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软交换及其在移动通信网上的应用
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摘要

介绍软交换概念,软交换体系结构、网元接口协议、语音编码方式以及软交换技术特点,对移动网建设中软交换技术的选用进行讨论,最后简单阐述软交换在中国移动省际长途汇接网中的应用。

关键词 软交换 移动通信网 R4 长途汇接网

一、软交换概念及其发展历程

软交换是电路交换网向分组网演进的核心设备,是下一代网络(NGN)的重要组成部分。它独立于底层承载协议,主要完成呼叫控制、媒体网关接入控制、资源分配、协议处理、路由选择、认证和计费等功能,可以向用户提供现有电路交换所能提供的所有业务以及多样化的第三方业务。

软交换的概念是随着IP网和ATM网的发展而产生的,是下一代网络发展中采用的理念。根据软交换在网络中所处的位置和服务的终端将其分为两类,即固定软交换和移动软交换。固定软交换是指软交换设备作为现有固定电话网的下一代核心交换设备服务于固定电话用户;移动软交换是指软交换设备作为移动端局MSC服务于移动用户,可直接对HLR等进行访问,因此,移动软交换不仅具备固定软交换的功能,同时还具有移动性管理等功能。当软交换仅作为移动汇接局使用时,其功能同固定软交换。

尽管“软交换”是目前NGN/3G讨论的热点,但是人们对它的概念仍然有些似是而非。综合业界的看法,从广义上讲,软交换概念是指以软交换设备为控制核心的下一代网络(NGN);从狭义上讲,软交换特指位于NGN控制平面的软交换设备。软交换设备(softswitch),曾被称为呼叫服务器(call server)、呼叫代理(call agent)或媒体网关控制器(MediaGatewayControl),是在VoIP体系中把呼叫控制功能从媒体网关中分离出来,通过服务器上的软件实现基本呼叫控制功能。1999年后,软交换设备这一名词被业界普遍认可,成为最后的通用概念。

顺应固定和移动融合以及整个电信网全IP化演进的趋势,第三代移动通信(3G)网络的发展在很多方面应用了NGN技术。2000年前后,3GPP制订WCDMAR4阶段规范时,首次把NGN提出的软交换概念引入移动核心网。从网络结构、接口协议、业务以及业务开发等方面看,3G与NGN的发展是协调一致的。在网络结构方面,NGN和3G都提出了承载和控制分离的网络体系结构;在接口协议方面,3G与NGN所采用的协议很多都是一致的,包括BICC、SIP/SIP-T、H.248/MEGAO和SIGTRAN;在业务方面,3G和NGN不仅提供的业务种类相似,例如都提供话音和多媒体业务,而且业务的实现方式也类似,3G和NGN都支持开放的业务接口,因此,二者在业务层面和架够上均是统一的,相似的业务可以同时构建在NGN和3G之上。从广义上讲,NGN包括了固定和无线领域,WCDMAR4和R5及其后续阶段都属于NGN构架。

二、软交换体系结构

采用软交换技术的网络分为4层:边缘接入层、控制层、业务应用层和核心传送层。

1.边缘接入层

边缘接入层的功能是将用户/业务连接到软交换网络。边缘接入层的物理实体是一系列媒体网关设备(MG:MediaGateway),完成数据格式和协议的转换,将接入的所有媒体信息流转换为采用IP协议的数据包,在软交换网络中传送。主要有以下几种网关设备:

(1)信令网关(SG):用于与电路型交换网中的七号信令网相连,将窄带七号信令转换为适于在IP网中传送的信令。

(2)中继媒体网关(TMG):用于与电路交换网相连,负责将电路交换网中的业务流转换为软交换网中传送的IP媒体流。

(3)综合接入媒体网关(AG或AMG):用于直接与电话用户和PC终端连接。电话用户可直接通过用户线连接至AMG,也可通过IAD设备与PC终端一起经IP网连接至AMG。

