基于軟交換的下一代電信網的研究

2019-11-05 02:08:30

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供稿：網友

　　1 引言
　　市場需求和技術進步共同推動著網絡的發展，ip技術大大改變了傳統電信網絡的概念和結構。

未來的趨勢表明以IP為代表的數據業務將持續快速增長，因為諸如Internet之類的先導網的發展會出現許多新的應用，傳統電信業務從電路交換網向IP網的轉移將加快，寬帶接入的推廣使用將大大增加網上流量。為了適應用戶多媒體通信的需要，電話網、互聯網以及有線電視網的融合將越來越深入，而作為一個公共的通信平臺，互聯網將處于核心的地位。如何將目前的電信網演進為以IP分組為基礎、以互聯網為核心的公用通信網絡，是電信網發展所面臨的挑戰。發展統一的IP核心網不僅能使新型電信運營商從互聯網綜合業務的角度進入固定電話和移動電話領域，還可以進行以電子商務為代表的、基于Web的互聯網新業務，以及寬帶交換式多媒體業務。
　　
　　2 下一代網絡NGN體系結構
　　所謂下一代網NGN，是一個及其松散的概念，泛指一個不同于目前一代的、以數據為中心的融合網絡。從網絡特性看，下一代網絡應該是：一個通過高速公共傳輸鏈路和路由器等節點，利用IP承載話音、數據和視像等所有比特流的多業務網；一個能為各種業務提供有保證的服務質量的網絡；一個在與網絡傳送層及接入層分開的服務平臺上提供服務與應用的網絡；一個向用戶提供寬帶接入，能充分發揮容量潛力的網絡；一個具有后向兼容性，能充分挖掘現有網絡設施潛力和保護以有投資，答應平滑演進的網絡。
　　
　　基于IP技術的下一代電信網是一種以分組為單位的網絡交換和傳輸機制，承載、信令和治理在同一個基礎設施上（即IP之上），客戶機／服務器的電信業務體系，具有向傳統的固定和移動終端提供仿真的傳統電信業務的能力。其大致網絡體系結構如圖1所示。
　　　

　　圖1 下一代網絡NGN體系結構示意圖
　　其中，IP寬帶交換傳輸網組成核心網，其要害技術包括寬帶光纖波分復用傳輸技術和IP高速分類多業務網絡軟交換匯接技術：接入間具有IP寬帶多業務有線和無線的接入方式，包括IP光纖接入網軟交換和傳輸技術、IP無線接入網軟交換和傳輸技術、W-CDMA無線接入技術、SBS軟基站技術、Ethernet／Cable和光纖有線接入技術的應用；用戶終端是智能的、與網絡結構獨立的多功能個人化終端；接入網關完成傳統終端的匹配、認證、授權、接入許可和記賬等功能；業務服務器向終端、網關和各類網絡節點提供網絡知識，提供各種電信業務。下一代網絡NGN是業務驅動的網絡，通過業務與呼叫控制分離實現相對獨立的業務體系，使業務真正獨立于網絡，靈活有效地實現新業務，在功能上分為四層（如圖2所示）：
　　
　　1）接入和傳輸層(access and transport layer)：將用戶連接至網絡，集中用戶業務將它們傳遞至目的地，包括各種接入手段。
　　
　　2）媒體層(Media layer)：將信息格式轉換成為能夠在網絡上傳遞的信息格式。、例如：將話音信號分割成ATM信元或IP包。此外，媒體層可以將信息選路至目的地。
　　
　　3）控制層(Control layer)：包含呼叫智能。此層決定用戶收到的業務，并能控制低層網絡元素對業務流的處理。
　　
　　4）網絡服務層(Network Service layer)：在呼叫建立的基礎上提供額外的服務。
　　　

