《通信网》期中论文
论文题目 软交换的工作原理
姓 名 学 号 学 院 电气工程学院 专业班级 2009级通信工程3班
软交换的工作原理
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摘 要 本文首先介绍了软交换的基本概念，软交换技术是一个分布式的软件系统，可以在基于各种不同技术、协议和设备的网络之间提供无缝的互操作性，其基本设计原理是设法创建一个具有很好的伸缩性、接口标准性、业务开放性等特点的分布式软件系统。然后对软交换的体系结构，主要设备及其技术要求，软交换的组网方式等进行了论述。
关键词 软交换原理，软交换设备，技术要求，软交换协议
ABSTRACT
This paper first introduces the basic concept of soft switching, soft switching technology is a distributed software system, based on the different kinds of technologies, protocols and devices network between providing seamless interoperability, its basic design principle is to try to create a good scalability, interface standards, business opening the characteristics of distributed software system,. Then the soft exchange architecture, main equipment and technical requirements, the soft exchange network mode are discussed.
Key Words：The principle of soft switching, soft switching equipment, technical requirements, the soft exchange agreement
1. 软交换的概述
1.1软交换的定义
广义软交换定义：泛指一种体系结构，利用它可以构件下一代网络，通常 称之为软交换系统。
狭义软交换定义：是一个基于软件的分布式控制/交换平台，通常称之为 软交换设备。是网络演进以及下一代分组网络的核心设备之一，它独立于传输网络。
1.2 软交换的概述
自从第一款产品在电信市场上成功推出以来，“软交换”这个概念已经成为电信行业中倍受青睐的时髦用语。由于既能执行与基于硬件的传统电话交换机相同的功能，又能同时处理IP 通信，软交换技术承诺可提供许多优势，如轻松整合电路交换和分组交换、降低网络成本以便运营商更快获得收入。
随着通信网络技术的飞速发展，人们对于宽带及业务的要求也在迅速增长，为了向用户提供更加灵活、多样的现有业务和新增业务，提供给用户更加个性化的服务，提出了下一代网络的概念，且目前各大电信运营商已开始着手进行下一代通信网络的实验。软交换技术又是下一代通信网络解决方案中的焦点之一，已成为近年来业界讨论的热点话题。我国网络与交换标准研究组已经完成了有关软交换体系的总体技术要求框架。
软交换的概念最早起源于美国。当时在企业网络环境下，用户采用基于以太网的电话，通过一套基于PC 服务器的呼叫控制软件，实现PBX 功能（IPPBX ）。对于这样一套设备，系统不需单独铺设网络，而只通过与局域网共享就可实现管理与维护的统一，综合成本远低于传统的PBX 。由于企业网环境对设备的可靠性、计费和管理要求不高，主要用于满足通信需求，设备门槛低，许多设备商都可提供此类解决方案，因此IP PBX应用获得了巨大成功。受到IP PBX成功的启发，为了提高网络综合运营效益，网络的发展更加趋于合理、开放，更好的服务于用户。业界提出了这样一种思想：将传统的交换设备部件化，分为呼叫控制与媒体处理，二者之间采用标准协议（MGCP 、H248）且主要使用纯软件进行处理，于是，SoftSwitch （软交换）技术应运而生。
软交换概念一经提出，很快便得到了业界的广泛认同和重视，ISC （InternationalSoftSwitchConsortium ）的成立更加快了软交换技术的发展步
