3G移动核心网R4演进方案

时间：2009-02-24　来源：　作者：【点击评论】
用户数量增长放缓，市场趋于饱和，用户的ARPU值直线下降，传统的电信运营商受到Internet的巨大冲击，市场竞争加剧等问题，不断督促着设备提供商和电信运营商建设更有成本优势、更强大、方便未来演进的下一代移动核心网络。通过网络融合和业务融合来减少OPEX和CAPEX，从而保护投资，通过增强基于语音的多媒体业务，促使用户更多的使用网络，提高网络利用率。为了突破现有移动核心网设备的性能瓶颈，必须向基于IP的、兼容2G/3G的移动软交换核心网演进。本文详细介绍了移动核心网的标准，R4网络结构的优点及网络逻辑结构，最后对R4的成熟度进行了分析，并最终提出了3G核心网R4的演进方案。
1、引言
目前，全球电信运营商面临的共同问题：用户数量增长放缓，市场趋于饱和，用户的ARPU值直线下降，传统的电信运营商受到Internet的巨大冲击，市场竞争加剧。这不断督促着设备提供商和电信运营商建设更有成本优势、更强大、更方便未来演进的下一代移动核心网络。通过网络融合和业务融合来减少OPEX和CAPEX，从而保护投资，通过增强基于语音的多媒体业务，促使用户更多的使用网络，提高网络利用率。为了突破现有移动核心网设备的性能瓶颈，必须向基于IP的、兼容2G/3G的移动软交换核心网演进。
2、移动核心网标准
3GPP组织制定3G移动网络的相关标准，3G网络演进分成R99，R4，R5，R6等阶段。由兼容传统的GSM，GPRS网络逐渐向全IP的网络架构进行演进，最终形成全IP的网络架构。
R99版本（3GPP TS 23.002）于1999年4月形成第一个版本，2000年3月全部完成。R99的核心网继承了GSM以及GPRS核心网的网络特征，MSC负责呼叫控制建立和承载交换，同时整合VLR功能以控制用户服务数据。MSC之间的信令和话务传输使用TDM承载方式，在UTRAN与MSC之间使用ATM承载方式。对于每一个话务链接，必须创建一条独立的电路（时隙），而电路只能用于话务或信令中的一种（见图1）。

图1　R99网络结构
R4（3GPP TS 23.002）于2003年完成，提出了承载独立的电路交换核心网络的概念（3GPP TS 23.205）。也就是将MSC拆分成MSC-Server和MGW两个网元，实现了呼叫控制与承载的分离。这样可以按需扩充网络的控制或承载容量，并建立IP交换骨干网，向全IP的网络架构演进（见图2）。

图2　控制与承载的分离
3、R4网络结构的优点
3.1　降低成本
承载独立的核心网络能提供和传统核心网相同的服务容量，而基于IP技术的话务通信使得移动运营商的运营成本大大降低，因为网络结构中只有几台少数昂贵的MSC-Server，便于统一维护管理。而负责承载的多局所网元是相对便宜的MGW，MGW还有着体积小、耗电少、维护简单的特点，这样在机房规模、网元数量、维护人员等方面都可优化开支。
3.2　提高网络利用率
呼叫控制和承载的分离使得移动运营商可根据业务需求独立地对网络容量进行扩充的优化，同时一个通用的IP交换骨干网被用于话务、数据、信令的传输，这样精简了传输网的复杂度，从而大幅提高网络资源的利用率。
3.3　平滑升级
由于MSC-Server可由MSC软硬件升级而成，设备改造周期大大缩小，对现网业务影响较小。而MGW是独立的新网元，其引入不影响现网MSC的业务，只需在MSC-Server上修改数据即可。
3.4　支持网络演进
考虑到IMS（IP-based Multimedia Subsystem）被确认为移动核心网未来发展方向，R4的设备在IMS阶段仍可通用，例如大量的MGW作为话务的承载局，只需要对其部分TDM传输接口进行改造，就可直接运用于R5，R6全IP的IMS网络，保护了运营商投资。
4、R4网络逻辑结构
R4网络通过直接拆分MSC的呼叫控制和承载功能来实现，在这一过程中现网MSC到其他网元（例如SCP HLR）的接口不变，即现有业务不受影响。登网手机不会意识到单独MSC与MSC-Server/MGW的区别。因此，我们可以认为R4的网络结构是核心网内部的变化，不会对其他网元、接口、子系统产生影响，特别是对GPRS设备。
（1）MSC-Server的主要职责是链接管理。它负责所有的呼叫控制信令，例如呼叫建立、呼叫转移、位置更新、路由、切换、计费、话务统计等。同时负责“指挥”MGW。MSC-Server负责CS域中主叫和被叫的呼叫，响应网络用户层信令（3GPP TS 24.008），通过Nc接口传输呼叫控制信令，通过Mc接口控制MGW。
（2）MGW（Media Gateway）同时负责来自电路交换网络的TDM承载和来自多媒体流网络的IP或ATM承载，例如话务交换、回音控制、铃音的广播等。它通过Mc接口接受来自MSC-Server的控制信令，通过Iu和Nb接口传输控制承载。
（3）Mc接口定义在MSC-Server和MGW之间，应用H.248协议以及3GPP定义的相关扩充。H.248协议由ITU-T和IETF联合开发，支持独立的呼叫控制实体和承载实体。
（4）Nc接口定义在MSC-Server之间，应用承载独立话务控制协议（BICC），BICC在ITU-T Q.1902中定义，用于建立各种类型承载。
（5）Nb接口定义在MGW之间，实现承载控制和传输（见图3）。

