GSM本地网核心层IP化演进

摘要　引入IP承载和向IP化演进已经是GSM移动通信网络发展不可逆转的趋势。结合目前国内GSM网络运营商IP化的进展情况，本文主要针对本地网软交换核心层IP化阶段进行了分析，探讨了该阶段演进的意义、基本历程、对现网的影响、产生的问题和本阶段需要注意的事项。

目前，GSM移动网络核心层上的软交换网元已经得到了大量的应用，同时，语音业务IP承载大规模商用技术也逐渐成熟，这使得移动通信网中VoIP技术的大规模应用已经成为可能。

本地网核心层的IP化是一个系统的工程，涉及到整体网络的转型，必将对现网的建设和运营产生深远的影响，本文将立足国内现有的移动网络情况，对该问题进行初步的分析和讨论。

1、本地网核心层IP化的含义

虽然近年来各类数据业务迅猛发展，但到目前为止，语音业务在电信行业收入中的主导地位仍无法动摇。现有的语音通信在核心网中一直采用电路交换的方式进行，在长期的建设和运营中，该方式渐渐暴露出对话务高峰应对能力差、资源利用率低和核心网网络调整繁琐等一系列问题。

而伴随着网络技术的发展，分组交换方式替代电路交换方式已经逐步成为不可逆转的趋势。在分组交换技术的发展中，从20世纪90年代初开始，新兴的IP技术以惊人的速度在全世界范围内取得了巨大的规模优势，在技术体系和设备能力上获得了长足的发展，已经具备了支持电信级应用的能力。

因此，通信网络IP化演进已经成为整个通信行业在核心网技术上不可逆转的趋势。其中，对于GSM网络来说，IP化是一个循序渐进的过程，按照演进规模从小到大和复杂程度由易到难的顺序，一般从一级汇接网软交换化和IP化开始，即在省际汇接网层面引入软交换网元（TMSC Server和TMG/SG设备），采用IP承载网疏通省际BICC（bearer independent call control）信令（Nc接口IP化）和话务（Nb接口IP化），逐步向本地网核心层软交换网元IP化推进，提高网络中IP承载语音的比例；接下来，可以考虑信令的IP化，前期主要是将MAP/CAP信令通过SIGTRAN协议适配后采用IP承载，后期将逐步引入IP-STP设备，以适应信令IP化发展对信令网设备的需求；另外还有一个节点，A接口/Gb接口控制和承载层面的IP化，以及Abis接口的IP化，但是这几个节点之间存在异厂家互通问题，并且由于现网中的这部分接口并不占用传输资源，而且对组网影响相对较小，因此这部分现阶段IP化的动力和重要性也相对较小。

根据目前国内各移动运营商GSM网络IP化演进的进展情况，本文仅着重探讨本地网核心层软交换网元IP化（下文中简称为本地网核心层软交换IP化改造或本地网软交换IP化改造）阶段的改造内容，以及其给网络建设和维护带来的变化和可能出现的问题。

2、本地网核心层IP化的意义

在省际汇接网层面引入软交换网元（TMSC Server和TMG/SG设备），采用IP承载网疏通省际BICC信令（Nc接口IP化）和话务（Nb接口IP化）之后，继续推进各省大本地网内核心层相关接口的IP化，单从网络组织和技术层面看，可以达到以下效果：

