WCDMAR4與NGN的特點及其關系探討

2019-11-03 09:23:58

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供稿：網友

　　中國電信集團廣州研發中心曹磊胡樂明

　　“3G”和“NGN”，作為下一代數字通信技術革新發展趨勢和目標，無疑是當今業界最受矚目的兩大熱點，而領先的國內外運營商及設備制造商們也都不遺余力地對3G和NGN試驗和商用進行了大量投入。

　　追溯到UMTS標準發展初期的R99階段，WCDMA與NGN基本上是在固定和移動兩個通信技術領域各自獨立發展，該階段主要解決無線接入層從2G時分多址到寬帶CDMA碼分多址空中接口技術的規范化，核心網相對GSM沒有大的變化，但從R4階段開始，NGN與3G技術終于走到了一起：NGN的承載與控制分離軟交換機制、統一的ip/ATM分組業務承載及其所帶來的眾多優勢與挑戰，都被引入到了3G核心網中，從而為建設一個具備更高投資收益率的3G網絡提供了基礎。

　　那么，WCDMAR4與NGN的關系到底是怎樣的？它們的差異和共同點如何？NGN的建設對WCDMAR4的建設具有怎樣的參考價值？它們將以何種狀態共存？這些問題對于未來的移動、固定綜合運營商，尤其是已積累了一定NGN規模試驗網經驗并計劃開展3G業務的運營商來說，是被關注最多的基礎問題。本文的目的即在于對這些問題給出分析解答。

　　WCDMAR4與NGN的異同點比較

　　WCDMAR4網絡與NGN網絡的異同點，可以從總體網絡架構、基礎傳輸網絡、設備網元功能、可商用/可運營關鍵技術等多個方面進行比較。

　　一、總體網絡架構

　　WCDMAR4與NGN網絡均采用了相似的承載與控制分離的分層體系架構：即原有承載、控制合一的交換機分離為專門負責用戶面的媒體處理與交換功能的媒體網關，以及專門負責控制面呼叫處理及業務提供的軟交換設備，并且媒體網關之間、軟交換之間，以及軟交換與媒體網關之間的媒體與控制流的承載均由傳統的TDM專線交換演化為基于分組轉發的寬帶包交換網絡（IP/ATM）。軟交換與媒體網關之間不再是話音媒體流，而是基于H.248的控制消息。

　　二、基礎傳輸網絡

　　無論是WCDMAR4的移動實時呼叫與非實時數據業務，或者NGN的固定實時呼叫與非實時數據業務，以及相關的控制信令流，均統一采用基于分組統計復用及包/信元轉發的寬帶IP/ATM承載。因此WCDMAR4與NGN對于基礎傳輸網絡設施，包括路由器、交換機以及底層的SDH/DWDM傳輸設備及傳輸鏈路，其需求均是相同的。

　　三、設備網元功能

　　WCDMAR4與NGN網絡除與移動、固定用戶業務流程無關的網元設備可以共享以外，其他網元設備在功能、業務流程方面有較大差異性。

　　相同點

　　WCDMAR4與NGN中業務獨立的設備網元包括：通過H.248控制的特殊媒體資源（MRS）以及負責寬窄帶信令互通的信令網關（SG）功能。

　　MRS主要用于軟交換在普通呼叫及智能呼叫流程中對分組網中集中放音、收號、會議等媒體資源的支持。由于H.248資源控制協議對媒體網關承載及媒體操作的抽象化封裝，使得對MRS設備資源調用可以做到對上層的業務邏輯完全透明，因此使得其可以完全獨立于移動WCDMAR4或固網NGN不同的業務流程。但如果同一MRS設備需同時接受WCDMAR4及NGN軟交換的業務控制，則要求MRS支持虛擬媒體網關（VMG）的功能。

　　SG主要用于各類應用層信令（包括MAP、INAP/CAP等）在SIGTRAN承載與基于TDMMTP1/2承載之間的互通轉換，無論是WCDMAR4與NGN公用的中繼協議ISUP、TUP，還是WCDMAR4特有的MAP、CAP以及NGN特有的INAP，它們所基于的底層傳輸協議棧是相同的，因此對SG的互通功能需求完全相同。

