LTE时代如何打造高效可靠的信令网

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【摘要】单纯的MSTP/PTN二层管道传送网已经适应不了2G/3G/lte业务综合承载的需求，IP化、密集覆盖、宽带化成为未来移动业务承载网络发展的三大特点。随着LTE 时代到来，承载方式和信令技术已经完全IP化，网络拓扑向整个互联网状网发展，再加之基于EPC、IMS、PCC的LTE核心网对网元之间的通信越来越复杂和频繁，这给LTE的信令网组网带来极大挑战。本文通过实例说明在LTE时代如何才能打造高效可靠地信令网。

【关键词】LTE;组网;信令网

LTE是近年来3GPP启动的最大的新型技术研发项目，它改进并且增强了3G的空中接入部分，采用多输入多输出（MIMO） 以及正交频分复用技术（OFDM）作为其无线网络演进的唯一标准。在20 MHz频谱带宽下能够提供上行50 Mbit/s和下行100 Mbit/s的峰值速率。和3G相比，LTE的技术优势主要体现为分组传送、高数据速率、广域覆盖、延迟降低以及向下兼容。

在通信网中，除了传递业务信息外，还有相当一部分信息在网上流动，这部分信息不是传递给用户的声音、图像或文字等与具体业务有关的信号，而是在通信设备之间传递的控制信号，如占用、释放、设备忙闲状态、被叫用户号码等，这些都属于控制信号。信令就是通信设备（包括用户终端，交换设备等）之间传递的除用户信息以外的控制信号。信令网就是传输这些控制信号的网络。

一、基于Diameter 的信令网

系统架构演进（SAE）是以全IP承载为基础、以分组交换为核心且具有可移植性的3GPP系统框架结构。SAE系统有高数据速率、数据分组化、支持多种无线接入、低延迟等特点，基本适应未来移动核心网发展，是实现下一代核心网（EPC）演进的包交换核心网。在SAE 架构下，基于IP协议Diameter信令的引入，可改变No.7信令网的业务模式。SAE系统的革命性变化是引入了部分新网元，如Serving Gateway、PDN Gateway、MME、归属用户服务器（HSS）、策略和计费规则功能（PCRF）等。

二、Diameter协议信令

Diameter协议最初是为替代或改进Radius协议引入的，目的就是使基于IP技术的AAA协议的实现。AAA协议是网络运营商对用户使用网络时所必须进行的授权、认证和计费，其中：授权指的是网络授权用户通过特定方式使用其资源，认证指的是用户在使用网络资源时要对用户身份进行的确认，计费指的是网络记录、收集用户对资源的使用，以便向用户收取资源使用费或者是用于审计等。

授权、认证和计费不止实现了网络对用户的网络资源使用的准确记录，还在保障网络运行安全前提下，有效保障了用户合法的权益。

Diameter在LTE核心网的架构中广泛应用于核心网元之间的通信，是LTE网络中应用最广泛的IP 信令基础协议。Diameter作为新一代AAA 协议体系，主要用于授权、认证和计费，它可以通过不同的应用扩展适用在多种应用环境。随着LTE网络中大量的网元间使用Diameter 信令互通，DRA（Diameter Routing Agent，路由）成为构建LTE 信令网络的关键网元，其组网方案网络拓扑如图1所示。

DRA与传统2G、3G网络的信令转接点（STP）相似，其是LTE信令网中信令路由的中枢，负责LTE网络中Diameter信令的路由和转接，包括HSS、MME之间的S6a接口，EPC与PCRF的Gx接口，未来在VoLTE部署时，DRA还可以承载Sh、Cx等接口之间的信令转接功能。DRA的工作原理就是自动根据用户移动用户号码（MSISDN）、国际移动用户识别码（IMSI）或者网络域（Realm）等信息，进行域间DRA的寻址或者域内LTE 网元（例如PCRF、HSS）寻址。

图1 DRA组网方案网络拓扑图

从理论上讲，由于IP地址的可达性，基于IP承载的IP信令网可用平面组网方式，即网状网的组网方式。这种组网方式适用于网络规模较小时或者建网初期，但是随着网络规模不断扩大，全互联网络会带来安全、维护、业务以及扩展性等问题。因此，屏蔽全网局部变化所带来的全局操作隐患，合理降低网络规模，就需要引入与现网STP功能类似的网元，而引入DRA就能解决上述问题。DRA（Diameter协议路由）与2G/3G网络中的STP功能相类似，由其根据用户的网络域、IMSI等信息进行域间DRA寻址或者域内HSS寻址。部署DRA除了可以有效提升网络的可扩展性、降低网络维护的难度、降低组网的复杂性外，还可以有效屏蔽网络的内部信息、实现网络互联互通的安全性、降低网络的规模。

