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1、毕业设计（论文） 题 目基于全IP技术的3G核心网络的研究 系 别 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 完成时间 2012.4.25 评定成绩 教务处制2012年5月20日摘要随着IP 技术的迅速渗透和无线数据业务的高速增长,无线业界一致决定将3G 核心网朝着全IP 方向发展。目前移动通信网络正面临着向3G 网络的演进，第三代移动网络是移动通信领域的下一代网络。对于拥有庞大的GSM网络资源的中国联通，从便于设备升级、技术更新和保护已有的投资角度出发，在3G 网络建设中采用WCDMA制式。在这个制式的发展中，软交换技术和IP 技术得到充分体现。由3GPP 进行标准化的WCDMA通信系统规范
2、有R99，R4，RS，R6 和R7 版本。核心网电路域从3GPPR4 开始，引入了软交换的概念，称为移动软交换。电路域中将控制与承载分离，从物理上把原来的MSC 分成MSCServer 和络结构，主要是业务研究。关键词：移动通信网络;软交换;核心网;3G AbstractAlong with the IP technology develops rapidly and the wireless data business growth, the wireless industry unanimously decided to make3G core network toward the IP
3、direction. The mobile communication network is facing to the 3G network evolution, the third generation mobile network is the field of mobile communication in the next generation network. To have a huge GSM cyber source of China Unicom, from easy to upgrade equipment, technology updates and protect
4、the investment perspective, in 3G network construction by using WCDMA system. In this mode of development, the soft exchange technology and IP technology has been fully embodied. By the 3GPP standard WCDMA communication system specification R99, R4, RS, R6and R7version. Core network circuit switched
5、 domain from 3GPPR4, introduced the soft exchange concept, called mobile softswitch. The control circuit domain and bearing separation, from the physical to the original MSC into MSCServer and structure, is the main business research Key word：Mobile communication network; softswitch core network;3G;
6、目录摘要 2Abstract. 31 绪论5 1.1网络结构特点.5 1. 2网络控制协议.6 1.3 移动网络结构演进.8 1.4 3G网络控制结构.9 2软交换是3G核心网的基础技术.112.1 软交换在3G中的应用模式112.2软交换在3G增值业务中的应用.112.3基于软交换的全IP 的3G 核心网结构.122.4 3G 的未来是采用软交换技术的全IP的网络.123 、核心网的互通与多媒体会话的实现.13 4、核心网结构的改进方案.13结论 14致谢. 15参考文献. 161 绪论1. 1 网络结构特点软交换网络的一般分层结构。其中,接入层支持各种类型的终端,相当于软交换网络的用户网络
7、接口功能。传送层负责通信媒体信息的端到端传递,对应网络的下3 层功能,原则上可以采用任何形式的分组网络技术,目前主要考虑的是IP技术,相应的网络设备为各种路由器。控制层负责呼叫控制,对应网络的会话层功能。该层的主要设备就是软交换系统(SSW) ,其地位相当于传统通信网中的交换机,是网络的核心设备。业务层基于下层网络的能力提供增值业务,对应网络的应用层功能。该层的主要设备就是装载业务控制逻辑的各类应用服务器(AS) ,相当于智能网中的业务控制点(SCP) ,它通过标准化的应用编程接口(API) 使用底层网络的能力和资源。目前最有影响的API 就是由各大制造厂商和运营商共同开发的Parlay。上述
