网络技术演进策略和电路域的特点分析

    作者：陶安

    摘要：本文主要介绍了软交换的技术特点和新增协议的介绍，同时也对任何从2G网络如何向3G网络演进进行了介绍

    1.网络技术演进总体策略

    网络技术的演进从策略总体上都是渐进式的，即要保证现有投资和收益，同时也要有利于现有技术的平滑过渡；而要实现渐进式的演进策略，其技术标准的指导思想是系统中的网元可分别独立演进，网络尽可能实现平滑过渡，最终实现全ip化的全球宽带移动通信网络。

    也就是最终达到一张IP承载网，一张核心网络，n种不同的接入方式（GSM,UMTS,CDMA2000,WiFi, WiMax…）。

    2.软交换NGN的特点

    为了网络的平滑演进，需要核心的交换设备从承载和控制一体的方式向承载和控制分离进行演进，以适应未来以软交换分层架构为主导的下一代移动网络建设趋势，同时也为实现同一张核心网打下坚实的基础。

    下一代网络体系主要的特点是采用开放的网络构架，将传统交换机的功能模块分离成独立的网络构件，各个构件可按相应的功能划分，各自独立发展。构件间的协议接口基于相应的标准，使得原有的网络逐步走向开放，同时可以根据业务的需要自由组合各部分的功能构件来组建网络，实现各种异构网的互通。构件化的结构更具有弹性，便于各个构件的独立发展、扩容和升级。通过业务与呼叫控制分离以及呼叫控制与承载分离实现相对独立的业务体系，使业务真正独立于网络，灵活有效地实现业务的提供。用户可以自行配置和定义自己的业务特征，不必关心承载业务的网络形式以及终端类型，使得业务和应用的提供有较大的灵活性，从而满足用户不断发展更新的业务需求。也使得网络具有可持续发展的能力和竞争力。

    软交换技术作为业务／控制与传送／接入分离思想的体现，是NGN体系结构中的要害技术，其核心思想是硬件软件化，通过软件的方式来实现原来交换机的控制、接续和业务处理等功能，各实体之间通过标准的协议进行连接和通信，便于在NGN中更快地实现各类复杂的协议及更方便地提供业务。

    移动软交换就是将软交换技术引入移动网络，狭义上讲，软交换专指软交换设备。基本含义就是把呼叫控制功能从媒体网关中分离出来，通过服务器或网元上的软件实现基本呼叫控制功能，包含呼叫选路、治理控制、连接控制(建立会话、拆除会话)、信令互通(如从SS7到IP)。软交换是NGN的控制功能实体，是NGN呼叫控制和连接控制的核心。他独立于底层承载协议，完成呼叫控制、媒体网关接入控制、资源分配、协议处理、路由、认证、计费等主要功能，可以向用户提供现有电路交换机所能提供的所有业务，并向第三方提供可编程能力。因为NGN是一个融合网络，网络必须互通是NGN发展的要害。软交换通过对各种媒体网关的控制实现不同网络之间的业务层融合。软交换作为控制中心，通过网关发出信令，控制语音／数据业务通路。

    相对与传统的网络，软交换有如下好处：

    *开放性

    开放的体系，使运营商可以自由的选择设计自己的网络，易于提高竞争力，使得综合建网成本下降。

    *低成本

    三网合一的建网思路，使运营商的建设成本及网络运维成本大幅度降低。

    *易规划，分布建网

    无级网络，伸缩性强，网络可按需边规划边建设，分布式组网使运营商的业务“低成本、广覆盖”。起步容量较小时，成本优势明显，组网成本线性增长。

    *更丰富的业务

    可以支持有线/无线/多媒体融合的业务，任何用户可以在任何地点、采用任何接入手段、任何时间获得基本相同的业务，“一点提供、全网共享”，支持第三方业务，支持用户业务定制，业务个性化。

