雷震洲
摘要 阐述了软交换在3G(包括W-CDMA和cdma2000)、2G中的应用及从2G到3G的过渡，并介绍了在移动网中软交换体系结构的特点。
关键词 核心网 分组 软交换 MSC ATM
一、引言
随着全球移动用户的不断增长，3G移动网将为用户提供更宽的带宽及各种新的服务，如笔记本电脑上网、收发带附件的电子邮件、基于视像的服务、话音服务等。
移动核心网现正向分组过渡，话音也将过渡到分组网中。分组话音的出现在技术上对话音的传送产生了很大的变化。在固定网VoIP中，话音业务是在专用或共用IP网上以数据分组形式传送的，而不是通过电路交换在占用整个通话时长的PSTN特定中继线上传送的。在移动网中，话音业务与传统的固定电话一样，也是通过移动交换中心(MSC)进行电路交换的。计划中的3G移动网正在规范如何从电路交换话音传送向分组话音传送过渡，欧洲UMTS已经规定如何向分组核心网过渡，话音将在这个新的核心网上以分组形式传送。
目前，在固定网VoIP中已经开始使用基于软交换的体系结构，在这种结构中把4类机和5类机的电路交换分解为媒体网关和软交换机。在向3G的过渡中，移动核心网引入基于软交换的体系结构也将给全世界的移动运营商带来许多好处。
二、软交换在3G中的应用
目前，3GPP和3GPP2这两个标准制定机构都在考虑软交换的应用。3G移动网估计在2003-2005年期间将分别从两大主线(3GPP的UMTS和3GPPS的cdma2000)进入较大规模建设。UMTS将从GSM网进行过渡，cdma2000将从第2代的CDMA网进行过渡。前者市场主要在欧洲，后者市场主要在北美和部分亚洲地区。
1.软交换在UMTS中的应用
为从电路交换核心网过渡到全IP核心网，UMTS标准有3个版本，即：
(1)R99版本，已于2000年3月冻结；
(2)R4版本，已于2001年3月冻结(目前R99和R4正在组成UMTS最新的一套完整规范)；
(3)R5版本，计划于2002年3月冻结，但被推迟了。
R99提供的业务与2.5G网提供的相同，在R99网中话音业务仍将占据很大份额，但它可以比2.5G网更及时、更经济地引入新业务。R99规范了基于ATM的核心网，为从无线接入网(RAN)把话音业务传向核心网，最终传向PSTN，定义了Iu-cs电路交换接口。在基于软交换的体系结构中，移动交换中心(MSC)将被分解为MSC的呼叫控制部分，后者提供传统MSC的交换部分。在R99中，规定MSC是不予分解的，要求基于ATM的MSC是单一的，但是有些厂商已经开始提供符合R99的MSC服务器和媒体网关，即对MSC进行了分解。按照R99规范，MSC必须升级为ATM接口，以支持与3G无线网络控制器(RNC)的连接。移动话机利用新的自适应多速率(AMR)声码器来传送话音，该声码器包括8种不同的声码器速率，可以使移动网的性能达到最优化。AMR话音分组通过ATM自适应层2(AAL2)传送到媒体网关或MSC，再变换为TDM送到公众交换电话网(PSTN)中去。
服务提供商可选择在R99网中跳过基于ATM的电路交换MSC，而直接选用符合R99的媒体网关和无线软交换机。其好处是便于向R4过渡，因为R99网迟早要被R4网取代。如何抉择主要取决于它们自己的判据(例如，现有网络情况、与设备供应商的关系、向R4和R5过渡的时间表等)。
R4版本利用同一ATM核心网，但规定要把MSC分解为软交换机(MSC服务器)和媒体网关。R4的信令平面和用户平面如图1所示。R99，甚至2G系统的MSC也可以用软交换机和媒体网关来取代。
对移动终端到移动终端的话音呼叫而言，话音分组可以直接利用无汇接运行(TFO)或无变码器运行(TrFO)来传送，以减少时延和改善话音质量。在R4中，当使用TrFO时，媒体网关可以是ATM交换机。在核心网中，话音利用AAL2通过ATM传送。除了话音业务的交换与处理以外，软交换机提供与2G和3G R99之MSC相同的服务，媒体网关完成把话音业务从分组核心网交换到传统电路交换PSTN的工作。软交换机通过标准的控制接口利用媒体网关控制(Megaco)协议来控制媒体网关。从表面看，无线软交换机与固定网5类机的软交换机一样，但是无线软交换机的软件程序必须符合GSM和UMTS的规范，提供控制无线接入网(RAN)和移动用户所必要的功能，由此增加的复杂性也必须服从基于标准的协议和流程，如CAMEL触发器、GSM MoU要求的特点、用户信息管理(SIM)流程、与原籍位置寄存器(HLR)的通信、与其它MSC的访问位置寄存器(VLR)的通信等。这附加的复杂性使无线软交换机比有线软交换机复杂得多。
