软交换技术在长途网中的应用

　　 

    1软交换技术简介

    1.1软交换的概念

    软交换思想是在下一代网络（NGN）建设的强烈需求下孕育而生的。软交换概念一经提出，便得到了业界的广泛认同和重视，与软交换相关的标准和协议也得到了IETF、ITU—T等国际标准化组织的重视。经过几年的发展，软交换技术的标准化和产业化的工作已取得了长足进展。一些老协议（如H.323、MGCP等）不断完善成熟，BICC、SIP／SIP-T等新协议也不断推出。一些基于软交换技术的产品已逐步进入实用化阶段。软交换成为NGN中最活跃和热门的话题。

    软交换思想吸取了IP、ATM、IN和TDM等众家之长，形成了分层的全开放的体系架构，使得各个运营商可以根据自己的需要，全部或者部分利用软交换体系的产品，采用适合自己的网络解决方案，在充分利用现有资源的同时，寻找到自己的网络立足点。

    软交换是NGN的控制功能实体，为NGN提供具有实时性要求的业务的呼叫控制和连接控制功能，是NGN呼叫与控制的核心。

    简单地看，软交换所完成的功能相当于原有交换机所提供的功能，是实现传统程控交换机呼叫控制功能的实体。但传统的呼叫控制功能是和业务结合在一起的，不同的业务所需要的呼叫控制功能不同，而软交换则是与业务无关的，这要求软交换提供的呼叫控制功能是各种业务的基本呼叫控制。未来的软交换应该是尽可能简单的，智能则尽可能地移至外部的业务层或应用层。

    具体而言，软交换主要完成以下功能：

    a）媒体网关控制功能。该功能可以认为是一种适配功能，它可以连接各种媒体网关（如PSTN/ISDNIP中继媒体网关、ATM中继媒体网关、用户媒体网关、无线媒体网关、数据媒体网关等），完成H.248协议功能。同时还可以直接与H.323终端和SIP客户端终端进行连接，提供相应业务。

    b）呼叫控制功能。该功能是软交换的重要功能之一，它为基本呼叫的建立、维持和释放提供控制功能，包括呼叫处理、翻译和选路、连接控制、智能呼叫触发检出和资源控制等，可以说软交换是整个NGN的灵魂。

    c）业务提供功能。由于软交换在网络从电路交换网向分组网演进的过程中起着十分重要的作用，因此软交换应能够提供交换机提供的全部业务，包括基本业务和补充业务，同时还可以与现有智能网配合，提供现有智能网提供的业务。

    d）信令互通功能。软交换为NGN的控制中心，它可以通过一定的协议与外部实体，如媒体网关、应用服务器、SCP、媒体服务器、多媒体服务器、策略服务器、信令网关及其他软交换进行交互，NGN系统内部各实体协同运作来完成各种复杂业务。

    软交换设备不仅是下一代分组网中语音业务、数据业务和视频业务呼叫、控制、业务提供的核心设备，也是电路交换电信网向分组网演进的重要设备。

    1.2软交换的主要通信接口

    作为NGN中的核心设备，软交换要与网络中很多的功能实体进行交互。为了便于网络各部件的独立发展，软交换与其他功能实体间必须采用标准的、开放的接口及各种协议。

    软交换主要有以下通信接口：

    a）软交换与媒体网关间的接口。该接口用于软交换对媒体网关的承载控制、资源控制及管理，可使用媒体网关控制协议（MGCP）或H.248/Megaco协议。

    b）软交换间的接口。该接口可采用SIP-T（SIPforTelephony）或承载无关呼叫控制（BICC）协议，用于不同软交换间的交互。BICC协议由ITU-T提出，由于其与七号信令（SS7）网络的高度兼容性而成为多数运营商的首选。SIP-T协议由IETF提出，其优点是扩展能力强，也将作为NGN软交换间的可选接口。目前SIP-T要解决的问题是其自身的稳定和与SS7网络的互通。

    c）软交换与应用服务器之间的接口。该接口提供对第3方应用和各种增值业务的支持功能。目前被广泛接受的接口协议是SIP，软交换作为应用服务器前端的SIP代理（SIPProxy）。该接口也可以使用API，如ParlayAPI等。另外一种趋势是使用SIP-S（SIP-Servlet）。

