（通信与信息系统专业论文）gsmr移动软交换网络解决方案的研究.pdf

中文摘要 摘要：随着g s m r 网络在我国逐渐开始大规模的建设，网络可靠性和业务的多样 性也面临着更高的要求。本文基于对多种承载方式的移动软交换网络解决方案的 研究，结合g s m r 铁路通信的特点，从网络结构、协议信令以及业务扩展、网络 容灾方式等几方面展开讨论，得出了g s m r 无线通信网络的核心网部分向移动软 交换升级的解决方案。 论文主要从以下三个方面展开论述：首先，讨论了网络承载方式对于服务性 能的影响，比较了目前主流承载方式的特点，并基于g s m r 网络结构的特殊性和 目前建网状况给出了网络承载的解决方案。其次，给予承载网络的设计，详细分 析了各个接口的应用协议及上层信令消息，并在此基础上分析了语音业务的实现 过程。最后，分析了软交换组网的容灾备份方式，引入了r 1 d 瓜p o 参数，对不同 的容灾方式进行了分析，最后结合g s m r 网络规划及业务预测，设计了合理的容 灾解决方案。对g s m r 核心网的软交换实现过程进行了安全性和可靠性的分析， 为g s m r 在高速铁路环境下继续发展和向前演进提供了理论依据和工程借鉴。 关键词：g s m r ；移动软交换；i p 承载；容灾 分类号：t n 9 2 9 5 业塞銮道太堂亟堂拉垃塞旦s ! 壁! a b s t r a ( 了r a b 趼r a c tw i t ht h cd “c l o p m c n lo fg s m r 鹏t 、v o r k 柚dt h cl a r g c 一鼢l e 。d n s t 埘c t i 彻，t h c 陀l i a b i l i t y o ft h cn e 晰o r k 勰dt l l c v 撕e t yo ft h ca p p l 渤t i 伽i s b e c o m i n gm o r ci m p o n a m t h i st h e s i si sb 硒e do nt h er c s c a r c hw i t hm u l t i - n n e c t i v i t y m o b i l c f ts w i t c hn c “，o r k 猫w e u 硒f c a t u r e so fm i l w a y m m u n i c a t i ，d i s c l l 鹞i n gt h c c o n n e d i v i t yn c m o r k ，s i 印a l i n g 柚d l ln o w 柚dt h e 化d u n d a n c ym e t h o d 卸dm a k i n g d e s i 髓o fg s m rc o r en e 腑o r ku p g r a d cm e t h o d t h i st h c s i sd i s c u s s e st h f e cp a n s ：f i r s t l y i ta n a l y z c sd i 仃e r e n tc o n n e c i i v i t y ，s i n f l u e n c ct oo o so fm o b i l e f ts w i t c hn e 铆o r k ，柚d 百v c st h e l u t i 伽o f 蚰c c t i v i t y b a s c d t h cf e a t u 佗o fg s m rn e t w o f k 锄dp r c n tc o n d j t i s e c o n d l y ，i td e s c r i b c s t h ep r o t o c o ls t a c k sa i i dm e s s a g c so fe a c hi n t e r f a c c ，勰w e l la st h ev o i c cc a l ln o w p r o c c d u r e t l l l i r d l y ，i t 彻a l y z e st h cr c d u n d 柚c ym e t h o d su s i n gp 盯a m e t c rr p o & p t o ， 锄dg i v e sas o i u t i o no fm s cs e r v c r 庳d n d a n c yw i t hc h e 鹏t 、v o r kd e s i g i la r i dc m 施c f o r e c 髂t j n go fg s m - rs y s t e m f i n a l l y ，w em a k ea n a l y s i sa b o u t t h es a f c t ya i l dr c l i a b i l i t y o ft h cu p g f a d es o l u t i o n ，o 仃e r i n gr c f e r e n c ct og s m rd e v e l o p m e n ti n h i g hs p e e d c n v i “) n m e n t k e y w o r d s ：g s m r ；m o b i l e s o f ts w i t c h ；i pb e a f c l ；r e d u n d a n c y c l a s s n o ：t n 9 2 9 5 致谢 本论文的工作是在我的导师朱刚教授的悉心指导下完成的，朱刚教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来朱刚 老师对我的关心和指导。 