(4)无线接入媒体网关(WAG):用于将无线接入用户连接至软交换网中。

(5)多媒体网关(MGW):用于将各种多媒体数据源连接至软交换网中。

(6)网络接入服务器(NAS):用于为电话网用户和软交换网直连用户提供拨号上网业务。

2.控制层

控制层完成各种呼叫控制功能,并负责相应的业务处理信息的传送。控制层中的物理实体是软交换机(SS),其主要功能如下:

(1)对接入层各种媒体网关的连接、信息压缩编码方式、回声抑制功能和业务流量进行控制;

(2)对基本话音业务的呼叫处理和连接控制;

(3)对数据业务的处理和连接控制;

(4)提供更高层应用接口;

(5)计费功能。

3.业务应用层

软交换网提供的多种增值业务是由业务层的各种应用服务器平台完成的。业务应用层的物理实体是各种应用服务器(AS:ApplicationSever)和智能网的SCP。语音增值业务,既可由智能网SCP平台完成,也可以由AS完成。数据增值业务和话音与数据融合的增值业务由AS完成。AS还提供标准接口,供第三方应用业务开发商在AS上开发各种有特色的增值业务。

4.核心传送层

传送层的任务是将软交换网各网元,如接入层的各种媒体网关、控制层的软交换机、业务层的各种服务器平台等连接起来。软交换网的各网元间,采用IP数据包传送各种控制信息和业务数据信息,因此传送层实际上就是一个IP承载网络。

三、软交换体系的网元接口协议及语音编码方式

1.SS间的接口协议

目前,SS间采用的标准接口协议底层为SCTP/IP,高层主要有BICC和SIP-T2种。BICC协议是ITU-T制定的,主要对七号信令中的ISUP协议进行封装。SIP-T是IETF制定的,主要对SIP协议进行扩展。BICC协议对窄带话音业务的支持能力较SIP-T强,与ISUP协议的互通性比SIP-T完善和成熟。

2.SG与SS间的接口协议

SG与SS间通常采用SIGTRAN/IP接口协议。SIGTRAN的底层为传输层SCTP协议,为七号信令在TCP/IP网上传送提供可靠的连接;高层为适配层协议,目前有M2PA、M2UA和M3UA3种。M2PA具备较为强大的IP信令网组网能力,适用于利用IP网组建与传统七号信令网功能基本相同的信令网,但对于网络结构相对简单的软交换汇接网来说,要求SS和SG均能够处理MTP3层以下的协议,要求较高,所以优势较小。M2UA协议对SG的处理能力要求较低,但对SS的处理能力要求相对较高,适用于SS通过SG直接与TDM交换机设置信令链路的组网模式,无法做到网络级备份。M3UA协议在网络组织上具有较大的灵活性,SG既可以工作在信令转接点模式,也可以工作在信令代理模式;工作在信令转接点方式时,M3UA具备M2PA协议的优点。

3.TMG与SS间的接口协议

TMG与SS间的协议主要有MEGACO/H.248和MGCP2种。MEGACO/H.248由IETF和ITU联合开发,结构简单、功能强大、扩展性好,允许在呼叫控制层下建立多个分区网关。MGCP协议是MEGACO/H.248之前的版本,其灵活性和扩展性较MEGACO/H.248差,同时在厂家支持方面也不如MEGACO/H.248协议。

4.TMG的语音编码方式

TMG在IP网上的语音编码方式目前主要有G.711、G.729、G.723.13种,G.711的编码比特率为64kbit/s,G.729的编码比特率为8kbit/s,G.723.1的编码比特率为5.3或6.3kitb/s。在不考虑IP网传输丢包、时延的前提下,3种编码方式的话音质量相差不大,但如果在IP网传输过程中发生丢包,则G.711编码方式的话音质量明显优于G.729和G.723.1编码方式,而G.729与G.723.1的话音质量相差不大。从传输带宽资源的占用方面看,G.729编码方式对传输带宽的占用仅为G.711编码方式的1/8,而G.723.1比G.729节省的传输带宽有限。因此,对于64kbit/s承载类业务,SS控制TMG采用G.711编码方式;对于普通话音业务,SS能够根据IP承载网络的资源情况,动态控制TMG采用G.711或G.729编码。在IP网资源较为充裕的情况下,优先选用G.711编码方式;当IP网资源较为紧张时,选用G.729编码方式。

