移动软交换核心技术研究

    软交换[1,2]设备是电路交换网向分组网演进的核心设备，也是下一代电信网络的重要设备之一。由于它独立于底层承载协议，完成呼叫控制、媒体网关接入控制、资源分配、协议处理、路由、认证、计费等主要功能，并可以向用户提供现有电路交换机所能提供的所有业务以及多样化的第三方业务，不但成为下一代固定网的发展方向，也已成为下一代移动网络发展中所采用的重要技术。但是，软交换移动功能的提供比固定网络更为困难，为了支撑在各种环境下的移动性，需要在控制层开发相应的网络功能。特别是识别和证实机制、接入控制和鉴权控制、位置管理、终端和会晤地址分配与管理、支撑用户环境的管理、用户性能的管理以及接入到用户的数据管理等。
目前，已有一些商用的移动软交换系统，但仍需进一步发展。

1 下一代移动核心网络标准

1.1 3GPP标准进展
    3GPP组织制订了WCDMA相关标准。WCDMA的网络演进分成R99、R4、R5、R6等阶段。由兼容传统的GSM，GPRS网络逐渐向全IP的网络架构进行演进，最终将形成全IP的网络架构。

    WCDMA的R99于1999年4月形成第一个版本，2000年3月全部完成。R99的核心网继承了GSM以及通用分组无线业务(GPRS)核心网(CN)的网络特征，空中接口采用了WCDMA技术，在接入网(RAN)与CN之间使用ATM承载方式。

    R4于2001年3月完成定稿版本。R4最大的变化是将移动交换中心(MSC)拆分成移动交换中心服务器(MSC Server)和媒体网关(MGW)两个网元，实现了呼叫控制与承载的分离，开始向全IP的网络架构演进。

    R5于2002年9月进行标准冻结。R5阶段引进了IP多媒体子系统(IMS)域，增加了呼叫状态控制功能(CSCF)、媒体网关控制功能(MGCF)、出口网关控制功能(BGCF)等网络实体，IP承载成为核心承载方式，形成了无线接入网络和核心网全IP的网络架构。

    到了3GPP R6阶段，网络架构方面已没有太大的变化，主要是增加了一些新的功能特性，以及对已有功能特性的增强。目前R6版本还在制订过程中，冻结时间尚未确定，预计在2004年9月份左右。3GPP R6计划新推出一些功能，考虑到版本冻结时间，一些功能可能推迟，成为后续R7版本的任务。新推出的功能包括：增强空中接口、多输入输出天线、PUSH业务、增强多媒体信息业务(MMS)能力、WLAN与UMTS互通、网络共享以及按下通话业务(PoC)等。

1.2 3GPP2标准进展
    CDMA2000相关标准由3GPP2标准组织负责制订。CDMA2000的移动软交换架构基于3GPP2 TSG-S工作组制订的全IP网络结构模型(NAM)标准S.R0037[3]。该标准早在2000年就开始讨论，目前的最新版本是2003年8月21日发布的Rev3.0版本。

    关于从现有网络向全IP演进的路标(Roadmap)，3GPP2还发布了一个演进标准S.R0038。目前的最新标准是2004年2月13日发布的Rev. 2.0版本。在这个演进标准中定义了全IP网络的演进阶段。全IP网络的演进共分为4个阶段：

1.3  3GPP与3GPP2标准的融合

1.3.1  核心网融合简介
    3GPP与3GPP2在IP核心网的融合方面达成了如下结论和建议：

(1)优先进行IMS[4] (参考3GPP IP多媒体子系统和它在3GPP2 MMD中相应的部份)的融合。

(2)应该采用一个单一的IMS参考模型、统一的术语来描述共同的IMS功能实体。

(3)3GPP与3GPP2应该相互合作以保证3GPP IMS手机和3GPP2 IMS手机间的互操作性(3GPP IMS用户

    可以与3GPP2 IMS用户建立会话，反之亦然)；应用级IMS系统间漫游(假设手机支持访问网络接入和IP传输，3GPP IMS手机应该能够漫游到一个3GPP2网络，反之亦然)。