朱刚教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，并对我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在 此向朱刚老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期问，现代通信实验室的各位老师和思源9 0 1 的各 位同学和好友对我论文中的相关研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的 感激之情。 另外也感谢家人，感谢我的父亲、母亲，他们的理解和支持使我能够在学校 专心完成我的学业。 匙廛銮适厶翌亟堂僮 监 塞 i l直 1 1综述 1 1 1g s m r 的发展和演进 1 引言 g s m r ( g s m 铁路) 是一种基于g s m 平台的专门为满足铁路应用而开发的 数字综合移动通信系统，针对铁路通信列车调度、列车控制、支持高速列车等特 点。为铁路运营提供定制的附加功能。g s m r 基于g s m 的基础结构及其提供的 电信业务，提供了铁路特有的基础业务，使得用户可以在这个信息平台上轻松开 发各种各样的铁路应用。其网络结构如下图所示f l l ： 幽1 1g s m r 系统组成 f i g i ，r e l 一lg s m rs y s t e mc o m p o n e n t 新一代铁路综合数字移动通信系统g s m r 的标准制定工作最早于1 9 9 3 年开 始，由国际铁路联盟u l c 成立的e r m n e ( 欧洲铁路综合数字移动通信网络) 工 作组负责制定。1 9 9 7 年，欧洲2 4 个国家的3 2 个铁路组织签署协议，承诺共同为 g s m r 作为新一代的铁路无线通信系统标准努力。1 9 9 9 年，第一个g s m r 网络 在瑞典铁路建成。目前，g s m r 技术已经逐步成熟。并被更多的国家采用。在我 国，铁道部于2 0 0 0 年决定将g s m - r 作为我国铁路无线通信未来的发展方向，逐 渐取代传统的模拟通信方式。在相关专家和科研机构的研究和攻关下，g s m r 在 中国已经制定了比较完善的技术体制，开展了应用性试验，并且已经在青藏线、 大秦线和胶济线正式投入应用，它将为中国铁路未来的列车控制系统和通信系统 提供基础平台。 未来的铁路移动通信无线网络覆盖范围广，对安全性和可靠性要求很高。随 着网络规模的不断扩大，高速列车技术的不断成熟和应用，传统的基于g s m 技术 的铁路无线通信将逐渐不能满足高速环境下高质量的通信要求。仅以我国为例， 截止到2 0 2 0 年，我国计划建成并使用“四纵四横”铁路快速客运通道以及三个城际 快速客运系统，京、沪、广、杭等城市均有覆盖，总罩程约1 2 万公里。目前， w c d m a r 的研究正在进行中，g s m r 将逐渐向w c d m a - r 过渡，在高速铁路 移动通信的性能上获得质的飞跃。 1 1 2r 4 网络的新特性 随着通信网络技术的飞速发展，人们对于宽带及业务的要求也在迅速增长， 为了向用户提供更加灵活、多样的现有业务和新增业务，提供给用户更加个性化 的服务，提出了下一代网络的概念，且目前各大电信运营商已开始着手进行下一 代通信网络的实验。软交换技术又是下一代通信网络解决方案中的焦点之一，已 成为近年来业界讨论的热点话题。 在w c d m ar 4 版本中，与r 9 9 版本相比较，在无线接入网部分没有大的变 化，主要的改变在于核心网电路域部分，引入了软交换的概念，将原来的m s c 分 离成为m s c 服务器和媒体网关( m g w ) ，实现控制和承载分丌；网络将由传统的 垂直结构转变为承载和控制分丌的水平结构，网络由承载层、控制层和业务层组 成。对于电路域丽言，m g w ( 包括信令网关) 作为承载层的主要节点，完成语音、 数据流的转换，承载媒体的转换以及媒体处理的功能；而m s c s e e r 则作为控制 层的主要节点，完成呼叫控制、资源分配等功能1 2 j 。如下图所示： 2 应用屡 图1 - 2 移动软交换的分层结构 f i g i l f e l 21 n h eb y e m da r c h i t c c i u o fm o b i l cs 0 f ts w i t c h 由于软交换概念的引入，在网络中除将增加新的节点m s c r v 盯和m g w 外，也必然会增加相应的新的接口和协议： ( 1 ) m c 接口。m s cs c r v e r 与m g w 问的接口为m c 接口，m s c s e r v e r 通过 m c 接口对m g w 的承载连接行为进行控制和监视。