基于软交换的下一代电信网的研究

1 引言
市场需求和技术进步共同推动着网络的发展， IP技术大大改变了传统电信网络的概念和结构。未来的趋势表明以IP为代表的数据业务将持续快速增长，因为诸如Internet之类的先导网的发展会出现许多新的应用，传统电信业务从电路交换网向IP网的转移将加快，宽带接入的推广使用将大大增加网上流量。为了适应用户多媒体通信的需要，电话网、互联网以及有线电视网的融合将越来越深入，而作为一个公共的通信平台，互联网将处于核心的地位。如何将目前的电信网演进为以IP分组为基础、以互联网为核心的公用通信网络，是电信网发展所面临的挑战。发展统一的IP核心网不仅能使新型电信运营商从互联网综合业务的角度进入固定电话和移动电话领域，还可以进行以电子商务为代表的、基于Web的互联网新业务，以及宽带交换式多媒体业务。
2 下一代网络NGN体系结构
所谓下一代网NGN ，是一个及其松散的概念，泛指一个不同于目前一代的、以数据为中心的融合网络。从网络特性看，下一代网络应该是：一个通过高速公共传输链路和路由器等节点，利用IP承载话音、数据和视像等所有比特流的多业务网；一个能为各种业务提供有保证的服务质量的网络；一个在与网络传送层及接入层分开的服务平台上提供服务与应用的网络；一个向用户提供宽带接入，能充分发挥容量潜力的网络；一个具有后向兼容性，能充分挖掘现有网络设施潜力和保护以有投资，答应平滑演进的网络。
基于IP技术的下一代电信网是一种以分组为单位的网络交换和传输机制，承载、信令和治理在同一个基础设施上（即IP之上），客户机／服务器的电信业务体系，具有向传统的固定和移动终端提供仿真的传统电信业务的能力。其大致网络体系结构如图1所示。
　
图1 下一代网络NGN体系结构示意图
其中， IP宽带交换传输网组成核心网，其要害技术包括宽带光纤波分复用传输技术和IP高速分类多业务网络软交换汇接技术：接入间具有IP宽带多业务有线和无线的接入方式，包括IP光纤接入网软交换和传输技术、IP无线接入网软交换和传输技术、W-CDMA无线接入技术、SBS软基站技术、Ethernet／Cable和光纤有线接入技术的应用；用户终端是智能的、与网络结构独立的多功能个人化终端；接入网关完成传统终端的匹配、认证、授权、接入许可和记账等功能；业务服务器向终端、网关和各类网络节点提供网络知识，提供各种电信业务。下一代网络NGN是业务驱动的网络，通过业务与呼叫控制分离实现相对独立的业务体系，使业务真正独立于网络，灵活有效地实现新业务，在功能上分为四层（如图2所示）：
1）接入和传输层(Access and transport layer)：将用户连接至网络，集中用户业务将它们传递至目的地，包括各种接入手段。
2）媒体层(Media layer)：将信息格式转换成为能够在网络上传递的信息格式。、例如：将话音信号分割成ATM信元或IP包。此外，媒体层可以将信息选路至目的地。
3）控制层(Control layer)：包含呼叫智能。此层决定用户收到的业务，并能控制低层网络元素对业务流的处理。
4）网络服务层(Network Service layer)：在呼叫建立的基础上提供额外的服务。
　
图2 下一代网络NGN的分层结构
3 基于软交换技术的下一代电信网的分析
在下一代网络体系中，软交换技术无疑是其核心技术。软交换的基本含义就是把呼叫控制功能从媒体网关(传输层)中分离出来，通过服务器上的软件实现基本呼叫控制功能，包含呼叫选路、治理控制(建立会话、拆除会话)、信令互通(如从SS7到IP) 。其结果就是把呼叫传输与呼叫控制分离开，为控制、交换和软件可编程功能建立分离的平面，使业务提供者可以自由地将传输业务与控制协议结合起来，实现业务转移。其中更重要的是，软交换采用了开放式应用程序接口(API) ，答应在交换机制中灵活引入新业务。软交换主要提供连接控制、翻译和选路、网关治理、呼叫控制、带宽治理、信令、安全性和呼叫具体记录的生成等功能。