1.3.2  3GPP与3GPP2比较
    3GPP与3GPP2 IMS存在以下的异同：

(1)智能卡。3GPP IMS终端支持通用继承电路卡(UICC)和IP多媒体业务身份模块(ISIM)应用，而3GPP2暂不支持。

(2)临时的公共/私有标识符。3GPP采用E.212，而3GPP2为基于移动标识号(MIN)的国际移动订阅者标识(IMSI)。

(3)IPv4/IPv6。3GPP IMS只支持IPv6，而3GPP2 IMS既支持IPv6，又支持IPv4。

(4)网络安全。接入安全(Gm接口)相同，但安全网关(SEG)在3GPP2里尚不支持。

(5)HSS/AAA。在3GPP2 IMS中，归属用户服务器(HSS)只在分组域(PS)中采用，其余采用鉴权、认证、计费(AAA)和数据库，而3GPP中PS、电路域(CS)都采用HSS。

(6)SLF、Dx接口。3GPP2 IMS尚不支持。

(7)缺省声码(Codec)。3GPP2 IMS没有定义缺省Codec。

(8)策略及策略定义功能(PDF)。3GPP2中尚处于Phase 1。

(9)P-CSCF和PDSN/GGSN位置。在3GPP中，网关GPRS支持节点(GGSN)和代理/呼叫会话控制功能(P-CSCF)位于同一网络中，而在3GPP2中，分组数据业务节点(PDSN)和P-CSCF可位于不同网络中，如PDSN处于访问网络中，P-CSCF处于归属网络中。

(10)GGSN锚点。在3GPP中，对于给定的会话，GGSN锚点确定，而在3GPP2中，PDSN可改变。

(11)计费。3GPP2 IMS使用AAA来计帐，代替了计费控制功能(CCF)。使用AAA传递计帐信息，而非通过计费系统。

(12)位置信息交换。3GPP R5阶段位置信息通过Sh接口来交换。

(13)IMS对象命名。3GPP采用与接入网无关的命名方式。

1.3.3  IMS融合
    IMS的融合主要体现在以下方面：

(1) 3GPP与3GPP2参考模型术语的统一
    3GPP2与3GPP术语的对应关系如下：MMD Subset对应IMS；CQM, PCF对应PDF；X-SCM对应X-CSCF；L-SCM对应BGCF；NCGW对应OSA-SCS。

(2)功能实体和接口的统一
    3GPP与3GPP2应当对公共实体采用相同的功能，3GPP与3GPP2应当对公共接口采用相同的过程和协议。

1.3.4  IMS互操作性和漫游问题
    3GPP与3GPP2在提供IMS互操作性和应用级漫游时需要考虑下列问题：

(1)互操作性
    具体需互操作的有：编解码器的协同工作、安全关系、IPv4/IPv6互操作性、端到端的服务质量(QoS)管理——区分服务(DiffServ)的一致使用、会话启动协议(SIP)呼叫流程应该使用相同的模型和扩展、计费(例如：支持呼叫方付费)、一致性支持。

(2)漫游
    漫游方面需要考虑的有：安全关系；相互认证(IMS级和上层)；公共计费模型(服务网络需要捕获所有需要的数据，并提供给归属网络)；共同SIP模型(使用相同的模型、SIP压缩、扩展，使用相同的呼叫流程)；IMS会话中统一的QoS理解，包括授权和DiffServe级别的映射；标识和寻址；服务透明性；一致性支持。

2 下一代移动核心网络呼叫控制协议

2.1 BICC与SIP-T
    3GPP R4采用了与承载无关的呼叫控制(BICC)协议来进行呼叫控制，而3GPP2则采用电话应用会话启动协议(SIP-T)。

    BICC面向电话业务的应用，能够为在下一代网络(NGN)中实施传统电话网的业务提供很好的透明性。BICC是由ISDN用户部分(ISUP)演进而来的，由ITU-T SG11小组完成标准化。

    SIP-T是基于SIP的一种扩展协议，用于在IP网间传送ISUP信令，以解决PSTN信令在IP网上的协议转换和传送问题。SIP-T将传统电话网信令(目前仅对ISUP消息)通过“封装”和“翻译”转化为SIP消息，提供了用SIP实现传统PSTN网与SIP网络的互连机制。

