軟交換在3G核心網(wǎng)中應(yīng)用淺析

1、引言

隨著信息化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，人們已越來越不滿足于現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)以窄帶方式提供的單一語音服務(wù)，提供寬帶化、智能化、個人化移動多媒體服務(wù)的需求日益劇增。

下一代網(wǎng)絡(luò)泛指一個以IP為中心，可以支持語音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)融合全新的網(wǎng)絡(luò)。3G不是現(xiàn)有移動網(wǎng)和IP網(wǎng)的簡單疊加，也不是單項節(jié)點技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，而是整個網(wǎng)絡(luò)框架的變革，是一種整體方案。軟交換SoftSWitch正是構(gòu)建在以IP為中心，可以支持語音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)的融合方案?；谲浗粨Q技術(shù)和IP技術(shù)構(gòu)建出分層開放的體系架構(gòu)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(jié)構(gòu)

軟交換體系結(jié)構(gòu)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、快速開發(fā)業(yè)務(wù)、集中部署業(yè)務(wù)等特點，可以向用戶提供包含PSTN話音、無線話音、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)等各種業(yè)務(wù)。通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不但實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的融合，更重要的是實現(xiàn)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，可以在全網(wǎng)范圍內(nèi)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(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層次：

◆媒體網(wǎng)關(guān)層：根據(jù)組網(wǎng)的位置，可分為接入媒體網(wǎng)關(guān)(提供接入適配功能)、中繼媒體網(wǎng)關(guān)(提供與其他網(wǎng)絡(luò)互通的媒體流轉(zhuǎn)換功能)、資源媒體網(wǎng)關(guān)(提供特定媒體資源)。

◆呼叫控制層：由信令網(wǎng)關(guān)(提供中繼信令SS7在IP網(wǎng)上的傳輸適配功能)和呼叫控制服務(wù)器(通過與信令網(wǎng)關(guān)和媒體網(wǎng)關(guān)的配合實現(xiàn)呼叫的建立、維持和釋放控制功能)。

3、軟交換的特點

(1)分布式交換降低運營成本

傳統(tǒng)電路交換網(wǎng)存在布點多、運行成本和運維人員成本高的問題。而基于軟交換的體系結(jié)構(gòu)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，呼叫控制與話音處理/交換是分開的，媒體網(wǎng)關(guān)可以布設(shè)在提供最大價值的地方，復(fù)雜的呼叫控制被集中在一起。通過部署分布式交換，可以實現(xiàn)靈活的組網(wǎng)方式，可以有效地解決傳統(tǒng)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是單個網(wǎng)元，無論是業(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)過升級的MSC要把呼叫控制移交給移動智能網(wǎng)(IN)節(jié)點——業(yè)務(wù)控制點SCP，由SCP執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯。這樣導(dǎo)致業(yè)務(wù)提供成本高，MSC實時處理代價高，軟件成本高。而在軟交換的3GPP R4架構(gòu)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)行工程實施、擴容和布局。由于業(yè)務(wù)升級遠(yuǎn)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(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費用的節(jié)省。

4、移動軟交換的功能

移動軟交換是多種邏輯功能實體的集合，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3GPP R4及以后階段軟交換系統(tǒng)核心網(wǎng)中的電路域?qū)崟r語音/數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呼叫、控制、業(yè)務(wù)提供的核心設(shè)備。其主要功能包括以下幾個部分：

(1)移動性管理功能

主要完成切換(包括UMTS系統(tǒng)內(nèi)、GSM系統(tǒng)內(nèi)以及GSM與UMTS系統(tǒng)間的切換)、登記和移動臺去話功能。還具有VLR功能，包括用戶數(shù)據(jù)管理、位置登記、鑒權(quán)、提供MSRN、VLR恢復(fù)、切換號碼分配、TMSI分配、清除、SuperCharger功能。

(2)安全保密功能

支持用戶鑒權(quán)、TMSI使用和用戶信息加密。

(3)呼叫控制和處理功能

移動交換服務(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;接收來自業(yè)務(wù)交換功能的監(jiān)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(rèn)證與授權(quán)、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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)由3G標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP制定，CDMA2000的標(biāo)準(zhǔn)由3G標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP2制定。

UMTS及TD-SCDMA較好地考慮了對GSM系統(tǒng)的兼容，成為我國GSM運營商的首選標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)用上各有所長、各有所用，是互存、互補的關(guān)系。

核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)主要有基于GSM CCS7和ANSI-41兩種核心網(wǎng)。一般情況下，WCDMA和CDMA TDD對應(yīng)于GSM CCS7核心網(wǎng)，CDMA2000對應(yīng)于ANSI-41核心網(wǎng)，但目前的標(biāo)準(zhǔn)允許任何無線接口同時兼容兩個核心網(wǎng)，這樣可以通過在無線接口上定義相應(yīng)的兼容協(xié)議來接入不同的核心網(wǎng)。