图3　R4网络的网元与接口
5、R4成熟度分析
随着电信网络分层结构逐渐成熟，它逐渐成为下一代网络发展的趋势。在R4中，核心网电路域引入了分层结构，承载层与控制层分离，控制层与业务层分离。目前看来，这种软交换的组网方式已成为下一代网络发展的趋势，在全球范围内，这种分层的软交换结构网络已经进行了广泛地实验和应用，分层结构被证明是可行的，是比较成熟的。
在网络设备的通用化方面，早期移动通信交换机的全部硬件直至芯片都是某个厂家专有的，而目前的移动通信交换机芯片已基本采用通用芯片，但硬件板的设计和操作系统等仍是由厂家专有。由于电信设备相对的不开放性，导致电信界的技术发展相对不如IT的技术发展日新月异，且成本相对较高。
3G网络设备的通用化是有目共睹的。在硬件平台方面，普遍被业界认可的是ATCA（Advanced Telecom Computing Architecture）平台，这个工业标准由PICMG提出，以适应下一代移动通信的应用，提供比现有的基于设备供应商专有设备更强大的功能和通用性。ATCA较为开放，目前已有超过100家厂商参与ATCA的开发与应用，包括网络设备供应商、电脑OEM厂商、计算机应用平台供应商以及第三方软硬件销售商。其中像Motorola，Intel硬件厂商都提供商用的ATCA硬件。在操作系统方面，目前业界趋势是电信级Linux像Redhat，Novell等公司都提供商用软件。
网络设备平台通用化能在成本优化、快速业务引入、网络稳定和质量、网络演进和融合等方面满足下一代移动核心网络的相应要求。尤其是在网络演进和融合方面，由于采用和IT界类似的分工方式，下层如硬件、以至操作系统，普遍继承了IT界的最新技术，从而提供了电信、IT网络融合良好的基础和可能。
我们同时也看到基于IP的电信网尚未成熟。作为电信级的网络，要求具备高度的可靠性、可用性、规模性和安全性，对服务质量的要求有严格的标准。IP协议针对数据通信的特点，建立了尽力而为的机制，但是，IP如果要提供电信级的服务，在技术上还有一些问题需要完善，尤其是服务质量和安全方面，目前还没有高度有效的保证措施。在核心网部分全面使用IP技术的时机还未成熟，所以R4是网络演进中的不可或缺的重要环节。
6、向R4的演进
6.1　向R4演进的第一步
由传统核心网向混合组网的过度演变。2G网络一般由传统非软交换的MSC组成，控制和承载集中在单个网元实体中（见图4）。通过向网络中引入基于ACTA平台的MGW软交换，逐步分担来自无线网络或其他网络的话务承载，建立TDM/ATM/IP混合组网（见图5）。对于软交换和非软交换移动核心网混合组网，从2G移动核心网角度来看，新建的3G软交换MGW相当于新建的端局MSC，不影响现有2G移动网络结构。从3G软交换角度来看，新建的软交换MGW与2G移动核心网是独立的，但是承载了2G业务并与2G移动核心网互通。这个演进步骤风险小，有利于建设维护管理的经验积累。

图4　传统核心网结构

图5　核心网引进多媒体网关
6.2　向R4演进的第二步
当混合网络中多局所MGW承担起了绝大多数的话务承载后，将非软交换的MSC替换成软交换的MSC-Server，建立全网软交换的R4网络。这样的网络支持2G/3G多协议一体化，同时支持GSM，3GPP R99/R4协议栈，控制层MSC-Server和承载层MGW既可作为2G MSC，也可作为R99的MSC或R4的MSC-Server/MGW网元，能够满足少局所、大容量的运营要求。还支持双归属网络容灾，通过将一个或多个MGW同时连接到两个MSC-Server上，这两个MSC-Server符合分担，互为备份，极大地提高了大容量网络系统的容灾能力（见图6）。

图6　R4网络结构
7、结束语
以上是对移动核心网演进的一种方案的分析，总的来说，随着3G的到来，采用传统的2G MSC设备扩容，不利于保护投资。只有将软交换引入移动核心网改造，建立3G R4网络，才能适应今后的发展。真正做到同时支持2G，3G网络，将来还可在R4全网软交换化的基础上，通过软硬件升级演进到R5/R6 IMS网络结构。