m c 的应用层协议主要基于 h 2 4 8 及其扩展q 1 9 5 0 。此外，3 g p p 2 9 2 3 2 对h 2 4 8 进行扩展，以实现移动环境 的特有应用。m c 接口可以基于a t m 或i p 承载，并根据承载方式不同选择不同的 协议栈。 在实际工程实现中，由于3 g p p 中并未对m c 接口的消息流程做出硬性规定， 而m c 接口的实现方式又非常灵活，这就造成不同厂家在实现设备功能时有比较大 的差异性。因此，要真正实现m c 接口的开放，还有很多工作要做，对编码方式、 承载方式、协议栈等进行分析，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1 3 】。 ( 2 ) n c 接口。m s c s e n ，e r 问的接口为接口，采用与承载无关的呼叫控制 协议b l c c 协议，用承载和控制分离的方式解决移动i s u p 的呼叫控制功能。 从消息结构上看，b i c c 与l s u p 消息很相似。但是，l s u p 消息同时携载呼叫控制 和承载控制消息，用电路标识码( c i c l 标识物理承载电路。而在b i c c 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i s u p 的基础上，去掉了和 具体承载有关的消息和参数，增加了a p m 消息和a p p 参数，实现对多种承载进 行控制，如a 1 m i p 厂r d m 承载。 相对于m c 接口，n c 接口采用的b i c c 协议是在传统的i s u p 基础上修订演进 ) 一 一 一 一 一 一二 、铁路电话 网、铁路d m i s 厂r m i s 等系统送行互联互通，共同提供业务或共享信息。在进 行软交换升级时，必须充分考虑到以上问题，并作为m s c - s e r v c f 和m g w 节 点设置的重要依据。 ( 2 )由于g s m r 应用范围的特殊性，在做网络规划的时候必须充分考虑到 用户数量和铁路特殊业务鲍需求，结合礴络现状进行合理考虑，逐步升级， 不能盲目追求一次到位。 ( 3 )由于铁路通信对于信息的安全性和实时性要求很高，因此，在选择升 级方案时，必须将保证数据传输的安全性和实时性放在首要的位簧，选择合 适的安全策略和服务保证策略扶而确保数据安全和q o s 。 1 ，2课题背景和选题意义 随着g s m r 网络在我国逐渐丌始大规模的建设，网络性能也面临着更高的要 求和挑战。在我国目前的g s m r 建设规划中，核心两的建设被放在首要的位置。 铁路通信对于网络的可靠性要求很高，随着赢速铁路的建设，这要求将变得 更加明显。目前提高网络可靠程度的研究多集中在无线接入部分，如双层覆盖， 高速下的切换问题等，缺少面向核心网的研究工作。引入软交换的容灾体制，可 以实现交换机服务器的网络级备份，在另一层面为网络安全提供保障。 从业务角度两吉，耳酊智能网的建设成为热点，g s m r 提供的业务将向着多 5 样化的方向发展，而传统的交换机在业务的灵活性等方面不能满足要求。充分实 现智能网业务，需要寻求更有效的支撑，软交换可以很好的做到这一点。 g s m r 之所以能够得以快速的发展和应用，在很大程度上也是由于它拥有成 熟的技术优势和明确的演进路线。软交换作为下一代网络的控制功能实体，在核 心网部分采用软交换技术，是网络发展的必然趋势。本文选择针对g s m r 的软交 换升级方案作为研究的方向，从网络结构和承载方式的选择、网络容灾方式的选 择以及网络协议扩展等方面进行研究，提出针对g s m r 的网络升级方案，为 g s m r 的在高速铁路环境下继续发展和向前演进提供了理论依据和工程借鉴。 1 3 本论文的主要工作与贡献 本文对g s m r 无线通信网络核心网部分的软交换升级方案进行了研究，以基 于多种承载方式的移动软交换网络解决方案为基础，结合铁路通信的特点，从网 络结构、信令以及业务扩展等几方面讨论，并给出最终的解决方案。 文章首先对基于g s m r 的移动软交换节点设置进行研究，详细对比了a r m 承载模型和i p 承载模型的优势与不足，通过计算进行承载方式的选择，并在此基 础上考虑了多种承载建立方式，最终提出针对铁路无线通信系统的承载解决方案。 在得到承载方式的解决方案后，针对所选择的承载层解决方案进行了针对铁 路通信的扩展协议信令流程研究，讨论了电路域呼叫流程。随后文章对软交换方 式的安全性进行了讨论，针对目前的g s m r 系统规划提出了自己的建议，设计了 足以保证通信安全的容灾方式。 通过以上问题的讨论分析，本文紧密结合铁路无线通信的特点，主要在以下 几个方面做出贡献： 评估移动软交换承载方式设置对通信质量的影响，提出符合铁路无线 通信特性的承载解决方案。 分析基于软交换的电路域呼叫流程，结合铁路业务提出合适的承载建 立方式。 结合r p 0 r t o 指标，评估软交换升级的安全性并设计了一种合理的容 灾方式。 6 韭立銮遵太堂亟茔焦盈塞基王垒墨丛：基的这窑送丞嚣旦络 2 基于g s m r 的软交换承载网络 2 1基于g s l i 卜r 的软交换节点设置 2 1 1 移动软交换网络结构 以软交换作为基础的核心网，除了要实现电路域业务外，还必须考虑与分组 域s g s n 。