GSM交換網(wǎng)向3G核心網(wǎng)的演進(jìn)。3GPP組織主要負(fù)責(zé)制定基于GSM的核心網(wǎng)、以WCDMA和CDMA TDD為無線接口的標(biāo)準(zhǔn)，到目前為止已經(jīng)有四個版本，即R99、R4、R5和R6，這里著重討論核心網(wǎng)部分。

5.1　R99網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

R99是比較成熟的版本，其無線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(chǔ)上演進(jìn)，如圖1所示：



圖1　R99網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

可以看出，R99核心網(wǎng)類似于目前GSM交換子系統(tǒng)與GPRS交換子系統(tǒng)的疊加，包括GSM電路交換部分及分組域部分，分別用于支持話音業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，完全體現(xiàn)了2G向3G平滑過渡的思想。不同的是，由于無線部分引入了可實現(xiàn)3G業(yè)務(wù)的無線網(wǎng)，核心網(wǎng)采用新定義的Iu接口與3G無線網(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(tǒng)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(shù)據(jù)業(yè)務(wù);在業(yè)務(wù)方面，智能網(wǎng)規(guī)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(shè)備，增加無線接入網(wǎng)即可實現(xiàn)3G業(yè)務(wù)，極大地保護了運營商的現(xiàn)有投資，有利于運營商迅速開展3G業(yè)務(wù)。

5.2　R4網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

與R99版本比較，R4的無線接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并沒有變化，只是改進(jìn)了一些接口協(xié)議特性以提高系統(tǒng)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，原來的MSC變?yōu)镸SC服務(wù)器和媒體網(wǎng)關(guān)MGW，話音通過MGW由分組域來傳送。電路域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2　控制和承載分離的電路域結(jié)構(gòu)

可以看出，R4核心網(wǎng)已由TDM中心節(jié)點交換型演進(jìn)為典型的分組話音分布式體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)采用開放式結(jié)構(gòu)，業(yè)務(wù)邏輯與底層承載相分離，話音分組化，由包方式承載。由于電路域的這種變化，相應(yīng)的在七號信令的承載方面也提出了新的方案，即基于ATM和IP的方案，七號信令的移動應(yīng)用協(xié)議MAP和CAP也可以通過分組網(wǎng)絡(luò)來傳送，為核心網(wǎng)向全I(xiàn)P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(shè)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，運營商選擇R99網(wǎng)絡(luò)向R4升級時，只需要對電路域進(jìn)行升級，可以保留R99無線部分和分組域并保持原有組網(wǎng)方式，3GPP規(guī)范良好的向后兼容性支持R4以至于R5的無線接入網(wǎng)都可以和R99的電路域很好地配合。

5.3　R5網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

R5版本是全I(xiàn)P(或全分組化)的第一個版本，在無線接入網(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(chǔ)上增加了IP多媒體子系統(tǒng)(即IMS系統(tǒng))，它和分組域一起實現(xiàn)實時和非實時的多媒體業(yè)務(wù)，并可以實現(xiàn)與電路域的互操作。在R5中仍然保留電路域并實現(xiàn)與IMS的互操作主要是保護運營商的R99的網(wǎng)絡(luò)投資。全I(xiàn)P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。

圖3　IMS子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

IMS的主要功能實體包括：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體，是整個網(wǎng)絡(luò)的核心，支持SIP協(xié)議處理SIP會話。P-CSCF是UE接入IMS系統(tǒng)的入口，實現(xiàn)了在SIP協(xié)議中的Proxy和UserAgent功能;MGCF的作用是根據(jù)被叫號碼和來話情況選擇CSCF，并完成PSTN和IMS之間呼叫控制協(xié)議轉(zhuǎn)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的功能類似，與MGCF一起完成資源控制，以及通過回波消除器和碼轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)媒體轉(zhuǎn)換和幀協(xié)議轉(zhuǎn)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，完成信令轉(zhuǎn)發(fā)功能。

5.4　R6網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

R6版本核心網(wǎng)在R5 IMS基礎(chǔ)上提出的網(wǎng)絡(luò)框架基本沒有改變，只是將PDF(Policy Decision Function)從P-CSCF中分離出來，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(jié)構(gòu)，具體到IMS的QoS問題主要集中在Gq接口和Go接口(GGSN和PDF之間的接口)，QoS策略基于SIP會話中請求的參數(shù)，端到端的QoS要求則分段映射到網(wǎng)絡(luò)的各個層面。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IETF SIP協(xié)議的基礎(chǔ)上對協(xié)議進(jìn)行了擴展。

