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现代电信网体系结构及其面临的挑战

2018-09-13 13:04

  摘要:本文首先介绍了现代电信网网络状况和体系结构,并且分析了新技术、新业务对现代电信网的挑战。

  电话网是目前覆盖范围最广,业务量最大的网络。电话网分为本地电话网和长途电话网。本地电话网是在同一编号区内的网络,由端局、汇接局和传输链路组成;长途电话网是在不同的编号区之间通话的网络,由长途交换局和传输链路组成。目前,电话交换局是电话网中的核心,采用数字程控交换设备,每一路电线Kbit/s的数字信号,占据一次群中的某一时隙,在信令的控制下进行时隙交换,从而和各个不同的用户相连。根据服务区域的大小,电话交换局可以分为一级中心、二级中心、三级中心、四级中心和五级中心,即C1、C2、C3、C4和C5。其中C1、C2、C3、C4为长途转接局,C5为端局。随着电话网的数字化进程的实现,C1、C2合并为一级,即DC1,C3、C4合并为一级,即DC2,我国的电话网从五级网演变为三级网,一级交换中心之间形成网状连接。

  我国现在已建的移动通信网络主要是蜂窝移动通信网,包括GSM网和联通在建的CDMA网。GSM系统以七号信令作为互联标准,与PSTN、ISDN等公众电信网有完备的互通能力,智能网结构便于引入智能业务。其用户接口采用和ISDN用户-网络接口UNI一致的三层分层协议。而CDMA是由多个码分信道共享载频频道的多址连接方式。它主要由交换子系统和基站子系统两大部分组成。连接两大子系统的接口(也就是连接BSC和MSC的接口)称之为 A接口,A接口是CDMA 数字蜂窝移动通信系统中一个非常重要的接口。在我国规定A接口必须是一个开放的接口, 它必须遵从我国相关规范的要求。只有在A接口标准化之后,不同厂商的交换子系统才可以和其它厂商的基站子系统相连接。基站子系统在整个CDMA通信系统中主要完成地面信道阻塞指示、无线信道配置管理、无线业务信道分配、无线业务信道链路监视、无线业务信道释放、空闲信道观察、功率控制、公共控制信道管理、空闲信道状态报告、寻呼重呼、小区内切换、小区间切换、切换决定、语音加密及信令消息加密等主要功能。交换子系统主要由MSC、鉴权中心AUC、短消息中心MC、归属位置寄存器HLR和拜访位置寄存器VLR等组成。移动交换机可以和其它的移动交换机相连接,也可以通过关口局(Gateway MSC)和公用电话网PSTN相连。基站子系统主要由基站控制器BSC、基站收发信机BTS和基站子系统操作维护中心OMC-R组成。目前IS-95 CDMA技术的主要发展方向是 CDMA 2000 技术,与IS-95 CDMA技术相比,CDMA 2000 技术在数据业务方面有突出的优点,最高传输速率可达2.4Mbit/s。为了适应数据业务的需求, IS-95 CDMA 基站需要在信道结构上做相应的改进,这也是IS-95 CDMA 基站的发展方向。

  数据通信网主要完成数据传输技术与交换任务,并为广域网城域网提供网络互连技术。按OSI七层协议分析,数据通信网提供的是低3层功能,即网络层、链路层、物理层的功能。目前的数据通信网主要有分组交换网、帧中继网、DDN网、ATM网、N-ISDN网等。其中,DDN网、帧中继、分组交换网和ATM网,也被称为是广域网的互连技术,而N-ISDN主要是面向用户提供话音和非话音业务的窄带综合电信业务

  分组交换是最早的数据交换技术,它的基本原理是:将用户信息封装在各分组(数据包)中,每个分组都有包含附加信息的分组头,网络按附加信息(如主、被叫地址,逻辑信道号,数据包序列号)作出路由选择、差错控制等处理。分组交换网时延大,传输速率低,只适用于一些业务量小、速率要求不高的数据、图形、静止图像的传送,并且不能进行实时性要求强的语音传送。

