WCDMA R4核心网电路域组网探讨

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目前，第三代移动通信技术已成熟并成功商用。在三大3G标准中，WCDMA的建设进度虽然落后于cdma2000，但由于WCDMA是基于演进的GSM/GPRS网络，其核心网部分可由GSM网络经过平滑升级演进而成，因此将成为2G网络是GSM系统的移动运营商建设3G网络时的首选。截至2006年8月，全球已发放了157张WCDMA牌照，并已有114个WCDMA商用网络，总用户超过8000万。业界3GPP对WCDMA的研究也已到R6版。而根据统计，2004年以前部署的WCDMA网络基本上都采用R99组网，从2004年开始，越来越多的运营商开始进行R4网络的预商用试验或部署。本文以R4为例，对WCDMA的核心网电路域的组网进行探讨。　　1、R4网络结构模型
　　与GSM和R99网络不同，R4网络对电路域进行了彻底的改造，引入了NGN中提出的软交换技术，将控制与承载面分离，信令与话路都引入了分组技术。按功能来分，R4网络可分为连接层、控制层和应用层，其网络架构如图1所示。

图1　R4网络架构

　　连接层：在R4网络中，所有的业务类型都使用同一个传输网络，即连接层。连接层的主要功能是对用户数据和控制数据进行传输和操作，包括用户面数据的编码/解码和控制面协议的转换，主要由传输骨干元素和媒体网关（MGW）组成。
　　控制层：控制层主要负责呼叫的建立，进程的管理，计费等相关功能，该层是整个R4网络的智能所在。其节点主要是相关的控制服务器。在R4网络中，为满足电路交换业务的需要，引入了MSC Server、GMSC Server、CMN、SG等节点。
　　应用层：分层结构的最上层即应用层，由各种策略服务器、应用服务器、数据库等构成，它可以根据呼叫控制层提供的开放接口（API）编制各种电信应用软件，同时也支持传统智能网业务，实现各种电信业务和应用。
　　WCDMA R4引入了软交换分层组网理念，符合下一代网络发展的方向，相比传统组网方式有巨大的优势，主要表现在：
　　组网架构上：合理、灵活、安全、平滑演进；组网成本上：减少迂回、节省传输、资源共享、集中维护；业务提供和业务质量上：业务种类多，部署快，质量好。
　　2、WCDMA系统核心网电路域的新增接口与网络协议
　　WCDMA R4网络采用分层的网络结构，将控制层与连接层分开，其中控制面主要控制呼叫的建立，进程的管理，计费等相关功能，连接层主要用来传送用户的数据。同时由于网络结构的分层又引入了几个新的接口（见图2）。

