携号转网背后的技术原理（史上最强科普）

携号转网终于要来了！ 随着11月11日工信部《携号转网服务管理规定》的发布，从12月1日开始，“携号转网”业务将在全国范围内正式推出。
随之而来的，是网上的各种热议。有讨论转网流程的，有分析各运营商应该怎么留住用户的，还有探讨携号转网对三大运营商的影响的。
作为一个在技术上浸淫日久的通信工程师，蜉蝣君在窃喜终于可以脱离移动的魔爪之后，自然而然考虑起了一个问题，那就是：携号转网背后的技术原理是什么？什么是携号转网？
下面是百度百科里的一段定义：
携号转网，也称作号码携带、移机不改号，也就是说一家电信运营商的用户，无需改变自己的手机号码，就能转而成为另一家电信运营商的用户，并享受其提供的各种服务。△ 什么是携号转网 这个解释虽然符合大众的对此事的直观理解，却不够精确，携号转网的内涵其实也不止于此。国际上对携号转网更多地称为“号码携带”，可包含三类： 1、运营商之间的号码携带，比如移动转联通； 2、服务类型之间的号码携带，比如固话转移动； 3、地理位置上的号码携带，比如从广州移动转到西安移动。 工信部其实在关于《携号转网服务管理规定》的解读中早已明确了携号转网的具体范围： “携号转网”服务是指在同一本地网范围内，蜂窝移动电话用户变更签约的基础电信业务经营者而用户号码保持不变的一项服务。△ 什么是携号的范围 也就是说，只支持本地网内的移动电话用户的携号转网。举例来说，从西安移动转到西安电信是可以的，但不支持西安移动转到广州联通。跨运营商可以，但跨地域不行。
既然是转网，那必定是个零和游戏，用户从这个运营商转出，必定会转入另一个运营商。最终，运营商和号段之间的关系就会趋于弱化。下图是常用的一些概念。

△ 携号转网中的一些基本概念

有了携号转网，手机号将完全和运营商解除绑定，促进了运营商之间的竞争，用户有了更多的自主权和议价权，对于国内目前的移动互联网生态的发展非常有利。 在这个移动互联网的时代，手机上各大APP注册，登录都需要用手机号。 蜉蝣君的手机上安装了近百个APP，大多数都需要注册，要注册就只能乖乖地把手机号奉上，没的选。
虽然蜉蝣君早已经对移动的服务累觉不爱了，但是要因此投奔电信或者联通的话，不但要给通信录里的所有联系人通知新的号码，还要把所有APP的注册号码修改了，不然收不到验证码就啥都别想干了，麻烦，真麻烦，太麻烦了。因此转网的想法也只能作罢。 随着“携号转网”的实行，这一切都烦恼都可抛到九霄云外。携号转网之后，电话号码可以保持不变，因此原号码之前绑定的所有业务都不受影响。 工信部把携号转网定位为“一项惠民服务举措”，确实此言不虚。携带的号码到底是什么？这个问题看似很简单，不就是手机号嘛。实际上，对于手机号的处理正是携号转网的关键，这11位数字的背后隐藏着诸多玄机。
手机号的学名叫“MSISDN”，其名称来源众说纷纭，英文一般解释为“Mobile Station International Subscriber Directory Number”，翻译过来就是“移动台全球用户识别码”。得了，就是个手机号，名称还搞得这么复杂。 这里说的手机号最多包含15位数字，由CC，NDC，SN这三部分组成，写成一个等式就是：MSISDN = CC + NDC + SN。
其中CC是Country Code的缩写，也就是国家码的意思，一般占1到3位数字，比如，中国的国家码就是86。
NDC是National Destination Code的缩写，也就是国家地址码的意思，一般占2到3位数字，用来区分运营商，这也就是我们熟悉的“号段”。 因此，携号转网之前，只要一看手机号前三位，就知道是哪家的号。比如，159开头的号是移动的，131开头的号必然是联通的，180开头的号码铁定是电信的。
