固网软交换向IMS演进方案及策略

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软交换(SS)概念是20世纪90年代后期在IP电话的基础上逐步发展起来的，是在通信网由窄带向宽带过渡，由电路交换向分组交换演进的过程中逐步完善的。它继承了电信网集中控制的架构和可靠的信令技术，采用分层的机构实现了呼叫控制和媒体处理相的分离原则。软交换概念出现后，中国通信标准化组织(CCSA)及时地引入该术语，积极开展了软交换相关设备和协议的标准化工作。在设备厂商的推动和运营商的积极推广下，经过几年的发展，软交换在国内电信、移动、网通等运营商的网络上实现了大规模的商用。运营商采用软交换技术实现了公共交换电话网(PSTN)向下一代网络(NGN)的演进，通过引入彩铃、“一号通”等新业务实现了业务收入的持续增长，并降低了总体运营成本。
    IP多媒体子系统(IMS)最早是由第3代移动通信合作计划(3GPP)R5版本在核心网引入的，3GPP R6版本对IMS进行了进一步的完善和扩充。IMS的重要特点是对控制层功能做了进一步分解，实现了会话控制实体(CSCF)和承载控制实体(MGCF)在功能上的完全分离，使网络架构更为开放、灵活；IMS的另一重要特点是全部采用会话启动协议(SIP)作为呼叫控制协议。IMS作为一个由移动标准组织3GPP提出的面向多媒体应用的子系统，一开始就在移动性支持和多媒体应用上有较完善的考虑。在当前实现网络融合的形式驱动下，欧洲电信标准组织(ETSI)下属的NGN研究组织TISPAN在其推出的NGN R1版本中接受IMS作为NGN固定应用的核心技术，并准备重用3GPP R6版本中的IMS相关规范。国际电信联盟电信标准部门(ITU-T)下一代网络热点组(FGNGN)也同样采纳了基于IMS的NGN体系架构并在其基础上进一步发展，已经推出了IMS Based PES/PSS等标准，目前正在研究IMS Based IPTV架构。
    IMS架构不但被国际主流的ITU-T、3GPP、ETSI等标准组织所采纳，成为NGN的核心网技术，也得到了国际上各主流设备商和运营商的支持，各设备商纷纷声称将依照IMS体系架构开发NGN系统，运营商也在积极开展IMS的测试和试验[1-3]。
一、IMS和软交换比较
    同样作为NGN核心控制功能实体的软交换(SS)和IMS，都可以提供具有实时性要求的业务的呼叫控制和连接控制功能，是下一代网络呼叫与控制的核心。在系统架构上，基于SS和基于IMS的NGN完全类似，都可以分为业务层、控制层、接入层和承载层4层。IMS与软交换系统架构的比较如图1所示。

    从业务层看，SS和IMS都把呼叫控制和业务应用相分离，以开放的面向第三方的业务接口作为自身重要的特性。SS提供业务的主要方式是应用编程接口(API)与应用服务器配合以提供新的增值业务；基本呼叫和PSTN类的补充业务逻辑集成在SS自身实现；为更好地兼容传统智能网业务，SS能够通过智能网应用协议(INAP)与智能网(IN)中已有的业务控制点(SCP)配合以提供传统的智能业务；为支持固网智能化业务，SS还可以将移动应用协议(MAP)接口到智能用户位置归属寄存器(SHLR)，实现用户业务数据的集中管理。在IMS业务实现体系架构中，定义了用作业务控制参考点的IMS业务控制(ISC)接口，用以实现和基于SIP的应用服务器的互通。采用了ISC接口，能够实现业务应用的独立性和可整合性，可以容易地实现各个业务应用服务器之间的互联互通，进而保证整个网络及业务终端在完成业务时的互联互通性。IMS本身不再集成任何业务逻辑，对于PSTN业务，由独立的公共电话交换网络业务仿真子系统/公共电话交换网络业务模拟子系统(PES/PSS)应用服务器(APP)采用ISC接口完成相关的业务逻辑。IMS本身也不再管理任何用户数据，采用Diameter接口全部连接到归属用户服务器(HSS)，在TISPAN中称用户属性服务器功能(UPSF)，实现用户属性和业务数据的统一管理。
    从控制层看，SS由一个功能实体完成呼叫处理控制功能、接入协议适配功能、业务接口提供功能、互联互通功能、用户数据管理，PSTN业务逻辑系统功能等。而IMS把上述功能进一步细化为更多的独立功能子实体。如呼叫会话控制功能(CSCF)、媒体网关控制功能(MGCF)、接入网关控制功能(AGCF)、媒体资源控制功能(MRCF)、出口网关控制功能(BGCF)。位于核心的CSCF又细化为代理CSCF(P-CSCF)、服务CSCF(S-CSCF)、查询CSCF(I-CSCF)。P-CSCF是用户终端在IP多媒体子系统内的第一个接触点；S-CSCF实际管理网络会话状态；I-CSCF是所有都连接到该网络运营商的签约用户或者连接到当前位于该网络运营商的业务区域内的漫游用户的运营商网络内的接触点。
