軟交換在移動核心網中的應用

2019-11-03 10:22:51

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供稿：網友

雷震洲

　　摘要闡述了軟交換在3G(包括W-CDMA和cdma2000)、2G中的應用及從2G到3G的過渡，并介紹了在移動網中軟交換體系結構的特點。

　　關鍵詞核心網分組軟交換 MSC ATM

一、引言

　　隨著全球移動用戶的不斷增長，3G移動網將為用戶提供更寬的帶寬及各種新的服務，如筆記本電腦上網、收發帶附件的電子郵件、基于視像的服務、話音服務等。

　　移動核心網現正向分組過渡，話音也將過渡到分組網中。分組話音的出現在技術上對話音的傳送產生了很大的變化。在固定網Voip中，話音業務是在專用或共用IP網上以數據分組形式傳送的，而不是通過電路交換在占用整個通話時長的PSTN特定中繼線上傳送的。在移動網中，話音業務與傳統的固定電話一樣，也是通過移動交換中心(MSC)進行電路交換的。計劃中的3G移動網正在規范如何從電路交換話音傳送向分組話音傳送過渡，歐洲UMTS已經規定如何向分組核心網過渡，話音將在這個新的核心網上以分組形式傳送。

　　目前，在固定網VoIP中已經開始使用基于軟交換的體系結構，在這種結構中把4類機和5類機的電路交換分解為媒體網關和軟交換機。在向3G的過渡中，移動核心網引入基于軟交換的體系結構也將給全世界的移動運營商帶來許多好處。

二、軟交換在3G中的應用

　　目前，3GPP和3GPP2這兩個標準制定機構都在考慮軟交換的應用。3G移動網估計在2003-2005年期間將分別從兩大主線(3GPP的UMTS和3GPPS的cdma2000)進入較大規模建設。UMTS將從GSM網進行過渡，cdma2000將從第2代的CDMA網進行過渡。前者市場主要在歐洲，后者市場主要在北美和部分亞洲地區。

1.軟交換在UMTS中的應用

　　為從電路交換核心網過渡到全IP核心網，UMTS標準有3個版本，即：

(1)R99版本，已于2000年3月凍結；

(2)R4版本，已于2001年3月凍結(目前R99和R4正在組成UMTS最新的一套完整規范)；

(3)R5版本，計劃于2002年3月凍結，但被推遲了。

　　R99提供的業務與2.5G網提供的相同，在R99網中話音業務仍將占據很大份額，但它可以比2.5G網更及時、更經濟地引入新業務。R99規范了基于ATM的核心網，為從無線接入網(RAN)把話音業務傳向核心網，最終傳向PSTN，定義了Iu-cs電路交換接口。在基于軟交換的體系結構中，移動交換中心(MSC)將被分解為MSC的呼叫控制部分，后者提供傳統MSC的交換部分。在R99中，規定MSC是不予分解的，要求基于ATM的MSC是單一的，但是有些廠商已經開始提供符合R99的MSC服務器和媒體網關，即對MSC進行了分解。按照R99規范，MSC必須升級為ATM接口，以支持與3G無線網絡控制器(RNC)的連接。移動話機利用新的自適應多速率(AMR)聲碼器來傳送話音，該聲碼器包括8種不同的聲碼器速率，可以使移動網的性能達到最優化。AMR話音分組通過ATM自適應層2(AAL2)傳送到媒體網關或MSC，再變換為TDM送到公眾交換電話網(PSTN)中去。

　　服務提供商可選擇在R99網中跳過基于ATM的電路交換MSC，而直接選用符合R99的媒體網關和無線軟交換機。其好處是便于向R4過渡，因為R99網遲早要被R4網取代。如何抉擇主要取決于它們自己的判據(例如，現有網絡情況、與設備供應商的關系、向R4和R5過渡的時間表等)。　　R4版本利用同一ATM核心網，但規定要把MSC分解為軟交換機(MSC服務器)和媒體網關。R4的信令平面和用戶平面如圖1所示。R99，甚至2G系統的MSC也可以用軟交換機和媒體網關來取代。

