軟交換技術解析

軟交換的體系結構 1、引言隨著信息化進程的不斷推進，人們已越來越不滿足于現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡以窄帶方式提供的單一語音服務，提供寬帶化、智能化、個人化移動多媒體服務的需求日益劇增。 下一代網(wǎng)絡泛指一個以IP為中心，可以支持語音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務融合全新的網(wǎng)絡。3G不是現(xiàn)有移動網(wǎng)和IP網(wǎng)的簡單疊加，也不是單項節(jié)點技術和網(wǎng)絡技術的結合，而是整個網(wǎng)絡框架的變革，是一種整體方案。軟交換SoftSWitch正是構建在以IP為中心，可以支持語音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務的融合方案?；?em>軟交換技術和IP技術構建出分層開放的體系架構全新的網(wǎng)絡平臺，在3G中占有極為重要位置。 2、軟交換的體系結構軟交換體系結構是目前面向網(wǎng)絡融合的新一代多媒體業(yè)務整體解決方案，具有層次化、呼叫控制與承載分離、快速開發(fā)業(yè)務、集中部署業(yè)務等特點，可以向用戶提供包含PSTN話音、無線話音、基礎數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)等各種業(yè)務。通過優(yōu)化網(wǎng)絡結構，不但實現(xiàn)了網(wǎng)絡的融合，更重要的是實現(xiàn)了業(yè)務的融合，使得包交換網(wǎng)絡能夠繼承原有電路交換網(wǎng)中豐富的業(yè)務功能，同時，可以在全網(wǎng)范圍內快速提供原有網(wǎng)絡難以提供的新型業(yè)務。 在軟交換構建的開放體系架構中，通過呼叫控制與媒體交換/承載的分離，實現(xiàn)了開放的分層架構，各層次網(wǎng)絡單元通過標準協(xié)議互通，可以各自獨立演進，以適應未來技術的發(fā)展。軟交換主要包含兩個層次： ◆媒體網(wǎng)關層：根據(jù)組網(wǎng)的位置，可分為接入媒體網(wǎng)關(提供接入適配功能)、中繼媒體網(wǎng)關(提供與其他網(wǎng)絡互通的媒體流轉換功能)、資源媒體網(wǎng)關(提供特定媒體資源)。 ◆呼叫控制層：由信令網(wǎng)關(提供中繼信令SS7在IP網(wǎng)上的傳輸適配功能)和呼叫控制服務器(通過與信令網(wǎng)關和媒體網(wǎng)關的配合實現(xiàn)呼叫的建立、維持和釋放控制功能)。 3、軟交換的特點 (1)分布式交換降低運營成本 傳統(tǒng)電路交換網(wǎng)存在布點多、運行成本和運維人員成本高的問題。而基于軟交換的體系結構由集中的MSC服務器/軟交換機與分布的媒體網(wǎng)關組成，呼叫控制與話音處理/交換是分開的，媒體網(wǎng)關可以布設在提供最大價值的地方，復雜的呼叫控制被集中在一起。通過部署分布式交換，可以實現(xiàn)靈活的組網(wǎng)方式，可以有效地解決傳統(tǒng)組網(wǎng)模式中容量、覆蓋和路由迂回的矛盾，便于進行集中維護和管理，有利于降低建網(wǎng)成本和運維費用。 (2)開放智能業(yè)務不需對所有核心網(wǎng)網(wǎng)元升級 在2G、2.5G中，由于MSC是單個網(wǎng)元，無論是業(yè)務功能升級/部署還是媒體交換能力升級都需要升級MSC。經(jīng)過升級的MSC要把呼叫控制移交給移動智能網(wǎng)(IN)節(jié)點——業(yè)務控制點SCP，由SCP執(zhí)行業(yè)務邏輯。這樣導致業(yè)務提供成本高，MSC實時處理代價高，軟件成本高。而在軟交換的3GPPR4架構中，媒體網(wǎng)關和MSC服務器的分離使得它們各自可以獨立的進行工程實施、擴容和布局。