●促进网络扁平化，简化本地网网络组织，增强整个网络的可靠性和安全性；

●通过统一化站点接入设备接入IP承载网，为未来3G核心网接入IP承载网络积累经验；

●Nb接口IP化后，采用AMR2编码、静音检测、TrFO等新技术，用IP承载网传送，可以进一步提高核心网和传输资源的利用率，降低运营成本；

●建设本地网内IP承载专网，为将来2G/3G/支撑网共用此网承载提供网络准备；

●为下一步A/Gb接口IP化做准备，以更好地支持核心网关键节点（MSC Server/MGW/SGSN等）池组化，提高核心网设备利用率和网络稳定性；

●有利于向未来全业务运营时的移动固定网络融合演进。

3、本地网核心层IP化的发展进程

自2004年开始，我国两大移动业务运营商陆续在汇接网、本地网层面引入采用软交换架构的交换设备，促进了软交换设备在商用中不断成熟，其业务的提供能力也得到了验证。目前，中国移动已经在GSM软交换设备VoIP的试点中，做了大量具体细致的工作，积累了软交换设备IP化演进中业务及运维的经验；另外，还根据自身GSM网络规模巨大的特点，拟在商用网络中规模性地启用CMN（呼叫协调节点）设备，为全网大规模普及本地网核心层IP化的演进打下了良好的基础。中国联通也已经完成了在省际骨干网中引入软交换架构汇接局设备和IP承载专网的部署，目前，正在为各省内本地网核心层软交换IP化改造以及IP承载专网的省内延伸积极准备。

为了更好地说明本地网中核心层软交换设备IP化的现状和演进过程，把整个演进进程分为以下几个阶段。

第一阶段（现状）：TDM阶段，软交换设备和TDM设备均采用TDM方式组网。

目前的本地网内仍然以TDM设备为主，并且近两年新建设的软交换设备的话路和信令也都采用TDM的方式疏通，与传统的TDM设备在组网上没有区别，仅将Mc接口信令采用IP专线或者IP专网疏通，如图1所示。

图1　第一阶段网络结构

第二阶段：混合阶段，IP承载和TDM承载方式并存。

在软交换设备技术成熟并获得相当的商用后，从网络发展的角度考虑，应当适时引入IP承载，启动核心网络的IP化。在这个阶段，核心网主要网元的建设应遵循以下原则。

●端局和关口局的建设。新建局采用软交换设备；控制现网TDM交换机的扩容，现网的软交换网元进行IP化改造，本地网内可以考虑引入CMN设备。

●网络组织。现网TDM设备之间的组网不变，完成省内IP承载网的建设和扩容；新建的软交换设备和改造后的现网软交换设备之间的话务通过IP承载网疏通，引入BICC，和现有的H.248信令消息一起采用IP承载网疏通。

此阶段结束后，核心网网络结构如图2所示。

图2　第二阶段网络结构

第三阶段：IP阶段，主要的核心网网元都采用IP承载。

随着对现有TDM设备的逐步替换，现网上的主要网元都将采用软交换设备，并且语音和与话务相关的信令消息都通过IP承载网疏通，并随着网络规模的扩大、IP-STP技术的完善和各厂家设备互通性测试的进展，将逐步完成MAP、CAP等信令消息、A接口和Gb接口用户和控制层面等的IP化。

此阶段结束后，核心网网络结构如图3所示。

图3　第三阶段网络结构

随着远期其他TDM网元的逐渐替换和退服，核心网最终将达到全IP的目标网络结构，如图4所示。

图4　远期目标网络结构

4、本地网核心层IP化对现网的影响

在软交换核心网IP化之后，核心网络混合组网基本系统结构如图5所示。

图5　核心网络混合组网基本系统结构

由图5可以看出，软交换核心网的IP化带来的直接影响有如下几个方面。

（1）CMN网元的引入

CMN负责全网被叫号码分析及省际软交换机之间信令链路的汇聚，CMN不需支持Mc接口，不需控制MGW。

从信令上来看，CMN的网络职能就是负责BICC消息的转发。但与信令网络中的STP是不同的，STP只是属于网络层的转发，根据信令点编码进行信令路由。而CMN节点则是应用层的转发，其路由分析过程与非CMN类似，也是需要对被叫号段等进行分析决定出局路由，只是不提供话路承载方面的操作。在IP承载软交换网中，通过CMN作宽带信令汇接，可以做到在承载层面利用IP的特性达到扁平组网，而在控制层面却仍然可以采用分级组网，方便数据配置和维护。