R5也是建立在分组核心网的基础上，但规定要利用IPv6从ATM核心网过渡到全IP网，提供话音、数据和多媒体服务。对分组交换的数据来说，可以保证端到端的服务质量(QoS)。R5规范要求把MSC服务器分解为媒体网关控制功能(MGCF)和呼叫状态控制功能(CSCF)，但它仍是软交换机，只不过它现在处理的是多媒体呼叫控制，这与话音呼叫控制有很大不同。例如，在MGCF、CSCF和其它媒体服务器会晤启始协议(SIP)代理之间用SIP来提供呼叫控制信令。又如，CSCF可以被限于仅把SIP指令传送到另一应用服务器，再由该服务器为特殊会晤或呼叫执行呼叫控制。R5在标准委员会内还未最后定稿，但它将使新的基于分组的基础设施、网元和协议得到充分利用是非常明确的。R5有可能引入新的宽带多速率(WB-AMR)声码器来改善话音质量，WB-AMR已被ITU批准，在建议G.722.2中规定它既可用于UMTS，也可用于有线系统。R5有可能引入新的网元，如原籍用户服务器(HSS)等。HSS管理有关移动用户的信息，类似于2GHLR，但被扩展了，它还包括诸如位置信息(可用来开发基于位置的服务)之类的附加信息。VHE是使用户个人服务能够跨网(多个运营商)携带的一种概念，用户可以利用个性化服务生成环境(PSE)来生成它们自己的服务环境。当用户跨网漫游时，他们看到的是相同的个性化特点、用户接口和计费机制。另外，在网中还可以加入应用服务器，通过基于Parlay/SIP-S协议的开放式接口(OSA)即可接入。应用服务器接收来自HSS、PSE以及CSCF的信息，这些不同的接口均为SIP的变型，它们用专门的句法在这种主动网络中产生新的价值。有关OSS接口、供应、流量管理、QoS、计费以及对各网元与服务器的监测目前仍是开放的。
2.软交换在cdma2000中的应用
cdma2000的标准是由3GPP2负责制定的。3GPP2包括下列技术规范组(TSG)：
(1)TSG-A(A-接口系统)：负责制定RAN和核心网之间的接口规范；
(2)TSC-C(cdma2000);负责制定cdma2000无线接口部分的规范；
(3)TSG-N(ANSI-41/WIN)：负责制定核心网部分的规范；
(4)TSG-P(无线分组数据互通)：负责制定互联网与IP多媒体核心网部分的规范；
(5)TSG-S(服务与系统方面)：负责制定对系统服务能力的要求。
原来在TSG-S下面指定全IP特别工作组(All IP AdHoc)，来定义为了支持将来全IP无线互联网接入所需的高级要求和网络体系结构。现在此工作组已不再活动，其工作划归TSG-N。
3GPP2最初的规范基于cdma2000 1x技术，能提供话音业务和高达144kbit/s 的分组数据。在这一阶段，3GPP2参考模型引入RAN与新的分组数据服务节点(PDSN)之间的接口，以提供高速分组数据(互联网)业务，话音业务继续由电路交换的MSC支持。标准的重点是纳入基于TIA-EIA-41的服务和解决互通问题。如前所述，此时MSC也可以用基于软交换结构的MSC来取代，既可具备电路交换能力，也可具备分组数据能力，它取决于RAN提供的是电路接口，还是分组接口。
标准的下一阶段是引入1XEV-DO技术，它只提供高速数据CDMA信道。利用与1X