    d）软交换与策略服务器之间的接口。该接口提供对网络设备的工作进行动态干预的功能，可使用公共开放策略服务（COPS）协议。

    e）软交换与信令网关间的接口。该接口用于传递软交换和信令网关间的信令信息，一般采用信令控制传输协议（SCTP）。根据被传送的信令信息的不同，在SCTP之上可以使用不同的SIGTRAN协议栈，如SCTP/M3UA、SCTP/M2UA、SCTP/IUA等。

    f）软交换与媒体服务器之间的接口。该接口协议一般采用MGCP、H.248协议。软交换也可以通过SIP协议来引导媒体服务器提供必要的媒体交互功能。软交换同样可以通过SIP协议或H.323协议将呼叫传送到应用服务器，在这种情况下，应用服务器接受该呼叫，并驱动媒体服务器提供必要的媒体交互功能。值得注意的是，在采用SIP协议的情况下，软交换或应用服务器是采用第3方呼叫控制方式来控制媒体服务器的，而且媒体服务器只能被动等待软交换或应用服务器的“邀请（INVITE）”，媒体服务器本身不能发出“INVITE”。

    g）软交换与SIP代理间的接口。该接口用于SIP代理的接入，采用SIP协议。

    h）软交换与网管服务器之间的接口。该接口用于提供网络管理功能，可使用简单网络管理协议（SNMP）。

    i）软交换与计费中心、数据库、目录服务器之间的接口。该接口提供对数据库、目录服务等的访问，并向计费中心提供计费信息等。该接口为各种API。

    j）软交换与智能网业务控制点（SCP）间的接口。该接口提供对现有智能业务的支持能力，采用现有的智能网应用协议，如INAP、CAMEL。

    k）软交换与网守之间的接口。该接口用于基于H.323的IP电话系统的网守设备接入软交换体系，可采用H.323的登记、接纳和状态（RAS）协议。

    2软交换技术在长途网中的应用

    2.1软交换技术在相关领域的应用

    软交换技术可以应用于固定通信和移动通信领域的多个方面，包括软交换长途汇接网、固定NGN、3GPPR4移动软交换、3GPPR5/R6IMS系统等。

    对于由3GPP进行标准化工作的3G网络，3GR99电路域网络仍然采用传统TDM程控交换方式组网。从R4开始，3GPP逐步借鉴了软交换的思想。

    3GPPR4定义了呼叫控制与媒体承载相分离的移动软交换结构。3GPPR5定义了基于SIP协议的IMS系统，3G核心网络将走向基于软交换的NGN。

    软交换长途汇接网可以为GSM网络及今后的3G电路域网络提供省际话务汇接。在中国最早进行大规模商用的是基于软交换的长途汇接网，中国移动于2004年将大约30％的长途话务量转移到长途软交换网上，并安全度过了2005年春节话务高峰的冲击，目前承担了大约30万Erl的长途话务量。随着长途软交换的成功应用，目前各运营商均开始大规模进行软交换网络的商用进程，如固网的长途软交换、固网本地网的软交换应用、大客户接入的软交换应用、GSM移动端局的软交换应用等。

    以下将针对最先进行大规模商用的长途软交换网络建设过程中的若干问题进行讨论，供今后的软交换网络建设借鉴。

    2.2相关协议的选择

    2.2.1软交换机间的协议选择

    目前，业界软交换机之间采用的标准协议底层为SCTP/IP，高层主要有BICC和SIP-T两种。BICC协议是ITU-T制定的标准协议，主要是将七号信令中的ISUP协议进行封装；SIP-T是IETF制定的标准协议，主要是对SIP协议进行扩展。

    具体采用什么协议，可以结合网络的定位及未来的发展进行考虑。移动网主要定位于疏通2G移动网络及今后3G电路域网络的省际话务，而通过表1可知，BICC协议对窄带话音业务的支持能力较SIP-T强，与ISUP协议的互通性比SIP-T完善和成熟，因此移动网中可优先考虑采用BICC（CS2）/SCTP/IP进行通信。固定网主要定位于疏通固定网的长途话务及今后与本地网融合进行多媒体业务的疏通，在这方面SIP-T要优于BICC，因此对于固定网可优先考虑SIP-T进行通信。

    2.2.2信令网关（SG）与软交换机间的协议选择

    软交换机需要与现有网络（GSM网、固定网）中的TDM交换机采用七号信令ISUP协议互通，SG作为连接TDM交换机与软交换机之间的枢纽，与现有网络中的TDM交换机之间采用ISUP/MTP标准七号信令协议互通，与软交换机之间采用SIGTRAN/IP协议通信。