　　差異點

　　移動WCDMAR4與固網NGN在設備網元方面的差異性體現在以下幾個方面：

　　1)網絡設備構件差異性

　　●WCDMAR4網絡劃分為接入網及核心網兩個部分，接入網由WCDMA基站NodeB及基站控制器RNC構成，核心網部分除原移動交換機MSC分離為控制面軟交換MSCserver及承載面媒體網關MGW設備外，其他核心網及業務應用層網元設備均繼承自移動WCDMA R99，包括SGSN/GGSN、HLR、移動SCP、SMSC等；

　　●NGN網絡也可劃分接入網及核心網兩個部分：接入網由從C5交換機分離出來的固定電話遠/近端接入部分的接入網關AG/IAD組成，而核心網則由固網相當于C5/C4交換機控制部分的軟交換及與他網互通的中繼網關構成，其他業務應用層網元設備如固網SCP等均直接繼承自PSTN。

　　2）軟交換設備的差異性：

　　WCDMAR4與NGN軟交換的差別主要體現在業務特性及交互協議方面：

　　●WCDMAR4軟交換(MSCserver)繼承了3G 端局MSC及關口局MSC所有的業務控制層的業務處理及信令接口功能，與UTRAN移動接入網及其他PSTN/PLMN網絡進行控制面流程交互實現3G用戶的接入及與傳統網絡的互通，并在業務流程中根據需要調用經過移動擴展的H.248協議控制移動接入或中繼媒體網關完成媒體流的匯聚、映射及交換；

　　●NGN軟交換則繼承傳統C4固定端局及C5長途局交換機的所有業務處理及信令接口功能，并通過MGCP/H.248協議控制固定接入網關或中繼網關完成媒體流的匯聚、映射及交換，實現與PSTN用戶及其他運營商或傳統網絡的互通；

　　●WCDMAR4軟交換采用RANAP/BSSAP協議接入移動用戶，BICC作為軟交換局間中繼控制；而NGN軟交換則采用H.248/MGCP/IUA/V5UA接入固定用戶，H.323/SIP/SIP-T/BICC作為軟交換間的中繼控制。

　　●WCDMAR4軟交換具備NGN軟交換沒有的移動性管理及呼叫管理（CM/MM）特性。

　　3）移動、固定接入及中繼的差異性：

　　●移動接入媒體網關與UTRAN接入網進行復雜的控制面交互（Q.AAL2/IuUP），將UTRAN業務流轉換為IP/ATM核心網業務流，并轉接來自UTRAN的非接入層信令（如層3呼叫控制）到MSCserver或轉發從MSCserver到UTRAN的控制命令，固定接入媒體網關則直接或通過AN接入傳統POTS或ISDN用戶，轉換模擬或數字線信號為IP/ATM核心網業務流，將用戶呼叫進程事件轉換為H.248/MGCP或IUA消息上報或做反向轉換；由于UTRAN容量的原因，移動接入網關容量一般大于AG/IAD。

　　●移動與固定接入媒體網關對數據、傳真業務的處理方式完全不同。

　　●盡管移動中繼媒體網關與固定中繼媒體網關都承擔VoIP/VoATM與傳統電路交換網之間的承載類型、語音編解碼模式轉換及回聲抑止的控制，但它們各自采用的編解碼算法（移動采用AMR/EFR，而固網采用G.723/G.729），以及對回聲抑止功能參數的需求均不同，并且移動中繼媒體網關還涉及復雜的用戶面及TrFO功能的處理。

　　●基于上述差異，軟交換與媒體網關間的媒體控制協議在WCDMAR4與NGN中也存在較大差別，移動媒體控制協議是在固網H.248協議基礎上做了大量擴展，包括ITU-T的CBC資源控制模型Q.1950擴展，以及3GPP的TS29.232 UMTS域特有擴展。