SN的全称是Subscriber Number，就完全是某个运营商内部用来区分用户的。实际上，国内对这8位数字也进行了定义。一般前4位叫做地区识别码，表示该号码归属的服务地区，后四位是随机的，用来标记用户。因此，通过手机号码的中间4位，可以定位该号码的归属地。
△ 手机号的构成 综上，如果不进行携号转网的话，通过一个11位的手机号码，可以明确地知道其运营商和归属地，比如西安联通，上海电信，广州移动等等。
事实上，在无线网络内部，核心网正是基于这样的规则来进行号码分析的。举个例子，西安移动的用户拨打了一个号码，核心网经过分析，有这么几种情况：
1、被叫也是西安移动的，本地网内通话流程走起！
2、这是一个外地的移动号码，长途流程走起（虽然长途费取消了，但信令流程还是要走的）！
3、这是联通的号码，交给联通处理吧，网间通话流程走起！
如此一来，在手机号编码规则的指引下，核心网分析处理起来干净利落，井井有条，一切是如此地和谐美满。携号转网的实现有哪些考虑？携号转网一来，原有的和谐美满就都乱了套。手机号完全成为了一串号码，就相当于把手机号码资源从某个运营商的资产变成了大家共享的资源，号码的管理，分析和查询就理所当然地成了携号转网的重中之重。 由于以前定义清晰的号段已经失效，原有的识别运营商的功能也就不存在了，核心网仅仅凭号段是没有办法确定这到底是哪家运营商的号码，路由功能也就没法用了，那么网络该怎么找到被叫打通电话呢？ 如果建立这样一个数据库，专门用来存放和管理转网用户的信息，标识清楚拥有这个号码的用户是从哪个运营商转入哪个运营商的，打电话的时候一查数据库，一切就都全明白了，通话的路由也就可以据此打通。 这就引出了携号转网需要解决两个问题：1、号码携带数据库系统一般情况下， 号码携带数据库有三种管理方案：集中式管理，分布式管理，混合式管理。所谓集中式管理，就是大家一起，或者由政府主导，建立一个公用的数据库，专门用来存放携号转网用户的信息（主要就是号码和对应的运营商）。这个数据库可以只是被动地存储和接收查询，也可以集成存储，分发，验证等功能。
△ 号码携带数据库集中式管理 此架构一经建立，后续要打电话时，如果被叫是携号转网用户，理论上核心网只需在这个数据库一查，就知道了这个号码实际归属的运营商，然后根据结果路由处理就可以了。分布式管理，就是各个运营商自己维护自己的号码携带数据库，大家的数据库彼此相通，一起处理携号转网用户的查询工作。
△ 号码携带数据库分布式管理混合式管理是集中式管理和分布式管理之间的组合，既有集中式数据库，也有各个运营商自己的本地数据库。本地数据库会持续地从集中式数据库同步数据，确保两者存储的信息的一致的。
△ 号码携带数据库混合式管理 混合式管理解决了集中式数据库作为中心节点流量过高的问题，避免了单点故障的影响，同时还缩短了查询的路径，也就提升了效率，因此得到了较多的应用。
2、呼叫路由方案有了号码携带数据库系统，就可以支撑各个运营商对携号转网用户的呼叫路由了。国际上 携号转网的路由方式分为两类：直接路由和间接路由。△ 呼叫路由方案直接路由也被称为“发端查询”。也就是电话发起的主叫网络针对被叫号码进行携转数据库的查询，确定被叫所在的网络之后，直接将呼叫路由到被叫当前的网络，不需要经过该号码的携出网络。
如下图所示，直接路由采用的路由方案叫“所有呼叫查询”。 简而言之，就是所有呼叫都会查询集中式号码携带数据库，得到被叫当前的服务运营商之后，直接把电话转过去就可以了。△ 所有呼叫查询（All Call Query）间接路由也被称为“收端查询”。也就是电话发起的主叫网络不管三七二十一，还是按照原来的号段来判断被叫所在的网络，把呼叫路由到号段的归属网络。归属网络一查数据库，发现这个用户早都叛逃了，再通过其他流程把呼叫转到正确的网络上。 间接路由共有三种实现方式： 释放时查询 (Query on Release)，呼叫返回 (Call Drop Back)，以及接力路由 (Onward Routing)。
