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軟交換及其在移動通信網(wǎng)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(wǎng)向分組網(wǎng)演進的核心設備，是下一代網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)和ATM網(wǎng)的發(fā)展而產(chǎn)生的，是下一代網(wǎng)絡發(fā)展中采用的理念。根據(jù)軟交換在網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)關控制器(Media Gateway Control)，是在VoIP體系中把呼叫控制功能從媒體網(wǎng)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(wǎng)全IP化演進的趨勢，第三代移動通信(3G)網(wǎng)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(wǎng)。從網(wǎng)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(diào)一致的。在網(wǎng)絡結構方面，NGN和3G都提出了承載和控制分離的網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡。邊緣接入層的物理實體是一系列媒體網(wǎng)關設備(MG：Media Gateway)，完成數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包，在軟交換網(wǎng)絡中傳送。主要有以下幾種網(wǎng)關設備：
  1. 信令網(wǎng)關(SG)：用于與電路型交換網(wǎng)中的七號信令網(wǎng)相連，將窄帶七號信令轉換為適于在IP網(wǎng)中傳送的信令。

  2. 中繼媒體網(wǎng)關(TMG)：用于與電路交換網(wǎng)相連，負責將電路交換網(wǎng)中的業(yè)務流轉換為軟交換網(wǎng)中傳送的IP媒體流。

  3. 綜合接入媒體網(wǎng)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(jīng)IP網(wǎng)連接至AMG。

  4. 無線接入媒體網(wǎng)關(WAG)：用于將無線接入用戶連接至軟交換網(wǎng)中。

  5. 多媒體網(wǎng)關(MGW)：用于將各種多媒體數(shù)據(jù)源連接至軟交換網(wǎng)中。

  6. 網(wǎng)絡接入服務器(NAS)：用于為電話網(wǎng)用戶和軟交換網(wǎng)直連用戶提供撥號上網(wǎng)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�？刂茖又械奈锢韺嶓w是軟交換機(SS)，其主要功能如下：
  1. 對接入層各種媒體網(wǎng)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；

  2. 對基本話音業(yè)務的呼叫處理和連接控制；

  3. 對數(shù)據(jù)業(yè)務的處理和連接控制；

  4. 提供更高層應用接口；

  5. 計費功能。
3.業(yè)務應用層

　　軟交換網(wǎng)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(wǎng)的SCP。語音增值業(yè)務，既可由智能網(wǎng)SCP平臺完成，也可以由AS完成。數(shù)據(jù)增值業(yè)務和話音與數(shù)據(jù)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(wǎng)各網(wǎng)元，如接入層的各種媒體網(wǎng)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(wǎng)的各網(wǎng)元間，采用IP數(shù)據(jù)包傳送各種控制信息和業(yè)務數(shù)據(jù)信息，因此傳送層實際上就是一個IP承載網(wǎng)絡。

三、軟交換體系的網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)組網(wǎng)能力，適用于利用IP網(wǎng)組建與傳統(tǒng)七號信令網(wǎng)功能基本相同的信令網(wǎng)，但對于網(wǎng)絡結構相對簡單的軟交換匯接網(wǎng)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(wǎng)模式，無法做到網(wǎng)絡級備份。M3UA協(xié)議在網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)傳輸丟包、時延的前提下，3種編碼方式的話音質(zhì)量相差不大，但如果在IP網(wǎng)傳輸過程中發(fā)生丟包，則G.711編碼方式的話音質(zhì)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(zhì)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(jù)IP承載網(wǎng)絡的資源情況，動態(tài)控制TMG采用G.711或G.729編碼。在IP網(wǎng)資源較為充裕的情況下，優(yōu)先選用G.711編碼方式；當IP網(wǎng)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(wǎng)絡廣泛采用的技術，具有明顯優(yōu)于現(xiàn)有電路型網(wǎng)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(chǎn)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(jù)自己的需要選擇市場上的優(yōu)勢產(chǎn)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(wǎng)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(wǎng)的融合

