3G信令网组网方案研究.doc

3G信令网组网方案研究 （上） 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（见图1），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。图1M3UA+M2PA方案 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，其结构如图2所示。图2全程M2PA方案 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。 3G信令网组网方案研究 （下） 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，其结构如图3所示。 图3纯M3UA方案 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，形成图4所示的结构，与此同时启动M3UA协议的扩展工作。图4只引入一对IP STP时的组网 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