基于IP承载的No.7信令网组网研究

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　　IP信令网需求来自于3个方面。首先，随着移动用户数量日益增加，业务日新月异，移动网的信令协议也由原来支持基本语音通话ISUP（综合业务数字网用户部分）和移动管理MAP（移动应用部分）协议，发展到移动智能网CAP（CAMEL应用部分）、移动分组域GPRS MAP和软交换BICC（与承载无关的呼叫控制）等协议，所产生的信令量也随之高速增长。其次，整个通信网正向着分组化演进，WCDMA R4版本引入软交换的思想，实现呼叫控制和承载控制分离，MSC（移动交换中心）分解成了MSC服务器和MGW（媒体网关），CS（电路交换）域采用IP作媒体承载。作为业务支撑网的七号（No.7）信令网的传输承载技术也应与时俱进。再者，传统PSTN、GSM信令网虽然运行稳定，但由于设备使用年限长，故障率逐年升高。甚至个别厂商设备对设备已不提供支持，这些设备处理能力已不能适应新的业务发展需求，面临改造和淘汰的压力。但IP网承载信令也面临许多问题，需要加强研究。
1、IP信令网的优点
　　顾名思义，IP信令网是指利用IP作为承载技术来传送信令消息的网络。IP信令网与TDM（时分复用）信令网相比具有以下优势。
　　（1）带宽优势
　　IP信令网采用以太网接口，进一步提升信令传输能力。同时信令承载在IP网，将降低信令网的传输成本。
　　（2）组网优势
　　信令在IP网上传送，可以减少信令网组网复杂程度，提高信令传送效率。
　　（3）符合业务和平台发展趋势
　　No.7信令在可以预见的未来仍将为移动通信的重要协议。目前很多移动业务通过No.7信令接口查询用户或移动信息。业务平台以服务器为主，一般都具备IP接口。采用基于IP信令技术，将降低业务开发与移动网整合的成本。
　　（4）与IP网络融合
　　向IP融合是网络发展的大趋势，移动网的分组域、R4电路域以至未来的IMS（IP多媒体子系统）业务均采用IP为传输技术。因此，信令网从TDM过渡为IP，将进一步减少TDM传输资源，统一网络传输技术和结构。
2、SIGTRAN协议
　　IP信令网的信令协议称为SIGTRAN（信令传送）协议。SIGTRAN的协议体系一般由3部分组成：
　　●通用的信令传送协议——SCTP（流控传送协议），支持信令传送所需的通用且可靠的传送功能。SCTP是传统TCP的一种增强形式，支持多个并发的数据流，每个信令点可以与多个IP地址捆绑，信令点之间可以建立多个SCTP的偶联，从而保证信令在IP网上可靠地传送。SCTP完成的功能有：偶联的建立和释放、流内消息的顺序递交、用户数据分段、消息证实和避免拥塞、数据块的捆绑、分组的有效性验证、通路管理功能。
　　●No.7信令适配层。适配层支持特定的原语，为No.7信令应用层提供服务。信令适配层有M3UA（MTP-3用户适配协议）、M2UA（MTP-2用户适配协议）、M2PA（MTP-2用户对等适配协议）和SUA（SCCP用户适配协议）等。
　　●标准的IP传送协议。
3、IP信令网组网关键问题分析
　　对于信令网的组网主要考虑的问题有：IP STP（IP信令转接点）互联协议栈、IP信令网所承载的业务、网络结构。
　　3.1　IP STP互通协议选择
　　IP STP之间的互通由SCTP提供可靠的传送，适配协议主要在M3UA和M2PA之间进行选择。
　　M2PA完成No.7信令链路和IP实体的映射支持MTP3/MTP2原语和SCTP流管理，支持MTP2的功能，允许MTP3的功能保留，使任何两个No.7信令点之间可通过IP网络完成MTP3消息的处理和信令网管理功能。使用M2PA的信令网及协议堆栈如图1所示。

图1　使用M2PA协议的IP信令网结构

　　M3UA用于传送MTP3用户部分的适配协议，M3UA和上层用户之间使用的原语同MTP3与上层用户之间使用的原语，支持传递MTP3用户消息，底层使用SCTP所提供的服务。M3UA实现MTP3网络管理功能的互通，但M3UA协议不是对等层协议，客户端的M3UA需要对MTP3的上层进行处理。而MTP3是对等层协议，没有所谓的客户端、服务器的方式。使用M3UA的信令网及协议堆栈示意如图2所示，3GPP把M3UA作为IP信令点（如MSC服务器、HLR、SCP）需要支持的SIGTRAN协议。

