R4網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)

1、引言

　　WCDMA的R4與R99版本相比較，在無線接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面無明顯變化，重要的改變是在核心網(wǎng)的電路域方面。R4中引入了軟交換的概念，將原來的MSC分離成為MSC Server和媒體網(wǎng)關(guān)(MGW)，實(shí)現(xiàn)控制和承載分開，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。


圖1　R4網(wǎng)絡(luò)電路域體系結(jié)構(gòu)

　　本文將對(duì)R4網(wǎng)絡(luò)中由于引入軟交換概念而增加的新設(shè)備(MSC Server和MGW)、新的接口(Mc，Nc，Nb)以及網(wǎng)絡(luò)的新特征進(jìn)行探討。

2、新設(shè)備

　　2.1　MSC Server

　　MSC Server對(duì)應(yīng)于軟交換結(jié)構(gòu)中的Call Server，是UMTS移動(dòng)通信系統(tǒng)中電路交換網(wǎng)向分組交換方式演進(jìn)的核心設(shè)備，它獨(dú)立于底層承載協(xié)議，主要完成呼叫控制、媒體網(wǎng)關(guān)接入控制、移動(dòng)性管理、資源分配、協(xié)議處理、路由、認(rèn)證、計(jì)費(fèi)等功能。MSC Server負(fù)責(zé)向用戶提供3GPP R4階段的電路域核心網(wǎng)所能提供的業(yè)務(wù)，并能夠配合SCP提供多樣化的智能業(yè)務(wù)。

　　MSC Server繼承了3G中的VMSC及GMSC所有的業(yè)務(wù)控制層的業(yè)務(wù)處理能力及信令接口功能，并在業(yè)務(wù)流程中調(diào)用經(jīng)過移動(dòng)擴(kuò)展的H.248協(xié)議來控制移動(dòng)接入或中繼媒體網(wǎng)關(guān)以完成媒體流的匯聚、映射和交換功能。

　　MSC Server在無線接入側(cè)需要支持RANAP/BSSAP協(xié)議以處理用戶與網(wǎng)絡(luò)之間的信令面消息交換；而在核心網(wǎng)側(cè)除了原有的MAP，CAP等協(xié)議外，還要支持R4特有的H.248和BICC協(xié)議。

　　2.2　MGW

　　MGW能夠?qū)⒁环N網(wǎng)絡(luò)中的媒體轉(zhuǎn)換成另一種網(wǎng)絡(luò)所要求的媒體格式。比如，MGW能夠在電路交換網(wǎng)的承載通道和分組網(wǎng)的媒體流之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以處理音頻、視頻等，可以演示視頻/音頻消息，實(shí)現(xiàn)其它IVR功能，也可以進(jìn)行媒體會(huì)議等。MGW包含承載終結(jié)點(diǎn)和媒體處理設(shè)備(例如編解碼器、回聲消除器或信號(hào)音發(fā)送器)。它可以執(zhí)行媒體轉(zhuǎn)換和組幀協(xié)議轉(zhuǎn)換。

　　MGW處于端局時(shí)，連接無線子系統(tǒng)和核心網(wǎng)，負(fù)責(zé)把無線子系統(tǒng)接入核心網(wǎng)，完成IuCS用戶平面功能；還負(fù)責(zé)電路域核心網(wǎng)和接入網(wǎng)之間語音和數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)換和承載媒體的轉(zhuǎn)換。

　　MGW處于關(guān)口局時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)間互通，比如R4網(wǎng)絡(luò)與PSTN/ISDN網(wǎng)的互通，完成網(wǎng)絡(luò)間的語音、數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)換和承載媒體的轉(zhuǎn)換。

