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軟交換的體系結構

2008/08/29

1、引言

　　隨著(zhù)信息化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，人們已越來(lái)越不滿(mǎn)足于現有GSM網(wǎng)絡(luò )以窄帶方式提供的單一語(yǔ)音服務(wù)，提供寬帶化、智能化、個(gè)人化移動(dòng)多媒體服務(wù)的需求日益劇增。

　　下一代網(wǎng)絡(luò )泛指一個(gè)以IP為中心，可以支持語(yǔ)音、數據和多媒體業(yè)務(wù)融合全新的網(wǎng)絡(luò )。3G不是現有移動(dòng)網(wǎng)和IP網(wǎng)的簡(jiǎn)單疊加，也不是單項節點(diǎn)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的結合，而是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )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(yǔ)音、數據和多媒體業(yè)務(wù)的融合方案。基于軟交換技術(shù)和IP技術(shù)構建出分層開(kāi)放的體系架構全新的網(wǎng)絡(luò )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(luò )融合的新一代多媒體業(yè)務(wù)整體解決方案，具有層次化、呼叫控制與承載分離、快速開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)、集中部署業(yè)務(wù)等特點(diǎn)，可以向用戶(hù)提供包含PSTN話(huà)音、無(wú)線(xiàn)話(huà)音、基礎數據、多媒體數據等各種業(yè)務(wù)。通過(guò)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )結構，不但實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )的融合，更重要的是實(shí)現了業(yè)務(wù)的融合，使得包交換網(wǎng)絡(luò )能夠繼承原有電路交換網(wǎng)中豐富的業(yè)務(wù)功能，同時(shí)，可以在全網(wǎng)范圍內快速提供原有網(wǎng)絡(luò )難以提供的新型業(yè)務(wù)。

　　在軟交換構建的開(kāi)放體系架構中，通過(guò)呼叫控制與媒體交換/承載的分離，實(shí)現了開(kāi)放的分層架構，各層次網(wǎng)絡(luò )單元通過(guò)標準協(xié)議互通，可以各自獨立演進(jìn)，以適應未來(lái)技術(shù)的發(fā)展。軟交換主要包含兩個(gè)層次： 3、軟交換的特點(diǎn)

(1)分布式交換降低運營(yíng)成本

　　傳統電路交換網(wǎng)存在布點(diǎn)多、運行成本和運維人員成本高的問(wèn)題。而基于軟交換的體系結構由集中的MSC服務(wù)器/軟交換機與分布的媒體網(wǎng)關(guān)組成，呼叫控制與話(huà)音處理/交換是分開(kāi)的，媒體網(wǎng)關(guān)可以布設在提供最大價(jià)值的地方，復雜的呼叫控制被集中在一起。通過(guò)部署分布式交換，可以實(shí)現靈活的組網(wǎng)方式，可以有效地解決傳統組網(wǎng)模式中容量、覆蓋和路由迂回的矛盾，便于進(jìn)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(kāi)放智能業(yè)務(wù)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(gè)網(wǎng)元，無(wú)論是業(yè)務(wù)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(guò)升級的MSC要把呼叫控制移交給移動(dòng)智能網(wǎng)(IN)節點(diǎn)——業(yè)務(wù)控制點(diǎn)SCP，由SCP執行業(yè)務(wù)邏輯。這樣導致業(yè)務(wù)提供成本高，MSC實(shí)時(shí)處理代價(jià)高，軟件成本高。而在軟交換的3GPPR4架構中，媒體網(wǎng)關(guān)和MSC服務(wù)器的分離使得它們各自可以獨立的進(jìn)行工程實(shí)施、擴容和布局。由于業(yè)務(wù)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(wù)器數量遠小于媒體網(wǎng)關(guān)的數量，這將帶來(lái)大量軟件升級費用的節省。

4、移動(dòng)軟交換的功能

　　移動(dòng)軟交換是多種邏輯功能實(shí)體的集合，提供綜合業(yè)務(wù)的呼叫控制、連接以及部分業(yè)務(wù)功能，是3GPPR4及以后階段軟交換系統核心網(wǎng)中的電路域實(shí)時(shí)語(yǔ)音/數據業(yè)務(wù)呼叫、控制、業(yè)務(wù)提供的核心設備。其主要功能包括以下幾個(gè)部分：

(1)移動(dòng)性管理功能

　　主要完成切換(包括UMTS系統內、GSM系統內以及GSM與UMTS系統間的切換)、登記和移動(dòng)臺去話(huà)功能。還具有VLR功能，包括用戶(hù)數據管理、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(hù)鑒權、TMSI使用和用戶(hù)信息加密。

(3)呼叫控制和處理功能

　　移動(dòng)交換服務(wù)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(lái)自業(yè)務(wù)交換功能的監視請求，并對其中與呼叫相關(guān)的事件進(jìn)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系統的兼容，成為我國GSM運營(yíng)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(cháng)、各有所用，是互存、互補的關(guān)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A(yíng)NSI-41核心網(wǎng)，但目前的標準允許任何無(wú)線(xiàn)接口同時(shí)兼容兩個(gè)核心網(wǎng)，這樣可以通過(guò)在無(wú)線(xiàn)接口上定義相應的兼容協(xié)議來(lái)接入不同的核心網(wǎng)。

