基于软交换的2G移动通信本地网组网方案

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摘要　软交换和3C技术日趋成熟，而3G运营牌照迟迟未发，为此移动运营商开始寻求在传统2G核心网中的软交换解决方案，一方面可以满足2G网络不断增长的需求，另一方面可以为移动运营商今后部署3G网络积累经验。对基于软交换技术的2G移动本地网组网方案进行了探讨，并阐述了其给运营商带来的优势。
1、将软交换技术引入移动本地网
　　软交换技术为通信运营商提供了技术转型和战略发展的机遇，是运营商提升核心竞争力的重要技术手段之一。随着软交换技术的逐步成熟，无论是固网运营商还是移动运营商，开始纷纷试水软交换应用。软交换技术率先在长途网和汇接网获得了应用，并逐步向接入网和移动本地网渗透。
　　对于现有移动运营商来说，将软交换技术引入移动本地网，为其解决2G交换网存在的问题提供了机遇。目前2G移动运营商，其交换网络的瓶颈主要体现在以下几个方面：
　　1）设备容量小、处理能力低。现网交换机容量小，处理能力低，数量多，并不符合“大容量，少局所”的发展趋势。
　　2）设备陈旧，机房面积被大量占用。对于运营商来说，机房面积是相当宝贵的资源，而现网交换机大多数设备陈旧，机房利用率低。
　　3）业务提供能力差，升级费用高，周期长。
　　4）设备利用率不均匀，话务无法动态调整。由于现有MSC（移动交换中心）之间缺乏有效的资源共享机制和技术，MSC之间无法实现动态的负荷均衡。
　　5）本地网维护力量薄弱，故障恢复时间长，影响了服务质量。
　　6）缺乏容灾机制。
　　现有移动通信运营商所面对的这些问题是传统2G交换技术所无法解决的，而移动软交换技术将使这些问题迎刃而解。
2、移动软交换网络结构和协议体系
　　2.1　移动软交换网络结构[1]
　　移动软交换网络结构如图1所示。在移动软交换网络结构中，传统MSC（mobile switching center，移动交换中心）被分割为MSC服务器（MSC server）和MSC媒体网关（MSC MGW），实现了控制面与用户面的分离。所有的控制功能集中在MSC server中，而交换功能由媒体网关（MGW）完成。
　　MSC server通过标准的H.248协议完成对话务等交换过程的控制，同时MSC server通过传统的MAP（mobile application part，移动应用部分）信令与HLR（home location register，归属位置寄存器）交互，通过传统的BSSAP（base station system application part，基站子系统应用部分）信令完成对接入网络的控制。而在MSC server之间可以通过ISUP（ISDN user part，ISDN用户部分）协议或者BICC（bearer independent call control，承载独立呼叫控制）协议完成呼叫的建立。

图1　移动软交换网络结构

　　图1中，UTRAN（UMTS terrestrial radio access network，陆地无线接入网）为3G无线接入网，GERAN（GSM/EDGE radio access network，GSM/EDGE无线接入网）为2G/2.5G无线接入网，HSS（home subscriber server）为归属用户服务器。
　　基于移动软交换构建的移动核心交换网络，可以分为接入层、承载层、控制层和业务层：
　　1）接入层：为用户接至软交换网络提供各种接入手段，并将信息转换成能够在IP网上传递的信息格式。接入层内的设备主要包括信令网关和媒体网关等。
　　2）承载层：承载层的任务是将接入层的各种媒体网关、控制层中的软交换机、业务层中的各种服务器平台等各软交换网网元连接起来。承载层可以是IP网络，也可以利用现有TDM（time division  multiplexing，时分复用）网络。
　　3）控制层：其功能是完成各种呼叫控制，并负责相应业务处理信息的传送。
　　4）业务层：提供软交换网络各类业务所需的业务逻辑、数据资源以及媒体资源，包括应用服务器、媒体服务器等设备。
　　2.2　移动软交换协议体系[2]
　　1）MSC server之间Nc接口协议：采用BICC、SIP-T（session initiation protocol for telephone，用于电话的会话初始化协议）或ISUP协议，BICC协议是ITU-T推荐的标准协议，是在ISUP协议基础上发展而来，协议版本较为稳定；SIP-T是IETF推荐的标准协议，主要是对原SIP进行扩展。而ISUP协议主要在采用TDM方式承载时使用。
　　2）MGW与MSC server之间Mc接口协议：采用Megaco/H.248协议。Megaco/H.248是媒体网关控制协议，协议简单，功能强大，且扩展性好。
　　3）SG（signaling gateway，信令网关）与MSC server之间协议：采用Sigtran协议。Sigtran底层采用SCTP（stream control transmission protocol，流控制传输协议）。高层可采用用户适配层协议M3UA（MTP3 user adaptation layer，MTP第三级用户适配层）和M2UA（MTP2 user adaptation layer，MTP第二级用户适配层）。采用M3UA转接点方式时，SG和软交换机均需要具备独立的信令点编码；采用M2UA和M3UA代理方式时，SG和软交换机共用同一信令点编码。
　　4）MGW之间Nb接口协议：包括用户平面和控制平面两个方面。以ATM方式承载时，用户平面和控制平面在两个MGW之间直接传输。用户平面基于AAL2协议，控制平面为基于AAL5协议。以IP方式承载时，用户平面和控制平面的传输路径不同。用户平面基于RTP（real-time translation protocol，实时传输控制协议），直接在两个MGW之间传输；控制平面采用IPBCP（IP bearer control protocol，IP承载控制协议）（ITU-T Q.1970），需要通过Mc和Nc接口的隧道传输。
3、方案分析和探讨
　　3.1　方案阐述
　　依据移动软交换的组网思路，该方案采用MSC server和MGW分离设置方式，MSC server集中设置在中心城市，而MGW分散到各个移动本地网。MSC server控制的MGW个数依据具体情况设定。
　　本文通过一个2G移动本地网软交换组网来阐述这一解决方案。软交换MSC server和MGW设备接入现有2G网络，与相关网元的连接方式见图2。

