基于软交换的全IP的3G核心网

殷蔚华
　　摘要：本文提出了一种3G核心网的实现方案，该方案基于软交换的网络体系结构，由宽带IP网络实现多媒体通信。文中给出了核心网基于软交换的分层结构，分析和讨论了网络中各单元的功能、主要接口和基于软交换的多媒体通信的实现，最后提出了对方案进一步改进的设想。

　　关键词：3G核心网 软交换 多媒体通信IP

　　一、3G的未来是采用软交换技术 的全IP的网络

　　3G网络的发展是在现有各种网络向下一代网络NGN演进的大背景下进行的，因此3G网络的演进应符合NGN的要求。NGN是可以提供语音、数据和多媒体等各种业务的综合开放的网络构架，有三大特征：采用开放的网络架构体系；是业务驱动和基于分组的网络。

　　要使各种网络融合实现下一代网络，目前公认的技术基础是采用软交换技术 和IP技术，因此3G的未来发展方向也应是采用基于软交换技术的全IP网络结构，关键是在第三代移动通信的核心网络采用宽带IP网络和软交换技术：由IP网络承载从实时话音、视频到Web浏览、电子商务等多种业务，IP协议是主导的网络路由与寻址协议；网络控制由软交换服务器实现，采用基于软交换的网络结构；网上的业务则由第三方智能业务提供商提供。从而实现传输网络、网络控制、业务提供的分离。

　　二、基于软交换的全IP的3G核心网结构

　　3G的主流技术体制是WCDMA和cdma2000以及TD-SCDMA，一般公认，3G的全IP网络是指业务传送完全基于IP承载的网络结构。3GPP和3GPP2两大3G标准化组织分别提出了全IP的移动核心网的参考结构，前者由GPRS网络演化而来，后者则基于cdma2000的演化。因此两者在网络结构上是不同。

　　3G核心网实现方案的基本思想是：(1)由增强的GPRS网络完成对无线接入网的接入和提供IP通道，以使智能用户终端直接由控制层的软交换设备进行控制，并在GPRS网络之上构架一基于软交换的IP多媒体子系统，完成对IP多媒体通信的控制和业务的提供。(2)在核心网内部全部基于IP传送，采用网关体系与传统的PSTN/ISDN/PLMN等非IP网络进行互通和转换。(3)采用基于软交换的分层网络结构体系，使控制也承载分离，呼叫控制与业务提供分离，各层的设备和结构可独立发展而不影响整个网络，各层之间通过功能接口通信。
　　在本方案中，核心网分为四个层面：边缘层、核心交换层、控制层和业务/应用层。

　　1.边缘层：该层负责将不同网络的用户连接至3G核心网络，并完成不同网络间媒体流的转换和信令流在传输层的转换，使信息格式转换成在核心网络上传递的IP包。边缘层使核心网结构独立于所连接的不同的网络和用户，例如3G无线接入网的移动用户通过GPRS网络接入核心网，传统的ISDN/PSTN/PLMN网络用户则通过网关体系接入。

　　*GPRS网络：主要包括业务支撑节点SGSN和网关支撑节点GGSN，负责在3G移动终端与IP多媒体子系统间建立隧道，由软交换设备控制与移动终端的IP多媒体通信。其中SGSN位于无线接入网与核心网的交界处，提供与无线接入网的接口；GGSN位于核心网中GPRS部分与IP多媒体子系统的交界处，提供与数据网的接口。

　　*信令网关SGW与媒体网关MGW：将外部网络的信令和承载转换为IP包格式在核心网中传送。SGW完成传统电路交换网络的基于SS7的信令，与全IP核心网中基于IP承载的信令相互间在传输层的转换，但不翻译应用层消息。媒体网关MGW负责与外部网络的承载接口，终结电路交换网络来的承载通道，转换为分组网络的IP媒体流。

　　*多媒体资源功能处理器MRFP：完成对多媒体资源的处理，包括：控制GI接口的承载，混合输入媒体流和处理媒体流等。

　　2.核心交换层：该层由IP交换机构成一个支持实时QOS的IP核心交换网络，媒体流和信令流均采用IP包进行传送。IP交换机负责PDN的连接，支持防火墙、网络地址翻译和其它功能。

　　3.控制层：该层是核心网的控制中心，主要完成呼叫控制功能，并控制在较低层的网络单元处理业务流。完成全IP核心网呼叫控制的主要功能单元是呼叫状态控制功能CSCF，辅助的控制功能包括多媒体资源控制功能MRFC、媒体网关控制器MGC等。

　　*CSCF：处理与多媒体会话有关的控制层功能，主要包括查询CSCF、服务CSCF和代理CSCF。其中S-CSCF实际处理网络中的会话状态，对用户终端进行会话控制，并触发用户签约的与呼叫和会话有关的业务及向终端提供与业务事件相关的信息。

