基于软交换的2G移动通信本地网组网方案

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摘要 软交换和3C技术日趋成熟,而3G运营牌照迟迟未发,为此移动运营商开始寻求在传统2G核心网中的软交换解决方案,一方面可以满足2G网络不断增长的需求,另一方面可以为移动运营商今后部署3G网络积累经验。对基于软交换技术的2G移动本地网组网方案进行了探讨,并阐述了其给运营商带来的优势。

1、将软交换技术引入移动本地网

软交换技术为通信运营商提供了技术转型和战略发展的机遇,是运营商提升核心竞争力的重要技术手段之一。随着软交换技术的逐步成熟,无论是固网运营商还是移动运营商,开始纷纷试水软交换应用。软交换技术率先在长途网和汇接网获得了应用,并逐步向接入网和移动本地网渗透。

对于现有移动运营商来说,将软交换技术引入移动本地网,为其解决2G交换网存在的问题提供了机遇。目前2G移动运营商,其交换网络的瓶颈主要体现在以下几个方面:

1)设备容量小、处理能力低。现网交换机容量小,处理能力低,数量多,并不符合“大容量,少局所”的发展趋势。

2)设备陈旧,机房面积被大量占用。对于运营商来说,机房面积是相当宝贵的资源,而现网交换机大多数设备陈旧,机房利用率低。

3)业务提供能力差,升级费用高,周期长。

4)设备利用率不均匀,话务无法动态调整。由于现有MSC(移动交换中心)之间缺乏有效的资源共享机制和技术,MSC之间无法实现动态的负荷均衡。

5)本地网维护力量薄弱,故障恢复时间长,影响了服务质量。

6)缺乏容灾机制。

现有移动通信运营商所面对的这些问题是传统2G交换技术所无法解决的,而移动软交换技术将使这些问题迎刃而解。

2、移动软交换网络结构和协议体系

2.1 移动软交换网络结构[1]

移动软交换网络结构如图1所示。在移动软交换网络结构中,传统MSC(mobile switching center,移动交换中心)被分割为MSC服务器(MSC server)和MSC媒体网关(MSC MGW),实现了控制面与用户面的分离。所有的控制功能集中在MSC server中,而交换功能由媒体网关(MGW)完成。

MSC server通过标准的H.248协议完成对话务等交换过程的控制,同时MSC server通过传统的MAP(mobile application part,移动应用部分)信令与HLR(home location register,归属位置寄存器)交互,通过传统的BSSAP(base station system application part,基站子系统应用部分)信令完成对接入网络的控制。而在MSC server之间可以通过ISUP(ISDN user part,ISDN用户部分)协议或者BICC(bearer independent call control,承载独立呼叫控制)协议完成呼叫的建立。

图1 移动软交换网络结构

图1中,UTRAN(UMTS terrestrial radio access network,陆地无线接入网)为3G无线接入网,GERAN(GSM/EDGE radio access network,GSM/EDGE无线接入网)为2G/2.5G无线接入网,HSS(home subscriber server)为归属用户服务器。

基于移动软交换构建的移动核心交换网络,可以分为接入层、承载层、控制层和业务层:

1)接入层:为用户接至软交换网络提供各种接入手段,并将信息转换成能够在IP网上传递的信息格式。接入层内的设备主要包括信令网关和媒体网关等。

2)承载层:承载层的任务是将接入层的各种媒体网关、控制层中的软交换机、业务层中的各种服务器平台等各软交换网网元连接起来。承载层可以是IP网络,也可以利用现有TDM(time division  multiplexing,时分复用)网络。

3)控制层:其功能是完成各种呼叫控制,并负责相应业务处理信息的传送。

4)业务层:提供软交换网络各类业务所需的业务逻辑、数据资源以及媒体资源,包括应用服务器、媒体服务器等设备。

2.2 移动软交换协议体系[2]

1)MSC server之间Nc接口协议:采用BICC、SIP-T(session initiation protocol for telephone,用于电话的会话初始化协议)或ISUP协议,BICC协议是ITU-T推荐的标准协议,是在ISUP协议基础上发展而来,协议版本较为稳定;SIP-T是IETF推荐的标准协议,主要是对原SIP进行扩展。而ISUP协议主要在采用TDM方式承载时使用。

2)MGW与MSC server之间Mc接口协议:采用Megaco/H.248协议。Megaco/H.248是媒体网关控制协议,协议简单,功能强大,且扩展性好。

3)SG(signaling gateway,信令网关)与MSC server之间协议:采用Sigtran协议。Sigtran底层采用SCTP(stream control transmission protocol,流控制传输协议)。高层可采用用户适配层协议M3UA(MTP3 user adaptation layer,MTP第三级用户适配层)和M2UA(MTP2 user adaptation layer,MTP第二级用户适配层)。采用M3UA转接点方式时,SG和软交换机均需要具备独立的信令点编码;采用M2UA和M3UA代理方式时,SG和软交换机共用同一信令点编码。

