軟交換技術在2G交換網(wǎng)中的應用

軟交換技術在2G交換網(wǎng)中的應用

一、概述

　　第三代移動網(wǎng)絡是移動通信領域的下一代網(wǎng)絡。在這個網(wǎng)絡的發(fā)展中，軟交換技術和IP技術得到充分體現(xiàn)。然而，軟交換技術在移動網(wǎng)的應用不是只能從3G網(wǎng)絡開始，事實上在3G即將到來之前，軟交換技術已經(jīng)逐漸在2G的網(wǎng)絡中嶄露頭角。中國移動2004年建成軟交換長途匯接網(wǎng)后，各地移動公司也逐漸開始在GSM省網(wǎng)以及本地網(wǎng)上采用軟交換技術構建移動匯接局TMSC、關口局GMSC以及端局MSC。

　　從業(yè)界情況看，國外已有固網(wǎng)運營商在商用中大規(guī)模采用軟交換技術，更多的固定/移動運營商正在試驗軟交換技術。3G方面，現(xiàn)在WCDMA R4協(xié)議已經(jīng)基本穩(wěn)定，跨 過R99直接采用軟交換的R4架構建設3G核心網(wǎng)已成定局。相信隨著3G應用的推遲，軟交換技術/設備的成熟，在現(xiàn)有的2G網(wǎng)絡上盡早引入軟交換技術，積累軟交換的應用經(jīng)驗，將會給運營商的未來發(fā)展帶來更多好處。

　　二、移動軟交換的體系結構

　　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：呼叫控制層和媒體網(wǎng)關層。

　　1.　呼叫控制層

呼叫控制層完成各種呼叫控制，并負責相應業(yè)務處理信息的傳送。呼叫控制層中的物理實體是軟交換機(SS：SoftSwitch)，軟交換機的主要功能如下：

　　● 對接入層的各種媒體網(wǎng)關的控制，指示媒體網(wǎng)關應與哪個媒體網(wǎng)關建立連接關系，完成信息壓縮編碼方式的控制、回聲抑制功能控制和業(yè)務流量控制；

　　● 基本話音業(yè)務的呼叫處理和連接控制；

　　● 數(shù)據(jù)業(yè)務的處理和連接控制；

　　● 提供與更高層應用的接口；

　　● 計費功能。

　　2.　媒體網(wǎng)關層

　　媒體網(wǎng)關層的功能是將用戶/業(yè)務連接接入軟交換網(wǎng)絡。邊緣接入層中的物理實體是一系列媒體網(wǎng)關設備(MGW)，各網(wǎng)關設備完成數(shù)據(jù)格式和協(xié)議的轉換，將接入的所有媒體信息流均轉換為采用IP協(xié)議的數(shù)據(jù)包在軟交換網(wǎng)絡中傳送。2G移動交換網(wǎng)主要實現(xiàn)話音業(yè)務的時隙交換，最常用的有兩種媒體網(wǎng)關：中繼媒體網(wǎng)關(TMG)和信令網(wǎng)關(SG)。

　?。?）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)務轉換為軟交換網(wǎng)中傳送的IP媒體流。用軟交換設備構建的TMSC、GMSC或者MSC，與原有GSM網(wǎng)元的互通只能繼續(xù)采用TDM方式承載, 而軟交換TMG之間的連接，則可以選擇TDM承載、IP承載或者ATM承載。中國移動的長途匯接網(wǎng)在各個省會城市設置了TMG，TMG之間的話務采用IP承載，通過建設獨立的IP專網(wǎng)來滿足移動長途網(wǎng)話音業(yè)務QoS以及安全性的需要。而在GSM省網(wǎng)或者本地網(wǎng)引入軟交換時，由于初期軟交換網(wǎng)元數(shù)量較少，通常只有二三個，故可以在TMG之間繼續(xù)采用TDM方式承載，以減少初期建網(wǎng)的復雜程度。

　?。?）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。在軟交換引入初期業(yè)務量不大的時候，可以考慮SG與TMG合設的方式，當信令業(yè)務量增大時再考慮設置獨立的SG。

