电路交换机向媒体网关控制器的演进

周国森1 荆 涛2 李生红1

1. 上海交通大学电子工程系 上海200030

2. 北京交通大学电子信息工程学院 北京100044

　　摘 要 软交换技术是实现下一代网络的一项关键技术。媒体网关控制器是采用软交换技术实现呼叫控制功能的一种设备。本文主要介绍媒体网关控制器的功能和系统结构，论述从电路交换机向媒体网关控制器演进的一种方案。

　　关键词 软交换 媒体网关控制器 演进

　　一、软交换与媒体网关控制器



　　软交换是下一代网络（NGN）实现呼叫控制的核心。它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。根据国内下一代网络的层次结构，软交换被定位在控制层。而在国际分组通信联盟（IPCC）最新的分组通信结构参考中，软交换被定位在接入平面的业务层。它在下一代网络中的主要任务是在不同终端之间建立关系，这些关系可以是一个简单的呼叫，也可以是较复杂的处理关系。它需处理的业务包括语音业务、数据业务、视频业务和多媒体业务等。软交换的核心思想是将传统的电路交换机按功能分解为不同的层次，不同的层次间通过开放的接口连接。它所实现的功能相当于传统交换机中的呼叫控制功能。但软交换所实现的呼叫控制功能是与业务无关的，也就是说软交换提供的是能够处理各种业务的基本呼叫控制，包含呼叫选路、管理控制、连接控制（建立会话和拆除会话）、信令互通（如从SS7到IP）等。而传统交换机中的呼叫控制功能是和业务结合的，不同的业务需要不同的呼叫控制功能。


　　软交换之所以区别于传统电话网和ATM网络的硬交换，是由于软交换只是通过系统将主叫方和被叫方的IP网内传输层地址（其中包括IP地址和UDP端口）互相交换，而不需要任何电路交换单元来建立端到端的连接。同时，用户话音流由下层承载网（IP 网）来实现，而IP网络是基于包交换的非连接网络，并支持端到端的透明访问。由于软交换技术分离了业务实现功能，采用了开放式应用程序接口（API），使业务提供者可以基于统一、开放的接口提供更多业务，也便于在交换机中灵活引入新业务。软交换将有助于传统PSTN网络与IP网络的融合，并可向下一代网络顺利演进。


　　软交换机是软交换技术的一种具体实现。媒体网关控制器（MGC：Media Gateway Controller）是软交换机的一种。它是由IP电话网关分解后提出的概念。在IP电话系统中，IP电话网关是用来适配PSTN网络与IP网络的，随着IP电话系统的发展，人们发现IP电话的用户语音流（IP电话用户平面）和IP电话的接续（IP电话的控制平面）二者之间没有必然的物理上的联系。它们的联系只是在IP网的传输层地址上，因而无须将这二者在物理上放在一起，从而导致IP电话网关的分解与H.248/Megaco建议的产生。IP电话网关可以分解为三部分：媒体网关（MG）、媒体网关控制器（MGC）和信令网关（SG），其中，媒体网关负责媒体变换以及PSTN和IP两侧通路的连接，信令网关负责信令转换，媒体网关控制器负责根据接收到的信令控制媒体网关连接的建立和释放。H.248/Megaco建议是媒体网关控制器对网关进行控制的信令。这个体系结构的先进之处在于实现了呼叫和承载控制的分离，这也是软交换技术的核心所在。媒体网关控制器（MGC）是信令消息的源点和终点，它通过多种协议控制整个网络：监视各种资源并控制所有连接，也负责用户认证和网络安全。媒体网关控制器还控制媒体网关和信令网关，同时进行对应的信令转换，以与不同的网络互通。

　　二、媒体网关控制器的功能



　　1. 媒体网关控制器的功能结构


　　媒体网关控制器是多种逻辑功能实体的集合，提供综合业务的呼叫控制、连接以及业务功能。


　　2. 媒体网关控制器的主要功能


　　媒体网关控制器的主要功能有呼叫控制功能、业务提供功能、业务交换功能、协议功能、互通功能、资源管理功能、计费功能、认证与授权功能、地址解析功能、语音处理控制功能、各种终端的控制和管理功能以及7号信令功能等。下面就其中一些功能作简要说明。