    从接入层看，SS和IMS同样都支持接入和控制的无关性，主要的接入设备十分类似，甚至可以互相通用。在SS体系中采用H.248接口的中继/信令网关(TG/SG)和用户接入网关(AG)可以完全对应到IMS体系中的媒体网关/信令网关(MGW/SGW)和接入网关(AGW)。而媒体服务器和媒体资源处理部分(MRFP)在功能定位上也基本相同。IMS对移动SIP终端的接入目前已经有较完善的标准，但是对固定的PSTN用户接入标准还在进一步完善中。
    从承载层看，IMS提出了端到端的全IP架构，并提出了网络附着子系统(NASS)和资源和接纳控制子系统(RACS)，或称策略定义功能(PDF)，用以实现端到端的QoS。SS为继承现有的网络，同时向全IP的网络演进，强调了核心网的IP架构，QoS则依赖IP网络自身的能力保证。
二、软交换向IMS演进策略
    软交换在现网已经有了大规模应用，而IMS作为未来固定和移动融合(FMC)的全业务目标网络在业界也已经得到明确，软交换向IMS演进是必然的趋势。但是受到IMS技术本身的发展和运营商现有网络条件限制，应该选择合适的演进策略。
     (1)软交换升级到IMS的子集
     对于以移动业务为主的运营商，从移动侧以引入多媒体业务的方式，构建新的IMS网络；对于现网的软交换采用升级到IMS域内的AGCF、MGCF、SGF、PES/PSS APP的方式，用来实现PSTN业务和PSTN互通功能。
     (2)软交换升级到IMS的全集
     对于以PSTN业务为主的固网运营商，处于未来向移动运营和多媒体业务运营扩展的需要，选取急需扩展移动和多媒体业务的SS首先升级到IMS全集，在继承原SS所有业务的同时，逐步实现移动和多媒体业务的接入。待移动和多媒体业务量在全网逐步上升时，同步把所有的SS都升级到IMS全集。
三、软交换向IMS演进的场景和步骤
    下面以中国某主流固网运营商为例介绍软交换向IMS演进的各个场景和步骤。
    3.1 软交换网络现状
    固网运营商自2001年开始研究测试软交换设备，目前在其现网的各个层面都广泛采用了软交换技术，实现了对原有PSTN网络的升级和改造(如图2所示)。软交换主要应用在以下几个方面：
     (1)宽带业务平台和大客户平台，用以提供宽带多媒体业务和跨区域的大客户业务。
     (2)固网智能化汇接局，用来完成对本地网的智能化改造。
     (3)长途汇接和国际关口局。
    3.2 宽带业务平台或大客户平台的软交换升级到IMS
    目前宽带业务平台软交换网络的用户数量一般相对较少，网络较为独立，而且用户基本都是承载在宽带IP网络上。由于IMS的多媒体能力扩展以及后续标准支持远超软交换，现阶段就可以将宽带业务平台或大客户软交换设备升级为IMS，采用IMS网络为这部分用户提供丰富多彩的固定宽带多媒体业务，后期逐步提供移动多媒体业务。
    升级后的IMS网络和目前的PSTN网络、固网智能化软交换网络为互通的关系。
    演进步骤：
     (1)对业务平台的软交换进行升级，使其具有CSCF/MGCF、PSS APP等功能，其中原有软交换补充业务模块升级为PES/PSS APP，实现PSTN补充业务；原有H.248模块升级为MGCF，实现和PSTN网互通。通过对原有软交换进行板件扩展、增加配置实现CSCF(如P/I/S-CSCF)模块功能，对固定、移动多媒体用户进行统一的呼叫控制。
     (2)新增HSS，存放宽带用户数据，并由S-CSCF将业务触发至PES APP；S-CSCF和HSS之间采用标准的Diameter接口。该新增HSS在建设3G网络时，可以和3G网络的位置归属寄存器(HLR)合设。
     (3)对现有的软交换业务平台进行软件升级，支持IMS业务能力，在保持原业务能力的同时，提供新的基于IMS的宽带多媒体业务。
     (4)对于PES业务，可以选择在升级后的IMS设备中保留个别SS单板处理，SS单板提供的PES业务完全不受IMS影响。
     (5)升级后的IMS具备向移动域提供多媒体业务的能力，可以在此之上逐步引入3G网络的视频共享、无线一键通(POC)、基于软件的数字个人助理(SoftDA)等业务，而对于2.5G的通用分组无线业务(GPRS)也可以考虑引入SoftDA的即时消息(IM)和呈现等业务。
