R4網(wǎng)絡中的關鍵技術
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WCDMA的R4與R99版本相比較，在無線接入網(wǎng)的網(wǎng)絡結構方面無明顯變化，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(MGW)，實現(xiàn)控制和承載分開，其網(wǎng)絡結構如圖1所示。
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本文將對R4網(wǎng)絡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)絡的新特征進行探討。
2、新設備
2.1 MSC Server
MSC Server對應于軟交換結構中的Call Server，是UMTS移動通信系統(tǒng)中電路交換網(wǎng)向分組交換方式演進的核心設備，它獨立于底層承載協(xié)議，主要完成呼叫控制、媒體網(wǎng)關接入控制、移動性管理、資源分配、協(xié)議處理、路由、認證、計費等功能。MSC Server負責向用戶提供3GPP R4階段的電路域核心網(wǎng)所能提供的業(yè)務，并能夠配合SCP提供多樣化的智能業(yè)務。
MSC Server繼承了3G中的VMSC及GMSC所有的業(yè)務控制層的業(yè)務處理能力及信令接口功能，并在業(yè)務流程中調用經(jīng)過移動擴展的H.248協(xié)議來控制移動接入或中繼媒體網(wǎng)關以完成媒體流的匯聚、映射和交換功能。
MSC Server在無線接入側需要支持RANAP/BSSAP協(xié)議以處理用戶與網(wǎng)絡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)絡中的媒體轉換成另一種網(wǎng)絡所要求的媒體格式。比如，MGW能夠在電路交換網(wǎng)的承載通道和分組網(wǎng)的媒體流之間進行轉換，可以處理音頻、視頻等，可以演示視頻/音頻消息，實現(xiàn)其它IVR功能，也可以進行媒體會議等。MGW包含承載終結點和媒體處理設備(例如編解碼器、回聲消除器或信號音發(fā)送器)。它可以執(zhí)行媒體轉換和組幀協(xié)議轉換。
MGW處于端局時，連接無線子系統(tǒng)和核心網(wǎng)，負責把無線子系統(tǒng)接入核心網(wǎng)，完成IuCS用戶平面功能；還負責電路域核心網(wǎng)和接入網(wǎng)之間語音和數(shù)據(jù)流的轉換和承載媒體的轉換。
MGW處于關口局時，能夠實現(xiàn)網(wǎng)間互通，比如R4網(wǎng)絡與PSTN/ISDN網(wǎng)的互通，完成網(wǎng)絡間的語音、數(shù)據(jù)流的轉換和承載媒體的轉換。
從MSC Server對MGW的資源控制來看，MGW可分為兩類：智能網(wǎng)關和啞網(wǎng)關。智能網(wǎng)關具有BCF(承載控制)功能，可以進行承載面的信息協(xié)商和相關的承載控制操作，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，還需遵從為移動網(wǎng)擴展的ITU Q.1950以及3GPP 29.232協(xié)議要求。啞網(wǎng)關不具有BCF功能，而由MSC Server來實現(xiàn)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)議來看，3GPP實際上在R4網(wǎng)絡中選擇了智能網(wǎng)關方式作為移動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)務控制與業(yè)務承載的無關性。
3、新接口
3.1 Mc
(1)特點
MSC Server與MGW間的接口為Mc接口，MSC Server通過Mc接口對MGW的承載連接行為進行控制和監(jiān)視。
現(xiàn)有的國際規(guī)范中對Mc接口的編碼方式并未做明確規(guī)定，可允許采用二進制編碼和文本編碼兩種方式。但是，實際上二進制編碼的編解碼效率應該比文本方式高；另外，在移動網(wǎng)中，現(xiàn)有的協(xié)議大多采用二進制方式，各廠家因為習慣性的問題，也傾向于在Mc接口采用二進制編碼。
對于Mc接口的消息流程，一方面H.248中規(guī)定了基本消息結構，這為Mc接口的開放奠定了基礎。另一方面，Mc接口的實現(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)設置、消息出現(xiàn)的場合、與Iu/Nc口消息配合的順序等。這雖然給廠家實現(xiàn)設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。真正實現(xiàn)Mc接口的開放，必須對各種實現(xiàn)方式進行深入研究，比較各種方式的優(yōu)劣性，并通過標準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，對影響互通的問題確定可行方案。
(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進行擴展，以實現(xiàn)移動環(huán)境的特有應用。Mc接口可以基于ATM或IP承載，其相應的協(xié)議棧如下：
●純IP連接時，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)進行互通，在純IP連接時，可選采用UDP承載，即H.248/UDP/IP。
●純ATM連接時，協(xié)議棧為H.248/MTP3b/SSCF/SSCOP/AAL5/ATM。
●混合ATM，IP連接時，協(xié)議棧為H.248/M3UA/SCTP/IP。
3.2 Nc
(1)特點
MSC Server間的接口為Nc接口，采用與承載無關的呼叫控制協(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的，呼叫控制功能只負責業(yè)務流程的實現(xiàn)，不涉及具體的承載類型；而承載控制功能是在傳統(tǒng)ISUP的基礎上，去掉了和具體承載有關的消息和參數(shù)，增加了APM消息和APP參數(shù)，實現(xiàn)對多種承載進行控制，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(tǒng)的ISUP基礎上修訂演進而來的，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(tǒng)一，對于協(xié)議流程的爭議也很少。因此，未來的Nc接口互聯(lián)互通是可行的，也相對簡單些。
(2)協(xié)議棧