　　（1）呼叫控制功能


　　为基本呼叫的建立、维持和释放提供控制功能，包括呼叫处理、连接控制、智能呼叫触发检测和资源控制等。可以接收来自业务交换功能的监视请求，并对其中与呼叫相关的事件进行处理。接收来自业务交换功能的呼叫控制信息，支持呼叫的建立和监视。支持基本的两方呼叫控制功能和多方呼叫控制功能。提供的多方呼叫控制功能，包括多方呼叫的特殊逻辑关系、呼叫成员的加入/退出/隔离/旁听及混音过程的控制等。软交换设备应能够识别媒体网关报告的用户摘机、拨号和挂机等事件；控制媒体网关向用户发送各种音信号；提供满足运营商需求的编号方案。还应具有支持各种终端接入，完成与信令网关互通的功能。


　　（2）业务提供功能


　　在网络从电路交换向分组交换的演进中，对终端用户而言，业务应当具有完全的继承性。因此MGC必须能够实现PSTN/ISDN交换机提供的全部业务，包括基本业务和补充业务，以及与现有智能网配合提供智能网业务。此外，MGC应能提供移动业务、多媒体业务等新业务。同时MGC要提供可编程的、开放的API接口，实现与外部应用平台的互通，从而易于新业务的引入和开发。


　　（3）业务交换功能


　　业务交换功能与呼叫控制功能相结合，提供呼叫控制功能和业务控制功能（SCF）之间进行通信所要求的一系列功能。业务交换功能主要包括：


　　●业务控制触发的识别，以及与SCF之间的通信


　　●管理呼叫控制功能和SCF之间的信令


　　●按要求修改呼叫/连接处理功能，在SCF控制下处理IN业务请求


　　●业务交互作用管理


　　（4）协议功能


　　作为一个开放的、多协议的实体，必须采用标准协议与各种媒体网关、终端和网络进行通信，这些协议包括：H.248、SCTP、ISUP、TUP、INAP、H.323、RADIUS、SNMP、SIP、M3UA、MGCP、BICC、PRO、BRI等等。


　　（5）互通功能


　　可以通过信令网关实现分组网与现有7号信令网的互通；可以通过信令网关与现有智能网互通，为用户提供多种智能业务；允许SCF控制VoIP呼叫，且对呼叫信息进行操作（如号码显示等）；可以通过互通模块，采用H.323协议实现与现有H.323体系的IP电话网的互通，采用SIP协议实现与未来SIP网络体系的互通；可与其他软交换设备互联，它们之间的协议可以采用SIP或BICC；提供IP网内H.248终端、SIP终端和MGCP终端之间的互通。


　　（4）资源管理功能


　　对系统中的各种资源进行集中的管理，如资源的分配、释放和控制，资源状态的检测，资源使用情况统计等。


　　（5）计费功能


　　能够采集通话记录的详细信息，并通过RADIUS协议或其他方式将话单传送到计费中心。同时，它还支持实时计费方式，能够根据用户账户余额决定通话时长，实现实时断线功能。


　　（6）认证与授权功能


　　能够通过RADIUS协议与认证中心互通，对其所管辖的终端用户、媒体网关信息进行认证，避免非法接入。


　　（7）地址解析功能


　　要与PSTN、H.323、SIP等各种网络互通，就需要支持多种地址格式，并完成它们之间的相互转换。地址解析功能由媒体网关控制器内部地址解析模块完成。


　　（8）管理维护功能


　　媒体网关控制器提供三种网络管理接口：CLI、Web、SNMP。维护人员能够通过串口、Web浏览器、SNMP管理系统对其进行管理。管理功能包括配置管理、性能管理、故障管理、安全管理等。


　　（9）语音处理控制功能


　　可以控制媒体网关是否采用语音压缩，并提供可以选择的语音压缩算法；控制媒体网关是否采用回声抵消技术；向媒体网关提供语音包缓存区，以减小抖动对语音质量带来的影响。


　　3. 媒体网关控制器的接口协议


　　MGC作为在NGN网络的控制中心，在与不同层次的设备进行通信时，必需通过各种不同的开放的接口协议来进行。目前存在着诸多的接口协议，下面对这些协议作一简要介绍：


　　（1）MGC与媒体网关（MG）之间的接口协议：用于MGC对媒体网关的承载控制资源控制及管理，有MGCP协议和H.248 /MEGACO协议两种。


　　（2）MGC与信令网关(SG) 之间的接口协议：用于传递MGC和信令网关间的信令信息。此接口协议可使用SIGTRAN协议。SIGTRAN的低层采用SCTP协议，为七号信令在TCP/IP网上传送提供可靠的连接；高层分为M2PA、M2UA、M3UA。


