软交换技术解析
软交换的体系结构
1、引言
随着信息化进程的不断推进，人们已越来越不满足于现有GSM网络以窄带方式提供的单一语音服务，提供宽带化、智能化、个人化移动多媒体服务的需求日益剧增。
下一代网络泛指一个以IP为中心，可以支持语音、数据和多媒体业务融合全新的网络。3G不是现有移动网和IP网的简单叠加，也不是单项节点技术和网络技术的结合，而是整个网络框架的变革，是一种整体方案。软交换SoftSWitch正是构建在以IP为中心，可以支持语音、数据和多媒体业务的融合方案。基于软交换技术和IP技术构建出分层开放的体系架构全新的网络平台，在3G中占有极为重要位置。
2、软交换的体系结构
软交换体系结构是目前面向网络融合的新一代多媒体业务整体解决方案，具有层次化、呼叫控制与承载分离、快速开发业务、集中部署业务等特点，可以向用户提供包含PSTN话音、无线话音、基础数据、多媒体数据等各种业务。通过优化网络结构，不但实现了网络的融合，更重要的是实现了业务的融合，使得包交换网络能够继承原有电路交换网中丰富的业务功能，同时，可以在全网范围内快速提供原有网络难以提供的新型业务。
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：
◆媒体网关层：根据组网的位置，可分为接入媒体网关(提供接入适配功能)、中继媒体网关(提供与其他网络互通的媒体流转换功能)、资源媒体网关(提供特定媒体资源)。
◆呼叫控制层：由信令网关(提供中继信令SS7在IP网上的传输适配功能)和呼叫控制服务器(通过与信令网关和媒体网关的配合实现呼叫的建立、维持和释放控制功能)。
3、软交换的特点
(1)分布式交换降低运营成本
传统电路交换网存在布点多、运行成本和运维人员成本高的问题。而基于软交换的体系结构由集中的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地方，复杂的呼叫控制被集中在一起。通过部署分布式交换，可以实现灵活的组网方式，可以有效地解决传统组网模式中容量、覆盖和路由迂回的矛盾，便于进行集中维护和管理，有利于降低建网成本和运维费用。
(2)开放智能业务不需对所有核心网网元升级
在2G、2.5G中，由于MSC是单个网元，无论是业务功能升级/部署还是媒体交换能力升级都需要升级MSC。经过升级的MSC要把呼叫控制移交给移动智能网(IN)节点——业务控制点SCP，由SCP执行业务逻辑。这样导致业务提供成本高，MSC实时处理代价高，软件成本高。而在软交换的3GPPR4架构中，媒体网关和MSC服务器的分离使得它们各自可以独立的进行工程实施、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，R4中的MSC服务器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。
4、移动软交换的功能
移动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3GPPR4及以后阶段软交换系统核心网中的电路域实时语音/数据业务呼叫、控制、业务提供的核心设备。其主要功能包括以下几个部分：
(1)移动性管理功能
主要完成切换(包括UMTS系统内、GSM系统内以及GSM与UMTS系统间的切换)、登记和移动台去话功能。还具有VLR功能，包括用户数据管理、位置登记、鉴权、提供MSRN、VLR恢复、切换号码分配、TMSI分配、清除、SuperCharger功能。
(2)安全保密功能
支持用户鉴权、TMSI使用和用户信息加密。
(3)呼叫控制和处理功能
移动交换服务器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;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;支持基本的两方呼叫控制功能和多方呼叫控制功能。
(4)其他功能
包括协议处理、互通、资源管理、计费、认证与授权、号码分析/地址解析、媒体控制等。
5、软交换在3G核心网中的应用