　　WCDMAR4與NGN可商用、可運營等關鍵問題的比較

　　WCDMAR4與NGN網絡在可商用、可運營的關鍵問題的異同主要可以從承載網QoS、網絡安全性等幾方面展開比較。

　　承載網QoS問題

　　在采用IP承載組網選擇的情況下，由于非實時業務的突發特性會對WCDMAR4及NGN的實時業務的服務質量和穩定性造成很大的沖擊和影響，而網絡的實時業務本身也可能引發IP網絡局部的擁塞。因此端到端QoS的解決是WCDMAR4和NGN網絡商用都必須面臨的首要課題。

　　總體來說WCDMAR4的QoS問題相對NGN更易解決，因為WCDMAR4僅面臨著與NGN相同的承載核心骨干層QoS問題，而其接入層則不存在接入層QoS問題，相反NGN網絡解決QoS問題的難點恰恰在于承載網接入層。具體分析如下：

　　承載網接入層QoS

　　由于WCDMAR4與NGN在接入網根本技術體制上的巨大差異，決定了其在QoS保證能力方面有著天然的不同。

　　3G的語音或數據應用，均需要通過UTRAN接入網承載接入R4的IP承載骨干網，該接入網子系統主要包括無線空中接口及基于ATM承載的Iub/Iu接口部分。而按照3G標準業務流程要求，根據移動用戶在帶外業務控制請求中所指定的、以及在HLR中簽約的業務類型信息，核心網為每一個當前事務分配一個無線接入承載RAB（其參數從業務需求映射而來）到RNC，RNC統籌考慮當前資源狀態，對移動用戶進行適當的接入控制和資源預留，如果資源申請成功，則在當前事務存活期間，該RAB最終將唯一對應一個WCDMA專用物理業務通道，以及一個面向連接的AAL2鏈路（電路域）或GTP隧道（分組域），另外UTRAN接入網還提供了靈活的RAB參數協商機制，能夠在呼叫過程中根據信道質量及負載狀況智能地提供無線資源可管理的QoS。由此可見，盡管WCDMAR4的接入網需要同時支撐移動用戶的實時電路域、實時語音通訊及分組域等不同優先級業務，但由于RNC、NodeB、MGW及SGSN等接入網相關實體所共同基于的ATM高速轉發及區分QoS類別處理的能力，完善的QoS協商保證機制，使得WCDMAR4的UTRAN接入網在資源配置足夠的情況下，幾乎不需要引入額外的機制便可提供很好的QoS保障。

　　相對WCDMAR4新建接入網而言，NGN網絡中固定話音或數據用戶接入IP核心網絡的層次更復雜、可選接入方式更多，同時也不具備像3GUTRAN接入網那樣成熟的QoS協商控制機制，最終導致其QoS的保障實施相對WCDMA R4接入網更為困難。通常對于一個普通NGN用戶而言，需要依次經過城域網接入層、城域網匯聚層才能接入IP城域網骨干層，并最終接入國家IP骨干網：在城域網接入層，一般可以有LAN+FTTB、xDSL、HFC、LMDS/MMDS等多種接入選擇方式，不同的接入方式對應不同的QoS策略。目前所有的IP城域網接入匯聚層設備需要進行全面的配置調整或功能升級才能支持NGN業務的QoS需求，其工程量、風險和技術復雜度就可想而知。相對應而言，對于WCDMA R4用戶來說，UTRAN接入網已完成了相當于城域網接入層及匯聚層的功能，因此其控制及業務流可以繞過BAS設備直接接入IP城域網骨干層，并且由于UTRAN接入網肯定要新建，因此不存在對現有接入網的任何影響。

　　承載網核心骨干層QoS

　　NGN網絡的核心設備軟交換及中繼網關等與底層終端用戶及接入網關不同，可以直接接入到城域網核心骨干層，而WCDMAR4的所有核心網網元也均可直接接入城域網骨干層，而WCDMAR4的無線接入網側的網關可以類比為NGN的匯聚業務網關BAS。

　　因此NGN及WCDMAR4對IP核心骨干網，包括其基礎IP傳輸網絡尤其是IP路由器、L2交換設備所必須具備的QoS能力有著相似的需求，其綜合QoS解決方案的經驗也可以相互借鑒，在WCDMAR4與NGN核心承載網公用的情況下，其QoS工程也可以統一規劃。