不論是現(xiàn)在商用的還是正在試驗的(CDMA2000/WCDMAR99/R4/TD-SCDMA)3G標(biāo)準(zhǔn)都不是基于全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)，比如CDMA2000是基于ANSI-41;WCDMA 99/TD-SCDMA是基于傳統(tǒng)的GSM、R4軟交換的承載和控制分離方式，而直到R5引入了IMS才實現(xiàn)全I(xiàn)P的核心網(wǎng)。顯然全I(xiàn)P的核心網(wǎng)絡(luò)也是3G發(fā)展的方向，采用基于全I(xiàn)P的核心網(wǎng)不但可以與無線接入方式獨立地發(fā)展，還可以支持包括Wi-Fi、WiMAX、WCDMA等多種無線接入方式。在3G的R6中已經(jīng)開始把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QoS、對稱性等)為用戶享受語音、數(shù)據(jù)、多媒體業(yè)務(wù)提供更多的接入方式選擇;它們可通過共用開放的業(yè)務(wù)平臺融合不同的業(yè)務(wù)引擎實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間互通;根據(jù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)區(qū)內(nèi)的性能，用戶可以手工或者自動選擇接入那個網(wǎng)絡(luò);支持WLAN和3G網(wǎng)絡(luò)的運營支撐系統(tǒng)，可以對雙網(wǎng)實現(xiàn)統(tǒng)一的運營管理、計費、甚至用戶身份認(rèn)證，最大限度降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、維護成本。

Wi-Fi/WiMAX的市場目標(biāo)是成為寬帶無線接入城域網(wǎng)技術(shù)，基本目標(biāo)是要提供一種城域網(wǎng)領(lǐng)域點對多點的多廠商環(huán)境下可有效地互操作的寬帶無線接入手段，以實現(xiàn)滿足3G標(biāo)準(zhǔn)的以無線廣域網(wǎng)WWAN為基本模式、以公眾語音及多媒體數(shù)據(jù)為內(nèi)容、在全球范圍內(nèi)漫游的個人手機終端的基本市場定位。Wi-Fi/WiMAX也可以作為3G無線廣域/城域、多點基站互聯(lián)支持手段的補充。

未來無線通信領(lǐng)域的一個發(fā)展趨勢是移動網(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(biāo)那就是4G。4G系統(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)全球范圍內(nèi)多種移動網(wǎng)絡(luò)和固定網(wǎng)絡(luò)間的無縫漫游和切換，構(gòu)筑一個移動網(wǎng)絡(luò)和固定接入網(wǎng)的融合體，實現(xiàn)與WLAN/WiMAX無縫連接。4G的無縫特性，包含系統(tǒng)、業(yè)務(wù)和覆蓋等多方面的無縫性。其無縫性指的是用戶既能在WLAN中使用，也能在蜂窩系統(tǒng)中使用;業(yè)務(wù)的無縫性指的是對話音、數(shù)據(jù)和圖像的無縫性;而覆蓋的無縫性則指4G系統(tǒng)應(yīng)該能向全球提供業(yè)務(wù)。

6、結(jié)論

總之，移動軟交換提供分層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使不同的功能層的發(fā)展更加靈活，并可實現(xiàn)無縫的多網(wǎng)絡(luò)訪問。除此之外，移動軟交換作為國際標(biāo)準(zhǔn)，確保了新技術(shù)的前后兼容性。隨著時間的發(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(gòu)，集成對VoIP和傳統(tǒng)語音服務(wù)的支持，并為移動網(wǎng)絡(luò)向全I(xiàn)P演進(jìn)做好了準(zhǔn)備。

移動軟交換支持業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺的統(tǒng)一，讓人們從移動技術(shù)的進(jìn)步所帶來的興奮中去盡情地開發(fā)、體驗各種便捷移動新業(yè)務(wù)，移動軟交換將移動網(wǎng)絡(luò)從過去支撐單一或簡單窄帶移動業(yè)務(wù)的平面模式發(fā)展到承載多業(yè)務(wù)融合，將移動網(wǎng)絡(luò)向多媒體網(wǎng)絡(luò)的高級階段邁進(jìn)，這是一個從量變到質(zhì)變的飛躍。這是一個跨越式發(fā)展，這是核心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的一個里程碑，它標(biāo)志著基于IP的R4架構(gòu)的移動軟交換網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)完全成熟。移動軟交換技術(shù)不僅能充分滿足對現(xiàn)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(shè)與運營的要求，可打造兼容現(xiàn)網(wǎng)且面向未來全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)的移動核心網(wǎng)。