伐，软交换相关标准和协议得到了IETF 、ITU －T 等国际标准化组织的重视。 根据国际Softswitch 论坛ISC 的定义，Softswitch 是基于分组网利用程控软件提供呼叫控制功能和媒体处理相分离的设备和系统。因此，软交换的基本含义就是将呼叫控制功能从媒体网关（传输层）中分离出来，通过软件实现基本呼叫控制功能，从而实现呼叫传输与呼叫控制的分离，为控制、交换和软件可编程功能建立分离的平面。软交换主要提供连接控制、翻译和选路、网关管理、呼叫控制、带宽管理、信令、安全性和呼叫详细记录等功能。与此同时，软交换还将网络资源、网络能力封装起来，通过标准开放的业务接口和业务应用层相连，可方便地在网络上快速提供新的业务。
2.软交换的体系结构
软交换是下一代网络的核心设备之一，在下一代网络中，应有一个较统一的网络系统结构。软交换位于网络控制层，较好地实现了基于分组网利用程控软件提供呼叫控制功能和媒体处理相分离的功能。
软交换与应用/业务层之间的接口提供访问各种数据库、三方应用平台、功能服务器等接口，实现对增值业务、管理业务和三方应用的支持。其中：软交换与应用服务器间的接口可采用SIP 、API ，如Parlay ，提供对三方应用和增值业务的支持；软交换与策略服务器间的接口对网络设备工作进行动态干预，可采用COPS 协议；软交换与网关中心间的接口实现网络管理，采用SNMP ；软交换与智能网SCP 之间的接口实现对现有智能网业务的支持，采用INAP 协议。
通过核心分组网与媒体层网关的交互，接收处理中的呼叫相关信息，指示网关完成呼叫。其主要任务是在各点之间建立关系，这些关系可以是简单的呼叫，也可以是一个较为复杂的处理。软交换技术主要用于处理实时业务，如话音业务、视频业务、多媒体业务等。
软交换之间的接口实现不同与软交换之间的交互，可采用SIP －T 、H ．323或BICC 协议。
3.软交换网络中的主要设备
3.1 软交换设备（SS ）
作为系统的控制核心，完成协议适配、呼叫处理、资源管理、业务代理等，并作为系统的对外接口完成和其它系统的互连互通功能。
3.2 信令网关（SG ）
功能：位于No.7信令网和IP 网的关口，对信令消息进行中 继、翻译或终结处理
应用： No.7信令网关，完成No.7信令消息与IP 网中信令消息的互通
用户信令网关，主要用于ISDN 接入IP 网用, 通常与MG 在同一物理设备中
协议：SigTran
3.3 中继媒体网关（TG ）
在软交换的控制下，完成流媒体的转换功能，主要用于中继接入。 功能：将一种网络中的媒体转换成另一种网络所要求的格式。 分类：中继媒体网关, 主要完成传统C4/C5的汇接接入；
综合接入媒体网关, 主要完成各种用户和接入网的接入。 协议：MGCP ，H.248
3.4 接入媒体网关(AG)
在软交换的控制下，完成流媒体的转换功能，主要用于终端用户、PRI 、BRI 、V5接入
功能：媒体资源功能， Tone detection, speech synthesis, speech recognition
媒体控制功能， Play prompt, record message 协议： MGCP，SIP
3.5 IAD
主要完成终端用户的语音、数据、图象等的综合接入功能。
3.6 应用服务器
利用软交换提供的应用编程接口（API ），通过提供业务生成环境，完成业务创建和维护功能。
4.软交换设备的技术要求
4.1 NGN的控制核心：软交换设备
软交换机(Softswitch）是一种功能实体，为下一代网络具有实时性要求的业务提供呼叫控制和连接控制功能，是下一代网络呼叫与控制的核心。
软交换可继承原有PSTN/ISDN网络的业务特性，因此采用软交换技术实现传统的TDM 交换演进到NGN 已成为业界的共识。
4.1.2软交换机提供业务的方式
基本业务和补充业务都是在 Softswitch 中直接完成的
新业务提供方式有三种
通过API 开放业务，由Application Server或第三方业务平台放业务逻辑， Softswitch 负责业务具体的实施；
Softswitch 充当SSP, 通过 INAP 和智能网中已有的 SCP 通信，重用目前已经存在的智能业务；
直接在 Softswitch 本机上提供增值业务（如800号、移机不改号）
4.1.3 软交换机的功能分工
软交换机其功能可以分为电话呼叫服务器、SIP 服务器等
电话呼叫服务器：通过媒体网关控制协议实现对所属中继网关和接入网关的控制，实现基于分组承载网络的PSTN/ISDN 业务特性。部分设备制造商将这类服务器再细分为汇接（长途）层面的呼叫服务器、端局层面的呼叫服务器和移动呼叫服务器。
SIP 服务器：提供SIP 代理、注册、定位等SIP 协议处理功能，实现基于分组网络的SIP 终端多媒体通信的能力。
4.1.4 软交换设备的设置方式
