七號信令網IP化的演進分析
2007/04/25
1、信令網的演進方向
隨著近年來通信技術的不斷發(fā)展，為實現(xiàn)話音和數(shù)據(jù)等多種業(yè)務網的融合，產生了軟交換技術。軟交換技術采用業(yè)務、控制、承載全分離的結構，使得業(yè)務接入手段多樣化，并可在同一個承載網絡中實現(xiàn)多種業(yè)務的互通。近兩年來中國移動已經有越來越多的省公司使用基于軟交換R4結構的設備擴建GSM網絡，部分省R4交換局已達到了相當規(guī)模。
此外，承載方式IP化也是網絡發(fā)展的大趨勢，目前的GPRS、2G軟交換網中的媒體流、即將開始建設的3G R4核心網電路域及分組域以及未來的IMS業(yè)務流均已采用或將要采用IP承載方式。
隨著媒體流的IP承載化，信令消息承載的IP化也成為業(yè)界關注的重點問題。在R4階段，信令應用層與七號信令相同，底層承載有TDM和IP兩種方式；R5階段以后的IMS網絡信令消息不再是七號信令，而是基于IP技術的信令，如SIP等。從長遠來看3G網的發(fā)展，若R4階段在相當長的時期內存在，考慮到成本優(yōu)勢，則IP信令網是必然的發(fā)展趨勢。
2、3G網絡及信令的發(fā)展概述
2.1 3G網絡及信令的發(fā)展
3GPP定義的WCDMA系統(tǒng)有R99、R4、R5、R6和R7版本。其中R99版本的3G核心網與GSM核心網相比從網絡結構到信令基本沒有什么變化，沿用了傳統(tǒng)的No.7信令及信令網；R4版本的3G核心網引入了分布式的網絡架構，同時信令也從傳統(tǒng)的基于TDM的承載方式開始向IP承載演進，而高層使用的仍是No.7信令應用部分；R5版本在R4的基礎上引入了基于軟交換架構的IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）域，IMS域將采用全新的基于SIP的會話方式，信令尋址采用全新的DNS+ENUM方式，而CS域與PS域本身沒有過多變化；R6版本在網絡結構上沒有變化，只是更加深入的定義了IMS域的業(yè)務。
從上述3G網絡及信令的發(fā)展來看，R5/R6版本的IMS域根據(jù)設備廠家的不同采用新建節(jié)點或在現(xiàn)有節(jié)點上（硬件平臺相同）疊加的方式實現(xiàn)功能，其功能及信令是全新的，不存在從現(xiàn)有網絡演進的問題。對于現(xiàn)有信令網的演進主要集中在核心網CS域，而由于在R4版本以后CS域沒有發(fā)生變化，因此現(xiàn)有信令網的演進主要針對R4版本的演進。
2.2 3G網絡中的信令需求及信令網組成
以下首先對3G R4核心網與2G GSM核心網中的主要接口與協(xié)議進行列舉、比較，如表1所示。
表1 R4核心網與GSM核心網信令接口、協(xié)議及承載方式對比
從表1中可以看出，在移動網絡中，大部分的信令業(yè)務都是MAP和CAP信令，這兩種呼叫無關的信令主要完成移動用戶的位置更新、路由查詢和智能網業(yè)務相關操作等。從協(xié)議�？�，不論MAP和CAP采用TDM、ATM或IP承載，SCCP層都是必須的，也就是說MAP信令和CAP信令需要SC
CP的GT尋址功能來實現(xiàn)路由查詢。在2G網絡中，信令網中STP的一個主要功能就是進行GT翻譯和消息轉發(fā)。在3GPP R4網絡中，基于SCCP層的尋址方式沒有改變，STP的GT翻譯和消息轉發(fā)功能仍然是必須的，即仍然需要信令網進行MAP和CAP的承載和轉發(fā)。因此，在組建R4網絡時，仍然需要一個信令網提供信令路由和轉發(fā)功能。