  帧中继(FR)被称为第2代分组交换技术,与分组交换相比,简化了节点机之间的协议处理,提高了传输速率,降低了网络时延。帧中继(FR)最典型的应用是局域网互连。

  数字数据网(DDN)是我国目前应用最广泛的数据网,它是以数字光缆传输为基础,利用数字信道来传输数据信号的高速数据传输网络。DDN的特点是传输速率高、传输质量好、网络时延小、全透明(支持任何规程)、网络管理智能化,可为用户提供有关语音、数据、图象信号的点对点或点对多点的半固定连接,接口灵活多样,使用简便。所谓的半固定连接是指DDN所提供的信道属非交换型信道,不具有类似于电话交换、分组交换的交换能力,用户只能链接所申请的固定的对端用户,用户的任何操作改变不了该半固定连接,除非网管人员通过命令解除该连接。因此,它只适用于大业务量集团用户和大中型网络互连,如Internet中国骨干网、中国工商银行组建的全国范围专用网、各航空公司间连接的数据专用网等,对业务量较小且流量分散的小用户,无交换能力的DDN就很不经济。DDN与分组交换相比速率高、时延小,不仅可以传送数据、图形、静止图像等,也能作语音传送。

  N-ISDN是由电话综合数字网(IDN)演变而来的,它提供端到端的数字连接,支持一系列广泛的话音和非话音业务,为用户进网提供一组有限的标准多用途用户网络接口。但它所支持的业务带宽有限,只能是小于2.018mbit/s的窄带业务。

  ATM (异步转移模式)是一种面向连接的快速分组交换技术,它综合了分组交换和电路交换的优点,采用异步时分复用的方法,将信息流分成固定长度的信元(CELL),进行高速交换。它采用了分组交换中统计复用、动态按需分配带宽的技术。ATM将信息分成固定长度的交换单元――信元。信元长度为53个字节,其中5个字节用来标识虚通道(VPI)和虚通路(VCI)、检测信元正确性、标识信元的负载类型。由于采用短固定长度的信元,可用硬件逻辑完成对信元的接收、识别、分类和交换,保证155Mbps-622Mbps速率的通信。其优点是:1)选择固定长度的短信元作为信息传输单位,简化了交换机的处理任务,有利于宽带高速交换;2)允许终端灵活地享用带宽,能很好地支持不同速率的各种业务和突出性业务;3)保持了电路交换的高实时性优点,支持实时性业务。

  现代电信网是由一定数量的节点(包括终端设备和交换设备)和连接节点的传输链路相互有机地组合在一起,以实现两个或多个规定点间信息传输的通信体系. 其一般结构按纵向来看是协议分层结构,按横向来看是业务网和支撑网组成的结构。

  OSI模型规定了一个网络协议的框架结构,它把网络协议从逻辑上分为:物理层、数据链路层、网络层、传送层、会话层、表示层和应用层,其中下面的三层为低层协议,提供网络服务,上面的四层为高层协议,提供末端用户功能。OSI模型示如图1所示:

  在物理层主要讨论在通信线路上比特流的传输问题,这一层协议描述传输的电气的、机械的、功能的和过程的特性.

  在数据链路层主要讨论在数据链路中帧留的传输问题.这一层协议的内容包括:帧的格式、帧的类型、比特填充技术、数据链路的建立和终止、信息流控制、差错控制。这一层协议的目的是保证在相邻的站与节点或节点与节点之间正确地、有序地和有节奏地传输数据帧.

  网络层主要是处理分组在网络中的传输。这一层协议的功能是:路由选择、数据交换、网络连接的建立和终止,在一个给定的数据链路上网络连接的复用,根据从数据链路层来的错误报告而进行的错误检测和恢复,分组的排序和信息流的控制等。

  传送层协议处理报文从信息源到目的地之间的传输。这一层的主要功能是:把传送层的地址变换为网络层的地址,传送连接的建立和终止,在网络连接上对传送连接进行多路复用,端到端的顺序控制,信息流的控制,错误的检测和恢复。

  会话层主要控制用户之间的会话。会话是指用户与用户的连接,会话可以使一个用户登录到一个远程分时系统或者在两台机器之间传送文件。这一层协议的功能是:把会话地址变换成它的传输地址,会话连接的建立和终止,会话连接的控制,会话连接的同步。