图2　使用M3UA协议的信令网结构

　　M3UA与MTP3信令消息处理部分功能相似。区别主要在于链路管理、信令路由管理、用户管理。链路管理方面M3UA不支持链路的倒换倒回处理，因此当M3UA链路故障时，可能出现消息丢失和错序。路由管理方面M3UA的路由管理消息并不支持将宽带AS（应用服务器）的状态通知到其他AS。用户管理方面M3UA虽然也有数据用户部分不可达消息（DUPU），但是由于消息中没有目的地参数，且M3UA协议主要应用于对窄带接入后宽带直接落地消息的处理。从协议的描述来讲，M3UA不支持宽带的下一跳处理，因此该消息无法支持下一跳。对这几个方面MTP3都有全面的协议保证。
　　M3UA是一种落地协议，主要是针对SG（信令网关）应用设计的，只能进行一跳的信令转接，适合作为IP信令点边缘接入协议。基于M2PA的IP信令链路，通过MTP3提供基于链路的信令网管理功能，支持信令链路的故障倒换功能，在网络管理、安全冗余等方面具有优势，更适合作为IP STP间的SIGTRAN协议。
　　3.2　BICC协议的承载方式
　　信令网的主要功能就是传送呼叫控制信令BICC/ISUP和MAP/CAP消息，MAP/CAP寻址主要是DPC+SN或GT方式，BICC局间寻址是基于本局对号码及相邻局路由的分析结果。R4网中呼叫控制协议采用BICC，引入CMN（呼叫协调功能）功能完成呼叫控制信令的汇接和重新选路，CMN不具备BCF（承载控制功能）。换句话说，CMN可以看成信令网中的节点，而不是话务网中的一部分。对于BICC，在实际的组网过程中应着重探讨两个方面：BICC信令是否有必要经过IP STP转接和IP STP是否要具备CMN功能。
　　第一种方式是引入独立的TMSC服务器，由TMSC完成CMN功能，TMSC和MSC直联，BICC通过TMSC完成汇聚和路由，MAP/CAP通过准直联链路由IP STP完成汇聚和路由。此时BICC可以在M3UA上承载，也可以在SCTP上直接承载，使用SCTP承载可以减少一层协议处理，提高处理效率。第二种方式是引入独立TMSC服务器，但TMSC/MSC通过IP STP准直联，BICC的汇聚和路由由TMSC负责。第三种方式是IP STP和TMSC功能合并，也就是IP STP具备CMN功能，TMSC/MSC通过IP STP准直联，BICC的汇聚和路由由IP STP负责。
　　方式一，BICC协议直接发生在软交换节点之间，端到端处理，信令时延小，IP信令网负荷低。但这种方式每个节点间都需要建立偶联，因此偶联数相对较多。但目前的节点容量都比较大。且MSC服务器数量不多，因此采用直联方式增加的偶联数并不多。
　　方式二，BICC经过IP STP转接后会带来更长的时延，同时STP的负荷也相对增加，带来的好处是MSC服务器可以利用原有和IP STP的偶联，不需增加新的偶联。
　　方式三的优点是不再需要独立TMSC，减少了网元；MSC和TMSC（CMN）相当于直联，接续时延小，偶联数也相对较少。但IP STP需要增加CMN功能完成BICC的路由，这对IP STP提出了新的要求，目前还没有IP STP设备支持此功能。若要实现此功能STP的复杂度会增加，处理负荷也会大大增加。导致MSU（消息信令单元）转发能力和GTF（全局码翻译）能力下降。
　　各类方式的优缺点比较见表1。

表1　BICC传送方式优缺点比较

　优点                           缺点         

方式一IP STP负荷小，接续时延小偶联较多                 

方式二偶联少STP负荷大，接续时延大                          

方式三不需TMSC，接续时延小，偶联少STP要求高，STP负荷大

　　综上所述，采用方式一较为合适。跨区域的BICC呼叫，BICC信令先从MSC服务器直连到本区域TMSC/CMN，本区域TMSC/CMN再呼叫下一节点（其他区域的TMSC/CMN）。因为BICC直接发生在软交换节点之间，端到端处理，提高传输效率，可以降低IP信令网的负荷。
　　3.3　网络等级结构
　　从网络等级层次上看。信令网组网一般采用二级结构或三级结构。二级结构是信令网由SP（信令点）、STP构成，三层结构就是SP、LSTP（低级信令转接点）、HSTP（高级信令转接点）构成信令网。
　　在二级结构下，STP可分省/大区设立，STP之间组成网状网，同时SP之间也可设立直联链路。省内/区内信令业务由直联链路疏通。省际/大区间信令业务由准直联网疏通。这种结构适用于大容量、少节点网络。
　　在三级结构下LSTP分省/地区设立，HSTP设立于大区中心，HSTP之间组成网状网。省内、省际信令业务都由准直联网疏通。这种结构适用于网络规模大、节点多的网络。
　　二层结构的主要优点是结构层次少，信令转接次数相对三级结构少，因此信令的转接时延也小。缺点是扩展性较差，对于大型网络支持的力度有限。它与目前的TDM信令网的结构不一致，不利于固定、移动信令网的统一组网。
　　三层结构的主要优点是结构和目前的TDM信令网的结构一致，利于信令网的统一组网。该结构网络扩展性好，但结构层次多，省际通信时信令转接次数相对二级结构多，因此信令的转接时延大。二层结构和三层结构的优缺点比较见表2。