　　圖2 下一代網絡NGN的分層結構
　　3 基于軟交換技術的下一代電信網的分析
　　在下一代網絡體系中，軟交換技術無疑是其核心技術。軟交換的基本含義就是把呼叫控制功能從媒體網關(傳輸層)中分離出來，通過服務器上的軟件實現基本呼叫控制功能，包含呼叫選路、治理控制(建立會話、拆除會話)、信令互通(如從SS7到IP)。其結果就是把呼叫傳輸與呼叫控制分離開，為控制、交換和軟件可編程功能建立分離的平面，使業務提供者可以自由地將傳輸業務與控制協議結合起來，實現業務轉移。其中更重要的是，軟交換采用了開放式應用程序接口(API)，答應在交換機制中靈活引入新業務。軟交換主要提供連接控制、翻譯和選路、網關治理、呼叫控制、帶寬治理、信令、安全性和呼叫具體記錄的生成等功能。
從功能上，將電信業務分離到業務服務器中，使電信服務與網絡知識獨立；將交換控制分離到控制服務器中，使交換控制與交換網絡無關；將網絡知識轉移到網絡知識服務器中，使控制功能動態學習路由；最終實現通信應用與電信業務、交換機制與交換控制、網絡和終端及業務的知識與網絡節點的交換功能的徹底分離，核心網絡的匯接轉發功能和接入網絡的接入功能隱藏在第三層以下。業務由服務器向客戶機提供，建立在服務器開放的平臺上，服務器提供網絡基本電信業務和應用業務及注冊、認證、授權和記賬業務：同一客戶機可以接受多種不同的業務，客戶機可以設置在網關中向傳統用戶提供業務接口，也可以設置在用戶終端里接受各種網絡和應用業務；每一種業務由專業的業務供給商創建、經營并且維護相關的業務。
　　
　　3.1軟交換在下一代電信網中的位置
　　
　　在傳統交換網絡中，給用戶提供的功能或提供的業務都直接與交換機有關，因此交換機需要的功能或交換機需要提供新的服務都需要在每個節點來完成，如PSTN交換機能提供如縮位撥號、呼叫前轉、呼叫等待、三方通話等14種補充業務。ISDN交換機能提供的補充業務比PSTN交換機還多，如主叫號碼顯示業務、主叫號碼顯示限制業務、被連接號碼顯示業務、被連接號碼顯示限制業務和UUS業務等。傳統交換網絡采用依靠交換機和信令提供業務的方式，通常在制定交換機規范的時候要確定該交換機應提供什么業務，在增加新的業務時必須要對每一個交換機或信令作相應的改造，因此提供業務的時間較長。為了滿足業務的需要，網絡中出現了公共的業務平臺，即智能網。智能網的設計思想就是把呼叫連接和業務提供分開。交換機完成呼叫連接，而智能網完成業務提供。將呼叫連接和業務提供分開的方法大大增強了業務提供的能力，縮短了業務提供的時間。但是這種分離僅僅是第一步，隨著承載的多樣化還必須將呼叫控制和承載連接進一步分離。如圖3所示，網絡將分成接入傳送層、媒體層、控制層和業務層，即把控制和業務的提供從媒體層中分離出來。軟交換就是位于網絡分層中的控制層，它與媒體層的網關交互作用，接收正在處理的呼叫的相關信息，指示網關完成呼叫。它的主要任務是：在各點之間建立關系，這些關系可能是一個簡單的呼叫，也可以是一個較復雜的處理。軟交換主要處理實時業務，首先是語音業務，也可以包括視頻業務和其他多媒體業務。在軟交換中通常也提供一些基本的補充業務，相當于傳統交換機的呼叫控制部分和基本業務提供部分。這種網絡拓撲結構有以下特點：可以使用基于包的承載傳送，是一個開放端點的拓撲結構，能同樣好地傳送話音和數據業務；將網絡的承載部分與控制部分相分離，答應它們分別演進，有效地打破了單塊集成交換的結構；在各單元之間使用開放的接口，答應運營商為其網絡的每一部分購買性價比最好的產品。
　　　

　　圖3 軟交換在NGN分層網絡中的位置
　　
　　3.2 軟交換在網絡中的功能
　　
　　軟交換是多種邏輯功能實體的集合 ,提供綜合業務的呼叫控制、連接以及部分業務功能 ,是下一代電信網中語音/數據/視頻業務呼叫、控制、業務提供的核心設備 ,也是目前電路交換網向分組網演進的主要設備之一。軟交換的主要設計思想是業務/控制分離 ,各實體之間通過標準的協議進行連接和通信。軟交換的功能結構如圖4所示主要有：
　　　