综合设置方式
在控制层提供单一机型的软交换控制设备，支持多种协议，同时具有电话呼叫控制器和SIP 服务器等多种功能。 分散设置方式
根据不同的功能需求，提供不同类型的软交换控制设备，控制不同的媒体网关和终端设备，以分别提供传统固话业务、移动业务、IP 多媒体业务。
4.1.5 软交换设备的操作平台
C-PCI 平台：采用符合Compact PCI标准的电信级平台，采用通用或专用的实时操作系统。已有多数电信设备厂商推出。
交换机平台：有一部分的软交换机是从传统TDM 交换机升级而来。
商用服务器平台：主要以SUN 商用服务器平台为主，采用商用的操作系统。几乎所有的NGN 设备制造商均推出了此类软交换机。
4.2媒体网关设备技术要求
4.2.1 媒体网关分类
中继网关（TG) ，提供2M 中继接口，实现64K 电路与分组中继的语音编码格式的相互转换，一般放置于局端，与分组骨干网相连 。
用户驻地网关（AG 或RG) ，提供各类传统用户的接入端口，实现基于分组网承载的传统用户接入，端口数量在100以上，一般放置于局端或小区内，与分组城域网相连。
综合接入设备（IAD ），实现用户的数据、语音的综合接入，提供1～48不等数量的用户接入端口，一般放置于楼道或用户家中，通过LAN 或ADSL 接入网络。
4.2.2 分组语音承载类型
TG 或AG 可支持 IP 承载：VoIP
ATM 承载：VoATM(AAL1/2)、VoIPoATM(AAL5) IAD 可支持
IP 承载（网络侧为以太网接口）：VoIP
xDSL 承载（网络侧为xDSL 接口）：如VoADSL
4.2.3 语音编码技术
从模拟话音信号到VOIP 的分组包需要经过以下几个过程：
300-3.4KHz 的模拟语音信号的数字化过程，成为64kbit/s 速率的PCM 语音信号。
PCM 信号经过各种方式的压缩编码，成为各种速率的压缩语音信号。 增加RTP 头、UDP 头、IP 头后，成为VOIP 分组包。 语音编码种类
G.711:64Kb/s（无压缩） G.729a:8Kb/s
G.723.1:5.3kbit/s或6.3kbit/s（可跟据网络情况自动调整速率）
语音静荷大小：一个语音分组所包含语段信息的时间长度，单位一般为ms 。 采用同样的编码器时，语音静荷越大，数据包利用率越高，带宽占有越小，如G.711(20ms）需占有带宽83.6Kb/s,G.711（5ms ）需占有带宽142.4kb/s。 语音静荷越大，引入的时延也越大。
4.2.4 语音处理技术
时延的处理
时延指标
ITU-T G.114建议单向延迟最低门限：
软交换系统要达到接近PSTN 的质量：
算法时延：与语音编码器的类型有关, 压缩率越高，时延越大 处理时延：与语音静荷大小和设备处理能力有关 网络时延：网络传送时延，是最为显著的时延。
缩短时延的方法：提高设备处理能力，选择合适的编码器，对时延敏感的业务应设置高传送优先级。
对抖动（jitter ）的处理
抖动是指IP 包传输时间的长短变化，导致话音的断续及部份失真，影响音质 。
国标中要求网络时延抖动必须在80MS 以内。
抖动缓冲技术：话音包到达时首先进入缓冲池暂存，系统以稳定平滑的速率将话音包从缓冲池中取出、解压、播放给受话者。 增加整个系统的延迟时间， 要具备缓冲区大小动态调整
回声消除（EC)
回声是由远端电话设备（主要是2/4线转换）将讲话者语音的信号反馈回来产生的。
传送时延越长（>50ms），回声越严重。 媒体网关通过回声消除器来实现回声的抵消
静音压缩（VAD) 和舒适噪音(CNG)的产生
为节约带宽，当呼叫的双方长时间不通话时，需要对静音进行压缩 。
当环境过于安静时，媒体网关要能够生成舒适噪音，以满足人们的听觉习惯。
分组丢失的帧侧和补偿
如果网络中的分组丢失过多，会影响到通话的质量，会出现断话等现象。
对于分组丢失的处理包括预防和补偿两步：预防就是要将语音等业务打上高的优先级，当网络出现拥塞时，优先传送这类业务；补偿就是媒体网关设备必须能够实现对丢失分组的再生功能。
4.3信令网关的技术要求
4.3.1信令网关功能
在现有网络和NGN 网络互通的信令层面，必须首先保证现有网络和NGN 网络中的交换设备使用相同的应用层协议，同时，由于NGN 网络在承载层和现有网络不同，所以，在两个网络中的承载信令部分，分别使用窄带信令承载，和宽带信令承载，而信令网关就是两种承载进行转换的专用网关设备。
4.3.2 信令网关的组网方式
图2信令点组网方式（1）
图2信令点组网方式（2）
信令转接点组网方式
图3信令点组网方式
MGCP/H248
图4 内置信令网关