    *增强网络可靠性

    在传统的组网中，合一的设备实体使得想通过设备冗余提高网络可靠性是不可能的。应用软交换技术后，可以通过设置N+1冗余业务服务器的方式低成本的提高网络的可靠性。

    从软交换的技术可以看出，下一代网络的演进主要按照两条路线来发展：第一条路线主要体现为电路交换网络设备被划分为物理上独立的控制面软交换与承载面媒体网关两部分，而最终用户基本感觉不到业务特性及接入方式的变化。而第二条路线则实现了真正端到端的IP业务特性，并引入了包括话音在内的全新实时多媒体应用，用户以SIP/H.323等分组终端的方式接入网络，网络体系结构及业务的提供方式(如SIP方式)完全不同于传统网络。而3GPP的R4，R5等架构的演进也正好符合下一代网络的演进，为最终固定和移动的宽带网络融合提供

    从移动核心电路域的发展来看，期间经历了R99到R4以及到全IP化的R5系统架构，其标准还在不断的完善中。在R99的架构中，系统仍然采用分组域和电路域分别承载与处理的方式，分别接入PSTN和公用数据网。无线侧的AMR话音仍须经过编解码转换器转化为64k电路，降低了话音质量，导致核心网的传输资源利用率低而且核心网仍采用过时的TDM技术，虽然技术成熟，互通性好，，但存在技术过时、新业务跟不上的问题。而在演进到R4架构中，同R99相比，无线接入网网络结构没有改变，改变的只是一些接口协议的特性和功能的增强。而核心网部分：PS（分组交换）域不变，电路域变化较大，主要体现引入了软交换的体系架构，在电路域引入分层结构。话音分组化，由包方式承载，可以由ATM、IP来传输电路域的语音和信令。这样，接入网与核心网话音承载方式均由分组方式实现；同时，由于分组交换域的传输也是建立在ATM或IP网络上，所以，运营商可以用同一个传输网络来传输所有的业务。

    3.软交换架构中的要害技术和协议简介

    由于新的接口引入，在R4架构中的存在着以下几种要害协议和技术：

    *Mc接口

    用于控制媒体网关进行承载的建立；3GPP规范推荐使用的用于媒体网关承载控制的协议是H.248，主要参考3GPPTS29.232和3GPP23.205。H.248有文本的方式和二进制的方式，主要承载在UDP/IP或SCTP/IP之上。随着了技术的发展，H.248的协议内容不断的增加，从TDM/VoIP的控制到3GIP承载的控制。

    *Nc接口

    引入BICC协议（与承载无关的呼叫控制协议），它是由ITUT第11组提出的信令协议。BICC协议属于应用层控制协议，采用呼叫信令和承载信令功能分离的思路，重新定义了一个在骨干网络中使用的呼叫控制信令协议，其协议解决了呼叫控制和承载控制分离的问题，使呼叫控制信令可在各种网络上承载，包括MTPSS7网络、ATM网络、IP网络。呼叫控制协议基于NISUP信令，沿用ISUP中的相关消息，并利用APM(applicationTransport Mechanis m)机制传送BICC特定的承载控制信息。由于采用了呼叫与承载分离的机制，使异种承载的网络之间的业务互通变得十分简单，只需要完成承载级的互通，业务不用进行任何的修改。它是传统网络向综合多业务网络演进的重要的支撑规范。

    *Nb接口

    Nb接口可以基于TDM/ATM/IP，在向下一代技术的演进中，IP的承载成为主流。对于IP承载而言，目前主要有两种方式，一种是VoIP，另外是3GIP。3GIP采用的是3GPP的帧协议，包括了NbUP的协议，在建立承载时候需要对Nb的用户面进行协商；而VoIP采用的不是3GPP的帧协议，不要进行Nb的用户面的协商，不需要附加类似于NbUP的额外的信元，所以对于同是采用G.711的编解码格式的时候，所需要的传输长度是小于3GIP的。下表为不同编解码下的需要的传输长度：