    SIGTRAN的底层为传输层协议，采用SCTP协议，为七号信令在TCP/IP网上传送提供可靠的连接；高层为适配层协议，可以分为M2PA、M2UA和M3UA。

    1）M2PA协议的特点

    a）SG必须具备MTP1～MTP3层协议、M2PA/SCTP/IP协议，软交换机必须具备MISUP/MTP3/M2PA/SCTP/IP协议。

    b）从SG的协议栈上看，SG完全等同于一个连接TDMSP与IPSP之间的STP（信令转接点），SG将信令链路的承载（MTP-1层定义的标准）转换基于IP承载，将MTP2层定义帧结构转换为M2PA的帧结构，同时将SLC信令链路适配至一个或多个SCTP连接，同时M2PA必须保存各条七号信令链路至它的SCTP偶联和相应目的IP地址的对应表。

    c）SG支持MTP3层协议，具备信令网管理功能，可以将SG与软交换机之间的IP信令链路状态信息传送给TDM交换机，也可以将SG与TDM交换机之间的TDM信令链路状态信息传送给软交换机。

    d）SG具备信令转接功能，支持七号信令消息在多个通过IP网络相连的SG之间转发。

    因此，可以说采用M2PA协议能够构建一个TDM信令链路与IP信令链路无缝连接的信令网，而SG是连接TDM信令链路与IP链路链路的STP。作为可选功能，SG可具备SCCP层功能，实现MAP消息在TDMSP与IPSP之间的传送。采用M2PA协议，SG和软交换机均需具备独立的信令点编码，SG只能采用信令转接点方式工作。

    2）M2UA协议特点

    a）SG必须具备MTP1和MTP2层协议、M2UA/SCTP/IP协议，软交换机必须具备MISUP/MTP3/M2UA/SCTP/IP协议，同时还必须支持MTP2与MTP3层之间的层间原语。

    b）从SG的协议栈上看，SG完全等同于一个软交换机在TDM与IP网络交界处设置的一个代理点，且仅代理MTP1和MTP2层的功能，SG将信令链路的承载（MTP-1层定义的标准）转换基于IP承载，对信令消息进行MTP2层解封装后，将需要调用的MTP2与MTP3层之间的层间原语封装在M2UA消息包后，通过SCTP连接送至其所代理的软交换机，因此，可以把SG和其所代理的软交换机看作是同一个信令点，且信令点编码在软交换机，SG不需具备信令点编码。

    c）SG只能采用信令代理方式工作，且1个SG仅能代理1个软交换机，而1个软交换机可由多个SG代理。

    d）当软交换机通过SG与TDM交换机通过直联信令链路相连时，软交换机可采用不同的SG作为代理，连接不同的TDM交换机；当1个软交换机通过多个SG与TDM交换机通过经STP组织的准直联信令链路相连时，STP将与之相连的多个SG视为1个SG，且多个SG与一对STP之间最多仅能够设置16条信令链路。

    e）由于SG不处理MTP3层协议，因此不具备信令网管理功能，不能将SG与软交换机之间的IP链路状态告诉TDM交换机，即TDM交换机与软交换机之间通过2个以上的SG相连。当一个SG与软交换机之间的SCP/IP链路故障时，无法通知TDM交换机将所有信令消息均倒换至另一个SG。

    f）由于SG不需要具备信令点编码，在软交换机不采用多信令点编码的情况下，软交换网网元对信令点编码数量的需求较少。

    g）由于SG不具备MTP3层功能，因此，SG不可能具备SCCP功能。

    3）M3UA协议特点

    a）SG必须具备MTP1～MTP3层协议、M3UA/SCTP/IP协议，软交换机必须具备MISUP/M3UA/SCTP/IP协议，同时还必须支持MTP3与MISUP层之间的层间原语。

    b）从SG的协议栈上看，表面上，SG完全等同于一个软交换机在TDM与IP网络交界处设置的一个具备MTP1～MTP3层协议代理点，但由于SG具备MTP3层协议处理的功能，因此，SG既可以作为某个软交换机的代理，也可以作为STP为具备信令点编码的软交换机提供信令消息功能。

    c）当SG采用信令转接点方式工作时，M3UA所能够实现的功能与M2PA基本相同，只是由于M3UA在SG终结了MTP3层协议，信令消息不能在采用IP网络相连的SG之间转发。

    d）SG采用代理方式工作时，M3UA所能够实现的功能与M2UA基本相同，M3UA具有MTP3层功能，能够实现信令网管理功能。另外，由于SG具有MTP3层功能，因此SCCP功能也是SG的可选功能。