R4網絡中新引入的協(xié)議還有BICC和H.248。H.248協(xié)議屬于點到點的協(xié)議，不存在路由和尋址問題，MSC Server上已經配置了MGW的地址信息，因此無需信令網進行路由查詢。BICC協(xié)議通過IP承載有兩種方式，當采用3GPP建議的M3UA/SCTP/IP承載時，由于M3UA中包含了目的信令點信息，可以通過信令網進行轉發(fā)；當BICC直接承載在SCTP上時，為點對點的方式，可直接承載在IP網上而不需要信令網承載。目前中國移動建設的軟交換匯接網中的軟交換機之間采用的是BICC/SCTP/IP方式。今后建設3G網絡時，可以采用同樣的協(xié)議棧，并對MSC Server進行分層，由CMN（或TMSC Server）負責轉接省際BICC信令。
此外，在R4網絡中，除了產生信令的SP點本身和用于信令轉接的STP以外，還需要有一個功能實體用于與目前2G電路型交換網中的七號信令網相連，將窄帶七號信令轉換為適于在IP網中傳送的信令，即信令網關（SG）節(jié)點，該節(jié)點可以單獨設置，也可以與MSC Server、MGW、STP等網元合設。
綜上所述，IP信令網首先是解決MAP和CAP協(xié)議的IP承載問題（BICC協(xié)議和H.248協(xié)議則不需要IP信令網承載）；而對于信令的路由和轉發(fā)功能則既可以由傳統(tǒng)的No.7信令網絡實現(xiàn)，也可以構建IP STP的信令網。
3、基于全IP承載的信令組網分析
3.1 IP信令網的概念
IP信令網是指利用IP作為承載技術來傳送信令消息的網絡。R4階段和現(xiàn)有傳統(tǒng)No.7網相似，在IP信令網中其節(jié)點功能劃分也可以分為IP SEP和IP STP兩類，主要負責轉接MAP、CAP消息，信令消息的選路也仍舊使用No.7信令點編碼的方式。
對全IP信令網結構的討論主要問題集中在兩點：第一，是否需要采用分層結構；第二，采用何種SIGTRAN的適配層協(xié)議。
3.2 全IP承載的信令網的組成與結構
如果3G網絡建成后一段時期仍采用網狀平面方式規(guī)劃IP信令網，則從全國整張大網來看，對每個節(jié)點的MAP/CAP信令路由能力（SCTP偶聯(lián)數(shù)量和SCCP尋址能力）的需求都是相當大的，且任何一個省新增1個網元節(jié)點，全網網元都需要修改路由數(shù)據(jù)，這對整網信令路由的規(guī)劃和維護來說將是相當困難的。因此在IP信令網中引入完成SCCP GT翻譯功能的節(jié)點，即：IP STP是很有必要的。
此外由于MSC Server所能支持的呼叫路由能力是有限的，平面組網將極大的限制網絡的擴展性，因此網絡中也需引入?yún)R接層（TMSC Server或CMN）。在具有匯接層的網絡中，MSC Server需要支持的呼叫路由和信令路由的數(shù)量將會大大減少，其好處是可以減少MSC Server的信令鏈路組和SCTP偶聯(lián)的數(shù)量，網絡具有更好的擴展性并有利于管理和維護。
綜上所述，建議IP信令網應該采用分層結構。對于省際的MAP、CAP信令采用GT尋址方式，IP STP提供GTT功能；對于省內的MAP、CAP信令采用目的地信令點編碼尋址方式，初期可以采用直聯(lián)方式，通過IP STP轉接的準直聯(lián)作為備用路由。省內、省際BICC信令通過TMSC Server或CMN轉接。
3.3 SIGTRAN協(xié)議的選擇
SIGTRAN是在IP網絡中傳遞No.7信令的協(xié)議，它利用標準的IP傳送協(xié)議作為低層傳送，并通過增加自身的功能來滿足No.7信令的傳送要求。SIGTRAN協(xié)議體系如圖1所示。
圖1 SIGTRAN協(xié)議體系圖
SIGTRAN協(xié)議的底層為傳輸層SCTP協(xié)議（流控制傳輸協(xié)議），為No.7信令在標準IP網上傳送提供可靠的連接，高層為適配層協(xié)議，根據(jù)功能和組網應用的不同主要分為M2PA、M2UA和M3UA