图2　2G移动本地网软交换组网示意图

　　3.1.1　引入软交换的本地网话路网组织
　　移动本地网引入软交换设备后，其话路网组织方式与现有2G网络完全相同，具体连接方式是：
　　●本地网MGW和各自归属汇接区的TMSC2（trunk MSC，汇接局）以及TMG（trunk media gateway，长途软交换汇接局）设置中继电路，用以疏通其长途话务；
　　●MGW与本地网内的GW设置直达电路，用以疏通互联互通话务；
　　●MGW与本地网内的其他移动端局之间依据现网情况设置直达中继，用以疏通本地网内的话务。
　　3.1.2　引入软交换的本地网信令网结构
　　软交换MSC server独立于本地网之外集中设置，它负责移动性管理、呼叫处理等信令处理功能，MGW不处理任何信令消息。MSC server将作为2G网元接入现有2G网络的七号信令网，MSC server支持多信令点功能，server和MGW都支持和设置内置SG（信令网关）。
　　本方案中MSC server将拥有两个信令点编码和两个MSC ID（MSC号码），从逻辑上将MSC server及所辖的2个MGW划分为两个移动交换端局。
　　MSC server与其负责业务区归属信令转接区的一对LSTP（low level signaling transfer point，低级信令转接点）设置信令链路，采用TDM方式承载的2 Mbit/s信令链路。
　　通过MGW内置的信令网关，软交换端局与本地网内的其他MSC、GW和TMSC2设置直联信令链路，负责实现ISUP消息的疏通。同一server下的2个MGW由于虚拟为不同的交换端局，所以到网元都要开设直达信令链。
　　MSC server与所负责业务区的HLR不设置直达信令链路，二者之间的MAP信令消息通过HLR所属信令汇接区的一对LSTP转接。MSC server与智能网SCP、短消息中心SMC、长途软交换TMG及其他未设置直联信令链路的SP之间的信令也全部通过LSTP转接。
　　BSC与MSC server之间的BSSAP信令全部通过MGW的内置SG进行转接。MSC server与所管辖的MGW之间的信令采用IP承载方式。基于Sigtran协议，MGW的内置SG将七号信令转化为IP格式。
　　3.1.3　承载（传输）方式的选择
　　对于软交换端局来说，由于其业务与控制相分离，所以业务和信令要分别考虑承载方式。
　　3.1.3.1　业务承载
　　软交换端局的业务承载支持IP/ATM/TDM等方式。软交换端局的MGW设备要和本地网的其他MSC、GW以及TMSC等设置中继电路，由于对端局向只能提供TDM接口（E1或是STM-1光口），所以业务承载也只能是采用TDM方式。
　　3.1.3.2　信令承载
　　软交换端局的信令承载支持IP/ATM/TDM等方式。软交换局的MSC server设备要和LSTP以及本地网其他MSC和GW设置信令链路，由于对端局向只能提供基于TDM承载的七号信令，所以软交换局的信令承载也只能是采用TDM方式。
　　MSC server和LSTP等只有信令关系的网元也采用TMD方式承载，通过E1电路直连；MSC server和MSC/GW等与MGW有业务电路的网元连接采用通过MGW内置SG的方式实现信令直连。
　　由于MSC server集中设置，而MGW分散在各本地网，server和MGW之间的Mc接口大部分将在异地机房之间实现，为此Mc接口包括H.248和Sigtran转换的七号信令等协议采用IP方式承载。
　　3.1.4　承载网建设方案
　　对于移动运营商来说，目前大规模构建IP承载专网的条件和时机并不成熟，为此可考虑利用现有IP网络资源包括IP城域网、城域传输网/MSTP（multi-service transport platform，多业务传送平台）网络以及骨干互联网来构建IP承载网，作为过渡期的解决方案。随着IP承载专网的逐步形成，话务和控制信息均迁移到IP承载网，形成以IP为统一承载的核心网络。
　　3.1.5　中继电路设置
　　由于业务承载采用了传统的TMD方式，为此可参照传统2G交换网模式来计算需求的中继电路数。根据各本地网的话务流量流向比例，以及网络组织方案，可以得到各本地网内MGW到各网元的电路需求。
　　3.1.6　信令链路计算
　　根据各地的话务流量流向比例，相关信令计算参数，以及网络组织方案，可以得到各本地网内MSC sever/MGW到各网元的信令链路需求。在进行信令计算时，需考虑两部分内容——七号信令消息和H.248控制消息的计算。
　　3.1.7　网管和计费建设
　　对于软交换端局的网管系统，采取集中设置方案，MSC server及各本地网的MGW设备经路由器上传输网接入该网管系统。
　　软交换端局的计费信息将由MSC server采集，并传给营帐计费系统。
　　3.2　MSC server容灾备份机制
　　对于软交换端局来说，由于其MSC server具有大容量的特点，为此其容灾备份机制显得尤为重要。对于MSC server的容灾备份，不同的厂家采用了不同的实现机制，下面介绍两种业内较为成熟的解决方案。
　　3.2.1　双归属备份
　　双归属（dual homing）是指同一个媒体网关（MGW）归属于两个MSC server。正常运行情况下，MGW只注册到一个MSC server上，而当该MSC server发生故障时，MGW可注册到另一个MSC server上，继续为此MGW下管理的用户提供业务，这样充分保证了网络的安全性。
　　N+1备份组网方案是指MSC server以“N个主用、1个作为纯备份”的方式进行双归属组网，即“N”个MSC server作为主用，最后“1”个MSC server作为其他N个MSC server的备份，其典型组网如图3所示。