8、网络结构最重要的特点是在分布式处理的IP 网络中引入了电信网的集中式呼叫控制机制。IP是一种无连接的网络技术,在传统数据应用中原本并无呼叫的概念,但用于通信应用时,双方需要就终端能力、媒体形式、服务质量等进行协商,网络需要对资源分配、计费安全等进行控制和管理,因此必须在原有传送层之上增设一层控制层。该层功能的实现在很大程度上可以借鉴成熟的电信交换技术。其次是引入各类网关,支持IP 网络和传统通信网的互通。其中,媒体网关(MG) 负责TDM(时分复用) 网络和IP 网络之间的媒体格式转换和信号适配;接入网关(AG) 负责各种已有数据接入方式的汇接;信令网关(SG) 则负责传统电信网控制信令在IP
9、网络上的透明传送,主要是可靠地将七号信令消息送达软交换设备(SSW) 。另外一个十分重要的特点是,引入了开放式业务提供架构。虽然业务控制和呼叫控制分离的概念继承于传统智能网,但是在IP 网络环境下,作了两个方面的重要扩展:一是新的业务结构是一个分布式体系,和集中控制的SCP 结构相比,众多的AS 形成一个基于对象控制的分布计算环境;二是网络控制接口的开放,借助于标准化的API ,认可的第3 方可以方便地使用下层网络能力,灵活地提供各种个性化的业务,由此可望形成独立于网络运营商的业务运营商。1. 2 网络控制协议 上述分层分布式结构包含了大量的接口,因此软交换网络重要的技术基础之一就是接口协议的
10、标准化。图1 已列出各网络实体间的接口协议,其主要协议包括3 类,都是围绕软交换设备定义的。一是呼叫控制协议,包括与终端之间的用户接口协议以及SSW之间的网络接口协议。二是网关控制协议,其中MGCP(媒体网关控制协议) 由IETF 定义,比较简单;H. 248 协议由ITU2T 与IETF 联合定义,功能比较完备。执行此类协时,SSW 起MGC 的作用。三是支持七号信令互通传送的Sigtran 协议族。其中呼叫控制协议是软交换网络的核心协议。众所周知,软交换网络中有两类互相竞争的呼叫控制协议: ITU2T 定义的H. 323 和IETF 定义的SIP。应该说,这两个协议都是成功的,对于基本的V
11、oIP 应用来说,两者功能相当,而H. 323 体系已经占据了市场的主要份额,成为当前不可忽视的IP 通信技术。但是,从网络融合和提供多媒体业务的能力,特别是电信业务和Internet 相结合的前景来看,人们已越来越倾向于采用SIP 作为未来网络的控制协议2 。SIP 是IP 网络中语音和多媒体呼叫的会话控制协议,其基本功能是通信会话的建立、释放和修改,以及终端通信能力的协商。SIP 基于客户/ 服务器工作模式,涉及两类协议实体:SIP 用户代理和SIP 网络服务器。前者对应于呼叫的端系统,包括用户代理客户机(UAC) 和用户代理服务器(UAS) ,分别相当于主叫和被叫,这样,使得客户/ 服务
12、器模式的SIP 可以完成对通信网中对等呼叫的控制。后者则是处理呼叫信令的网络设备,其基本功能是地址解析和用户定位,包括代理服务器和重定向服务器两类。两者的差别是,代理服务器接受会话建立请求后,根据被叫地址确定下一跳服务器,然后前传该请求。一般说来,全程可以有多跳服务器。重定向服务器并不前传请求,而是将地址解析所得的结果回告主叫,由后者直接与下一跳服务器联络。代理服务器又可进一步划分为有状态和无状态两类。其中,有状态代理服务器记忆所有入向和出向请求以及对应的响应,因此可以掌握每个呼叫的进展状态,实施相应的控制策略。其控制能力强,但处理开销比较大,一般位于用户代理附近。软交换设备即在此基础上构成。
13、无状态代理服务器不记忆任何信息,因此其处理任务简单,处理速度快,可用作SIP 核心网络的高速转发设备。SIP 采用和HTTP 类似的请求响应协议过程和消息结构。SIP 消息由3 个部分组成:标识消息类型和目标地址的起始行,携带消息参数的头部,承载任意附加信息的消息体。消息体中传送的最重要的信息就是由SDP(会话描述协议) 描述的媒体控制信息,供终端协商并建立媒体信道。因此,一般常记会话控制协议为SIP/ SDP ,通过这两个协议的绑定使用,通常只需要往返3 个消息就能完成呼叫和媒体控制信令过程。 1.3 移动网络结构演进 以GSM为代表的2G核心网络(CN) 是传统的电路交换(CS) 网络,主
14、要提供普通电话业务,同时也提供低速电路交换数据业务。其网元包括处理移动用户呼叫的MSC(移动交换中心) 和负责与固定网互通的GMSC(gateway MSC) 。此外,还采用移动智能网技术提供网络增值业务,称为CAMEL (移动网增强逻辑的客户化应用) 。和固定网的PSTN/ ISDN一样,2G网络的连接控制和呼叫控制没有分离,业务控制和呼叫控制按智能网原则分离。以GPRS 为代表的2. 5G核心网络由两个网络组成,一个是2G的CS2CN ,仍然支持电路交换的电话业务;另一个是新增的分组交换网络(PS2CN) ,支持Internet 数据业务,其网元包括处理移动用户数据接入的SGSN(GPRS
