R4网络中的关键技术

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1、引言

　　WCDMA的R4与R99版本相比较，在无线接入网的网络结构方面无明显变化，重要的改变是在核心网的电路域方面。R4中引入了软交换的概念，将原来的MSC分离成为MSC Server和媒体网关(MGW)，实现控制和承载分开，其网络结构如图1所示。


图1　R4网络电路域体系结构

　　本文将对R4网络中由于引入软交换概念而增加的新设备(MSC Server和MGW)、新的接口(Mc，Nc，Nb)以及网络的新特征进行探讨。

2、新设备

　　2.1　MSC Server

　　MSC Server对应于软交换结构中的Call Server，是UMTS移动通信系统中电路交换网向分组交换方式演进的核心设备，它独立于底层承载协议，主要完成呼叫控制、媒体网关接入控制、移动性管理、资源分配、协议处理、路由、认证、计费等功能。MSC Server负责向用户提供3GPP R4阶段的电路域核心网所能提供的业务，并能够配合SCP提供多样化的智能业务。

　　MSC Server继承了3G中的VMSC及GMSC所有的业务控制层的业务处理能力及信令接口功能，并在业务流程中调用经过移动扩展的H.248协议来控制移动接入或中继媒体网关以完成媒体流的汇聚、映射和交换功能。

　　MSC Server在无线接入侧需要支持RANAP/BSSAP协议以处理用户与网络之间的信令面消息交换；而在核心网侧除了原有的MAP，CAP等协议外，还要支持R4特有的H.248和BICC协议。

　　2.2　MGW

　　MGW能够将一种网络中的媒体转换成另一种网络所要求的媒体格式。比如，MGW能够在电路交换网的承载通道和分组网的媒体流之间进行转换，可以处理音频、视频等，可以演示视频/音频消息，实现其它IVR功能，也可以进行媒体会议等。MGW包含承载终结点和媒体处理设备(例如编解码器、回声消除器或信号音发送器)。它可以执行媒体转换和组帧协议转换。

　　MGW处于端局时，连接无线子系统和核心网，负责把无线子系统接入核心网，完成IuCS用户平面功能；还负责电路域核心网和接入网之间语音和数据流的转换和承载媒体的转换。

　　MGW处于关口局时，能够实现网间互通，比如R4网络与PSTN/ISDN网的互通，完成网络间的语音、数据流的转换和承载媒体的转换。

　　从MSC Server对MGW的资源控制来看，MGW可分为两类：智能网关和哑网关。智能网关具有BCF(承载控制)功能，可以进行承载面的信息协商和相关的承载控制操作，MSC Server与MGW间的接口为标准的CBC(呼叫与承载控制)接口，该接口除了要支持标准的H.248协议外，还需遵从为移动网扩展的ITU Q.1950以及3GPP 29.232协议要求。哑网关不具有BCF功能，而由MSC Server来实现该功能，CBC接口也因此成为MSC Server的内部接口，接口消息一般为内部定义格式，MSC Server与MGW间的接口只需完成H.248协议定义的基本能力集。从目前的协议来看，3GPP实际上在R4网络中选择了智能网关方式作为移动软交换的资源控制模型，由于BCF从软交换中分离出来，所以能够更好地做到业务控制与业务承载的无关性。

3、新接口

　　3.1　Mc

　　(1)特点

　　MSC Server与MGW间的接口为Mc接口，MSC Server通过Mc接口对MGW的承载连接行为进行控制和监视。

　　现有的国际规范中对Mc接口的编码方式并未做明确规定，可允许采用二进制编码和文本编码两种方式。但是，实际上二进制编码的编解码效率应该比文本方式高；另外，在移动网中，现有的协议大多采用二进制方式，各厂家因为习惯性的问题，也倾向于在Mc接口采用二进制编码。