3G制式有WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三种。在这三种制式中，WCDMA和TD-SCDMA的标准由3G标准化组织3GPP制定，CDMA2000的标准由3G标准组织3GPP2制定。
UMTS及TD-SCDMA较好地考虑了对GSM系统的兼容，成为我国GSM运营商的首选标准，可采用两者之一或混合组网方式。由于两者分别基于FDD及TDD模式，因此在应用上各有所长、各有所用，是互存、互补的关系。
核心网标准主要有基于GSMCCS7和ANSI-41两种核心网。一般情况下，WCDMA和CDMATDD对应于GSMCCS7核心网，CDMA2000对应于ANSI-41核心网，但目前的标准允许任何无线接口同时兼容两个核心网，这样可以通过在无线接口上定义相应的兼容协议来接入不同的核心网。
GSM交换网向3G核心网的演进。3GPP组织主要负责制定基于GSM的核心网、以WCDMA和CDMATDD为无线接口的标准，到目前为止已经有四个版本，即R99、R4、R5和R6，这里着重讨论核心网部分。
5.1R99网络结构
R99是比较成熟的版本，其无线接入部分采用全新的3G接入网(RAN)，核心网则在MSC+GPRS的网络基础上演进可以看出，R99核心网类似于目前GSM交换子系统与GPRS交换子系统的叠加，包括GSM电路交换部分及分组域部分，分别用于支持话音业务及数据业务，完全体现了2G向3G平滑过渡的思想。不同的是，由于无线部分引入了可实现3G业务的无线网，核心网采用新定义的Iu接口与3G无线网相连，包括支持电路交换的Iu-CS和支持分组交换业务的Iu-PS两部分。相对于GPRS，R99增加了服务级别的概念，提高了分组域的业务质量保证能力，增加了带宽;在系统能力方面，目前除了支持GSM/GPRS提供的所有业务以外，还支持下行速率为384kb/s的数据业务;在业务方面，智能网规范提出了支持能力级CS2的CAMEL3。这种组网方式可以延用原有核心网设备，增加无线接入网即可实现3G业务，极大地保护了运营商的现有投资，有利于运营商迅速开展3G业务。
5.2R4网络结构
与R99版本比较，R4的无线接入网网络结构并没有变化，只是改进了一些接口协议特性以提高系统性能。核心网电路域变化较大，引入了软交换的概念，将控制和承载分开，原来的MSC变为MSC服务器和媒体网关MGW，话音通过MGW由分组域来传送。
可以看出，R4核心网已由TDM中心节点交换型演进为典型的分组话音分布式体系结构，网络采用开放式结构，业务逻辑与底层承载相分离，话音分组化，由包方式承载。由于电路域的这种变化，相应的在七号信令的承载方面也提出了新的方案，即基于ATM和IP的方案，七号信令的移动应用协议MAP和CAP也可以通过分组网络来传送，为核心网向全IP的演进迈出非常关键的一步。R4的组网方式在技术先进性及建设成本上都有很大优势，其采用全新的协议与技术。但是，运营商选择R99网络向R4升级时，只需要对电路域进行升级，可以保留R99无线部分和分组域并保持原有组网方式，3GPP规范良好的向后兼容性支持R4以至于R5的无线接入网都可以和R99的电路域很好地配合。
5.3R5网络结构
R5版本是全IP(或全分组化)的第一个版本，在无线接入网方面，提出了高速下行分组接入HSDPA技术，在核心网方面，最大的变化是在R4的基础上增加了IP多媒体子系统(即IMS系统)，它和分组域一起实现实时和非实时的多媒体业务，并可以实现与电路域的互操作。在R5中仍然保留电路域并实现与IMS的互操作主要是保护运营商的R99的网络投资。全IP的组网方式是网络演进的趋势，IMS是R5的新增部分，图3是IMS域的配置。
IMS的主要功能实体包括：呼叫控制服务器(CSCF)、媒体网关控制服务器(MGCF)、IM-MGW、MRF以及BGCF等，CSCF的作用是完成入呼叫网关功能，呼叫业务触发功能和路由选择功能，是最主要的软交换控制实体，是整个网络的核心，支持SIP协议处理SIP会话。P-CSCF是UE接入IMS系统的入口，实现了在SIP协议中的Proxy和UserAgent功能;MGCF的作用是根据被叫号码和来话情况选择CSCF，并完成PSTN和IMS之间呼叫控制协议转换，以及控制IM-MGW媒体通道的呼叫状态;IM-MGW的功能与CS-MGW的功能类似，与MGCF一起完成资源控制，以及通过回波消除器和码转换器，实现媒体转换和帧协议转换功能;MRF分为多媒体资源功能控制器(MRFC)和多媒体资源功能处理器(MRFP)，分别进行完成媒体流的控制和承载功能;BGCF的主要作用是在与PSTN通信时，完成信令转发功能。