4.3.4 信令网关作为宽带IP Network STP
独立的信令网关可实现STP 功能，组建基于IP 的七号信令网。
图5 基于IP 的七号信令网
5.软交换组网技术要求
5.1软交换组网
5.1.1单平面结构
所有SS （软交换机） 均了解全网的路由设置数据， 任一SS 的增加和减少，所有的SS 均需要做路由数据更改。
图6 单平面结构
5.1.2 多域平面结构（路由服务器方式）
引入路由数据分层的概念，即SS 仅了解一定区域的路由设置数据，在SS
图7 多域平面结构
5.1.3 分级结构
在软交换控制设备之上增加一层代理服务器或高级软交换机。
代理服务器或高级软交换机接受下级软交换送来的呼叫控制信号，完成被叫用户的寻址, 和呼叫的接续处理功能。在这种情况下，呼叫信号的传递路径大于一跳。
图8 分级结构
6.软交换网络中的协议
6.1 协议种类
软交换与网关之间：H.248、MGCP
软交换之间：SIP-T 、BICC
软交换与信令网关之间：SIGTRAN(SCTP、M3UA 、M2UA 、M2PA)SIP 、H.323
6.2软交换协议分类
呼叫控制协议
H323：由ITU-T 推出，基于二进制，用于IP 电话、视频通信的协议体系，软交换体系中主要应用于软交换与H323 GK、软交换与H323 GW /终端之间、H323终端之间。
SIP ：由IETF 推出的基于文本的会话通信协议，主要应用于SIP 服务器（软交换）之间、SIP 服务器与SIP 终端之间、SIP 终端之间。
SIP-T ：SIP 协议的扩展，用于在软交换机之间透传ISUP 的负载消息，ITU －T
对SIP-T 作进一步完善，称为SIP-I 。
BICC ：ITU-T
6.3 软交换协议
用户 /业务
数据库 呼叫控制
图9 协议体系
6.4 软交换协议分类
6.4.1 呼叫控制协议
H323：由ITU-T 推出，基于二进制，用于IP 电话、视频通信的协议体系，软交换体系中主要应用于软交换与H323 GK、软交换与H323 GW /终端之间、H323终端之间。
SIP ：由IETF 推出的基于文本的会话通信协议，主要应用于SIP 服务器（软交换）之间、SIP 服务器与SIP 终端之间、SIP 终端之间。
SIP-T ：SIP 协议的扩展，用于在软交换机之间透传ISUP 的负载消息，ITU －T 对SIP-T 作进一步完善，称为SIP-I 。
BICC ：ITU-T 推出的与承载网络无关的呼叫控制协议，功能与ISUP 类似。
6.4.2 网关控制协议（主从控制协议）
MGCP:早期使用的网关控制协议，由IETF 制定，应用于软交换与TG/AG/MS/IAD之间。
H248/MAGACO:由ITU/IETF共同制定，功能与MGCP 类似，但在多媒体业务实现、协议维护管理等方面比MGCP 有优势。
6.4.3 媒体流传送协议
RTP ：IP 实时媒体流传输协议，用于承载各类编码的语音、视频信号。
RTCP ：IP 实时媒体流传输控制，与RTP 同时使用，用于传送媒体流QOS 的反馈信息。
6.4.4 信令传输协议（SIGTRAN)
M3UA ：适配七号信令MTP3层的消息
M2UA/M2PA: ：适配七号信令MTP2层的消息
IUA:适配ISDN Q.931协议
V5UA:适配V5协议
SCTP:在适配协议下层提供可靠的传输服务, 与TCP/UDP并列为IP 网的传输层协议。
6.4.5 业务调用协议
SIP:可应用于软交换机与应用服务器之间
INAP ：软交换（SSF ）－SCP
CAMEL:软交换（Mobile SSF）－Mobile SCP
6.4.6策略控制协议
COPS ：用于策略下发与响应信息上报。
6.4.7网管协议
SNMP:由IETF 定义，广泛应用于计算机界、IP 网的网管协议，在软交换体系中应用最普遍。
Q3:TMN框架内定义的网管接口协议，适用于ATM 网关或部分由电路交换机改造的软交换。
MML ：人机命令接口，部分软交换采用。
6.4.8 数据库访问协议：
LDAP （Lightweight Directory Access Protocol），适用于SIP 服务器与数据库之间或软交换与路由服务器（RS) 之间的数据访问。
MAP ：应用于软交换机（MSC/VLR SERVER）与HLR 之间
6.4.9 API的协议:
CORBA ：分布对象技术，API 常用。
SIP ：用于基于SIP 的API
参考文献
【1】奥特斯曼 《软交换技术》 电子工业出版社
【2】赵学军 ，陆立， 林俐等 《软交换技术与应用》 人民邮电出版社
【3】赵学军 《软交换技术问答》 人民邮电出版社