图3　N+1备份组网方案（N=2）

　　上图中server B自身不带业务，仅作为server A和server C的备份server。server B通过心跳链路与server A和server C保持同步，一旦发现异常，即进行切换。
　　3.2.2　MSC in pool备份
　　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技术，即一个RNC（radio network controller，无线网络控制器）可以同时接入多个MSC server，MSC server之间负荷分担，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MSC server的事务转发给其他MSC server处理，这样实际上实现了对MSC server的容灾备份。
　　同样，这一概念也适用于现有基于移动软交换技术的2G（GSM）网络，若干MSC server组成池，连接许多BSC，BSC覆盖区域组合成MSC池服务区域，其组网如图4所示。

图4　MSC server in pool组网示意图

　　3.2.3　两种备份方案的比较
　　MSC server双归属方案源自于固定软交换，有一定的工程实施经验，方案相对成熟；而MSC server in pool方案问世时间不长，体系相对复杂，工程实施经验不足，大多数设备厂商尚未实现这一解决方案。
　　MSC server in pool方案是3GPP标准实现方式，以N+1的冗余，实现了1+1的备份效果，某MSC server失效时，其他MSC server会自动接管业务。而双归属方案是一种非标准方案。
　　双归属方案，备份server和主用server进行倒换时，原主用server中没有及时吐出的话单将丢失，而且通话和呼叫会全部中断。
　　MSC server in pool方案除了备份机制之外，还具有其他优势——有效地实现资源共享和负荷均衡，降低移动性管理次数，减少位置更新和切换，降低网络规划的复杂度等。
　　双归属方案适合于跨地域的大本地网组网模式，可以有效地减少路由迂回；对于用户密集的大城市或特大城区，如果存在多个MSC server，建议采用MSC server in pool方案。
　　然而在实际组网时，具体采用何种容灾方案与设备类型有很大关系，因为不同设备厂商提供的容灾备份方案不尽相同。
　　3.3　软交换2G移动本地网的优势[3]
　　与现有网络相比，基于软交换技术的2G移动本地网将具备以下几个优点：
　　实现集中维护，削减了建设周期和成本：由于MSC server集中设置，数据维护工作可以集中进行，工作量和投入可以降低到现网的1/N。同时，MGW的扩容由于几乎不涉及庞大的数据设置工作，其扩容工作主要包括硬件扩容和增开电路，大大减少了工程建设周期和工程管理成本。
　　提升了网络业务升级和开发能力：软交换机MSC server与SSP（service switching points）统一设置，由MSC server统一业务处理，这样业务升级和加载只是对MSC server进行升级，无需MGW的参与，一方面大大提升了网络的业务提供能力。另一方面网络的安全性进一步提高。
　　实现了备份容灾：这不仅提升了网络的安全性，而且实现了网络之间的负荷均衡和资源共享。
　　有效保护运营商的投资：在获得3G牌照后，运营商可以在上述2G软交换核心网的基础上向3G平滑演进。
4、结束语
　　随着资费的降低和新业务的涌现，2G网络扩容需求依然在不断增长，与此同时，软交换和3G技术日趋成熟，移动运营商在传统2G核心网中引入软交换势在必然，这不仅有利于今后核心网络向3G网络的平稳过渡，而且由于软交换设备容量大、集成度高，可以大大节省机房和配套资源，减少维护人员，降低网络建设及运营的成本。
　　参考文献
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　　[2]　罗国庆.软交换的工程实现[M].北京：人民邮电出版社，2004.
　　[3]　张云勇，朱士钧.移动核心网转型及策略[J].移动通信，2006，(5):43-45