　　GSM交換網(wǎng)向3G核心網(wǎng)的演進(jìn)。3GPP組織主要負責制定基于GSM的核心網(wǎng)、以WCDMA和CDMATDD為無(wú)線(xiàn)接口的標準，到目前為止已經(jīng)有四個(gè)版本，即R99、R4、R5和R6，這里著(zhù)重討論核心網(wǎng)部分。

5.1R99網(wǎng)絡(luò )結構

　　R99是比較成熟的版本，其無(wú)線(xiàn)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(luò )基礎上演進(jìn) 可以看出，R99核心網(wǎng)類(lèi)似于目前GSM交換子系統與GPRS交換子系統的疊加，包括GSM電路交換部分及分組域部分，分別用于支持話(huà)音業(yè)務(wù)及數據業(yè)務(wù)，完全體現了2G向3G平滑過(guò)渡的思想。不同的是，由于無(wú)線(xiàn)部分引入了可實(shí)現3G業(yè)務(wù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)，核心網(wǎng)采用新定義的Iu接口與3G無(wú)線(xiàn)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(wù)的Iu-PS兩部分。相對于GPRS，R99增加了服務(wù)級別的概念，提高了分組域的業(yè)務(wù)質(zhì)量保證能力，增加了帶寬;在系統能力方面，目前除了支持GSM/GPRS提供的所有業(yè)務(wù)以外，還支持下行速率為384kb/s的數據業(yè)務(wù);在業(yè)務(wù)方面，智能網(wǎng)規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(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)即可實(shí)現3G業(yè)務(wù)，極大地保護了運營(yíng)商的現有投資，有利于運營(yíng)商迅速開(kāi)展3G業(yè)務(wù)。

5.2R4網(wǎng)絡(luò )結構

　　與R99版本比較，R4的無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )結構并沒(méi)有變化，只是改進(jìn)了一些接口協(xié)議特性以提高系統性能。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(kāi)，原來(lái)的MSC變?yōu)镸SC服務(wù)器和媒體網(wǎng)關(guān)MGW，話(huà)音通過(guò)MGW由分組域來(lái)傳送。

　　可以看出，R4核心網(wǎng)已由TDM中心節點(diǎn)交換型演進(jìn)為典型的分組話(huà)音分布式體系結構，網(wǎng)絡(luò )采用開(kāi)放式結構，業(yè)務(wù)邏輯與底層承載相分離，話(huà)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A(yíng)TM和IP的方案，七號信令的移動(dòng)應用協(xié)議MAP和CAP也可以通過(guò)分組網(wǎng)絡(luò )來(lái)傳送，為核心網(wǎng)向全IP的演進(jìn)邁出非常關(guān)鍵的一步。R4的組網(wǎng)方式在技術(shù)先進(jìn)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(shù)。但是，運營(yíng)商選擇R99網(wǎng)絡(luò )向R4升級時(shí)，只需要對電路域進(jìn)行升級，可以保留R99無(wú)線(xiàn)部分和分組域并保持原有組網(wǎng)方式，3GPP規范良好的向后兼容性支持R4以至于R5的無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)都可以和R99的電路域很好地配合。

5.3R5網(wǎng)絡(luò )結構

　　R5版本是全IP(或全分組化)的第一個(gè)版本，在無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)方面，提出了高速下行分組接入HSDPA技術(shù)，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(即IMS系統)，它和分組域一起實(shí)現實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)的多媒體業(yè)務(wù)，并可以實(shí)現與電路域的互操作。在R5中仍然保留電路域并實(shí)現與IMS的互操作主要是保護運營(yíng)商的R99的網(wǎng)絡(luò )投資。全IP的組網(wǎng)方式是網(wǎng)絡(luò )演進(jìn)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(shí)體包括：呼叫控制服務(wù)器(CSCF)、媒體網(wǎng)關(guān)控制服務(wù)器(MGCF)、IM-MGW、MRF以及BGCF等，CSCF的作用是完成入呼叫網(wǎng)關(guān)功能，呼叫業(yè)務(wù)觸發(fā)功能和路由選擇功能，是最主要的軟交換控制實(shí)體，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的核心，支持SIP協(xié)議處理SIP會(huì )話(huà)。P-CSCF是UE接入IMS系統的入口，實(shí)現了在SIP協(xié)議中的Proxy和UserAgent功能;MGCF的作用是根據被叫號碼和來(lái)話(huà)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(lèi)似，與MGCF一起完成資源控制，以及通過(guò)回波消除器和碼轉換器，實(shí)現媒體轉換和幀協(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(jìn)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(shí)，完成信令轉發(fā)功能。