从功能上，将电信业务分离到业务服务器中，使电信服务与网络知识独立；将交换控制分离到控制服务器中，使交换控制与交换网络无关；将网络知识转移到网络知识服务器中，使控制功能动态学习路由；最终实现通信应用与电信业务、交换机制与交换控制、网络和终端及业务的知识与网络节点的交换功能的彻底分离，核心网络的汇接转发功能和接入网络的接入功能隐藏在第三层以下。业务由服务器向客户机提供，建立在服务器开放的平台上，服务器提供网络基本电信业务和应用业务及注册、认证、授权和记账业务：同一客户机可以接受多种不同的业务，客户机可以设置在网关中向传统用户提供业务接口，也可以设置在用户终端里接受各种网络和应用业务；每一种业务由专业的业务供给商创建、经营并且维护相关的业务。
3.1软交换在下一代电信网中的位置
在传统交换网络中，给用户提供的功能或提供的业务都直接与交换机有关，因此交换机需要的功能或交换机需要提供新的服务都需要在每个节点来完成，如PSTN交换机能提供如缩位拨号、呼叫前转、呼叫等待、三方通话等14种补充业务。ISDN交换机能提供的补充业务比PSTN交换机还多，如主叫号码显示业务、主叫号码显示限制业务、被连接号码显示业务、被连接号码显示限制业务和UUS业务等。传统交换网络采用依靠交换机和信令提供业务的方式，通常在制定交换机规范的时候要确定该交换机应提供什么业务，在增加新的业务时必须要对每一个交换机或信令作相应的改造，因此提供业务的时间较长。为了满足业务的需要，网络中出现了公共的业务平台，即智能网。智能网的设计思想就是把呼叫连接和业务提供分开。交换机完成呼叫连接，而智能网完成业务提供。将呼叫连接和业务提供分开的方法大大增强了业务提供的能力，缩短了业务提供的时间。但是这种分离仅仅是第一步，随着承载的多样化还必须将呼叫控制和承载连接进一步分离。如图3所示，网络将分成接入传送层、媒体层、控制层和业务层，即把控制和业务的提供从媒体层中分离出来。软交换就是位于网络分层中的控制层，它与媒体层的网关交互作用，接收正在处理的呼叫的相关信息，指示网关完成呼叫。它的主要任务是：在各点之间建立关系，这些关系可能是一个简单的呼叫，也可以是一个较复杂的处理。软交换主要处理实时业务，首先是语音业务，也可以包括视频业务和其他多媒体业务。在软交换中通常也提供一些基本的补充业务，相当于传统交换机的呼叫控制部分和基本业务提供部分。这种网络拓扑结构有以下特点：可以使用基于包的承载传送，是一个开放端点的拓扑结构，能同样好地传送话音和数据业务；将网络的承载部分与控制部分相分离，答应它们分别演进，有效地打破了单块集成交换的结构；在各单元之间使用开放的接口，答应运营商为其网络的每一部分购买性价比最好的产品。
　
图3 软交换在NGN分层网络中的位置
3.2 软交换在网络中的功能
软交换是多种逻辑功能实体的集合 ,提供综合业务的呼叫控制、连接以及部分业务功能 ,是下一代电信网中语音/数据/视频业务呼叫、控制、业务提供的核心设备 ,也是目前电路交换网向分组网演进的主要设备之一。软交换的主要设计思想是业务/控制分离 ,各实体之间通过标准的协议进行连接和通信。软交换的功能结构如图4所示主要有：
　
图4 软交换的功能结构
