軟交換技術在2G交換網中的應用

軟交換技術在2G交換網中的應用

一、概述

　　第三代移動網絡是移動通信領域的下一代網絡。在這個網絡的發展中，軟交換技術和IP技術得到充分體現。然而，軟交換技術在移動網的應用不是只能從3G網絡開始，事實上在3G即將到來之前，軟交換技術已經逐漸在2G的網絡中嶄露頭角。中國移動2004年建成軟交換長途匯接網后，各地移動公司也逐漸開始在GSM省網以及本地網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。

　　從業界情況看，國外已有固網運營商在商用中大規模采用軟交換技術，更多的固定/移動運營商正在試驗軟交換技術。3G方面，現在WCDMA R4協議已經基本穩定，跨 過R99直接采用軟交換的R4架構建設3G核心網已成定局。相信隨著3G應用的推遲，軟交換技術/設備的成熟，在現有的2G網絡上盡早引入軟交換技術，積累軟交換的應用經驗，將會給運營商的未來發展帶來更多好處。

　　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，實現了開放的分層架構，各層次網絡單元通過標準協議互通，可以各自獨立演進，以適應未來技術的發展。軟交換主要包含兩個層次：呼叫控制層和媒體網關層。

　　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關的控制，指示媒體網關應與哪個媒體網關建立連接關系，完成信息壓縮編碼方式的控制、回聲抑制功能控制和業務流量控制；

　　● 基本話音業務的呼叫處理和連接控制；

　　● 數據業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.　媒體網關層

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

　?。?）中繼媒體網關(TMG)　　用于與電路交換網相連，負責將電路交換網中的業務轉換為軟交換網中傳送的IP媒體流。用軟交換設備構建的TMSC、GMSC或者MSC，與原有GSM網元的互通只能繼續采用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專網來滿足移動長途網話音業務QoS以及安全性的需要。而在GSM省網或者本地網引入軟交換時，由于初期軟交換網元數量較少，通常只有二三個，故可以在TMG之間繼續采用TDM方式承載，以減少初期建網的復雜程度。

　?。?）信令網關(SG)　　用于與電路型交換網中的七號信令網相連，將窄帶七號信令轉換為適于在IP網中傳送的信令。在軟交換引入初期業務量不大的時候，可以考慮SG與TMG合設的方式，當信令業務量增大時再考慮設置獨立的SG。

　　如果移動軟交換網建設初期只處理話音業務，在全部采用TDM方式承載時也可以考慮將信令網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交換網中的優勢

　　1． 大容量、高集成度

　　由于近年來設備生產商對軟交換技術研發的大力投入，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，機柜數量也在10個以上。

表　1

　　軟交換機將傳統交換機的功能模塊分離成為獨立的網絡部件，各個部件可以按相應的功能劃分，各自獨立發展。部件間的協議接口基于相應的標準，有利于實現各種異構網的互通。媒體網關可實現拉遠，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，軟交換機的數量遠小于媒體網關的數量，這將帶來大量軟件升級費用的節省。

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

　　不同的本地網，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系統有R99、R4、R5和R6四個版本。其中R6版本不涉及網絡架構，主要是業務研究。涉及網絡架構的是R99、R4和R5，軟交換技術在R4和R5網絡中得到了充分的應用。應用軟交換技術后，R99網絡中的移動交換中心（MSC）在R4網絡中被分解為MSC服務器（軟交換機）和媒體網關，前者提供傳統MSC的呼叫控制部分，后者提供傳統MSC的媒體交換部分。而在R5網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網絡資源的移動運營商，向3G網絡過渡時如何充分利用和保護2G網絡的投資成為首要考慮的問題之一。傳統的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驗。

　　4． 增強網絡可靠性

　　在傳統的2G交換網中，合一的交換設備實體使得想通過設備冗余提高網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關之間"雙歸屬" 提供網絡級容災機制，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議種類如表2所示。