g g s n 等节点的互联，以及与智能网节点的互联。在移动软交换体系中， 智能网的s s f 功能可以在m s c 服务器上实现，因此实际的独立节点只是s c r m g w 作为媒体网关的同时，集成了信令网关的的功能，可以同时充当信令网关， 在本文中，如无特殊说明，则将媒体网关与信令网关统一用m g w 表示，不再加 以特别区分。 在m g w 与s g s n 的连接中，m g w 只是起到透明转发的作用，通过这样的 形式令网络结构更加简单和清颇。 对于g s m r 无线通信系统，与公网相比增加了铁路通信网络节点f a s 。因此 软交换设备与f a s 的互连也必须考虑在内。整体的网络结构如下图所示： 图2 1g s m r 软交换系统互联 f i g l l 2 1g s m - rs o f t s w i t c hs y s i e mc o n n e “o n 下面，主要就核心网电路域的网络节点和实现功能进行研究。 2 2g s m r 移动软交换承载方式的选择 在核心网部分采用什么样的承载方式，是确立整体软交换架构的第一步。选 7 j e 廛銮适厶堂亟堂位j 金塞基王鱼墨丛= 基艘熬窑迭丞嚣塑缝 择合适的承载方式，可以更好的支撑上层业务，进一步提高网络性能。 移动核心网的软交换节点都能够支持多种承载方式，包括1 d m ，船m 和i p 。 其中基于瑚r m 或i p 的承载方案可以较为顺利的实现向3 g 过渡，而t d m 连接则 是在必要时，在上述两种连接方案起到辅助作用，帮助传统基于g s m 技术的网络 向3 g 的顺利过渡。下面将对移动软交换问的承载方式和相关技术进行比较和分 析，最后给出适用于g s m r 网络的解决方案。 2 2 1 基于a t m 的承载方案 2 2 1 1a t m 传输原理 删技术最早提出于1 9 9 0 年代初。是一种面向连接的技术。删的信元具 有固定的长度，总共5 3 个字节，其中5 个字节是信头，4 8 字节是信息段( 或 净荷) 。a 1 m 信元的信头包含地址信息等控制信息，同时将话音、数据、图像等 信息统一成一种信元格式。这种统一的信元格式，有利于硬件处理，简化了通信 节点的处理程序，可以用硬件逻辑电路达到快速数据交换的目的。以信元为单位 传送信息，也同时实现了对连续业务和突发业务的支持。 a t m 信元结构如下图所示： 删信元 u n l 5 + 葡火 0 p c v p l 4 8 托“您 v nv a v c l v e ip tr sc l p 域 j i f ( n n 】 ( ；p c v 列 v c l v c l v c i v c l p t翼e sc l p l i 卜f 图2 - 2 a t m 信元头结构 f i g l i r e2 - 2 删p a c k e ts t m c 【u 其中，u n i 为用户一网络接口；n n i 为网络一节点接口；g f c 为一般流量控 制域；v p l 为虚路径标识符；v c i 为虚通道标识符；p t 为净荷类型，即后面4 8 个 字节信息域的信息类型；r e s 为保留位，可以用作将来扩展定义，现在指定它恒 为o ；c l p 为信元丢弃优先权，在发生信元冲突时，c l p 用来说明该信元是否可以 丢掉；h e c 为信头校验码，检验多项式，这个字节用束保证整个信头的诈确传输 8 韭立窑堑厶堂亟堂盟途塞基王鱼墨m ：基艘毯銮拯丞夔鲤缝 【3 】。 幻a i m 的两级虚电路体制 御r m 采用两级虚电路体制，即将一个物理线路逻辑上分为多个v p 。一个v p 逻辑上又分为多个v c 。v p 相当于干流，而v c 则是支流。这样好处在于，骨干 网对带宽资源和虚电路的管理更灵活。实际中，用a r m 构建骨干网时，通常在网 络边缘实现v c 交换，而在核心网中主要实现v p 交换，这样核心网a t m 交换节 点的交换负担可以减轻，路由表和转发表的规模都大大降低。 mj 删适配层对业务的支撑 a i m 定义了5 种类别( c l a 竭) 的业务： ( 1 ) u b r 未规定的比特速率( u n s p c c i 丘c db i tr a t c ) ( 2 ) a b r ：可利用的比特速率( a v a i l a b l eb i tr a t c ) ； ( 3 ) n f t v b r ：非实时的比特速率( n o nr c a l t j m ev a r i a b l eb i tr a t e ) ； h ) r t v b r ：实时可变的比特速率( r e a l t i m cv a r i a b l eb “r a t e ) ； ( 5 ) c b r ：恒定的比特速率( c s t a n tb i tr a t c ) 。 u b r 与a b r 是两种尽力而为型( b e s t e 肋n ) 服务，区别不十分明显，未被c b r 和 v b r 利用的带宽可以提供给a b r 和u b r 使用。a b r 是指在网络阻塞情况下，对 信元丢失率和自愿后退要求很小保证的业务；u b r 是指对延迟和丢失不敏感的业 务，是要求最弱的一种，不受任何保证，在网络阻塞时，u b r 信元可被丢弃。 