一样的1.24MHZ信道，下行链路数据速率高达2.4Mbit/s，上行链路数据速率为307kbit/s。由于1XEV-DO的重点是传数据，所以对话音业务而言，它继续支持电路交换的MSC。3GPP2的再下一阶段是同时支持话音和数据的1XEV-DV。它同样利用1.24MHZ的信道，可同时支持话音和到达5Mbit/s的数据速率。由于这一技术是同时支持话音和数据业务的，因此在这一阶段制定的标准要满足全IP核心网的所有要求。全IP核心网的规范由TSG-N来指定。核心网的体系结构将遵照3GPP R5 IP网络模型，它由MSC服务器(MGCF&CSCF)、媒体网关和信令网关组成，另外还可通过开放的服务接入(open service access)加入新的应用或特色服务器。因为它具有到HLR和VLR的附加接口，所以这种软交换结构能够方便地支持电路交换的核心 IP(CS Core IP)结构。
三、软交换在2G网中的应用
软交换不仅可以用于3G网，而且在2G网中也可得到某些应用。以下是软交换在2G网中的一些应用举例。
1.用作IMT的分组回程
目前，大多数MSC都是利用网状网结构来互联的。每一MSC都使用基于TDM的机间中继线(IMT)与另外若干MSC相连(见图2)。在MSC上的IMT中继线服务于3种连接方式：
(1)用于当正打电话的用户从一个MSC服务区移至另一MSC服务器时发生的MSC间切换；
(2)用于在MSC之间始发与终结的呼叫；
(3)用于在移动网与PSTN之间始发与终结的呼叫。
这些中继线把MSC与PSTN的4类或5类交换机相连起来，对于网中最重要的部分，都用网状网结构把MSC互联起来。这种做法在网络规模小时是可以管理的，但当网络扩张，它就变得极难管理。网状网的另一缺点是传送成本高，因为MSC之间所需的中继线多。运营商想降低成本与网络复杂性的捷径就是在其网络中引入基于软交换的分组汇接交换能力，不用基于电路的IMT中继线来为呼叫选路，而是在网络核心的IP网上为呼叫选路。要使这种方法有吸引力，必须让它最低限度地影响目前的网络结构。具体做法就是采用分组汇接的办法，就是由一个集中的软交换机来控制分布在各处的媒体网关。出自各MSC的IMT中继线一般终接在与MSC同处一地的媒体网关，来自PSTN的中继线也终接于这些媒体网关，媒体网关完成话音的分组变换以及在软交换机的控制下为话音呼叫选路，并把它送到目的地MSC。因为，MSC仍在TDM电路上为呼叫选路，故这种体系结构对MSC的影响最小。其好处是由于在MSC之间消除了点到点的TDM中继线，从而降低了长途传送成本及简化了网络体系结构。当网络继续扩张并增加新的MSC时，在分组核心网中增加IMT中继线，无需建立到所有MSC的、基于电路的中继线。图2比较了网状网结构和基于分组的结构。
2.用分组IMT网在网关与MSC之间选路
在分组回程方案中，媒体网关也接收来自PSTN的呼叫。当呼叫从PSTN到达媒体网关时，Gateway-MSC服务器利用GSM-MAP或ANSI-41 SS7消息来询问HLR的用户数据库，从而断定移动终端的位置。然后把呼叫转发至访问MSC，通常都旁路原籍MSC，以释放原籍MSC的容量来处理新来的呼叫，增加营业收入。由于输入呼叫总是要被转发至现有MSC并被记录下来，所以媒体网关与MSC之间的选路不产生新的计费记录。这是4类机VoIP选路汇接应用的延伸。在这种应用中，选路汇接是移动网感知的，可以询问移动HLR，然后决定输入呼叫与服务MSC之间的路由。无论对分组IMT网，还是对Gateway-MSC选路应用而言，软交换机都利用MGCP或Megaco控制协议来控制媒体网关。
四、从2G向3G的过渡
从2G向3G演进，最要紧的是尽可能地平滑过渡。在过渡中要做到：
(1)不断扩大业务范围，直至包括高速多媒体业务；
(2)利用分组基础设施来建立核心网的基础；
(3)利用公共核心网来实现2G与3G间业务的互通，让用户通达其它外部网络，增加运营商提供服务的机会。
网络过渡的初期阶段可以从部署分组重叠数据网(既可以是IP网，也可以是IPover ATM网，如GPRS等)开始，并在2G系统中提供数据业务，这一阶段是迈向UMTS R99所要求之ATM网之第一步。它利用重叠网的办法来提供数据业务，故运营商必须同时保持电路交换的话音网，此时核心网将提供RAN之间的互操作性以及与外部话音网的连接性，并支持新的应用服务，它还将快速提供新业务的灵活性。如前所述，当走向话音和数据融合的3G网时，运营商可以把它们的IMT话音中继线分组化，并使用基于分组的Gateway-MSC应用，以降低运行成本。运营商将在每一MSC处安装媒体网关，在那里对话音进行分组化，然后送到核心数据网上。此核心网今后还可利用基于软交换的分布式体系结构演进为可同时包括话音和数据应用，3GPP已经在R4中把这种体系结构规定为新的3GUMTS核心网体系结构。