3種，簡單介紹如下。
�。�1）M2UA：M2UA是MTP2的延伸，沒有自己的信令點編碼，適用于RANAP、ISUP等接入信令，利用SIGTRAN（M2UA/SCTP/IP協(xié)議）進行轉發(fā)，提高組網的靈活性，并降低信令的傳輸成本，不具備GTT功能，不能夠用于組建IP信令網的骨干層面。
�。�2）M3UA：M3UA是目前3GPP建議采用的SIGTRAN協(xié)議，M3UA能同時支持目前所有的移動網絡協(xié)議，包括BICC、ISUP、MAP、CAP。但是M3UA是一種落地協(xié)議，主要是針對SG應用設計的，只能進行一跳的信令轉接，或者是IP
SP間的點到點協(xié)議，適合作為IP SP的邊緣接入?yún)f(xié)議，不適宜用于組建IP信令網的骨干層面。
�。�3）M2PA：M2PA的適用范圍更廣泛，既可以用于信令網關也可以用于信令網上的STP。M2PA具有自己的信令點編碼和自己的上層協(xié)議諸如MTP3和SCCP，可以支持信令轉接和GTT功能，因而可以作為IP
STP的協(xié)議。
由于3GPP建議的R4信令的承載主要是采用M3UA協(xié)議，即MSC Server、HLR、SCP等都不支持M2PA協(xié)議（目前大部分廠家能夠提供的設備均沒做M2PA的開發(fā)）。因此在組建IP信令網時，單純采用M3UA協(xié)議或M2PA協(xié)議在現(xiàn)階段都是不可行的，目前來看比較可行的方案是在IP
STP之間（骨干層）采用M2PA協(xié)議，在IP信令點和IP STP之間（接入層面）采用M3UA協(xié)議。
3.4 全IP承載信令網的目標網結構
綜合前兩節(jié)的分析，移動全IP信令網應采用分層結構建設，引入IP STP完成GTT和信令轉接功能，使IP信令網具有良好的可擴展性和可維護性；MSC
Server、IP HLR、IP SCP等IP SP采用M3UA接入IP信令網，滿足3GPP標準的要求；IP STP間使用MTP3/M2PA/SCTP/IP協(xié)議棧，在IP信令網中保留MTP3功能可以繼承原有的信令網管理和維護體制，同時又利用了基于IP的信令傳送，降低了信令消息的傳送成本。
IP STP的建設方案可參考傳統(tǒng)No.7信令網骨干層面的建設方案，即：IP STP成對設置以保證安全性；初期在全國分大區(qū)設置IP STP對，所有IP
STP之間網狀相連（不同于No.7信令網中分平面網狀相連），各IP SP點與成對IP STP均相連，IP信令網目標網網絡結構如圖2所示。
圖2 IP信令網目標網網絡結構示意圖
4、IP信令網的引入方案
4.1 IP信令網的引入方案
結合與現(xiàn)有TDM No.7信令網的組網關系，考慮引入IP信令網的方案有以下幾種。
方案一：新建IP STP替換現(xiàn)有STP，今后同時承擔2G、3G信令業(yè)務。
方案二：用3G網中今后建設的獨立SG升級為IP STP，最初承擔3G網內信令，逐步分擔2G網信令業(yè)務，最終完成替代。
方案三：省內新建LSTP首先采用IP STP，今后逐步分擔HSTP業(yè)務，最終升級為HSTP后，對現(xiàn)有HSTP進行替換。
方案四：新建IP STP，獨立建設IP信令網，與現(xiàn)有七號長途信令網重疊，逐步分擔現(xiàn)有信令網的業(yè)務，最終完成替代。
從這4種方案的特點來看，對其他設備的共同要求都是：現(xiàn)網網元能夠通過升級改造或新建的方式，部分或全部支持IP信令接口（即：IP STP），且IP
STP設備本身要通過中國移動的入網測試。方案一網絡風險和一次性投資都是最高的，因此不建議采用該方案建設IP信令網。方案二則需要在3G網絡建設進行后，視3G網中是否建設有獨立SG而定，且建設獨立SG的先期費用較高。方案三遵循“從邊緣到核心”的演進方式，先將IP