图2　电路域的新增接口

　　Nc接口：指MSC Server与（G）MSC Server之间的接口。该接口遵循3GPP TS 29.205，应用层协议为BICC，可以基于TDM、ATM或IP。
　　Mc接口：为MSC（GMSC）Server与MGW之间的接口。该接口遵循3GPP TS 29.232。Mc接口的应用层协议主要基于H.248及其扩展协议，可以基于ATM和IP。
　　Nb接口：指MGW和MGW之间的接口，主要用于用户数据的传输，承载方式可以是TDM、ATM或IP。
　　另外，根据标准要求，R4核心网电路域与U-TRAN之间将采用ATM承载方式，接口定义为I-u_CS接口。
　　在PLMN和PSTN中，呼叫控制和承载控制是内连的，如由B号码分析和路由分析得出一路由，而由该路由得知与其相连的物理电路，不需单独的承载控制。而在分层的网络中，承载控制将与呼叫控制独立开来：由控制层的控制服务器选择位于网络边缘的MGW，但MGW的连接完全依赖连接层。因此，连接层需要自己的控制协议来建立穿过核心层的承载，这就是承载控制。根据标准要求，如果核心网络采用TDM技术，则使用标准的窄带ISUP用于承载控制；如果使用ATM或IP作为承载，则使用Q.AAL2或IPBCP协议。
　　为了完成呼叫控制，在控制层引入了与呼叫控制相关的两个协议：H.248和BICC协议。
　　作为MSC Server与MGW之间的标准接口的协议，H.248提供了MSC Server在呼叫处理过程中控制MGW中各类传输方式的静态及动态资源的能力，提供了独立于呼叫的MGW状态维护与管理能力。该协议消息编码采用文本格式或二进制编码格式，底层传输机制采用MTP3B或SCTP为其提供协议承载。
　　独立于承载的呼叫控制协议即BICC，主要为UMTS/GSM的窄带电路域业务提供独立于用户面承载技术及控制面信令传输技术的局间呼叫控制能力。此外，BICC新增的APM机制使得两个呼叫控制节点间可以交互承载相关的信息，将所选择的MGW的ID号给对端MSC Server用于MGW的选择和承载的建立。
　　3、WCDMA系统核心网电路域组网探讨
　　3.1　网元建设方案
　　3.1.1　R4 MSC Server与MGW的建设方案
　　1.R4 MSC与GSM MSC的区别
　　在R4网络中MSC的功能分割为MSC Server和MGW两个网元。其呼叫控制的相关功能由MSC Server承担，承载建立的有关功能由MGW负责。
　　与GSM相比，R4网络中用户的鉴权、切换流程更为复杂，因此相对于MSC来说，R4对MSC Server的处理能力的需求要高。另外R4引入了基于ATM的Iu_CS接口，新引入的MGW需要增加基于ATM交换平台的网络互通单元。
　　2.MSC Server与MGW的建设方式
　　对于新进移动运营商，由于没有移动网络资源，在建设R4核心网时，所有的网元只能采用新建方式。对于已有GSM移动运营商，在建设R4网络时，核心网MSC Server与MGW的建设可以采用两种方案。
　　方案一：将2G MSC改造成MSC Server，增加支持Iu_CS接口的MGW，根据信令网MAP的变化对设备进行相应的软硬件升级。
　　方案二：新建3G MSC server和MGW。
　　下面对上述两种方案在工程投资、对现网的影响、可持续性演进等方面进行比较。
　　在工程投资上，新建方案需要新建网元，单价投资与新建同容量的GSM MSC具有可比性；升级方案需要对现网MSC进行较大的改动，将承载建立相关的功能剥离，增加MGW，并需要配置TC处理板卡、Iu_CS接口软硬件等。升级2G MSC尽管具有一定的设备利旧优势，但由于需要进行大量昂贵的硬件升级（增加ATM接口板和TC板），两者的成本差距并不明显。
　　在对现网的影响方面，由于WCDMA在安全保密、业务触发等流程与GSM相比要复杂，处理同等数目的用户对系统处理能力要求较大，因此采用升级方式使每个MSC容量大幅度下降，而现网2G MSC的处理负荷普遍已达70%左右，升级方案会影响到2G业务的处理；另外由于目前各厂家3G设备还没有足够完善，设备成熟性还有待验证，在建设初期肯定会涉及到频繁的软件甚至硬件的升级变动，这也给整个移动网络的安全、稳定性带来一定的隐患。而如果3G MSC Server采用新建方式，与GSM是相互独立的两个网络，则不会对现网2G普通话音用户业务产生任何影响。
　　在可持续性发展方面，现有2G MSC升级时难以考虑今后的发展，其先进性是否能够满足持续演进的要求值得怀疑；而新建方案可以选择最新产品，在选型时可以对设备的演进能力作出具体要求。
　　根据以上比较，对于已有移动运营商，在3G R4建设之初，建议采用新建MSC Server和MGW的方式建设WCDMA网络，避免因3G业务的开放对2G网络的服务质量造成不良影响；待2G用户已大部分迁移至3G网络后，再考虑将2G MSC升级改造成3G网元。
　　3.MSC Server的设置建议
　　在网络建设初期，可预见的用户规模较小，用户发展的情况难以预测，MSC Server的设置可根据各省市的实际情况采用不同的设置策略：对用户容量大的地区，可在本地网内建设一个或多个MSC Server；对用户容量小的地区，可以采用多个本地网共用MSC Server的方式。
　　MSC Server的设置应基于“集中放置，区域管理”的原则，集中放置在中心城市，以便于新业务的快速提供，同时降低运维管理费用，还可以减少路由更新、越局切换的次数。另外MSC Server集中设置，应尽早考虑MSC Server容灾的建设，而且当一个本地网设置多个MSC Server时，应分散安装在不同的局址，以提高网络的安全性。
　　4.MGW的设置建议