c b r 业务要求网络有一个固定的带宽，其控制参数包括：可接受的丢失率，最大 的端到端延时、最大的抖动，它在源端无突发流量。n n - v b r 参数包括：可忍受的速 率、峰值速率、丢失率。n n r 要预留一定量的带宽，还有可接受的丢失率，最大 端到端延时、最大抖动、可以忍受的速率、峰值速率、最大突发长度。c b r 和r t v b r 是对传输时间有严格要求的业务【4 】。 为实现综合业务并保证有差别的o o s ，必须让用户能够预约网络资源，并给 各种业务分配优先级。a r m 定义了不同的服务等级，并通过a r m 适配层实现不 同业务的传输。 2 2 2 2g s m ra t m 承载解决方式 g s m r 核心网的现状是：以青藏线为例，m s c 之问采用e 1 连接，一个e l 可携带1 2 0 个用户，速率为2 m 如果升级至软交换，m c ，n c ，n b 口采用删连 接，最终的实现方式如下图所示： 9 i e 塞銮逼厶堂亟堂位淦塞基王鱼墨m = 基盟煞窑送丞戴圆垡 夕飞 p 、，彭 h m( a t m 乐收硝 图2 3 a r m 承载核心网网络结构 f i g i l 他2 3 删b e a 删? c 0 ”鹏t ，o r ks t c t u 他 在该方案中，m s c 服务器与m g w 节点之间均采用删承载，可采用a r m o v c rs d h 的方式，实现节点之问的通信。由于b s c 仅支持传统的e 1 连接，在a 接口仍然采用t d m 连接，可以设计在m g w 进行s d h 的打散和重组，从而实现 与现有b s c 的连接。各接口间，控制平面的数据使用a a u 适配层，用户平面的 数据则利用a a l 2 适配层。 目| j i 在我国g s m 公网的软交换升级中，a r m 的解决方案主要应用于m g w 和r n c 之1 日j 的连接。作为向a li i p 的过渡方案，这种解决方式将在未来很长一 段时自j 内存在。 2 2 2 基于i p 的承载方案 i p 属于无连接型的交换方式，是目前i n t e r n e t 使用的主要技术。传统的m 交 换方式具有无连接、自适应选路和提供“尽力而为”服务的特点，适合突发性的 数据业务，但网络内部不提供差错控制和流量控制，如果出现问题，数据将被网 络简单丢弃，相应的功能原则上由终端完成。因此，基于i p 的核心网不保证稳定 可靠的服务质量，难以支持实时和多媒体应用【5 j 。 为在i n t c m e t 上支持实时业务并提供有保证的服务质量，许多厂家推出了l p o v e r 衄m 的产品，利用删传输保证服务质量。随着路由器技术的发展，高性 能、低成本路由器的出现，多协议标记交换( m p l s ) 技术丌始逐渐代替i p o v e r a r m 的解决方案，成为解决基于l p 的核心网服务质量的i j 仃沿方式，并逐渐成为主流【6 l 。 1 0 韭立銮堑厶堂亟堂焦淦室基工垒s 丛= 基酸煞窑逸丞蠡圆垡 2 2 2 1 多协议标记交换( m p l s ) 实现方式 多协议标记交换( m p l s ) 的主要特点是：面向连接，实现标记交换。在m p l s 中，一条虚电路被称为l s p ( b b c is w i t c h e dp a t h ) ，m p l s 使用定长标记在每个路由 器上标识一条l s p ，标记交换指分组在网络入口处被打上标记值。在网络内部， 路由器将根据标记值实现快速高效的第二层交换，其原理与a r m 的、，p ，、，c 交换 相同。与传统路由器转发分组时执行的最长地址匹配操作相比，基于定长标记的 转发操作更快，更易于用硬件实现交换，而m p l s 的多协议支持特性则体现在它 可以支持各种网络层协议，其标记方式则由具体数据链路层决定。 标记的结构如下图所示： l! ：垒旦曼! ：l 里茎!l墨l ! 旦：i 图2 4 l a b e l 的结构 f i g u f c2 _ 4t h ea r c h i t e c i u 碡o fm p l sl 五b e l 各字段含义如下： 2 0 比特的l 姬e l 字段用来表示标签值； 3 比特的e x p 用来标志该m p i s 报文的优先级，从而实现 q o s ； 1 比特s 值用来表示标签堆栈是否到底。一条l s p 需经过多个 m p l s 域时，分组就需要多个标记，形成标记栈； 8 比特1 l 值用来表示分组在网络中的生存周期，防止数据在 网上形成环路。 为保持口应用的无连接特性，同时适应w 曲业务突发密集、分布性强的特点， m p l s 采纳了a s c ot a g 交换中拓扑驱动的连接建立方式，其思想是：网络初始化 时，根据网络拓扑结构预先建立大部分l s p ，运行时只在网络拓扑发生改变或有管 理面的请求时才发送连接建立消息。这样做的优点是，不管用户面的业务多么密 集，控制面的信令负荷总是很低，更适于在大型骨干网上应用川。 在m p l s 中，在m p l s 网络的边缘，预先将若干等同的业务分组合并起来， 将用户业务流分成不同的类型，称为转发等价类f e c 。