　　*MRFC：翻译从应用服务器和CSCF来的消息，并据此控制MRFP中的媒体流资源。

　　*MGC：用于控制MGW建立媒体通道，完成传统CS网络与IP多媒体子系统间呼叫相关的协议转换，并根据路由号为从传统网络来的入呼叫选择CSCF。

　　4.业务、应用层：该层在基本呼叫建立的基础上提供额外的服务。其主要部件有：HSS/AUC、应用服务器、网管服务器等。

　　*HSS和AUC：归属用户服务器HSS是核心网内所有签约用户的主要数据库，包含用于支持SGSN和CSCF处理呼叫或会话所必需的签约相关的信息，是支持用户移动性和呼叫控制的关键。鉴权中心AUC附属于一个HSS，为在该HSS登记的每个移动用户存储一个识别密钥，该密钥用于鉴权和对无线链路上的通讯进行加密。

　　*网管服务器：提供对核心网中所有主要部件的网络管理，支持SNMP管理。

　　*应用服务器：提供各种增值业务的接入，运行各种业务逻辑，并通过标准接口与控制层联系。

　　三、软交换服务器及其接口

　　在核心网的功能实现上，软交换服务器是关键。位于控制层的软交换服务器的网络的控制中心，提供具有实时性和移动性要求的业务的呼叫控制和连接控制功能，软交换服务器通过不同的逻辑与下层设备进行交互和控制，完成融合网络中的呼叫控制、会话的建立/修改和拆除过程、以及媒体流的连接控制。软交换服务器所提供的应是各种业务的基本呼叫控制功能，由外部的业务或业务层提供增值业务。因此，软交换服务器应作为一个开放的实体，提供支持多种信令协议的接口，实现全IP核心网与移动用户和各种传统网络间的信令互通和不同网关的互操作。提供可编程的，逻辑化控制的开放的API协议，实现与外部应用平台的互通。

　　(1)软交换服务器与应用业务层的接口

　　提供访问各种数据库，三方应用平台，各种功能服务器等的接口，实现对各种增值业务，管理业务和三方应用的支持。软交换与各服务器的接口：

　　*与HSS服务器的接口：用于用户数据管理、移动性管理、获取路由信息等，基于DIAMETER协议。

　　*与应用服务器间的接口：使用SIP协议或API如Parlay，提供对三方应用和各种增值业务的支持功能。

　　*与策略服务器间的接口：实现对网络设备的工作进行动态干预，可使用COPS协议。

　　*与智能网的SCP之间的接口：使用INAP协议。

　　(2)软交换服务器与边缘层的接口

　　*与媒体网关间的接口：用于对媒体网关的承载控制，资源控制及管理。使用H.248协议。

　　*与信令网关间的接口：用于传递软交换和信令网关间的信令信息。使用信令控制传输协议或其它类似协议。

　　(3)软交换服务器间的接口

　　此接口可使用SIP协议。

　　四、核心网的互通与多媒体会话的实现

　　核心网与无线接入网间，通过SGSN与无线接入网的接口互联，由GPRS网络提供承载通道和GPRS控制区内的移动性管理。当需要与移动终端间进行IP多媒体会话时，首先由GPRS网络为移动和终端建立至软交换服务器的IP隧道，并为其分配一临时IP地址。此后移动终端与软交换服务器间通过SIP协议进行会话控制。

　　核心网与传统PSTN/ISDN/移动网间，通过网关体系进行互通。MGW完成媒体流的转换，SGW完成信令流在传输层的转换，MGC完成高层信令协议的转换。软交换服务器完成会话控制，其中与移动网的互通需要访问HSS。
　　核心网与外部数据网间，通过GGSN的GI接口提供承载和信令通道。

　　五、核心网结构的改进方案

　　采用基于软交换的全IP的核心网结构，符合NGN的发展趋势，实现了传输与控制、控制与业务的分离，相对与传统网络，网络安全性、业务质量保证、新业务提供的便利性、业务种类的丰富性以及开放系统带来的广阔商机都是无可比拟的。但上述核心网结构仍沿用了由GSM至GPRS至3G核心网的演化思路，其中GPRS网络并没有实现承载与控制的分离，而且GPRS网络结构的存在也增加了核心网结构的复杂性。对于实现GPRS网络承载与控制的分离，最直接的设想是继承3GPP对CS域承载与控制分离的方式，将承载控制较多的SGSN分割为SGSN服务器和媒体网关两部分，SGSN服务器处理原SGSN的所有信令接口，并具有MGC功能。而MGW只负责GPRS与无线接入网间用户媒体流的处理。这一方案对原GPRS网络的功能和信令接口都有较大的继承性。

　　本文提出另一种有突破性的改进方案：在3G核心网中，GPRS网络面向无线接入网的网关，可用无线媒体网关和其网关控制器取代GPRS网络功能。这将无线媒体网关控制器上升到控制层，简化了网络结构，使整个核心网结构更宜于扩展为完整的NGN结构。

摘自《数据通信》2002.3