  表示层主要处理应用实体间交换数据的语法,其目的是解决格式和数据表示的差别。表示层的协议,使计算机的文件格式能够经过变换而得以兼容。

  业务网也就是用户信息网,它是现代通信网的主体,是向用户提供诸如电话、电报传真、数据、图象等各种电信业务的网络。业务网按其功能又可分为用户接入网、交换网和传输网三个部分。用户接入网是电信业务网的组成部分,负责将电信业务透明地传送到用户,即用户通过接入网的传输,能灵活地接入到不同的电信业务点上。接入网与传输网和交换网的位置关系如图3所示。

  支撑网是使业务网正常运行,增强网络功能,提供全网服务质量以满足用户要求的网络。在各个支撑网中传送相应的控制、检测信号。支撑网包括信令网、同步网和管理网。

  在采用公共信道信令系统之后,除原有的用户业务之外,还有一个寄生、并存的起支撑作用的专门传送信令的网络——信令网。信令网的功能是实现网络节点间(包括交换局、网络管理中心等)信令的传输和转接。

  实现数字传输后,在数字交换局之间、数字交换局和传输设备之间均需要实现信号时钟的同步。同步网的功能就是实现这些设备之间的信号时钟同步。

  管理网是为提高全网质量和充分利用网络设备而设置的。网络管理是实时或准实时地检测电信网络(即业务网)的运行,必要时采取控制措施,以达到在任何情况下,最大限度地使用网络中一切可以利用的设备,使尽可能多的通信得以实现。

  市场需求和技术进步共同推动着网络的发展,IP技术大大改变了传统电信网络的概念和结构。未来的趋势表明以IP为代表的数据业务将持续快速增长,因为诸如Internet之类的先导网的发展会出现许多新的应用,传统电信业务从电路交换网向IP网的转移将加快,宽带接入的推广使用将大大增加网上流量,目前常处于开始阶段的机对机的应用(如生物信息传递、异地备份、Web高速缓存、多播馈送、批处理、数据库同步等)将对网络和带宽提出进一步的要求。为了适应用户多媒体通信的需要,电话网、Internt网以及有线电视网融合将越来越深入,而作为一个公共的通信平台,Internet网将处于核心的地位。如何将目前的电信网演进为以IP分组为基础、以Internet网为核心的公用通信网络,是电信网发展所面临的挑战。

  Internet采用开放的体系结构、统一的标准协议,任何接入网络只要是采用TCP/IP协议都可以和它互通互连。而传统的有线和移动无线电话则不同,它们有着各自独立的交换和传输网络。而无线移动电话的接入网络更是复杂,它们有着不同的空中传输标准,这不仅增加了成本,也给使用、管理者带来不便。随着IP电话的兴起,VoIP技术的发展,传统电话在向IP方向演化发展。首先长途骨干网开始IP化,随后各种接入网被用于IP电话接入,最后,进一步发展将融合传统电话智能网和因特网特征的新一代综合业务VoIP系统。上述发展趋势必影响3G移动电线G移动电话不可能再维持自己独立的、用于传输和交换的核心网,向统一的IP核心网演化已经是大势所趋,所有的业务,从传统电话、移动通信漫游、新一代综合业务VoIP,到电子商务、综合应用服务,乃至交互式电视业务全部都由统一的核心IP网来完成,差别仅仅在于接入网。接入网可以是传统电话网、无线电话接入网、有线电视网、ADSLLMDSLAN接入和光纤接入等。

  统一的IP核心网用一套统一的设备代替了原来各系统的独立设备,可以大大降低开发和运营成本。例如,移动电话可以很方便地享有原来为有线电话开发的新一代VoIP 业务。竞争的电信运营商采用统一的IP核心网,不仅可以降低成本、提高竞争能力,还可以快速进入无线移动通信等新领域。传统的电信运营商由于受到传统电话网的束缚,不可能快速转向统一的IP核心网,但是这种演进只是时间早晚的问题。

