移动软交换的技术标准和演进过程

　　一、引言

　　当数据业务逐渐取代话音业务成为主要的收益来源时，向以数据为主的分组网络演进不可避免。由于话音仍是一种重要的业务，要求下一代网络必须根据不同业务的要求提供相应的QoS保证。因此，形成了网络技术向NGN网络演进的主要推动力。
　　
　　软交换是下一代网络的核心技术，其基本思想是呼叫和承载分离。软交换最开始提出的出发点是基于将现有的电路交换网逐步地向IP网过渡，并替代传统的电路交换网。同时，为IP电话提供更多的业务，使IP网获得与传统的电路交换网所能提供的相同的业务。
　　
　　二、软交换技术的概述

　　固网NGN的软交换技术现在基本上按两条技术路线来发展：一条是将传统电路交换领域的业务移植到分组承载网上来实现。另一条是全新的基于全IP的多媒体业务系统。对于第一条路线，传统电信业务从专用TDM承载向统一的共享式IP/ATM多业务传输网络转移，并且在维持用户接入方式不变的前提下借助接入网关完成网络层业务传输的分组化。原电路交换网络设备被划分为物理上独立的控制面软交换和承载面媒体网关两个部分，而PSTN/ISDN/PLMN最终用户基本感觉不到业务特性及接入方式的变化。
　　
　　对于全新的基于全IP的多媒体业务系统，实现了真正端到端的IP业务特性，并且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分组终端的方式接入软交换网络。网络体系结构及业务的提供方式(如SIP方式)完全不同于传统电路交换网。而UMTS移动领域的3GPP R4及R5两个阶段，正好与上述软交换发展的两条技术路线相对应。
　　
　　三、移动网的下一代核心网电路域

　　1.3GPP电路域核心网
　　
　　软交换在3GPP核心网的应用主要在两个方面：即电路域和IMS子域。3GPP的R4中，电路域核心网引入了控制和承载分离的网络结构(见图1)。
　　

图1　3GPP电路域核心网

　　在移动交换服务器核心网的电路域中，可以使用承载独立的方式支持不同的传输层，如IP，ATM或TDM。电路域核心网主要由MSC Server，GMSC Server和MGW组成。

　　(1)移动交换服务器(GMSC Server和MSC Server)是UMTS移动通信系统中电路域核心网向分组交换方式演进的核心设备，它独立于底层承载协议，主要完成呼叫控制、媒体网关接入控制、移动性管理、资源分配、协议处理、路由、认证、计费等功能，并向用户提供3GPP R4阶段的电路域核心网所能提供的业务，以及配合智能SCP提供多样化的第三方业务。
　　
　　(2)媒体网关(MGW)，是将一种网络中的媒体转换成另一种网络所要求的媒体格式。媒体网关能够在电路交换网的承载通道和分组网的媒体流之间进行转换，可以处理音频、视频，能够进行全双工的媒体翻译，可以演示视频/音频消息，实现其它IVR功能，也可以进行多媒体会议等。
　　
　　GMSC Server和MSC Server通过Mc接口控制MGW。GMSC Server和MSC Server之间通过Nc接口连接。MGW之间通过Nb接口连接。其中：
　　
　　(1)Mc接口：为MSC Server与MGW之间的接口，主要功能是媒体控制。使用基于H.248的呼叫承载控制协议。协议内容包括3GPP29.232，H.248，MeGaCo和Q.1950。
　　
　　(2)Nc接口：为MSC Server与(G)MSC Server之间的接口，主要解决的是用控制和承载分离的方式解决移动ISUP的呼叫控制。使用呼叫控制与承载相分离的呼叫控制协议，如BICC，SIP-T。
　　
　　(3)Nb协议：为MGW之间的接口。主要功能是使用ATM或IP的方式承载电路域的业务，包括话音和电路域的数据承载业务。使用分组交换方式对3GPP电路域的承载协议。Nb接口的主要内容包括3GPP29.415。
　　
　　2.3GPP2电路域核心网
　　
　　3GPP2定义的下一代核心网络包括LMSD和MMD两个部分，其中LMSD是为了利用软交换结构的交换网络向用户提供电路域业务而定义的，MMD则是与3GPP定义的全IP相对应的网络。在3GPP2中，对cdma2000网络的传统移动电路交换域向全IP演进的方式进行了定义(见图2)。
　　

图2　cdma2000的LMDS全IP演进

　　(1)LMSDS需要支持的接口
　　
　　网络中引入了LMSDS实体、媒体网关(MGW)和媒体资源功能处理实体(MRFP)。LMSDS实体包括原LMSD中的HLR，MSC和SCP功能，分别称为HLR模拟器(emulation)、MSC模拟器(emulation)和SCP模拟器(emulation)。LMSDS的功能主要包括传统电路域业务的控制和管理，并且需要支持ANSI-41网络信令(MAP)，PSTN网络信令(ISUP)，媒体网关信令(MEGACO)，MRF处理信令(MEGACO)，无线接入网络信令(IOS-A1)和LMSDS IP呼叫建立信令(SIP-T)接口。