　　如果移動軟交換網(wǎng)建設初期只處理話音業(yè)務，在全部采用TDM方式承載時也可以考慮將信令網(wǎng)關和軟交換機合設在一起。此時TMG通過半永久連接將信令消息直接傳送至軟交換機。這種方式采用傳統(tǒng)的TDM技術，成熟性高，但是需要大量的中繼收斂，可擴展性比較差，尤其是在軟交換機和媒體網(wǎng)關之間采用雙歸屬時更耗費中繼資源。

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三種信令網(wǎng)關設置方式下移動軟交換結構如圖1所示 。

　　三、軟交換在GSM交換網(wǎng)中的優(yōu)勢

　　1． 大容量、高集成度

　　由于近年來設備生產(chǎn)商對軟交換技術研發(fā)的大力投入，軟交換設備構造的MSC在容量和集成度方面遠高于傳統(tǒng)交換機。表1為中興、華為、Alcatel三個廠家軟交換設備的單局容量表。以華為公司G9軟交換機為例，用其構建MSC時單局最大容量180萬，構建TMSC、GMSC時單局最大容量為7056個E1，并且達到最大容量時只需要6個機柜，占僅幾個平米。而用傳統(tǒng)交換機構建MSC時單局最大容量一般在60萬左右，構建TMSC、GMSC時單局最大容量200個E1左右，機柜數(shù)量也在10個以上。

表　1

　　軟交換機將傳統(tǒng)交換機的功能模塊分離成為獨立的網(wǎng)絡部件，各個部件可以按相應的功能劃分，各自獨立發(fā)展。部件間的協(xié)議接口基于相應的標準，有利于實現(xiàn)各種異構網(wǎng)的互通。媒體網(wǎng)關可實現(xiàn)拉遠，與軟交換機可分開放置，使得它們各自可以獨立地進行工程實施、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，軟交換機的數(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。

　　移動軟交換分布式組網(wǎng)如圖2所示。對于MSC來說，將媒體網(wǎng)關分散拉遠，可以更加靠近BSC，減少話務迂回，節(jié)省傳輸。對于TMSC、GMSC來說，可將媒體網(wǎng)關分散到

　　不同的本地網(wǎng)，做到話務就近接入，集中控制。

3． 向3G過渡

　　到目前為止，3GPP定義的WCDMA系統(tǒng)有R99、R4、R5和R6四個版本。其中R6版本不涉及網(wǎng)絡架構，主要是業(yè)務研究。涉及網(wǎng)絡架構的是R99、R4和R5，軟交換技術在R4和R5網(wǎng)絡中得到了充分的應用。應用軟交換技術后，R99網(wǎng)絡中的移動交換中心（MSC）在R4網(wǎng)絡中被分解為MSC服務器（軟交換機）和媒體網(wǎng)關，前者提供傳統(tǒng)MSC的呼叫控制部分，后者提供傳統(tǒng)MSC的媒體交換部分。而在R5網(wǎng)絡中更是增加了基于軟交換架構的IP多媒體（IMS）域。

　　像中國移動這樣有著龐大2G網(wǎng)絡資源的移動運營商，向3G網(wǎng)絡過渡時如何充分利用和保護2G網(wǎng)絡的投資成為首要考慮的問題之一。傳統(tǒng)的2G交換機與R4及以上的版本要求的電路域交換機硬件平臺差距很大，通常需要建3G交換機。而利用軟交換技術構造的2G交換機，可以通過簡單的軟件升級改造成為2G/3G兼容的電路域交換機，大大減少了3G網(wǎng)絡建設的投資，并且能幫助運營商及早積累軟交換運行和維護方面的經(jīng)驗。

　　4． 增強網(wǎng)絡可靠性

　　在傳統(tǒng)的2G交換網(wǎng)中，合一的交換設備實體使得想通過設備冗余提高網(wǎng)絡可靠性是很困難的。應用軟交換技術后，可以通過設置N+1冗余軟交換機的方式，或者利用軟交換機與媒體網(wǎng)關之間"雙歸屬" 提供網(wǎng)絡級容災機制，確保大容量交換機的可靠性。

　　四、移動軟交換協(xié)議的選擇

　　國際上從事軟交換相關標準制定的組織主要是IETF和ITU-T。軟交換體系架構中的主要協(xié)議種類如表2所示。

　　表2　　軟交換主要協(xié)議種類

　　表中所有協(xié)議均基于TCP/IP協(xié)議。在移動網(wǎng)引入軟交換時，要根據(jù)移動網(wǎng)的特點和互通的需要選擇適合的協(xié)議。

