软交换技术在铁路中的应用方案研究

2016-04-01李雅静

铁路通信信号工程技术 2016年1期

关键词：铁路应用研究

李雅静

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251）

软交换技术在铁路中的应用方案研究

李雅静

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251）

摘要：主要针对软交换技术在铁路通信网中的应用进行研究，探讨我国铁路电话交换网的现状和存在的主要问题，通过3种交换技术的优缺点和应用领域的比较，确定软交换技术为铁路电话交换网的发展方向，并给出软交换技术在铁路通信网中的应用方案。

关键词：软交换；NGN；铁路；应用；研究

Abstract:This paper mainly studies the application of Softswitch in railway communication networks. It discusses the present situation and problems in railway communication switching system in China. Through comparison among the advantages, disadvantages and application fi elds of three kinds of switching technologies, it puts forward that the Softswitch technology is a developing trend of railway communication switching system and presents the application scheme of applying Softswitch in railway communication network. Keywords: Softswitch; NGN; railway; application; study

1　我国铁路电话交换网的现状及主要问题

当前我国铁路电话交换网主要用于公务电话通信，以程控交换技术为核心，除个别工程新设程控交换机外，一般铁路建设项目均采用扩容既有铁路专网程控交换机的方式。在铁路沿线设置接入网接入单元设备，接入网局端接入设备一般与程控交换机同址设置，接入单元设备通过传输系统和局端接入设备接入既有程控交换机，以满足铁路新增自动电话用户的需求。

随着现代交换技术的更新换代，基于电路交换的程控交换网络不能适应铁路通信技术的高速发展，其存在的问题日益凸显。

第一，设备老化，无法满足实际需要。我国铁路专网程控交换设备大多建于20世纪90年代，目前大多数设备厂商已经停止生产程控交换设备，部分设备配件已无法购买，部分软件版本已无法升级，存在着使用时间长、设备故障多、端口不足、号源紧张等问题。

第二，技术落后，网络功能亟待升级。由于程控交换技术的局限，程控交换设备的容量有所限制，造成网络节点数量庞大、网络拓扑结构复杂、设备厂商型号多、系统功能单一等问题。

第三，维护困难，工作质效有待提升。采用程控交换设备需要敷设大量的地区（站场）市话电缆，电缆维护较光缆维护更加困难，给铁路日常维护管理工作带来了诸多不便。

2　现代交换技术的发展

从上世纪80年代至今，伴随着计算机技术和IP网络技术的快速发展，现代交换技术主要经历了程控交换技术、软交换技术及IMS技术3次大型变革。

20世纪80年代，程控交换技术在世界各国得到成功推广，它实现了交换机的全电子化，代替机电式交换机和准电子电话交换机成为电话交换网的核心技术体制。20世纪90年代及21世纪初期，我国建成了覆盖全国铁路的专用程控电话交换网。

20世纪90年代中后期，为满足用户对多种新技术的迫切需求，实现语音、数据及视频业务的融合，国内外电信运营商将VoIP技术与多媒体通信技术应用到电话交换网络中，构建新型网络平台，软交换技术应运而生。软交换技术打破了传统的以电路交换为基础的程控交换网络的格局，以分组交换为基础，实现了呼叫控制和承载的分离，具有对新业务的支持能力提高、降低成本、优化网络结构等技术优势，可以为用户提供全方位、多功能、多媒体业务服务。21世纪初，国内外电信运营商开始应用软交换技术来构建新型电话与多媒体通信网络。自2005年以来，在我国固网运营商的推动下，软交换技术在我国得到了广泛的应用，成功地通过了大话务量的考验，技术已发展成熟。

21世纪初，蜂窝移动通信网络和因特网的融合需求驱动了电信网交换技术的进一步变革，诞生了IMS技术。IMS技术起源于移动通信网络的应用，并逐步扩大到固定领域，与软交换技术相比，可以支持各类接入方式，真正实现了固定网络和移动网络的融合。但目前全球IMS网络多数处于初级阶段，应用方式也处于业界探讨当中，技术成熟度有待进一步检验。

3　三种交换技术的比较

3.1程控交换技术

程控交换机是利用电子计算机技术，用预先编好的程序来控制电话接续工作的电话交换机，具有接续速度快、业务功能多、声音清晰、质量可靠等优点。它基于电路交换网络，是一个业务层与呼叫控制层紧密结合、不可分割的网络。

3.2软交换技术

软交换是一种区别于传统电话业务，与新型多媒体业务相关的网络和业务问题的解决方案。软交换技术以分组交换技术为基础，继承了程控交换网络集中控制的架构和可靠的信令技术，采用分层的网络架构，通过软交换机实现基本呼叫控制功能，通过独立的媒体网关实现语音、数据和视频流的承载，通过第三方的标准接口与业务应用层相连接，从而实现了呼叫控制与承载相分离、呼叫控制与业务相分离。