4)MGW之间Nb接口协议:包括用户平面和控制平面两个方面。以ATM方式承载时,用户平面和控制平面在两个MGW之间直接传输。用户平面基于AAL2协议,控制平面为基于AAL5协议。以IP方式承载时,用户平面和控制平面的传输路径不同。用户平面基于RTP(real-time translation protocol,实时传输控制协议),直接在两个MGW之间传输;控制平面采用IPBCP(IP bearer control protocol,IP承载控制协议)(ITU-T Q.1970),需要通过Mc和Nc接口的隧道传输。

3、方案分析和探讨

3.1 方案阐述

依据移动软交换的组网思路,该方案采用MSC server和MGW分离设置方式,MSC server集中设置在中心城市,而MGW分散到各个移动本地网。MSC server控制的MGW个数依据具体情况设定。

本文通过一个2G移动本地网软交换组网来阐述这一解决方案。软交换MSC server和MGW设备接入现有2G网络,与相关网元的连接方式见图2。

图2 2G移动本地网软交换组网示意图

3.1.1 引入软交换的本地网话路网组织

移动本地网引入软交换设备后,其话路网组织方式与现有2G网络完全相同,具体连接方式是:

●本地网MGW和各自归属汇接区的TMSC2(trunk MSC,汇接局)以及TMG(trunk media gateway,长途软交换汇接局)设置中继电路,用以疏通其长途话务;

●MGW与本地网内的GW设置直达电路,用以疏通互联互通话务;

●MGW与本地网内的其他移动端局之间依据现网情况设置直达中继,用以疏通本地网内的话务。

3.1.2 引入软交换的本地网信令网结构

软交换MSC server独立于本地网之外集中设置,它负责移动性管理、呼叫处理等信令处理功能,MGW不处理任何信令消息。MSC server将作为2G网元接入现有2G网络的七号信令网,MSC server支持多信令点功能,server和MGW都支持和设置内置SG(信令网关)。

本方案中MSC server将拥有两个信令点编码和两个MSC ID(MSC号码),从逻辑上将MSC server及所辖的2个MGW划分为两个移动交换端局。

MSC server与其负责业务区归属信令转接区的一对LSTP(low level signaling transfer point,低级信令转接点)设置信令链路,采用TDM方式承载的2 Mbit/s信令链路。

通过MGW内置的信令网关,软交换端局与本地网内的其他MSC、GW和TMSC2设置直联信令链路,负责实现ISUP消息的疏通。同一server下的2个MGW由于虚拟为不同的交换端局,所以到网元都要开设直达信令链。

MSC server与所负责业务区的HLR不设置直达信令链路,二者之间的MAP信令消息通过HLR所属信令汇接区的一对LSTP转接。MSC server与智能网SCP、短消息中心SMC、长途软交换TMG及其他未设置直联信令链路的SP之间的信令也全部通过LSTP转接。

BSC与MSC server之间的BSSAP信令全部通过MGW的内置SG进行转接。MSC server与所管辖的MGW之间的信令采用IP承载方式。基于Sigtran协议,MGW的内置SG将七号信令转化为IP格式。

3.1.3 承载(传输)方式的选择

对于软交换端局来说,由于其业务与控制相分离,所以业务和信令要分别考虑承载方式。

3.1.3.1 业务承载

软交换端局的业务承载支持IP/ATM/TDM等方式。软交换端局的MGW设备要和本地网的其他MSC、GW以及TMSC等设置中继电路,由于对端局向只能提供TDM接口(E1或是STM-1光口),所以业务承载也只能是采用TDM方式。

3.1.3.2 信令承载

软交换端局的信令承载支持IP/ATM/TDM等方式。软交换局的MSC server设备要和LSTP以及本地网其他MSC和GW设置信令链路,由于对端局向只能提供基于TDM承载的七号信令,所以软交换局的信令承载也只能是采用TDM方式。

MSC server和LSTP等只有信令关系的网元也采用TMD方式承载,通过E1电路直连;MSC server和MSC/GW等与MGW有业务电路的网元连接采用通过MGW内置SG的方式实现信令直连。

由于MSC server集中设置,而MGW分散在各本地网,server和MGW之间的Mc接口大部分将在异地机房之间实现,为此Mc接口包括H.248和Sigtran转换的七号信令等协议采用IP方式承载。

3.1.4 承载网建设方案

对于移动运营商来说,目前大规模构建IP承载专网的条件和时机并不成熟,为此可考虑利用现有IP网络资源包括IP城域网、城域传输网/MSTP(multi-service transport platform,多业务传送平台)网络以及骨干互联网来构建IP承载网,作为过渡期的解决方案。随着IP承载专网的逐步形成,话务和控制信息均迁移到IP承载网,形成以IP为统一承载的核心网络。

3.1.5 中继电路设置

由于业务承载采用了传统的TMD方式,为此可参照传统2G交换网模式来计算需求的中继电路数。根据各本地网的话务流量流向比例,以及网络组织方案,可以得到各本地网内MGW到各网元的电路需求。

3.1.6 信令链路计算

根据各地的话务流量流向比例,相关信令计算参数,以及网络组织方案,可以得到各本地网内MSC sever/MGW到各网元的信令链路需求。在进行信令计算时,需考虑两部分内容——七号信令消息和H.248控制消息的计算。