　　(2)MGW和MRFP需要支持的接口
　　
　　MGW和MRFP主要负责各种媒体流的承载和处理，并且提供电路域业务需要的各种信号资源。需要支持的接口有：
　　
　　·媒体网关与RAN之间的话音承载接口：IOS-A2；
　　
　　·媒体网关与RAN之间的电路域数据业务承载接口：IOS-A5；
　　
　　·媒体网关与PSTN之间的承载：TDM；
　　
　　·LMSDS与媒体网关之间的信令：MEGACO；
　　
　　·LMSDS与媒体资源功能处理实体之间的信令：MEGACO；
　　
　　·媒体网关之间的IP承载。
　　
　　四、协议和功能

　　1.BICC与H.248
　　
　　BICC协议是一个承载与呼叫无关的协议。它的协议模型中将承载控制和呼叫控制两种功能分离，呼叫控制只负责业务流程的实现，和具体的承载类型无关。SIP-T与3G电路域业务兼容能力强，但目前仅支持IP用户面承载，而SIP协议目前也仅支持在IP上承载。
　　
　　BICC因其体系制定的完备性，充分考虑了RTP/IP，ATM AAL2/AALl，TDM，MPLS等方式进行多种电路域业务承载网组建方式的需求，对于目前广域IP QoS机制尚不成熟的情况，具备条件的运营商可能会选择首先组建ATM或TDM承载话音业务流，造成多种承载类型网络共存的局面，而目前仅有BICC可以完成控制面与ATM，IP类承载的兼容支持及交互。BICC真正作到了将呼叫控制逻辑与承载相关的承载控制逻辑的完全分离，承载控制逻辑(如Q.AAL2)直接在MGW间执行或(IPBCP)通过隧道方式在MGW间代理透传，确保了承载模式的变化更新对软交换的业务逻辑影响最小。
　　
　　在ISUP消息中，通常会有一个电路识别编码(CIC)作为参考，用来指示此消息用于哪个物理信道。如果传输和控制是分离的，呼叫独立于传输，ATM或IP就没有指定信道，不能使用CIC来指定传输信道。为了解决控制与承载分离的问题，ITU-T的方案是修改ISUP，克服ISUP的限制，使得传输网络真正变成与控制独立。标准化的结果就是ITU-T的承载独立呼叫控制(BICC)协议。BICC的主要思想是承载控制和呼叫控制两种功能分开：呼叫控制只负责业务流程的实现，和具体的承载类型无关；而承载控制是在传统ISUP协议的基础上，去掉了和具体承载有关的消息和参数，增加了APM消息和APP参数，能够对多种的承载类型进行控制。APM(Application Transport Mechanism)提供了传送承载连接建立所需BICC专用信息的手段。