如下图所示，释放时查询就是主叫运营商1先不查数据库，直接把呼叫路由到号段的归属运营商2，运营商2发现号码早都转网了，直接把路由释放并告知主叫运营商1，这时运营商1才去查询集中式号码携带数据库，找到目标运营商3并把电话转接过去。△ 释放时查询（Query on Release） 下图展示了呼叫返回这种方式的处理流程。主叫运营商1先不查数据库，直接把呼叫路由到号段的归属运营商2，运营商2查询自己的号码携带数据库，发现被叫已经转网到了运营商3并告知运营商1，运营商1找到目标运营商3并把电话转接过去。
△ 呼叫返回（Call Drop Back） 下图展示了接力路由这种方式的处理流程。主叫运营商1先不查数据库，直接把呼叫路由到号段的归属运营商2，运营商2查询自己的号码携带数据库，发现被叫已经转网到了运营商3，然后直接把呼叫转接到运营商3。
△ 接力路由（Onward Routing） 从上面的间接路由的几个方案可以看出，所有的呼叫都需要经过被叫号段的原归属运营商（图中的运营商2），导致了话路的迂回。如果转网的用户较少，这样的处理方式还可以接受，如果网络中存在大量的转网用户，路径的迂回就导致了大量的运营商网间信令，服务质量不可控。
因此，大多数提供携号转网服务的国家都使用了使用集中式或者混合式数据库的直接路由方式。 但是这样的 方式也有自身的缺点。 由于直接路由这种方式需要改变现有网络结构，所有用户的业务流程都需要查询数据库，且工程实施难度较大，尤其是无论用户是否号码携带，其查询信令均经过号码携带数据库，增加了该网元的负担，使其容易成为未来业务开展的瓶颈和故障点。国内的携号转网是怎么实现的？
针对直接路由的缺点，国内对此方案进行了改进，采用了基于位置更新的号码携带方案，主要由两个新建的网元： NPHLR和NPMSC来实现转网用户的路由。 下面将详细介绍其网络架构和呼叫流程。
为了实现携号转网，工信部需要和各大运营商需要共同建设下面这两个网元：CSMS：Central Service Management System（集中业务管理系统）；CNPDB：Centralized Number Portalility Database （集中号码携带数据库）。 各大运营商需要在自身的网络增加下面的这几个网元：
LSMS：Local Service Management System（本地业务管理系统）；LNPDB：Local Number Portability Database（本地号码携带数据库）；SOA：Service Order Administration（号码携带业务服务请求管理）；NPHLR：Number Portability Home Location Register（号码携带归属位置寄存器）；NPMSC：Number Portability Mobile Switching Center（号码携带移动交换中心）。 这些新建网元的组网如下图所示：△ 携号转网新建网元及网络架构 CSMS是全国号码携带业务的管理中心，负责整个携号转网流程的审核和管理，并作为集中号码携带数据库CNPDB对外的接口。 SOA作为运营商内部号码携带业务的受理中心，完成携入业务的受理，发起携入申请请求、生效请求、业务取消申请、携出欠费停机/复机申请等等功能。 LSMS是运营商内部的号码携带业务的管理中心，作为本地号码携带数据库LNPDB对外的接口，负责数据的上下同步。当有上层的集中数据库数据生效时，接收CSMS的通知，把数据同步到LNPDB，并下传到本网内的网元设备NPHLR。 