基于軟交換的全I(xiàn)P的3G核心網(wǎng)

殷蔚華
　　摘要：本文提出了一種3G核心網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)方案，該方案基于軟交換的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，由寬帶IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多媒體通信。文中給出了核心網(wǎng)基于軟交換的分層結(jié)構(gòu)，分析和討論了網(wǎng)絡(luò)中各單元的功能、主要接口和基于軟交換的多媒體通信的實(shí)現(xiàn)，最后提出了對(duì)方案進(jìn)一步改進(jìn)的設(shè)想。


　　關(guān)鍵詞：3G核心網(wǎng) 軟交換 多媒體通信IP


　　一、3G的未來是采用軟交換技術(shù) 的全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)


　　3G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展是在現(xiàn)有各種網(wǎng)絡(luò)向下一代網(wǎng)絡(luò)NGN演進(jìn)的大背景下進(jìn)行的，因此3G網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)應(yīng)符合NGN的要求。NGN是可以提供語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和多媒體等各種業(yè)務(wù)的綜合開放的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，有三大特征：采用開放的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系；是業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)和基于分組的網(wǎng)絡(luò)。


　　要使各種網(wǎng)絡(luò)融合實(shí)現(xiàn)下一代網(wǎng)絡(luò)，目前公認(rèn)的技術(shù)基礎(chǔ)是采用軟交換技術(shù) 和IP技術(shù)，因此3G的未來發(fā)展方向也應(yīng)是采用基于軟交換技術(shù)的全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵是在第三代移動(dòng)通信的核心網(wǎng)絡(luò)采用寬帶IP網(wǎng)絡(luò)和軟交換技術(shù)：由IP網(wǎng)絡(luò)承載從實(shí)時(shí)話音、視頻到Web瀏覽、電子商務(wù)等多種業(yè)務(wù)，IP協(xié)議是主導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)路由與尋址協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)控制由軟交換服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，采用基于軟交換的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；網(wǎng)上的業(yè)務(wù)則由第三方智能業(yè)務(wù)提供商提供。從而實(shí)現(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)控制、業(yè)務(wù)提供的分離。


　　二、基于軟交換的全I(xiàn)P的3G核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)


　　3G的主流技術(shù)體制是WCDMA和cdma2000以及TD-SCDMA，一般公認(rèn)，3G的全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)是指業(yè)務(wù)傳送完全基于IP承載的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。3GPP和3GPP2兩大3G標(biāo)準(zhǔn)化組織分別提出了全I(xiàn)P的移動(dòng)核心網(wǎng)的參考結(jié)構(gòu)，前者由GPRS網(wǎng)絡(luò)演化而來，后者則基于cdma2000的演化。因此兩者在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上是不同。


　　3G核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方案的基本思想是：(1)由增強(qiáng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)無線接入網(wǎng)的接入和提供IP通道，以使智能用戶終端直接由控制層的軟交換設(shè)備進(jìn)行控制，并在GPRS網(wǎng)絡(luò)之上構(gòu)架一基于軟交換的IP多媒體子系統(tǒng)，完成對(duì)IP多媒體通信的控制和業(yè)務(wù)的提供。(2)在核心網(wǎng)內(nèi)部全部基于IP傳送，采用網(wǎng)關(guān)體系與傳統(tǒng)的PSTN/ISDN/PLMN等非IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互通和轉(zhuǎn)換。(3)采用基于軟交換的分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，使控制也承載分離，呼叫控制與業(yè)務(wù)提供分離，各層的設(shè)備和結(jié)構(gòu)可獨(dú)立發(fā)展而不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，各層之間通過功能接口通信。
　　在本方案中，核心網(wǎng)分為四個(gè)層面：邊緣層、核心交換層、控制層和業(yè)務(wù)/應(yīng)用層。


　　1.邊緣層：該層負(fù)責(zé)將不同網(wǎng)絡(luò)的用戶連接至3G核心網(wǎng)絡(luò)，并完成不同網(wǎng)絡(luò)間媒體流的轉(zhuǎn)換和信令流在傳輸層的轉(zhuǎn)換，使信息格式轉(zhuǎn)換成在核心網(wǎng)絡(luò)上傳遞的IP包。邊緣層使核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)獨(dú)立于所連接的不同的網(wǎng)絡(luò)和用戶，例如3G無線接入網(wǎng)的移動(dòng)用戶通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接入核心網(wǎng)，傳統(tǒng)的ISDN/PSTN/PLMN網(wǎng)絡(luò)用戶則通過網(wǎng)關(guān)體系接入。


　　*GPRS網(wǎng)絡(luò)：主要包括業(yè)務(wù)支撐節(jié)點(diǎn)SGSN和網(wǎng)關(guān)支撐節(jié)點(diǎn)GGSN，負(fù)責(zé)在3G移動(dòng)終端與IP多媒體子系統(tǒng)間建立隧道，由軟交換設(shè)備控制與移動(dòng)終端的IP多媒體通信。其中SGSN位于無線接入網(wǎng)與核心網(wǎng)的交界處，提供與無線接入網(wǎng)的接口；GGSN位于核心網(wǎng)中GPRS部分與IP多媒體子系統(tǒng)的交界處，提供與數(shù)據(jù)網(wǎng)的接口。