5.4R6網(wǎng)絡(luò )結構

　　R6版本核心網(wǎng)在R5IMS基礎上提出的網(wǎng)絡(luò )框架基本沒(méi)有改變，只是將PDF(PolicyDecisionFunction)從P-CSCF中分離出來(lái)，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(wèn)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(huì )話(huà)中請求的參數，端到端的QoS要求則分段映射到網(wǎng)絡(luò )的各個(gè)層面。R6在功能上更加完善，能夠支持OMA提出的新業(yè)務(wù)，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò )上，在互通和兼容性上進(jìn)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(wù)，并在IETFSIP協(xié)議的基礎上對協(xié)議進(jìn)行了擴展。

　　不論是現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(luò )，比如CDMA2000是基于A(yíng)NSI-41;WCDMA99/TD-SCDMA是基于傳統的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(shí)現全IP的核心網(wǎng)。顯然全IP的核心網(wǎng)絡(luò )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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)接入方式。在3G的R6中已經(jīng)開(kāi)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(shí)QoS、對稱(chēng)性等)為用戶(hù)享受語(yǔ)音、數據、多媒體業(yè)務(wù)提供更多的接入方式選擇;它們可通過(guò)共用開(kāi)放的業(yè)務(wù)平臺融合不同的業(yè)務(wù)引擎實(shí)現網(wǎng)絡(luò )間互通;根據網(wǎng)絡(luò )服務(wù)區內的性能，用戶(hù)可以手工或者自動(dòng)選擇接入那個(gè)網(wǎng)絡(luò );支持WLAN和3G網(wǎng)絡(luò )的運營(yíng)支撐系統，可以對雙網(wǎng)實(shí)現統一的運營(yíng)管理、計費、甚至用戶(hù)身份認證，最大限度降低網(wǎng)絡(luò )建設、維護成本。

　　Wi-Fi/WiMAX的市場(chǎng)目標是成為寬帶無(wú)線(xiàn)接入城域網(wǎng)技術(shù)，基本目標是要提供一種城域網(wǎng)領(lǐng)域點(diǎn)對多點(diǎn)的多廠(chǎng)商環(huán)境下可有效地互操作的寬帶無(wú)線(xiàn)接入手段，以實(shí)現滿(mǎn)足3G標準的以無(wú)線(xiàn)廣域網(wǎng)WWAN為基本模式、以公眾語(yǔ)音及多媒體數據為內容、在全球范圍內漫游的個(gè)人手機終端的基本市場(chǎng)定位。Wi-Fi/WiMAX也可以作為3G無(wú)線(xiàn)廣域/城域、多點(diǎn)基站互聯(lián)支持手段的補充。

　　未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展趨勢是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )和固定網(wǎng)絡(luò )的融合。因此人們又提出更高的發(fā)展目標那就是4G。4G系統應能實(shí)現全球范圍內多種移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )和固定網(wǎng)絡(luò )間的無(wú)縫漫游和切換，構筑一個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )和固定接入網(wǎng)的融合體，實(shí)現與WLAN/WiMAX無(wú)縫連接。4G的無(wú)縫特性，包含系統、業(yè)務(wù)和覆蓋等多方面的無(wú)縫性。其無(wú)縫性指的是用戶(hù)既能在WLAN中使用，也能在蜂窩系統中使用;業(yè)務(wù)的無(wú)縫性指的是對話(huà)音、數據和圖像的無(wú)縫性;而覆蓋的無(wú)縫性則指4G系統應該能向全球提供業(yè)務(wù)。

6、結論

　　總之，移動(dòng)軟交換提供分層的網(wǎng)絡(luò )架構，使不同的功能層的發(fā)展更加靈活，并可實(shí)現無(wú)縫的多網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)。除此之外，移動(dòng)軟交換作為國際標準，確保了新技術(shù)的前后兼容性。隨著(zhù)時(shí)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(luò )架構，集成對VoIP和傳統語(yǔ)音服務(wù)的支持，并為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )向全IP演進(jìn)做好了準備。

　　移動(dòng)軟交換支持業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò )平臺的統一，讓人們從移動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步所帶來(lái)的興奮中去盡情地開(kāi)發(fā)、體驗各種便捷移動(dòng)新業(yè)務(wù)，移動(dòng)軟交換將移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )從過(guò)去支撐單一或簡(jiǎn)單窄帶移動(dòng)業(yè)務(wù)的平面模式發(fā)展到承載多業(yè)務(wù)融合，將移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )向多媒體網(wǎng)絡(luò )的高級階段邁進(jìn)，這是一個(gè)從量變到質(zhì)變的飛躍。這是一個(gè)跨越式發(fā)展，這是核心網(wǎng)絡(luò )建設的一個(gè)里程碑，它標志著(zhù)基于IP的R4架構的移動(dòng)軟交換網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)完全成熟。移動(dòng)軟交換技術(shù)不僅能充分滿(mǎn)足對現有2G、2.5G網(wǎng)絡(luò )的革新需求，更面向下一代網(wǎng)絡(luò )建設與運營(yíng)的要求，可打造兼容現網(wǎng)且面向未來(lái)全IP網(wǎng)絡(luò )的移動(dòng)核心網(wǎng)。

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