　　具體來說，WCDMAR4及NGN均可采用DiffServ+MPLS以及適當的過量配置策略實現多業務共享承載的IP網QoS保證，此時要求邊緣路由器或BAS設備具備將層2VLAN標識映射為DiffServIP業務級別DSCP的能力，或者3G-R4/NGN業務網元自身支持DiffServ等級的標識（對業務網元設備提出了更高的要求）。同時各級路由器都具備按照預定義的DiffServ PHB進行基于業務優先級聚合的QoS控制：包括流分類、流量測量、流量監管、流量整形、擁塞管理（隊列機制，按DiffServ優先級算法進行IP包隊列調度的能力）、擁塞避免（隨機早期檢測）。對于支持MPLS的LER/LSR，要求進一步支持DSCP與MPLS VPN Lable的映射，并在未來逐步引入DiffServ over MPLS及基于動態業務感知和策略服務器控制（COPS）的全網流量工程，從而不斷優化IP承載網的資源配置。

　　網絡安全性

　　NGN的軟交換需要采用非標準的認證機制以確認接入網關（AG/IAD）的身份有效性，其對NGN用戶的認證實際就隱含在對AG/IAD設備的認證過程中，而WCDMAR4則由HLR、MSCserver、UTRAN及終端UE的配合，提供了完備而強大的標準雙向鑒權加密機制來確保接入用戶的身份可靠性、數據完整性及業務私密性。至于MSCserver對接入MGW的合法性認證，則可以通過WCDMA R4核心設備間SCTP連接所具備的加強連接建立認證以及H.248協議加密能力得到支持。

　　在開放的公共IP承載網中，WCDMAR4與NGN均可考慮通過核心設備端到端IPSec或外掛路由器間的隧道IPSec方式提供網絡層的身份認證及信息完整性保護，同時均可考慮引入層2及層3VPN（VLAN及IPVPN）實現WCDMA R4及NGN實時業務與其他非實時業務的邏輯隔離以更徹底地杜絕網絡安全隱患。

　　但對于NGN企業用戶而言，由于其IAD/PC在企業網邊界涉及應用層業務的NAT以及防火墻的ALG穿透，加大了端到端的IPSec及VPN安全性保護實現難度，并且需要引入專門的代理設備來完成控制面信令的承載地址信息轉換，以及承載面動態地址的映射與過濾。WCDMAR4核心網所有核心設備均可直接采用公網IP地址，網元間的通信沒有NAT設備的介入，因而也不存在NGN的ALG傳透所帶來的安全性問題。

　　NGN與WCDMAR4在組大網制式方面的比較

　　承載網組網

　　在采用IP及ATMSVC方式作為承載網的情況下，當WCDMAR4及NGN遠地用戶之間，以及WCDMAR4及NGN用戶與傳統PSTN/PLMN用戶的承載面語音及數據業務流均在媒體網關之間（分別對應接入媒體網關之間，以及接入媒體網關與網關媒體網關之間）直接基于目的MGW的IP地址或ATM地址進行端到端的平面式尋址和路由，其尋址轉接過程完全取決于公共IP/ATM網的承載網內部拓撲結構，呼叫控制層完全不需要關心。

　　因此就承載網組網制式而言，WCDMAR4與NGN基本上完全相同。

　　信令網組網

　　相比承載網組網而言，WCDMAR4與NGN的信令網首先在信令承載模式上有不同要求，NGN軟交換間信令一般均采用寬帶IP承載，而WCDMAR4則可選擇采用寬帶IP或仍然沿用已有的分級TDM SS7信令網作為其承載，因為信令面的窄帶承載并不妨礙用戶承載面媒體網關間的寬帶承載使用和端到端尋址。