四、软交换技术的主要特点


软交换技术是下一代网络广泛采用的技术,具有明显优于现有电路型网络的特点:

1.可有效降低投资和维护成本

由于软交换设备处理跑力强、容量大,可以将原来需要采用多个MSC进行管理的区域集中在一个MSCServer上进行管理,因此可降低维护成本(0PEX)。软交换平台广泛采用分组交换和IP传输技术,可以大大节省传输资源,提高产品集成度,减少系统耗电量,降低投资成本(CAPEX)。对于移动软交换设备,由于一个MSCserver控制的多个MGW可以分布在靠近每个地区接入网和PSTN的地方,所以可显著节省传输资源,降低回程费用。

2.组网高效灵活

基于TDM的传统话音技术,虽然可以提供优良的语音业务,但是每个交换节点都需完成业务交换和信令控制,新业务的提供周期较长。软交换体系结构的最大优势在于将应用层和控制层与承载层完全分开,业务提供与具体的承载无关,有利于以最快、最有效的方式引入各类新业务,大大缩短了新业务的开发周期。利用软交换体系结构,用户可以非常灵活地享用网络提供的业务和应用,运营商可以更快地获得收入。由于软交换设备与MGW分离,所以组网非常灵活,在业务量大的地方可以设置大容量MGW,业务量稀少的地方设置小容量MGW,然后连接到同一个MSCServer上。

3.具有很好的开放性

由于软交换体系架构中的所有网络部件间均采用标准协议,因此各部件既能够独立发展和演进,又能够有机组合成一个整体,实现互连互通。运营商可根据自己的需要选择市场上的优势产品,实现最佳配置。软交换设备还支持通过开放协议或API与开放的业务平台进行交互,使其能够间接地利用底层网络资源,实现业务与呼叫控制的分离。

4.有利于固定和移动核心网的融合

固定软交换与3G R4的核心网结构和业务模型十分吻合,为未来网络的完全融合提供了可能。

五、软交换技术在移动网上的应用

2003年12月,全球第一个基于软交换架构的商用3G网络??阿联酋ETISALAT的UMTS网络放号运营;同月,中国香港SUNDAY也采用软交换架构建设了覆盖全港的3G网络。2004年3月,泰国AIS2G移动软交换网割接使用;同年4月,中国移动选择移动软交换技术建设覆盖全国的移动长途汇接网;2004年7月,毛里求斯EMTEL也采用R4软交换技术建设3G网络。“软交换”不再只是固定网络运营者讨论的热点,移动运营商们正在将软交换系统真实地推到移动用户面前。

1.软交换技术的选择

从目前软交换技术发展及其在移动网上的使用情况看,R4软交换技术应该是当前移动核心网建设的最佳选择。WCDMA目前分为3GPPR99、R4、R5/R6几个阶段和版本网络。R99在GSM/GPRS网络的基础上,对接入网部分进行了革命性地变革,由TDMA制式发展为CDMA制式,大大提高了网络频谱利用率和数据业务的带宽,同时引入了能够支持小区呼吸的AMR语音编解码技术。

R4在R99的基础上对于电路域进行了彻底改造,引入了NGN提出的软交换技术,将控制与承载面分离;信令链路与话路引入分组技术。

分离架构的引入,使得网络结构清晰合理,路由方式简单灵活,业务提供与升级更加方便快捷,有效地低了网络的建设成本和运维成本。分组技术的引入,使网络可以采用不同的编解码方式和静音检测技术,节省了传输资源;可以采用TRFP技术,减少了语音编解码次数,提高了语音质量。软交换架构的采用,适应将来网络架构的发展需求,可以很容易地与其它网络进行有机融合,为将来基于分组网的语音、宽带多媒体和新的增值业务提供坚实的网络基础。

R5/R6在原有R4分组域的基础上叠加了一个IP多媒体域,提供统一的基于分组的核心网,为将来各种业务的融合提供平台。R5/R6更多侧重于多媒体业务的应用,与R4是相辅相成的关系。R4分组语音技术的充分应用,为R5/R6的应用提供了坚实的基础,而且R4的承载网在R5/R6中仍然可用。R4网元可以通过软件升级来支持R5/R6的相关协议,如R4软交换设备,即MSCServer网元,可以很容易地通过软件升级为R5/R6的MGCF网元。