　　從MSC Server對(duì)MGW的資源控制來看，MGW可分為兩類：智能網(wǎng)關(guān)和啞網(wǎng)關(guān)。智能網(wǎng)關(guān)具有BCF(承載控制)功能，可以進(jìn)行承載面的信息協(xié)商和相關(guān)的承載控制操作，MSC Server與MGW間的接口為標(biāo)準(zhǔn)的CBC(呼叫與承載控制)接口，該接口除了要支持標(biāo)準(zhǔn)的H.248協(xié)議外，還需遵從為移動(dòng)網(wǎng)擴(kuò)展的ITU Q.1950以及3GPP 29.232協(xié)議要求。啞網(wǎng)關(guān)不具有BCF功能，而由MSC Server來實(shí)現(xiàn)該功能，CBC接口也因此成為MSC Server的內(nèi)部接口，接口消息一般為內(nèi)部定義格式，MSC Server與MGW間的接口只需完成H.248協(xié)議定義的基本能力集。從目前的協(xié)議來看，3GPP實(shí)際上在R4網(wǎng)絡(luò)中選擇了智能網(wǎng)關(guān)方式作為移動(dòng)軟交換的資源控制模型，由于BCF從軟交換中分離出來，所以能夠更好地做到業(yè)務(wù)控制與業(yè)務(wù)承載的無關(guān)性。

3、新接口

　　3.1　Mc

　　(1)特點(diǎn)

　　MSC Server與MGW間的接口為Mc接口，MSC Server通過Mc接口對(duì)MGW的承載連接行為進(jìn)行控制和監(jiān)視。

　　現(xiàn)有的國際規(guī)范中對(duì)Mc接口的編碼方式并未做明確規(guī)定，可允許采用二進(jìn)制編碼和文本編碼兩種方式。但是，實(shí)際上二進(jìn)制編碼的編解碼效率應(yīng)該比文本方式高；另外，在移動(dòng)網(wǎng)中，現(xiàn)有的協(xié)議大多采用二進(jìn)制方式，各廠家因?yàn)榱?xí)慣性的問題，也傾向于在Mc接口采用二進(jìn)制編碼。

　　對(duì)于Mc接口的消息流程，一方面H.248中規(guī)定了基本消息結(jié)構(gòu)，這為Mc接口的開放奠定了基礎(chǔ)。另一方面，Mc接口的實(shí)現(xiàn)方式非常靈活，3GPP 23.205中給出的消息流程也僅作為參考流程，未做硬性規(guī)定，加上各方理解的差異性，必然造成Mc接口上實(shí)施相同功能的消息流程差異性，包括消息順序、消息的參數(shù)設(shè)置、消息出現(xiàn)的場(chǎng)合、與Iu/Nc口消息配合的順序等。這雖然給廠家實(shí)現(xiàn)設(shè)備的基本功能帶來便利，但卻給互聯(lián)互通帶來很大的難度。真正實(shí)現(xiàn)Mc接口的開放，必須對(duì)各種實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行深入研究，比較各種方式的優(yōu)劣性，并通過標(biāo)準(zhǔn)化的工作解決這些不確定性的問題。比如，首先確定編碼方式、承載方式、協(xié)議棧等，在保證系統(tǒng)性能最佳的前提下，對(duì)影響互通的問題確定可行方案。

　　(2)協(xié)議棧

　　Mc的應(yīng)用層協(xié)議主要基于H.248及其擴(kuò)展Q.1950。此外，3GPP 29.232對(duì)H.248進(jìn)行擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)環(huán)境的特有應(yīng)用。Mc接口可以基于ATM或IP承載，其相應(yīng)的協(xié)議棧如下：

　　●純IP連接時(shí)，協(xié)議棧為H.248/SCTP/IP，也可將M3UA加在SCTP之上。為了更好地與基于H.248的固定軟交換系統(tǒng)進(jìn)行互通，在純IP連接時(shí)，可選采用UDP承載，即H.248/UDP/IP。

　　●純ATM連接時(shí)，協(xié)議棧為H.248/MTP3b/SSCF/SSCOP/AAL5/ATM。

　　●混合ATM，IP連接時(shí)，協(xié)議棧為H.248/M3UA/SCTP/IP。

　　3.2　Nc

　　(1)特點(diǎn)