f e c 可以根据地址i ； f 缀设 定，也可以通过管理面基于流量工程、多播业务、v p n 和q o s c o s 等参数设定。 由于通过合理的分类，f e c 的总数是可控的，因此经过f e c 对应的骨干网需要维 持的l s p 总数也是可控的，并且不受业务突发性的影响，这样就提高了骨干网的 稳定性。 毡鏖銮遵叁翌亟堂位淦奎基壬垒墨丛：曼啦丝窑选丞亟嗵缝 2 2 2 2g s m r 的i p 承载解决方式 m p l s 为口承载的q o s 提供了保障，尽管是通过路由技术实现的，但这已经 可以在很大程度上保证核心网i p 承载的服务质量，并为今后移动核心网向全】p 的 方向演进打下基础。 对于g s m - r 的核心网部分建设而言，同样可以利用口的方式进行传输。如 下图所示： m 靳r v hm 瓤? r ” 夕1 q p 图2 - 5l p 承载核心网网络结构 f i g u r c2 - 5l pb c a 陀f 化n e t w o r ks n i c l u 坤 其中，用户平面利用i r r p 通过路由器在m g w 之问进行传送，控制平面采用 s i g t r a n 在i p 承载网络上传输7 号信令。对于m s c 服务器和b s c 之问的信令， m g w 的作用与删承载方案中相同，都是只起到信令透明转发的作用。 2 2 3 两种方案的比较 1 电路体制的比较 从方案的实现方式来看，与删的、，p ，、，c 两级体制相比，f e c - l s p 机制更 灵活，多个f e c 共享一条l s p 或一个n c 映射到多条l s p 都很容易实现，也很 容易创建满足特定q o s 需求的l s p 。在盯m 中，一条v p 能够容纳的v c 数目是 固定的，而一条l s p 实际能够统计复用的用户业务流数目则是不受限的。因此， m p l s 的o o s 机制的优点是允许q o s 保障的粒度可粗可细，信令丌销很小，特别适 合于业务密集、突发性强的骨干网，但缺点是不支持端到端的q o s 。 2 信元效率的比较 根据文献【8 l ，在a t m 和l p 的信元丌销上，将两者做出效率比较，可得： e 座銮逼叁堂亟堂焦监奎基工鱼墨m ：基曲塑銮趣丞戴圆缝 砌勿一班娜- 志 ( 2 1 ) 一一t 击 号竽r ( 2 2 ) 其中，l 为用户数据长度( b y t c ) ：h 为每数据包的添加头与尾( b y t c ) 。 利用m 瑚r l a b 的仿真结果显示，1 p 包的信元效率明显优于a r m 。 3 服务质量的比较 服务质量( q o s ，q u a l i t y o f s e r v i ) 是指用户要求网络传输系统保证的关于信息 传输的质和量的特征集，它反映服务提供者( 系统) 和服务使用者( 用户) 之间的能力 和需求关系，是用来描述网络性能的。它以用户可以理解的语言表述为一组参数， 这些参数具有客观值或主观值。国际标准化组织在0 s l 参考模型中，把q o s 参数 定义为两大类：面向功能和非面向功能的q o s 参数。前者包括吞吐率、传输时延、 出错率、建立连接延时、重置率、释放延迟、释放失败率等；后者包括访问权限、 优先级等【钟。 通过前面的论述可以看出， j m 的q o s 机制虽比较完善成熟，但其精细的业务 管理使其价格较昂贵。实现也比较复杂，只有在纯a 1 m 环境中，端到端的q o s 保证 才能实现。基于m 的承载方案在m p l s 技术的支持下，可以完成语音传输的业务。 2 2 4g s m r 网络承载方案 综合以上的分析，利用m p l s 技术的i p 核心网络可以以较高的数据包效率和 较小的信令开销完成带q o s 保证的业务传输。并且，从向我国未来全m 网络的建 设趋势和与g s m 公网的互联考虑，采用i p 方案也更加具有优势。 考虑到以上因素并结合g s m r 核心网的现状，本文提出以下的g s m - r 核心 网软交换升级方案： 1 m s c 服务器与m g w 通过路由器连入i p 核心网，b s c 通过 t d m 连接与m g w 相连，m g w 负责信令b s s a p 信令由t d m 承载至i p 承载的转发。对于不支持与m g w 直接连接的b s c ， 可以在m g w 侧傲模拟交叉连接，从而实现b s c 至m s c 服 务器的逻辑连接。 2 利用s i g t r a n 在i p 核心网传输7 号信令，m g w 之间的用 户平面数据利用u d p 进行传送。 3 在各m g w 之f b j 增开t d m 链路，防止网络建设初期由于t d m 韭廛奎适太堂亟堂位途塞基王鱼sm ：b 数墼銮燕丞嚣旦终 至i p 的承载转换造成的时延抖动加大。m g w 与m s c 服务器 之间除g c p 消息的传送外全部使用t d m 连接，增强网络可 靠性。 4 以上方案可以在增加尽量少的节点的前提下，实现g s m r 核 心网向软交换的顺利过渡，并且在今后只需个别单板的更换 和软件升级即可顺利实现向全口网络的过渡。 如下图所示： 夕飞 鹱魏m 幽2 6g s m r 软交换升级网络设计 f i g u 豫2 6g s m rs o f t s w i t l ln e t w 町kd e s i 印 在语音编码方式的选择上，可以利用多种承载方式，在传统t d m 连接传输p c m 语音，在i p 承载上传输a m r 语音，可以节省资源并提高话务质量。