　　圖4 軟交換的功能結構
　　① 呼叫控制功能：軟交換設備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、智能呼叫觸發檢測和資源控制等。軟交換設備應可以接收來自業務交換功能的監視請求，并對其中與呼叫相關的事件進行處理。接收來自業務交換功能的呼叫控制相關信息，支持呼叫的建立和監視。軟交換設備應支持基本的兩方呼叫控制功能和多方呼叫控制功能，提供對多方呼叫控制功能，包括多方呼叫的非凡邏輯關系、呼叫成員的加入/退出/隔離旁聽以及混音過程的控制等。軟交換設備應能夠識別媒體網關報告的用戶摘機、撥號和掛機等事件；控制媒體網關向用戶發送各種信號音，如撥號音、振鈴音、回鈴音等；提供滿足運營商需求的撥號計劃。當軟交換設備內不包含信令網關時，軟交換應能夠采用SS7/IP協議與外設的信令網關互通，完成整個呼叫的建立與釋放功能，其主要承載協議采用信令控制傳輸協議(SCTP)。軟交換設備可以控制媒體網關發送交互式語音應答(IVR)，以完成諸如二次撥號等多種業務。軟交換可以同時直接與H.248終端、媒體網關控制協議(MGCP)終端和會話啟動協議(SIP)客戶端終端進行連接，提供相應業務。當軟交換位于PSTN/ISDN本地網時，應具有本地電話交換設備的呼叫處理功能。當軟交換位于PSTN/ISDN長途網時，應具有長途電話交換設備的呼叫處理功能。
　　
　　② 業務提供功能：軟交換應能夠提供PSTN/ISDN交換機提供的業務，包括話音業務、補充業務和多媒體業務等基本業務和補充業務，可以與現有智能網配合提供現有智能網提供的業務；可以與第三方合作，提供多種增值業務和智能業務。
　　
　?、?業務交換功能：業務交換功能與呼叫控制功能相結合提供了呼叫控制功能和業務控制功能(SCF)之間通信所要求的一切功能。業務交換功能主要包括：業務控制觸發的識別以及與SCF間的通信；治理呼叫控制和SCF之間的信令；按要求修改呼叫/連接處理功能，在SCF控制下處理IN業務請求；業務交互作用治理等。
　　
　?、堋f議功能：軟交換是一個開放的、多協議的實體，因此必須采用標準協議與各種媒體網關、終端和網絡進行通信，這些協議包括：H.248、SCTP、ISUP、TUP、INAP、H.323、Radius、SNMP、SIP、MTP3用戶配置協議(M3UA)、MGCP、與承載無關的呼叫控制(BICC)、ISDN、V5協議等。
　　
　?、?互聯互通功能：軟交換應可以通過信令網關實現分組網與現有七號信令網的互通；軟交換可以通過信令網關與現有智能網互通，為用戶提供多種智能業務；答應SCF控制VoIP呼叫且對呼叫信息進行操作(如：號碼顯示等)；軟交換可以通過軟交換中的互通模塊，采用H.323協議實現與現有H.323體系的IP 電話網的互通；采用SIP協議實現與未來SIP網絡體系的互通；軟交換可以與其他軟交換設備互通互連，它們之間的協議可以采用SIP或BICC；軟交換提供IP網內H.248終端、SIP終端和MGCP終端之間的互通。
　　
　?、?資源治理功能：軟交換應提供資源治理功能，對系統中的各種資源進行集中的治理，如資源的分配、釋放和控制等。
　　
　?、?計費功能：軟交換應具有采集具體話單及復式計次功能，并能夠按照運營商的需求將話單傳送到相應的計費中心。
當使用計帳卡等業務時，軟交換應具備實時斷線功能。
　　
　?、?認證與授權功能：軟交換應能夠與認證中心連接，并可以將所管轄區域內的用戶、媒體網關信息送往認證中心進行認證與授權，以防止非法用戶/設備的接入。
　　
　?、?地址解析功能：軟交換設備可以完成E.164地址至IP地址、別名地址至IP地址的轉換功能，同時也可以完成重定向功能。
　　
　　⑩ 語音處理功能：軟交換可以控制媒體網關采用語音壓縮，并提供可選擇的語音壓縮算法，算法至少應包括G.729、G.723等。軟交換可以控制媒體網關采用回波抵消技術。軟交換應可以向媒體網關提供包緩存區的大小，以減少抖動對語音質量的影響。
　　
　　4 現代電信網向下一代電信網過渡方案研究
　　從理論上講，軟交換可用于IP網、ATM網，當然也可以用于PSTN/ISDN網絡。用在IP網絡是非常自然的，因為IP網絡所需的呼叫控制與承載連接是分開的。用在純PSTN/ISDN網絡中來替代傳統的交換機意味著把傳統的交換機的控制部分和補充業務的提供部分拿到外面去，而傳統的電路交換機只完成承載連接，這種想法在綜合交換機中有過考慮，但目前并未實施，把現有的技術成熟、價格便宜、國內有雄厚的生產能力的電路交換機都改造成為軟交換的方式顯然是不合理的。目前一些網絡上用軟交換去替代現有的電路交換機應該是基于將現有的電路交換網絡向IP網過渡，例如當用軟交換來替代匯接局時相當于從該匯接局進入IP網。從應用的角度來看，軟交換主要是應用在IP網上的。引入軟交換和應用服務器后，他們與傳統網絡的關系如圖5所示。
　　　