　　對移動終端到移動終端的話音呼叫而言，話音分組可以直接利用無匯接運行(TFO)或無變碼器運行(TrFO)來傳送，以減少時延和改善話音質量。在R4中，當使用TrFO時，媒體網關可以是ATM交換機。在核心網中，話音利用AAL2通過ATM傳送。除了話音業務的交換與處理以外，軟交換機提供與2G和3G R99之MSC相同的服務，媒體網關完成把話音業務從分組核心網交換到傳統電路交換PSTN的工作。軟交換機通過標準的控制接口利用媒體網關控制(Megaco)協議來控制媒體網關。從表面看，無線軟交換機與固定網5類機的軟交換機一樣，但是無線軟交換機的軟件程序必須符合GSM和UMTS的規范，提供控制無線接入網(RAN)和移動用戶所必要的功能，由此增加的復雜性也必須服從基于標準的協議和流程，如CAMEL觸發器、GSM MoU要求的特點、用戶信息管理(SIM)流程、與原籍位置寄存器(HLR)的通信、與其它MSC的訪問位置寄存器(VLR)的通信等。這附加的復雜性使無線軟交換機比有線軟交換機復雜得多。

　　R5也是建立在分組核心網的基礎上，但規定要利用IPv6從ATM核心網過渡到全IP網，提供話音、數據和多媒體服務。對分組交換的數據來說，可以保證端到端的服務質量(QoS)。R5規范要求把MSC服務器分解為媒體網關控制功能(MGCF)和呼叫狀態控制功能(CSCF)，但它仍是軟交換機，只不過它現在處理的是多媒體呼叫控制，這與話音呼叫控制有很大不同。例如，在MGCF、CSCF和其它媒體服務器會晤啟始協議(SIP)代理之間用SIP來提供呼叫控制信令。又如，CSCF可以被限于僅把SIP指令傳送到另一應用服務器，再由該服務器為特殊會晤或呼叫執行呼叫控制。R5在標準委員會內還未最后定稿，但它將使新的基于分組的基礎設施、網元和協議得到充分利用是非常明確的。R5有可能引入新的寬帶多速率(WB-AMR)聲碼器來改善話音質量，WB-AMR已被ITU批準，在建議G.722.2中規定它既可用于UMTS，也可用于有線系統。R5有可能引入新的網元，如原籍用戶服務器(HSS)等。HSS管理有關移動用戶的信息，類似于2GHLR，但被擴展了，它還包括諸如位置信息(可用來開發基于位置的服務)之類的附加信息。VHE是使用戶個人服務能夠跨網(多個運營商)攜帶的一種概念，用戶可以利用個性化服務生成環境(PSE)來生成它們自己的服務環境。當用戶跨網漫游時，他們看到的是相同的個性化特點、用戶接口和計費機制。另外，在網中還可以加入應用服務器，通過基于Parlay/SIP-S協議的開放式接口(OSA)即可接入。應用服務器接收來自HSS、PSE以及CSCF的信息，這些不同的接口均為SIP的變型，它們用專門的句法在這種主動網絡中產生新的價值。有關OSS接口、供應、流量管理、QoS、計費以及對各網元與服務器的監測目前仍是開放的。

2.軟交換在cdma2000中的應用

　　cdma2000的標準是由3GPP2負責制定的。3GPP2包括下列技術規范組(TSG)：

(1)TSG-A(A-接口系統)：負責制定RAN和核心網之間的接口規范；

(2)TSC-C(cdma2000);負責制定cdma2000無線接口部分的規范；

(3)TSG-N(ANSI-41/WIN)：負責制定核心網部分的規范；

(4)TSG-P(無線分組數據互通)：負責制定互聯網與IP多媒體核心網部分的規范；

(5)TSG-S(服務與系統方面)：負責制定對系統服務能力的要求。

　　原來在TSG-S下面指定全IP特別工作組(All IP AdHoc)，來定義為了支持將來全IP無線互聯網接入所需的高級要求和網絡體系結構。現在此工作組已不再活動，其工作劃歸TSG-N。

　　3GPP2最初的規范基于cdma2000 1x技術，能提供話音業務和高達144kbit/s 的分組數據。在這一階段，3GPP2參考模型引入RAN與新的分組數據服務節點(PDSN)之間的接口，以提供高速分組數據(互聯網)業務，話音業務繼續由電路交換的MSC支持。標準的重點是納入基于TIA-EIA-41的服務和解決互通問題。如前所述，此時MSC也可以用基于軟交換結構的MSC來取代，既可具備電路交換能力，也可具備分組數據能力，它取決于RAN提供的是電路接口，還是分組接口。