在传统g s m r 的b t s 中，1 3 k b 呐话音( 或数据) 通过插入附加同步数据，使其和较低速率数据 不同，插入数据后的速率变为1 6k b i 怕。t r a u 将1 3 k b i 诳语音转化成6 4 k b i 临的t 埘 律p c m 时隙或者e 1a 律p c m 时隙。接下来，t r a u 将用户数据流路由到一种适合 的设备上，这种设备是指具有互连互通功能的接收方调制解调器。t ra 1j 在a t c r 接 口上，有四个业务信道是在“k b i t sp c m 电路上复用，一个e 1 中继线携带多达1 2 0 个用户和控制信道。如果利用i p 传输，同样是p c m 信息，利用千兆网口可以大幅 提高传输效率。 从业务的角度分析，由于需要通过g s m r 网络实现调度列车信号的监控信息 以及机车同步控制信息的传送，属于采用永久在线的电路型数据业务，因此，一 部分资源将通过t d m 连接预留出来，根据实际设备的容量为每个车站分配永久在 线的电路型数据业务通道。 进行这样的核心网升级后，原有的语音业务、组呼和广播业务将继续在电路 域进行，一部分业务可以通过软交换与智能网的互联完成。 1 4 3 移动软交换的协议扩展 按照上一章所作的分析，如图2 6 所示，在g s m r 的核心交换网向软交换升 级时，在m s c 服务器及m g w 之侧采用l p 连接，同时增开t d m 链路，增加链路 的安全性同时提供与传统交换局向间的互通。 在本章中，按照上一章的承载方案，对核心网新增接口问的协议栈结构和信 令流程进行了介绍和分析，并重点介绍了基于s i 鲫t a n 技术的信令实现。在此基 础上，按照承载建立方式的选择，介绍和分析了传统语音业务在移动软交换核心 网的实现过程。 3 1m c 接口 3 1 1 使用s i g t r a n 的协议栈结构 m c 接口是m s c 服务器和m g w 之间的接口。m s c 服务器通过m c 接口对 m g w 进行控制，具体协议为基于h 2 4 8 ，m e g a c o 的m g w 控制协议，具体的消息 与设备不同有关，不同的厂商问会有一些差异。本论文中将基于h 2 4 8 m e g a c o 的m g w 控制协议以g c p ( g a t e w a vc o n t r o lp m t o c 0 1 ) 描述，从而避免与逐渐被 h 2 4 卵“e g a c 0 代替的m g c p 协议相混淆。 h 2 4 8 m e g a c o 协议提供媒体的建立、修改和释放机制，同时携带某些随 路呼叫信令，支持传统网络终端的呼叫1 1 1 l 。h 2 4 8 m e g a c o 属于与承载无关的 协议，因此基于a t m 或i p 方式都可以运行。纯i p 连接时，协议栈为 g c p s c r p i p ，也可将m 3 u a 加在s c r p 之上，即协议栈为 g c p m 3 u a s c r p i p 【1 2 l 。为了更好地与基于h 2 4 8 的固定软交换系统进行互通， 在纯l p 连接时，可选采用u d p 承载，即g c p 御d p i p 。不过相比较而言，前 者更具有技术优势。 纯a t m 连接时，协议栈为 h 2 4 8 ，m t p 3 b ，s s c f s s c o p a a l 5 a t m 。混合a t m ，i p 连接时，协议栈为 h 2 4 8 m 3 u a ，s c t p i p 。 在上一章讨论的g s m r 核心网移动软交换升级方案中，m c 接口将采用i p 方 式承载，其协议栈如下图所示： g c p q 2 15 0 ，s t c m 3 u a s c t p l p l l 图3 ，lm c 接口协议栈 f 咖r e 3 1s i 印a l i n gp r o i o c o l 鼬c ko fm c i n t e r f a 3 1 2g c p 消息流程 为了实现呼叫连接的建立、释放及m s c 服务器对m g w 的管理功能，g c p 协议定义了以下的消息【1 4 l 【1 5 1 ： a d d ：表示向一个关联添加终结点； s u b 仃a c t ：表示解除一个终结点与它所处的关联之自j 的联系，同时返回有关该 终结点的统计数据； m o v e ：表示将一个终结点从它当自# 所在的关联转移到另一个关联； m o d i f y ：表示修改终结点的特性、事件和信号； a u d i tv a l u c ：表示获取终结点的特性、事件、信写和统计的当前值； a u d i tc a p a b i l i t i 龉：表示返回与终结点有关的特性、事件、信写和统计等所有 可能值； n o f i f v ：表示m g w 向m s c 服务器报告m g w 中所发生的事件： s e r v i c ec h a n 2 e ：表示m g w 向m s c 服务器报告一个终结点或一组终结点将 要退出服务或刚返回服务，及向m s c 服务器进行注册，报告m g w 将开始或完成 了重新启动工作。 