軟交換技術(shù)在2G交換網(wǎng)中的應(yīng)用

軟交換技術(shù)在2G交換網(wǎng)中的應(yīng)用

一、概述

　　第三代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)是移動(dòng)通信領(lǐng)域的下一代網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展中，軟交換技術(shù)和IP技術(shù)得到充分體現(xiàn)。然而，軟交換技術(shù)在移動(dòng)網(wǎng)的應(yīng)用不是只能從3G網(wǎng)絡(luò)開始，事實(shí)上在3G即將到來之前，軟交換技術(shù)已經(jīng)逐漸在2G的網(wǎng)絡(luò)中嶄露頭角。中國移動(dòng)2004年建成軟交換長(zhǎng)途匯接網(wǎng)后，各地移動(dòng)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(shù)構(gòu)建移動(dòng)匯接局TMSC、關(guān)口局GMSC以及端局MSC。

　　從業(yè)界情況看，國外已有固網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商在商用中大規(guī)模采用軟交換技術(shù)，更多的固定/移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商正在試驗(yàn)軟交換技術(shù)。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(gòu)建設(shè)3G核心網(wǎng)已成定局。相信隨著3G應(yīng)用的推遲，軟交換技術(shù)/設(shè)備的成熟，在現(xiàn)有的2G網(wǎng)絡(luò)上盡早引入軟交換技術(shù)，積累軟交換的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，將會(huì)給運(yùn)營(yíng)商的未來發(fā)展帶來更多好處。

　　二、移動(dòng)軟交換的體系結(jié)構(gòu)

　　在軟交換構(gòu)建的開放體系架構(gòu)中，通過呼叫控制與媒體交換/承載的分離，實(shí)現(xiàn)了開放的分層架構(gòu)，各層次網(wǎng)絡(luò)單元通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議互通，可以各自獨(dú)立演進(jìn)，以適應(yīng)未來技術(shù)的發(fā)展。軟交換主要包含兩個(gè)層次：呼叫控制層和媒體網(wǎng)關(guān)層。

　　1.　呼叫控制層

呼叫控制層完成各種呼叫控制，并負(fù)責(zé)相應(yīng)業(yè)務(wù)處理信息的傳送。呼叫控制層中的物理實(shí)體是軟交換機(jī)(SS：SoftSwitch)，軟交換機(jī)的主要功能如下：

　　● 對(duì)接入層的各種媒體網(wǎng)關(guān)的控制，指示媒體網(wǎng)關(guān)應(yīng)與哪個(gè)媒體網(wǎng)關(guān)建立連接關(guān)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(wù)流量控制；

　　● 基本話音業(yè)務(wù)的呼叫處理和連接控制；

　　● 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的處理和連接控制；

　　● 提供與更高層應(yīng)用的接口；

　　● 計(jì)費(fèi)功能。

　　2.　媒體網(wǎng)關(guān)層

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

　?。?）中繼媒體網(wǎng)關(guān)(TMG)　　用于與電路交換網(wǎng)相連，負(fù)責(zé)將電路交換網(wǎng)中的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換為軟交換網(wǎng)中傳送的IP媒體流。用軟交換設(shè)備構(gòu)建的TMSC、GMSC或者M(jìn)SC，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(dòng)的長(zhǎng)途匯接網(wǎng)在各個(gè)省會(huì)城市設(shè)置了TMG，TMG之間的話務(wù)采用IP承載，通過建設(shè)獨(dú)立的IP專網(wǎng)來滿足移動(dòng)長(zhǎng)途網(wǎng)話音業(yè)務(wù)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(shí)，由于初期軟交換網(wǎng)元數(shù)量較少，通常只有二三個(gè)，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(fù)雜程度。

　　（2）信令網(wǎng)關(guān)(SG)　　用于與電路型交換網(wǎng)中的七號(hào)信令網(wǎng)相連，將窄帶七號(hào)信令轉(zhuǎn)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(wù)量不大的時(shí)候，可以考慮SG與TMG合設(shè)的方式，當(dāng)信令業(yè)務(wù)量增大時(shí)再考慮設(shè)置獨(dú)立的SG。

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

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三種信令網(wǎng)關(guān)設(shè)置方式下移動(dòng)軟交換結(jié)構(gòu)如圖1所示 。

　　三、軟交換在GSM交換網(wǎng)中的優(yōu)勢(shì)

　　1． 大容量、高集成度

　　由于近年來設(shè)備生產(chǎn)商對(duì)軟交換技術(shù)研發(fā)的大力投入，軟交換設(shè)備構(gòu)造的MSC在容量和集成度方面遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)交換機(jī)。表1為中興、華為、Alcatel三個(gè)廠家軟交換設(shè)備的單局容量表。以華為公司G9軟交換機(jī)為例，用其構(gòu)建MSC時(shí)單局最大容量180萬，構(gòu)建TMSC、GMSC時(shí)單局最大容量為7056個(gè)E1，并且達(dá)到最大容量時(shí)只需要6個(gè)機(jī)柜，占僅幾個(gè)平米。而用傳統(tǒng)交換機(jī)構(gòu)建MSC時(shí)單局最大容量一般在60萬左右，構(gòu)建TMSC、GMSC時(shí)單局最大容量200個(gè)E1左右，機(jī)柜數(shù)量也在10個(gè)以上。

