软交换技术在2G交换网中的应用

软交换技术在2G交换网中的应用

一、概述

　　第三代移动网络是移动通信领域的下一代网络。在这个网络的发展中，软交换技术和IP技术得到充分体现。然而，软交换技术在移动网的应用不是只能从3G网络开始，事实上在3G即将到来之前，软交换技术已经逐渐在2G的网络中崭露头角。中国移动2004年建成软交换长途汇接网后，各地移动公司也逐渐开始在GSM省网以及本地网上采用软交换技术构建移动汇接局TMSC、关口局GMSC以及端局MSC。

　　从业界情况看，国外已有固网运营商在商用中大规模采用软交换技术，更多的固定/移动运营商正在试验软交换技术。3G方面，现在WCDMA R4协议已经基本稳定，跨 过R99直接采用软交换的R4架构建设3G核心网已成定局。相信随着3G应用的推迟，软交换技术/设备的成熟，在现有的2G网络上尽早引入软交换技术，积累软交换的应用经验，将会给运营商的未来发展带来更多好处。

　　二、移动软交换的体系结构

　　在软交换构建的开放体系架构中，通过呼叫控制与媒体交换/承载的分离，实现了开放的分层架构，各层次网络单元通过标准协议互通，可以各自独立演进，以适应未来技术的发展。软交换主要包含两个层次：呼叫控制层和媒体网关层。

　　1.　呼叫控制层

呼叫控制层完成各种呼叫控制，并负责相应业务处理信息的传送。呼叫控制层中的物理实体是软交换机(SS：SoftSwitch)，软交换机的主要功能如下：

　　● 对接入层的各种媒体网关的控制，指示媒体网关应与哪个媒体网关建立连接关系，完成信息压缩编码方式的控制、回声抑制功能控制和业务流量控制；

　　● 基本话音业务的呼叫处理和连接控制；

　　● 数据业务的处理和连接控制；

　　● 提供与更高层应用的接口；

　　● 计费功能。

　　2.　媒体网关层

　　媒体网关层的功能是将用户/业务连接接入软交换网络。边缘接入层中的物理实体是一系列媒体网关设备(MGW)，各网关设备完成数据格式和协议的转换，将接入的所有媒体信息流均转换为采用IP协议的数据包在软交换网络中传送。2G移动交换网主要实现话音业务的时隙交换，最常用的有两种媒体网关：中继媒体网关(TMG)和信令网关(SG)。

　　（1）中继媒体网关(TMG)　　用于与电路交换网相连，负责将电路交换网中的业务转换为软交换网中传送的IP媒体流。用软交换设备构建的TMSC、GMSC或者MSC，与原有GSM网元的互通只能继续采用TDM方式承载, 而软交换TMG之间的连接，则可以选择TDM承载、IP承载或者ATM承载。中国移动的长途汇接网在各个省会城市设置了TMG，TMG之间的话务采用IP承载，通过建设独立的IP专网来满足移动长途网话音业务QoS以及安全性的需要。而在GSM省网或者本地网引入软交换时，由于初期软交换网元数量较少，通常只有二三个，故可以在TMG之间继续采用TDM方式承载，以减少初期建网的复杂程度。

　　（2）信令网关(SG)　　用于与电路型交换网中的七号信令网相连，将窄带七号信令转换为适于在IP网中传送的信令。在软交换引入初期业务量不大的时候，可以考虑SG与TMG合设的方式，当信令业务量增大时再考虑设置独立的SG。

　　如果移动软交换网建设初期只处理话音业务，在全部采用TDM方式承载时也可以考虑将信令网关和软交换机合设在一起。此时TMG通过半永久连接将信令消息直接传送至软交换机。这种方式采用传统的TDM技术，成熟性高，但是需要大量的中继收敛，可扩展性比较差，尤其是在软交换机和媒体网关之间采用双归属时更耗费中继资源。

三种信令网关设置方式下移动软交换结构如图1所示 。

　　三、软交换在GSM交换网中的优势

　　1． 大容量、高集成度

　　由于近年来设备生产商对软交换技术研发的大力投入，软交换设备构造的MSC在容量和集成度方面远高于传统交换机。表1为中兴、华为、Alcatel三个厂家软交换设备的单局容量表。以华为公司G9软交换机为例，用其构建MSC时单局最大容量180万，构建TMSC、GMSC时单局最大容量为7056个E1，并且达到最大容量时只需要6个机柜，占仅几个平米。而用传统交换机构建MSC时单局最大容量一般在60万左右，构建TMSC、GMSC时单局最大容量200个E1左右，机柜数量也在10个以上。