　　MSC Server間的接口為Nc接口，采用與承載無關(guān)的呼叫控制協(xié)議——BICC協(xié)議，用承載和控制分離的方式解決移動(dòng)ISUP的呼叫控制功能。從消息結(jié)構(gòu)上看，BICC與ISUP消息很相似。但是，ISUP消息同時(shí)攜載呼叫控制和承載控制消息，用電路標(biāo)識(shí)碼(CIC)標(biāo)識(shí)物理承載電路。而在BICC的協(xié)議模型中，呼叫控制和承載控制兩種功能是分開的，呼叫控制功能只負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)流程的實(shí)現(xiàn)，不涉及具體的承載類型；而承載控制功能是在傳統(tǒng)ISUP的基礎(chǔ)上，去掉了和具體承載有關(guān)的消息和參數(shù)，增加了APM消息和APP參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種承載進(jìn)行控制，如ATM/IP/TDM承載。

　　相對(duì)于Mc接口，Nc接口采用的BICC協(xié)議是在傳統(tǒng)的ISUP基礎(chǔ)上修訂演進(jìn)而來的，兩種協(xié)議的結(jié)構(gòu)非常相似。另外，BICC協(xié)議中不確定因素很少，消息結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，對(duì)于協(xié)議流程的爭(zhēng)議也很少。因此，未來的Nc接口互聯(lián)互通是可行的，也相對(duì)簡(jiǎn)單些。

　　(2)協(xié)議棧

　　Nc接口可以基于ATM/IP/TDM承載，相應(yīng)的協(xié)議棧是：IP承載時(shí)，為BICC/M3UA/SCTP/IP或BICC/SCTP/IP；ATM承載時(shí)，為BICC/MTP3b/SAAL/AAL5；TDM承載時(shí)，為BICC/MTP3/MTP2/MTP1。

　　3.3　Nb

　　(1)特點(diǎn)

　　MGW間的接口為Nb接口，主要是使用ATM或IP方式承載電路域的業(yè)務(wù)，包括語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。雖然Nb接口的協(xié)議比較復(fù)雜，但由于3GPP規(guī)范中已經(jīng)有明確規(guī)定，所以在該接口上有關(guān)協(xié)議的爭(zhēng)議較少，易于統(tǒng)一。

　　(2)協(xié)議棧

　　Nb接口規(guī)范遵循3GPPTS29.414和TS29.415，支持兩種ATM和IP兩種承載方式。承載方式不同時(shí)，Nb接口的控制信令也不同。

　　●以ATM方式作為承載時(shí)，Nb接口的用戶平面和控制平面都在兩個(gè)MGW之間直接傳輸。用戶平面基于AAL2，協(xié)議棧為AAL-2 SAR SSCS(I.366.1)/AAL2(I.363.2)/ATM；控制平面基于AAL5，協(xié)議棧為AAL2連接信令(Q.2630.2)/用于MTP3b的AAL2信令傳送轉(zhuǎn)換(Q.2150.1)/MTP3b/SSCF-NNI/SSCOP/AAL5/ATM。

　　●采用IP承載時(shí)，Nb接口的用戶平面和控制平面的傳輸路徑不同。用戶平面基于RTP，直接在兩個(gè)MGW之間傳輸，其協(xié)議棧為RTP/UDP/IP；控制平面采用Q.1970，需要通過Mc和Nc接口的隧道傳輸，協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖2所示。


圖2　IP承載方式下的Nb控制面協(xié)議棧

4、新技術(shù)

　　(1)多種承載方式

　　基于軟交換的承載和控制分離的思想，在R4的網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)能支持多種承載方式。在Nb接口，承載可以是IP或ATM，而在Nc接口采用的BICC協(xié)議，能夠完全獨(dú)立于用戶面的承載方式，進(jìn)行呼叫控制。

　　歐洲和韓國的運(yùn)營商會(huì)采用ATM作為承載的網(wǎng)絡(luò)，但考慮到中國的電信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營的實(shí)際情況，以及未來實(shí)現(xiàn)向R5的平滑過渡的目的，要求面向中國市場(chǎng)的R4系統(tǒng)其Nb接口應(yīng)該支持IP承載。