表　1

　　軟交換機(jī)將傳統(tǒng)交換機(jī)的功能模塊分離成為獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)部件，各個(gè)部件可以按相應(yīng)的功能劃分，各自獨(dú)立發(fā)展。部件間的協(xié)議接口基于相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，有利于實(shí)現(xiàn)各種異構(gòu)網(wǎng)的互通。媒體網(wǎng)關(guān)可實(shí)現(xiàn)拉遠(yuǎn)，與軟交換機(jī)可分開放置，使得它們各自可以獨(dú)立地進(jìn)行工程實(shí)施、擴(kuò)容和布局。 由于業(yè)務(wù)升級(jí)遠(yuǎn)多于媒體交換能力升級(jí)，而采用軟交換后，軟交換機(jī)的數(shù)量遠(yuǎn)小于媒體網(wǎng)關(guān)的數(shù)量，這將帶來大量軟件升級(jí)費(fèi)用的節(jié)省。

　　移動(dòng)軟交換分布式組網(wǎng)如圖2所示。對(duì)于MSC來說，將媒體網(wǎng)關(guān)分散拉遠(yuǎn)，可以更加靠近BSC，減少話務(wù)迂回，節(jié)省傳輸。對(duì)于TMSC、GMSC來說，可將媒體網(wǎng)關(guān)分散到

　　不同的本地網(wǎng)，做到話務(wù)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(gè)版本。其中R6版本不涉及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，主要是業(yè)務(wù)研究。涉及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的是R99、R4和R5，軟交換技術(shù)在R4和R5網(wǎng)絡(luò)中得到了充分的應(yīng)用。應(yīng)用軟交換技術(shù)后，R99網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)交換中心（MSC）在R4網(wǎng)絡(luò)中被分解為MSC服務(wù)器（軟交換機(jī)）和媒體網(wǎng)關(guān)，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(luò)中更是增加了基于軟交換架構(gòu)的IP多媒體（IMS）域。

　　像中國移動(dòng)這樣有著龐大2G網(wǎng)絡(luò)資源的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商，向3G網(wǎng)絡(luò)過渡時(shí)如何充分利用和保護(hù)2G網(wǎng)絡(luò)的投資成為首要考慮的問題之一。傳統(tǒng)的2G交換機(jī)與R4及以上的版本要求的電路域交換機(jī)硬件平臺(tái)差距很大，通常需要建3G交換機(jī)。而利用軟交換技術(shù)構(gòu)造的2G交換機(jī)，可以通過簡(jiǎn)單的軟件升級(jí)改造成為2G/3G兼容的電路域交換機(jī)，大大減少了3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資，并且能幫助運(yùn)營(yíng)商及早積累軟交換運(yùn)行和維護(hù)方面的經(jīng)驗(yàn)。

　　4． 增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)可靠性

　　在傳統(tǒng)的2G交換網(wǎng)中，合一的交換設(shè)備實(shí)體使得想通過設(shè)備冗余提高網(wǎng)絡(luò)可靠性是很困難的。應(yīng)用軟交換技術(shù)后，可以通過設(shè)置N+1冗余軟交換機(jī)的方式，或者利用軟交換機(jī)與媒體網(wǎng)關(guān)之間"雙歸屬" 提供網(wǎng)絡(luò)級(jí)容災(zāi)機(jī)制，確保大容量交換機(jī)的可靠性。

　　四、移動(dòng)軟交換協(xié)議的選擇

　　國際上從事軟交換相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定的組織主要是IETF和ITU-T。軟交換體系架構(gòu)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(dòng)網(wǎng)引入軟交換時(shí)，要根據(jù)移動(dòng)網(wǎng)的特點(diǎn)和互通的需要選擇適合的協(xié)議。

　　1.　軟交換機(jī)之間的協(xié)議

　　目前，業(yè)界軟交換機(jī)之間采用的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，主要是將七號(hào)信令中的ISUP協(xié)議進(jìn)行封裝，SIP-T是IETF制定的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，主要是對(duì)SIP協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展。

　　在2G移動(dòng)網(wǎng)引入軟交換的局，依然以承載窄帶話音業(yè)務(wù)為主。而BICC協(xié)議對(duì)窄帶話音業(yè)務(wù)的支持能力較SIP-T強(qiáng)，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(dòng)網(wǎng)軟交換機(jī)之間通常采用BICC(CS2)/SCTP/IP進(jìn)行通信。

　　2.　中繼媒體網(wǎng)關(guān)與軟交換機(jī)間的協(xié)議

　　TMG與軟交換機(jī)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(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，擴(kuò)展性好，允許在呼叫控制層下建立多個(gè)分區(qū)網(wǎng)關(guān)；MGCP協(xié)議是在MEGACO/H.248之前的一個(gè)版本，它的靈活性和擴(kuò)展性比不上MEGACO/H.248，同時(shí)在廠家支持方面也不如MEGACO/H.248協(xié)議。因此在移動(dòng)軟交換網(wǎng)中，TMG與軟交換機(jī)之間通常采用MEGACO/H.248協(xié)議。