　　*信令網(wǎng)關(guān)SGW與媒體網(wǎng)關(guān)MGW：將外部網(wǎng)絡(luò)的信令和承載轉(zhuǎn)換為IP包格式在核心網(wǎng)中傳送。SGW完成傳統(tǒng)電路交換網(wǎng)絡(luò)的基于SS7的信令，與全I(xiàn)P核心網(wǎng)中基于IP承載的信令相互間在傳輸層的轉(zhuǎn)換，但不翻譯應(yīng)用層消息。媒體網(wǎng)關(guān)MGW負(fù)責(zé)與外部網(wǎng)絡(luò)的承載接口，終結(jié)電路交換網(wǎng)絡(luò)來的承載通道，轉(zhuǎn)換為分組網(wǎng)絡(luò)的IP媒體流。


　　*多媒體資源功能處理器MRFP：完成對(duì)多媒體資源的處理，包括：控制GI接口的承載，混合輸入媒體流和處理媒體流等。


　　2.核心交換層：該層由IP交換機(jī)構(gòu)成一個(gè)支持實(shí)時(shí)QOS的IP核心交換網(wǎng)絡(luò)，媒體流和信令流均采用IP包進(jìn)行傳送。IP交換機(jī)負(fù)責(zé)PDN的連接，支持防火墻、網(wǎng)絡(luò)地址翻譯和其它功能。


　　3.控制層：該層是核心網(wǎng)的控制中心，主要完成呼叫控制功能，并控制在較低層的網(wǎng)絡(luò)單元處理業(yè)務(wù)流。完成全I(xiàn)P核心網(wǎng)呼叫控制的主要功能單元是呼叫狀態(tài)控制功能CSCF，輔助的控制功能包括多媒體資源控制功能MRFC、媒體網(wǎng)關(guān)控制器MGC等。


　　*CSCF：處理與多媒體會(huì)話有關(guān)的控制層功能，主要包括查詢CSCF、服務(wù)CSCF和代理CSCF。其中S-CSCF實(shí)際處理網(wǎng)絡(luò)中的會(huì)話狀態(tài)，對(duì)用戶終端進(jìn)行會(huì)話控制，并觸發(fā)用戶簽約的與呼叫和會(huì)話有關(guān)的業(yè)務(wù)及向終端提供與業(yè)務(wù)事件相關(guān)的信息。


　　*MRFC：翻譯從應(yīng)用服務(wù)器和CSCF來的消息，并據(jù)此控制MRFP中的媒體流資源。


　　*MGC：用于控制MGW建立媒體通道，完成傳統(tǒng)CS網(wǎng)絡(luò)與IP多媒體子系統(tǒng)間呼叫相關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，并根據(jù)路由號(hào)為從傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)來的入呼叫選擇CSCF。


　　4.業(yè)務(wù)、應(yīng)用層：該層在基本呼叫建立的基礎(chǔ)上提供額外的服務(wù)。其主要部件有：HSS/AUC、應(yīng)用服務(wù)器、網(wǎng)管服務(wù)器等。


　　*HSS和AUC：歸屬用戶服務(wù)器HSS是核心網(wǎng)內(nèi)所有簽約用戶的主要數(shù)據(jù)庫(kù)，包含用于支持SGSN和CSCF處理呼叫或會(huì)話所必需的簽約相關(guān)的信息，是支持用戶移動(dòng)性和呼叫控制的關(guān)鍵。鑒權(quán)中心AUC附屬于一個(gè)HSS，為在該HSS登記的每個(gè)移動(dòng)用戶存儲(chǔ)一個(gè)識(shí)別密鑰，該密鑰用于鑒權(quán)和對(duì)無線鏈路上的通訊進(jìn)行加密。


　　*網(wǎng)管服務(wù)器：提供對(duì)核心網(wǎng)中所有主要部件的網(wǎng)絡(luò)管理，支持SNMP管理。


　　*應(yīng)用服務(wù)器：提供各種增值業(yè)務(wù)的接入，運(yùn)行各種業(yè)務(wù)邏輯，并通過標(biāo)準(zhǔn)接口與控制層聯(lián)系。


　　三、軟交換服務(wù)器及其接口


　　在核心網(wǎng)的功能實(shí)現(xiàn)上，軟交換服務(wù)器是關(guān)鍵。位于控制層的軟交換服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)的控制中心，提供具有實(shí)時(shí)性和移動(dòng)性要求的業(yè)務(wù)的呼叫控制和連接控制功能，軟交換服務(wù)器通過不同的邏輯與下層設(shè)備進(jìn)行交互和控制，完成融合網(wǎng)絡(luò)中的呼叫控制、會(huì)話的建立/修改和拆除過程、以及媒體流的連接控制。軟交換服務(wù)器所提供的應(yīng)是各種業(yè)務(wù)的基本呼叫控制功能，由外部的業(yè)務(wù)或業(yè)務(wù)層提供增值業(yè)務(wù)。因此，軟交換服務(wù)器應(yīng)作為一個(gè)開放的實(shí)體，提供支持多種信令協(xié)議的接口，實(shí)現(xiàn)全I(xiàn)P核心網(wǎng)與移動(dòng)用戶和各種傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)間的信令互通和不同網(wǎng)關(guān)的互操作。提供可編程的，邏輯化控制的開放的API協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與外部應(yīng)用平臺(tái)的互通。