由于業(yè)務升級遠多于媒體交換能力升級，而采用軟交換后，R4中的MSC服務器數(shù)量遠小于媒體網(wǎng)關的數(shù)量，這將帶來大量軟件升級費用的節(jié)省。 4、移動軟交換的功能移動軟交換是多種邏輯功能實體的集合，提供綜合業(yè)務的呼叫控制、連接以及部分業(yè)務功能，是3GPPR4及以后階段軟交換系統(tǒng)核心網(wǎng)中的電路域實時語音/數(shù)據(jù)業(yè)務呼叫、控制、業(yè)務提供的核心設備。其主要功能包括以下幾個部分： (1)移動性管理功能 主要完成切換(包括UMTS系統(tǒng)內、GSM系統(tǒng)內以及GSM與UMTS系統(tǒng)間的切換)、登記和移動臺去話功能。還具有VLR功能，包括用戶數(shù)據(jù)管理、位置登記、鑒權、提供MSRN、VLR恢復、切換號碼分配、TMSI分配、清除、SuperCharger功能。 (2)安全保密功能 支持用戶鑒權、TMSI使用和用戶信息加密。 (3)呼叫控制和處理功能 移動交換服務器可以為基本呼叫的建立、維持和釋放提供控制功能，包括呼叫處理、連接控制、智能呼叫觸發(fā)檢測和資源控制等;接收來自業(yè)務交換功能的監(jiān)視請求，并對其中與呼叫相關的事件進行處理;支持基本的兩方呼叫控制功能和多方呼叫控制功能。 (4)其他功能 包括協(xié)議處理、互通、資源管理、計費、認證與授權、號碼分析/地址解析、媒體控制等。 5、軟交換在3G核心網(wǎng)中的應用3G制式有WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三種。在這三種制式中，WCDMA和TD-SCDMA的標準由3G標準化組織3GPP制定，CDMA2000的標準由3G標準組織3GPP2制定。

UMTS及TD-SCDMA較好地考慮了對GSM系統(tǒng)的兼容，成為我國GSM運營商的首選標準，可采用兩者之一或混合組網(wǎng)方式。由于兩者分別基于FDD及TDD模式，因此在應用上各有所長、各有所用，是互存、互補的關系。 核心網(wǎng)標準主要有基于GSMCCS7和ANSI-41兩種核心網(wǎng)。一般情況下，WCDMA和CDMATDD對應于GSMCCS7核心網(wǎng)，CDMA2000對應于ANSI-41核心網(wǎng)，但目前的標準允許任何無線接口同時兼容兩個核心網(wǎng)，這樣可以通過在無線接口上定義相應的兼容協(xié)議來接入不同的核心網(wǎng)。 GSM交換網(wǎng)向3G核心網(wǎng)的演進。3GPP組織主要負責制定基于GSM的核心網(wǎng)、以WCDMA和CDMATDD為無線接口的標準，到目前為止已經(jīng)有四個版本，即R99、R4、R5和R6，這里著重討論核心網(wǎng)部分。 5.1R99網(wǎng)絡結構 R99是比較成熟的版本，其無線接入部分采用全新的3G接入網(wǎng)(RAN)，核心網(wǎng)則在MSC+GPRS的網(wǎng)絡基礎上演進可以看出，R99核心網(wǎng)類似于目前GSM交換子系統(tǒng)與GPRS交換子系統(tǒng)的疊加，包括GSM電路交換部分及分組域部分，分別用于支持話音業(yè)務及數(shù)據(jù)業(yè)務，完全體現(xiàn)了2G向3G平滑過渡的思想。不同的是，由于無線部分引入了可實現(xiàn)3G業(yè)務的無線網(wǎng)，核心網(wǎng)采用新定義的Iu接口與3G無線網(wǎng)相連，包括支持電路交換的Iu-CS和支持分組交換業(yè)務的Iu-PS兩部分。相對于GPRS，R99增加了服務級別的概念，提高了分組域的業(yè)務質量保證能力，增加了帶寬;在系統(tǒng)能力方面，目前除了支持GSM/GPRS提供的所有業(yè)務以外，還支持下行速率為384kb/s的數(shù)據(jù)業(yè)務;在業(yè)務方面，智能網(wǎng)規(guī)范提出了支持能力級CS2的CAMEL3。這種組網(wǎng)方式可以延用原有核心網(wǎng)設備，增加無線接入網(wǎng)即可實現(xiàn)3G業(yè)務，極大地保護了運營商的現(xiàn)有投資，有利于運營商迅速開展3G業(yè)務。 