　　固定軟交換與3G R4的核心網(wǎng)結構和業(yè)務模型十分吻合，為未來網(wǎng)絡的完全融合提供了可能。

五、軟交換技術在移動網(wǎng)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(wǎng)絡？？阿聯(lián)酋ETISALAT的UMTS網(wǎng)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(wǎng)絡。2004年3月，泰國AIS2G移動軟交換網(wǎng)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(wǎng)；2004年7月，毛里求斯EMTEL也采用R4軟交換技術建設3G網(wǎng)絡�！败浗粨Q”不再只是固定網(wǎng)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(wǎng)上的使用情況看，R4軟交換技術應該是當前移動核心網(wǎng)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(wǎng)絡。R99在GSM/GPRS網(wǎng)絡的基礎上，對接入網(wǎng)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(wǎng)絡頻譜利用率和數(shù)據(jù)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(wǎng)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(wǎng)絡的建設成本和運維成本。分組技術的引入，使網(wǎng)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(shù)，提高了語音質(zhì)量。軟交換架構的采用，適應將來網(wǎng)絡架構的發(fā)展需求，可以很容易地與其它網(wǎng)絡進行有機融合，為將來基于分組網(wǎng)的語音、寬帶多媒體和新的增值業(yè)務提供堅實的網(wǎng)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(wǎng)，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(wǎng)在R5/R6中仍然可用。R4網(wǎng)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(wǎng)元，可以很容易地通過軟件升級為R5/R6的MGCF網(wǎng)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(wǎng)絡來說，在R5/R6本身技術尚未完全成熟的情況下，網(wǎng)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(wǎng)絡運營穩(wěn)定、業(yè)務提供方便快捷，又為網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)上的應用

　　2004年4月，中國移動根據(jù)全國現(xiàn)有一級話務匯接網(wǎng)容量及軟件版本對業(yè)務支持的情況，提出對現(xiàn)有網(wǎng)絡進行擴容，在國內(nèi)首家引入軟交換技術建設獨立于現(xiàn)有網(wǎng)絡的話務匯接網(wǎng)，初期用于疏通省際長途IP話音業(yè)務，組網(wǎng)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(wǎng)IP業(yè)務流與中國移動GSM網(wǎng)網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)的廣域網(wǎng)方式相連，各TMG/SG之間通過IP承載網(wǎng)以網(wǎng)狀網(wǎng)方式相連，各省TMG/SG與本省各MSC、GMSC、HSTP之間通過長途傳送網(wǎng)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(wǎng)組網(wǎng)，然后連接IP承載網(wǎng)接入路由器接入軟交換網(wǎng)絡。本省網(wǎng)元信息通過IP承載網(wǎng)與集團公司軟交換網(wǎng)管中心進行連接。軟交換匯接網(wǎng)與原來用于傳送話音業(yè)務的電路型TMCS1匯接網(wǎng)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(wǎng)絡。

　　SS間接口協(xié)議采用BICC(CS2)/SCTP/IP，SG與移動通信網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(chǎn)生舒適噪聲能夠更為有效地控制IP承載網(wǎng)的業(yè)務負荷，在TMG中增加了靜音壓縮/舒適噪聲功能。

　　內(nèi)蒙古移動作為中國移動全國31個省級話務匯接網(wǎng)中的一個節(jié)點，在本次軟交換匯接網(wǎng)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(wǎng)網(wǎng)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(wǎng)目前僅負責內(nèi)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(wǎng)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(wǎng)、移動電話網(wǎng)，還是即將建設的NGN、3G網(wǎng)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(wǎng)絡的不斷演進，對軟交換體系的組網(wǎng)、功能、協(xié)議、網(wǎng)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(wǎng)絡將主要朝著軟交換全IP網(wǎng)絡的方向發(fā)展。

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