　　(1)軟交換服務(wù)器與應(yīng)用業(yè)務(wù)層的接口


　　提供訪問各種數(shù)據(jù)庫(kù)，三方應(yīng)用平臺(tái)，各種功能服務(wù)器等的接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種增值業(yè)務(wù)，管理業(yè)務(wù)和三方應(yīng)用的支持。軟交換與各服務(wù)器的接口：


　　*與HSS服務(wù)器的接口：用于用戶數(shù)據(jù)管理、移動(dòng)性管理、獲取路由信息等，基于DIAMETER協(xié)議。


　　*與應(yīng)用服務(wù)器間的接口：使用SIP協(xié)議或API如Parlay，提供對(duì)三方應(yīng)用和各種增值業(yè)務(wù)的支持功能。


　　*與策略服務(wù)器間的接口：實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的工作進(jìn)行動(dòng)態(tài)干預(yù)，可使用COPS協(xié)議。


　　*與智能網(wǎng)的SCP之間的接口：使用INAP協(xié)議。


　　(2)軟交換服務(wù)器與邊緣層的接口


　　*與媒體網(wǎng)關(guān)間的接口：用于對(duì)媒體網(wǎng)關(guān)的承載控制，資源控制及管理。使用H.248協(xié)議。


　　*與信令網(wǎng)關(guān)間的接口：用于傳遞軟交換和信令網(wǎng)關(guān)間的信令信息。使用信令控制傳輸協(xié)議或其它類似協(xié)議。


　　(3)軟交換服務(wù)器間的接口


　　此接口可使用SIP協(xié)議。


　　四、核心網(wǎng)的互通與多媒體會(huì)話的實(shí)現(xiàn)


　　核心網(wǎng)與無線接入網(wǎng)間，通過SGSN與無線接入網(wǎng)的接口互聯(lián)，由GPRS網(wǎng)絡(luò)提供承載通道和GPRS控制區(qū)內(nèi)的移動(dòng)性管理。當(dāng)需要與移動(dòng)終端間進(jìn)行IP多媒體會(huì)話時(shí)，首先由GPRS網(wǎng)絡(luò)為移動(dòng)和終端建立至軟交換服務(wù)器的IP隧道，并為其分配一臨時(shí)IP地址。此后移動(dòng)終端與軟交換服務(wù)器間通過SIP協(xié)議進(jìn)行會(huì)話控制。


　　核心網(wǎng)與傳統(tǒng)PSTN/ISDN/移動(dòng)網(wǎng)間，通過網(wǎng)關(guān)體系進(jìn)行互通。MGW完成媒體流的轉(zhuǎn)換，SGW完成信令流在傳輸層的轉(zhuǎn)換，MGC完成高層信令協(xié)議的轉(zhuǎn)換。軟交換服務(wù)器完成會(huì)話控制，其中與移動(dòng)網(wǎng)的互通需要訪問HSS。
　　核心網(wǎng)與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)間，通過GGSN的GI接口提供承載和信令通道。


　　五、核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案


　　采用基于軟交換的全I(xiàn)P的核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)，符合NGN的發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了傳輸與控制、控制與業(yè)務(wù)的分離，相對(duì)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)安全性、業(yè)務(wù)質(zhì)量保證、新業(yè)務(wù)提供的便利性、業(yè)務(wù)種類的豐富性以及開放系統(tǒng)帶來的廣闊商機(jī)都是無可比擬的。但上述核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)仍沿用了由GSM至GPRS至3G核心網(wǎng)的演化思路，其中GPRS網(wǎng)絡(luò)并沒有實(shí)現(xiàn)承載與控制的分離，而且GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的存在也增加了核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。對(duì)于實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)承載與控制的分離，最直接的設(shè)想是繼承3GPP對(duì)CS域承載與控制分離的方式，將承載控制較多的SGSN分割為SGSN服務(wù)器和媒體網(wǎng)關(guān)兩部分，SGSN服務(wù)器處理原SGSN的所有信令接口，并具有MGC功能。而MGW只負(fù)責(zé)GPRS與無線接入網(wǎng)間用戶媒體流的處理。這一方案對(duì)原GPRS網(wǎng)絡(luò)的功能和信令接口都有較大的繼承性。


　　本文提出另一種有突破性的改進(jìn)方案：在3G核心網(wǎng)中，GPRS網(wǎng)絡(luò)面向無線接入網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，可用無線媒體網(wǎng)關(guān)和其網(wǎng)關(guān)控制器取代GPRS網(wǎng)絡(luò)功能。這將無線媒體網(wǎng)關(guān)控制器上升到控制層，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使整個(gè)核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)更宜于擴(kuò)展為完整的NGN結(jié)構(gòu)。


摘自《數(shù)據(jù)通信》2002.3