　　(2)多種承載建立方式

　　在BICC中，定義了多種承載建立方式。對(duì)于IP承載，有前向快速隧道承載建立、前向延遲隧道承載建立、后向延遲隧道承載建立3種方式；對(duì)于ATM承載，有前向承載建立、后向承載建立2種方式。不同的承載建立方式，有不同的特點(diǎn)，使用場(chǎng)景也有所不同。比如，在ATM承載中，采用后向方式建立承載會(huì)比前向方式快，因?yàn)樵诤笙蚍绞较拢琁AM消息中帶有主叫的地址，被叫MSC Server收到主叫側(cè)的承載地址信息就能建立ATM鏈路；而在前向方式下，主叫MSC Server需要在Nc第二條消息APM中返回被叫的地址消息才能建立鏈路。在IP承載中，如果系統(tǒng)不要求具有TrFO功能，那么前向快速隧道方式是最佳的選擇，因?yàn)檫@種方式的Nc口消息流程相對(duì)簡(jiǎn)單，建立呼叫所需的消息數(shù)較少。如果系統(tǒng)要支持TrFO，從消息流程看，后向延遲方式的消息較前向延遲方式稍稍簡(jiǎn)單些；若從系統(tǒng)建立承載的角度考慮，則前向延遲隧道方式更簡(jiǎn)單、更可靠。

　　(3)TrFO/TFO功能

　　在R99網(wǎng)絡(luò)中，話音的AMR碼流從UTRAN，通過Iu口達(dá)到核心網(wǎng)時(shí)，核心網(wǎng)的編解碼轉(zhuǎn)換設(shè)備要將AMR碼流轉(zhuǎn)換為G.711格式的編碼，封裝在PCM中進(jìn)行傳輸，到達(dá)對(duì)端后，需要將G.711編碼再還原為AMR碼流。每一次的編解碼對(duì)語音質(zhì)量都是一次損傷，而且G.711編碼的傳輸速率遠(yuǎn)比不上AMR編碼。在R4網(wǎng)絡(luò)中，有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)在局間直接傳送AMR編碼，而不是G.711編碼，這就是TrFO和TFO功能。

　　TrFO(Transcoder Free Operation)是一種帶外的Transcoder控制協(xié)議，是在R4中定義的新功能，網(wǎng)絡(luò)可以在呼叫建立前就對(duì)編解碼的類型和模式進(jìn)行協(xié)商，如果兩端使用的編解碼一樣(例如都是AMR編碼)，則對(duì)于移動(dòng)到移動(dòng)的呼叫可以完全不經(jīng)過編解碼轉(zhuǎn)換。TrFO可以提高話音質(zhì)量，并且在分組核心網(wǎng)中可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)帶寬，因?yàn)樵捯羰茿MR速率而不是64kbit/s在核心網(wǎng)中傳輸；由于移動(dòng)網(wǎng)內(nèi)的呼叫可以不使用編解碼器，還可以節(jié)省設(shè)備投資；另外，編解碼協(xié)商在承載建立之前完成，可以保證呼叫使用適當(dāng)?shù)某休d資源。

　　TFO(Tandem Free Operation)是一種帶內(nèi)的通信協(xié)議，是在2G網(wǎng)絡(luò)中已定義的方法。TFO在呼叫建立之后對(duì)使用的編解碼進(jìn)行協(xié)商，發(fā)送方的解碼器和接收方的編碼器被旁路，直接將空中接口中使用的話音幀傳送給接收方。這樣可以改善話音質(zhì)量。TFO功能是在標(biāo)準(zhǔn)的64kbit/s鏈路的基礎(chǔ)上，提取一定數(shù)量的比特，組成子信道，用來傳輸TFO信令和話音幀。