Nc接口可以基于ATM/IP/TDM承載，相應的協(xié)議棧是：IP承載時，為BICC/M3UA/SCTP/IP或BICC/SCTP/IP；ATM承載時，為BICC/MTP3b/SAAL/AAL5；TDM承載時，為BICC/MTP3/MTP2/MTP1。
3.3 Nb
(1)特點
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，包括語音和數(shù)據(jù)業(yè)務。雖然Nb接口的協(xié)議比較復雜，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協(xié)議的爭議較少，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，Nb接口的控制信令也不同。
●以ATM方式作為承載時，Nb接口的用戶平面和控制平面都在兩個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信令傳送轉換(Q.2150.1)/MTP3b/SSCF-NNI/SSCOP/AAL5/ATM。
●采用IP承載時，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)議棧結構如圖2所示。
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4、新技術
(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面的承載方式，進行呼叫控制。
歐洲和韓國的運營商會采用ATM作為承載的網(wǎng)絡，但考慮到中國的電信網(wǎng)絡運營的實際情況，以及未來實現(xiàn)向R5的平滑過渡的目的，要求面向中國市場的R4系統(tǒng)其Nb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，使用場景也有所不同。比如，在ATM承載中，采用后向方式建立承載會比前向方式快，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(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，因為這種方式的Nc口消息流程相對簡單，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單、更可靠。
(3)TrFO/TFO功能
在R99網(wǎng)絡中，話音的AMR碼流從UTRAN，通過Iu口達到核心網(wǎng)時，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音質量都是一次損傷，而且G.711編碼的傳輸速率遠比不上AMR編碼。在R4網(wǎng)絡中，有兩種方式可以實現(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)絡可以在呼叫建立前就對編解碼的類型和模式進行協(xié)商，如果兩端使用的編解碼一樣(例如都是AMR編碼)，則對于移動到移動的呼叫可以完全不經(jīng)過編解碼轉換。TrFO可以提高話音質量，并且在分組核心網(wǎng)中可以優(yōu)化網(wǎng)絡帶寬，因為話音是AMR速率而不是64kbit/s在核心網(wǎng)中傳輸；由于移動網(wǎng)內的呼叫可以不使用編解碼器，還可以節(jié)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?shù)某休d資源。
TFO(Tandem Free Operation)是一種帶內的通信協(xié)議，是在2G網(wǎng)絡中已定義的方法。TFO在呼叫建立之后對使用的編解碼進行協(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量。TFO功能是在標準的64kbit/s鏈路的基礎上，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，相同點就是在局間都直接傳送AMR編碼，能夠提高語音質量；但對TrFO方式，因為局間只傳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因為是帶外協(xié)商編解碼，操作簡單，TFO是帶內協(xié)商方式，實際操作流程很復雜。通過比較可以看出，在R4中，TrFO比TFO更具優(yōu)勢，更實用。
(4)1：N的網(wǎng)絡結構
所謂1：N的網(wǎng)絡結構，指的是一個MSC Server可控制多個MGW。由于在承載與控制相分離的網(wǎng)絡結構中，MSC Server只負責信令處理，不涉及用戶面數(shù)據(jù)的處理。因此，可集中設置MSC Server，R4網(wǎng)絡的MSC Server和MGW的位置靈活，形成扁平化網(wǎng)絡結構，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(jié)省，全網(wǎng)的版本升級可在同一中心機房內對所有的MSC Server升級后即可完成，無需逐點升級，時間減少，新業(yè)務部署快。
(5)內嵌信令網(wǎng)關功能
信令網(wǎng)關是用于連接窄帶No.7信令網(wǎng)與分組網(wǎng)的設備，主要完成傳統(tǒng)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)關可以單獨設置，也可以與MGW合設，合設時即稱MGW具有內嵌信令網(wǎng)關功能。在R4網(wǎng)絡中，MGW可以利用內嵌信令網(wǎng)關功能轉接RANAP和ISUP信令。
實際網(wǎng)絡結構中，應該是一個MSC Server控制多個MGW，而一個MGW又可與多個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)絡結構的混亂，有利于優(yōu)化網(wǎng)絡結構。
MGW是否需要轉接ISUP信令則依賴于實際的網(wǎng)絡配置，如果MSC Server與PSTN間沒有STP點可以傳送ISUP消息時，才需要考慮用MGW來轉接ISUP信令。
(6)Nb口的支持模式
“支持”和“透明”模式來源于Iu口。當接口采用透明模式時，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，接口要對用戶面的數(shù)據(jù)進行幀處理。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，對于語音業(yè)務，在Iu口采用支持模式，而視頻業(yè)務作為透明數(shù)據(jù)業(yè)務，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。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。
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