    通过对M2PA、M2UA、M3UA协议的分析可见：

    a）M2PA具备较为强大的IP信令网组网能力，适用于利用IP网组建与传统七号信令网功能基本相同的信令网情况，但对于网络结构相对较为简单的软交换汇接网来说基本用不到。

    b）M2UA协议降低了对SG处理能力的要求，但同时增加了对软交换机处理能力的要求，适用于软交换机通过SG直接与TDM交换机设置直联信令链路的组网模式。而对于软交换机通过SG经STP与TDM交换机通过准直联信令链路相连的组网模式，则存在一定的缺陷。

    c）而M3UA协议，SG既可以工作在信令转接点模式，又可以工作在信令代理模式，在网络组织上具有较大的灵活性。工作在信令转接点方式时，具备M2PA协议几乎所有的优点，虽然不能够实现信令消息在IP网内经多个SG转接，但在不需要支持MAP、CAP协议的软交换汇接网上不需要此功能。

    由于代理方式在对软交换机通过SG经STP与TDM交换机采用准直联链路相连的组网模式上存在一定的缺陷，因此，最好不采用SG信令代理的工作模式。对于长途汇接网来说，由于存在一个服务器带多个省的MGW的情况，可考虑采用M3UA协议、且SG工作在信令转接点模式。

    3语音编码方式的选择

    目前，传统的TDM交换机均采用G.711语音编码方式，因此长途汇接网中的TMG（TG）设备与现有网络内网元间也将采用G.711进行语音编码。

    TMG设备间承载在IP网上的语音编码目前主要有G.711、G.729和G.723.1。其中G.711编码的比特率为64kbit/s，G.729编码的比特率为8kbit/s，G.723.1编码的比特率为5.3或6.3kbit/s。

    在不考虑IP网传输丢包、时延的前提下，3种编码方式下的话音质量相差不大，但如果在IP网传输过程中发生了丢包，则G.711编码方式下的话音质量明显优于G.729和G.723.1编码方式，而G.729和G.723.1编码方式下的话音质量相差不大。

    从对传输带宽资源的占用上看，G.729编码方式下对传输带宽占用约是G.711编码方式的1/8，而G.723.1编码方式比G.729编码方式节省的传输带宽较为有限。因此，应要求TMG（TG）设备同时支持G.711和G.729两种语音编码方式。对于64kbit/s承载类业务，软交换机控制TMG采用G.711编码；对于普通话音业务，软交换机应能够根据IP承载网络资源情况，控制TMG采用G.711或G.729编码。在IP承载网络资源较为充裕的情况下，应优先选用G.711编码方式；在IP承载网络资源较为紧张的情况下，应优先选用G.729编码方式，即软交换机能够根据IP承载网络资源情况动态控制TMG选用G.711或G.729编码方式。

    4信令网关（SG）的设置

    SG设备用于实现基于IP技术的软交换机与TDM交换机之间的七号信令互通，其设置存在以下3种方式：

    a）方式一：与TMG综合设置。方式一节省信令链路传输，现网TDM的各网元可以通过统一的TDM连接，同时将信令、承载向就近的TMG上连接。

    b）方式二：独立设置。方式二组网灵活，信令通过SG转发，可以屏蔽大量的数据修改，可以解决现网STP容量紧张的问题。但独立设置一台SG会增加建网成本，另外，TDM的网元上需要配置将信令、承载分离在不同的E1端口上对外连接。

    c）方式三：与软交换机综合设置。方式三充分利用现网STP资源。SG和现网TDM局间仍采用的是TDM网走信令，可靠性高。但因为软交换机上信令流量非常大，对软交换机所在地的STP的冲击很大。其主要需求如表4所示。

    从以上的比较可以看出，对于长途网的应用，SG与TMG（TG）综合设置还是比较合适的。

    5结束语

    本文只是讨论了软交换技术在长途网中应用的几个问题。软交换技术目前已广泛应用于端局、汇接局等网元中，在不同的应用中，还存在着其他的问题需要探讨，但不管存在什么样的问题，软交换技术已经从纯理论，发展到大规模的商业应用，成为今后核心网络发展的重要技术。

    作者：孟丽  吕振通

原文转自：http://www.ltesting.net