R4網(wǎng)絡(luò )中的關(guān)鍵技術(shù)
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WCDMA的R4與R99版本相比較，在無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )結構方面無(wú)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(lái)的MSC分離成為MSC Server和媒體網(wǎng)關(guān)(MGW)，實(shí)現控制和承載分開(kāi)，其網(wǎng)絡(luò )結構如圖1所示。
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本文將對R4網(wǎng)絡(luò )中由于引入軟交換概念而增加的新設備(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、新設備
2.1 MSC Server
MSC Server對應于軟交換結構中的Call Server，是UMTS移動(dòng)通信系統中電路交換網(wǎng)向分組交換方式演進(jìn)的核心設備，它獨立于底層承載協(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、認證、計費等功能。MSC Server負責向用戶(hù)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)流程中調用經(jīng)過(guò)移動(dòng)擴展的H.248協(xié)議來(lái)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(wú)線(xiàn)接入側需要支持RANAP/BSSAP協(xié)議以處理用戶(hù)與網(wǎng)絡(luò )之間的信令面消息交換；而在核心網(wǎng)側除了原有的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能夠將一種網(wǎng)絡(luò )中的媒體轉換成另一種網(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)行轉換，可以處理音頻、視頻等，可以演示視頻/音頻消息，實(shí)現其它IVR功能，也可以進(jìn)行媒體會(huì )議等。MGW包含承載終結點(diǎn)和媒體處理設備(例如編解碼器、回聲消除器或信號音發(fā)送器)。它可以執行媒體轉換和組幀協(xié)議轉換。
MGW處于端局時(shí)，連接無(wú)線(xiàn)子系統和核心網(wǎng)，負責把無(wú)線(xiàn)子系統接入核心網(wǎng)，完成IuCS用戶(hù)平面功能；還負責電路域核心網(wǎng)和接入網(wǎng)之間語(yǔ)音和數據流的轉換和承載媒體的轉換。
MGW處于關(guān)口局時(shí)，能夠實(shí)現網(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(yǔ)音、數據流的轉換和承載媒體的轉換。
從MSC Server對MGW的資源控制來(lái)看，MGW可分為兩類(lèi)：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間的接口為標準的CBC(呼叫與承載控制)接口，該接口除了要支持標準的H.248協(xié)議外，還需遵從為移動(dòng)網(wǎng)擴展的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(lái)實(shí)現該功能，CBC接口也因此成為MSC Server的內部接口，接口消息一般為內部定義格式，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(lái)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(lái)，所以能夠更好地做到業(yè)務(wù)控制與業(yè)務(wù)承載的無(wú)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(guò)Mc接口對MGW的承載連接行為進(jìn)行控制和監視。
現有的國際規范中對Mc接口的編碼方式并未做明確規定，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該比文本方式高；另外，在移動(dòng)網(wǎng)中，現有的協(xié)議大多采用二進(jìn)制方式，各廠(chǎng)家因為習慣性的問(wèn)題，也傾向于在Mc接口采用二進(jìn)制編碼。
對于Mc接口的消息流程，一方面H.248中規定了基本消息結構，這為Mc接口的開(kāi)放奠定了基礎。另一方面，Mc接口的實(shí)現方式非常靈活，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、消息的參數設置、消息出現的場(chǎng)合、與Iu/Nc口消息配合的順序等。這雖然給廠(chǎng)家實(shí)現設備的基本功能帶來(lái)便利，但卻給互聯(lián)互通帶來(lái)很大的難度。真正實(shí)現Mc接口的開(kāi)放，必須對各種實(shí)現方式進(jìn)行深入研究，比較各種方式的優(yōu)劣性，并通過(guò)標準化的工作解決這些不確定性的問(wèn)題。比如，首先確定編碼方式、承載方式、協(xié)議棧等，在保證系統性能最佳的前提下，對影響互通的問(wèn)題確定可行方案。
(2)協(xié)議棧
Mc的應用層協(xié)議主要基于H.248及其擴展Q.1950。此外，3GPP 29.232對H.248進(jìn)行擴展，以實(shí)現移動(dòng)環(huán)境的特有應用。Mc接口可以基于A(yíng)TM或IP承載，其相應的協(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(wú)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。從消息結構上看，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，用電路標識碼(CIC)標識物理承載電路。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(kāi)的，呼叫控制功能只負責業(yè)務(wù)流程的實(shí)現，不涉及具體的承載類(lèi)型；而承載控制功能是在傳統ISUP的基礎上，去掉了和具體承載有關(guān)的消息和參數，增加了APM消息和APP參數，實(shí)現對多種承載進(jìn)行控制，如ATM/IP/TDM承載。
相對于Mc接口，Nc接口采用的BICC協(xié)議是在傳統的ISUP基礎上修訂演進(jìn)而來(lái)的，兩種協(xié)議的結構非常相似。另外，BICC協(xié)議中不確定因素很少，消息結構統一，對于協(xié)議流程的爭議也很少。因此，未來(lái)的Nc接口互聯(lián)互通是可行的，也相對簡(jiǎn)單些。
(2)協(xié)議棧
Nc接口可以基于A(yíng)TM/IP/TDM承載，相應的協(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(yǔ)音和數據業(yè)務(wù)。雖然Nb接口的協(xié)議比較復雜，但由于3GPP規范中已經(jīng)有明確規定，所以在該接口上有關(guān)協(xié)議的爭議較少，易于統一。
(2)協(xié)議棧