　　一个移动本地网可以设置一个或若干个MGW。一个MGW也可以服务于一个或若干个移动本地网。但为了节省传输资源，每个本地网均应设置MGW，且尽可能与RNC集中设置，并在本地与其他网络互通，避免话路迂回。
　　另外，如果R4承载网选择IP网络，建议启用TrFO功能，且只需在与GMSC互通的MGW上集中设置TC板卡，以节省投资。
　　3.1.2　HLR的建设方案
　　由于R4 HLR与GSM HLR对用户数据的定义（CAMEL PHASE3，位置业务等）存在差别，且二者在MAP协议、鉴权方式方面也存在差异，因此GSM网络的HLR不能直接在R4中使用，需要进行改造或新建3G HLR。
　　与MSC Server一样，对于新进移动运营商，3G HLR只能采用新建方式，而已有GSM运营商，也存在改造GSM HLR和新建两种方式进行3C HLR的建设。
　　考虑到2G和3G的HLR在功能和网络形态上差别不大，各厂家的HLR升级也基本上是软件升级，因此建议采用改造方式建设3G HLR网元，以方便现有2G用户的号码携带。
　　对于新进移动运营商，HLR的设置应与MSC Server的建设相结合，对于未建有MSC Server的地区，原则上也不考虑在本地设置HLR设备。当一个HLR服务于多个本地网时，HLR设备应支持虚拟HLR功能。同时，考虑到HLR设备在整个交换网络中的重要地位，应适当部署HLR的容灾备份系统。
　　3.1.3　GMSC Server和GMGW的建设方案
　　对于本地网内的GMGW的设置，建议以网内MGW个数为3个作为门限：MGW的个数少于3时，GMGW由MGW兼作；MGW个数等于3时，GMGW由其中的2个MGW兼作；MGW个数为3个以上时，应考虑设置独立的GMGW。且应遵循成对设置，负荷分担的原则。
　　对应的，当未出现独立的GMGW时，不应设置独立的GMSC Server，而应由MSC Server兼作。当出现独立的GMGW时，可以开始考虑独立GMSC Server的设置，并尽早考虑Server容灾的建设。且当一个本地网设置多个GMSC Server时，不同GMSC Server应分局址设置。
　　另外，考虑到不同运营商间网络互通的复杂性，在3G网络建设初期，总话务量不高的情况下，应尽可能利用已有互通资源，保持关口局对外连接不作大的调整。
　　根据上述建设原则，对GMSC的建设给出以下建设方案：对于已有的GSM运营商，在3G建设初期，出网总话务量不高，可暂时不建专用的3G GMSC Server和GMGW，而通过升级将2G GMSC升级为2G/3G GMSC，完成正常的关口互通功能和取路由信息等移动性功能。对于新进移动运营商，可设置一个MSC Server/MGW完成GMSC Server/GMGW功能，通过TDM完成与现有固网关口局GW互通。待3G网络发展到一定规模，将GMSC Server/GMGW由合设调整为单独设置。
　　3.1.4　CMN的建设方案
　　在R4网络中，长途话务采用BICC的CMN模型，即分层结构下的CMN对呼叫控制信令进行汇接，确定呼叫的路由，而无需要汇接话路，只是在呼叫建立时，分析被叫用户号码和其他的选路信息，以确定呼叫的路由，对和承载建立相关的信息进行透传即可。同时考虑到软交换模式下单个MSC Server的容量较大，本地网MSC Server的数量大大减少，因此R4信令汇接网可采用省内、省际合一的设置模式。
　　由于3G网络从开始建设到全国网络完善成熟需要较长一段时间，因此上述网络结构仅是最终的目标架构。对于已有移动运营商，考虑到已建有长途话务汇接网，且网络已相当完善的现状，建议在3G建设初期，可暂由已有GSM网络的TMSC1/TMSC2完成话务汇接；伴随着全国3G网络的发展与完善，对长途局进行逐渐改造或新建，过渡到信令汇接由CMN负责，话务在扁平化的IP网络上全程承载的目标结构。
　　对于现有固网运营商，由于PSTN长话交换机是为固定长途网设计的，其在被叫号码分析容量及能力上存在一定的限制，对移动交换协议的参数识别和处理能力也很有限。如果要利用现有设备，需要增加很多额外的测试对接甚至交换机软件修改的工作，因此对于新进移动运营商来说，建议采用新建方式，在全国范围内统一设置CMN网元。
　　3.1.5　STP的建设方案
　　根据SIGTRAN规范中各新增适配层的特点，M2PA为IP STP协议模型中必须的协议。但到目前为止，M2PA规范还没有正式发布，各主流厂家也没有成熟的IP STP产品，因此在R4建设初期，信令面的IP承载进程可以滞后于用户面的IP承载进程。
　　考虑到现有的GSM网络、PSTN的信令承载都是传统的TDM电路承载，国内几个主要电信运营商的TDM SS7网路及链路资源已非常成熟稳定；另外根据前述HLR建设方案，对于现GSM运营商，应对GSM HLR进行升级改造，使其成为2G/3G共用的HLR，已有SCP也可以经过改造以支持3G业务，即所有MAP、CAP接口都只能使用TDM接口，因此在3G建设初期应最大化重用TDM SS7信令网。在网络发展的后期，可采用M2PA方式组建IP STP网，完成全网IP信令GT翻译和转发功能。
　　对于上述各利旧网元的建设方案，各运营商在建设R4网络时，应结合相应设备的实际情况，对于设备负荷已经很高且没有太大扩容余地，或现网设备型号陈旧，升级改造难度较大的网元，也应该采取新建方式。
　　3.2　网络组织方案
　　3.2.1　网络承载方式的确定
　　WCDMA R4版本核心网电路域引入了承载与控制分离的软交换理念，除了支持TDM承载外，在信令、业务层面均引入了ATM、IP等分组交换技术。从理论上讲，R4电路域的话音和媒体流承载方式均可由统一的承载网络来进行传送。表1是对TDM、ATM、IP三种方式作为R4基础承载网络的优缺点比较。