　　圖5 軟交換、應用服務器與傳統網的關系
　　電信網的交換技術包含了交換矩陣技術、用于建立通信鏈路和建立呼叫的信令技術。交換技術已經經歷了電路交換(TDM)、信元交換(ATM)和包交換(IP)三個階段。從OSI的分層概念來看，電路交換僅僅支持面向連接的語音通信業務，交換功能在物理層；信元交換支持面向連接的多媒體業務，交換功能在鏈路層；而包交換支持無連接的多媒體通信業務，交換功能在網絡層。在電路交換網上建立話音通信鏈路和呼叫，以及在信元交換網上建立多媒體的鏈路和呼叫，由于需要通過信令實現網絡層的功能，涉及網絡中所有的交換節點，因此需要十分復雜的信令系統的支持，如SS7和PNNI。在IP包交換網上的多媒體通信鏈路和呼叫的建立，是基于網絡層功能的一種應用。因為這種IP網絡層之上的鏈路和呼叫建立過程，是由獨立的軟件系統完成，不需要考慮對沿途的交換矩陣進行控制，被稱為軟交換信令。
　　
　　軟交換之所以區別于傳統電話網和ATM網絡的硬交換，是由于IP網絡是基于包交換的非連接網絡，并支持端到端的透明訪問，不再需要任何電路交換單元建立端到端的連接，也不需要分段的信令系統和獨立的信令網控制呼叫、接續和智能業務。另外，軟交換的所有協議是基于IP的，它們具有一切基于IP的協議的開放性和靈活性。除了低成本的優勢之外，軟交換還具有提供普通電話網目前不具有的許多新特性，如開放的電信業務平臺和支持多樣的接入技術，以及許多基于Internet的開放的高級智能業務和OSS業務。
　　
　　根據我國的國情，基于現實的考慮，利用軟交換技術，可以保護現有電信網絡的投資，促進現代電信網絡向下一代電信網絡平滑過渡。在毫不影響現有網絡所有業務的基礎上，利用軟交換技術，使用軟交換產品，可以方便地完成傳統的PSTN網絡（包括IN網絡）與Internet網絡的互通。圖6描繪出了現階段可行的一種過渡方案：（下面是面結構而不是分層結構）
　　

　　圖6 一種網絡過渡方案
　　在這個過渡方案里，對比傳統的電信網，顯然分離出來了一個業務控制平面，而軟交換設備正好完成了業務控制的功能。對于現有的IN網，它還是建立在SS7網上，而SS7網仍然還是一個相對獨立的信令網，傳統的電路交換網依然可以正常運行。傳統的PSTN網要與IP數據網互通，必須有一個語音幀與數據包的轉換過程，所以在IP數據網與PSTN之間必須有一個媒體網關。根據目前大多數IP電話系統的設計，媒體網關不僅承載了媒體的轉換與傳送，還承載了信令的翻譯與轉接，這樣，盡管實現了PSTN網與IP數據網的語音互通（即IP電話），但是缺少了靈活性，PSTN網上與IP數據網之間的很多智能業務不能快速生成，甚至有些根本就無法實現?，F在，軟交換技術將媒體承載與信令分離開來，軟交換設備根據軟交換信令完成業務控制功能，只樣就大大增強網絡的靈活性與智能性。在此方案里，軟交換設備通過SIP、xml或H.323協議與IP網絡通信、通過H.248協議與媒體網關通信、通過SS7與SS7網通信、通過H.225協議與接入網關（主要是連接H.323終端的接入網關）通信，這樣，就建立了IP數據網、電路交換網、SS7心令網以及相關接入網關的信令連接。又由于軟交換設備的應用服務模塊提供了開放靈活的編程接口，從而，基于軟交換技術的電信網，不僅無縫融合了電路交換網與IP數據網，還能方便、迅速地生成智能新業務。
　　
　　5 結束語
　　軟交換可以說是下一代分組網絡交換的核心，假如說傳統電信網絡是基于程控交換機的網絡，而下一代電信網則是基于軟交換的網絡。未來新公眾網的組成元素中，軟交換將是新老網實現融合的樞紐，將電話網、計算機網以及有線電視網連接在一個統一的IP網上，從而真正做到三網融合。

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