15、 服务支持节点) 和负责与Internet互通的GGSN(GPRS 网关支持节点) 。增值业务提供仍然采用CAMEL 技术。PS2CN 只提供普通数据业务,只需要路由功能,不涉及呼叫控制。因此,2. 5G网络传送层和呼叫层不分离,业务层的主要网元就是智能网的SCP 以及移动网负责移动性管理的HLR(归属位置寄存器) 。其分层结构如图2a 所示。3G核心网络的最终目标是实现融合的全IP 网络,也就是在传送层只有一个以IP 为核心的PS2CN。为了在单一的融合网络上支持实时电话和多媒体业务,3GPP 专门定义了IMS3 ,构成分离的呼叫控制层,其网元主要是各类呼叫/ 会话控制功能(CSCF)实体。
16、在IMS 之上,则是开放的业务层,其主要网元是AS。下图示出3G网络的分层结构。由于IMS 的引入,PS2CN 不但提供传统数据业务,还承担VoIP 和多媒体业务流的传送。网络中同样包含媒体网关(MG) 和信令网关(SG) 。1.4 3G网络控制结构3G网络的控制结构,即IMS 的结构如图3 所示。它由CSCF、MGC、SG和原籍用户服务器(HSS)构成。其中,MGC 和SG的作用已在软交换网络中定义,HSS 相当于2G中的HLR ,CSCF 相当于SSW的地位,是IMS 的核心网元,完成会话控制功能,采用SIP 作为信令协议。在IMS 中定义了3 类CSCF :1) S2CSCF(服务CSC
17、F) :是IMS 会话控制的核心部件,位于原籍网络,根据需要可以设置多个。会话控制集中在原籍网络执行的好处是网络业务提供不受限于访问网络的能力,即实现对于移动网络至关重要的“原籍虚拟环境(VHE) ”。2) P2CSCF(代理CSCF) :位于访问网络,是移动用户发起呼叫时首先接入的CSCF ,负责将SIP 起呼消息转发到原籍网络,相当于SIP 网络中的代理服务器。除此以外,P2CSCF 还负责紧急业务的本地控制以及执行访问网络的QoS 策略控制。3) I2CSCF (查询CSCF) : 位于原籍网络, 是P2CSCF 来的SIP 起呼消息进入原籍网络的入口点。其主要任务是询问HSS ,确定应
18、将该SIP 消息送往哪一个S2CSCF ,以实现负荷均衡。同时,作为原籍网络的入口,还有防火墙功能和网间计费功能。如图所示,SGSN 和GGSN 通过3G内部IP 网络为通信信息和信令提供数据通道。传统数据业务流直接进入Internet ,无须IMS 控制; IP 网络上的多媒体业务流在IMS 控制下进入Internet ;与传统电信网互通的VoIP 信息流在IMS 控制下,经由媒体网关(MG) 进入PSTN/ ISDN ,S2CSCF 通过MGCF 控制MG的操作,SG则支持7 号信令在IP 网络上的传送,完成IMS 和传统电信网之间的信令互通。在IMS 中,与HSS 的Cx 接口采用3GP
19、P 专门定义的IP 网络控制协议,MGCF 与MG之间为MGCP/H. 248 协议,SG相关接口为Sigtran 协议,其余接口均采用SIP。2 软交换是3G核心网的基础技术2.1 软交换在3G中的应用模式WCDMA R4已经在电路交换域(CS)中采用网关分离模式，通过关口移动交换中心服务器(GMSC Server)和媒体网关(MGW)功能实体实现了移动交换中心(MSC)功能，而全IP结构的R5则进一步发展了这种实现方式。R6研究虽然刚刚开始，但预计将会在分组交换域(PS)中引入这种模式，从而使整个CN都基于网关分离模式。CDMA2000的阶段划分不如WCDMA清晰，但CDMA2000全IP
20、 LMSD在功能上类似于R4的CS，同样采用网关分离模式，通过关口移动交换中心仿真设备(GMSCe)和MGW功能实体实现了MSC功能。未来的IP多媒体子系统(IMS)也是按照类似模式来实现的。网关分离(或者说控制和媒体分离)思想是软交换最重要的技术基础。只要是采用这种思想实现的系统，都可以认为是软交换技术的一种应用形式。因此R4和LMSD采用软交换技术实现是毋庸置疑的。软交换技术在3G中有两个方面的应用：一是基础网络，二是增值业务。2.2 软交换在3G增值业务中的应用R4的主要变化在于将R99的CS中的GMSC分解成两个功能实体，即GMSC Server和MGW，其中，GMSC Server主
21、要用来完成对信令和呼叫的控制，而MGW则主要提供媒体流的处理。GMSC Server与MGW之间采用H.248协议，GMSC Server之间采用与承载无关的呼叫控制(BICC)协议。GMSC Server通过信令网关(SGW)实现与公众交换电话网(PSTN)和公众陆地移动网(PLMN)的互通，而LMSD也可以作类似的分析。2.3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TD2SCDMA , 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
22、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的。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4, 5 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, 使控制与承载分离, 呼叫控制。2.4 3G 的未来是采用软