　　在均采用寬帶IP作為信令控制面承載的前提下，WCDMAR4與NGN在信令網組網方面還是存在一定差別的。固定NGN網絡中一般采用SIP或H.323作為局間信令，而對應與遠地軟交換之間的信令一般選擇平面式的尋址，該尋址方式的最大特點是呼叫始發節點的局間呼叫信令可以通過特定的機制一步直接定位到呼叫目的節點，整個呼叫僅涉及到網內兩個服務端局軟交換之間的直接交互，地址解析的過程與呼叫過程完全獨立。NGN網絡地址解析的方式包括傳統H.323VoIP網絡中常用的網守GK模式，軟交換若本地無法完成地址解析則通過RAS協議向所屬GK查詢遠端目的軟交換的地址，GK一般按網絡規模分級，上級GK維護下級GK的入口地址，這樣GK之間通過RAS進行分級匯接查詢，總能確保網絡中任一端局軟交換尋址定位到另一端局軟交換，并與該軟交換進行直接的信令交互。上述平面尋址方式中GK實際上承擔了分級路由服務器的角色，當然NGN路由服務器還可以采用其他協議或制式，如分級的ENUM服務器或DNS服務器方式（將E.164轉換為URI或IP地址），此時路由服務器間采用DNS查詢協議分級搜索。軟交換對路由服務器的訪問查詢協議沒有明確規定，可以為H.323RAS、LDAP或者DNS查詢等。至于路由服務器的路由信息建立和更新，可以通過傳統的人工維護方式（如GK），也可采用TRIP等先進的動態電話路由機制實現自動的路由更新。

　　與NGN的呼叫信令面組網不同，WCDMAR4的信令網需要考慮呼叫獨立的移動信令網（MAP/CAP），以及呼叫信令網（BICC）兩種完全不同的情況:

　　●對于呼叫獨立的信令網，所有MAP/CAP均傳輸在基于M3UA/SCTP/IP鏈路的SIGTRAN承載上，由于SCTP是用來在IP中模擬類似SS7網絡中的MTP2靜態鏈路，而M3UA必須基于信令點DPC來尋址，這些都決定了其關聯配置必須采用靜態模式，對于大規模的3GIP信令網仍然需要分級式設置STP，只不過這些STP僅對外提供SCTP鏈路而非MTP2鏈路。MAP/CAP等漫游信令的GT翻譯在均這些STP上執行。

　　●對于呼叫信令網而言，在基于SCTP連接承載BICC信令的情況下，局間尋址是基于本局對號碼及相臨局路由的分析結果，同時由于SCTP連接的靜態配置特征及不適合于每呼叫的頻繁拆建，決定了不可能在端局軟交換間直接建立SCTP的兩兩關聯，因此當網絡達到一定規模后，也必然需要專門的匯接局TMSCserver來進行BICC呼叫的匯接處理，只不過不同于傳統TDM網絡匯接局的情況是，該TMSCserver并不需要負責控制任何承載面媒體網關的資源控制，僅需負責呼叫地址的分析及控制信令流的轉接即可。由于SIP-T未被3GPP選做R4 的局間必選控制協議，因此基于IP承載的R4的控制面大網的STP及TMSC server一般會采用分級匯接的方式來構建。

　　綜上所述，我們對WCDMAR4與固網NGN的關系可以得出如下分析結論：

　　●WCDMAR4與固定NGN的基本網絡架構是一致的，其骨干網絡IP路由及傳輸網部分可以合一共享。但同時WCDMAR4與固定NGN的接入網及端局核心網設備實體功能及接口并不相同，在物理上一般不存在設備融合的必要性。

　　●在可商用可運營的關鍵問題方面，WCDMAR4接入網部分擁有比固定NGN接入網更加完善和成熟的網絡安全和QoS管理機制，并且不存在NGN接入網中可能遇到的IPv4地址資源短缺和NAT穿越問題，因而總體而言WCDMAR4比固定NGN更接近規模商用和運營的要求。

　　●承載網組網制式方面，WCDMAR4與NGN基本上完全相同；在均采用寬帶IP作為信令控制面承載的前提下，信令承載模式上有不同要求，WCDMAR4與NGN的信令網組網方面還是存在一定差別的。

　　可以看到要實現WCDMAR4與NGN真正意義上的融合是較為困難的，因此在R5中可以通過引入IMS網絡從而考慮實現固網和移動網絡完全的融合。

----《通信世界》