STP在省內作為LSTP試用，時機成熟后改作省際長途信令網節(jié)點使用。方案四工程實施較容易，且獨立于現(xiàn)有信令網組網，網絡安全性較高。
考慮到方案的可實施性并結合3G網絡的建設規(guī)劃，4種方案中較可行的為方案三和方案四，以下對這兩種方案做簡單介紹。
4.2 方案三（逐步演進方案）分析
目前中國移動現(xiàn)網內有部分省是HSTP兼做LSTP、有部分省已建設LSTP設備（其中有些省建設了不止1對LSTP）�？紤]到現(xiàn)有HSTP在經過設備升級后，容量有了較大提高，因此尚未建設LSTP的省份，暫時不需要建設LSTP設備。而已建有LSTP的省份多為經濟發(fā)達、業(yè)務發(fā)展較好的省份，因此存在著擴建LSTP的需求。本方案建議這些省份使用IP
STP設備建設LSTP，并對軟交換架構的MSC Server進行改造，支持IP信令接口功能，并要求今后新建的HLR、SCP等設備均支持IP信令接口功能（現(xiàn)有HLR、SCP等設備由于網元眾多，改造成本太大，暫不建議改造），組網結構如圖3所示。
圖3 組網結構圖
該種方案情況下，省內支持IP信令的網元直接與IP LSTP相連（兩級組網情況下還需要通過TDM方式與現(xiàn)有HSTP相連），不支持IP信令的網元仍保持原有連接方式與現(xiàn)有LSTP相連（兩級組網情況下還要與HSTP）。省際信令消息仍由現(xiàn)有長途No.7信令網疏通，省內信令由LSTP疏通。
隨著支持IP信令的網元逐漸增多，盡量保證原有LSTP不再擴容，省內信令主要由IP LSTP承擔。在時機成熟時，可以考慮將IP LSTP的地位提高為兼做HSTP，對現(xiàn)有HSTP的省際信令進行部分分流，即：與其他省的IP LSTP通過MTP3/M2PA/SCTP/IP方式疏通部分省際信令，逐步降低現(xiàn)有骨干長途信令網的負荷，最終達到替換現(xiàn)有HSTP、形成IP信令網目標網的目的。但各省支持IP信令的網元與不支持IP信令的網元將同時共存，不同省的這兩類網元之間的信令互通方式與信令的選路策略有關（省際信令在兩張網上如何分配），而不同的選路策略將會直接影響到省內網元局數(shù)據(jù)設置的復雜度、信令網的組網結構如何調整等很多相關問題。
假設要求兩省間支持IP信令的網元之間的省際信令由IP信令網疏通，兩省間支持IP信令的網元與不支持IP信令的網元間省際信令也由IP信令網疏通，只有傳統(tǒng)的不支持IP信令的網元之間的省際信令仍由現(xiàn)有長途信令網疏通。以下僅對這種信令路由策略，介紹一種對省內網元局數(shù)據(jù)設置和路由判斷相對簡單、避免路由迂回的組網方案，組網結構如下圖4所示。
圖4 組網結構圖
該方案下，省內長途信令通過LSTP之間疏通，兩省間支持IP信令的網元之間、兩省間支持IP信令的網元與不支持IP信令的網元間的省際信令為兩級組網方式（信令路由為：本省SP→本省IP LSTP/HSTP→對端省IP LSTP/HSTP→對端SP），不支持IP信令的網元之間的省際信令保持現(xiàn)有省際信令疏通方式（通過現(xiàn)有HSTP，兩級或三級組網疏通到對端省）。
由于該方案下，不支持IP信令的網元同時與原有LSTP和新建的IP LSTP都連接，因此需要這些網元能夠判斷出對端省哪些網元支持IP信令，并選擇正確的路由（可以考慮通過為支持IP信令的網元設置特殊號段ID號的方式實現(xiàn)）�；蛘咭部梢宰尣恢С諭P信令的網元只與現(xiàn)有LSTP相連，由LSTP負責判斷將省際信令送至現(xiàn)有長途信令網還是IP信令網（同樣要求LSTP能夠判斷對端省哪些網元支持IP信令），但會增加信令的跳數(shù)（三級組網）。考慮到今后信令IP化的趨勢，為節(jié)省投資，不建議新建的支持IP信令的網元再配置TDM信令接口，這些網元只通過IP接口與IP LSTP相連。