软交换能提供现有电路交换机的全部语音业务，并支持语音、数据、视频融合的多媒体端点新业务和多样化的第三方业务，是一种集语音、文字、数据、图像、视频等多媒体业务为一身、能够满足用户多种需求体验的多功能通信网络。它定义了网元间的标准接口，但没有限制网络能力，可以通过网元的增加或网络的改造提供新的网络能力和业务能力。

软交换体系支持多种开放的标准协议，包括MGCP、H.248、SIGTRAN、SIP、H.323、BICC、INAP、SNMP、RADIUS和MEGAGO等协议。

3.3IMS技术

IP多媒体子系统（IP Multimedia Subsystem，IMS）是基于分组交换技术的移动多媒体通信技术，它是一个独立于接入技术的基于IP的标准体系，使得基于普通IP协议的终端用户，无论是固定网络用户还是移动网络用户，使用不同类型的多媒体业务成为可能。IMS通过一个标准化的接口连接了IMS和多种接入网，例如GSM、WCDMA、WiMAX以及有线电视网等，并对在不同接入网下的用户提供无缝的各种通信服务。

IMS具有分层的网络架构、基于SIP协议的会话控制、支持多种业务应用、支持多种接入方式、支持与多种网络互通、计费方式灵活、完善的QoS保证以及开放的业务开发环境等技术特点。

3.4技术比较

1）软交换技术与程控交换技术的比较

与程控交换技术相比，软交换具有非常明显的技术优势，主要体现为以下四点。

第一，程控交换网络无法承载数据传输，不能开展多媒体业务，业务种类单一；而软交换网络支持SIP协议，可以灵活地提供包括语音、视频、数据在内的多媒体业务需求。

第二，程控交换网络基于电路交换技术，而软交换网络基于分组交换技术，网络利用率高，可以满足不同速率、不同编码格式、不同通信协议的双方用户进行通信，可通过各种网关实现多种不同接入用户之间的通信。

第三，程控交换网络采用多级树形结构组网，网络拓扑结构复杂；而软交换网络实现了控制层和承载层分离，组网方式具有高效灵活性，可以在较大范围内实现大区制、扁平化组网，网络层次更为简洁。

第四，程控交换网络对设备的容量有所限制，造成网络设备节点数量庞大；而软交换网络的控制层与承载层分离，从而使控制层设备的容量得到极大扩展，网络中控制节点的数量大大减少，在设备能耗和占用空间方面具有更大优势。

2）软交换技术与IMS技术的比较

软交换技术与IMS技术都是当前主流的交换技术，其区别主要有以下四点。

第一，软交换技术最初应用于固定网络中，在VoIP技术的基础上发展起来，主要用于实现基于分组交换技术的语音业务及其增值业务的网络承载；而IMS技术是在WCDMA R5中提出的，主要用于实现基于分组交换技术的移动多媒体业务的网络承载。

第二，软交换技术的标准并没有国际统一标准，中国通信标准协会（CCSA）从2001年开始制定软交换技术规范，至2005年已经完成大部分工作，技术标准成熟；而IMS技术的标准采用分阶段分版本的发布方式，到目前为止仍处于不断完善的阶段。

第三，自2002年起，软交换技术已经在我国得到大规模的商用，经过不断演进与优化，技术应用成熟，产品种类丰富、性能稳定，不同厂家之间的设备兼容性较好；而截至2013年，国内三大运营商才逐步完成IMS网络的商用，其技术应用的成熟度和产品的功能仍有待市场的进一步检验。

第四，软交换技术支持SIP、MGCP、H.248等多种协议，而IMS技术全部采用SIP协议，SIP协议侧重于多媒体应用，MGCP和H.248协议侧重于语音业务，相比SIP协议更多地保留了传统电话业务中的一些特性，因此软交换技术更适用于语音业务为主、多媒体业务为辅的应用环境。

3）软交换成为铁路交换技术的必然选择

传统的程控交换技术已经走向尾声，在整个电信行业中，基于IP技术和分组交换的软交换网络已取代基于电路交换的程控交换网络，成为通信网络的主流。经过多年大规模的商用，软交换技术的成熟度已经得到了社会的肯定，而IMS技术虽然日趋完善并已进入商用，但距其完全成熟度还有待时日。鉴于铁路通信网建设的特点，需要建设一个以语音业务为主、多媒体业务为辅、技术成熟、具有极高的安全性和稳定性的电话交换网，故本文推荐采用软交换技术建设铁路电话交换网。

4　软交换技术在铁路中的应用

4.1网络需求分析

第一，业务处理能力的需求。随着铁路建设的高速发展，用户数量不断增加，业务处理需求逐步增大，要求铁路电话交换网络采用核心处理能力更强、单机用户容量更大的软交换设备，以满足铁路电话用户日益增长的需求，提升服务质量。