　　標準的下一階段是引入1XEV-DO技術，它只提供高速數據CDMA信道。利用與1X一樣的1.24MHZ信道，下行鏈路數據速率高達2.4Mbit/s，上行鏈路數據速率為307kbit/s。由于1XEV-DO的重點是傳數據，所以對話音業務而言，它繼續支持電路交換的MSC。3GPP2的再下一階段是同時支持話音和數據的1XEV-DV。它同樣利用1.24MHZ的信道，可同時支持話音和到達5Mbit/s的數據速率。由于這一技術是同時支持話音和數據業務的，因此在這一階段制定的標準要滿足全IP核心網的所有要求。全IP核心網的規范由TSG-N來指定。核心網的體系結構將遵照3GPP R5 IP網絡模型，它由MSC服務器(MGCF&CSCF)、媒體網關和信令網關組成，另外還可通過開放的服務接入(open service access)加入新的應用或特色服務器。因為它具有到HLR和VLR的附加接口，所以這種軟交換結構能夠方便地支持電路交換的核心 IP(CS Core IP)結構。

三、軟交換在2G網中的應用

　　軟交換不僅可以用于3G網，而且在2G網中也可得到某些應用。以下是軟交換在2G網中的一些應用舉例。

1.用作IMT的分組回程

　　目前，大多數MSC都是利用網狀網結構來互聯的。每一MSC都使用基于TDM的機間中繼線(IMT)與另外若干MSC相連(見圖2)。在MSC上的IMT中繼線服務于3種連接方式：

(1)用于當正打電話的用戶從一個MSC服務區移至另一MSC服務器時發生的MSC間切換；

(2)用于在MSC之間始發與終結的呼叫；

(3)用于在移動網與PSTN之間始發與終結的呼叫。

　　這些中繼線把MSC與PSTN的4類或5類交換機相連起來，對于網中最重要的部分，都用網狀網結構把MSC互聯起來。這種做法在網絡規模小時是可以管理的，但當網絡擴張，它就變得極難管理。網狀網的另一缺點是傳送成本高，因為MSC之間所需的中繼線多。運營商想降低成本與網絡復雜性的捷徑就是在其網絡中引入基于軟交換的分組匯接交換能力，不用基于電路的IMT中繼線來為呼叫選路，而是在網絡核心的IP網上為呼叫選路。要使這種方法有吸引力，必須讓它最低限度地影響目前的網絡結構。具體做法就是采用分組匯接的辦法，就是由一個集中的軟交換機來控制分布在各處的媒體網關。出自各MSC的IMT中繼線一般終接在與MSC同處一地的媒體網關，來自PSTN的中繼線也終接于這些媒體網關，媒體網關完成話音的分組變換以及在軟交換機的控制下為話音呼叫選路，并把它送到目的地MSC。因為，MSC仍在TDM電路上為呼叫選路，故這種體系結構對MSC的影響最小。其好處是由于在MSC之間消除了點到點的TDM中繼線，從而降低了長途傳送成本及簡化了網絡體系結構。當網絡繼續擴張并增加新的MSC時，在分組核心網中增加IMT中繼線，無需建立到所有MSC的、基于電路的中繼線。圖2比較了網狀網結構和基于分組的結構。

2.用分組IMT網在網關與MSC之間選路

　　在分組回程方案中，媒體網關也接收來自PSTN的呼叫。當呼叫從PSTN到達媒體網關時，Gateway-MSC服務器利用GSM-MAP或ANSI-41 SS7消息來詢問HLR的用戶數據庫，從而斷定移動終端的位置。然后把呼叫轉發至訪問MSC，通常都旁路原籍MSC，以釋放原籍MSC的容量來處理新來的呼叫，增加營業收入。由于輸入呼叫總是要被轉發至現有MSC并被記錄下來，所以媒體網關與MSC之間的選路不產生新的計費記錄。這是4類機VoIP選路匯接應用的延伸。在這種應用中，選路匯接是移動網感知的，可以詢問移動HLR，然后決定輸入呼叫與服務MSC之間的路由。無論對分組IMT網，還是對Gateway-MSC選路應用而言，軟交換機都利用MGCP或Megaco控制協議來控制媒體網關。

四、從2G向3G的過渡

　　從2G向3G演進，最要緊的是盡可能地平滑過渡。在過渡中要做到：

(1)不斷擴大業務范圍，直至包括高速多媒體業務；

(2)利用分組基礎設施來建立核心網的基礎；

(3)利用公共核心網來實現2G與3G間業務的互通，讓用戶通達其它外部網絡，增加運營商提供服務的機會。

　　網絡過渡的初期階段可以從部署分組重疊數據網(既可以是IP網，也可以是IPover ATM網，如GPRS等)開始，并在2G系統中提供數據業務，這一階段是邁向UMTS R99所要求之ATM網之第一步。它利用重疊網的辦法來提供數據業務，故運營商必須同時保持電路交換的話音網，此時核心網將提供RAN之間的互操作性以及與外部話音網的連接性，并支持新的應用服務，它還將快速提供新業務的靈活性。如前所述，當走向話音和數據融合的3G網時，運營商可以把它們的IMT話音中繼線分組化，并使用基于分組的Gateway-MSC應用，以降低運行成本。運營商將在每一MSC處安裝媒體網關，在那里對話音進行分組化，然后送到核心數據網上。此核心網今后還可利用基于軟交換的分布式體系結構演進為可同時包括話音和數據應用，3GPP已經在R4中把這種體系結構規定為新的3GUMTS核心網體系結構。