　　將兩種編解碼協(xié)商方式相比，相同點(diǎn)就是在局間都直接傳送AMR編碼，能夠提高語音質(zhì)量；但對(duì)TrFO方式，因?yàn)榫珠g只傳AMR碼流，可以節(jié)省帶寬，而TFO的AMR碼流是嵌在G.711碼流中的，局間傳的還是G.711碼流，因此并不能夠節(jié)省帶寬，傳送速率也沒有改善；TrFO能夠真正免除編解碼器，而TFO要求系統(tǒng)中仍然有編解碼器，用于AMR-＞G.711的編碼；TrFO因?yàn)槭菐鈪f(xié)商編解碼，操作簡(jiǎn)單，TFO是帶內(nèi)協(xié)商方式，實(shí)際操作流程很復(fù)雜。通過比較可以看出，在R4中，TrFO比TFO更具優(yōu)勢(shì)，更實(shí)用。

　　(4)1：N的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　所謂1：N的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，指的是一個(gè)MSC Server可控制多個(gè)MGW。由于在承載與控制相分離的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，MSC Server只負(fù)責(zé)信令處理，不涉及用戶面數(shù)據(jù)的處理。因此，可集中設(shè)置MSC Server，R4網(wǎng)絡(luò)的MSC Server和MGW的位置靈活，形成扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在組網(wǎng)方面可以降低建網(wǎng)和運(yùn)維成本。MSC Server與MGW的組網(wǎng)方式靈活，可不局限于同一交換機(jī)房，支持分布式組網(wǎng)。理論上，R4需要較少的交換機(jī)房，機(jī)房、傳輸、維護(hù)費(fèi)用大大節(jié)省，全網(wǎng)的版本升級(jí)可在同一中心機(jī)房內(nèi)對(duì)所有的MSC Server升級(jí)后即可完成，無需逐點(diǎn)升級(jí)，時(shí)間減少，新業(yè)務(wù)部署快。

　　(5)內(nèi)嵌信令網(wǎng)關(guān)功能

　　信令網(wǎng)關(guān)是用于連接窄帶No.7信令網(wǎng)與分組網(wǎng)的設(shè)備，主要完成傳統(tǒng)窄帶No.7信令與基于分組網(wǎng)(ATM或IP)側(cè)信令的轉(zhuǎn)換功能。

　　信令網(wǎng)關(guān)可以單獨(dú)設(shè)置，也可以與MGW合設(shè)，合設(shè)時(shí)即稱MGW具有內(nèi)嵌信令網(wǎng)關(guān)功能。在R4網(wǎng)絡(luò)中，MGW可以利用內(nèi)嵌信令網(wǎng)關(guān)功能轉(zhuǎn)接RANAP和ISUP信令。

　　實(shí)際網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，應(yīng)該是一個(gè)MSC Server控制多個(gè)MGW，而一個(gè)MGW又可與多個(gè)RNC相連。MSC Server與RNC間的Iu控制面信令可以利用MSC Server與MGW間及MGW與RNC間已有的鏈路來轉(zhuǎn)接，避免在MSC Server與RNC間直接建立鏈路造成的資源浪費(fèi)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的混亂，有利于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

　　MGW是否需要轉(zhuǎn)接ISUP信令則依賴于實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)配置，如果MSC Server與PSTN間沒有STP點(diǎn)可以傳送ISUP消息時(shí)，才需要考慮用MGW來轉(zhuǎn)接ISUP信令。

　　(6)Nb口的支持模式

　　“支持”和“透明”模式來源于Iu口。當(dāng)接口采用透明模式時(shí)，用戶數(shù)據(jù)是透明傳送的，接口不做任何處理；而采用支持模式時(shí)，接口要對(duì)用戶面的數(shù)據(jù)進(jìn)行幀處理。如果觀察Iu口消息，在支持模式下，有Iu UP的初始化過程；透明模式下，沒有Iu UP初始化過程。在R99中，對(duì)于語音業(yè)務(wù)，在Iu口采用支持模式，而視頻業(yè)務(wù)作為透明數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，在Iu口為透明模式。在R4中，Nb口的概念絕大部分與Iu口相同，只是對(duì)于視頻業(yè)務(wù)。在R4最新的版本中，規(guī)定其在Nb口采用的是支持模式，而Iu口仍為透明模式，目的是保證用戶數(shù)據(jù)在局間的可靠傳送。