3.1.7 网管和计费建设

对于软交换端局的网管系统,采取集中设置方案,MSC server及各本地网的MGW设备经路由器上传输网接入该网管系统。

软交换端局的计费信息将由MSC server采集,并传给营帐计费系统。

3.2 MSC server容灾备份机制

对于软交换端局来说,由于其MSC server具有大容量的特点,为此其容灾备份机制显得尤为重要。对于MSC server的容灾备份,不同的厂家采用了不同的实现机制,下面介绍两种业内较为成熟的解决方案。

3.2.1 双归属备份

双归属(dual homing)是指同一个媒体网关(MGW)归属于两个MSC server。正常运行情况下,MGW只注册到一个MSC server上,而当该MSC server发生故障时,MGW可注册到另一个MSC server上,继续为此MGW下管理的用户提供业务,这样充分保证了网络的安全性。

N+1备份组网方案是指MSC server以“N个主用、1个作为纯备份”的方式进行双归属组网,即“N”个MSC server作为主用,最后“1”个MSC server作为其他N个MSC server的备份,其典型组网如图3所示。

图3 N+1备份组网方案(N=2)

上图中server B自身不带业务,仅作为server A和server C的备份server。server B通过心跳链路与server A和server C保持同步,一旦发现异常,即进行切换。

3.2.2 MSC in pool备份

pool(池)的概念是在3GPP WCDMA R5版中引入的。在R5版本中,引入了Iu-Flex技术,即一个RNC(radio network controller,无线网络控制器)可以同时接入多个MSC server,MSC server之间负荷分担,多个MSC server组成一个“server池”,共同控制几个位置区。当一个MSC server发生故障时,RNC可以将故障MSC server的事务转发给其他MSC server处理,这样实际上实现了对MSC server的容灾备份。

同样,这一概念也适用于现有基于移动软交换技术的2G(GSM)网络,若干MSC server组成池,连接许多BSC,BSC覆盖区域组合成MSC池服务区域,其组网如图4所示。

图4 MSC server in pool组网示意图

3.2.3 两种备份方案的比较

MSC server双归属方案源自于固定软交换,有一定的工程实施经验,方案相对成熟;而MSC server in pool方案问世时间不长,体系相对复杂,工程实施经验不足,大多数设备厂商尚未实现这一解决方案。

MSC server in pool方案是3GPP标准实现方式,以N+1的冗余,实现了1+1的备份效果,某MSC server失效时,其他MSC server会自动接管业务。而双归属方案是一种非标准方案。

双归属方案,备份server和主用server进行倒换时,原主用server中没有及时吐出的话单将丢失,而且通话和呼叫会全部中断。

MSC server in pool方案除了备份机制之外,还具有其他优势——有效地实现资源共享和负荷均衡,降低移动性管理次数,减少位置更新和切换,降低网络规划的复杂度等。

双归属方案适合于跨地域的大本地网组网模式,可以有效地减少路由迂回;对于用户密集的大城市或特大城区,如果存在多个MSC server,建议采用MSC server in pool方案。

然而在实际组网时,具体采用何种容灾方案与设备类型有很大关系,因为不同设备厂商提供的容灾备份方案不尽相同。

3.3 软交换2G移动本地网的优势[3]

与现有网络相比,基于软交换技术的2G移动本地网将具备以下几个优点:

实现集中维护,削减了建设周期和成本:由于MSC server集中设置,数据维护工作可以集中进行,工作量和投入可以降低到现网的1/N。同时,MGW的扩容由于几乎不涉及庞大的数据设置工作,其扩容工作主要包括硬件扩容和增开电路,大大减少了工程建设周期和工程管理成本。

提升了网络业务升级和开发能力:软交换机MSC server与SSP(service switching points)统一设置,由MSC server统一业务处理,这样业务升级和加载只是对MSC server进行升级,无需MGW的参与,一方面大大提升了网络的业务提供能力。另一方面网络的安全性进一步提高。

实现了备份容灾:这不仅提升了网络的安全性,而且实现了网络之间的负荷均衡和资源共享。

有效保护运营商的投资:在获得3G牌照后,运营商可以在上述2G软交换核心网的基础上向3G平滑演进。

4、结束语

随着资费的降低和新业务的涌现,2G网络扩容需求依然在不断增长,与此同时,软交换和3G技术日趋成熟,移动运营商在传统2G核心网中引入软交换势在必然,这不仅有利于今后核心网络向3G网络的平稳过渡,而且由于软交换设备容量大、集成度高,可以大大节省机房和配套资源,减少维护人员,降低网络建设及运营的成本。

参考文献

[1] 马宁,张力军.移动软交换[J].移动通信,2006,(5):82-85.

[2] 罗国庆.软交换的工程实现[M].北京:人民邮电出版社,2004.

[3] 张云勇,朱士钧.移动核心网转型及策略[J].移动通信,2006,(5):43-45.
 

   来源:中国联通网站
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