5.2R4網(wǎng)絡結構 與R99版本比較，R4的無線接入網(wǎng)網(wǎng)絡結構并沒有變化，只是改進了一些接口協(xié)議特性以提高系統(tǒng)性能。核心網(wǎng)電路域變化較大，引入了軟交換的概念，將控制和承載分開，原來的MSC變?yōu)镸SC服務器和媒體網(wǎng)關MGW，話音通過MGW由分組域來傳送。 可以看出，R4核心網(wǎng)已由TDM中心節(jié)點交換型演進為典型的分組話音分布式體系結構，網(wǎng)絡采用開放式結構，業(yè)務邏輯與底層承載相分離，話音分組化，由包方式承載。由于電路域的這種變化，相應的在七號信令的承載方面也提出了新的方案，即基于ATM和IP的方案，七號信令的移動應用協(xié)議MAP和CAP也可以通過分組網(wǎng)絡來傳送，為核心網(wǎng)向全IP的演進邁出非常關鍵的一步。R4的組網(wǎng)方式在技術先進性及建設成本上都有很大優(yōu)勢，其采用全新的協(xié)議與技術。但是，運營商選擇R99網(wǎng)絡向R4升級時，只需要對電路域進行升級，可以保留R99無線部分和分組域并保持原有組網(wǎng)方式，3GPP規(guī)范良好的向后兼容性支持R4以至于R5的無線接入網(wǎng)都可以和R99的電路域很好地配合。 5.3R5網(wǎng)絡結構 R5版本是全IP(或全分組化)的第一個版本，在無線接入網(wǎng)方面，提出了高速下行分組接入HSDPA技術，在核心網(wǎng)方面，最大的變化是在R4的基礎上增加了IP多媒體子系統(tǒng)(即IMS系統(tǒng))，它和分組域一起實現(xiàn)實時和非實時的多媒體業(yè)務，并可以實現(xiàn)與電路域的互操作。在R5中仍然保留電路域并實現(xiàn)與IMS的互操作主要是保護運營商的R99的網(wǎng)絡投資。全IP的組網(wǎng)方式是網(wǎng)絡演進的趨勢，IMS是R5的新增部分，圖3是IMS域的配置。 IMS的主要功能實體包括：呼叫控制服務器(CSCF)、媒體網(wǎng)關控制服務器(MGCF)、IM-MGW、MRF以及BGCF等，CSCF的作用是完成入呼叫網(wǎng)關功能，呼叫業(yè)務觸發(fā)功能和路由選擇功能，是最主要的軟交換控制實體，是整個網(wǎng)絡的核心，支持SIP協(xié)議處理SIP會話。P-CSCF是UE接入IMS系統(tǒng)的入口，實現(xiàn)了在SIP協(xié)議中的Proxy和UserAgent功能;MGCF的作用是根據(jù)被叫號碼和來話情況選擇CSCF，并完成PSTN和IMS之間呼叫控制協(xié)議轉換，以及控制IM-MGW媒體通道的呼叫狀態(tài);IM-MGW的功能與CS-MGW的功能類似，與MGCF一起完成資源控制，以及通過回波消除器和碼轉換器，實現(xiàn)媒體轉換和幀協(xié)議轉換功能;MRF分為多媒體資源功能控制器(MRFC)和多媒體資源功能處理器(MRFP)，分別進行完成媒體流的控制和承載功能;BGCF的主要作用是在與PSTN通信時，完成信令轉發(fā)功能。 5.4R6網(wǎng)絡結構 R6版本核心網(wǎng)在R5IMS基礎上提出的網(wǎng)絡框架基本沒有改變，只是將PDF(PolicyDecisionFunction)從P-CSCF中分離出來，二者之間的接口定義為Gq接口。在QoS方面，3GPP已經(jīng)定義了端到端的QoS概念和框架結構，具體到IMS的QoS問題主要集中在Gq接口和Go接口(GGSN和PDF之間的接口)，QoS策略基于SIP會話中請求的參數(shù)，端到端的QoS要求則分段映射到網(wǎng)絡的各個層面。R6在功能上更加完善，能夠支持OMA提出的新業(yè)務，同時在網(wǎng)絡上，在互通和兼容性上進一步增強，主要研究控制(Gq接口)、WLAN接入、IMS到CS域的互通、IMS到PS域的互通、Presence等新業(yè)務，并在IETFSIP協(xié)議的基礎上對協(xié)議進行了擴展。 