所采用，其优异的性能已得到广泛的验证。
　　（2）采用开放的系统架构，保证快速业务开发和互通性
　　河北联通采用的移动软交换产品采用了开放的软硬件架构，保证快速业务开发能力和良好的互通性：如采用市场上经过考验成熟的商用标准的信令协议栈、数据库查询系统；基于开放的操作系统，保证操作系统和这些协议栈、数据库之间的接口遵循标准的规范协议，使这些标准的信令协议栈、数据库系统有良好的匹配。而传统的MSC通常的操作系统都是私有操作系统，这样和市场的标准的协议栈、数据库系统进行匹配时，并不符合通常的标准接口规范或者协议，因此需要想办法解决原有操作系统和协议栈或者数据库的接口问题；或者需要重新开发协议栈或者数据库系统，而无法利用市场上已有的产品。这样势必要延长研发周期。
　　另外，由于移动软交换采用控制和承载分离的架构，所有的业务控制都是在MSC Server层面实现的，因而在网络结构上，实现了大容量少局所建设本地网、减少网元的数量、优化网络的目标。因此，引入新业务仅需在MSC Server层面进行相应的升级就可以实现业务在全网的实施，并可在不影响业务开展情况下实现网络升级扩容。而采用传统MSC则需要对所有的MSC进行升级。
　　相比而言，移动软交换可使新业务开发周期缩短2/3，体现了快速部署新业务的优势。
　　（3）集中运维管理
　　传统的MSC，在每个局点都需要配备运维力量；在采用移动软交换组网后，主要的运维力量集中于MSC Server所在的中心城市；MGW的运维可以通过远程维护来实现；精简了运维队伍，节约了运维支出。同时运维集中化，便于提高运维人员的整体技术水平，提升全网整体质量。
　　（4）节约成本
　　移动软交换占地小、功耗低的特性，也使得在机房、电源、空调等辅助设备的投资上大大降低；另外，河北联通选用的阿尔卡特移动软交换的模块通用度高，使得备品备件的准备也相对简单很多。
　　（5）完备的网络安全备份机制
　　由软交换机和媒体网关组成的移动NGN网络，由于地理分布较广，软交换业务覆盖范围较大，媒体网关分布灵活等特点，故需要充分考虑网络容灾备份能力，提供多层次的容灾机制，包括对控制层面（软交换），承载层面（媒体网关）的分层次考虑和多种实现方案。控制层面的（软交换）可以采用地理级冗余来实现网络容灾。常见的实现方案包括1+1、N+1等备份方式。针对河北联通的组网需求，综合考虑网络结构、网络功能及可靠性等因素选用了N+1的实现方案。目标是提高网络容灾能力，但不给组网带来更多的复杂度和过多的成本投入。承载层面的（媒体网关）网络容灾采用了阿尔卡特的专利WMG保护群的机制：来自各个局向的中继群均匀地分成多个电路集连接到多个MGW上，实现承载层保护。多个WMG可以放置在一起，也可以在地理上分离，取决于承载网的配置。另外，创新的区分路由算法确保尽可能使出局电路和入局电路位于同一个MGW，整个WMG保护群方案的实施，完全是在Call Server上路由算法的改进、对WMG没有影响、对于周边网元（BSC、RNC、其它MSC等）透明。
5、结束语
　　综上所述，采用移动软交换设备组网，能够更好地迎接即将到来的3G时代以及将来以IMS为核心的网络融合，为网络将来的发展和演进奠定了扎实的基础。