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3G信令网组网方案研究

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摘要 针对3G的R4版本,提出了两种适用于中国的可行的信令网组网方案,对这两种方案进行了分析比较,并针对M3UA的缺陷给出了改进方案。

随着3G技术和设备的逐渐成熟,3G组网的研究已经成为了移动运营企业关注的热点。从3GPP制定的WCDMA标准来看,目前有R99、R4、R5、R6四个版本可供选择,但基本上成熟且可用的版本主要以R99和R4为主。

R99引入了无线接入网(RAN)和WCDMA空中接口技术,它的核心网继承了基于TDM技术的GSM/GPRS核心网。这种核心网既不利于数据业务的发展,又不利于未来网络的演进和融合。

而R4版本将移动交换中心(MSC)拆分成MSC服务器(MSC Server)和媒体网关(MGW)两个实体,可以通过集中设置MSC Server、分散放置MGW的方式,达到大容量、广覆盖、少局所的目的。同时采用基于IP的承载网,大大节省构建传输网的成本。因此R4是现阶段最适用于中国移动网络的3G版本,受到运营商的普遍关注。作为3G业务的核心支撑网的R4信令网,它的组网自然就成为了3G网络建设的焦点和难点之一。

一、R4阶段信令网的功能

R4网络中的核心设备MSC Server之间采用的是与承载无关的呼叫控制协议(BICC)。3GPP已经明确说明,BICC信令承载在IP网络,它采用的协议栈是BICC/第三层用户适配层(M3UA)/流控制传输协议(SCTP)/IP、MSC Server与MGW之间的H.248协议。另外,MSC Server和归属位置寄存器(HLR)、业务控制节点(SCP)、短信业务控制器(SMSC)、非结构化补充数据业务中心(USSDC)等设备间将继承2G网络中的用于用户移动性管理、智能业务、短消息业务或非结构化补充数据业务(USSD)的移动应用部分(MAP)或CAMEL应用部分(CAP)信令。R4信令网同样要像2G的信令网一样,能够完成GT翻译和七号信令连接控制部分(SCCP)寻址,以实现3G网络中的相应业务。

因此,R4信令网的主要功能就是完成BICC信令接续,并负责移动应用、智能业务、短消息业务和USSD等业务的GT翻译和SCCP寻址。

二、R4信令网组网考虑

1.TMSC server引入的必要性

理论上讲,由于IP地址的可达性,R4信令网中各MSC Server之间可以采用平面组网方式,即网状网结构。这种组网方式在网络规模较小或网络发展的初期是完全适用的。但是随着网络规模的扩大,这种组网方式还是存在一定的缺陷。

首先,从管理角度来看,随着网络的扩容,每增加一个MSC Server,其他所有的MSC Server就需要配置相应的路由数据,维护和管理都很麻烦。其次,从技术角度来看,在R4网络中虽然不用考虑基于点到点的TDM传输链路,但是需要考虑每个网元所能支持的M3UA链路(SCTP偶联)数,因为每个网元所支持的偶联数是有限的,也就是说它只能与有限的网元建立信令关系。

我们可以通过定量分析,看看在一个比较成熟的R4网络中,是否需要按照分级结构进行组织。

目前,北京移动公司的移动用户已超过900万,考虑到3G用户是高端用户,而且北京是一个经济发达的直辖市,所以以450万作为一个R4发展比较好的省的参考用户数应该比较合理。

而大多数厂家一套MSC Server的容量一般在100万左右。考虑到安全和冗余,一对MSC Server完全可以为80万人口的管理域提供服务。这样,一个省内只需要部署6对、12套MSC Server即可为全省的用户提供3G服务。由于每个MSC Server还可能与HLR、SCP、SMSC、USSDC等实体建立偶联,如果采用平面组网方式,这样一套MSC Server为了与其他网元建立信令关系,就需要支持超过1 000条M3UA链路。而目前很多厂家的设备尚不能支持1 000条偶联。因此,随着网络规模的扩大,平面型网络必然向分级网络演进。演进的途径就是引进汇接移动交换中心服务器(TMSC Server),由其负责BICC呼叫信令的接续和管理,同时也减少了对偶联的需求。

在R4网络中,TMSC Server不是简单的TMSC,它不具有承载控制功能,所以不能用2G的眼光简单地把它看成是话务网的一部分。实际上,由于TMSC Server只负责BICC信令的接续和处理,应该将其看成是信令网的一部分。