当前,语音业务仍然是各运营商的主要收入来源,因此对于新建的3G网络来说,在R5/R6本身技术尚未完全成熟的情况下,网络架构既优于R99,又比R5/R6成熟可靠的R4软交换技术是最佳选择。它既可保证新建网络运营稳定、业务提供方便快捷,又为网络今后的演进发展做好了准备,进退攻守,应付自如。同时,R4也是传统GSM运营商对现有GSM核心网扩容升级的首选技术。

2.软交换技术在中国移动长途汇接网上的应用

2004年4月,中国移动根据全国现有一级话务汇接网容量及软件版本对业务支持的情况,提出对现有网络进行扩容,在国内首家引入软交换技术建设独立于现有网络的话务汇接网,初期用于疏通省际长途IP话音业务,组网方式见图2。将全国按照地域、业务量情况划分为8大业务区,每个区所在地分别建设1对SS,负责本省及所辖省长途业务交换,完成集中呼叫控制和连接管理功能,以及相应的业务处理信息的传送。其它省分别建设1套独立的TMG,完成软交换网IP业务流与中国移动GSM网网元的中继连接,实现TDMA电路型话音业务与VoIP业务流之间的编解码、打/拆包、时延抖动滤除等功能;同时各省分别建设1套SG(初期可以与TMG合设1套物理设备),完成与七号信令网的连接,实现基于MTP/TDMA和基于SCTP/IP的信令协议的转换功能。各SS之间、TMG/SG与其归属的SS之间通过IP承载网的广域网方式相连,各TMG/SG之间通过IP承载网以网状网方式相连,各省TMG/SG与本省各MSC、GMSC、HSTP之间通过长途传送网相连。本省软交换节点设备(TGW、SG、本地操作终端)通过本地局域网组网,然后连接IP承载网接入路由器接入软交换网络。本省网元信息通过IP承载网与集团公司软交换网管中心进行连接。软交换汇接网与原来用于传送话音业务的电路型TMCS1汇接网之间不发生业务互连。随着技术和业务的进一步发展,最终将全部长途业务导入软交换网络。

SS间接口协议采用BICC(CS2)/SCTP/IP,SG与移动通信网GSM间接口协议采用标准的MISUP/MTP七号信令协议,SG与SS间采用M3UA协议的信令转接模式,TMG与SS间采用MEGACO/H.248接口协议,不同的TMG间采用RTP/RTCP协议。

由于中国移动GSM网的TDM交换机目前均采用G.711语音编码方式,因此新建TMG在TDM侧采用G.711 overTDM话音传送方式,在IP网侧采用G.711和G.729 overRTP/RTCP/IP话音传送方式,完成话音信息基于TDM承载与基于IP承载的转换。考虑到TMG在IP侧启动话音活动检测,对话音信号进行静音压缩,产生舒适噪声能够更为有效地控制IP承载网的业务负荷,在TMG中增加了静音压缩/舒适噪声功能。

内蒙古移动作为中国移动全国31个省级话务汇接网中的一个节点,在本次软交换汇接网建设中不单设SS,与北京大区共用SS设备;TMG和SG各新建1套,同时设立软交换汇接网网管系统本地操作维护终端,负责本地设备的维护管理。新建软交换汇接网目前仅负责内蒙古移动省际长途IP电话业务的传送,普通省际长途话音业务仍由原来的一级话务汇接网传送。

从全球电信技术发展进程看,无论是传统固定电话网、移动电话网,还是即将建设的NGN、3G网络,均已开始大量应用软交换技术。相信今后通信技术的发展,用户需求的增加以及运营商网络的不断演进,对软交换体系的组网、功能、协议、网管和计费等方面还将提出更多更高的需求。软交换体系标准与软交换体系的商用,将互相促进、共同发展。未来的电信网络将主要朝着软交换全IP网络的方向发展。


来源:中国联通网站 作者:边德明

 

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