  目前,一些电信运营商已经开始了这一演进进程。如US West 建立了单一的IP核心网络为有线和移动无线电话服务。这样不仅可以消除冗余、降低成本,还可以提供综合服务。尽管目前对于建立怎样的IP核心网和如何建立还有不同的看法,但是对于在点到点的骨干网上采用IP这一点上已达成共识。例如,移动无线电话的运营成本很大一部分是基站和连接基站的线路费用,US West采取的第一步是将基于SS7信令的体系结构转向IP。由于不必缴纳使用SS7的许可证费和不用SS7接口硬件,因此可以降低成本,US West在其新系统中使用了具有电信SS7接口的Sun工作站,用传统的以太网口做接入,阿尔卡特为其提供了用IP取代传统的SS7接口的HLR。US West需要将传统有线电话标准和北美蜂窝电话网络漫游标准结合起来,为此,Tekelec为其提供了采用IP标准的网关。US West的体系结构的特点使得它可以大量使用原来的有线电话设备。

  构建IP 核心网,将不再使用各种传统的电路交换机,取而代之的是高性能路由交换机。传统电话智能网的许多功能是运行在交换机中的,第三方应用开发商必须和交换机打交道,这为第三方开发造成很多困难。在统一的IP核心网中,应用服务器代替了交换机,不仅效率比交换机高得多,而且第三方应用开发也要简单得多。

  在无连接的IP网上,如果采用基于SIP的VoIP系统,利用软件交换机提供VoIP业务,则可以提供固定电话的交换传输,也可以提供移动电话的交换传输,而差别仅仅是接入方式的不同。它不但可以提供传统电话智能网的全部功能,还可以提供传统电话智能网和因特网特征融合的新功能。发展统一的IP核心网不仅能使新型电信运营商从互联网综合业务的角度进入固定电话和移动电话领域,更重要的是在这个统一的IP 核心网上,还可以进行以电子商务为代表的、基于Web的互联网新业务,以及宽带交换式多媒体业务。

  目前,软交换的研究是通信技术的研究热点之一,国内外有很多的科研、生产单位都在从事这方面的研究。总的看来,在分组网和PSTN的融合问题上,人们的想法基本是一致的。也就是说,采用软交换的模式,把呼叫控制与呼叫传输分离。智能化的软交换机实现不同信令的转化,控制呼叫的建立过程,并具有开放接口和API,方便新业务的产生。而呼叫传输由简单的设备完成,如媒体网关,但相关的软交换标准还有待完善、统一和广泛接受。软交换所面临的首要的也是最主要的挑战就是多协议,即软交换所支持的协议很多。而且这些协议分别来自不同的标准化组织。这为技术研究、设备生产、通信运营等各方面都带来了很多协调方面的困难。

  从运营方面讲,软交换的组网方案对新老运营商公司都有利。传统运营公司用它实现PSTN与分组网的融合,保护传统投资,又具有创新能力;而新公司用它可以比较容易地进入竞争激烈的通信业务市场,不需对传统设备进行巨大投资,没有财政压力。现在国外已有不少运营公司在试验或使用软交换组网方案,关注他们的动态,总结他们的经验和教训,对我们的网络发展规划是有启发的。作为下一代网络核心的软交换,结合了传统的话音网络的可靠性和新兴的IP技术的灵活性和有效性的优点,不但可以很好地解决从传统的电话交换网向分组化网络过渡的问题,更是新兴运营商进入话音市场的技术手段之一。我国网络与交换标准研究组正在积极开展跟踪和研究工作,预计很快就会有相应的标准出台。国内厂家也在加紧软交换的研制工作。采用软交换技术,将形成一系列的网络新产品,对我国电信网的合理化演进,实现由电路网络向分组网络的无缝过渡起到重要的作用,有广阔的发展前景。

  [3]《高速宽带光互联网技术》徐荣 龚倩 编著 人民邮电出版社 02/2002

  1. 张磊(1978-),男,江苏常州人,南京邮电学院计算机应用专业研究生,2001年毕业于南京邮电学院通信工程系,目前主要从事IP网络技术,全光互联网的研究。

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