表　1

　　软交换机将传统交换机的功能模块分离成为独立的网络部件，各个部件可以按相应的功能划分，各自独立发展。部件间的协议接口基于相应的标准，有利于实现各种异构网的互通。媒体网关可实现拉远，与软交换机可分开放置，使得它们各自可以独立地进行工程实施、扩容和布局。 由于业务升级远多于媒体交换能力升级，而采用软交换后，软交换机的数量远小于媒体网关的数量，这将带来大量软件升级费用的节省。

　　移动软交换分布式组网如图2所示。对于MSC来说，将媒体网关分散拉远，可以更加靠近BSC，减少话务迂回，节省传输。对于TMSC、GMSC来说，可将媒体网关分散到

　　不同的本地网，做到话务就近接入，集中控制。

3． 向3G过渡

　　到目前为止，3GPP定义的WCDMA系统有R99、R4、R5和R6四个版本。其中R6版本不涉及网络架构，主要是业务研究。涉及网络架构的是R99、R4和R5，软交换技术在R4和R5网络中得到了充分的应用。应用软交换技术后，R99网络中的移动交换中心（MSC）在R4网络中被分解为MSC服务器（软交换机）和媒体网关，前者提供传统MSC的呼叫控制部分，后者提供传统MSC的媒体交换部分。而在R5网络中更是增加了基于软交换架构的IP多媒体（IMS）域。

　　像中国移动这样有着庞大2G网络资源的移动运营商，向3G网络过渡时如何充分利用和保护2G网络的投资成为首要考虑的问题之一。传统的2G交换机与R4及以上的版本要求的电路域交换机硬件平台差距很大，通常需要建3G交换机。而利用软交换技术构造的2G交换机，可以通过简单的软件升级改造成为2G/3G兼容的电路域交换机，大大减少了3G网络建设的投资，并且能帮助运营商及早积累软交换运行和维护方面的经验。

　　4． 增强网络可靠性

　　在传统的2G交换网中，合一的交换设备实体使得想通过设备冗余提高网络可靠性是很困难的。应用软交换技术后，可以通过设置N+1冗余软交换机的方式，或者利用软交换机与媒体网关之间"双归属" 提供网络级容灾机制，确保大容量交换机的可靠性。

　　四、移动软交换协议的选择

　　国际上从事软交换相关标准制定的组织主要是IETF和ITU-T。软交换体系架构中的主要协议种类如表2所示。

　　表2　　软交换主要协议种类

　　表中所有协议均基于TCP/IP协议。在移动网引入软交换时，要根据移动网的特点和互通的需要选择适合的协议。

　　1.　软交换机之间的协议

　　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。

　　在2G移动网引入软交换的局，依然以承载窄带话音业务为主。而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更完善和更成熟，因此在2G移动网软交换机之间通常采用BICC(CS2)/SCTP/IP进行通信。

　　2.　中继媒体网关与软交换机间的协议

　　TMG与软交换机之间的协议主要有MEGACO/H.248协议和MGCP协议。MEGACO/H.248由IETF和ITU联合开发，协议简单，功能强大，扩展性好，允许在呼叫控制层下建立多个分区网关；MGCP协议是在MEGACO/H.248之前的一个版本，它的灵活性和扩展性比不上MEGACO/H.248，同时在厂家支持方面也不如MEGACO/H.248协议。因此在移动软交换网中，TMG与软交换机之间通常采用MEGACO/H.248协议。

　　3.　信令网关与软交换机间的协议

　　软交换网与移动通信网的互通，还要求信令消息能够在两种性质的网络中进行无缝传输。目前，业界主要采用IETF制定的SIGTRAN标准协议解决这一问题。SIGTRAN协议是支持通过IP网络传输七号信令协议的协议栈，该协议栈支持七号信令协议分层模型定义中的层间标准原语接口，从而保证已有的七号信令应用可以未经修改地使用，同时也利用标准的IP传输协议作为传输底层，通过增加自身的功能来满足七号信令的特殊传输要求。

　　4.　信令网关与移动通信网间的协议

　　软交换网与移动通信网的互通，要求信令网关与移动通信网间必须使用相同的信令协议。在 GSM七号信令网中常用的高层协议包括用于语音呼叫的MISUP、移动性管理的MAP、智能网应用协议CAMEL等。