不論是現(xiàn)在商用的還是正在試驗的(CDMA2000/WCDMAR99/R4/TD-SCDMA)3G標準都不是基于全IP的網(wǎng)絡，比如CDMA2000是基于ANSI-41;WCDMA99/TD-SCDMA是基于傳統(tǒng)的GSM、R4軟交換的承載和控制分離方式，而直到R5引入了IMS才實現(xiàn)全IP的核心網(wǎng)。顯然全IP的核心網(wǎng)絡也是3G發(fā)展的方向，采用基于全IP的核心網(wǎng)不但可以與無線接入方式獨立地發(fā)展，還可以支持包括Wi-Fi、WiMAX、WCDMA等多種無線接入方式。在3G的R6中已經(jīng)開始把WLAN和3G一同考慮了。Wi-Fi/WiMAX和3G不同的承載特性(吞吐量、延時QoS、對稱性等)為用戶享受語音、數(shù)據(jù)、多媒體業(yè)務提供更多的接入方式選擇;它們可通過共用開放的業(yè)務平臺融合不同的業(yè)務引擎實現(xiàn)網(wǎng)絡間互通;根據(jù)網(wǎng)絡服務區(qū)內的性能，用戶可以手工或者自動選擇接入那個網(wǎng)絡;支持WLAN和3G網(wǎng)絡的運營支撐系統(tǒng)，可以對雙網(wǎng)實現(xiàn)統(tǒng)一的運營管理、計費、甚至用戶身份認證，最大限度降低網(wǎng)絡建設、維護成本。 Wi-Fi/WiMAX的市場目標是成為寬帶無線接入城域網(wǎng)技術，基本目標是要提供一種城域網(wǎng)領域點對多點的多廠商環(huán)境下可有效地互操作的寬帶無線接入手段，以實現(xiàn)滿足3G標準的以無線廣域網(wǎng)WWAN為基本模式、以公眾語音及多媒體數(shù)據(jù)為內容、在全球范圍內漫游的個人手機終端的基本市場定位。Wi-Fi/WiMAX也可以作為3G無線廣域/城域、多點基站互聯(lián)支持手段的補充。 未來無線通信領域的一個發(fā)展趨勢是移動網(wǎng)絡和固定網(wǎng)絡的融合。因此人們又提出更高的發(fā)展目標那就是4G。4G系統(tǒng)應能實現(xiàn)全球范圍內多種移動網(wǎng)絡和固定網(wǎng)絡間的無縫漫游和切換，構筑一個移動網(wǎng)絡和固定接入網(wǎng)的融合體，實現(xiàn)與WLAN/WiMAX無縫連接。4G的無縫特性，包含系統(tǒng)、業(yè)務和覆蓋等多方面的無縫性。其無縫性指的是用戶既能在WLAN中使用，也能在蜂窩系統(tǒng)中使用;業(yè)務的無縫性指的是對話音、數(shù)據(jù)和圖像的無縫性;而覆蓋的無縫性則指4G系統(tǒng)應該能向全球提供業(yè)務。

6、結論總之，移動軟交換提供分層的網(wǎng)絡架構，使不同的功能層的發(fā)展更加靈活，并可實現(xiàn)無縫的多網(wǎng)絡訪問。除此之外，移動軟交換作為國際標準，確保了新技術的前后兼容性。隨著時間的發(fā)展，軟交換將逐漸發(fā)展成為通用的、高可用性的網(wǎng)絡架構，集成對VoIP和傳統(tǒng)語音服務的支持，并為移動網(wǎng)絡向全IP演進做好了準備。 移動軟交換支持業(yè)務網(wǎng)絡平臺的統(tǒng)一，讓人們從移動技術的進步所帶來的興奮中去盡情地開發(fā)、體驗各種便捷移動新業(yè)務，移動軟交換將移動網(wǎng)絡從過去支撐單一或簡單窄帶移動業(yè)務的平面模式發(fā)展到承載多業(yè)務融合，將移動網(wǎng)絡向多媒體網(wǎng)絡的高級階段邁進，這是一個從量變到質變的飛躍。這是一個跨越式發(fā)展，這是核心網(wǎng)絡建設的一個里程碑，它標志著基于IP的R4架構的移動軟交換網(wǎng)絡已經(jīng)完全成熟。移動軟交換技術不僅能充分滿足對現(xiàn)有2G、2.5G網(wǎng)絡的革新需求，更面向下一代網(wǎng)絡建設與運營的要求，可打造兼容現(xiàn)網(wǎng)且面向未來全IP網(wǎng)絡的移動核心網(wǎng)。