三、大规模LTE信令网的搭建与打造

在省内层面，成对部署DRA，节点间可以采用“1+1”冗余保护或负荷分担进行组网。省内以及省际Diameter信令的中继由这些DRA负责。省内层面DRA 和所属省以及大区层面的DRA 相连。

在省际和大区层面，成对DRA 节点之间可以采用两种组网方式：分A/B平面组网、网状网组网。省际以及大区之间Diameter信令中继和路由则由这些DRA 负责。

伴随下一代核心网建设不断推进，应该根据业务量大小分裂大区内DRA信令网，逐步形成以省作为区域划分的DRA网络结构。省级的DRA网状组网方式可以满足信令转接的需求。此外，可以考虑在全网部署一对国际侧DRA节点（I-DRA），负责/中继国际漫游的Diameter的信令。国际侧DRA在网内和省际DRA或者区域DRA进行互联，在网间利用中转网络连接其他的运营商的I-DRA。

引入DRA要遵循LTE建设进程以及信令IP化步骤。

第一阶段：在多个LTE业务区间内引入DRA。主要满足网络中国际LTE网络间的漫游切换、省LTE网络与其他省LTE网络间漫游切换、省内多个本地网LTE间的漫游切换，并且涉及到S6a接口信令的处理。

第二阶段：在OCS/PCC引入DRA。主要是多套负荷与GGSN分担的PCRF与SAE GW间的Gx接口、OCS与GGSN/P-GW间的Gy接口、PCRF 间的Gx 接口，通过DRA实现信令互通。

第三阶段：通过建设DRA，与IP STP逐步实现融合组网。AF与PCRF之间的Rx接口最终也需通过DRA组网。

四、实例说明

上海贝尔在中国移动TD-LTE网络建设初期，就与其携手合作，创新性地设计了5020SGDRA。上海贝尔5020SG DRA基于最新的ATCA通用硬件平台，与MME、IMS、HSS等网元共用同一个硬件平台，并且支持网络向新的硬件平台演进。该支持平台上万条Diameter链路和百万级Diameter信令消息处理的巨大能力，能强有力地支持超高信令流量以及超大型LTE信令网组网。

采用上海贝尔5020SG DRA组建LTE信令网，可以显著优化运营商的LTE网络。它可以简化信令网的结构，消除多个LTE网元Diameter信令全部互联这种方式下所导致的网络复杂性，提升了网络运行的效率。它还信令网的可靠性、安全性、互通性和拓展性，它拥有多重备份机制和同步功能还拥有拥塞和过负荷的处理机制，作为边界网关隐藏归属网络的拓扑结构。它还增强信令路由的灵活性，多种方式的路由满足了LTE网络的多样化需求。此外，它还支持漫游业务、支持未来融合的信令网，而且在维护和管理方面比较容易。

图2 7省DRA网络拓扑图

为了保证中国移动TD-LTE网络可以顺利实现商用，上海贝尔于2014年3月一次性成功地完成了中国移动七省DRA第一阶段的同时割接。这次超高难度的割接有七个省新建的LTE Diameter信令网参与，是中国移动TD-LTE网络建设中的关键一步，其网络拓扑如图2所示。这次DRA的顺利割接，极大促进了中国移动TD-LTE网络的商用进程，并为后续VoLTE的顺利商用奠定了基础。

五、结束语

信令网如今是移动网络重要的组成部分。随着核心网向EPC演进，信令网也将逐步向基于IP承载的信令网演进。基于Diameter协议并由DRA构建的新一代IP信令网，除了提高信令容量、简化信令网结构、降低信令传输的成本之外，还有利于演进向融合的全IP网络，从而使移动互联网长期发展的需要得到满足。

全力打造一张高效可靠的LTE信令网，这将有利于运营商推出经济高效的LTE服务，提升LTE网络运行的效率和速度，从而给客户带来更好的业务体验。

参考文献

[1]尚楠.基于Diameter的下一代信令网研究[J].电信交换，2013（5）.

[2]彭涛.如何在LTE时代打造可靠高效的信令网[J].人民邮电，2013（12）.