    采用BICC体系架构时，所有现有的功能保持不变，例如号码和路由分析等，仍然使用路由概念。这就意味着这种网络的管理方式和现有的电路交换网极为相似。而采用SIP-T协议在某一程度上会丢失一些电话网络中的功能，要引入这些功能需要扩展SIP-T协议。
目前BICC与SIP互通相应的标准为Q.1912。

2.2 IMS中的SIP
    在设计IMS时，3GPP和3GPP2都决定采用SIP作为会话控制协议，这里以3GPP加以阐述。公用移动网的低带宽、漫游、安全、QoS和计费管制问题对SIP协议都会有特定要求。为满足这些需求，3GPP在TS24.229中定义了使用SIP和会话描述协议(SDP)的概要。概要中包括了IMS使用到的IETF规范，也指出了在3GPP系统中SIP信令和其他协议的交互。这意味3GPP没有定义一个新的SIP(有时候说成3GPP SIP)，只是3GPP以某种方式使用IETF定义的SIP。然而，3GPP有时需要特定的增强SIP协议，为此3GPP通常提交一个需求文件给IETF，如3GPP Rel-5 SIP需求，然后IETF提供一个合适的协议解决方案。

    3GPP IMS中SIP的主要扩展如下：

(1)压缩
    因为无线接口是稀有资源，IMS会话必须有效使用带宽，因此，对媒体流和信令消息进行压缩很必要。在IMS中，对SIP信令的压缩是必须支持的。用户设备(UE)和P-CSCF完成SIP消息的压缩和解压缩。

(2)安全
    在IMS中使用认证与密钥协商(AKA)完成对用户的鉴权。AKA是3GPP的特定鉴权机制，它基于存储在ISIM和网络中的共享密钥。AKA参数会映射给SIP使用的HTTP-Digest验证。而且，IMS需要对经过空中接口从UE传来的消息进行完整性检查。因此，UE和P-CSCF需支持IP安全协议(IPSec)规定的完整性保护，不过IPSec加密目前在IMS中不需要使用。

(3)指定的CSCF路由
    IMS提供业务是由归属网络运营商控制的，即使对于漫游用户也一样。SIP完成此需求必须要有业务路由发现、路径头机制和松散路由功能。

(4)私有包头
    IMS需要在UE和CSCF之间或CSCF和CSCF之间，将一些移动网特定信息在消息中传输。比如小区标识(Cell-ID)、拜访网络名称或计费标识，这些信息在私有包头中传送。

(5)预置条件
    IMS重视UE资源管理，实现的解决方案是基于SDP提供/回答机制以及相关SIP和SDP预置条件(Precondition)扩展。Precondition扩展的使用导致了特定的SIP呼叫流程，IMS通过使用位于GGSN和P-CSCF之间的Go接口，完成对媒体资源的策略控制。

(6)网络发起的呼叫释放
    在移动网中，有时需要网络释放一个正在进行的呼叫。如无线覆盖的缺乏、预付费帐户空或者管理原因等。从网络侧送出一个BYE请求给UE就可以解决这个问题。虽然这不符合SIP原则，那就是代理服务器不允许发BYE消息。但是，由于缺乏更好的解决方法，IETF接受了3GPP的需求和此解决方案。

3 下一代移动核心网络的QoS、安全及网管

3.1 下一代移动核心网络的QoS
    就目前的QoS方案而言，建议采用DiffServ模型。因为在网络中业务流众多，包括短期业务流的大量存在，不适于采用综合业务(IntServ)模型。同时，采用DiffServ对骨干路由器的影响也较小。对端到端的QoS，目前可以使用流量规划的方法加以实现。对一些特别重要的业务，可以采用资源预留的方案，但目前并不常见。

    要实现业务端到端的QoS保证，需要结合网络层次，在不同网络层设备应用合适的IP QoS机制，具体如下：

(1)网络接入层设备需要部署端口/业务流量整形、业务分类、优先级映射以及优先级排队等QoS策略。可以配合服务水平协定（SLA）设置业务流的优先级别，采用CAR/策略路由进行流量的分类标识和速率限制，应用流量整形和拥塞避免机制，结合优先级队列实现业务流的区分和限制。