表1　三种方式承载网的比较

　　根据表1各承载方式优缺点的对比分析，结合目前的技术发展的成熟度和运营商承载网络的实际情况，建议在网络建设初期，R4电路域核心网的承载选用IP与TDM承载方式相结合的混合组网方式：电路域核心网的话路、媒体层面全部采用IP方式进行承载，便于全网内实现TrFO功能，提高通话质量；信令网方面，R4呼叫无关信令如MAP、CAP采用TDM SS7承载，呼叫相关信令BICC信令以及H.248控制信令，采用IP承载。
　　TDM、IP混合组网方式充分考虑到目前技术发展和厂商设备开发的实际情况：话路网采用IP进行承载，节省带宽，提高通话质量，同时简化网络结构；部分信令采用TDM承载，一方面可以充分保证了移动信令网络的安全性、QoS及成熟可用性，另一方面，可充分利用现有的信令网络，节省投资。随着IP STP相关协议的完善以及IP技术的发展，逐步将TDM承载的部分信令转移到统一的IP承载网中，从而成为真正的全IP移动网络。
　　3.2.2　网络安全可靠性考虑
　　随着电子技术的发展，通信设备集成度的大幅度提高，单个设备的处理能力及系统容量也越来越大，因此WCDMA R4网络中提出了大本地网的建设思想。同时，单一节点或网元突发重大事故所造成的影响面越来越大，使得网络对于安全性的要求也进一步提高，因此在核心网电路域建设过程中，应适时考虑组网的安全机制，最大程度地保证网络的安全运行。在R4核心网电路域中可以采用的网络安全机制主要有以下几种。
　　MGW负荷分担技术：即一个RNC可以同时接入多个MGW，MGW间负荷分担，各MGW的负荷可以通过MSC Server在资源分配时进行灵活调整；当一个MGW发生故障时，RNC的负荷由其余的MGW承担，不会影响RNC的业务处理。
　　Iu-Flex技术：即一个RNC可以同时接入到多个MSC Server，MSC Server间负荷分担，多个MSC Server组成一个“Server池”，共同控制几个位置区。当一个MSC Server发生故障时，RNC可以将故障的MSC Server的事务转发给其他MSC Server处理。
　　Mc接口双归属：即一个MGW同时接入两个MSC Server，一个是主用，一个是备用，MSC Server间互连，相互检测对方状态，当主用MSC Server发生故障后，MGW重新注册到备用MSC Server，接管原来的MSC Server的事务。
　　HLR容灾机制：HLR作为移动网络存储用户数据的核心设备，其在网络中的重要地位不言而喻，因此对HLR的安全可靠性也提出了更高的要求，在R4网络中可采用1+1、N+1等多种容灾机制对HLR进行备份，即建设容灾HLR，容灾HLR和主用HLR之间通过数据同步机制实现用户数据的同步；当主用HLR出现故障时，容灾HLR接管主用HLR的业务，以最大程度地降低HLR发生故障时对现网造成的影响。
　　4、结束语
　　无论对于现有GSM网络运营商还是固网运营商，在建设WCDMA R4时都应该遵循“统一规划，分步实施”的原则，以简单清晰的网络架构、简单灵活的路由方式组建WCDMA R4核心网电路域，以更少的投资，更有效的维护方式，更低的运营成本带来更长远的投资保护，更快速的业务能力，以及更高的服务质量。