　　对于Mc接口的消息流程，一方面H.248中规定了基本消息结构，这为Mc接口的开放奠定了基础。另一方面，Mc接口的实现方式非常灵活，3GPP 23.205中给出的消息流程也仅作为参考流程，未做硬性规定，加上各方理解的差异性，必然造成Mc接口上实施相同功能的消息流程差异性，包括消息顺序、消息的参数设置、消息出现的场合、与Iu/Nc口消息配合的顺序等。这虽然给厂家实现设备的基本功能带来便利，但却给互联互通带来很大的难度。真正实现Mc接口的开放，必须对各种实现方式进行深入研究，比较各种方式的优劣性，并通过标准化的工作解决这些不确定性的问题。比如，首先确定编码方式、承载方式、协议栈等，在保证系统性能最佳的前提下，对影响互通的问题确定可行方案。

　　(2)协议栈

　　Mc的应用层协议主要基于H.248及其扩展Q.1950。此外，3GPP 29.232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，也可将M3UA加在SCTP之上。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。

　　3.2　Nc

　　(1)特点

　　MSC Server间的接口为Nc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。从消息结构上看，BICC与ISUP消息很相似。但是，ISUP消息同时携载呼叫控制和承载控制消息，用电路标识码(CIC)标识物理承载电路。而在BICC的协议模型中，呼叫控制和承载控制两种功能是分开的，呼叫控制功能只负责业务流程的实现，不涉及具体的承载类型；而承载控制功能是在传统ISUP的基础上，去掉了和具体承载有关的消息和参数，增加了APM消息和APP参数，实现对多种承载进行控制，如ATM/IP/TDM承载。

　　相对于Mc接口，Nc接口采用的BICC协议是在传统的ISUP基础上修订演进而来的，两种协议的结构非常相似。另外，BICC协议中不确定因素很少，消息结构统一，对于协议流程的争议也很少。因此，未来的Nc接口互联互通是可行的，也相对简单些。

　　(2)协议栈

　　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。

　　3.3　Nb

　　(1)特点

　　MGW间的接口为Nb接口，主要是使用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议较少，易于统一。

　　(2)协议栈

　　Nb接口规范遵循3GPPTS29.414和TS29.415，支持两种ATM和IP两种承载方式。承载方式不同时，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AAL-2 SAR SSCS(I.366.1)/AAL2(I.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信令传送转换(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，协议栈结构如图2所示。


图2　IP承载方式下的Nb控制面协议栈

4、新技术

　　(1)多种承载方式

　　基于软交换的承载和控制分离的思想，在R4的网络中应能支持多种承载方式。在Nb接口，承载可以是IP或ATM，而在Nc接口采用的BICC协议，能够完全独立于用户面的承载方式，进行呼叫控制。

　　欧洲和韩国的运营商会采用ATM作为承载的网络，但考虑到中国的电信网络运营的实际情况，以及未来实现向R5的平滑过渡的目的，要求面向中国市场的R4系统其Nb接口应该支持IP承载。

　　(2)多种承载建立方式

　　在BICC中，定义了多种承载建立方式。对于IP承载，有前向快速隧道承载建立、前向延迟隧道承载建立、后向延迟隧道承载建立3种方式；对于ATM承载，有前向承载建立、后向承载建立2种方式。不同的承载建立方式，有不同的特点，使用场景也有所不同。比如，在ATM承载中，采用后向方式建立承载会比前向方式快，因为在后向方式下，IAM消息中带有主叫的地址，被叫MSC Server收到主叫侧的承载地址信息就能建立ATM链路；而在前向方式下，主叫MSC Server需要在Nc第二条消息APM中返回被叫的地址消息才能建立链路。在IP承载中，如果系统不要求具有TrFO功能，那么前向快速隧道方式是最佳的选择，因为这种方式的Nc口消息流程相对简单，建立呼叫所需的消息数较少。如果系统要支持TrFO，从消息流程看，后向延迟方式的消息较前向延迟方式稍稍简单些；若从系统建立承载的角度考虑，则前向延迟隧道方式更简单、更可靠。

　　(3)TrFO/TFO功能

　　在R99网络中，话音的AMR码流从UTRAN，通过Iu口达到核心网时，核心网的编解码转换设备要将AMR码流转换为G.711格式的编码，封装在PCM中进行传输，到达对端后，需要将G.711编码再还原为AMR码流。每一次的编解码对语音质量都是一次损伤，而且G.711编码的传输速率远比不上AMR编码。在R4网络中，有两种方式可以实现在局间直接传送AMR编码，而不是G.711编码，这就是TrFO和TFO功能。