第二，网络运营管理便捷的需求。为与当前铁路运营管理体制相适应，应采用软交换技术代替程控交换技术，对现有铁路电话交换网络进行调整，建设以路局为单位的“大区制、扁平化”新型网络结构，减少交换节点，简化网络层次，提升网络运营管理效率。

第三，多媒体业务接入的需求。随着信息时代的来临，铁路信息化建设得到了快速发展，对铁路电话交换网提出了更高的要求，不仅要提供传统的语音业务，也要提供大量非语音的数据业务和视频业务等多媒体业务，现有的铁路专网程控交换设备已不能满足上述需求，需要建设技术体制更为先进的软交换网络。

4.2组网方案研究

软交换网络分为4个层面：业务/应用层、控制层、传输层及接入层，如图1所示。

1）控制层

控制层是整个软交换网络的核心控制平台，负责所有用户的各种呼叫控制和接续管理功能，及接入协议适配、互连互通等综合控制处理功能，其实质就是软交换机（SS）。建议以铁路局为单位设置软交换机，在每个铁路局所在地设置至少两套，采用与铁路调度通信系统调度所型调度交换机同样的设置方案，选择铁路局调度所和铁路局所在地的枢纽通信站作为两个核心节点，采用“1+1” 主备用方式，按照同城异地方式建设。各铁路局软交换核心节点通过全路骨干层数据网连接。

2）业务/应用层

业务/应用层主要用于面向用户提供各种应用和服务。建议在铁路局所在地与软交换机同址设置各类软交换网络服务器，包括支持三方应用和增值业务的应用服务器、动态干预网络设备工作健康状况的策略服务器、处理用户访问请求的AAA服务器、软交换网管服务器及智能用户数据库等。

3）传输层

传输层为分组传送网提供可靠的、端到端的QoS保证的综合传输网络平台。目前，全路正在进行数据网改造工程，建成后18个铁路局所有干线铁路均将具有完善的数据网网络，可以利用铁路IP数据网来搭建软交换数据承载网。

4）接入层

接入层通过采用不同的网关设备，满足不同用户业务接入的需求，实现各种不同网络及终端设备的互通，主要包括TG、SG、AG等各类媒体网关及各种终端设备。

铁路电话交换网与公共电信网可采用两种方式：铁路软交换网络通过网络边界点（NBP）与公网软交换网络互联；或者维持既有的互联方式，在原铁路用户与公网互联处设置软交换TG和SG，用来实现分组交换网向电路交换网的转换和No.7信令网与IP网之间的中继，实现与公用电话网的互通。

同时，TG和SG还可以实现GSM-R铁路移动通信系统核心网交换机和软交换机的互联互通。

4.3接入方式比较

根据铁路电话交换网的现状和特点，软交换终端接入方式主要有以下3种。

1）AG接入方式

根据铁路程控电话交换网现状，对于各条既有铁路，其铁路沿线均设有接入网接入单元设备（NU），通过接入各大型通信站内的接入网局端接入设备（LT），接入既有程控交换机。为了减少对既有线通信网的改动，可考虑在LT同址处设置AG设备，通过AG设备接入铁路局软交换系统，如图2所示。

2）xPON接入方式

在新建或改建铁路时，可采用xPON网络，即EPON/GPON接入方式，由OLT、ONU、ODN三部分组成，如图3所示。xPON具有低成本、高带宽、接口丰富、组网灵活、扩展性强等显著优点，可实现用户侧语音、视频及数据业务的融合接入。

OLT局端设备设置于铁路沿线各大型车站/通信站处，平均间距不超过40 km，为管辖区域内的用户提供网络侧和用户侧之间的接口，网络侧接入铁路局IP数据网，用户侧通过一个或多个ODN与ONU通信。

ONU终端设备设置于铁路沿线各用户处，为用户提供综合业务接口，且具有光/电转换能力，可同时实现POTS终端、PC终端和软交换终端的接入。

ODN无源光元件设备包括光纤、光连接器和光分路器等，用于OLT和ONU的连接。

EPON/GPON接入方式可以实现全光网络，用光缆代替地区及站场市话电缆，有利于维护管理。

3）IP接入方式

采用IP接入方式的前提是铁路沿线建成完整的IP数据承载网。现在全路正在进行数据网改造工程，待各铁路局建成数据网骨干层和汇聚层后，对于铁路数据网已覆盖的铁路地区和枢纽，可采用IP接入方式。IP接入方式采用的是IP电话，而不再是传统的模拟电话终端。由于IP电话和软交换均支持H.323、SIP、MGCP和MEGAGO等协议，因此可以通过数据网直接互联互通，如图4所示。