五、在無線網中軟交換體系結構的特點和好處

1.分布式交換

　　傳統電路交換網利用集中的MSC在RAN和PSTN之間完成話音交換。由于運行成本和運維人員成本高，運營商都建大型集中的MSC，其代價是要建來自各城市RAN的回程話音電路。由于多數呼叫是本地的，這就造成電路加倍，從本地RAN到MSC，又從MSC到本地PSTN，如圖3所示。圖3所示的是基于軟交換的體系結構，它由集中的MSC服務器/軟交換機與分布的媒體網關組成，呼叫控制與話音處理/交換是分開的，媒體網關可以布設在提供最大價值的場合，復雜的呼叫控制被集中在一起。通過部署分布式交換，運營商可以明顯降低回程費用。

　　利用基于軟交換的分布式體系結構的另一主要好處是話音業務和GPRS數據可以共用核心網。運營商可能不用像2.5G那樣需要兩個網，只需一個網即可。

2.開放智能業務不需對所有MSC升級

　　移動運營商利用移動智能網(IN)開放基于標準的業務。移動IN的GSM標準是移動增強邏輯定制應用(CAMEL)的標準。北美CDMA與TDMA也在對無線智能網(WIN)進行標準化。雖然當前許多業務(如預付費業務等)是利用IN協議的專有擴充來提供的，但是想把這些業務延伸至漫游者就需要實施基于標準的CAMEL&WIN業務。CAMEL和WIN兩者都使用集中的智能網節點即業務控制點(SCP)。經過升級的MSC在某些點上要把呼叫控制移交給SCP，由SCP執行業務邏輯，當部署新業務時，運營商必須對所有的MSC進行升級和安裝觸發器。這樣做的缺點是：

(1)成本高，因為要對每一MSC進行升級，費錢費時；

(2)MSC實時處理代價高，因為所裝CAMEL觸發器可能占據MSC處理能力的5%-20%。這意味著與未裝觸發器的MSC相比，每MSC將少支持5%-20%的無線用戶，這是很大的代價；

(3)軟件成本高，因為MSC軟件升級也需相關費用；

(4)業務投放市場時間長，因為在傳統電路交換MSC上開發軟件需要時間長。

　　比較經濟的辦法是把這些觸發器卸下來，放到軟交換機上去。由移動終端將基于所裝的觸發器對SCP發起詢問。由于觸發器集中裝在軟交換機中，從而減輕流量MSC的負擔。利用軟交換結構可開放的智能業務包括無線號碼攜帶、號碼共用、預付費漫游、長途免費業務等。

3.通過軟交換利用基于IP的服務平臺來開放業務

　　國際軟交換論壇應用工作組制定了一種應用框架。在此框架中，軟交換機可以使用SIP或LDAP來接入基于IP的應用服務器獲得服務。這些基于IP的服務平臺其工作方式與SCP相同，但它們的成本低很多，而且更加靈活。一旦數據庫被移到更現代的平臺，軟交換機可以利用SIP或LDAP來對它們進行詢問。

五、結束語

　　早期軟交換的發展主要是針對有線網的應用，但是這種技術給無線運營商也帶來了很大好處。在軟交換協會(ISC)中，專門成立了一個無線工作組，來研究如何把軟交換結構運用到無線網中。該工作組認為，MSC服務器、媒體網關和信令網關最終將取代移動核心網中的傳統MSC。由于3G剛剛開始建設，2G還在發展，所以在2G和3G網中軟交換都可以得到應用，使運營商能夠構筑更經濟有效的網絡和提供先進的服務，創造更多的收入。

　　在UMTS試驗網以及在2G網中部署的無線軟交換機將是在無線環境中應用軟交換的先驅者。在國外，一些運營商則在等待設備廠商推出3G的MSC、一些運營商則已經準備用軟交換逐漸改進其網絡。Winphoria,Spatial Wireless ,Cambia Networks和Airslide Systems等公司已經開始推出一些迎合運營商需求的產品。

摘自《電信網技術》

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