　　表2　　軟交換主要協議種類

　　表中所有協議均基于TCP/IP協議。在移動網引入軟交換時，要根據移動網的特點和互通的需要選擇適合的協議。

　　1.　軟交換機之間的協議

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

　　在2G移動網引入軟交換的局，依然以承載窄帶話音業務為主。而BICC協議對窄帶話音業務的支持能力較SIP-T強，與ISUP協議的互通性比SIP-T更完善和更成熟，因此在2G移動網軟交換機之間通常采用BICC(CS2)/SCTP/IP進行通信。

　　2.　中繼媒體網關與軟交換機間的協議

　　TMG與軟交換機之間的協議主要有MEGACO/H.248協議和MGCP協議。MEGACO/H.248由IETF和ITU聯合開發，協議簡單，功能強大，擴展性好，允許在呼叫控制層下建立多個分區網關；MGCP協議是在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協議。因此在移動軟交換網中，TMG與軟交換機之間通常采用MEGACO/H.248協議。

　　3.　信令網關與軟交換機間的協議

　　軟交換網與移動通信網的互通，還要求信令消息能夠在兩種性質的網絡中進行無縫傳輸。目前，業界主要采用IETF制定的SIGTRAN標準協議解決這一問題。SIGTRAN協議是支持通過IP網絡傳輸七號信令協議的協議棧，該協議棧支持七號信令協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修改地使用，同時也利用標準的IP傳輸協議作為傳輸底層，通過增加自身的功能來滿足七號信令的特殊傳輸要求。

　　4.　信令網關與移動通信網間的協議

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

　　五、與移動七號信令網的互通

　　軟交換網中的信令網關（SG）是No.7信令網與IP網的邊緣接收和發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PSTN/PLMN端局與軟交換設備之間的No.7信令互通，實現信令承載層電路交換與IP分組的轉換功能。信令網關在No.7信令網和IP網的邊緣對呼叫信令進行實時轉接或協議轉換。因此，信令網關可以在呼叫控制、智能網以及移動網中提供多種多樣的應用。

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

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

　　采用M2UA協議的信令互通方式如圖3所示。M2UA協議是在信令網關上終結MTP2，將MTP2和MTP3間的原語封裝成M2UA消息在信令網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議功能，信令網關則實現MTP1、2層功能。這樣，信令網關作為軟交換機的一個2層信令代理，且信令網關不需要信令點編碼。M2UA協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與電話交換網互通的協議。因此M2UA主要是用于規模不大的軟交換網。

采用M3UA協議的信令互通方式如圖4所示。M3UA協議是在信令網關上終結MTP3，將MTP3和MTP3用戶(如ISUP、MAP、CAP等)間的原語封裝成M3UA消息在信令網關功能和軟交換設備間傳遞。使用M3UA協議，軟交換機只須具備MTP3上層的窄帶協議，信令網關則必須實現MTP1、2、3層功能。由于有了MTP3層功能，信令網關就不像使用M2UA協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SI，OPC，CIC等)以及較完善的信令網管理消息互通(能夠將信令點可達性、用戶部分可達性、擁塞等狀態準確在電話交換網和IP側互通)，并且具備類似STP的組網能力，因此M3UA適用于軟交換網與移動網、智能網等復雜網絡的互通，并具備較大的組網靈活性。

　　采用M2PA協議的信令互通方式如圖5所示。M2PA協議是和SCTP協議一起實現MTP2的功能。通過M2PA協議，將一條SCTP在IP網的連接完全封裝成一條信令鏈路。而M2PA層之上的MTP3協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的承載。使用M2PA，信令網關和軟交換機均需具備獨立的信令點編碼。

　　移動軟交換網中的SG，由于往往TMG需要與GMSC、MSC以及增值業務平臺（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，因此移動軟交換網通常使用M3UA協議， 并以信令轉接點（STP）的方式轉接信令（信令網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交換網中采用軟交換將給移動運營商帶來很大好處。中繼網關、信令網關是2G移動軟交換機網常用的兩種媒體網關。軟交換機間的BICC協議、軟交換機與媒體網關間的H.248協議以及軟交換機與信令網關之間SIGTRAN協議棧中的M3UA，是最適合當前我國2G移動網引入軟交換時候采用的協議。