① 呼叫控制功能：软交换设备可以为基本呼叫的建立、维持和释放提供控制功能，包括呼叫处理、连接控制、智能呼叫触发检测和资源控制等。软交换设备应可以接收来自业务交换功能的监视请求，并对其中与呼叫相关的事件进行处理。接收来自业务交换功能的呼叫控制相关信息，支持呼叫的建立和监视。软交换设备应支持基本的两方呼叫控制功能和多方呼叫控制功能，提供对多方呼叫控制功能，包括多方呼叫的非凡逻辑关系、呼叫成员的加入/退出/隔离旁听以及混音过程的控制等。软交换设备应能够识别媒体网关报告的用户摘机、拨号和挂机等事件；控制媒体网关向用户发送各种信号音，如拨号音、振铃音、回铃音等；提供满足运营商需求的拨号计划。当软交换设备内不包含信令网关时，软交换应能够采用SS7/IP协议与外设的信令网关互通，完成整个呼叫的建立与释放功能，其主要承载协议采用信令控制传输协议(SCTP) 。软交换设备可以控制媒体网关发送交互式语音应答(IVR) ，以完成诸如二次拨号等多种业务。软交换可以同时直接与H.248终端、媒体网关控制协议(MGCP)终端和会话启动协议(SIP)客户端终端进行连接，提供相应业务。当软交换位于PSTN/ISDN本地网时，应具有本地电话交换设备的呼叫处理功能。当软交换位于PSTN/ISDN长途网时，应具有长途电话交换设备的呼叫处理功能。
② 业务提供功能：软交换应能够提供PSTN/ISDN交换机提供的业务，包括话音业务、补充业务和多媒体业务等基本业务和补充业务，可以与现有智能网配合提供现有智能网提供的业务；可以与第三方合作，提供多种增值业务和智能业务。
③ 业务交换功能：业务交换功能与呼叫控制功能相结合提供了呼叫控制功能和业务控制功能(SCF)之间通信所要求的一切功能。业务交换功能主要包括：业务控制触发的识别以及与SCF间的通信；治理呼叫控制和SCF之间的信令；按要求修改呼叫/连接处理功能，在SCF控制下处理IN业务请求；业务交互作用治理等。
④　协议功能：软交换是一个开放的、多协议的实体，因此必须采用标准协议与各种媒体网关、终端和网络进行通信，这些协议包括：H.248、SCTP、ISUP、TUP、INAP、H.323、Radius、SNMP、SIP、MTP3用户配置协议(M3UA)、MGCP、与承载无关的呼叫控制(BICC)、ISDN、V5协议等。
⑤ 互联互通功能：软交换应可以通过信令网关实现分组网与现有七号信令网的互通；软交换可以通过信令网关与现有智能网互通，为用户提供多种智能业务；答应SCF控制VoIP呼叫且对呼叫信息进行操作(如：号码显示等)；软交换可以通过软交换中的互通模块，采用H.323协议实现与现有H.323体系的IP 电话网的互通；采用SIP协议实现与未来SIP网络体系的互通；软交换可以与其他软交换设备互通互连，它们之间的协议可以采用SIP或BICC；软交换提供IP网内H.248终端、SIP终端和MGCP终端之间的互通。
⑥ 资源治理功能：软交换应提供资源治理功能，对系统中的各种资源进行集中的治理，如资源的分配、释放和控制等。
⑦ 计费功能：软交换应具有采集具体话单及复式计次功能，并能够按照运营商的需求将话单传送到相应的计费中心。
当使用计帐卡等业务时，软交换应具备实时断线功能。
⑧ 认证与授权功能：软交换应能够与认证中心连接，并可以将所管辖区域内的用户、媒体网关信息送往认证中心进行认证与授权，以防止非法用户/设备的接入。
⑨ 地址解析功能：软交换设备可以完成E.164地址至IP地址、别名地址至IP地址的转换功能，同时也可以完成重定向功能。
⑩ 语音处理功能：软交换可以控制媒体网关采用语音压缩，并提供可选择的语音压缩算法，算法至少应包括G.729、G.723等。软交换可以控制媒体网关采用回波抵消技术。软交换应可以向媒体网关提供包缓存区的大小，以减少抖动对语音质量的影响。
4 现代电信网向下一代电信网过渡方案研究
从理论上讲，软交换可用于IP网、ATM网，当然也可以用于PSTN/ISDN网络。用在IP网络是非常自然的，因为IP网络所需的呼叫控制与承载连接是分开的。用在纯PSTN/ISDN网络中来替代传统的交换机意味着把传统的交换机的控制部分和补充业务的提供部分拿到外面去，而传统的电路交换机只完成承载连接，这种想法在综合交换机中有过考虑，但目前并未实施，把现有的技术成熟、价格便宜、国内有雄厚的生产能力的电路交换机都改造成为软交换的方式显然是不合理的。目前一些网络上用软交换去替代现有的电路交换机应该是基于将现有的电路交换网络向IP网过渡，例如当用软交换来替代汇接局时相当于从该汇接局进入IP网。从应用的角度来看，软交换主要是应用在IP网上的。引入软交换和应用服务器后，他们与传统网络的关系如图5所示。