在核心网软交换网元IP化后，由于Nc接口BICC信令在IP承载时的扁平化网络组织，使得本地网内各（G）MSC Server（移动端局软交换服务器或移动关口局软交换服务器）之间的SCTP耦连数量随着网内网元增多呈几何级数增加，给网络的扩容和维护带来很大的不便。

对于一个网内有超过10个（G）MSC Server节点本地网的运营维护来说，在Nc接口信令IP化承载后，考虑到SCTP多归属的配置，在初期就需要全网配置SCTP耦连数量过百条，随着软交换网络规模的扩大，在扩容建设和维护中必将存在和传统No.7信令网网状网组网时类似的弊端。

为了简化移动软交换服务器（（G）MSC Server）局数据制作和维护，方便网络扩容，在大本地网组网时，有必要考虑增设省内CMN设备。该CMN网元可以选择现有一对G（T）MSC Server（移动关口局软交换服务器或移动汇接局软交换服务器）升级兼做和新建一对独立CMN设备两种方式建设。

下面从网络组织、维护管理、工程实施、设备商用进度、工程投资对这两个方案进行比较见表1。

表1　两种方案比较

综上，建议采用方案一，但是制约方案一的最大问题在于CMN若与GMSC Server合设设备商用程度较低，存在安全风险，而若CMN与一级汇接网TMSC Server设备合设，则由于资产归属问题，在设备维护和扩容上，会受到运营商一级汇接设备建设进度（通常由各运营商的集团公司控制）的制约。如果考虑采用CMN与GMSC Server或省内二级TMSC Server合设的建设方式，则可以在工程实施时，根据GMSC Server/二级TMSC Server与CMN合设的软件版本成熟度和入网许可情况，选择在第一阶段或第二阶段进行GMSC Server/省内二级TMSC Server的CMN功能升级。

（2）关口局职能的转变

由图5可以看出，在软交换核心网IP化后，网内逻辑上需要增加IW-MSC Server和IW-MGW，即互通软交换机和互通媒体网关。它们主要负责辖区内IP化后的软交换网与TDM网之间"就远出IP承载专网、就近入IP承载专网"的互通话务。当IP化后的软交换端局原则上就不再对TDM端口进行扩容，之后建设的软交换端局设备也不再配置TDM端口，因此，当软交换MGW与TDM交换机（MSC、GMSC）之间的新增话务互通时，需要通过IW-MGW互通。在初期，IP化后的软交换网络与TDM网的互通主要包括：现有软交换网新增话务与中国移动2G TDM网络之间的互通，IP化后新建软交换设备与中国移动2G TDM网络之间的互通，IP化后的软交换网络经GMSC与其他运营商PSTN/PLMN网络的互通。

IW-MGW具备内置信令网关（SG），支持其他TDM网元与该IW-MGW所归属的IW-MSC Server互通时，SS7信令基于SIGTRAN方式的转接。

根据前述IW-MSC Server和IW-MGW的作用可以看出，在大本地网现有的网络设备中，此部分逻辑功能应由软交换关口局设备兼做。

因此，在软交换核心网IP化后，软交换关口局在网内的职能由目前的作为网间话务和部分业务平台转接的门户，转变为在现有职能外，同时作为IP承载改造后新建软交换网元与TDM传统网元之间话务汇接和承载及编码的转换点（即IW-MSC Server和IW-MGW网元）。

（3）对传统No.7信令网的影响

在核心网软交换端局IP承载改造后，随着IP宽带信令的增加，现网信令网压力将得到缓解。由于核心网IP化后，软交换服务器（（G）MSC Server）设备之间采用BICC信令代替了现有的MISUP信令，在一定程度上减轻了现有No.7信令网的网络压力。根据大本地网内省内信令网均由LSTP转接，省际信令由HSTP转接的网络拓扑结构核算。Nc接口采用BICC信令后，可以减轻No.7信令网STP约20%的信令负荷。随着之后的MAP信令承载IP化进程，现有No.7信令网的信令负荷将大大减轻。以上情况将在一定程度上影响No.7信令网STP设备的建设，需要在STP扩容时考虑。