　　1.　軟交換機之間的協(xié)議

　　目前，業(yè)界軟交換機之間采用的標準協(xié)議底層為SCTP/IP，高層主要有BICC和SIP-T兩種。BICC協(xié)議是ITU-T制定的標準協(xié)議，主要是將七號信令中的ISUP協(xié)議進行封裝，SIP-T是IETF制定的標準協(xié)議，主要是對SIP協(xié)議進行擴展。

　　在2G移動網(wǎng)引入軟交換的局，依然以承載窄帶話音業(yè)務為主。而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更完善和更成熟，因此在2G移動網(wǎng)軟交換機之間通常采用BICC(CS2)/SCTP/IP進行通信。

　　2.　中繼媒體網(wǎng)關與軟交換機間的協(xié)議

　　TMG與軟交換機之間的協(xié)議主要有MEGACO/H.248協(xié)議和MGCP協(xié)議。MEGACO/H.248由IETF和ITU聯(lián)合開發(fā)，協(xié)議簡單，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)議是在MEGACO/H.248之前的一個版本，它的靈活性和擴展性比不上MEGACO/H.248，同時在廠家支持方面也不如MEGACO/H.248協(xié)議。因此在移動軟交換網(wǎng)中，TMG與軟交換機之間通常采用MEGACO/H.248協(xié)議。

　　3.　信令網(wǎng)關與軟交換機間的協(xié)議

　　軟交換網(wǎng)與移動通信網(wǎng)的互通，還要求信令消息能夠在兩種性質的網(wǎng)絡中進行無縫傳輸。目前，業(yè)界主要采用IETF制定的SIGTRAN標準協(xié)議解決這一問題。SIGTRAN協(xié)議是支持通過IP網(wǎng)絡傳輸七號信令協(xié)議的協(xié)議棧，該協(xié)議棧支持七號信令協(xié)議分層模型定義中的層間標準原語接口，從而保證已有的七號信令應用可以未經(jīng)修改地使用，同時也利用標準的IP傳輸協(xié)議作為傳輸?shù)讓樱ㄟ^增加自身的功能來滿足七號信令的特殊傳輸要求。

　　4.　信令網(wǎng)關與移動通信網(wǎng)間的協(xié)議

　　軟交換網(wǎng)與移動通信網(wǎng)的互通，要求信令網(wǎng)關與移動通信網(wǎng)間必須使用相同的信令協(xié)議。在 GSM七號信令網(wǎng)中常用的高層協(xié)議包括用于語音呼叫的MISUP、移動性管理的MAP、智能網(wǎng)應用協(xié)議CAMEL等。

　　五、與移動七號信令網(wǎng)的互通

　　軟交換網(wǎng)中的信令網(wǎng)關（SG）是No.7信令網(wǎng)與IP網(wǎng)的邊緣接收和發(fā)送信令消息的信令代理，對信令消息進行中繼、翻譯或終結處理。其實質就是為了實現(xiàn)PSTN/PLMN端局與軟交換設備之間的No.7信令互通，實現(xiàn)信令承載層電路交換與IP分組的轉換功能。信令網(wǎng)關在No.7信令網(wǎng)和IP網(wǎng)的邊緣對呼叫信令進行實時轉接或協(xié)議轉換。因此，信令網(wǎng)關可以在呼叫控制、智能網(wǎng)以及移動網(wǎng)中提供多種多樣的應用。

　　目前，我國的移動No.7信令網(wǎng)已有很大規(guī)模，有成對的HSTP和LSTP，使用的信令協(xié)議種類也較多，應用層除了ISUP以外，用于移動性管理的MAP和智能網(wǎng)應用協(xié)議——CAP也在大規(guī)模的使用。軟交換系統(tǒng)與移動網(wǎng)互通時，信令網(wǎng)關與移動信令網(wǎng)直接相連，信令網(wǎng)關通常只做MTP層的信令處理，SCCP層以及應用層的協(xié)議的處理由軟交換機來完成。

