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軟交換及其在移動通信網上的應用
2007/06/14
一、軟交換概念及其發(fā)展歷程
軟交換是電路交換網向分組網演進的核心設備,是下一代網絡(NGN)的重要組成部分。它獨立于底層承載協(xié)議,主要完成呼叫控制、媒體網關接入控制、資源分配、協(xié)議處理、路由選擇、認證和計費等功能,可以向用戶提供現(xiàn)有電路交換所能提供的所有業(yè)務以及多樣化的第三方業(yè)務。
軟交換的概念是隨著IP網和ATM網的發(fā)展而產生的,是下一代網絡發(fā)展中采用的理念。根據軟交換在網絡中所處的位置和服務的終端將其分為兩類,即固定軟交換和移動軟交換。固定軟交換是指軟交換設備作為現(xiàn)有固定電話網的下一代核心交換設備服務于固定電話用戶;移動軟交換是指軟交換設備作為移動端局MSC服務于移動用戶,可直接對HLR等進行訪問,因此,移動軟交換不僅具備固定軟交換的功能,同時還具有移動性管理等功能。當軟交換僅作為移動匯接局使用時,其功能同固定軟交換。
盡管“軟交換”是目前NGN/3G討論的熱點,但是人們對它的概念仍然有些似是而非。綜合業(yè)界的看法,從廣義上講,軟交換概念是指以軟交換設備為控制核心的下一代網絡(NGN);從狹義上講,軟交換特指位于NGN控制平面的軟交換設備。軟交換設備(soft switch),曾被稱為呼叫服務器(call server)、呼叫代理(call agent)或媒體網關控制器(Media Gateway Control),是在VoIP體系中把呼叫控制功能從媒體網關中分離出來,通過服務器上的軟件實現(xiàn)基本呼叫控制功能。1999年后,軟交換設備這一名詞被業(yè)界普遍認可,成為最后的通用概念。
順應固定和移動融合以及整個電信網全IP化演進的趨勢,第三代移動通信(3G)網絡的發(fā)展在很多方面應用了NGN技術。2000年前后,3GPP制訂WCDMA R4階段規(guī)范時,首次把NGN提出的軟交換概念引入移動核心網。從網絡結構、接口協(xié)議、業(yè)務以及業(yè)務開發(fā)等方面看,3G與NGN的發(fā)展是協(xié)調一致的。在網絡結構方面,NGN和3G都提出了承載和控制分離的網絡體系結構;在接口協(xié)議方面,3G與NGN所采用的協(xié)議很多都是一致的,包括BICC、SIP/SIP-T、H.248/MEGAO和SIGTRAN;在業(yè)務方面,3G和NGN不僅提供的業(yè)務種類相似,例如都提供話音和多媒體業(yè)務,而且業(yè)務的實現(xiàn)方式也類似,3G和NGN都支持開放的業(yè)務接口,因此,二者在業(yè)務層面和架夠上均是統(tǒng)一的,相似的業(yè)務可以同時構建在NGN和3G之上。從廣義上講,NGN包括了固定和無線領域,WCDMA R4和R5及其后續(xù)階段都屬于NGN構架。
二、軟交換體系結構
采用軟交換技術的網絡分為4層:邊緣接入層、控制層、業(yè)務應用層和核心傳送層。
1.邊緣接入層
邊緣接入層的功能是將用戶/業(yè)務連接到軟交換網絡。邊緣接入層的物理實體是一系列媒體網關設備(MG:Media Gateway),完成數據格式和協(xié)議的轉換,將接入的所有媒體信息流轉換為采用IP協(xié)議的數據包,在軟交換網絡中傳送。主要有以下幾種網關設備:
信令網關(SG):用于與電路型交換網中的七號信令網相連,將窄帶七號信令轉換為適于在IP網中傳送的信令。
中繼媒體網關(TMG):用于與電路交換網相連,負責將電路交換網中的業(yè)務流轉換為軟交換網中傳送的IP媒體流。
綜合接入媒體網關(AG或AMG):用于直接與電話用戶和PC終端連接。電話用戶可直接通過用戶線連接至AMG,也可通過IAD設備與PC終端一起經IP網連接至AMG。
無線接入媒體網關(WAG):用于將無線接入用戶連接至軟交換網中。
多媒體網關(MGW):用于將各種多媒體數據源連接至軟交換網中。
網絡接入服務器(NAS):用于為電話網用戶和軟交換網直連用戶提供撥號上網業(yè)務。
2.控制層
控制層完成各種呼叫控制功能,并負責相應的業(yè)務處理信息的傳送。控制層中的物理實體是軟交換機(SS),其主要功能如下:
對接入層各種媒體網關的連接、信息壓縮編碼方式、回聲抑制功能和業(yè)務流量進行控制;
對基本話音業(yè)務的呼叫處理和連接控制;
對數據業(yè)務的處理和連接控制;
提供更高層應用接口;
計費功能。
3.業(yè)務應用層
軟交換網提供的多種增值業(yè)務是由業(yè)務層的各種應用服務器平臺完成的。業(yè)務應用層的物理實體是各種應用服務器(AS:Application Sever)和智能網的SCP。語音增值業(yè)務,既可由智能網SCP平臺完成,也可以由AS完成。數據增值業(yè)務和話音與數據融合的增值業(yè)務由AS完成。AS還提供標準接口,供第三方應用業(yè)務開發(fā)商在AS上開發(fā)各種有特色的增值業(yè)務。
4.核心傳送層
傳送層的任務是將軟交換網各網元,如接入層的各種媒體網關、控制層的軟交換機、業(yè)務層的各種服務器平臺等連接起來。軟交換網的各網元間,采用IP數據包傳送各種控制信息和業(yè)務數據信息,因此傳送層實際上就是一個IP承載網絡。
三、軟交換體系的網元接口協(xié)議及語音編碼方式
1.SS間的接口協(xié)議
目前,SS間采用的標準接口協(xié)議底層為SCTP/IP,高層主要有BICC和SIP-T 2種。BICC協(xié)議是ITU-T制定的,主要對七號信令中的ISUP協(xié)議進行封裝。SIP-T是IETF制定的,主要對SIP協(xié)議進行擴展。BICC協(xié)議對窄帶話音業(yè)務的支持能力較SIP-T強,與ISUP協(xié)議的互通性比SIP-T完善和成熟。
2.SG與SS間的接口協(xié)議
SG與SS間通常采用SIGTRAN/IP接口協(xié)議。SIGTRAN的底層為傳輸層SCTP協(xié)議,為七號信令在TCP/IP網上傳送提供可靠的連接;高層為適配層協(xié)議,目前有M2PA、M2UA和M3UA 3種。M2PA具備較為強大的IP信令網組網能力,適用于利用IP網組建與傳統(tǒng)七號信令網功能基本相同的信令網,但對于網絡結構相對簡單的軟交換匯接網來說,要求SS和SG均能夠處理MTP3層以下的協(xié)議,要求較高,所以優(yōu)勢較小。M2UA協(xié)議對SG的處理能力要求較低,但對SS的處理能力要求相對較高,適用于SS通過SG直接與TDM交換機設置信令鏈路的組網模式,無法做到網絡級備份。M3UA協(xié)議在網絡組織上具有較大的靈活性,SG既可以工作在信令轉接點模式,也可以工作在信令代理模式;工作在信令轉接點方式時,M3UA具備M2PA協(xié)議的優(yōu)點。
3.TMG與SS間的接口協(xié)議
TMG與SS間的協(xié)議主要有MEGACO/H.248和MGCP 2種。MEGACO/H.248由IETF和ITU聯(lián)合開發(fā),結構簡單、功能強大、擴展性好,允許在呼叫控制層下建立多個分區(qū)網關。MGCP協(xié)議是MEGACO/H.248之前的版本,其靈活性和擴展性較MEGACO/H.248差,同時在廠家支持方面也不如MEGACO/H.248協(xié)議。
4.TMG的語音編碼方式
TMG在IP網上的語音編碼方式目前主要有G.711、G.729、G.723.1 3種,G.711的編碼比特率為64kbit/s,G.729的編碼比特率為8kbit/s,G.723.1的編碼比特率為5.3或6.3kitb/s。在不考慮IP網傳輸丟包、時延的前提下,3種編碼方式的話音質量相差不大,但如果在IP網傳輸過程中發(fā)生丟包,則G.711編碼方式的話音質量明顯優(yōu)于G.729和G.723.1編碼方式,而G.729與G.723.1的話音質量相差不大。從傳輸帶寬資源的占用方面看,G.729編碼方式對傳輸帶寬的占用僅為G.711編碼方式的1/8,而G.723.1比G.729節(jié)省的傳輸帶寬有限。因此,對于64kbit/s承載類業(yè)務,SS控制TMG采用G.711編碼方式;對于普通話音業(yè)務,SS能夠根據IP承載網絡的資源情況,動態(tài)控制TMG采用G.711或G.729編碼。在IP網資源較為充裕的情況下,優(yōu)先選用G.711編碼方式;當IP網資源較為緊張時,選用G.729編碼方式。
四、軟交換技術的主要特點