　　3.　信令網(wǎng)關(guān)與軟交換機(jī)間的協(xié)議

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

　　4.　信令網(wǎng)關(guān)與移動(dòng)通信網(wǎng)間的協(xié)議

　　軟交換網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)的互通，要求信令網(wǎng)關(guān)與移動(dòng)通信網(wǎng)間必須使用相同的信令協(xié)議。在 GSM七號(hào)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(dòng)性管理的MAP、智能網(wǎng)應(yīng)用協(xié)議CAMEL等。

　　五、與移動(dòng)七號(hào)信令網(wǎng)的互通

　　軟交換網(wǎng)中的信令網(wǎng)關(guān)（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(duì)信令消息進(jìn)行中繼、翻譯或終結(jié)處理。其實(shí)質(zhì)就是為了實(shí)現(xiàn)PSTN/PLMN端局與軟交換設(shè)備之間的No.7信令互通，實(shí)現(xiàn)信令承載層電路交換與IP分組的轉(zhuǎn)換功能。信令網(wǎng)關(guān)在No.7信令網(wǎng)和IP網(wǎng)的邊緣對(duì)呼叫信令進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)接或協(xié)議轉(zhuǎn)換。因此，信令網(wǎng)關(guān)可以在呼叫控制、智能網(wǎng)以及移動(dòng)網(wǎng)中提供多種多樣的應(yīng)用。

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

　　信令網(wǎng)關(guān)與軟交換機(jī)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(duì)端適配層(M2PA)協(xié)議。下面分別對(duì)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(guān)上終結(jié)MTP2，將MTP2和MTP3間的原語封裝成M2UA消息在信令網(wǎng)關(guān)和軟交換機(jī)間傳遞。這時(shí)，軟交換機(jī)必須具備MTP3及其以上層的窄帶協(xié)議功能，信令網(wǎng)關(guān)則實(shí)現(xiàn)MTP1、2層功能。這樣，信令網(wǎng)關(guān)作為軟交換機(jī)的一個(gè)2層信令代理，且信令網(wǎng)關(guān)不需要信令點(diǎn)編碼。M2UA協(xié)議主要是一種立足解決直連信令，而非準(zhǔn)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(guān)上終結(jié)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(guān)功能和軟交換設(shè)備間傳遞。使用M3UA協(xié)議，軟交換機(jī)只須具備MTP3上層的窄帶協(xié)議，信令網(wǎng)關(guān)則必須實(shí)現(xiàn)MTP1、2、3層功能。由于有了MTP3層功能，信令網(wǎng)關(guān)就不像使用M2UA協(xié)議時(shí)那樣只能充當(dāng)信令代理，而是可以充當(dāng)信令代理(信令網(wǎng)關(guān)和軟交換共享信令點(diǎn)碼)，或是以信令轉(zhuǎn)接點(diǎn)(STP)的方式轉(zhuǎn)接信令(信令網(wǎng)關(guān)擁有自己獨(dú)立的信令點(diǎn)碼)。由于M3UA提供了細(xì)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?qū)⑿帕铧c(diǎn)可達(dá)性、用戶部分可達(dá)性、擁塞等狀態(tài)準(zhǔn)確在電話交換網(wǎng)和IP側(cè)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(dòng)網(wǎng)、智能網(wǎng)等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(hào)信令鏈路一樣無縫地對(duì)其進(jìn)行管理。這種方式相當(dāng)于完全保留了成熟的MTP3的信令網(wǎng)絡(luò)和信令鏈路管理功能對(duì)IP信令鏈路進(jìn)行管理，僅僅更換了七號(hào)信令網(wǎng)的承載。使用M2PA，信令網(wǎng)關(guān)和軟交換機(jī)均需具備獨(dú)立的信令點(diǎn)編碼。

　　移動(dòng)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(wù)平臺(tái)（如SCP、SMS等）設(shè)置七號(hào)信令鏈路，如果采用M2UA或M2PA將造成軟交換機(jī)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(dòng)軟交換網(wǎng)通常使用M3UA協(xié)議， 并以信令轉(zhuǎn)接點(diǎn)（STP）的方式轉(zhuǎn)接信令（信令網(wǎng)關(guān)擁有自己獨(dú)立的信令點(diǎn)碼）。

　　六、結(jié)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(dòng)運(yùn)營(yíng)商帶來很大好處。中繼網(wǎng)關(guān)、信令網(wǎng)關(guān)是2G移動(dòng)軟交換機(jī)網(wǎng)常用的兩種媒體網(wǎng)關(guān)。軟交換機(jī)間的BICC協(xié)議、軟交換機(jī)與媒體網(wǎng)關(guān)間的H.248協(xié)議以及軟交換機(jī)與信令網(wǎng)關(guān)之間SIGTRAN協(xié)議棧中的M3UA，是最適合當(dāng)前我國2G移動(dòng)網(wǎng)引入軟交換時(shí)候采用的協(xié)議。