2.独立IP STP引入的必要性

在R4网络中,仍然继承了2G的用户移动性管理、智能网业务和短消息等业务,对GT的翻译和SCCP寻址的需求依然存在。由于R4网络是一个基于IP分组交换技术的网络,随着网络的演进和发展,传统MAP和CAP信令必将承载在IP之上,即会出现IP HLR、IP SCP等实体。如果GT的翻译和SCCP的寻址仍然依赖于2G网络中的信令转接点(STP),必将增加路由的复杂度和不确定因素,造成传输资源的浪费。

因此,独立IP STP的出现是个必然趋势。在实际的演进过程中,IP STP可以从2G的STP升级而来,也可能是从信令网关(SG)演进而来。

独立IP STP的引入,一方面增强了GT翻译和SCCP路由能力,另一方面也可以保证所有端点屏蔽其他IP SP的IP地址和端口,提高安全性。此外,IP STP的引入也可以进一步降低对偶联数的需求。

3.BICC信令是否有必要经过IP STP转接

在传统的七号信令网络中,如果已经存在MSC到STP的TDM链路,为了节约TDM链路,一般不会再建设MSC到TMSC之间的TDM链路。

对于基于IP信令承载的R4网络来说,由于网络中已经引入了TMSC Server和IP STP,MSC Server与TMSC Server和IP STP之间的偶联原本就有,所以BICC信令既可以从MSC Server经过IPSTP接续到TMSC Server(准直联方式),也可以不经过IP STP直接接续到TMSC Server(直联方式)。

但是在IP技术作为承载的信令网中,BICC信令没有必要经过IP STP来转接。而且,如果BICC信令经过IP STP转接,一方面会增加IP STP的负荷,另一方面可能会增加网络的不可靠性。所以对于BICC呼叫,不建议采用准直联方式。

三、3G R4的信令网组网方案

1.方案概述

在3G的R4信令网中,从协议的成熟度和设备的支持能力来看,目前所能预见到的主要是采用M3UA/SCTP/IP或信息传输部分第3级(MTP3)/点对点适配层(M2PA)/SCTP/IP的方式,并针对信令协议适配层的特点,把不需要同2G或PSTN互通的信令在IP信令网上传送。对于要与PSTN或2G网进行互通的功能,可以利用IP信令网中IP STP的SG功能予以实现。

2.方案一:M3UA+M2PA方案

(1)方案一的基本思路

在这种方案下,IP STP的接入侧采用了M3UA协议,而IP信令网的核心(IP-STP/SG间)采用了以MTP3为基础的协议,MTP3下的承载可以采用M2PA协议。这个方案的一个优点就是利用MTP3的路由关联的完善性,提供了在IP STP间的网络可靠性。

在这种方案下,IP STP的接入侧之所以采用了M3UA协议,主要有以下几方面考虑:

●IP STP设备从SG设备发展而来,目前的主导方式是采用M3UA协议实现IP与七号信令的互通;

●目前,多数厂家的IP SP设备采用M3UA协议。从发展的眼光看,信令网的变化不应引起边缘节点的升级;

●3GPP定义的BICC的协议传送基于M3UA协议。

在网间使用M2PA+MTP3协议的主要考虑是既可以利用传统信令网的网络可靠性,又可以利用IP传送网高带宽、低成本的特点。

(2)方案的变化

因此在方案一的基础上,有些技术研究单位和设备厂家也提出了能否在SG上就把M2PA协议作为IP网与信令网互通的一个基准,从而确保未来在信令网层面能实现统一示。

在这个方案变化中,由于全程使用了MTP3+M2PA的形式,从而使网络的复杂程度得到了简化,同时我们也可以把这种组网理解为传统七号信令网实现IP承载化的一个方案,即现有的七号信令设备增加IP接口就可形成IP信令网。

该方案最大的阻力就在于涉及到端设备的改造。由于目前很多端设备,如MSC Server都是只支持M3UA而不支持M2PA,如果采用该方案,就要求所有的端设备都支持M2PA,这对网络的改造量非常大。而且,M2PA本身也具有自身的缺点,并不见得是很好的解决方案。

但从某种角度上讲,这个方案的变化也存在着一些严重的缺陷:

●如果边缘采用M2PA方式,意味着所有的IP节点要继续支持七号信令协议,所以对现有设备的改造问题是困扰边缘设备使用M2PA的一个主要问题;