5.4R6网络结构
R6版本核心网在R5IMS基础上提出的网络框架基本没有改变，只是将PDF(PolicyDecisionFunction)从P-CSCF中分离出来，二者之间的接口定义为Gq接口。在QoS方面，3GPP已经定义了端到端的QoS概念和框架结构，具体到IMS的QoS问题主要集中在Gq接口和Go接口(GGSN和PDF之间的接口)，QoS策略基于SIP会话中请求的参数，端到端的QoS要求则分段映射到网络的各个层面。R6在功能上更加完善，能够支持OMA提出的新业务，同时在网络上，在互通和兼容性上进一步增强，主要研究控制(Gq接口)、WLAN接入、IMS到CS域的互通、IMS到PS域的互通、Presence等新业务，并在IETFSIP协议的基础上对协议进行了扩展。
不论是现在商用的还是正在试验的(CDMA2000/WCDMAR99/R4/TD-SCDMA)3G标准都不是基于全IP的网络，比如CDMA2000是基于ANSI-41;WCDMA99/TD-SCDMA是基于传统的GSM、R4软交换的承载和控制分离方式，而直到R5引入了IMS才实现全IP的核心网。显然全IP的核心网络也是3G发展的方向，采用基于全IP的核心网不但可以与无线接入方式独立地发展，还可以支持包括Wi-Fi、WiMAX、WCDMA等多种无线接入方式。在3G的R6中已经开始把WLAN和3G一同考虑了。Wi-Fi/WiMAX和3G不同的承载特性(吞吐量、延时QoS、对称性等)为用户享受语音、数据、多媒体业务提供更多的接入方式选择;它们可通过共用开放的业务平台融合不同的业务引擎实现网络间互通;根据网络服务区内的性能，用户可以手工或者自动选择接入那个网络;支持WLAN和3G网络的运营支撑系统，可以对双网实现统一的运营管理、计费、甚至用户身份认证，最大限度降低网络建设、维护成本。
Wi-Fi/WiMAX的市场目标是成为宽带无线接入城域网技术，基本目标是要提供一种城域网领域点对多点的多厂商环境下可有效地互操作的宽带无线接入手段，以实现满足3G标准的以无线广域网WWAN为基本模式、以公众语音及多媒体数据为内容、在全球范围内漫游的个人手机终端的基本市场定位。Wi-Fi/WiMAX也可以作为3G无线广域/城域、多点基站互联支持手段的补充。
未来无线通信领域的一个发展趋势是移动网络和固定网络的融合。因此人们又提出更高的发展目标那就是4G。4G系统应能实现全球范围内多种移动网络和固定网络间的无缝漫游和切换，构筑一个移动网络和固定接入网的融合体，实现与WLAN/WiMAX无缝连接。4G的无缝特性，包含系统、业务和覆盖等多方面的无缝性。其无缝性指的是用户既能在WLAN中使用，也能在蜂窝系统中使用;业务的无缝性指的是对话音、数据和图像的无缝性;而覆盖的无缝性则指4G系统应该能向全球提供业务。
6、结论
总之，移动软交换提供分层的网络架构，使不同的功能层的发展更加灵活，并可实现无缝的多网络访问。除此之外，移动软交换作为国际标准，确保了新技术的前后兼容性。随着时间的发展，软交换将逐渐发展成为通用的、高可用性的网络架构，集成对VoIP和传统语音服务的支持，并为移动网络向全IP演进做好了准备。
移动软交换支持业务网络平台的统一，让人们从移动技术的进步所带来的兴奋中去尽情地开发、体验各种便捷移动新业务，移动软交换将移动网络从过去支撑单一或简单窄带移动业务的平面模式发展到承载多业务融合，将移动网络向多媒体网络的高级阶段迈进，这是一个从量变到质变的飞跃。这是一个跨越式发展，这是核心网络建设的一个里程碑，它标志着基于IP的R4架构的移动软交换网络已经完全成熟。移动软交换技术不仅能充分满足对现有2G、2.5G网络的革新需求，更面向下一代网络建设与运营的要求，可打造兼容现网且面向未来全IP网络的移动核心网。
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