软交换系统的应用与分析

2023-08-22胡芳芳傅星文

通信电源技术 2023年11期

王昆，胡芳芳，傅星文

（92146 部队，广东湛江 524000）

1 软交换的发展

传统电话网运用电路交换技术实现，依次经历了人工交换、模拟自动交换以及数字程控交换3 个阶段。20 世纪末期，随着因特网的迅速发展，人类进入了网络时代，IP 技术因其廉价、开放的特点在全球范围得以应用。运用分组交换网络提供传统语音业务，使得传统电话网受到强烈冲击，在此背景下提出了下一代网络的概念。

下一代网络（Next Generation Network，NGN）指大量采用创新技术，以IP 技术为中心，同时可以支持话音、数据以及多媒体业务的网络体系。各类通信网将按NGN 框架在接入层、传送层、控制层以及业务层等层面进行融合。从传输网的角度来看，NGN是以自动交换光网络为核心的智能全光网络。从计算机网络的角度来看，NGN 是以高宽带和互联网协议第6 版（Internet Protocol Version 6，IPV6）为代表的下一代互联网。从移动网的角度来看，不同时期的NGN 分别是4G、5G、6G。从电信交换网的角度来看，NGN 是以软交换、IP 多媒体系统(IP Multimedia Subsystem，IMS)为核心的下一代交换网[1]。

软交换是实现NGN 的最初方案，其来源于IP 的语音传输（Voice over Internet Protocol，VoIP）技术。通过在电话网和因特网之间引入一个网关设备，负责实现2 个不同网络之间的呼叫控制、语音格式的转换，包括IP 地址与电话号码的映射、呼叫的接续控制、电话网中的脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）语音与因特网中分组化话音之间的媒体格式化转换等。

随着VoIP 技术的进一步成熟，运营商开始推出IP 电话，其价格低廉，成为20 世纪90 年代广泛应用的电话通信方式。随着IP 电话业务的迅速增长，人们对IP 电话网关的功能要求不断提高，网关设备的功能越来越复杂，电信级可靠性难以得到保障。网关设备逐渐成为网络发展的瓶颈，于是人们提出了分解电话网关功能的思想，即将电话网关的呼叫控制功能和媒体转换功能进行分离，这就是软交换的来源[2]。

国际分组通信协会（International Packet Communications Consortium，IPCC）对软交换的定义是提供呼叫控制功能的软件实体，其思想是将呼叫控制功能和媒体承载功能分离，通过软件实现基本呼叫控制功能。由于传统的程控交换机将传输接口、呼叫控制、数字交换硬件以及业务与应用功能等全部集中到单个交换设备内，是一种垂直集成的单厂家专用封闭系统，无法适应快速变化的市场环境和多样化的用户需求，新业务的开发成本高、周期长[3]。软交换概念的提出打破了传统电话交换机封闭的交换结构，将传统电话交换机的功能进行解耦。将传输、呼叫控制以及业务管理3 大功能进行分离，采取开放的接口和通用协议，形成一个开放的分布式系统结构。具体而言，使用现有的分组网代替程控交换中的数字交换网络，实现分组化语音的传输和交换。将程控交换机中处理器的呼叫控制功能从交换机的软件中独立出来，将其升级为软交换功能。同时，将业务系统与呼叫控制分离，实现控制和业务的功能分离。

软交换提出后便被人们所接受，各国电信运营商将传统的电路交换网陆续升级为软交换网络，软交换在全世界范围内得到大规模应用。从2003 年开始，我国通信行业就对软交换的标准进行研究，逐步引入公网，在固定电话网和移动核心网中均采用软交换技术，特别是在以语音业务为主的公用电话网和移动通信网中，可以实现电路交换向软交换的平滑过渡。

2 软交换的网络结构

国际软交换协会（International Softswitch Consortium，ISC）提出分层体系结构，从底向上依次为接入层、传送层、控制层以及业务应用层。

2.1 接入层

接入层利用各种接入设备实现不同用户的接入，并实现不同信息格式之间的转换。接入层的设备均无呼叫控制功能，需要和控制层设备相配合才能完成所需的操作。接入层的设备主要有信令网关（Signaling Gateway，SG）、媒体网关（Media Gateway，MG）、综合接入设备（Integrated Access Device，IAD）以及无线接入媒体网关（Wireless Access Gateway，WAG）。

SG 是跨接在7 号信令网和软交换网之间的功能实体，其功能是完成7 号信令与IP 网络中分组格式的转换。

MG 负责将各种终端和网络接入核心分组网络，同时将一种媒体格式转换成另一种媒体格式，例如将话音信号转换为IP 包。MG 包括中继网关（Trunk Gateway，TG）和接入网关（Access Gateway，AG）。TG 是跨接在公共交换电话网络（Public Switched Telephone Network，PSTN）和软交换网络之间的功能实体，主要在软交换设备的控制下实现时分多路复用（Time Division Multiplexing，TDM）语音和IP 分组语音之间媒体流格式的转换。AG 主要是将用户终端接入软交换网络，常用于电路侧。