　
图5 软交换、应用服务器与传统网的关系
电信网的交换技术包含了交换矩阵技术、用于建立通信链路和建立呼叫的信令技术。交换技术已经经历了电路交换(TDM)、信元交换(ATM)和包交换(IP)三个阶段。从OSI的分层概念来看，电路交换仅仅支持面向连接的语音通信业务，交换功能在物理层；信元交换支持面向连接的多媒体业务，交换功能在链路层；而包交换支持无连接的多媒体通信业务，交换功能在网络层。在电路交换网上建立话音通信链路和呼叫，以及在信元交换网上建立多媒体的链路和呼叫，由于需要通过信令实现网络层的功能，涉及网络中所有的交换节点，因此需要十分复杂的信令系统的支持，如SS7和PNNI 。在IP包交换网上的多媒体通信链路和呼叫的建立，是基于网络层功能的一种应用。因为这种IP网络层之上的链路和呼叫建立过程，是由独立的软件系统完成，不需要考虑对沿途的交换矩阵进行控制，被称为软交换信令。
软交换之所以区别于传统电话网和ATM网络的硬交换，是由于IP网络是基于包交换的非连接网络，并支持端到端的透明访问，不再需要任何电路交换单元建立端到端的连接，也不需要分段的信令系统和独立的信令网控制呼叫、接续和智能业务。另外，软交换的所有协议是基于IP的，它们具有一切基于IP的协议的开放性和灵活性。除了低成本的优势之外，软交换还具有提供普通电话网目前不具有的许多新特性，如开放的电信业务平台和支持多样的接入技术，以及许多基于Internet的开放的高级智能业务和OSS业务。
根据我国的国情，基于现实的考虑，利用软交换技术，可以保护现有电信网络的投资，促进现代电信网络向下一代电信网络平滑过渡。在毫不影响现有网络所有业务的基础上，利用软交换技术，使用软交换产品，可以方便地完成传统的PSTN网络（包括IN网络）与Internet网络的互通。图6描绘出了现阶段可行的一种过渡方案：（下面是面结构而不是分层结构）
图6 一种网络过渡方案
在这个过渡方案里，对比传统的电信网，显然分离出来了一个业务控制平面，而软交换设备正好完成了业务控制的功能。对于现有的IN网，它还是建立在SS7网上，而SS7网仍然还是一个相对独立的信令网，传统的电路交换网依然可以正常运行。传统的PSTN网要与IP数据网互通，必须有一个语音帧与数据包的转换过程，所以在IP数据网与PSTN之间必须有一个媒体网关。根据目前大多数IP电话系统的设计，媒体网关不仅承载了媒体的转换与传送，还承载了信令的翻译与转接，这样，尽管实现了PSTN网与IP数据网的语音互通（即IP电话），但是缺少了灵活性， PSTN网上与IP数据网之间的很多智能业务不能快速生成，甚至有些根本就无法实现。现在，软交换技术将媒体承载与信令分离开来，软交换设备根据软交换信令完成业务控制功能，只样就大大增强网络的灵活性与智能性。在此方案里，软交换设备通过SIP、XML或H.323协议与IP网络通信、通过H.248协议与媒体网关通信、通过SS7与SS7网通信、通过H.225协议与接入网关（主要是连接H.323终端的接入网关）通信，这样，就建立了IP数据网、电路交换网、SS7心令网以及相关接入网关的信令连接。又由于软交换设备的应用服务模块提供了开放灵活的编程接口，从而，基于软交换技术的电信网，不仅无缝融合了电路交换网与IP数据网，还能方便、迅速地生成智能新业务。
5 结束语
软交换可以说是下一代分组网络交换的核心，假如说传统电信网络是基于程控交换机的网络，而下一代电信网则是基于软交换的网络。未来新公众网的组成元素中，软交换将是新老网实现融合的枢纽，将电话网、计算机网以及有线电视网连接在一个统一的IP网上，从而真正做到三网融合。