　　（3）MGC与MGC之间的接口协议：用于实现不同软交换间的交互。有BICC协议和SIP-T协议。


　　（4）MGC与应用/业务层之间的接口协议：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。例如：MGC与应用服务器间的接口协议为SIP协议或API，提供对三方应用和各种增值业务的支持功能。MGC实现网络管理接口协议为SNMP协议。

　　三 、从电路交换机向MGC的演进



　　1. 向下一代网络演进的方式


　　下一代网络（NGN）将会是一个以IP为中心，同时可以支持语声、数据和多媒体业务的融合的全业务网络。从目前的电路交换网到下一代网络的过程将是一个长期的渐进的过程，过渡的模式主要有以下两种：


　　（1）业务节点取代模式：即对现有网络中的业务节点设备采取逐步取代的方式，完成向下一代网络的转变。


　　（2）叠加网模式：是指构筑与现有电信网共存的IP叠加网络，两个网络之间首先互联互通，然后将现网中的用户逐渐过渡到下一代网络。


　　业务节点取代模式的实现方式可以有以下两种：


　　（1）在现有交换网中引入MGC和网关等业务节点，使当前的交换网成为混合网，既可以提供TDM业务，也可以提供IP业务或多媒体业务，并逐渐通过增加IP业务，过渡到下一代网络。


　　（2）改造现有的电路交换机，使其具备MGC功能，同时保留原语音交换的业务，并通过各类网关引入IP业务，随着网络的进展，逐步减少基于TDM的业务，过渡到下一代网络。


　　这两种方式中，具体采用何种方式，可以根据不同运营商的网络现状和业务情况来决定。


　　目前，对于我国的电信运营商来说，话音业务仍将是主要的收入来源，因此考虑到现有的话音用户基础和收入来源，不会在短期内采用没有电信级服务质量保证的PSTN全业务替代方案。但是迫于竞争的需要，运营商不得不对其现有网络提出不断增加新的服务的要求。在这种情况下，如采用叠加网的模式，势必会造成重复投资的问题以及如何对现有的PSTN网络进行维护等诸多问题，因此对现有的电路交换机进行改造，使其通过增加相应的软件和硬件后，具备MGC功能，提供IP新业务，这将有助于电路交换网向宽带化、数据化的平滑演进和无缝融合。同时，它还能兼容现有PSTN/ISDN 基本业务和补充业务，支持综合网络业务的快速生成和提供并支持传统IN业务。这种方式也有利于保护已有投资。


　　2. 电路交换机向媒体网关控制器的演进


　　目前PSTN网中的电路交换机中包含有接入功能、呼叫控制功能、交换功能、业务功能、信令功能等。这些功能都被结合进单个的交换机内，是一种垂直集成的、封闭的和单厂家专用的系统结构。而且电路交换机是基于电路交换技术的，存在一些致命的弱点，带宽利用率低。而媒体网关控制器（MGC）打破了传统的封闭交换结构，采用完全不同的横向组合的模式，将交换机各功能间接口打开，采用开放的接口和通用的协议，构成一个开放的、分布的、多厂家应用的系统结构。同时采用IP网络作为交换层，实现“软”的交换。比较电路交换机与媒体网关控制器的功能可以看出，媒体网关控制器应具备的功能中，有许多是目前电路交换机的软件可以提供的，这样就有可能通过对电路交换机的功能（特别是软件）进行重新结构，来实现MGC应提供的功能。如通过软件控制，可以将电路交换机中的呼叫控制功能简化为基本的，与业务无关的呼叫控制功能。又如信令功能，目前电路交换机中具有ISUP/TUP、V52、ISDN、INAP等信令功能，同样可以为MGC所用。其他功能如计费、资源控制、黑白名单、呼叫鉴权等功能，也可以通过修改软件的方式实现。所以通过改造电路交换机来实现MGC功能是可行的。


　　虽然MGC的某些功能可以通过修改电路交换机的软件来实施，但MGC毕竟是基于IP网络的呼叫控制设备，要实现对IP的信令控制，只有通过增加相应的IP硬件与软件。增加的硬件和软件可以借鉴于已实现的基于全IP结构的软交换系统，硬件平台可以采用商业化的硬件设计，操作系统采用Linux，应用程序采用模块化设计，数据库采用中央数据库（Oracle）模式；各个模块的信息统一存放在数据库中，通过统一的访问接口访问调用数据库。