　　BICC在3GPP R4电路域的功能主要解决在控制和承载分离的方式下提供移动ISUP的呼叫控制。BICC可以被用在承载任何分组网络的环境中，如ATM，IP，TDM或其它技术。ITU已经定义了两种版本：
　　
　　(1)BICC能力组1(CSl)。CSl是BICC的第一个版本。在2000年完成(ITU-T Q.1901系列)，CSl支持窄带ISDN业务在ATM传输层上传输，它的网络模式假定呼叫控制和承载控制没有物理分开，它假定MGC和MGW是集成在一个节点中，对水平化集成的网络来说，这是很大的一个限制。
　　
　　(2)BICC能力组2(CS2)。为了克服CSl的限制，ITU在2000～2001年间完成了BICC CS2(Q.1902系列)。CS2增加的最重要的内容是在网络模型中包括了本地交换机，MSC，TSC和GMSC。将呼叫控制和承载控制物理分开，并支持IP作为承载技术
　　
　　控制服务器为了能在分层网络中控制远端的MGW，使用了GCP(网关控制协议)。GCP可用来控制承载的建立，控制MGW中的资源，如回声抑制器、编解码器和语音通知机等。机等。IETF与ITU-T合作开发了GCP协议，ITU-T将GCP称之为H.248，而IETF称之为媒体网关控制协议(MEGA-CO)。尽管两个标准化组织各自给了GCP协议不同的名字，但它们的内容是完全一样的。
　　
　　H.248工作在主从模式，并定义了连接模型，连接模垄中有终结点、流以及关联(上下文)。终结点是出/入分组网络的媒体流的连接，它允许信号应用到媒体流上，如发送忙音，也允许从媒体流中接受发生的事件，如收到DTMF信号。关联则是将终结点上媒体流混合并桥接在一起，并描述媒体流之间的关系。在呼叫建立过程中，网关控制协议通过命令建立终端，描述终端的属性，控制在MGW中的资源。
　　
　　2.TFO与TrFO
　　
　　TFO(Tandem Free Operation)是一种带内的通信协议。TrFO(Transcoder Free Operation)是一种带外的Transcoder控制协议。
　　
　　(1)TFO
　　
　　TFO是一种基于目前GSM网络中使用的方法，由于UMTS将语音编码变换点从BSC移到了核心网MGW，TFO在UMTS中使用需要一些修改。TFO是在呼叫建立之后对使用的编解码进行协商，使得手机到手机的呼叫可以避免在发端侧和收端侧进行不必要的语音编解码转换。由于多次的话音压缩/解压缩处理会降低端到端话音质量，增加话音时延，TFO可以明显提高话音质量和减少时延。TFO既可以在BICC网络中实现也可以在传统的TDM承载网络中实现。整个呼叫过程中，经过Transcoder的话音通路带有TFO帧，这些TFO帧确认在呼叫中对Codec的使用。如果需要的话，TFO允许迅速地重新激活编解码器。这是因为即使己被关闭，但Transcoder实际上一直存在于呼叫路径中。重新激活编解码器在某些情况下是必要的，如UMTS到GSM切换，或呼叫中丢失同步等。
　　
　　(2)TrFO
　　
　　网络可以在呼叫建立前就对编解码的类型和模式进行协商，如果两端使用的编解码一样，则对于移动到移动的呼叫可以完全不经过Transcoder。TrFO的好处同样是可以提高话音质量，并且在分组核心网中可以优化网络带宽。话音是以AMR l2.2kbit/s的速率而不是64kbit/s在核心网中传输。由于移动网内的呼叫可以不使用Transcoder，还可以节省设备投资。TrFO是UMTS R4定义的新功能，可以看作是对TFO的补充。Codec的协商在承载建立之前完成，这样可以保证呼叫使用适当的承载资源。
　　
　　五、移动网络的IP多媒体业务系统及演进

　　1.3GPP IMS域
　　
　　3GPP R5的IP多媒体子域(IMS)定义了UMTS核心网向全IP演进的网络结构。IMS提供多媒体会话功能，强调媒体组合业务，标准的开放性保证业务组合非常容易。IMS域提供IP网络控制QoS的能力，保障业务质量。真正支持业务的开放性，业务间的耦合性降低，可以支持极其丰富的第三方新业务。IMS网络和IP网络的完美结合，把IP网转变成为可管理的网络。IMS提供灵活的业务计费手段和计费能力，把IP网络转变成可运营的网络。IMS网络支持各种接入方式，业务特点与接入方式无关。已有的业务平台业务服务器，如SCP等，可以作为数据业务的平台在IMS网络中继续发展。IMS不同于已有的各种网络，提供真正可运营、可管理、开放的增值服务网络。
　　
　　2.3GPP2 MMD
　　
　　3GPP2定义的cdma2000全IP网络结构的多媒体域(MMD)核心网主要包括两个子系统：分组数据子系统和IP多媒体会话子系统。这里的IP多媒体会话子系统与3GPP的IMS子域相对应，其演进方式基本相似。
　　
　　3.网络融合问题
　　
　　3GPP和3GPP2两种体制的移动通信网络在技术上逐渐IP化，这是一个共同的趋势。并且网络中的IP从网络向无线接入侧延伸，从高层向低层延伸。
　　
　　(1)在电路域方面，3GPP的分组化包括IP和ATM两种方式，而3GPP2的分组化仅有一种全IP的方式。实际上两个体系电路域的IP方式基本一致，但3GPP规定的协议相对比较完善和成熟。由于目前IP方式承载电路域业务的QoS问题还没有完全解决，因此3GPP规定的ATM承载方式实现电路域的业务交换，将是NGN软交换在移动网络中最早开始的应用。
　　
　　(2)多媒体域方面，3GPP2规定的MMD最初就是依据3GPP的MS子域设计的，网络结构和接口协议基本一致。因此，两种体系在这个域的融合将是必然(见图3)。
　　

图3　3GPP和3GPP2全IP融合参考模型
表1　3GPP和3GPP2功能实体的对应关系

　　六、结束语

　　移动软交换技术作为3G网络的一种重要技术受到了业界的普遍关注，我国正在进行相应的行业标准制定工作。无论是固定网络还是移动网络都在向下一代网络演进，移动和固定NGN的融合也是未来电信网络的发展趋势。目前，国内多个运营商都已使用软交换技术进行试验，但由于传统的网络运营模式、业务经营模式的制约以及3G网络的逐步部署，这种融合将需要一个较长的过程。