     (6)后期考虑引入IMS based IPTV、全球眼等流媒体业务。
    3.3 固网智能化汇接局的软交换升级到IMS
    固网运营商的PSTN网络在固网智能化的改造完成后已完全可以满足窄带用户现在的业务需求，但随着宽带用户的增加，3G移动网络的开通，多媒体业务将快速增加，将从单一的固网运营商发展成以固网为主的全业务运营商，运营商维护多张网络必然带来成本的增加，为了提高企业的市场竞争力，降低运维成本，运营商有必要将固定、移动、窄带语音和多媒体业务统一到一种网络下，而以现有的SS为骨干升级到IMS网是一条可行的路线。
    演进步骤：
     (1)在初期多媒体用户和多媒体业务引入阶段，可以采用SS升级到IMS方式提供少量的多媒体业务。具体的升级方式如下：在保留原SS处理板和功能的前提下，通过扩容处理板和处理框的方法引入IMS。采用该方法升级后，窄带语音业务的对外网管和计费接口不变，宽带业务采用全新的IMS架构实现。由于设备内SS处理板和IMS处理板完全分离，可以实现互不影响。另外升级后的设备的对外接口，包括局间路由以及异地容灾方式不变，对于与该设备相连的其他SS无须做改动。新增的IMS网络采用IMS方式的异地容灾。对于HSS网元，在初期可以通过升级现有的SHLR的方式，让HSS和SHLR共同存在于一个物理平台。
     (2)业务平台的继承和演进。软交换窄带业务逻辑演进成为PES/PSS功能模块；通过SCP业务交换功能模块互通，全面继承现网智能业务；原软交换统一业务平台平滑演进，继承并进一步扩展多媒体应用。
     (3)随着3G移动网络的引入，固定多媒体用户的增加，多媒体业务量将快速上升，同时窄带语音业务会出现收缩，这时可以把空闲出来的SS处理板升级到IMS的相关网元，从而实现设备的平滑升级和过渡。由于SHLR、PHS HLR、HSS和3G HLR完全可以共存在一个平台上，同时由于共享一个数据库，通过组合关联数据，就可以实现“改网不该号”等业务。
     (4)在IMS的架构下，逐步引入IPTV等流媒体业务
     (5)当IMS体系标准以及接口规范化以及功能模块进一步标准化后，在网络中的窄带语音业务量比例相比多媒体业务量进一步变小时，选取适当的时机，把所有SS处理板都升级到AGCF或MGCF，通过IMS based PES的方式提供窄带语音业务，这样就实现全网统一，为进一步优化运营创造好的网络基础。
     目前，考虑到现有软交换网络的平稳性、安全性以及IMS的成熟度，固网智能化的软交换暂时没有必要马上演进到IMS，当宽带用户开始规模引入，IMS发展比较成熟后，就需要考虑此部分软交换的演进。软交换需要具备平滑演进升级到IMS的能力。
     固网运营商目前主要是以固定语音为主的运营商，今后将可能引入移动网络、多媒体业务，但在相当长的一段时间内将仍然是以固定业务为主。建设以固定网络为主干的全业务网络是中国电信网络发展的优选之路。目前来看，以现有的固网智能化网络为中心发展多媒体网络和移动网络，将是投资省、网络容优化易的较佳方式。
    3.4 DC1软交换平台和国际关口局的软交换升级到IMS
    DC1软交换网络和国际关口局软交换目前作为PSTN长途汇接网和国际关口，实现VoIP的中国和国际长途话音业务转接、传输的功能，在今后的一段时期内DC1将继续负担该业务。但随着中国各省软交换汇接局改造的完成，软交换网络进一步扁平化，DC1软交换的业务量将逐渐减小，那时可以考虑将这部分空余的软交换处理能力升级为IMS网络，为软交换所在大区内的大客户提供跨区域的宽带多媒体业务。对于面向跨省市大区的DC1中心软交换，建议考虑提供游牧业务和面向跨区域大客户的多媒体业务。
    升级步骤和升级方法类似于固网智能化的软交换。
四、结束语
    从基本的架构和目标看，软交换和IMS是完全一致的，都是建立在扁平的IP网络上，强调了控制和承载的分离，以及开放的业务平台。从标准化和技术成熟度来看，基于软交换实现PES业务更为现实，国际标准和设备都已经十分成熟，国内外进行了大量的成功商用；而从技术趋势来看，支持移动性和多媒体业务的IMS开放与融合程度更高，代表了未来的发展方向，符合固定与移动融合、宽带和窄带融合的趋势，更有前途[4-6]。可以说基于软交换的网络只是NGN发展的初级阶段，而IMS是NGN发展的高级阶段。所以软交换向IMS目标架构演进，对于软交换设备供应商和应用了软交换的运营商都有重要的现实意义。