軟交換技術是下一代網絡廣泛采用的技術,具有明顯優(yōu)于現(xiàn)有電路型網絡的特點:
1.可有效降低投資和維護成本
由于軟交換設備處理跑力強、容量大,可以將原來需要采用多個MSC進行管理的區(qū)域集中在一個MSC Server上進行管理,因此可降低維護成本(0PEX)。軟交換平臺廣泛采用分組交換和IP傳輸技術,可以大大節(jié)省傳輸資源,提高產品集成度,減少系統(tǒng)耗電量,降低投資成本(CAPEX)。對于移動軟交換設備,由于一個MSC server控制的多個MGW可以分布在靠近每個地區(qū)接入網和PSTN的地方,所以可顯著節(jié)省傳輸資源,降低回程費用。
2.組網高效靈活
基于TDM的傳統(tǒng)話音技術,雖然可以提供優(yōu)良的語音業(yè)務,但是每個交換節(jié)點都需完成業(yè)務交換和信令控制,新業(yè)務的提供周期較長。軟交換體系結構的最大優(yōu)勢在于將應用層和控制層與承載層完全分開,業(yè)務提供與具體的承載無關,有利于以最快、最有效的方式引入各類新業(yè)務,大大縮短了新業(yè)務的開發(fā)周期。利用軟交換體系結構,用戶可以非常靈活地享用網絡提供的業(yè)務和應用,運營商可以更快地獲得收入。由于軟交換設備與MGW分離,所以組網非常靈活,在業(yè)務量大的地方可以設置大容量MGW,業(yè)務量稀少的地方設置小容量MGW,然后連接到同一個MSC Server上。
3.具有很好的開放性
由于軟交換體系架構中的所有網絡部件間均采用標準協(xié)議,因此各部件既能夠獨立發(fā)展和演進,又能夠有機組合成一個整體,實現(xiàn)互連互通。運營商可根據自己的需要選擇市場上的優(yōu)勢產品,實現(xiàn)最佳配置。軟交換設備還支持通過開放協(xié)議或API與開放的業(yè)務平臺進行交互,使其能夠間接地利用底層網絡資源,實現(xiàn)業(yè)務與呼叫控制的分離。
4.有利于固定和移動核心網的融合
固定軟交換與3G R4的核心網結構和業(yè)務模型十分吻合,為未來網絡的完全融合提供了可能。
五、軟交換技術在移動網上的應用
2003年12月,全球第一個基于軟交換架構的商用3G網絡??阿聯(lián)酋ETISALAT的UMTS網絡放號運營;同月,中國香港SUNDAY也采用軟交換架構建設了覆蓋全港的3G網絡。2004年3月,泰國AIS2G移動軟交換網割接使用;同年4月,中國移動選擇移動軟交換技術建設覆蓋全國的移動長途匯接網;2004年7月,毛里求斯EMTEL也采用R4軟交換技術建設3G網絡。“軟交換”不再只是固定網絡運營者討論的熱點,移動運營商們正在將軟交換系統(tǒng)真實地推到移動用戶面前。
1.軟交換技術的選擇
從目前軟交換技術發(fā)展及其在移動網上的使用情況看,R4軟交換技術應該是當前移動核心網建設的最佳選擇。WCDMA目前分為3GPP R99、R4、R5/R6幾個階段和版本網絡。R99在GSM/GPRS網絡的基礎上,對接入網部分進行了革命性地變革,由TDMA制式發(fā)展為CDMA制式,大大提高了網絡頻譜利用率和數據業(yè)務的帶寬,同時引入了能夠支持小區(qū)呼吸的AMR語音編解碼技術。
R4在R99的基礎上對于電路域進行了徹底改造,引入了NGN提出的軟交換技術,將控制與承載面分離;信令鏈路與話路引入分組技術。
分離架構的引入,使得網絡結構清晰合理,路由方式簡單靈活,業(yè)務提供與升級更加方便快捷,有效地低了網絡的建設成本和運維成本。分組技術的引入,使網絡可以采用不同的編解碼方式和靜音檢測技術,節(jié)省了傳輸資源;可以采用TRFP技術,減少了語音編解碼次數,提高了語音質量。軟交換架構的采用,適應將來網絡架構的發(fā)展需求,可以很容易地與其它網絡進行有機融合,為將來基于分組網的語音、寬帶多媒體和新的增值業(yè)務提供堅實的網絡基礎。
R5/R6在原有R4分組域的基礎上疊加了一個IP多媒體域,提供統(tǒng)一的基于分組的核心網,為將來各種業(yè)務的融合提供平臺。R5/R6更多側重于多媒體業(yè)務的應用,與R4是相輔相成的關系。R4分組語音技術的充分應用,為R5/R6的應用提供了堅實的基礎,而且R4的承載網在R5/R6中仍然可用。R4網元可以通過軟件升級來支持R5/R6的相關協(xié)議,如R4軟交換設備,即MSC Server網元,可以很容易地通過軟件升級為R5/R6的MGCF網元。