23、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N GN 演进的大背景下进行的, 因此3G 网络的演进应符合N GN 1 的要求。N GN 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W eb 浏览、电子商务等多种业务,IP 协议是主导的网
24、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。3 、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S IP 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。M GW 完成
25、媒体流的转换, SGW完成信令流在传输层的转换,M GC 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。4、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N GN 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
26、 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, 将承担控制较多的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M GC 功能。而M GW 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。结论近年来,我国积极进行研究开发和网络试验,已形成具有自主知识产权的产品系列以及相关标准,在软交换网络上实现了一系列话音基本业务和增值业务,在电话网的IP 演进方面取得了令人瞩目的成果。软交换
27、将通信网集中式控制技术和计算机网分布式传送技术有机地结合在一起,已被公认为下一代网络的核心技术。由IETF 提出的SIP 继承Internet简单、灵活的设计思想,充分重用已有的IP网络协议,被认为是未来网络多媒体呼叫控制富有挑战性的协议技术。从另一个方面说明在GSM网络中引入移动软交换技术是向WCDMA 演进的第一步，也是关键的一步。致谢本论文是在郑洪庆老师精心辅导下完成的。从论文选题到课题难点的解决，都给予了本人悉心地指导。如果没有郑老师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。在此，我首先向郑老师致以深深的敬意和衷心的感谢。感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文
28、引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。最后要感谢的是我的父母和家人，我永远都不会忘记你们的良苦用心和一如既往的支持与鼓励。三年来，快乐的事情因为有你们的分享而更快乐，失意的日子因为有你们的关怀能忘却伤痛，坚强前行。无论我成功与否，你们总以鼓励的言语告诉我很棒，谢谢你们，我会继续努力。参考文献1 糜正琨, 刘继明. 面向下一代网络的软交换技术J . 现代电信科技,2002 ,(7) :7 - 11.2 ROSENBERGJ , SCHULZRINNE H , CAMARILLO G, et al . SIP :Session initiat
29、ion protocol EB/ OL . IETF RFC3261. 2002206.3 3GPP TS23. 228 V5. 6. 0 , IP multimedia subsystem ( IMS) : Stage 2S .4 糜正琨. IP 电信网中的业务体系结构J . 中兴通信技术, 2003 , (2) :37 - 40.5赵慧玲. 下一代电信网络技术的发展趋势及演进策略. 电信网技术, 2001, (1) : 13 1763GPP, 3GPP TS 23. 002 V 5. 4. 0 ( 2001210 ) , N etwo rkarch itecture (Release 5)73GPP TS 23. 228 V 5. 2. 0 (2001210) , IP M ultimedia Subsystem( IM S) ; Stage 2 (Release 5)8A ndreas W itzel. Contro l server in the co re netwo rk, EricssonReview. 2000, (4) 234 2439叶华. 软交换及其发展的探讨. 电信网技术, 2001, (1) : 18 2010ERICSSON.Mobile Softswitch Teehnieal Solution.2005,1111爱立信移动网络软交换技术白皮书.