　　五、与移动七号信令网的互通

　　软交换网中的信令网关（SG）是No.7信令网与IP网的边缘接收和发送信令消息的信令代理，对信令消息进行中继、翻译或终结处理。其实质就是为了实现PSTN/PLMN端局与软交换设备之间的No.7信令互通，实现信令承载层电路交换与IP分组的转换功能。信令网关在No.7信令网和IP网的边缘对呼叫信令进行实时转接或协议转换。因此，信令网关可以在呼叫控制、智能网以及移动网中提供多种多样的应用。

　　目前，我国的移动No.7信令网已有很大规模，有成对的HSTP和LSTP，使用的信令协议种类也较多，应用层除了ISUP以外，用于移动性管理的MAP和智能网应用协议——CAP也在大规模的使用。软交换系统与移动网互通时，信令网关与移动信令网直接相连，信令网关通常只做MTP层的信令处理，SCCP层以及应用层的协议的处理由软交换机来完成。

　　信令网关与软交换机之间采用SIGTRAN协议。SIGTRAN协议底层为传输层(SCTP协议)，上层为适配层(UA协议)。根据适配方式的不同，适配层协议又分为用户适配层协议(M2UA或M3UA)和端对端适配层(M2PA)协议。下面分别对M2UA、M3UA和M2PA作一具体描述。

　　采用M2UA协议的信令互通方式如图3所示。M2UA协议是在信令网关上终结MTP2，将MTP2和MTP3间的原语封装成M2UA消息在信令网关和软交换机间传递。这时，软交换机必须具备MTP3及其以上层的窄带协议功能，信令网关则实现MTP1、2层功能。这样，信令网关作为软交换机的一个2层信令代理，且信令网关不需要信令点编码。M2UA协议主要是一种立足解决直连信令，而非准直连信令的软交换网与电话交换网互通的协议。因此M2UA主要是用于规模不大的软交换网。

采用M3UA协议的信令互通方式如图4所示。M3UA协议是在信令网关上终结MTP3，将MTP3和MTP3用户(如ISUP、MAP、CAP等)间的原语封装成M3UA消息在信令网关功能和软交换设备间传递。使用M3UA协议，软交换机只须具备MTP3上层的窄带协议，信令网关则必须实现MTP1、2、3层功能。由于有了MTP3层功能，信令网关就不像使用M2UA协议时那样只能充当信令代理，而是可以充当信令代理(信令网关和软交换共享信令点码)，或是以信令转接点(STP)的方式转接信令(信令网关拥有自己独立的信令点码)。由于M3UA提供了细致的选路(如根据SI，OPC，CIC等)以及较完善的信令网管理消息互通(能够将信令点可达性、用户部分可达性、拥塞等状态准确在电话交换网和IP侧互通)，并且具备类似STP的组网能力，因此M3UA适用于软交换网与移动网、智能网等复杂网络的互通，并具备较大的组网灵活性。

　　采用M2PA协议的信令互通方式如图5所示。M2PA协议是和SCTP协议一起实现MTP2的功能。通过M2PA协议，将一条SCTP在IP网的连接完全封装成一条信令链路。而M2PA层之上的MTP3协议可以像管理一条七号信令链路一样无缝地对其进行管理。这种方式相当于完全保留了成熟的MTP3的信令网络和信令链路管理功能对IP信令链路进行管理，仅仅更换了七号信令网的承载。使用M2PA，信令网关和软交换机均需具备独立的信令点编码。

　　移动软交换网中的SG，由于往往TMG需要与GMSC、MSC以及增值业务平台（如SCP、SMS等）设置七号信令链路，如果采用M2UA或M2PA将造成软交换机上配置大量的SCTP链路，且由于M3UA具有较大的灵活性，因此移动软交换网通常使用M3UA协议， 并以信令转接点（STP）的方式转接信令（信令网关拥有自己独立的信令点码）。

　　六、结束语

　　通过上面的论述，我们可以看到，在2G交换网中采用软交换将给移动运营商带来很大好处。中继网关、信令网关是2G移动软交换机网常用的两种媒体网关。软交换机间的BICC协议、软交换机与媒体网关间的H.248协议以及软交换机与信令网关之间SIGTRAN协议栈中的M3UA，是最适合当前我国2G移动网引入软交换时候采用的协议。