    从上表中可以看出，在采用G.711的编解码方式下，VoIP具有占用带宽小的特点，而3GIP主要适于于ARM2的编解码方式，这主要是因为3G的无线接入采用的ARM2的编解码，在3GIP的部署中可以不插入编解码，从而保证语音质量。

    *信令的承载协议

    为了让信令承载的IP化，同时保证信令传输的安全可靠，IETFSIGTRAN小组提出的流控制传送协议(SCTP)，主要在无连接的网络上传送信令消息，该协议可以在IP网上提供可靠的传输协议。SCTP用来在确认的方式下，无差错、无重复地传送用户数据；根据通路的MTU限制，进行用户数据分段；并在多个流上保证用户消息的顺序递交；把多个用户的消息复用到SCTP的数据块中；利用SCTP多归属机制提供网络级在故障情况下，用户信息可靠传送的保证，同时SCTP还具有避免拥塞、避免遭受泛播及匿名攻击的特点。SCTP可以在IP网上承载7号信令，完成IP网与现有7号信令网和智能网的互通。同时SCTP还可以承载H.248，ISDN，SIP，BICC等控制协议，因此，SCTP是IP网上控制协议的主要承载者。

    *信令的适配协议

    在保证了信令的安全可靠的传输后，需要对传统的信令进行设配，使其适于在IP网络上传输。目前国际标准的发展情况，以及在国际上的应用情况来看，唯一可行的技术就是IETF定义的SIGTRAN协议标准，其协议组成如下：

    主流的No.7信令的适配层协议有以下几种：

    1.M3UA:是唯一在3GPP（TS29.202）中被定义用于UMTSRelease4以及之后的，核心网七号信令传输的标准。同时M3UA在3GPP的TS25.412中也被采用，做为在UMTS Release99以及之后的，Iu-CS和Iu-PS接口RANAP的传输协议之一。另外，分别在TS29.205和TS29.232中，M3UA也被定义用来承载BICC和H.248。

    M3UA适配协议可以完成MTP3－USER信令的适配传送功能，以及IP与No.7信令网之间治理消息的映射转换，可以用于IPSP之间或者SGW与IPSP之间。当M3UA协议用于SGW时，在SGW一侧M3UA作为SGP（信令网关进程）工作，在MGC一侧M3UA作为asp（应用服务器进程）工作，M3UA协议支持治理功能，完成ASP和SGP之间的通信。M3UA也可以用于IPSP之间点到点的信令通信，在IPSP之间可以使用多个应用服务器进程，分别使用多条SCTP偶联来承载信令业务。

    M3UA可以采用代理模式和转接模式。在代理模式下，信令网关不需要有独立的信令点码；在转接模式下，信令网关需要有自己独立的信令点码，其功能类似于传统的STP。

    2.M2UA：是对于MTP2的适配，其特点是不需要对立的信令点，可以看做是核心设备的信令的IP延伸，其所有优点M3UA的代理模式下均具备，所有在信令网的适配层中，M2UA并不占有主要地位。

    3.M2PA：也是对MTP2层的替换，其协议的特点：从SG的协议栈上看，SG完全等同于一个连接TDM的SP与IP的SP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。由于SG支持MTP3层协议，具备信令网治理功能，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。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。所以现在的主流是在作为IP的STP之间M2PA作为主要的信令适配协议。其信令网关需要具备独立的信令点编码，即采用信令转接点方式工作．综上所述，M3UA是适用于做IP的信令端点，而M2PA适用作为IP中的STIP。

    *TrFO/TFO

    TrFO主要是为了减少语音编解码的转换而在两端采用相同编解码的时候不插入编解码，提高语音质量，这主要用于3G的核心网络，在3GPP中核心网络采用AMR2的编解码，保证了和无线侧的统一，同时也保证了端到端的无编解码的输入；而在2G网络中无线侧采用的是EFR等编解码，接入到核心网是经过转换的G.711，为了保证2G现网网络语音质量，采用G.711是好的选择。在建网初期，可以统一采用同一个编解码，这样保证了全网设备的统一性，解决进行协商的时延和配合。