(2)网络汇聚层设备需要部署优先级排队、加权公平排队、拥塞避免等QoS策略。应用加权随机早期侦测(WRED)、加权公平排队(WFQ)等技术避免数据流的拥塞。

(3)网络核心层设备需要部署优先级排队或加权公平排队、差分服务、流量工程等QoS策略。应用DiffServ、多协议标记交换流量工程(MPLS TE)等技术实现业务流在IP核心层网络或MPLS网络上的高效、可靠转发。

(4)基于IEEE 802.1p/q的中心局域网接入IP QoS网络，需要完成二层QoS要求到DiffServ QoS服务参数的映射。

3.2 下一代移动核心网络的安全

3.2.1  下一代移动核心网络安全概述
    网络安全问题可能发生在IP网络的立体环境中，其解决方案也必然是立体的，主要体现在：

(1)信息流的传输应该实施横向的防御配置，由分布在各个域的网络设备协同完成安全功能的实现。

(2)在从物理层到应用层的各个结构层次上应该实现纵向的防御配置，由各个层次协同完成安全功能的实现。

(3)网络的规划、建设、运营等各个阶段都应该有相应的网络安全考虑。包括安全规划、安全功能配置、定期安全扫描、安全漏洞修补等。

(4)通过安全管理，协调整个安全体系的运作。
    作为IP网络主要设备的路由器和交换机，在网络安全解决方案的立体体系中起着至关重要的作用。它们的安全功能除安全管理和日志告警是基本的支撑功能外，还可分为如下3类：

(1)运行安全
    主要表现在平台层面，用于保证系统运行平台的安全。涉及到的安全功能有：内置防火墙、入侵检测、失效恢复、漏洞堵塞。

(2)数据安全
    主要表现在数据的层面，用于保证信息传送的机密性、完整性、真实性与抗否认性。涉及到的安全功能有：加密、数据完整性、认证绑定、信息隔离(VPN和物理隔离)、路由信息的可靠认证、数据签名。

(3)内容安全
    主要表现在内容层面，用于信息非法传递过程的监视阻断。涉及到的安全功能是信息的监控阻断。

3.2.2  下一代移动核心网络的安全措施
    在接入层，路由器通过内置宽带接入服务器(BAS)完成接入用户的身份认证、授权、地址和其他属性绑定等安全功能，通过业务流限速控制流量对网络资源的使用，通过访问控制列表、单播反向路径转发(URPF)等功能预防常见的拒绝服务攻击，通过网络地址翻译/网络端口地址翻译(NAT/NPAT)等功能隐藏用户地址和网络结构，通过支持对信息的加密和数据完整性处理保证信息在网络上传送的保密性和可靠性。

    在汇聚层和核心层，路由器通过MPLS VPN功能完成集团用户间地址空间、路由信息、用户流量的逻辑隔离，实现集团用户局域网的逻辑延伸。同样通过该功能，可以将集团用户局域网和因特网服务逻辑隔离，增强安全性。

3.3  下一代移动核心网络的网管
    基于软交换的移动核心网的网管分为操作维护中心(OMC)和集中网管两个层次。操作维护中心处于TMN定义的网元管理层，完成被管设备的配置管理、故障管理、性能管理和安全管理功能；提供网络运行的跟踪、监控、分析和管理维护；通过接口向运营商的网络管理系统(NMS)提供配置、告警和性能管理能力。

    集中网管完成集中的拓扑管理、集中的故障管理、集中的性能管理、集中的报表系统等管理功能以及其他一些业务相关的管理功能，向上级网管系统(NMS)提供接口。

4 下一代移动核心网络的演进及与固定网络的融合

4.1 下一代移动核心网络的演进
    软交换在移动网中的引入也是分步骤发展的。首先提供的是汇接(Tandem)的功能，在这种情况下它与固定软交换、媒体网关应用模式基本一样，主要解决移动网与固定网之间的IP互通；其次充当关口移动交换中心(GMSC)角色，软交换的地位相当于GMSC，具有移动性概念，和归属位置寄存器(HLR)一起通过MAP/IS41接口，定位移动用户，支持新的移动性业务；最后担当虚拟移动交换中心(VMSC)，在VMSC中提供软交换的功能。