●M2PA本身与SCTP一起构成传统七号信令系统的MTP2层,对协议栈而言,显得比较臃肿,效率不高。

3.方案二:纯M3UA方案

考虑到在IP STP的接入侧采用了M3UA,提出了在IP STP之间也使用M3UA协议。

但由于M3UA协议在最初制定时,更多的考虑是用在IP网络和七号网络的互通上,它缺乏网络级的管理功能。将其用在IP SP之间尚可接受,如果用在IP STP之间,它也就只能起到传送信令消息的功能。当网络中某一偶联或某一STP出现故障,它就无法保证消息不被丢弃。换句话说,采用M3UA所提供的网络可靠性相对较差。

4.不同方案间的分析比较

显然,方案一和方案二各有各的优缺点,而且这两个方案的优缺点的本质是M3UA和M2PA的差别。

对于M3UA,它的优点是协议栈简单,使得BICC和SCCP协议绕过七号信令系统中复杂的MTP协议而直接承载在IP层之上,完成了应用协议在底层上从TDM技术向IP技术的平滑过渡。采用M3UA,人们可以完全不用关注底层,不用考虑信令消息是通过TDM链路还是通过IP链路来传递和检验,而直接关注于上层应用协议的内容。说白了,从事BICC、MAP或CAP的工程技术人员,没有必要再去了解七号信令系统中的MTP协议。

但是M3UA本身只定义了应用服务器进程(ASP)和SG、IP SP和IP SP之间的应用场景,并没有涉及到IP STP和IP STP的应用场景,它的很多信令网管理消息并不能应用于IP STP之间,正是M3UA这种先天上的缺失,造成了以M3UA组成的信令网路由上的不可靠性。此外,M3UA本身也不支持倒换机制。

而对于M2PA,它的优势是支持MTP3的原语,可以利用MTP3层的完善的信令网网管功能来保障IP信令网的可靠性。但是M2PA本身也具有很多先天设计上的缺陷。首先,M2PA保留了MTP2的FSN和BSN,这与SCTP的TSN和C_TSN的功能是重叠的,可以说,M2PA和SCTP这两层共同完成了传统七号信令系统中MTP2的主要功能。这种冗余无疑造成协议栈的臃肿和效率的降低。此外,为了无缝支持MTP3的倒换功能,M2PA只能通过一个流来发送数据消息,这使得SCTP多流传递的优势没有发挥出来。另外,M2PA本身提供的类似七号信令链路的定位机制其实在基于IP技术的SCTP偶联中所发挥的也就是一个模拟再现的作用,并没有什么实质性的意义。

通过对M3UA和M2PA的分析,就不难看出这两种方案的优缺点了。

(1)方案一的优缺点

对于方案一,它的优点是:

●IP STP间采用M2PA协议,使得IP信令网的路由能力继续依靠MTP3予以保证,路由的完善性同传统的七号网络相同;

●在信令网的核心仍可以通过倒换机制进一步保证消息传递的可靠性,但在信令网的边缘仍未能提供倒换机制,除非采用方案一的变种,即全程使用M2PA的方案。倒换机制可以提高网络的可靠性,但是这种提高也是有限的。

方案一的缺点:

●网络中的节点要支持复杂的MTP3协议;

●网络中的设备要支持多种协议,可能会出现协议转换兼容的问题,给未来的运营维护带来困难;

●M2PA和SCTP的功能重叠,带来协议栈的臃肿和效率降低;

●不能发挥出SCTP的多流的优势。

(2)方案二的优缺点

对于方案二,它的优点是:

●IP STP间采用M3UA协议,使得IP信令网中IP STP的协议栈简单清晰,不需要多种协议间的转换;

●对于工程技术人员来说,不需要再继续了解七号信令系统复杂的MTP协议,而只关注于IP技术以及相应的应用层协议;

●协议统一、便于管理维护;

●可以充分利用SCTP的多流的优势。

方案二的缺点:

●目前的M3UA协议不具备组大网的条件,会限制发展;

