摘要　本文對R4網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(Me，Nc，Nb)以及網絡的新特征進行了介紹，并對R4網絡中的關鍵技術進行了探討。

關鍵詞　WCDMA　R4　R99

1、引言

　　WCDMA的R4與R99版本相比較，在無線接入網的網絡結構方面無明顯變化，重要的改變是在核心網的電路域方面。R4中引入了軟交換的概念，將原來的MSC分離成為MSC Server和媒體網關(MGW)，實現控制和承載分開，其網絡結構如圖1所示。

圖1　R4網絡電路域體系結構

　　本文將對R4網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移動通信系統中電路交換網向分組交換方式演進的核心設備，它獨立于底層承載協議，主要完成呼叫控制、媒體網關接入控制、移動性管理、資源分配、協議處理、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所能提供的業務，并能夠配合SCP提供多樣化的智能業務。

　　MSC Server繼承了3G中的VMSC及GMSC所有的業務控制層的業務處理能力及信令接口功能，并在業務流程中調用經過移動擴展的H.248協議來控制移動接入或中繼媒體網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協議以處理用戶與網絡之間的信令面消息交換；而在核心網側除了原有的MAP，CAP等協議外，還要支持R4特有的H.248和BICC協議。

　　2.2　MGW

　　MGW能夠將一種網絡中的媒體轉換成另一種網絡所要求的媒體格式。比如，MGW能夠在電路交換網的承載通道和分組網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送器)。它可以執行媒體轉換和組幀協議轉換。

　　MGW處于端局時，連接無線子系統和核心網，負責把無線子系統接入核心網，完成IuCS用戶平面功能；還負責電路域核心網和接入網之間語音和數據流的轉換和承載媒體的轉換。

　　MGW處于關口局時，能夠實現網間互通，比如R4網絡與PSTN/ISDN網的互通，完成網絡間的語音、數據流的轉換和承載媒體的轉換。

　　從MSC Server對MGW的資源控制來看，MGW可分為兩類：智能網關和啞網關。智能網關具有BCF(承載控制)功能，可以進行承載面的信息協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協議外，還需遵從為移動網擴展的ITU Q.1950以及3GPP 29.232協議要求。啞網關不具有BCF功能，而由MSC Server來實現該功能，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協議定義的基本能力集。從目前的協議來看，3GPP實際上在R4網絡中選擇了智能網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務控制與業務承載的無關性。

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，在移動網中，現有的協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、消息出現的場合、與Iu/Nc口消息配合的順序等。這雖然給廠家實現設備的基本功能帶來便利，但卻給互聯互通帶來很大的難度。真正實現Mc接口的開放，必須對各種實現方式進行深入研究，比較各種方式的優劣性，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、協議棧等，在保證系統性能最佳的前提下，對影響互通的問題確定可行方案。

　　(2)協議棧

　　Mc的應用層協議主要基于H.248及其擴展Q.1950。此外，3GPP 29.232對H.248進行擴展，以實現移動環境的特有應用。Mc接口可以基于ATM或IP承載，其相應的協議棧如下：

　　●純IP連接時，協議棧為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，協議棧為H.248/MTP3b/SSCF/SSCOP/AAL5/ATM。

　　●混合ATM，IP連接時，協議棧為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議——BICC協議，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務流程的實現，不涉及具體的承載類型；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的消息和參數，增加了APM消息和APP參數，實現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協議是在傳統的ISUP基礎上修訂演進而來的，兩種協議的結構非常相似。另外，BICC協議中不確定因素很少，消息結構統一，對于協議流程的爭議也很少。因此，未來的Nc接口互聯互通是可行的，也相對簡單些。

　　(2)協議棧

　　Nc接口可以基于ATM/IP/TDM承載，相應的協議棧是：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務，包括語音和數據業務。雖然Nb接口的協議比較復雜，但由于3GPP規范中已經有明確規定，所以在該接口上有關協議的爭議較少，易于統一。

　　(2)協議棧

　　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，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，協議棧為AAL-2 SAR SSCS(I.366.1)/AAL2(I.363.2)/ATM；控制平面基于AAL5，協議棧為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，協議棧結構如圖2所示。

圖2　IP承載方式下的Nb控制面協議棧

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作為承載的網絡，但考慮到中國的電信網絡運營的實際情況，以及未來實現向R5的平滑過渡的目的，要求面向中國市場的R4系統其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單、更可靠。

　　(3)TrFO/TFO功能

　　在R99網絡中，話音的AMR碼流從UTRAN，通過Iu口達到核心網時，核心網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網絡中，有兩種方式可以實現在局間直接傳送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控制協議，是在R4中定義的新功能，網絡可以在呼叫建立前就對編解碼的類型和模式進行協商，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過編解碼轉換。TrFO可以提高話音質量，并且在分組核心網中可以優化網絡帶寬，因為話音是AMR速率而不是64kbit/s在核心網中傳輸；由于移動網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議，是在2G網絡中已定義的方法。TFO在呼叫建立之后對使用的編解碼進行協商，發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AMR-＞G.711的編碼；TrFO因為是帶外協商編解碼，操作簡單，TFO是帶內協商方式，實際操作流程很復雜。通過比較可以看出，在R4中，TrFO比TFO更具優勢，更實用。

　　(4)1：N的網絡結構

　　所謂1：N的網絡結構，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絡結構中，MSC Server只負責信令處理，不涉及用戶面數據的處理。因此，可集中設置MSC Server，R4網絡的MSC Server和MGW的位置靈活，形成扁平化網絡結構，在組網方面可以降低建網和運維成本。MSC Server與MGW的組網方式靈活，可不局限于同一交換機房，支持分布式組網。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，新業務部署快。

　　(5)內嵌信令網關功能

　　信令網關是用于連接窄帶No.7信令網與分組網的設備，主要完成傳統窄帶No.7信令與基于分組網(ATM或IP)側信令的轉換功能。

　　信令網關可以單獨設置，也可以與MGW合設，合設時即稱MGW具有內嵌信令網關功能。在R4網絡中，MGW可以利用內嵌信令網關功能轉接RANAP和ISUP信令。

　　實際網絡結構中，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絡結構的混亂，有利于優化網絡結構。

　　MGW是否需要轉接ISUP信令則依賴于實際的網絡配置，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，用戶數據是透明傳送的，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據進行幀處理。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，對于語音業務，在Iu口采用支持模式，而視頻業務作為透明數據業務，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，只是對于視頻業務。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，目的是保證用戶數據在局間的可靠傳送。