其中，除n o t i f y 消息是由m g w 向服务器发起、s e r v i c cc h a n g c 是m g w 与服 务器之间的双向消息外，其余的命令均为m s c 服务器向m g w 发送。在通常的呼 叫连接中，常用到的消息是a d d ，s u b t r a c t 和m o v e 3 2n c 接口 1 6 3 2 1 协议栈结构 m s c 服务器之间的接口称为接口。在3 g p p t s 2 9 2 0 5 中，将b i c c 协议推 荐为n c 接口的呼叫控制协议。b l c c 协议属于与承载无关的协议，m t p 3 b ，m 3 u a 等协议均可为b i c c 提供支持。在3 g p pt s 2 9 2 0 2 中，m 3 u a 被推荐为i p 承载方 式下核心网七号信令传送方式。 在m 3 u a 方式下，n c 接口的协议栈为： 3 2 。2b i c c 消息 b l c c q 2 1s 0 1s r m 3 u a s c t p l p l l 圈3 2 n c 接口协议栈 f i g i l r e 3 2s i g i i a l i n gp r o l o c o ls l a c ko fn ci n t e f f a c c 如6 订所述，b i c c 的主要思想是将承载控制和呼叫控制两种功能分开，呼叫控 制只负责业务流程的实现，和具体的承载类型无关。而承载控制是在传统i s u p 协 议的基础上，去掉了和具体承载有关的消息和参数，增加了a p m 消息和a p p 参 数，以便实现对多种类型的承载进行控制。 b i c c 消息以p d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ) 的形式组成，如下图所示，包括以下 几部分【川： 其中各部分分别为： 图3 - 3 b l c c 消息单元结构 f i g u 化3 3b l c cm 船s a g ep d us t 州c t u r c 1 7 c i c ，呼叫实例码，用来识别两个对等b i c c 实体之间的一个信令关系，以及 这个信令关系所属的所有p d u ： 消息类型编码，是一个8 比特的字段，唯一表示了该消息的类型。在协议中 共规定了3 9 种b l c c 消息，其中大部分与a c ( 呼叫实例码) 相关。在实际应用 中，正常语音呼叫中会用到以下消息： a c m ：后向发送，地址全消息，表明以收到为该呼叫选路到被叫用户 所需的所有地址信号； a n m ：后向发送，应答消息，表明以收到为该呼叫选路到被叫用户所 需的所有地址信号，呼叫已应答。在半自动工作方式中，该消息具有 监视功能：在自动工作方式中，该消息与计费消息一起使用，以便开 始向主叫计费以及计算呼叫持续时长； a p m ：应用传输机制，双向发送，使用应用传输机制传送应答消息。 必备固定部分，必备可变部分和任选部分：这三部分的参数己包含在消息类 型中，消息中不会出现这三部分的参数和长度指示。 3 3n b 接口 3 3 1 协议栈结构 n b 接口是m g w 之间的接口，接口规范遵循3 g p p l 忑2 9 4 1 4 和t s 2 9 4 1 5 ，承 载方式可以是删方式也可以是i p 方式。承载方式不同时，n b 接口的控制信令 也不同。 以a i m 方式作为承载时，n b 接口的用户平面和控制平面都在两个m g w 之 间直接传输。用户平面基于a a i2 ，协议栈为：n b u p 悄 i2 s a rs s c s a a l 2 a 1 m ； 控制平面基于a a l 5 ，协议栈为 a i c a p s t c ，m t p 3 b s s c f n n i ，s s c o p ， a l 5 止删。 在前面论证的承载方式中，我们选择了i p 传输。采用i p 承载时，n b 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r t p ，直接在两个m g w 之 问传输，其协议栈为r 1 1 p ，i ，d p 仃p ；控制平面采用q 1 9 r 7 0 即i p b c p 协议，需要通 过m c 和n c 接口迸行隧道传输，即将i p b c p 消息封装在b i c c 和g c p 协议中进 行传送。下面是n b 接口用户平面的协议栈结构： 韭宝窑堑厶堂亟堂垃盈塞整动熬銮毯艘垃丝芷匮 剥“黼m n b u p r t p v 2 r t c p u d p l p 闰3 _ 4 n b 接口协议栈 f i g l l r c 3 - 2s i 印a l i n gp r o t o c o ls t a c k o fn bi n t e r f a c e 其中，p c m a m rc 0 d c c 是在n b 接口传送的语音编码，a p p l i c a t i o n 为其他基 于r 的应用。 3 3 。2l p 8 c p 消息 i p b c p 消息共有四类1 1 9 j ： r e q u e s t 表示建立或更新i p 承载； a c c