今后隨著支持IP信令的網元逐漸增多，省際信令將逐步改由IP LSTP/HSTP疏通，省內信令逐步改為支持IP的網元間通過IP承載網直聯(lián)，最終IP LSTP完全作為HSTP使用，達到IP信令網目標網結構。
4.3 方案四（疊加組網方案）分析
疊加網方案下，將與現(xiàn)有長途信令網平行建設一張全新的IP信令網（IP STP初期可以分大區(qū)建設），同樣由于省間支持IP信令的網元與不支持IP信令的網元之間需要互通信令，路由策略將會影響組網結構。以下僅提供其中一種組網方案，如圖5所示。
圖5 組網方案圖
該種方案下，省內信令通過現(xiàn)有LSTP疏通，兩省間支持IP信令的網元之間、兩省間支持IP信令的網元與不支持IP信令的網元間的省際信令為兩級組網方式（信令路由為：本省SP→本省IP HSTP→對端省IP HSTP→對端SP），不支持IP信令的網元之間的省際信令保持現(xiàn)有省際信令疏通方式（通過現(xiàn)有HSTP，兩級或三級組網疏通到對端�。�。這種組網方案能夠避免兩個平面之間的HSTP之間進行互通（需要相互做數(shù)據(jù)），將對現(xiàn)有網絡的影響降到最小，也能避免信令在STP間過多的跳接。但是同樣的需要不支持IP信令的網元能夠判斷出對端省哪些網元支持IP信令，并選擇正確的路由（至現(xiàn)有HSTP還是IP HSTP）。
今后隨著支持IP信令的網元逐步增加，省際信令負荷在IP信令網上承載的比例也將逐步增大，最終可達到目標網結構。
4.4 方案比較及建議
方案三和方案四相比，初期投資差不多（均只在部分省建設）；從網絡結構來看，由于逐步演進方案涉及新建IP LSTP與現(xiàn)網STP設備的組網關系，因此網絡結構較為復雜，網絡結構不如疊加網方案清晰；從工程實施來看，兩種方案均為新建設備，工作量和難度基本相同，但逐步演進方案涉及后期從IP LSTP到兼做HSTP再到最終獨立HSTP的不斷變化，數(shù)據(jù)修改量較疊加網方案大；從網管維護等方面看，逐步演進方案中初期作為LSTP是由省公司進行維護管理的，對省內維護管理人員的技術水平要求較高，后期轉變?yōu)镠STP時按目前的管理方式需要改為有限公司統(tǒng)一管理，而疊加網方案則始終由有限公司統(tǒng)一管理IP HSTP，對省內人員技術水平要求較小。
考慮到用IP網承載信令的方式受IP網特性的制約，QoS、時延、丟包率等對傳送信令的影響尚不明確，如果初期中國移動能夠在某些省內進行小范圍的組網測試，對設備在現(xiàn)網運行的性能和組網能力有較為全面的了解，選擇疊加網建設IP信令網是較為簡單的方案，但如果在先期準備不足的情況下，在省內首先應用IP STP則是較為穩(wěn)妥的方案，但后期網絡調整工作較大。
5、結束語
經過幾期工程的建設，中國移動現(xiàn)有長途七號信令網已具備相當?shù)囊?guī)模，逐步走向成熟、安全、可靠。隨著設備廠家對設備容量的升級工作完成，設備容量已不再成為網絡瓶頸，新建的2G網元以及即將建設的3G網元在一定的時間內完全可以接入現(xiàn)有七號信令網，由其負責疏通省際長途信令消息。
IP承載與傳統(tǒng)的TDM承載方式相比，雖然在QoS、時延等各方面都存在著一定差距，但在管理維護、投資成本等方面具有優(yōu)勢，繼續(xù)擴容現(xiàn)有長途七號信令網還是推動IP信令網的建設，需要中國移動進行深入的思考、比較、繼而進行抉擇。
中國聯(lián)通網站
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