●相关的M3UA的改进工作比较多,从标准制定到研发和测试,工作量较大。

显然,在未对M3UA进行扩展的前提下,方案一是一个比较实用的方案。

5.方案二的实施过程

如果采用方案二进行组网,其发展过程可能是如下步骤。

第一步:M3UA不完善前只引入一对IP STP。

按照目前的情况,R4网络的MSC Server节点数量控制在每省一对的话,初期的IP STP可以先采用一对,此时不需要涉及M3UA的改造问题。3G网内的GT翻译(采用新网号)可以由IP STP只翻译一次,选择到目的地。当3G用户呼叫2G网用户时,IP STP作为SG,将SCCP信令消息翻译到对应省的30个HSTP上即可,反之,也可以由2G网的STP将消息翻译到IP STP上,与此同时启动M3UA协议的扩展工作。

第二步:M3UA完善后,引入多对STP。

当M3UA协议扩展完善后,M3UA协议可以提供完备的路由功能,并在进行了完备的测试后,就可以再考虑引入新的IP STP设备,此时只需要再对原有的IP STP上的M3UA协议进行升级,就可以保证信令网具有较高的可靠性。如果有条件,对IP SP的M3UA协议也进行升级,完善链路级和链路组级的倒换机制,这样,采用M3UA作为信令网网络层协议的信令网基本上就具备了MTP3协议所能提供的网络可靠性。

6.M3UA需要完善的内容

我们以前提到,M3UA不完善主要表现在倒换机制和路由管理、拥塞控制方面。其中,对网络影响最大的是路由管理方面的缺陷。

(1)倒换机制

在传统七号信令系统的MTP3协议中,当链路在链路组内或链路组间发生倒换时,会通过COO/COA消息中的"最后收到的消息的FSN"参数通知对端本端在倒换前最后收到的消息的顺序号。这样对端就能够在倒换后的链路上发送这个顺序号之后的后续消息,保证链路在倒换过程中没有消息被丢弃。

M3UA链路(SCTP传输通路)在正常情况下的切换不会发生消息的丢弃,但是在异常中断的情况下,消息的丢失不可避免。因为,当传输通路出现异常故障导致业务量在不同的传输通路之间切换时,新的通路并不知道发生故障的通路中哪些已发送的消息还未被证实,从而无法在新的通道上重发这些消息,这样所有的这些未被证实的消息就会被丢弃。这就有点像MTP3协议中的紧急倒换,所以,消息的丢弃是难免的。此外,M3UA也不支持M3UA链路组(SCTP端点)间的倒换,即不能将原本发往IP STP1的消息在倒换之后发给IP STP2。

因此,M3UA要保证所传送的消息不被丢弃,必须完善链路级和链路组级的倒换机制。具体做法就是引入MTP3的倒换消息以及相关的处理程序。

(2)路由管理

M3UA协议提供了DUNA和DAVA消息,分别表示目的地不可用和目的地可用,但是只规定SG和ASP之间采用这两个消息的程序,并没有规定IP STP之间的程序。这样,当IP STP1向IP STP2发送关于某个IP SP(假设是IP SP1)的DUNA消息,表示IP SP1不可达时,IP STP2并不会向与IP STP2相连的所有IP SP广播这条DUNA消息。这样,IP STP2侧的这些IP SP并不知道IP SP1已经故障,就有可能继续向IP SP1发送消息。

倒换机制不完善,则消息的丢失只会发生在SCTP检测出IP SP故障所用的时间段之内,当SCTP端点检测出了故障,之后的消息会被M3UA缓存起来,等到另一个IP SP激活之后再发送这些消息。但是,路由管理功能的不完善,将使整个网络处于一种分割的盲目的状态,发出去的消息随时都可能被丢弃。

因此,完善M3UA协议,必须完善IP STP之间的一些路由管理程序。

(3)拥塞管理

M3UA的其他七号信令网管理消息(SSNM),如信令网拥塞(SCON)消息也存在类似的问题。IP STP2也不会向与之相连的所有IP SP广播SCON消息,这样IP STP2侧的这些IP SP还是可能继续向发生拥塞的IP SP发送大量的信令消息。这个问题不是很严重,但是为了提高信令网的可靠性,也可以对IP STP之间的SCON消息传送程序做进一步的完善。

四、结语

现阶段,R4无疑是中国移动运营商的首选。但是目前,对于R4信令网的组网方案一直还处在研究阶段,而且没有一种十全十美的方案。如果采用方案一,则需要端设备支持M2PA,如果采用方案二,要需要完善M3UA,以保证网络的可靠性。无论方案如何,未来信令网的IP化的趋势已经日趋明显。
 

作者:吴宏建   来源:泰尔网

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