　　信令網(wǎng)關與軟交換機之間采用SIGTRAN協(xié)議。SIGTRAN協(xié)議底層為傳輸層(SCTP協(xié)議)，上層為適配層(UA協(xié)議)。根據(jù)適配方式的不同，適配層協(xié)議又分為用戶適配層協(xié)議(M2UA或M3UA)和端對端適配層(M2PA)協(xié)議。下面分別對M2UA、M3UA和M2PA作一具體描述。

　　采用M2UA協(xié)議的信令互通方式如圖3所示。M2UA協(xié)議是在信令網(wǎng)關上終結MTP2，將MTP2和MTP3間的原語封裝成M2UA消息在信令網(wǎng)關和軟交換機間傳遞。這時，軟交換機必須具備MTP3及其以上層的窄帶協(xié)議功能，信令網(wǎng)關則實現(xiàn)MTP1、2層功能。這樣，信令網(wǎng)關作為軟交換機的一個2層信令代理，且信令網(wǎng)關不需要信令點編碼。M2UA協(xié)議主要是一種立足解決直連信令，而非準直連信令的軟交換網(wǎng)與電話交換網(wǎng)互通的協(xié)議。因此M2UA主要是用于規(guī)模不大的軟交換網(wǎng)。

采用M3UA協(xié)議的信令互通方式如圖4所示。M3UA協(xié)議是在信令網(wǎng)關上終結MTP3，將MTP3和MTP3用戶(如ISUP、MAP、CAP等)間的原語封裝成M3UA消息在信令網(wǎng)關功能和軟交換設備間傳遞。使用M3UA協(xié)議，軟交換機只須具備MTP3上層的窄帶協(xié)議，信令網(wǎng)關則必須實現(xiàn)MTP1、2、3層功能。由于有了MTP3層功能，信令網(wǎng)關就不像使用M2UA協(xié)議時那樣只能充當信令代理，而是可以充當信令代理(信令網(wǎng)關和軟交換共享信令點碼)，或是以信令轉接點(STP)的方式轉接信令(信令網(wǎng)關擁有自己獨立的信令點碼)。由于M3UA提供了細致的選路(如根據(jù)SI，OPC，CIC等)以及較完善的信令網(wǎng)管理消息互通(能夠將信令點可達性、用戶部分可達性、擁塞等狀態(tài)準確在電話交換網(wǎng)和IP側互通)，并且具備類似STP的組網(wǎng)能力，因此M3UA適用于軟交換網(wǎng)與移動網(wǎng)、智能網(wǎng)等復雜網(wǎng)絡的互通，并具備較大的組網(wǎng)靈活性。

　　采用M2PA協(xié)議的信令互通方式如圖5所示。M2PA協(xié)議是和SCTP協(xié)議一起實現(xiàn)MTP2的功能。通過M2PA協(xié)議，將一條SCTP在IP網(wǎng)的連接完全封裝成一條信令鏈路。而M2PA層之上的MTP3協(xié)議可以像管理一條七號信令鏈路一樣無縫地對其進行管理。這種方式相當于完全保留了成熟的MTP3的信令網(wǎng)絡和信令鏈路管理功能對IP信令鏈路進行管理，僅僅更換了七號信令網(wǎng)的承載。使用M2PA，信令網(wǎng)關和軟交換機均需具備獨立的信令點編碼。

　　移動軟交換網(wǎng)中的SG，由于往往TMG需要與GMSC、MSC以及增值業(yè)務平臺（如SCP、SMS等）設置七號信令鏈路，如果采用M2UA或M2PA將造成軟交換機上配置大量的SCTP鏈路，且由于M3UA具有較大的靈活性，因此移動軟交換網(wǎng)通常使用M3UA協(xié)議， 并以信令轉接點（STP）的方式轉接信令（信令網(wǎng)關擁有自己獨立的信令點碼）。

　　六、結束語

　　通過上面的論述，我們可以看到，在2G交換網(wǎng)中采用軟交換將給移動運營商帶來很大好處。中繼網(wǎng)關、信令網(wǎng)關是2G移動軟交換機網(wǎng)常用的兩種媒體網(wǎng)關。軟交換機間的BICC協(xié)議、軟交換機與媒體網(wǎng)關間的H.248協(xié)議以及軟交換機與信令網(wǎng)關之間SIGTRAN協(xié)議棧中的M3UA，是最適合當前我國2G移動網(wǎng)引入軟交換時候采用的協(xié)議。