五、在无线网中软交换体系结构的特点和好处
1.分布式交换
传统电路交换网利用集中的MSC在RAN和PSTN之间完成话音交换。由于运行成本和运维人员成本高，运营商都建大型集中的MSC，其代价是要建来自各城市RAN的回程话音电路。由于多数呼叫是本地的，这就造成电路加倍，从本地RAN到MSC，又从MSC到本地PSTN，如图3所示。图3所示的是基于软交换的体系结构，它由集中的MSC服务器/软交换机与分布的媒体网关组成，呼叫控制与话音处理/交换是分开的，媒体网关可以布设在提供最大价值的场合，复杂的呼叫控制被集中在一起。通过部署分布式交换，运营商可以明显降低回程费用。
利用基于软交换的分布式体系结构的另一主要好处是话音业务和GPRS数据可以共用核心网。运营商可能不用像2.5G那样需要两个网，只需一个网即可。
2.开放智能业务不需对所有MSC升级
移动运营商利用移动智能网(IN)开放基于标准的业务。移动IN的GSM标准是移动增强逻辑定制应用(CAMEL)的标准。北美CDMA与TDMA也在对无线智能网(WIN)进行标准化。虽然当前许多业务(如预付费业务等)是利用IN协议的专有扩充来提供的，但是想把这些业务延伸至漫游者就需要实施基于标准的CAMEL&WIN业务。CAMEL和WIN两者都使用集中的智能网节点即业务控制点(SCP)。经过升级的MSC在某些点上要把呼叫控制移交给SCP，由SCP执行业务逻辑，当部署新业务时，运营商必须对所有的MSC进行升级和安装触发器。这样做的缺点是：
(1)成本高，因为要对每一MSC进行升级，费钱费时；
(2)MSC实时处理代价高，因为所装CAMEL触发器可能占据MSC处理能力的5%-20%。这意味着与未装触发器的MSC相比，每MSC将少支持5%-20%的无线用户，这是很大的代价；
(3)软件成本高，因为MSC软件升级也需相关费用；
(4)业务投放市场时间长，因为在传统电路交换MSC上开发软件需要时间长。
比较经济的办法是把这些触发器卸下来，放到软交换机上去。由移动终端将基于所装的触发器对SCP发起询问。由于触发器集中装在软交换机中，从而减轻流量MSC的负担。利用软交换结构可开放的智能业务包括无线号码携带、号码共用、预付费漫游、长途免费业务等。
3.通过软交换利用基于IP的服务平台来开放业务
国际软交换论坛应用工作组制定了一种应用框架。在此框架中，软交换机可以使用SIP或LDAP来接入基于IP的应用服务器获得服务。这些基于IP的服务平台其工作方式与SCP相同，但它们的成本低很多，而且更加灵活。一旦数据库被移到更现代的平台，软交换机可以利用SIP或LDAP来对它们进行询问。
五、结束语
早期软交换的发展主要是针对有线网的应用，但是这种技术给无线运营商也带来了很大好处。在软交换协会(ISC)中，专门成立了一个无线工作组，来研究如何把软交换结构运用到无线网中。该工作组认为，MSC服务器、媒体网关和信令网关最终将取代移动核心网中的传统MSC。由于3G刚刚开始建设，2G还在发展，所以在2G和3G网中软交换都可以得到应用，使运营商能够构筑更经济有效的网络和提供先进的服务，创造更多的收入。
在UMTS试验网以及在2G网中部署的无线软交换机将是在无线环境中应用软交换的先驱者。在国外，一些运营商则在等待设备厂商推出3G的MSC、一些运营商则已经准备用软交换逐渐改进其网络。Winphoria,Spatial Wireless ,Cambia Networks和Airslide Systems等公司已经开始推出一些迎合运营商需求的产品。
摘自《电信网技术》
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