　　TrFO(Transcoder Free Operation)是一种带外的Transcoder控制协议，是在R4中定义的新功能，网络可以在呼叫建立前就对编解码的类型和模式进行协商，如果两端使用的编解码一样(例如都是AMR编码)，则对于移动到移动的呼叫可以完全不经过编解码转换。TrFO可以提高话音质量，并且在分组核心网中可以优化网络带宽，因为话音是AMR速率而不是64kbit/s在核心网中传输；由于移动网内的呼叫可以不使用编解码器，还可以节省设备投资；另外，编解码协商在承载建立之前完成，可以保证呼叫使用适当的承载资源。

　　TFO(Tandem Free Operation)是一种带内的通信协议，是在2G网络中已定义的方法。TFO在呼叫建立之后对使用的编解码进行协商，发送方的解码器和接收方的编码器被旁路，直接将空中接口中使用的话音帧传送给接收方。这样可以改善话音质量。TFO功能是在标准的64kbit/s链路的基础上，提取一定数量的比特，组成子信道，用来传输TFO信令和话音帧。

　　将两种编解码协商方式相比，相同点就是在局间都直接传送AMR编码，能够提高语音质量；但对TrFO方式，因为局间只传AMR码流，可以节省带宽，而TFO的AMR码流是嵌在G.711码流中的，局间传的还是G.711码流，因此并不能够节省带宽，传送速率也没有改善；TrFO能够真正免除编解码器，而TFO要求系统中仍然有编解码器，用于AMR-＞G.711的编码；TrFO因为是带外协商编解码，操作简单，TFO是带内协商方式，实际操作流程很复杂。通过比较可以看出，在R4中，TrFO比TFO更具优势，更实用。

　　(4)1：N的网络结构

　　所谓1：N的网络结构，指的是一个MSC Server可控制多个MGW。由于在承载与控制相分离的网络结构中，MSC Server只负责信令处理，不涉及用户面数据的处理。因此，可集中设置MSC Server，R4网络的MSC Server和MGW的位置灵活，形成扁平化网络结构，在组网方面可以降低建网和运维成本。MSC Server与MGW的组网方式灵活，可不局限于同一交换机房，支持分布式组网。理论上，R4需要较少的交换机房，机房、传输、维护费用大大节省，全网的版本升级可在同一中心机房内对所有的MSC Server升级后即可完成，无需逐点升级，时间减少，新业务部署快。

　　(5)内嵌信令网关功能

　　信令网关是用于连接窄带No.7信令网与分组网的设备，主要完成传统窄带No.7信令与基于分组网(ATM或IP)侧信令的转换功能。

　　信令网关可以单独设置，也可以与MGW合设，合设时即称MGW具有内嵌信令网关功能。在R4网络中，MGW可以利用内嵌信令网关功能转接RANAP和ISUP信令。

　　实际网络结构中，应该是一个MSC Server控制多个MGW，而一个MGW又可与多个RNC相连。MSC Server与RNC间的Iu控制面信令可以利用MSC Server与MGW间及MGW与RNC间已有的链路来转接，避免在MSC Server与RNC间直接建立链路造成的资源浪费和网络结构的混乱，有利于优化网络结构。

　　MGW是否需要转接ISUP信令则依赖于实际的网络配置，如果MSC Server与PSTN间没有STP点可以传送ISUP消息时，才需要考虑用MGW来转接ISUP信令。

　　(6)Nb口的支持模式

　　“支持”和“透明”模式来源于Iu口。当接口采用透明模式时，用户数据是透明传送的，接口不做任何处理；而采用支持模式时，接口要对用户面的数据进行帧处理。如果观察Iu口消息，在支持模式下，有Iu UP的初始化过程；透明模式下，没有Iu UP初始化过程。在R99中，对于语音业务，在Iu口采用支持模式，而视频业务作为透明数据业务，在Iu口为透明模式。在R4中，Nb口的概念绝大部分与Iu口相同，只是对于视频业务。在R4最新的版本中，规定其在Nb口采用的是支持模式，而Iu口仍为透明模式，目的是保证用户数据在局间的可靠传送。