    TFO是带内协商的信令，不进行编解码，只是对接入的编解码（如EFR）进行适配到G.711，没有节省带宽，但由于没有进行编解码的转换，没有产生语音质量的丢失。

    从上述的要害技术当中，可以看出这中间主要涉及到如何从基于TDM的信令和语音承载网络过渡到以IP为主的承载网络，在3GPP所进行的核心域的演进中，R5的系统架构实现了端到端的全IP化，同R4结构的主要区别是Iu接口摒弃了ATM的传输而采用IP，同时业务上也引入了Camel4，提供了更多的智能业务应用。而同时在R5结构中也提出了IMS多媒体域的叠加，用于实现各种实时或非实时的多媒体业务。其技术的演进是逐步走向IP化，核心统一化。在其后的R6甚至R7的阶段，核心的电路域和分组域会统一，而SGSN和GGSN也会逐步走向控制和承载的分离，和IMS域进行融合，真正形成核心一张网，而可以有多种接入。

    4.2G网络的演进策略

    为了节省移动网络的投资和运营以及将来的网络需求，对于2G网络中的新建局可以平滑引入软交换，基于对于现网用户的语音质量的保护以及技术的渐进成熟，建议如下的进入方式：

    第一阶段：为了维护2G现网的结构和以TDM为主的方式，引入软交换的后其信令和语音依然基于TDM的方式，在软交换设备之间引入BICC，在CallServer和媒体网关之间引入H.248；为了保证2G网络用户的增长和平滑引入软交换体制，可采用将媒体网关设置在不同地区，但CallServer集中进行设置。软交换和传统的交换机用ISUP信令，软交换之间采用BICC信令，Mc接口可以基于IP承载网/IP专线或者IPover TDM。其结构示意图如下：

    第二阶段：为了平滑过渡到以IP为主的未来的网络体制，在IP承载网能够保证网络延迟不大于100ms，抖动不大于20ms，丢包率不大于0.1%的情况下，可以将信令和语音承载在IP网上，由于是在2G的现网，TRAU不支持TFO，为了不要因为引入IP而对语音质量造成大的影响，编解码可以采用G.711，Nb接口采用VoIP，Nc接口的BICC信令承载在IP,Mc接口的H.248也承载在IP网上。为了提供更好的服务，可以在有WiMax/WiFi的地方可以引入无限制接入的技术，保证了热点地区的无缝覆盖。

    针对于无限制接入的技术，可以采用Alcatel独有的无限制网络控制中心和软交换合二为一的技术，节省投资，充分利用网络资源。

    尽管在2G现网中引入了软交换，但并不改变网络的结构，传输网络依然利用现有的T局网络，在采用了IP网络后，由于软交换具有容量大的特点，省内的软交换数量不会太多，那么软交换之间可以采用扁平化的组网。而省间可以采用软交换结构的T局。

    在第二阶段中，可以引入信令网关将基于TDM的信令进行转换为基于IP的信令，在此阶段，媒体网关可以内设信令网关对Ａ接口信令，ISUP信令和MAP/CAP信令进行转换。在这种方式下，其信令是基于M3UA/SCTP/IP。

    第三阶段：在2G用户不再增长的时候，可以对2G软交换进行升级使之能对3G进行接入，使2G/3G共用同一个网络。

    以上的三个阶段是针对如何在2G现网中引入软交换，以及如何与3G合二为一形成同一张网络。而在3G引入的时期，可以单独进行3G软交换的建设，3G软交换之间采用扁平的组网方式，对于Nb接口采用3GIP，同时支持AMR2的编解码，这主要为了发挥TrFO的保证语音质量的作用；而为了和2G的互通和语音质量，G.711作为缺省的编解码。在3G发展的中期，其软交换也可以增加BSC的接入，作为应对2G的扩容。在2G和3G的网络中，形成你中有我，我中有你的同一张核心网络以提供各种各样的业务。