表2　二层和三层结构的优缺点比较

　优点                            缺点

二层结构结构简单，转接少，时延短扩展性差，不能融合传统信令网

三层结构扩展性好，与传统信令网结构一致，容易融合转接多，时延稍长

　　采用何种结构主要取决于3个因素：信令时延要求，设备能力和业务量，传输成本。
　　根据信令网技术体制（YDN113）和ITU相关规定分配到国内段的端到端的时延指标包括GT翻译时全程信令时延，在正常负荷下应满足平均消息时延低于430 ms，95%的消息时延低于670 ms的要求。
　　IP信令网也应该要满足这些要求，就需对信令网结构提出要求。信令传送时延主要来自于STP/SP设备的信令处理时延线路发送时延和传送网时延。对于传送MAP/CAP这类与电路无关的消息的STP设备处理时延是55-155 ms，这个时延和所采用的传送技术无关，所以对于IP信令网STP信令传送时延和UDT消息处理时延和TDM信令网是相同的。这两种传送技术在时延上的差异主要是线路发送时延和传送时延。因为IP带宽大，线路发送时延可以忽略，而TDM用64 kbit/s带宽链路作承载，会产生一定的时延，但主要差别还是在IP传送时延，优质IP网的传送时延一般为50 ms左右。为IP承载转发带来时延的是中间路由器、IP交换机等设备，核心部分采用高端路由器，可以认为基本没有什么时延，而TDM中传送时延是可以忽略的。TDM承载网和IP承载网在线路发送时延和传送网时延方面的差异见表3。因此如果保证与TDM相同的时延，则必须保证路径低端路由器、交换机的处理时延。由于IP传送时延大于TDM传送时延且信令在IP网络上传送的时延还受到其他因素（如丢包、抖动、误码）的影响，有较大不确定性，因此IP信令网的等级应尽可能减少。以避免时延过大。在二级结构下，可以满足时延要求。

表3　TDM与IP传送时延差异

　TDM承载网（ms）      IP承载网（ms）

传送网时延           可以忽略50

发送时延N×0.125（MSU字节数）         可以忽略

　　从传输成本来说，传统TDM由于建设时间早，当时长途传输成本高，故而不得已采用三级结构信令网，而现在传输成本已大为降低。另外目前设备能力提高很大，完全可以处理高流量信令。以500万用户规模为例，假设用户语音忙时话务量为0.02 Erl，平均通话时长60 s，忙时收发短消息数0.5条，用户更新次数0.2次，那么除BICC以外的总信令流量在16 000MSU/s左右。按照STP设备规范的能力要求MSU处理能力不低于80 000 MSU/s，即使SP之间全部采用准直联链路疏通信令流量，STP能力也完全可满足应用要求。
　　综合各种因素，组建信令网采用二级结构较为合适。因为减少一级STP不仅减少了STP转发时延，也减少了IP承载网引起的时延。
　　3.4　组网方案
　　3G信令网的建设应从业务需求、全网业务量大小、交换和IP网络结构、信令点数量、网络成本、运行维护、平滑过渡等方面进行综合计算和分析。综合以上分析，采用如图3所示的二级结构信令网。

图3　IP信令网组网

　　在3G网络的建设初期，可以在大区为中心设立独立IP STP，省内SP之间设立直达链路，省内MAP/CAP信令首选直联链路，省际信令话务通过SP与大区IP STP准直联链路疏通。省内采用DPC+SSN寻址方式，省际采用GT寻址方式。BICC信令通过MSC之间或MSC和TMSC之间的链路疏通。同时各大区的IP STP也是和传统TDM信令网互通的关口STP，也就是IP STP与传统TDM信令网的HSTP设置链路，保证和传统信令网的互通。当网络规模扩大后，可以在业务量大的省设立独立IP STP，但省内IP STP可不与HSTP互通，信令互通仍通过大区中心IP STP，以减少数据制作和管理成本。如果网络进一步扩大，各省都可以设立独立IP STP，全国IP STP之间构成网状网。
　　为保证信令网质量，IP承载网除保证一定的传送时延（小于50 ms）外，应把丢包率、差错率和抖动控制在一定的范围内。当整个IP路径上存在丢包、差错、抖动时，会加大STP的转发时延。其中丢包和差错对信令传送时延的危害更大，因为它们会引起信令重发。因此像信令传送这种实时业务要求高的业务丢包和差错应小于1×10-3和1×10-4。
4、结束语
　　TDM信令网经过长时间的运行，已有相当成熟的规范，如YDN 113 GSM No.7信令网技术体制。相对TDM而言，IP承载信令具有很多优点，同时也带来很多新的问题，如QoS、时延、组网等，原规范中的某些规定可以继承，但很多规定也不再适合。本文对IP信令网组网给出一些建议，希望运营商在规划和构建IP信令网时，充分考虑IP的特点及运营质量要求等方面问题，建设一个经济、技术上最令人满意的信令网。