NPHLR作为转网用户的专用HLR（归属位置寄存器，用于存储用户信息），通过LSMS/LNPDB系统获得并存储携号转网用户信息。 可处理用户携入，第三方携转，以及外网用户未携转的相关功能。 对于外网携入用户， 将NPHLR作为专门存储携入用户的HLR设备，和现网的HLR在网络中处于 同等地位。 对这些用户的呼叫流程和非转网用户一致，降低了对现有网络架构的影响。 本网用户呼叫外网移动用户时，查询NPHLR，也可获得被叫归属的运营商信息。 NPMSC具备VLR和短消息中心功能，用于存储本网携出用户信息，负责完成对携出用户的语音呼叫和短信寻址及转发功 能。 对于本网携出用户，借鉴现网位置更新流程，由NPMSC根据用户携转信息模拟MSC/VLR对其原归属HLR进行位置更新，以保证该用 户在做被叫时，相关网元能够在不改变现有信令流程的情况下，实现对携出用户的正确路由。 因此，新引入的NPMSC和NPHLR这两个网元不会改变现有的网络架构，对现网改动小，不增加现有用户的处理消耗。对于没有申请号码携带业务的用户，能够沿用之前的处理流程。转网后的呼叫流程是怎么样的？

呼叫流程纷繁复杂，场景非常多，看起来也非常的繁琐，不过好在耗时不长，对用户的感知影响不大。举两个例子来说明下各个网元在呼叫信令中的作用。1、被叫为呼叫发起网络的网内用户或者携出用户以中国联通为例，假设被叫是联通的号段，按携号转网之前的流程，直接按网内呼叫流程处理就行了。但是现在就必须判断这个号码是否转网之后才能进行后续的流程。 经过查询，如果该用户已经转到了中国移动，则将呼叫路由到中国移动的关口局；类似的，如果查询到该用户转到了中国电信，就将呼叫路由到中国电信的关口局去处理。△ 联通用户呼叫联通本网用户或者携出用户 详细的处理流程如下图所示。△ 联通用户 呼 叫 联通本网 用户或者携出用户细节图 如果主叫打的是被叫a，且被叫a的号段和运营商A的号段一致，显然这是一个没有携号转网的普通网内用户。 流程上只需要在HLR上查到路由信息，就可以去接通了，需要经过上图的1，4，5a这三个步骤。 如果 主叫打的是被叫b，且主叫b的号段和运营商A的号段一致，显然这是一个从运营商A携出到运营商B的外网用户，此时的流程就比较复杂了。 步骤1：先向HLR查询，HLR发现此用户已转网； 步骤2b：HLR向NPMSC查询该用户的目标网络和路由信息；
步骤3b，4：NPMSC向HLR返回该用户到运营商B网络的路由信息，并由 HLR告知 M SC 该 用 户 的 路由信息； 步骤5b，6b：MSC把该用户路由到运营商B的关口局； 步骤7b：运营商B发现此用户和自己的号段不一致，向自己的NPHLR查询是否是转网用户； 步骤8b：NPHLR确认是转网用户，并反馈查询到的网内路由信息； 步骤9b：呼叫路由到被叫b，发送寻呼，等待接通！2、被叫为呼叫发起网络的网外用户或者携入用户下面再来看看不同号段用户的呼叫流程。依旧以中国联通为例，假设被叫不是联通的号段，需要在NPHLR上进行查询，如果是携入用户，直接按网内呼叫流程处理就行了。如果是外网用户，则按之前的流程把呼叫路由到正确的关口局。△ 联通用户 呼 叫 联通外网用户或者 携入用户 详细的处理流程如下图所示，其中被叫a为携入用户，被叫b为外网用户，总体上都是一个查询，判断，路由的过程，大体流程和前面描述的差别不大。△ 联通用户 呼叫联通外网用户或者携入用户细节图 另外需要注意的是，上述的细节信令流程都是基于电路域的，其核心网网元只适用于2G和3G。 到了4G，VoLTE的呼叫处理在IMS域，具体流程上有所不同，但总体思路都是类似 的。 好了，携号转网原理的介绍就到这里，希望对大家有所帮助。

本文作者：蜉蝣采采

来源：无线深海（微信ID：wuxian_shenhai）