4.2 下一代移动核心网络与固定网络的融合
(1)基础承载网融合
    基础承载网融合时，传输、承载设备融合，业务流隔离；两网具有统一的QoS/安全措施；控制层面协议统一，且利用SIP-T与窄带信令互通；用户层面通过RTP互通。

(2)业务提供的融合
    由于下一代移动核心网络与固定网络业务框架的对应关系，可开展的融合业务有：语音融合业务，如融合虚拟专用网(VPN)、一号通/3G伴侣、固定移动统一预付费、统一消息业务等；多媒体融合业务，如实时多煤体业务、流煤体业务等。

(3)物理设备的融合
    融合的物理设备有关口局融合，汇接局及固定、移动软交换端局融合。另外固定、移动业务可采用统一的业务服务器、网管平台。

5 下一代移动核心网络业务

5.1 下一代移动核心网络业务提供方式
    移动软交换既可通过传统的智能网方式来提供业务，即移动交换中心(MSC)服务器充当业务交换点(SSP)，提供呼叫控制功能(CCF)、业务交换功能(SSF)和专用资源功能(SRF)，也可通过IMS系统来提供业务，后者又可分为通过开放式业务架构(OSA)[5]来提供业务以及通过SIP、呼叫处理语言(CPL)服务器来提供业务。

5.2 下一代移动核心网络的业务能力
(1)电信业务。移动软交换系统支持目前移动网支持的电信业务，如话音、紧急呼叫和短消息业务。

(2)承载业务。可分为异步通用承载业务和同步通用承载业务。

(3)补充业务。包括呼叫提供类、呼叫完成类、集团类、计费类、呼叫限制类和号码识别类业务。

(4)智能业务。可支持对电路域呼叫进行智能控制，对移动性管理控制，对签约数据查询和修改；可支持定位业务，可支持对SMS业务的控制、补充业务的调用等。运营者可根据其业务需要开展预付费业务、亲情号码业务、分时分区计费等业务。

(5)SIP补充业务。基于SIP协议而提供的一些补充业务，如广域集中用户交换机业务、视频业务、多媒体业务等。

(6)移动软交换、固定软交换融合的业务。

(7)通过第三方提供的业务，如消息类业务、位置类业务、娱乐类业务等。

6 结束语
    在移动核心网中引入软交换思想可以降低设备成本与运营、维护成本，且易于开发新的业务。相关的技术标准的逐渐完善及产品与业务日益成熟为移动软交换技术的发展奠定了良好基础。但目前在移动核心网演进过程中需要制订合理的步骤并解决好一些关键问题，才能推进目前的移动核心网向下一代网络的良性发展。

7 参考文献
[1] 赵慧玲, 叶华. 以软交换为核心的下一代网络技术 [M]. 北京: 人民邮电出版社, 2002.
[2] International Softswitch Consortium, Reference Architecture Version 1.2 [EB/OL]. http://www.isc.org.
[3] 3GPP2,S.R0037 IP Network Architecture Model for cdma2000 Spread Spectrum Systems [S].
[4] 3GPP2,X.S0013.000 IP Multimedia Subsystem—Overview [S].
[5] The Parlay Group. Parlay API Specification [EB/OL]. http://www.parlay.org.

收稿日期：2004-04-15

[摘要] 由于软交换技术与移动核心网络技术的结合具有众多的优越性，已成为研究热点。为此文章对下一代移动核心网的相关技术标准、组网结构、服务质量、网管、业务等进行了阐述，并分析了下一代移动核心网络的关键技术、演进步骤、所能开展的业务以及未来网络如何融合等问题。

[关键词] 下一代网络；软交换；移动软交换；服务质量；呼叫控制

[Abstract] Combination of the Softswitch technology and the mobile core network technologies has become a research focus due to its obvious advantages. This paper introduces the technical standards, networking architecture, quality of service, network management and services of the next generation mobile core network. Furthermore, key technologies, evolution process and service provision of the next generation mobile core network and future network convergence are analyzed.

[Keywords] next generation network; Softswitch; mobile Softswitch; quality of service; call control