IAD 是适用于小企业和家庭用户的接入产品，可以提供IP 电话和普通电话的接入。

WAG 用于将无线接入用户连接至软交换网[4]。

以上接入设备中，AG、TG 以及SG 共同完成了程控交换机业务接入功能模块的功能，实现了普通PSTN 电话用户的语音业务接入，并将语音信息适配为适合在NGN 网内传送的IP 包。

2.2 传输层

传输层为软交换网络和各种信息提供一个统一的传送平台，主要由各种路由器、网络交换机以及传输设备构成。传输层是软交换网的承载网，其他各层的网元都直接挂接在该网络上，由其进行统一的网络路由和转发功能。

2.3 控制层

控制层完成基本的呼叫控制、媒体接入控制、路由和资源管理等，主要设备有软交换机。在软交换机与其他网关、终端设备之间，通过信令交互完成呼叫控制等功能。

2.4 业务层

业务层在呼叫控制的基础上为用户提供各种额外的增值服务，如话单统计、计费等。该层主要设备包括应用服务器、数据库服务器等。

3 软交换的特点

相比传统的封闭电信网络，软交换的分层业务结构主要有以下3 个特点。

（1）开放性。软交换采用集中控制、分散接入的方式，可以根据用户需求快速进行业务开设。软交换采用开放接口和通用协议，其各组成模块可由不同厂商生产，引入良性竞争。具体实践中，用户可以灵活选择方案组合来构建网络。

（2）扩展性。软交换网络允许用户更加方便地进行扩容，并能根据需要选择增值业务。

（3）灵活性。由于其可以满足不同的终端类型的接入，使得业务应用具有较大的灵活性，根据实际规模、线路资源等情况进行施工，实现较大范围的网络覆盖[5]。

4 传统程控交换设备应用分析

程控交换机业务实现方式有3 种：一是连接近端用户，通过总配线架连接至分线箱，再从分线箱通过音频线连接至用户话机；二是连接远端用户模块，通过2M 线缆连接至远端模块后，再由音频配线架连接至用户；三是与其他局向的连接，通过2M 线缆连接数字配线架并接入光端机，完成出入局。程控交换设备连接如图1 所示。

图1 程控交换设备连接

采用电路交换原理的程控交换设备存在电路利用率低、电路接续时间较长、通信双方必须完全兼容等缺点，实际应用中主要有以下问题。首先，设备使用时间较长，元器件老化，服务器、部分板件偶尔出现故障。备板库存时间较长，无法确定板件状态的好坏，自主测试存在困难。其次，由于厂家停保，不常见的故障无法获得厂家的帮助。同型号的程控交换设备已经逐步退网，相关维护人员缺乏维护经验，对维护要求较高。最后，与数字程控交换机配套使用的总配线架提供用户线路接入，需要人工跳接，人工成本较高。配线模块使用时间较长、损耗较大，模块的更换、扩容或业务割接都难以实现。

通过开展相关业务培训，可以强化技术人员对设备和网络连接等内容的熟悉程度，便于日后维护。合理选择设备厂家，解决售后服务和技术支持的问题。新业务的内容更加丰富，个人电话业务可定制，更好地满足用户的需求。

5 软交换组网方案

5.1 设计需求

（1）与电路交换网的兼容。考虑到成本与资源规划，电路交换网的改造不能一蹴而就，需要分阶段进行。升级改造后的软交换网络既要能保证与其他软交换网络的相通，还要兼容已存在的程控交换网络。为了防止业务割接导致中断过长，可以考虑保留部分电缆，逐步实现终端的IP 化。

（2）网络安全问题。一方面，确保网络设备安全。使用2 台软交换机互为备份，正常情况下由主机控制运行，从机定时监控状态，出现故障则立即担负起主机工作。另一方面，确保终端设备的安全。数据中心可以对终端用户进行鉴权和认证，与数据库中信息一致时才能接入网络，防止非法终端接入。

5.2 设备选择

综合实际业务需求，选择华为公司生产的SOFTX3000 软交换设备。其系统容量、系统处理能力、协议处理能力、话单处理能力以及可靠性等性能均能满足原有需要，同时存在很大的扩展空间。该设备可以提供丰富的业务，适配多种接口。此外，SOFTX3000 软交换设备一般配合UMG8900 使用。

5.3 组网方案设计

站内配置2 台SOFTX3000 软交换设备，分别作为主用和备用。通过UMG8900 实现信令网关和中继网关的作用，接入其他局向的软交换机或其他数字程控交换机。通过UA5000 用户接入设备完成近端、远端用户电话的放置，可以是IP 电话，也可以是模拟用户电话。使用N2000 网管系统与维护终端维护交换机，管理SOFTX3000、UMG8900、UA5000 以及承载网络设备。具体组网方案如图2 所示。