Nb接口規范遵循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(hù)平面和控制平面都在兩個(gè)MGW之間直接傳輸。用戶(hù)平面基于A(yíng)AL2，協(xié)議棧為AAL-2 SAR SSCS(I.366.1)/AAL2(I.363.2)/ATM；控制平面基于A(yíng)AL5，協(xié)議棧為AAL2連接信令(Q.2630.2)/用于MTP3b的AAL2信令傳送轉換(Q.2150.1)/MTP3b/SSCF-NNI/SSCOP/AAL5/ATM。
●采用IP承載時(shí)，Nb接口的用戶(hù)平面和控制平面的傳輸路徑不同。用戶(hù)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(guò)Mc和Nc接口的隧道傳輸，協(xié)議棧結構如圖2所示。
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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，能夠完全獨立于用戶(hù)面的承載方式，進(jìn)行呼叫控制。
歐洲和韓國的運營(yíng)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 )運營(yíng)的實(shí)際情況，以及未來(lái)實(shí)現向R5的平滑過(guò)渡的目的，要求面向中國市場(chǎng)的R4系統其N(xiāo)b接口應該支持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；對于A(yíng)TM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A(yíng)TM承載中，采用后向方式建立承載會(huì )比前向方式快，因為在后向方式下，IAM消息中帶有主叫的地址，被叫MSC Server收到主叫側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，因為這種方式的Nc口消息流程相對簡(jiǎn)單，建立呼叫所需的消息數較少。如果系統要支持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(huà)音的AMR碼流從UTRAN，通過(guò)Iu口達到核心網(wǎng)時(shí)，核心網(wǎng)的編解碼轉換設備要將AMR碼流轉換為G.711格式的編碼，封裝在PCM中進(jìn)行傳輸，到達對端后，需要將G.711編碼再還原為AMR碼流。每一次的編解碼對語(yǔ)音質(zhì)量都是一次損傷，而且G.711編碼的傳輸速率遠比不上AMR編碼。在R4網(wǎng)絡(luò )中，有兩種方式可以實(shí)現在局間直接傳送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編解碼的類(lèi)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)，則對于移動(dòng)到移動(dòng)的呼叫可以完全不經(jīng)過(guò)編解碼轉換。TrFO可以提高話(huà)音質(zhì)量，并且在分組核心網(wǎng)中可以?xún)?yōu)化網(wǎng)絡(luò )帶寬，因為話(huà)音是AMR速率而不是64kbit/s在核心網(wǎng)中傳輸；由于移動(dòng)網(wǎng)內的呼叫可以不使用編解碼器，還可以節省設備投資；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的承載資源。
TFO(Tandem Free Operation)是一種帶內的通信協(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(huà)音幀傳送給接收方。這樣可以改善話(huà)音質(zhì)量。TFO功能是在標準的64kbit/s鏈路的基礎上，提取一定數量的比特，組成子信道，用來(lái)傳輸TFO信令和話(huà)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(yǔ)音質(zhì)量；但對TrFO方式，因為局間只傳AMR碼流，可以節省帶寬，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，因此并不能夠節省帶寬，傳送速率也沒(méi)有改善；TrFO能夠真正免除編解碼器，而TFO要求系統中仍然有編解碼器，用于A(yíng)MR-＞G.711的編碼；TrFO因為是帶外協(xié)商編解碼，操作簡(jiǎn)單，TFO是帶內協(xié)商方式，實(shí)際操作流程很復雜。通過(guò)比較可以看出，在R4中，TrFO比TFO更具優(yōu)勢，更實(shí)用。
(4)1：N的網(wǎng)絡(luò )結構
所謂1：N的網(wǎng)絡(luò )結構，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 )結構中，MSC Server只負責信令處理，不涉及用戶(hù)面數據的處理。因此，可集中設置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 )結構，在組網(wǎng)方面可以降低建網(wǎng)和運維成本。MSC Server與MGW的組網(wǎng)方式靈活，可不局限于同一交換機房，支持分布式組網(wǎng)。理論上，R4需要較少的交換機房，機房、傳輸、維護費用大大節省，全網(wǎng)的版本升級可在同一中心機房?jì)葘λ械腗SC Server升級后即可完成，無(wú)需逐點(diǎn)升級，時(shí)間減少，新業(yè)務(wù)部署快。
(5)內嵌信令網(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)的設備，主要完成傳統窄帶No.7信令與基于分組網(wǎng)(ATM或IP)側信令的轉換功能。
信令網(wǎng)關(guān)可以單獨設置，也可以與MGW合設，合設時(shí)即稱(chēng)MGW具有內嵌信令網(wǎng)關(guān)功能。在R4網(wǎng)絡(luò )中，MGW可以利用內嵌信令網(wǎng)關(guān)功能轉接RANAP和ISUP信令。
實(shí)際網(wǎng)絡(luò )結構中，應該是一個(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(lái)轉接，避免在MSC Server與RNC間直接建立鏈路造成的資源浪費和網(wǎng)絡(luò )結構的混亂，有利于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )結構。
MGW是否需要轉接ISUP信令則依賴(lài)于實(shí)際的網(wǎng)絡(luò )配置，如果MSC Server與PSTN間沒(méi)有STP點(diǎn)可以傳送ISUP消息時(shí)，才需要考慮用MGW來(lái)轉接ISUP信令。
(6)Nb口的支持模式
“支持”和“透明”模式來(lái)源于Iu口。當接口采用透明模式時(shí)，用戶(hù)數據是透明傳送的，接口不做任何處理；而采用支持模式時(shí)，接口要對用戶(hù)面的數據進(jìn)行幀處理。如果觀(guān)察Iu口消息，在支持模式下，有Iu UP的初始化過(guò)程；透明模式下，沒(méi)有Iu UP初始化過(guò)程。在R99中，對于語(yǔ)音業(yè)務(wù)，在Iu口采用支持模式，而視頻業(yè)務(wù)作為透明數據業(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，只是對于視頻業(yè)務(wù)。在R4最新的版本中，規定其在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(hù)數據在局間的可靠傳送。
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