5、本地网核心层IP化产生的问题

5.1　软交换端局TDM端口投资保护的问题

在核心网软交换IP承载改造后，由于承载层面的转换，将带来现网软交换设备大量TDM端口闲置的问题。对于软交换关口局来说，由于它网运营商网络IP化进程不明，在网间TDM端口暂时不可避免的情况下，TDM端口资源可以通过调整在网间利用。因此，TDM端口闲置问题主要发生在现有软交换端局设备上，为了最大限度地保护现有投资，在改造和之后的建设时，建议遵循以下原则：

●在满足IP化进程要求且不影响业务开展的前提下，尽量充分利用现有的TDM端口，减少设备的闲置；

●IP化改造之后的建设中，原则上不再加配TDM端口；

●当现有软交换端局TDM端口闲置已经不可避免时，在充分考虑A接口的使用需求的前提下，可以考虑在可能的情况下，将其余空闲TDM端口板件调配给软交换关口局扩容使用。

5.2　传统TDM设备今后的使用问题

现网TDM端局和关口局设备受技术的限制，大多无法进行IP化改造。在本地网核心层IP化进程中，如何充分利用现有TDM资源和推进利用率较低的陈旧设备适时退网就成为这部分设备投资保护的关键。

对于TDM设备的后续使用，一般可以采用两种方式。方式一：采用软交换设备现有TDM陈旧设备进行替换；方式二：采用逐步降低TDM设备利用率和覆盖区域边缘化的方式，逐步将TDM设备作用边缘化，并根据需求适时促成其退服。

考虑到核心网设备替换，尤其是大规模设备替换，可能给网络安全带来较大的风险以及互联互通问题，在充分考虑相关机房配套设施具备可实施条件后，应综合考虑商务和网络安全，谨慎选择使用方式一；而由于方式二的网络"平滑演进"的理念，既对现有网络结构影响较小，又不至于阻碍软交换核心网的IP化进程，因此，一般各移动本地网TDM设备的后续使用方式推荐采用方式二。

另外，对于距离设备退服时间尚远的传统TDM关口局，在本地核心网IP化进程中其利用率下降的问题，可以通过集中兼做本地网内所有网间话务远小于网内话务的TDM业务平台的网内汇接局来稍作缓解。

6、本地网核心层IP化需要注意的问题

6.1　核心网维护和管理的变化

核心网软交换IP化改造给核心网日常的运维和管理提出了新的要求，除了IP承载专网给网络中增加了大量的中高端路由器和局域网交换机外，在IP承载部分的运维中，实际带宽、流量、时延、网络拥塞率等宽带指标的提供和分析取代了之前TDM时期数据预测时的话务量、中继利用率等窄带指标，在混合组网时，更是两种指标并存。在业务预测时，也应针对不同的承载方式和路由策略做出相应改变。

另外，现网信令监测一般只对传统No.7信令部分进行了采集和监测，在软交换Nc接口信令IP化后，将无法满足对IP化改造后端局宽带信令的监测和应用需求，需要在其相关扩容工程建设时考虑补充。

6.2　QoS及网络安全的保证

由于IP网络BE（best effort）服务的特点，如何通过技术手段和制度措施来保证语音和信令IP化之后软交换网络的服务质量成为一个新课题。

另外，在软交换网络IP化后，由于数据通信产品在可靠性上还与电信级产品有一定差距，大带宽链路的中断可能造成更高的网络风险，开放性的网络环境又给网络攻击和病毒传播提供了可乘之机。因此，如何在网络结构、链路保护、安全接入、病毒防护、防止单点故障、核心网网元容灾和安全协议技术等方面为网络安全提供技术保障也成为软交换网络，IP化带给我们的新课题。