當前,語音業(yè)務仍然是各運營商的主要收入來源,因此對于新建的3G網絡來說,在R5/R6本身技術尚未完全成熟的情況下,網絡架構既優(yōu)于R99,又比R5/R6成熟可靠的R4軟交換技術是最佳選擇。它既可保證新建網絡運營穩(wěn)定、業(yè)務提供方便快捷,又為網絡今后的演進發(fā)展做好了準備,進退攻守,應付自如。同時,R4也是傳統(tǒng)GSM運營商對現(xiàn)有GSM核心網擴容升級的首選技術。
2.軟交換技術在中國移動長途匯接網上的應用
2004年4月,中國移動根據全國現(xiàn)有一級話務匯接網容量及軟件版本對業(yè)務支持的情況,提出對現(xiàn)有網絡進行擴容,在國內首家引入軟交換技術建設獨立于現(xiàn)有網絡的話務匯接網,初期用于疏通省際長途IP話音業(yè)務,組網方式見圖2。將全國按照地域、業(yè)務量情況劃分為8大業(yè)務區(qū),每個區(qū)所在地分別建設1對SS,負責本省及所轄省長途業(yè)務交換,完成集中呼叫控制和連接管理功能,以及相應的業(yè)務處理信息的傳送。其它省分別建設1套獨立的TMG,完成軟交換網IP業(yè)務流與中國移動GSM網網元的中繼連接,實現(xiàn)TDMA電路型話音業(yè)務與VoIP業(yè)務流之間的編解碼、打/拆包、時延抖動濾除等功能;同時各省分別建設1套SG(初期可以與TMG合設1套物理設備),完成與七號信令網的連接,實現(xiàn)基于MTP/TDMA和基于SCTP/IP的信令協(xié)議的轉換功能。各SS之間、TMG/SG與其歸屬的SS之間通過IP承載網的廣域網方式相連,各TMG/SG之間通過IP承載網以網狀網方式相連,各省TMG/SG與本省各MSC、GMSC、HSTP之間通過長途傳送網相連。本省軟交換節(jié)點設備(TGW、SG、本地操作終端)通過本地局域網組網,然后連接IP承載網接入路由器接入軟交換網絡。本省網元信息通過IP承載網與集團公司軟交換網管中心進行連接。軟交換匯接網與原來用于傳送話音業(yè)務的電路型TMCS1匯接網之間不發(fā)生業(yè)務互連。隨著技術和業(yè)務的進一步發(fā)展,最終將全部長途業(yè)務導入軟交換網絡。
SS間接口協(xié)議采用BICC(CS2)/SCTP/IP,SG與移動通信網GSM間接口協(xié)議采用標準的MISUP/MTP七號信令協(xié)議,SG與SS間采用M3UA協(xié)議的信令轉接模式,TMG與SS間采用MEGACO/H.248接口協(xié)議,不同的TMG間采用RTP/RTCP協(xié)議。
由于中國移動GSM網的TDM交換機目前均采用G.711語音編碼方式,因此新建TMG在TDM側采用G.711 over TDM話音傳送方式,在IP網側采用G.711和G.729 over RTP/RTCP/IP話音傳送方式,完成話音信息基于TDM承載與基于IP承載的轉換。考慮到TMG在IP側啟動話音活動檢測,對話音信號進行靜音壓縮,產生舒適噪聲能夠更為有效地控制IP承載網的業(yè)務負荷,在TMG中增加了靜音壓縮/舒適噪聲功能。
內蒙古移動作為中國移動全國31個省級話務匯接網中的一個節(jié)點,在本次軟交換匯接網建設中不單設SS,與北京大區(qū)共用SS設備;TMG和SG各新建1套,同時設立軟交換匯接網網管系統(tǒng)本地操作維護終端,負責本地設備的維護管理。新建軟交換匯接網目前僅負責內蒙古移動省際長途IP電話業(yè)務的傳送,普通省際長途話音業(yè)務仍由原來的一級話務匯接網傳送。
從全球電信技術發(fā)展進程看,無論是傳統(tǒng)固定電話網、移動電話網,還是即將建設的NGN、3G網絡,均已開始大量應用軟交換技術。相信今后通信技術的發(fā)展,用戶需求的增加以及運營商網絡的不斷演進,對軟交換體系的組網、功能、協(xié)議、網管和計費等方面還將提出更多更高的需求。軟交換體系標準與軟交換體系的商用,將互相促進、共同發(fā)展。未來的電信網絡將主要朝著軟交換全IP網絡的方向發(fā)展。
中國聯(lián)通網站
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