　　这样的方案有两个重要的问题必须解决：


　　（1）原有的电路交换网络是否需要被IP交换网络替代？


　　（2）IP与原电路交换网络之间的通信如何解决？


　　对于第一个问题，如果将电路交换网络替换为IP交换网络，则实现的功能完全与基于IP的软交换系统重合，涉及到改动的硬件和软件很多，导致成本增加，实施难度增加。所以应保留原有的电路交换网络，充分利用原有交换机的硬件和软件，只对原有交换机中涉及IP业务的硬件和软件进行改动，增加对IP业务支持所需要增加的IP网络和模块，这样才可能使实施演进的成本降下来并能支持IP业务，同时又可以很好地保留原有交换机的功能。


　　对于第二个问题，由于电路交换机的硬件结构和操作系统与IP网络的硬件结构和操作系统是不同的。对于不同硬件与操作系统之间的通信，目前主要采用的技术是中间件技术。所谓中间件技术，是建立在计算机硬件和操作系统基础上，支持应用软件开发和运行的系统软件，它能够使应用软件相对独立于计算机硬件和操作系统平台，为大型应用搭建一个标准的平台。所以可以通过中间件技术实现异构系统之间的通信。这样，虽然原电路交换机和IP网络使用的是不同的操作系统，但它们之间就可以通过消息中间件，建立可靠的、跨平台的消息传输。同时通过在原电路交换机中增加相应的硬件与软件，可实现对IP业务的控制功能。这样，通过中间件的消息传送和消息转换，原交换机的控制软件可以实现对IP业务的控制。


　　在引入IP交换网络后，在原电路交换机中，还需要改动相关的硬件，提供与IP通信所需要的MAC地址和IP地址，增加支持IP网络或以太网的部分，这样才可以实现不同网络之间完全的通信功能。


　　同时，IP侧还需要开发支持IP协议的应用程序，这些协议只能在IP网络中才能实现，如H.248/MGCP协议，H.323协议，SIP协议，API协议等等。


　　在原有电路交换机的结构中，首先引入中间件和IP，实现电路信令与IP信令之间的转换，从而实现与原有的TDM的交换网络的互通。再引入IP的交换网络（以太网络）和相关的软件模块，可以实现MGC信令的功能，同时利用与或改造原有交换机的呼叫控制、计费、统计等功能，使交换机能够提供IP信令和对IP业务的支持，同时保留原有功能。


　　通过改造电路交换机向MGC的演进的方案，有以下优点：


　　可以既保持原电路交换机的功能，又能支持MGC功能，并可以利用基本呼叫功能实现IP呼叫控制；


　　方便地保留原有PSTN的业务，同时支持IP业务；


　　采取开放的接口协议，随时支持引入新的业务；


　　可以同时支持PSTN信令与IP信令，并可实现信令的转换；


　　可以满足向分组网的平滑过渡，保护原有投资。


　　当然，上述方案实施起来还是有相当难度的。但它对于解决目前运营商既要保护现有投资，又要及时引进新业务来增加竞争力这一对矛盾来说，不失为一种两全的选择。

　　四、结束语

　　作为下一代网络交换核心的媒体网关控制器，结合了传统的电话网络的可靠性和IP技术的灵活性和有效性的优点，是新兴运营商进入话音市场的技术手段，也是传统的电路交换网向分组化网络过渡的重要网络概念，使广大运营商和设备厂商看到了未来网络发展的趋势。但是任何新技术的出现都不可能是十全十美的，都需要经历时间和市场的考验。随着软交换技术在全球范围内研究和应用的深入，相信以开放、分布、灵活提供业务为基础特征的媒体网关控制器，在不久的将来会得到长足的发展，并能有助于实现电路网络向分组网络的无缝过渡。

　　参 考 文 献

　　[1] International Packet Communications Consortium: Reference Architecture Version 2.0 2003.4

　　[2] 沈保锁 宋欣 崔晓峰: 软交换技术的研究与展望 《通信技术》2003年第12期

　　[3] 中华人民共和国信息产业部 软交换设备总体技术要求 YDC003-2001 2001年12月

　　周国森，上海交通大学电子工程系工程硕士生 工作单位：上海贝尔阿尔卡特有限公司。


　　李生红，副教授工作单位：上海交通大学电子工程系
----《中国数据通信》